水轮机选型.ppt

1、水 电 站,2009年2月,浙江水专国家精品课程水电站,第四章 水轮机选型,水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益。 根据H、N的范围选择水轮机是水电站主要设计任务之一，目标是使水电站充分利用水能，安全可靠运行。,浙江水专国家精品课程水电站,第一节 水轮机的标准系列,一、水轮机的系列型谱 我国在1974年编制了反击式水轮机暂行系列型谱，其中所列出的转轮，是经过长期实践验证在某一水头段的性能优异的转轮。 型谱中，水轮机转轮型号规定一律用比转速代号。 轴流式、混流式、ZD760型、水斗式水轮机系列型谱参数见表4-1表4-5。,浙江水专国家精品课程水

2、电站,二、水轮机转轮标称直径系列(cm),说明：括号内的数字表示仅适用于轴流式水轮机。,浙江水专国家精品课程水电站,三、水轮发电机标准同步转速,浙江水专国家精品课程水电站,四、水轮机系列应用范围图,浙江水专国家精品课程水电站,第二节 水轮机选择,一、水轮机选型设计的内容 确定机组台数及单机容量 选择水轮机型式（型号）及装置方式 确定水轮机参数D1、n、Hs、Za；Z0、d0 绘制水轮机运转特性曲线 确定蜗壳、尾水管的形式及其尺寸，估算水轮机的重量和价格。,浙江水专国家精品课程水电站,调速器及油压装置选择 根据选定的水轮机型式和参数，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

3、造任务书，最终双方共同商定机组的技术条件，作为进一步设计的依据。,浙江水专国家精品课程水电站,二、水轮机选型设计的基本要求,有较好的能量特性，在额定水头下能保证发出额定出力，额定水头以下的机组受阻容量小，水电站全厂机组平均效率高。 性能要与水电站的整体运行方式和谐一致，运行稳定，可靠灵活。有良好的抗空蚀和抗磨损性能，对多泥沙河流的电站更应如此。 结构设计合理，便于安装与操作、检修与维护。 选择生产实力强、制造技术水平高、合作信誉好的制造厂商。 考虑适度合理的经济节省原则。,浙江水专国家精品课程水电站,水轮机产品技术资料：系列型谱、生产厂家、产品目录、模型综合特性曲线。 水电站技术资料：河流梯级

4、开发方案、水库的调节性能、水电站布置方案、地形、地质、水质、泥沙情况、总装机容量、水电站运输、安装技术条件；水文资料： 特征流量及特征水头、下游水位流量关系曲线。 水电站有关经济资料：机电设备价格、工程单价、年运行费等。 电力系统资料：系统负荷构成，水电站的作用及运行方式等。,三、所需要的有关资料,浙江水专国家精品课程水电站,四、机组台数及单机容量的选择,已知总装机容量(=Z0N单)，N单不同，D1、n 、Hs、均不同。 1、机组台数与机电设备制造的关系 N总一定，Z0多N单尺寸（D1）小制造运输容易造价高(单位千瓦耗材多、制造量大)。 所以一般选用较大的N单。 2、机组台数与电站投资的关系

5、Z0多单位千瓦投资阀门、调速、管道、辐设、电气等增加厂房尺寸增加。 N单D1尾水管高度低开挖少投资少,浙江水专国家精品课程水电站,3、机组台数与运行效率的关系 Z0平均效率 (1) 担任基荷时：出力变化小，流量变化稳定，可用较少的台数，使水轮机可以在较长时间内以最优工况运行，其平均效率也比较高。 (2) 担任峰荷时：出力变化幅度大，应该选用较多的台数，以增加其运行灵活性，提高整体运行效率。 (3) 对于轴流定浆和混流式水轮机，可以选用较多的台数，而对于轴流转浆式水轮机因其调节性能好，可以选用较少的机组。,浙江水专国家精品课程水电站,4、机组台数与电站运行维护工作的关系 台数多，运行灵活，事故影

6、响小，但同时增加了事故的几率，也增加了管理人员、提高了运行费，所以不宜采用过多的台数。 总之，一般应采用较大的N单，较少的台数，但一般至少应选2台，少数情况下可选1台。中大型电站一般选46台，根据机组的制造水平和装机容量也可以选用更多的台数，如葛洲坝共21台，装机2715MW，三峡26700共装机18200MW。,浙江水专国家精品课程水电站,五、水轮机型号及主要参数的确定,依据：N单，特征水头(Hmax、Hmin、Hav、Hr) 1、 根据水轮机系列型谱选择 型号的选择主要取决于水头。各种水轮机都有一定的使用范围，根据电站运行水头的范围，直接查系列型谱，确定水轮机的型号。 如果两种型号均可采用

7、，应进行方案比较。 这种方法有时难以获得最优设计效果。,浙江水专国家精品课程水电站,2、专题研究法 对特别重要的工程或特别大型的水电站，为了获得最优设计效果，根据水电站的具体参数，进行专门设计，但所需时间和费用高。 3、查系列范围图法 根据水电站的水头范围和单机出力，在系列范围总图中查出适应的型号，以及对应的转轮直径、转速及吸出高度。当有两种机型可供选择时，一般选用较大的直径。,浙江水专国家精品课程水电站,ZZ440系列水轮机应用范围,浙江水专国家精品课程水电站,4、采用套用机组 根据目前国内设计、施工和运行的电站资料，在特征水头相近、N单适当，经济技术指标相近时，优先套用已经生产过的机组，这

8、样可以节省设计时间、尽早供货、提前发电。 5、直接查产品样本 直接查设备厂家的产品样本，适用于小型电站。 6、统计分析法 对大量已建水电站的参数进行统计，得出水轮机各参数之间的统计关系，再根据本电站的参数选择。,浙江水专国家精品课程水电站,六、反击式水轮机主要参数的确定,确定了水轮机的型号后，再计算水轮机的主要参数： 转轮直径D1，转速n、吸出高Hs。 D1、n应该满足：在Hr下，发出Nr；在Hav时，最高。 吸出高Hs应满足：防止水轮机汽蚀，开挖深度合理。,浙江水专国家精品课程水电站,七、 按综合特性曲线选择水轮机,1、D1的确定,Nr(水轮机额定出力) Nr= Nf /f 用 H=Hr计算

9、。 ：原型水轮机在限制工况下的效率，在D1未确定时 一般先取=M+ (=23%)，求得D1后再修正。,浙江水专国家精品课程水电站,(4) Q1 在N= Nr时，取限制工况下的Q1，并查出限制工况的M 混流水轮机由5%出力限制线得到，轴流式由汽蚀条件得到，或限制HS反推z，以防止开挖过多。 z为水轮机装置的汽蚀系数。,浙江水专国家精品课程水电站,2、的修正计算 查综合特性曲线得出Mmax，换算得出max。 =max-Mmax-1-2 1=1%2%(表示工艺水平)，2=1%3%(表示异形部件，即原型水轮机和模型水轮机的蜗壳和尾水管不一样) 如=M+，与假定出入太大，应重新计算。,浙江水专国家精品课

10、程水电站,3、转速的选择 n1用最优单位转速n10， n10=n10M+n1,水头H=Ha。 转速n随工况而变，要选发电机转速相近而偏大的标准同步转速。,浙江水专国家精品课程水电站,4、工作范围的验算 求出水轮机的参数D1、n后，在模型综合特性曲线上绘出水轮机的相似工作范围，检验是否包括了高效率区，以验证D1、n的合理性。 方法：根据Nr、D1、Hr求出Q1max，由Hmax、Hmin、D1、n求出：n1min和n1max，在综合特性曲线上以Q1max、n1min和n1max作直线，此范围即为水轮机的相似工作范围,浙江水专国家精品课程水电站,浙江水专国家精品课程水电站,5、HS的计算 计算公式

11、： 水轮机方案确定后，根据水轮机运行条件、水电站的开挖情况等进行技术经济比较后确定。,浙江水专国家精品课程水电站,第三节 水轮机运转特性曲线的绘制,研究目的：进一步分析比较原型水轮机各方案之间的能量特性，指导水轮机的安全运行。 综合反映原型水轮机H、N、Hs等参数之间的关系曲线 组成：N为横座标，H为纵座标，绘有=f(H,N) Hs=f(H,N), 出力限制线。反映能量特性、空蚀特性、运行限制范围。 绘制方法：根据模型综合特性曲线，通过相似定律换算而来。,浙江水专国家精品课程水电站,水轮机运转特性曲线,等效率线,等吸出高度线,浙江水专国家精品课程水电站,一、HL水轮机运转特性曲线,等效率线=f

12、(H,N) 在Hmax ,Hmin之间，取46个特征H，其中要包括Hmax，Hmin，Hr，Ha，绘制每个水头下的=f(N) 效率修正； 单位转速和单位流量的修正； 运转特性曲线的计算；,浙江水专国家精品课程水电站,5%出力限制线,等效率曲线计算表,浙江水专国家精品课程水电站,为了保证绘制运转综合特性曲线的精确性，在H、N网格上至少绘出三个水头，其中包括Hmax、Hmin和Hr(或Hav)。对每一个水头，计算出对应的n1。 在轮系综合特性曲线上绘制n1的水平线，并查出其与等效率线交点的坐标(M, Q1)； 计算出原型水轮机的效率； 按照公式N=9.81Q1D12H3/2计算水轮机的出力； (5

13、) 辅助曲线的绘制：以效率为纵坐标，出力N为横坐标，用表中的数据，对每个水头绘制一条工作特性曲线。见图1。,浙江水专国家精品课程水电站,图1 图2,浙江水专国家精品课程水电站,(6) 运转综合特性曲线的绘制 以水头为纵坐标，出力为横坐标，绘出坐标系。见图2。 在图2上绘出几个特征水头的水平线。 在图1上选取几个整数效率值，画出水平线，与辅助曲线形成一些交点。 将上面结点的坐标绘在图2上。 将相同效率数值的点用曲线相连。就绘成了水轮机运转综合特性曲线的等效率曲线。,浙江水专国家精品课程水电站,出力限制线的绘制 Hr是N= Nr时的最小水头，当HHr时，水轮机限制在N= Nr内；A（Nr ，Hr）

14、 当HHr时，水轮机则受到5%出力限制线的限制，对限制线上各点分别计算，得出B(Hmin, Nmin)，连接A和B，即为HHr时的出力限制线。,浙江水专国家精品课程水电站,2. 出力限制线的绘制,根据表中三个水头下所得到的出力，可以在运转综合特性曲线上绘出三个点。连接着三个点即可得到斜向阴影线。 在高水头下，水轮机的出力受发电机最大限制出力的限制，作竖向阴影线N=Nf。 整个出力限制线由两部分组成：N=Nf的竖直线段和三个水头下的斜向阴影线。这两条直线的交点即为机组的最终设计水头Hr。,浙江水专国家精品课程水电站,浙江水专国家精品课程水电站,(1) 根据前面等效率曲线计算表的结果作不同水头下Q

15、1= f(N)的辅助曲线。 (2) 在相应的模型综合特性曲线 上，作各水头下n1的水平线，它与汽蚀系数线相交于许多点，记下各点(，Q1)，列入表，由Hr曲线查得，见下页图 (3) 由Q1可在N=f(Q1)辅助曲线上查得相应的N值，并记入表。 由公式计算出不同时的Hs。 在表内计算N、 +、Hs(由图查出),3. 等吸出高度线的绘制,浙江水专国家精品课程水电站,(6) 在Hs=f(N)上，作Hs=C线，交点(H, N)，在HN内绘出即可。 等吸出高度线给出了水轮机在其工作范围内，各运行工况下的最大允许吸出高度，以便进行方案比较，确定水轮机的安装高程。,浙江水专国家精品课程水电站,空蚀系数的修正曲

16、线,P52. 图2-16,浙江水专国家精品课程水电站,等吸出高度曲线计算表,浙江水专国家精品课程水电站,二、轴流转浆式水轮机运转特性曲线,有不同的转角，所以进行效率修正时，应按不同的转角计算效率修正值。即在综合特性曲线上的n1水平线，选取与等线相交处的M和Q1。 出力限制线的绘制。当HHr时，水轮机出力受发电机额定出力的限制，为垂直线。当HHr时，水轮机的出力受最大过水能力的限制，即导叶最大开度的限制。 等吸出高曲线的绘制和混流式水轮机相同。,浙江水专国家精品课程水电站,轴流转浆式水轮机等效率曲线计算表,浙江水专国家精品课程水电站,第四节 水轮机蜗壳的形式及尺寸确定,一、蜗壳的功用及型式 (一

17、) 功用 蜗壳是水轮机的进水部件，把水流以较小的水头损失，均匀对称地引向导水机构，进入转轮。设置在尾水管末端。 (二) 型式 混凝土蜗壳和钢蜗壳。,浙江水专国家精品课程水电站,1. 混凝土蜗壳,适用于低水头大流量的水轮机。 H40m, 钢筋混凝土浇筑，“T”形断面。 当H40m时，可用钢板衬砌防渗(H 最大达80m),浙江水专国家精品课程水电站,2. 金属蜗壳,当H40m时采用金属蜗壳。其断面为圆形，适用于中高水头的水轮机。 钢板焊接：H=40200m，钢板拼装焊接。 铸钢蜗壳：H200m时，钢板太厚，不易焊接，与座环一起铸造而成的铸钢蜗壳，其运输困难。,浙江水专国家精品课程水电站,二、蜗壳的

18、主要参数,1.断面型式与断面参数 金属蜗壳：圆形结构参数：座环外径、内径、导叶高度、蜗壳断面半径、蜗壳外缘半径。,浙江水专国家精品课程水电站,混凝土蜗壳：“T”形。 (1) m=n时：称为对称型式 (2) mn：下伸式 (3) mn：上伸式 (4) n=0：平顶蜗壳 中间断面： 蜗壳顶点、底角点的变化规律按直线或抛物线确定。,浙江水专国家精品课程水电站,蜗壳中间断面,金属蜗壳 混凝土蜗壳,浙江水专国家精品课程水电站,2. 蜗壳包角,蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口断面之间的中心角0 (1) 金属蜗壳：0=340350,常取345 (2) 混凝土蜗壳：0=180270,一般取180，一大部分水流直接进

19、入导叶，为非对称入流，对转轮不利）,浙江水专国家精品课程水电站,3、蜗壳进口平均流速： 进口断面流量 Qmax水轮机的最大引用流量。 VcFchw；VcFchw； 一般由HrVC曲线确定VC,浙江水专国家精品课程水电站,金属蜗壳流速系数,混凝土蜗壳进口断面流速系数,浙江水专国家精品课程水电站,三、蜗壳的水力计算,水力计算的目的: 确定蜗壳各中间断面的尺寸，绘出蜗壳单线图，为厂房设计提供依据。 已知： 水流在蜗壳中的运动规律 水流进入蜗壳后，形成一种旋转运动(环流)，之后进入导叶, 水流速度分解为Vr、Vu。 进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求，Vr=常数。,浙江水专国家精品课程水电站,圆周流

20、速Vu的变化规律，有两种基本假定： (1) 速度矩Vur= C 假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流，忽略粘 性及摩擦力，Vu会随r的增加而减小。 (2) 圆周流速Vu=C：即假定Vu=VC=C,浙江水专国家精品课程水电站,3. 蜗壳的水力计算按(Vu=VC=C),（1）金属蜗壳水力计算,浙江水专国家精品课程水电站,(i) 蜗壳进口断面： 断面半径： 从轴心线到蜗壳外缘半径：,浙江水专国家精品课程水电站,(ii) 中间断面( ) 由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为： (i) 确定0 和VC ； (ii) 求Fc、max、Rmax； (iii) 由i确定Fi、i、Ri。,浙江水专国家精品课程水

21、电站,(2) 混凝土蜗壳的水力计算(半解析法),浙江水专国家精品课程水电站,(1) 按进口流速求进口断面积； (2) 根据水电站具体情况选择断面型式，并确定断面尺寸，使其 (3) 选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线)，以虚线表示并画出1、2、3.等中间断面。 (4) 测算出各断面的面积，绘出：F = f(R)关系曲线。 (5) 按 绘出F = f()直线。 (6) 根据i确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。,浙江水专国家精品课程水电站,第五节 尾水管的型式及其主要尺寸,一、尾水管型式 直锥形用于小型水轮机 弯锥形用于卧轴水轮机 弯肘形（大中型电站）,浙江水专国家精品课程水电站,常见

22、尾水管的形式,直锥形,浙江水专国家精品课程水电站,常见尾水管的形式,弯锥形,弯肘形,浙江水专国家精品课程水电站,弯肘型尾水管,减小厂房开挖深度，水力性能好，大中型号水轮机均采用弯肘型尾水管。组成：直锥段、肘管、出口扩散段。,轴流式水轮机 混流式水轮机,浙江水专国家精品课程水电站,1. 进口直锥段： 进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管，D3为直锥管进口直径，为锥管单边扩散角。 混流式：直锥管与基础环相接，(转轮出口直径)， =7 9 轴流式：与转轮室里衬相连接，D3=0.937D1，=8 10。 h3直锥段高度，其长度增加将会导致开挖量增加。一般在直锥段加钢板衬。,浙江水专国家精品课程水电站,2. 肘管： 90变断面的弯管，进口为圆形断面，出口为矩形断面。F进/F出=1.3 曲率半径R小离心力大压力、流速分布不均匀hw大。R=(0.61.0)D4 为减小转弯处的脱流及涡流损失，肘管出口收缩断面(hc)： 高/宽=0.25。,浙江水专国家精品课程水电站,3、出口扩散段： 矩形扩散管，出口宽度B5， B5很大时，加隔墩d5=(0.10.15) B5 顶板 =1