【《某水电站水轮机型号的选择计算案例概述》4100字】

某水电站水轮机型号的选择计算案例概述目录TOC\o"1-3"\h\u10072某水电站水轮机型号的选择计算案例概述 1159911.1水轮机机型及装置方式 191421.3水轮机的吸出高度及安装高程 6102611.4确定蜗壳及尾水管的形式及主要尺寸 789181.5水轮机重量估算 141.1水轮机机型及装置方式（1）根据水轮机型谱初选水轮机本电站装机台数为6台，左岸、右岸各布置三台，装机容量为1200MW，单机容量为200MW，额定功率为204.08MW。水头是水轮机型号选择中较为关键的考虑因素，本电站中工作水头范围已知为115m-162.50m，考虑到资料有限，只考虑最大水头但不超过推荐使用最大水头来初步选定机型，根据电站工作水头范围，查水轮机系列型谱得，选用HL100型水轮机比较合理，使用水头为125-240m，再查水电站动力设备设计手册可知其基本参数如下图1所示：图1大中型轴流式转轮及混流式转轮参数（2）装置方式水轮机装置方式主要有两种，分别为立轴和卧轴，高水头大中型水电站一般采用立轴装置方式，而卧轴式适用于小型电站，两种装置方式各有优劣，本电站水头处于40-200m之间，属于中水头电站，因此此次设计中选用立轴式装置方式布置。1.2水轮机基本参数计算（1）转轮直径D1的计算D1=式中Nr——发电机的额定功率（MW），为204.08MW；Hr——额定水头（m），根据资料得出，为148.00m；ŋYŋT——原型水轮机效率，根据限制工况下的单位流量相应的模型效率进行修正得到，修正值可取1%-3%，此处取2%，查表知限制工况下的效率为0.865，则可得Q11——限制工况下的单位流量，查表知为0.305m3/s；然后将已知数据代入公式可得转轮直径为D因此取转轮直径为6.61mm。（2）水轮机效率修正水轮机最高效率：η0T=1−式中ŋ0M模型水轮机最高效率，查表知为0.904，D代入已知参数至公式，有η0T将已知参数代入式中得到额定工况下原型水轮机的效率ηT=与额定工况下的水轮机效率相近，因此最终取转轮进口直径为6.61m。水轮机效率取0.92。（3）水轮机转速n的计算水轮机转速的计算公式为：n=n∆n式中n1oM∆nη0T、ηHa当∆n1'<0.03n1oM'时，可忽略其影响，将已知参数代入公式计算得∆n1'=61.5×（4）检验水轮机的实际工作范围为了验证在选定上述计算得出的转轮直径及水轮机转速的条件下，水轮机的工作运行区是否能保证处于最有效率区，下面对单位流量、最大、最小单位转速进行验算：①水轮机最大引用流量QQ1代入已知参数计算可得单位流量：Q则水轮机最大引用流量为：Q②加权平均水头Ha相应的模型水轮机的单位转速n1'代入已得数据计算则有n③最大水头对应的最小单位转速n1min'将已知数据代入计算可得125∗6.61④最小水头对应的最大单位转速nn1max'代入数据可知为125∗6.61115.00在HL110型水轮机模型综合特性曲线图上分别作出Q1'=0.293m3/s图2HL110型水轮机此时所有工况下的运行区该水轮机运行范围未超过5%限制出力线，但对综合特性曲线的高效率区包含不足，因此可考虑适当增大转轮直径或者改选同步转速更低的发电机。（5）选用同步转速为115.4r/min发电机时，对应参数的计算改选同步转速为115.4r/min发电机，根据上述公式计算可得，n1min'=59.84r/min图3改选同步转速为115.4r/min发电机后HL110型水轮机所有工况下的运行区图中三条直线所围成的区域即为改选同步转速为115.4r/min的水轮机后，所有工况下的运行区，此时包含了该特性曲线的高效区，虽稍有上移，但在有限资料的情况下，基本能符合规范并满足设计要求，因此最终选择HL100型水轮机，转轮直径确定为6.61m，水轮机转速为115.4r/min。1.3水轮机的吸出高度及安装高程（1）确定水轮机最大允许吸出高度Hs水轮机吸出高度Hs的计算公式如下：Hs≤10.0−式中，∇——水轮机安装位置的海拔高程，初始计算中可取为一台机发电时尾水位的海拔高程，依据设计资料，一台机发电时引用的流量为151.67m3/s，其对应的尾水位为595.41m；σmKσ表2水轮机水头与空化系数Kσ水头H/m30~100100~250250以上安全系数1.151.201H——水轮机水头（m），可取设计水头148m。将已知参数代入，计算可得水轮机最大吸出高度为

H（2）确定水轮机安装高程∇立轴混流式水轮机安装高程计算公式为：∇安式中b0——导叶高度，查表有bZ下——设计尾水位（m），可根据水轮机的过流从下游水位与流量关系查得，按左右岸各半台机确定，查得其对应的流量为910mHs将上述已知数据及计算所得参数代入公式，得∇安1.4确定蜗壳及尾水管的形式及主要尺寸1.4.1蜗壳外形尺寸（1）蜗壳形式的选择蜗壳形式通常分为混凝土蜗壳和金属蜗壳，蜗壳形式可参照下表3进行选择，本水电站水头为115m-162.50m>40m，因此此次设计中采用金属蜗壳。表3蜗壳形式选择参考蜗壳形式混凝土蜗壳金属蜗壳使用水头（m）H<25H=25-40H>40包角（°）135-225180-270345（2）蜗壳进口断面平均流速图4蜗壳断面平均流速与水头关系图（3）金属蜗壳的主要尺寸金属蜗壳座环尺寸选择：在上述设计中已有水电站设计水头为148.00m，水轮机转轮直径为6.61m，水轮机最大引用流量为155.74m3/s，根据下表插值有座环外径Da=11000mm，座环内径Db=8704mm，则有座环固定导叶的外半径ra=5500mm，内半径rb=4352mm。表4水轮机座环外径及座环内径数值对应表D1DbDaKRH<170mH≥170mH<70mH=75~115mH=115~170mH=170~230m18002000225026002850325026002850325031003400385031003400390031503450395032003500400010020025002750340036503450370040504450410045504200465049005400125250300033004000440040504450470051504750520048005300490054003003800410050005450505055005800630058506350600064506100660015035045005000606066006150685071007750715078007200785074508200400550060007300800075508200855093508600945087009550905098501755006500700075008000855092501000890010000108001170010100109001020010700600蜗壳进口断面积Fc公式为：Fc代入数据计算可得F蜗壳进口断面半径有：ρc代入数据有ρc图5蜗壳外形尺寸计算图为保证流量均匀地进入导水机构，则通过水轮机蜗壳任一断面的流量有公式：Qi其中ψi——水轮机蜗壳任一断面处的包角（°Qmax——水轮机设计流量（m3水轮机蜗壳断面半径：ρi水轮机蜗壳断面中心距：ai水轮机蜗壳断面外半径：Ri已得座环固定导叶的外半径ra=5500mm，内半径rb=4352mm，水轮机设计流量为155.74m3/s，断面平均流速为8.6m/s，依据圆周速度为常数的假设，将参数代入至式中计算，包角从0°开始按梯度为15°递增至345°，得到蜗壳尺寸计算表：表5蜗壳尺寸计算表ψi（°）水轮机设计流量（m3/s）断面平均流速（m/s）任一断面的流量（m3/s）断面半径（m）断面外半径（m）0155.748.60.000.005.5015155.748.66.490.496.4830155.748.612.980.696.8945155.748.619.470.857.2060155.748.625.960.987.4675155.748.632.451.107.6990155.748.638.941.207.90105155.748.645.421.308.09120155.748.651.911.398.27135155.748.658.401.478.44150155.748.664.891.558.60165155.748.671.381.638.75180155.748.677.871.708.90195155.748.684.361.779.03210155.748.690.851.839.17225155.748.697.341.909.30240155.748.6103.831.969.42255155.748.6110.322.029.54270155.748.6116.812.089.66285155.748.6123.292.149.77300155.748.6129.782.199.88315155.748.6136.272.259.99330155.748.6142.762.3010.10345155.748.6149.252.3510.20由上表计算结果，可以画出金属蜗壳的平面单线图如下：图6金属蜗壳平面单线图（单位：m）图7金属蜗壳1-1断面单线图（单位：m）1.5.2水轮机转轮流道尺寸查水电站机电设计手册可得HL100水轮机转轮主要尺寸，如下图8所示：图8HL100水轮机转轮主要尺寸根据上图以及文献可查得混流式水轮机转轮流道尺寸，计算得到转轮各参数见下表6：表6水轮机转轮各参数D2D5h2h3h4b04.632.940.931.591.680.66根据以上参数及尺寸图，画出水轮机原型转轮如下图8：图8原型水轮机转轮示意图（单位：m）1.5.3尾水管主要尺寸尾水管是水轮机过流通道的其中一部分，为了减小尾水管的开挖深度，或是为了与尾水洞进行衔接，大中型水轮机通常采用弯肘形尾水管，其一般由进口直锥段、弯肘段和出口扩散段三部分组成。但对于地面式厂房和地下式厂房，或常规式水轮机和可逆式水泵水轮机，这三部分的形式和尺寸上有比较大的差别，设计需根据需求有一定的针对性。该类型尾水管的恢复系数一般在60%-75%。实际设计中，通常会依据模型试验和分析确定其具体形状和尺寸。根据水电站机电设计手册中推荐的尾水管尺寸表，当混流式水轮机D1>D2时，肘管形式采用金属里衬肘管，尺寸表如下：表6推荐的尾水管尺寸表H/D1L/D1B5/D1D4/D1h1/D1h6/D1L1/D1h5/D1肘管型式适用范围2.22.32.64.54.54.51.8082.4202.7201.001.201.351.101.201.350.5740.6000.6750.941.621.821.301.271.22金属里衬肘管h1/D1=1.1标准混凝土肘管标准混凝土肘管混流式D1>D2轴流式混流式D1<D2此次设计中，右岸布置为地下式厂房，在地下式水电站设计中，常将尾水管水平扩散段进行局部调整，做成高而窄的形状，从而保持岩石的稳定。因此将尾水管扩散段高度调整为h6=0.7D1，h5=1.8D表7尾水管尺寸表尾水管高度h（m）尾水管长度L(m)尾水管出口断面宽B5（m）弯肘进口段直径D4(m)弯肘段高度h4（m）扩散段进口断面高h6弯肘段长度L1尾水管出口断面高度h514.5433.059.927.277.274.636.2111.90图8尾水管尺寸图当尾水管出口断面宽度>10m~12m时，根据规范要求可加设中间