水轮机选型计算.doc

浅谈水轮机选型计算张 彪(南宁广发重工集团发电设备公司 广西 南宁 530031)摘要：简单介绍了水轮机的形式、适用范围、特点、水轮机选型的步骤、蜗壳、尾水管的尺寸计算及调速设备和油压装置的选择方法。阐述水轮机各种机型特点及水轮机技术参数之间的相互关系。关键词：水轮机选型、蜗壳、尾水管、进水阀门、调速器、油压装置原则选型计算的一般原则概括为以下几点：所选定的水轮机应有较高的效率。不仅要选择效率高的转轮型号，而且还要根据水轮机的模型综合曲线和真机工作特性曲线选择工作范围最好的转轮，以保证水轮机运行时有较高的工作效能； 所选定的水轮机转轮直径应较小。较小的转轮直径将使机组获得较高的转速，从而缩小机组尺寸，降低机组造价。 所选定的水轮机应有良好的汽蚀性能和工作稳定性(压力脉动小)。 优先考虑套用已有型号转轮直径接近的机组。内容(1)、确定机组台数及单机容量(2)、选择水轮机型式（型号）(3)、确定水轮机参数D1、Q、n、Hs、ns、F、Z0、do。(4)、绘制水轮机运转特性曲线(5)、估算水轮机的外形尺寸、重量及价格、蜗壳、尾水管的形式、尺寸、调速器及油压装置选择(6)、根据选定水轮机型式和参数，结合水轮机在结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向厂家提出制造任务书，最终由双方共同商定机组的技术条件，作为进一步设计的依据。水轮机选型过程中，根据水电站所需要的开发方式、动能参数、水工建筑物布置等，并考虑已生产的水轮机的参数拟选若干方案进行技术经济的综合比较，最终确定水轮机的最佳型式与参数。水轮机选型计算内容1.确定单机容量及机组台数根据DL5180-2003水电枢纽工程等级划分及设计安全标准的规定，水电站工程等别根据其在国民经济建设中的重要性，按照库容和装机容量划分为五等：水电枢纽工程的分等指标工程等别工程规模水库总库容(亿m3)装机容量MW一大（1）型101200MW二大（2）型1101200300三中 型0.1130050四小（1）型0.010.15010五小（2）型0.0110水电站机组台数的选择一般是在装机容量已定的情况下进行的，选择的过程实际上是一个技术经济比较的过程，有时与水轮机型式的选择、甚至与水轮机主要参数的选择同时进行。2.选择水轮机型式(型号) (1)、根据水轮机设计手册,水轮机的分类和适用范围见下表(可逆式水轮机,在型式代号后增加汉语拼音字母”N” 表示)：类型水 轮 机 型 式适用水头特点汉字拼音汉字拼音反击型混流式FrancisHL30700结构紧凑、运行稳定、范围广,效率高轴流式KplanZ转桨式Z380用于中低水头,大流量电站定桨式D370用于功率及水头变幅不大的电站调桨式T370介于定桨与调桨之间斜流式 DeriaxX转桨式Z40200用于水头变幅大的电站,但工艺较复杂,技术要求高定桨式D贯流式 BulbG转桨式Z225用于低水头电站和潮汐电站定桨式D冲击式水斗式PeltonCJ3001700用于负荷变化大而水头变化不大的电站斜击式 TurgoXJ50400效率较低,适用于中小型电站双击式 BankiSJ10150效率低,仅用于小型电站(2)、水轮机装置形式及引水室代号如下表：主轴布置形式引水室型式与代号汉字拼音汉字拼音汉字拼音卧式立式WL明 槽M轴 伸 式Z混凝土蜗壳H竖 井 式S灯 泡 式P金属蜗壳J罐 式G罐式引水室G红 吸 式X有压明槽MY(3)、转轮型号含义示意图：混流式水轮机示意图：轴流式水轮机示意图：灯泡贯流式水轮机示意图：冲击式水轮机示意图：在产品型号中,用转轮名义直径表示水轮机尺寸,转轮名义直径取：(1)对于轴流式水轮机,取转轮室最大直径;(2)对于混流式水轮机,取转轮叶片进口边的最大直径。以下对水轮机产品型号举例:(1)HLA883-LJ-220,表示混流式,转轮型号为HLA883,金属蜗壳,立轴，转轮直径D1=220cm。 (2)HLA520-WJ-80,表示混流式,转轮型号为HLA520,金属蜗壳,卧轴,转轮直径D1=80cm。(3)ZZ709-LH-400,表示轴流式,转轮型号为ZZ709,混凝土蜗壳,立轴,转轮直径D1=400cm。(4)GZ995a-WP-460,表示贯流式,转轮型号为GZ995a,灯泡式,卧轴,转轮直径D1=460cm。(5)2CJA475-W-120/2x10,表示一根轴上有两个转轮的水斗式水轮机,转轮型号为CJA475,卧轴,转轮直径为D1=120cm,每个转轮有两个喷嘴,射流直径为10cm。根据GB/T 15468-2006水轮机基本技术条件，对水轮机的稳定运行范围规定：在空载情况下应能稳定运行;在最大和最小水头范围内，水轮机应在下表所列功率范围内稳定运行:水轮机型式相应水头下的机组保证功率范围 / %混流式45100定桨式75100转桨式35100冲击式25100对于混流式水轮机，如在保证运行范围内出现强振，应采取相应措施或避振运行。高负荷短时运行范围 100h，低负荷短时运行范围 500h。导叶漏水量：不应大于水轮机额定流量的3,圆锥式导叶漏水量不应大于额定流量4。冲击式水轮机全关时不应漏水转轮裂纹保证供货方应在设计制造过程中采用措施，保证产品质量，在合同规定的保证期和稳定运行范围内保证转轮不产生裂纹。噪声要求水轮机正常运行时，在水轮机机坑地板上方1m处所测得的噪声不应大于90dB(A),在距尾水管进入门1m处所测得的噪声不应大于95dB(A),冲击式水轮机壳上方1m处所测得的噪声不应大于85dB(A),贯流式水轮机转轮室周围1m内所测得的噪声不应大于90dB(A)可靠性指标在一般水质条件下,水轮机应具有以下可靠性指标：水轮机大修间隔期不少于5年；无故障连续运行时间不少于20000小时；水轮机平均寿命不少于40年。根据GB/T 15469.1-2008 反击式水轮机空蚀评定(MOD IEC 60609-1：2008)在规定的运行范围和时间内运行一时间内，任何形式的水轮机转轮(是指正常选用的转轮材料为不锈钢或不锈钢覆面的碳钢)的最大空蚀深度S(以mm计)、最大空蚀材料剥落体积V(以cm2)和质量M(以kg计)。图中所示各值依据以下条件确定：a)在不少于两年运行时间后的合理修补量。b)空蚀深度不削弱机械强度。这里给出的空蚀体积V、质量M值不是指单个叶片，而是指整个转轮。转轮形式材质空蚀深度S质量M空蚀体积V任何形式转轮不锈钢S=4D0.4M=0.78D2V=20D2碳钢S=6D0.4M=0.156D2V=100D23.确定水轮机同步转速n、比转速ns、过流量Qr、转轮直径D1、吸出高度Hs、轴向水推力F、飞逸转速nr等；冲击式水轮机射流直径do与喷嘴数Zo。(1) 现代水轮机一般都直接带动水轮发电机,带动加工机械的情况较少。我国电网所采用的标准频率为f=50Hz,一些国家和地区也有采用60Hz,为得到标准频率必须满足以下条件：np=6000(f=50Hz)或np=7200(f=60Hz) (式中: n发电机转速(r/min)；p发电机磁极对数)。按中国额定电压标准,不同机组容量选择发电机额定电压的参考值如下表所示：选择发电机额定电压的参考值（查中国水力发电工程 机电卷）机组容量(MVA)6357.56536200100320320额定电压(kV)6.310.513.815.7518机组容量(MVA)125MVA125P350MVAP750振动允许值(双振幅), mm立式机组推力轴承支架的垂直振动0.080.070.050.040.03导轴承支架的水平振动0.110.090.070.050.04定子铁芯部位机座水平振动0.040.030.020.020.02定子铁芯振动(100Hz振幅值)0.030.030.030.030.03卧式机组各部轴承垂直振动0.110.090.070.050.04灯泡贯流式机组推力支架的轴向振动0.100.08各导轴承的径向振动0.120.10灯泡头的径向振动0.120.10注：振动值系指机组在除过速运行以外的各种稳定运行工况下的双振幅值在正常运行工况下，水轮发电机导轴承处测得轴的相对运行摆度值(双振幅值)应不大于75%的轴轴总间隙值。同时规定在水轮发电机盖板外缘上方垂直距离1m处测量的噪声水平应为下列数值：a) 额定转速为250r/min及以下者不超过80dB(A)；b) 额定转速高于250r/min者不超过85dB(A)。机组转动部分的第一阶临界转速应不小于最大飞逸转速的120%。对于水轮发电机,不采用3000转速,因为当发生事故时,其飞逸转速对发电机转子是很危险的；转速1500采用于极小的水轮发电机；转速1000比较适用于小型水轮发电机。在实际中为使水轮机能和发电机直接传动,水轮机的转速应符合发电机的转速。在通过转速计算得出n后,先查找同步转速中相近档次的转速,带入转速公式反算水头H对应的单位转速n11。(2)查JB/T6310-1992中小型轴流式、混流式水轮机转轮系列型谱，规定了中小型轴流式和混流式水轮机转轮型参数范围。在没有模型资料数据时可做为初定值。中小型轴流式转轮型谱参数范围适用水头范围m导叶相对高度bo轮毂比叶片数Zo最优工况限制工况单位转速n11 r/min单位流量q11 m3/s比转速ns mkw单位流量Q11 m3/s汽蚀系数m380.450.34/0.383,41551701.11.36607602.12.31.21.46150.450.34/0.3841421541.01.25806701.92.150.80.9512220.400.35/0.4041301400.951.155005701.71.90.640.7518300.400.40/0.4551221320.901.14005001.51.70.520.6226400.3750.45/0.5061151250.851.054004501.351.550.450.55中小型混流式转轮型谱参数范围适用水头范围m导叶相对高度bo最优工况限制工况单位转速n11 r/min单位流量Q11 m3/s比转速ns mkw单位流量Q11 m3/s汽蚀系数m20450.3580851.151.252703101.31.450.20.2435600.31576831.01.22502901.151.350.120.1750800.2874800.951.12302701.11.250.110.14701050.2570780.91.052102501.051.20.100.12901250.22568750.80.951952350.951.10.080.111101500.2065720.70.81702100.80.950.060.091352000.1665700.50.651401800.60.750.0450.0651802500.14/0.1663670.350.51201500.450.600.040.0552303200.12/0.1460640.20.3951200.250.350.0350.0453004000.1/0.258620.180.22751000.220.280.0320.04中小型水轮机转轮直径尺寸系列规定为： 转轮直径系列 单位:：cm25303540425060718084100120140160180200225250275300330(3)水轮机选型计算公式如下表：名 称反击式水轮机基本参数计算备 注单位水轮机功率计算Pr：水轮机额定功率，Pr= Pff;Pf：发电机额定功率；f： 发电机效率；r：水轮机效率；中小型：0.950.96大中型：0.960.98；Q11r：水轮机额定工况单位流量；Hr：水轮机的额定水头；n110：模型最优单位转速；n11： 水头对应单位转速；：正常下游尾水位；bo：导水叶高度；k：汽蚀安全系数；不锈钢材料取1.151.3；碳钢材料取 1.31.5；K:水推力系数混流式查水轮机型号对应值；轴流式水推力系数：叶片数45678K0.850.870.90.930.95D2：混流式转轮最大外径；dh：转桨式转轮轮毂直径；如果没有模型飞逸特性曲线或最大单位飞逸转速,可按统计的飞逸系数KR近似估算 nR=KRn冲击式或混流式：KR=1.72.0；转桨保持协联：KR=2.02.2定桨：KR:2.42.6。KW转速的计算r/min转轮直径计算(m)流量计算Qr=Q11rD12m3/s比转速计算或ns=3.13n11m.kw吸出高度的计算立式机组：Hs=10-kHr+卧式机组:：Hs=10-kHr-m汽蚀数 由模型曲线对应工况点查取汽蚀数与比转速混流式:=0.319()2轴流式:=0.28+()3m轴向水推力计算混流式:F=KD2 2Hmax轴流式:F=K(D12-dh2)HmaxKN飞逸转速计算nR=n11Rr/min冲击式水轮机基本参数计算转轮直径计算Zp：转轮数Zo：喷嘴数；流速系数,史振声版水轮机推荐值为0.970.98,精确3位数经计算取0.968能保证精确四位数D1/do=1020时，原型效率与模型差别不大do：喷嘴射流直径, m；冲击式最优单位转速一般取n11=3741;vo：喷嘴出口射流平均速度 m/s；单位转速n1=84.6Ku；冲击式水轮机其它参数确定：1. 水斗直径db=1.05do2. 喷嘴口直径dn=1.228do3. 喷针最大行程 Sn=1.16do冲击式模型单位飞逸转速,一般取n11R=70；单位流量Q11可表示为射流直径计算 或m水斗数计算m喷嘴直径计算m转速计算r/min流量计算m3/s圆周速度系数K圆周速度u；飞逸转速计算nR=n11Rr/min比转速计算m.kw水轮机效率修正 混流式和定桨式水轮机效率修正: 转桨式水轮机效率修正：式中： max模型最高效率; DM、DT模型、真机转轮直径,m； Hm、H模型机试验水头、真机水头，m。对于混流式和定桨式水轮机，=M+；对于转桨水轮机：转桨式水轮机轮叶转角不同时，最高效率也不一样，为简化计算,各个转角取等修正值。2.3在进行选型计算时,选取符合条件的模型曲线,按单位流量大的模型为优先计算,得出水轮机型号、直径、转速、效率等进行对比。采用Excel表格进行简单的计算、比较、确定直径等工作非常方便，对减少工作的时间，提高工作效率有一定的帮助。水轮机选型参数计算过程，若采用手工计算,非常繁复、费时费力、工作效率较低。在此通过Excel中的公式编辑进行选型计算,填入相应已知参数：水头、发电机出力、发电机预估效率等,即可快速得出计算结果,较手工计算更为方便。在手上无水轮机选型电算软件的情况下，能比较好的提高工作效率；同时对于编制、整理、查找模型曲线数据有一定帮助(此表格根据水利网“不惑驹水轮机选型”稍做修改)。在水轮机选型中注意如下几点：(1).选择各曲线的模型最优点流量及1.051.1倍模型最优点流量做为试算的流量范围；(2).选择模型最优点单位转速及“最优点单位转速(510)”做为试算的单位转速范围；(3).通过计算比较,找出在符合条件的模型曲线中额定转速较高、转轮直径较小、效率较高的水轮机模型曲线做为最优选；(4)将不符合水头段的模型曲线型号剃除。(5).考虑按标准直径系列选择转轮直径；考虑已制造的相同型号、相近转轮直径的借用。水轮机选型算例如下：已知Nf=4000KW，f=0.96;水头分别为:100米，96米，93米，90米；进行选型计算。4.估算水轮机运输重量、蜗壳、尾水管尺寸、调速器及油压装置的选择。(1)水轮机重量计算不包括调速器、油压装置和其他附近属设备的水轮机重量近似按下面经验公式计算:G=KD1aHb (吨) 式中: K、b与水头有关的系数; a与直径D1有关的系数。转桨式混流式水头200直径1.86.56.511.31.47.57.510a2.14b0.40.160.2K2.458.16.6M=HmaxD13Qi带蜗壳混流机Gs=KD1aHb金属蜗壳重量Gw=M/(2.5-0.0528LnM)d-轮毂比Qi-单位流量转桨式转轮重量GZZ=1.4dHmax0.1D12.6混流式转轮重量GHL=(0.5+0.025(10-D1)D13(2)蜗壳外形计算金属蜗壳采用钢板焊接，蜗壳断面为圆形，当蜗壳尾部用圆断面不能和座环蝶形边相连接时，采用椭圆形断面，蜗壳的包角一般为345度。混凝土蜗壳常用于低水头、大流量机组，为了缩小厂房尺寸，一般采用较小的包角，包角通常为=180270,其中180包角较常用。连接蜗壳的座环有两种：一种是带蝶形边座环；一种是无蝶形边座环。采用带蝶形边座环时，其锥角为55度。根据水轮机设计手册中蜗壳水利计算公式，及水轮机中的座环尺寸设计值初定。蜗壳的分节数见下表：转轮直径D1(米)金属蜗壳分节数各节角度混凝土蜗壳包角与水头关系22015水头H蜗壳包角23.320231315nn=0蜗壳横向总宽B值=2035=1020=1015180 =200225 225=2030一般取30=0B=Rb+0.95D1B=Rb+1.1D1按具体条件定 蜗壳如设有支墩，则支墩出水边至机组中心线的距离应保持L1.3D1。(1) 金属蜗壳计算示例已知某混流式水轮机的参数如下:设计水头Hr=127m;设计流量Qr=20.34m3/s;水轮机转轮直径D1=1.42m;水轮机蜗壳平面尺寸。根据水轮机工作水头Hr=127m,选择=345的金属蜗壳。查河海大学 刘大恺水轮机第三版，金属蜗壳设计,固定导叶外切圆直径Da=1.551.64；固定导叶内切圆直径Db=1.331.37。Da、Db座环进口和出口处直径与水轮机转轮尺寸D1的比值,当D1S 时断面形状改为椭圆形176小于此角度换成椭圆椭圆断面长半径中心距a1=Ra+1.22*椭圆断面椭圆短径椭圆面积当量A=i2+d2tg55椭圆断面长径椭圆断面短半径中心距椭圆断面外径 金属蜗壳计算 单位：米断面号ii/C2R0i/C2R0i/C-h2(2R0i/C-h2)0.5XiXi2圆形i圆形ai外径Ri13450.2037 0.5070 0.4109 0.6410 0.8447 0.7136 0.899 2.090 2.989 23300.1949 0.4853 0.3892 0.6239 0.8188 0.6705 0.875 2.064 2.939 33150.1860 0.4631 0.3670 0.6058 0.7918 0.6270 0.850 2.037 2.887 43000.1771 0.4410 0.3449 0.5873 0.7644 0.5844 0.824 2.009 2.833 52850.1683 0.4191 0.3230 0.5683 0.7366 0.5426 0.799 1.982 2.781 62700.1594 0.3969 0.3008 0.5485 0.7079 0.5012 0.772 1.953 2.725 72550.1506 0.3750 0.2789 0.5281 0.6787 0.4607 0.746 1.924 2.670 82400.1417 0.3528 0.2567 0.5067 0.6484 0.4205 0.718 1.893 2.611 92250.1329 0.3309 0.2348 0.4846 0.6175 0.3814 0.691 1.863 2.554 102100.1240 0.3088 0.2127 0.4612 0.5852 0.3425 0.662 1.830 2.492 111950.1151 0.2866 0.1905 0.4365 0.5516 0.3043 0.632 1.797 2.429 121800.1063 0.2647 0.1686 0.4106 0.5169 0.2672 0.602 1.762 2.364 131650.0974 0.2425 0.1464 0.3826 0.4800 0.2304 0.571 1.725 2.296 141500.0886 0.2206 0.1245 0.3528 0.4414 0.1949 0.5390.541.686 2.225 椭圆当量iA短半径2长半径1中心距ai外径Ri141500.5390 0.940 0.539 0.541 1.687 2.228 151350.5060 0.831 0.483 0.524 1.618 2.142 161200.4720 0.727 0.427 0.508 1.550 2.058 171050.4350 0.621 0.366 0.489 1.475 1.964 18900.3970 0.522 0.304 0.471 1.400 1.871 19750.3570 0.427 0.241 0.452 1.323 1.775 20600.3140 0.337 0.175 0.432 1.242 1.674 21450.2670 0.251 0.106 0.411 1.158 1.569 22300.2130 0.169 0.032 0.389 1.068 1.457 23150.1460 0.094 R20R20R20R20 注：(以上计算数据采用Execl表格计算得出)流速系数K值按第二条曲线取值 (2) 混凝土蝇壳计算示例: 已知某电站轴流转桨式水轮机的参数如下：设计水头Hr=22.9m;设计流量Qr=50.2m3/s;水轮机转轮直径D1=2.8m;计算水轮机蜗壳平面尺寸。根据水轮机工作水头Hr=22.9m,选择=210的混凝土蜗壳。为简化设计,减小厂房布置尺寸，选用“”平顶型式蜗壳；当n=0时,b:a=1.51.85，选取1.8。当过流面积与计算面积之比不大于1.1倍时，蜗壳内的流速与平均流速相差不大,在这里F大：F=1.01。ai根据Fi区间试算确定。(填充部分为需要手动输入数据单元格)转轮直径D12.8流量Q50.2Qi=*Q/36029.28bi=ai的倍数,mi=bi-bo，mbo;过流面积计算:Fi=aibi-(mi2tg/2)+bo(Ra-Rb);蜗壳外径Ri=ai+Ra;进口B取值:180: B=Ri+0.95*D1; 225: B=Ri+1.1*D1;蜗壳进口相切圆R跟据进口包角确定。水头m22.9蜗壳包角(135225)210Fo=Qo/vo=7.327.32分节角度15Vo查混凝土流速曲线4F大=1.01*F7.393b:a1.8固定导叶高bo1.13FFiF大7.39m夹角(1015)15固定导叶外圆半径R12.24蜗壳进口宽度B7.48tg0.27固定导叶内圆半径R21.955蜗壳进口相切圆R1.33方法一：跟据过流面积简单计算 混凝土蜗壳断面简单计算(采用Execl表格