冲击式水轮机调速功计算.doc

冲击式水轮机的选择孙红伟2007-8-6 14:10:00摘 要主要介绍冲击式水轮机及其辅助设备的选型方法及计算程序，并提出用最优直径比检查选型及效率修正方面的一些看法，内容的重点在中小型机组。表5个。关键词冲击式水轮机 选型 最优直径比1 引 言众所周知，冲击式水轮机适用于高水头、小流量的水力条件，其应用的最高水头已接近1 800m。与混流式水轮机相比，特别是在水头大于200m的场合，其优势不容忽视。由于早期选择的冲击式机组出现的问题不少，目前关于冲击式机组的选型资料又相对较少，因此，冲击式机组的选型受到不少专业人员的关注。冲击式水轮机主要分为水斗式和斜击式，斜击式的比转速ns=3070mkW，是介于混流式和水斗式之间的品种，目前中小型范围内已做到转轮直径D1=100cm、发电机容量Ng=2500kW，虽斜击式效率相对偏低些，但设备价格优势不能忽视，所以仍得到广泛应用。2 装置型式的选择21 转轮及喷嘴数目的选择按水头和出力查水轮机应用范围图，小机组一般均用单轮单喷嘴；小型卧式双喷嘴一般在D1=90140cm，射流直径d0在714m中使用；斜击双喷嘴目前还没有使用。22 布置方式的选择大中型机组立式、卧式均有使用，小型机组一般用卧式。卧式布置拆卸方便，但每个转轮只能布置12个喷嘴，当喷嘴数目多时，必须增加转轮数；立式布置可在同一转轮上布置26个喷嘴，但当喷嘴数多如用3个以上时，转速不宜选得太高，以避免各射流间相互影响，而降低水轮机的效率。3 改变比速法选择冲击式水轮机冲击式水轮机的选择方法，有固定比速法和改变比速法二种。由于这些年来各制造厂开发的新品种越来越多，可选择的D1和d0也越来越多，选型者可不必受固定比速法关于D1d0的限制，不同的D1可以搭配不同的d0，喷针机构已成系列可以装在不同的D1的机体上，因此这种选择方法已经代替固定比速法，越来越被广泛使用。改变比速法选择的程序和方法如下所述。31 转速n的确定式中：ns为比转速(mkW)；Hr为设计水头(m)；Nr为出力(kW)。比转速可在有关手册中方便查得。框算时，对水斗式单喷嘴暂取25(多喷嘴ns=25Z0，Z0为喷嘴数)；对斜击式取50。计算出转速n后，向上取发电机同期转速。32 确定转轮直径D1式中：u为转轮节圆周速(ms)；为转轮周速系数，按比转速ns值从表1查取；g为重力加速度98ms2。表1 ns值表2)求出转轮直径D1，并取规格值D1=60u n(m)现在可供选择的规格值越来越多，并且还有增加的趋势，表2列出目前的规格值。表2 D1规格值其中：卧式单喷嘴D1=45140；卧式双喷嘴D1=90140；立式双喷嘴D1=925275；立式四喷嘴D1=140275。框算D1时，可用下式：33 确定射流直径d0并靠取规格值式中：K为转轮数；Z0为喷嘴数；Q为水轮机设计流量(m3s)；Hr为设计水头(m)d0规格值列于表3供选择。表3 d0规格值其中：卧式单喷嘴d0=4514；卧式双喷嘴d0=716；立式双喷嘴d0=924；立式四喷嘴d0=924。34 斜击式D1d0的配套品种。用改变比速法选配的斜击式品种由表4列出，供选择。表4 斜击式D1d0配套值对小型机组，D1还有37，46，53可供选择。35 水轮机效率的估算及额定出力的验算1)大中型机组：原型水轮机的D1d0与模型水轮机的相同或D1d0=1020时，可不作效率修正；如D1d0与模型的差别较大时，可参照相应预期效率表估算原型水轮机效率值。2)中小型机组：原型水轮机的D1d0与模型的相同或D1d0=810时，效率可不作修正；如D1d0与模型的差别较大时，可参照预期效率表估算原型水轮机效率值。效率的保证值=预期效率-1，如1个转轮2个喷嘴，在100的负荷下应增加05。3)若计算出来的d0值不向上靠取规格值，则效率可不作修正，否则需扣除1。4)斜击机组目前还没有公式计算，只能按预期效率确定，一般可按机型大小取=0005+0015，具体数值参见各制造厂提供的保证值。5)效率及出力验算由于射流直径取了标准值，必须重新计算水轮机设计流量：式中：Z0为喷嘴数；Hr为设计水头(m)。由Q计算单位流量Q1，并计算参数取标准值后的单位转速n1：式中：dn为喷嘴出口直径(m)；dnM为模型转轮出口直径(m)；D1M为模型转轮直径(m)。为应用方便对常用的2种机型可简化为：在综合特性曲线上查取模型效率并修正为原型机效率r。验算出力Nt=981HQr，额定水头必须能发到额定出力。4 最优直径比D1d0的检查最优直径比m=D1d0，是设计水斗式水轮机的重要参数。水斗上的应力与工作水头成正比，与直径比m的平方成反比。因此，当直径比m减小时，会引起斗叶上的应力急剧增大。一般当水头H1 000m时，要求直径比m15，m下限值89。根据现有资料，为使水轮机具有较高效率，应使m=1018，高水头取高值、低水头取低值。对接触较多的中小型水斗式机组，直径比统计值m=778157，中小型斜击式m=357715；对大中型水斗式m=1023，高效区为1018，其统计方程为m=D1d0=4+001H(H为工作水头)。若选出来的D1d0过小，会导致效率下降，强度计算难以通过；若选出来的D1d0过大，将使比转速下降，能量指标降低，又会使转轮的风损等损失增大，也会使效率下降。因此，若选出来的D1d0过小或过大，必须采用改变转速、转轮数及喷嘴数等办法重新选择，使其处于合理的范围。对小型水斗式水轮机，可选择较小的m值。这样，水轮机的效率虽然会下降一些，但比转速增加了，使机组转速n也增加，使发电机尺寸相应减小，可降低电站造价。经样本统计，对常用小型机组，水斗式m778，斜击式m357，当m小于上列数值应重新确定转速来选择D1。5主阀的选择51 直径的确定主阀的内径一般与喷管内径一致，可由产品样本直接查取。表5收集了一部分制造厂的统计资料供选择时参考。1个品种在表中出现不同的配套阀门，应以各厂的配套表为准，因为使用的水头段不同。表5 部分制造厂主阀内径统计资料注：斜击不带A、B者，H100m，带A，H=100160m，带B，H160m；球阀直径规格300，400，500，600，650，800，1 000，1200，1 600。表中Dn为球阀或闸阀的公称直径，即内径；XJ代表斜击式，CJ代表水斗式。52 主阀型号的确定冲击式机组一般配用闸阀，对高水头大中型机组也有选用球阀。主阀的压力等级关系到价格，因此不宜选得太高。由于冲击式水轮机具有折向器机构，喷针关闭时间比混流式导叶关闭时间慢得多，升压相对较小，一般升压015(指相对升压15)，因此对中小型机组可直接按设计水头选择，等于或略大于设计水头即可。常用闸阀的压力规格有6kg/cm2、10kgcm2、16kgcm2、25kgcm2、40kgcm2、64kgcm2等，选用时应向规格值靠，一般压力16kgcm2。阀体、阀盖、闸板的材料需用碳钢，尾部符号为C，不标C者为铸铁。同样的直径、阀门的密封面材料也有不同，关系到造价，因此，应按压力等级选择密封面材料：通常610kg/cm2用铜(T)，显然选择铜密封面价格要低些。闸阀有电动或手动之分：电动由300mm起，350mm及以上无电动闸阀。闸阀还有明杆和暗杆的区别，5为暗杆、1为明杆。一般暗杆用于610/cm2的压力，直径范围为3001 600mm。常用闸阀示例如下：Z941H16C Dn=800Z闸阀；9电动；4法兰联结；1明杆；H合金钢密封面；16压力等级；C碳钢阀体；Dn公称直径；Z41T-10 Dn=250Z闸阀；4法兰联接；1明杆；T铜密封面；10压力等级；Dn公称直径。6调速器的初步选择61调速功计算调速功分喷针调速功和折向器调速功二部分，若二者联动，总调速功为二者调速功之和；若折向器不联动，则按喷针调速功选择调速器容量。喷针调速功A1=Z0(d0+d03Hmax/6000)(kgm)式中：Z0为喷嘴数；d0为射流直径(cm)；Hmax为最大水头(m)1个折向器调速功A2=0.1110-3d0Hmax或A2=Z0(d0+d03Hmax/6000)(kgm)式中：Z0为折向器数；d0为射流直径(cm)；Hmax为最大水头(m)。总调速功A=A1+A2=2A162调速器容量的选择AP=(132)A1，系数132是考虑加工装配量及润滑等因素。63 调速器类型的选择一般按下列原则选配调速器：水斗式：D170cm，Ng800kW，配手动或电动调速器；D170cm，Ng800kW2 500kW，配手动或自动调速器；D1125cm，Ng2 500kW，配自动调速器。斜击式：D1=4080cm，Ng2 500kW，配手动、电动调速器及自动调速器；大中型斜