水电站大作业

1、水轮机设计及计算朱成 学号：2009301580110一基本资料及任务表 1 下游水位流量关系要求：（5）将模型综合特性曲线转换成原型运转综合特性曲线。 本题是一个水轮机选型的综合题，本题的任务要求有： 选择水轮机的台数和单机容量； 选择水轮机的牌号、型号及装置方式； 确定水轮机的直径、转速、吸出高及安装高程； 确定蜗壳及尾水管尺寸； 绘制水轮机运转综合特性曲线； 选型设计已经收集的基本资料：（1） 水能规划资料 装机容量：总装机容量为 120MW,初拟四台机组； 各种代表水头：Hmax=140m, Hmin=100m, Hav=116m, ； 下游水位与流量关系曲线（表 1 水轮机的系列型谱

2、：附件中包括轮系的水头适用范围、最优工况和限制工况下的单位转速、单位流量和模型汽蚀系数。 同步转速 n：机组的同步转速与发电机的磁极对数有关，磁极对数只能是一对 一对 的，在 选择水 轮机 转速是 必须套 用同 步转速 。n=3000/p(r/min)。水轮机设计及计算朱成 学号：2009301580110二水轮机比较与选择2.1 Hmax HavHr在适用经给出了电站的最大水头 Hmax=140m，最小水头 Hmin=100m，加权平均水头，计算水头。于是，可以根据水头数据参考水轮机的系列型谱选择水轮机类型。查中小型混流式、轴流式水轮机模型参数表有多种选择方案，为了便于比较分析本文初步选择水

3、轮机型号为A253-46和A502-35装置方式采用立轴布置。2.2 2.2.1 混流 A253-46型水轮机1转轮直径 D 的计算1由公式N 9.81QH 9.81Q D HH可得到 D 的计算公式为：2111ND 公式 1)9.81Q H1231注意几个参数的取值： N 取水轮机额定出力 N， N N N/ ， 是发电机的额定出力（机组rrfff 是发电机效率，查资料可取为96%；所以求得N=31.25MW。rf H取设计水头 H。r取限制工况下的单位流量，查型谱表得=0.805m /s,3Q1QQ1max1max=88.6%。M 效率 ，这一步需要试算，初步估计 1.4% ，则M 90%

4、。 M由以上参数可以计算出 D =1.95m，对照标准直径去定D ；通常是选用相近11而偏大的标准直径，以便使水轮机有一定的富裕容量。所以选择 D =2.0m。12. 转速的计算n1H水轮机转速的计算公式为：n（公式 2）D1参数取值：2水轮机设计及计算朱成 学号：2009301580110 已知 D =2.0m。1 H取 H ；即在运行过程中出现最多的水头。av选用原型最优单位转速 ；初步假定n n = 63(r/min)，为模n1nnMM型的最优单位转速。由以上参数，计算出 n=339.3(r/min)，按照标准选取转速，选取与之相近且偏大的同步转速 333.3(r/min)，。3. 效率

5、及单位参数修正查表可得 A253-46 型水轮机在最优工况下的模型最高效率为92%，M 模型转轮直径为 D ，原型效率1MD1 )5 m （公式 3）maxM maxD1于是，求得 94.0%，效率修正值为 。考虑到模型maxM与原型水轮机在制造工艺质量上的差异，常在已求得的 值中再减去一个修正值 。现在取 ，则可得到效率修正值为 ，由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为 92% 1.4% 93.4% nmaxM max 88.6% 1.4% 90% （与上述假设相同） n M单位转速的修正值按下式计算：n n ( /1)（公式 4-1）110MmaxM maxn则：1( /1) 0

6、.934/0.9210.76%（公式 4-2）nmaxM max10Mn由于13.0%，按规定单位转速可不加修正，同时，单位流量 Q 也可以1n10M不加修正。由上可见，原先假定的 90%,Q Q ,n n 是正确的，所以上述计11max1010M算及选用的结果 D =2.0m、n=333.3r/min 也是正确的。14. 工作范围检验在选定 D =2.0mn=333.3r/min Q 及各特征水头相对应的n111max即可计算出来。水轮机在 H、N 下工作时，其Q Q ，故rr11maxN312509.812 110 1100.9Q0.7670.805m /s（公式 5）3rD H H1ma

7、x221rr则水轮机的最大引用流量为Q QDH 0.7672 110 32.18m /s （公式 6）2123max1maxr与特征水头 H 、H 、和 Hr相对应的单位转速为maxmin3水轮机设计及计算朱成 学号：2009301580110在 A253-46型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出Q 767L/s 、1max的直线，如图1 所示。由图可见，有1n=333.3r/min是合理的。图 1 5. 吸出高度 Hs和安装高程 Zs计算767L/s ，在图1 上可1max )H （8）s4水轮机设计及计算朱成 学号：2009301580110海拔高程，即453.6 ，带入公式求得mHs=2

8、.566（m即转轮中压力最低点在下游水面 2.566m 以上，水轮机安装位置合理，可见A253-46型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。安装高程Z 按照公式sZ H b /2（9）sws0其中 为设计尾水位。设计流量Q 32.18m /s，查下游水位流量曲线3wmax表得设计尾水位 =452.8m，而 bo=0.25D1=0.5m，于是求得wZs=452.8+0.5+2.566=455.87m。由模型综合特性曲线知，图上还有更高的气蚀工况 0.065，比设计工况时的气蚀系数 0.048大，因此该工况不是气蚀最危险工况。m2.2.2 混流 A502-35型水轮机与混流 A253-46 4 个方面

9、进行分析研究。1. 转轮直径 D 计算1 A502-35型水轮机在限制工况下的单位流量Q 0.872m /s，效率87%，由此可初步假定原型水31MM轮机在该工况下的单位流量Q Q 0.872m /s ，效率 。311M上述的Q 、 、 31250 和H 110m1 D 1.89m ， Nrkw1r1选用与之接近而偏大的标称直径D 2.0m。12. 转速 n计算 A502-35 型水轮机在最优工况下单位转速n 62r/min ，10M初步假定 n n ，将已知的 n 和 H 116m, D 2.0m 代入式（ 2）可得1010M10av1n333.88r/min，选用与之接近的同步转速nr/m

10、in。3. 效率及单位参数的修正查参数表可得 A502-35 型水轮机在最优工况下的模型最高效率为92.7% ，模型转轮直径为 D 0.35m ，根据式（3M max1M94.8% ，则效率修正值 。考虑模型与原型水轮max机在制造工艺质量上的差异，常在求得的 值中减去一个修正值 。现在取 ，则可得效率修正值为 ，由此可得原型 水轮机在最优工况和 限制工况下的效率为 92.7% 2% 94.7% maxM max 87% 2% 89%（与上面假设值相同） M单位转速的修正值按公式（4）计算，则n( /1)0.947/0.92711.07% 3%1nmaxM max10M按照规定单位转速可以不加

11、修正。同时，单位流量Q 也可不加修正。1 n n ， Q 0.872m /s 是正确的，Q131010M1M5水轮机设计及计算朱成 学号：2009301580110nr1在选定D 2.0m， 333.3 /min后，水轮机的Q 及各特征水头相对应nr11max1水轮机在 H 、N 下工作时，其 Q Qrr11maxQ331max则水轮机的最大引用流量由式（6）有：D231r与特征水头 H 、H 、和 Hr相对应的单位转速为maxminnDn1HnD1HnDn1110rHr在 A502-35 型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出 Q 776L/s 、1maxn56.34r /min 和n66.6

12、6r /min 2 1图 2 6水轮机设计及计算朱成 学号：20093015801105. 吸出高度 Hs 和安装高程Z 计算s由水轮机的设计工况参数，n 63.56r /min ，Q776L/s，在图2 上可1r1max查得相应的气蚀系数约为 0.076，并在水电站图 2-26 查得气蚀系数的修正值约为 0.02，水轮机安装位置海拔高程453.6 ，由水轮机的吸出高m度公式（8）计算求解得H 1.064m 。s即转轮中压力最低点在下游平均水面以下 1.064m，水轮机安装位置合理，可见 A253-46型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。安装高程Z 9Q 32.54m /s流量曲3smax线

13、表 得 设 计 尾 水 位 452.778m ， 而 b 0.25D 0.5m ， 于 是 求 得w01Z 455.964m。s由模型综合特性曲线知，图上还有更高的气蚀工况 0.11，比设计工况时的气蚀系数 0.078大，因此该工况不是气蚀最危险工况。m2.2.3 两种方案的比较分析为了便于比较分析，现将这两种方案的有关参数列入表 2 中。序号项目推荐使用水头范围（m)最优单位转速n10(r/min)最优单位流量Q10(L/s)最高效率Mmax(%)气蚀系数模型转轮参数工作水头范围（m）转轮直径D1(m)最高效率max(%)额定出力Nr(kw)1011123125031.282.5663125

14、032.54-1.064最大应用流量Qmax(m/s)吸出高 Hs(m)表 2 由表 2 可见，两种机型方案的水轮机直径 D 相同，均为 2.0m。但 A253-461制造供货方面没有问题时，初步选择 A253-46 型方案较为有利。2.3 经过初选与比较最终选择的水轮机类型为 A253-46 型，装置方式采用轴立混流式。 水轮机直径D =2.0m n=333.3r/min 100m-140m，1计算水头下的额定出力Nr 31250kw。 在设计水头 H 110m 下，机组 发出的额定出力时的允许吸出高r7水轮机设计及计算朱成 学号：2009301580110Hs=2.566m，水轮机安装高程

15、为Zs=455.87m，此工况不是气蚀最危险工况。max b =0.224D 。01 （公式 10）r其中D D 3.45mD 2.85mbaab001a) 假设任一断面上沿径向各点的水流速度矩等于常数，即V r const；ub) 假设任一断面上沿径向各点的水流圆周分速度等于常数，即V const V 。u图 3 所示）Q = 31.28m /s3Q （）iimax图 2 8水轮机设计及计算朱成 学号：2009301580110iQ（12）iVic设计水头 2-8 蜗壳进口断面平均流速曲线，对金属蜗壳可取上限值V 9.6m/s。c蜗壳外包线R （如图 4 所示）计算公式：i图 3 R r 2

16、 （13）iai其中r D /2 1.725m，r D /2 1.425mabb30031.288.4026.070.992.723.71165iQmax31.289水轮机设计及计算朱成 学号：20093015801108.4019.550.862.593.45908.4018.250.832.563.39758.4016.940.802.533.33608.4015.640.772.493.26458.4014.340.742.463.20308.4013.030.702.433.13158.4011.730.672.393.060iQmaxVc31.288.407.820.542.272.

17、8131.288.406.520.502.222.7231.288.405.210.442.172.6131.288.403.910.382.112.4931.288.402.610.312.042.3531.288.401.300.221.952.1731.288.400.000.001.731.73Ri表 3 3.2 3.2.1 尾水管选型尾水管的型式很多，目前最常用的有三种：直锥形、弯锥形和弯肘形。他们的特点如下：1. 直锥形尾水管结构简单，性能最好（ 可达 80%-85%w工程量最大，因此一般应用于小型水轮机。2. 弯锥形尾水管比直锥形尾水管对了一段圆形等直径的弯管，它是常用于小型卧式

18、水轮机中的一种尾水管，由于其转弯段水力损失较大，所以其性能较差， 约为 40%-60%。w3. 弯肘形尾水管不但可以减小尾水管的开挖深度，而且具有良好的水力性能， 可达 75%-80%，除贯流式机组外几乎所有的大中型水轮机均采w用这种型式的尾水管。和出口扩散段三部分组成。3.2.2 尾水管尺寸计算电站教材表 2-1 及相关参考数据：推荐的尾水管尺寸表确定，由于水轮机属于高水头水轮机（ 4 所示。D12.00D32.20h6D42.70Lh2.702.441.14895.443.648o13o10水轮机设计及计算朱成 学号：2009301580110图 4 单边扩散角 的最优取值为 7。3. 出

19、口扩散管。它是一段水平放置、两侧平行、顶板上翘 角的矩形扩散12h=h1+h2+h3+h4=4.87(m)。尾水管的水平长度。尾水管的水平长度 L是指机组中心线到尾水管出口断面的距离，通常取L (3.5 4.5)D 。L=9.0（m）13.3 11水轮机设计及计算朱成 学号：2009301580110到的公式有：1HN 9.81Q D2H 3211序号出力14627.1序号 设计=110） 出力17575.418956.720263.912水轮机设计及计算朱成 学号：200930158011021921.426025.826823.727512.828120.628870.2出力50.9240

20、.9240.9140.9040.8940.87489100.87410序号序号 效率（Hmax=140）18357.821106.624105.926385.733363.435949.037378.938196.738920.1画出的等水头线如下：图 6 在等水头曲线上作出某一效率值的水平线，它与图中的各等 H 线相交，读水轮机设计及计算朱成 学号：2009301580110120110100100110120140120110100100110120140140120110100100110120140与发电机配套运行，所以水轮机最大出力收到发电机额定出力和水轮机 出力储备线的双重限制。发电机额定出力N 的限制记为水轮机额定出力N r曲线图上， H H 时的出力限制线为 N N 3