水电站大作业 (2)

水电站大作业水轮机选择设计2012级水电三班易斯2012301580307一．基本资料和要求1.某坝后式电站，总装机容重为120MW，初拟装四台机组，电站最大水头Hmax=140m，最小水头Hmin=100m，加权平均水头Hav=116m，计算水头Hr＝110m，下游水位-流量曲线如下表所列：流量Q（m3/s）0102030405060水位Z（m）450450.9451.8452.6453.3453.8453.2流量Q（m3/s）708090100110120水位Z（m）454.4454.8455.0455.2455.3455.42．水轮机选型计算和蜗壳绘制资料，水轮机的系列型谱（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），有关轮系的模型特性曲线。3.要求：（l）确定水轮机类型及装置方式；（2）确定水轮机转轮直径D1及转速n，校核水轮机的工作范围和计算水头下的额定出力；（3）计算设计水头下，机组发出额定出力时的允许吸出高Hs，并算出此时水轮机的安装高程。此工况是否是气蚀最危险工况？为什么？（4）采用圆形断面的金属蜗壳，最大包角φmax＝345°，导水叶高度b0=0.224D1。请计算蜗壳及尾水管轮廓尺寸。并用CAD绘出蜗壳、尾水管单线图。（5）将模型综合特性曲线转换成原型运转综合特性曲线。二．水轮机类型的比选与确定2.1水轮机型号选择根据该水轮机的水头变化范围为100~140m，水头较高，在水轮机系列型谱上可查出合适的机型有A253-46与A502-35两种，均为混流式，立轴布置。现将这两种水轮机作为初选方案，分别求出其有关参数并进行分析比较。2.2A253-46水轮机方案的主要参数选择2.2.1转轮直径D1的计算23r81.9r11HQND○1查水轮机型谱资料可得A253-46水轮机在限制工况下的单位流量'1maxQ为0.805m3/s，ηM=0.886；○2Nr为水轮机的额定出力=Ngr/ηgr=120/（4*0.96）=31.25MW；○3Hr为水轮机的设计水头=110m；○4η=ηM+△η,需经过试算来确定。Excel试算表（1）如下：表（1）由此算可以算得D1=1.952m，为使水轮机有一定的富裕容量，通常选用较计算值稍大的标称直径。根据标准尺寸系列可取D1=2m。2.2.2转轮转速n的计算1'1DHnn○1为了使水轮机在加权平均水头获得最高效率，故取H=Hav=116m；○2A253-46水轮机在最优工况下单位转速'10Mn=63r/min，初步假定'10'10Mnn=63r/min，且D1=2m。由此可以算得n=339.3r/min，为使机组有较小的尺寸和重量，选用与之相近标准同步转速333.3r/min，此时磁极对数p=9。2.2.3效率及单位参数修正A253-46型水轮机在最优工况下的模型最高效率为2%9maxM，模型转轮直径为D1M=0.46m，原型效率511maxmax)1(1DDmM，效率修正值为maxmaxM。考虑到模型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=0.006，则可得到效率修正值为=0.014，由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为maxmax92%1.4%93.4%MnηmaxηMmax假定△ηη=ηmax+△η△η2=k(ηmax-ηMmax)（取k=1）η=ηmax+△η20.8860.9200.0140.9001.9520.9400.0140.900511maxmax)1(1DDmM23r81.9r11HQND88.6%1.4%90%Mn。具体计算如下表2：(表2)单位转速的修正值按下式计算：'1maxmax'10(/1)0.934/0.9210.76%MMnn3%，按规定单位转速可不加修正，同时，单位流量'1Q也可以不加修正。由上可见，''''11max101090%,,MQQnn是正确的，所以上述计算及选用的结果D1=2.0m、n=333.3r/min也是正确的。2.2.4工作范围的检验在选定D1=2.0m、n=333.3r/min后，水轮机的'1maxQ及各特征水头相对应的'1n即可计算出来。水轮机在Hr、Nr下工作时，其''11maxQQ，故'31max221312500.7670.805/9.819.8121101100.9rrrNQmsDHH则水轮机的最大引用流量为r''21max1maxHDQQ=0.767*22*√110=32.177m3/s与特征水头Hmax、Hmin、和Hr相对应的单位转速为n’1min=nD1√Hmax=333.3×2√140=56.34r/minn’1max=nD1√Hmin=333.3×2√100=66.66r/minn’1r=nD1√Hr=333.3×2√110=63.56r/min在A253-46型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出ηmaxηMmax假定△ηη=ηmax+△η△η2=k(ηmax-ηMmax)（取k=1）η=ηmax+△η20.8860.9200.0140.9001.9520.9400.0140.900511maxmax)1(1DDmM23r81.9r11HQND'1max767/QLs、n’1min=56.34r/min，n’1max=66.66r/min的直线，如图（1）所示。由图可见，有这三根直线所围成的水轮机工作范围（图中阴影部分）基本上包含了该特性曲线的高效率区。所以对于A253-46型水轮机方案，所选定的参数D1=2.0m、n=333.3r/min是合理的。图（1）2.2.5吸出高程Hs及安装高程Zs的计算（1）吸出高程Hs的计算10()900sHH○1由水轮机的设计工况参数，'163.56/minrnr，'1max767/QLs，在图（1）上可查得相应的气蚀系数约为б=0.048，○2并查得Hr=110m对应的气蚀系数的修正值约为∆б=0.016○3是水轮机安装位置的海拔高程，取为下游平均水位的海拔高程453.6m，由此可得水轮机的吸出高度Hs=2.456（m）；可见，转轮中压力最低点在下游水面2.456m以上，A253-46型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。（2）安装高程sZ按照公式0/2swsZHb计算；○1w为设计尾水位。设计流量max'Q=32.177m3/s，查下游水位-流量曲线表并插值计算w=452.6+（32.177-30）*)30406.4523.453（）（=452.8m，○2对于混流式水轮机，导叶相对高度39.0~1.0bo1D，所以bo=0.224D1=0.448m，于是求得Zs=452.8+0.448+2.456=455.704m。由模型综合特性曲线知，图上还有更高的气蚀工况及限制工况下对应的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。2.3A502-35水轮机方案的主要参数选择2.3.1转轮直径D1的计算23r81.9r11HQND○1查水轮机型谱资料可得A502-35水轮机在限制工况下的单位流量'1maxQ为0.872m3/s，ηM=0.87；○2Nr为水轮机的额定出力=Ngr/ηgr=120/（4*0.96）=31.25MW；○3Hr为水轮机的设计水头=110m；○4η=ηM+△η,需经过试算来确定。Excel试算表（2）如下：表（3）由此算可以算得D1=1.884m，为使水轮机有一定的富裕容量，通常选用较计算值稍大的标称直径。根据标准尺寸系列可取D1=2m。2.3.2转轮转速n的计算1'1DHnn○1为了使水轮机在加权平均水头获得最高效率，故取H=Hav=116m；○2A502-35水轮机在最优工况下单位转速'10Mn=62r/min，初步假定'10'10Mnn=62r/min，且D1=2m。由此可以算得n=333.88r/min，为使机组有较小的尺寸和重量，选用与之相近标准同步转速333.3r/min，此时磁极对数p=9。2.3.3效率及单位参数修正A502-35型水轮机在最优工况下的模型最高效率为%7.92maxM，模型转轮直径为D1M=0.35m，原型效率511maxmax)1(1DDmM，效率修正值为maxmaxM。考虑到模型与原型水轮机在制造工艺质量上的差异，常在已求得的值ηmaxηMmax假定△ηη=ηmax+△η△η2=k(ηmax-ηMmax)（取k=1）η=ηmax+△η20.8700.9270.0220.8921.8840.9480.0060.89223r81.9r11HQND511maxmax)1(1DDmM中再减去一个修正值。现在取=0.014，则可得到效率修正值为=0.006，由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为%9.94%2.2%7.92maxmaxM%2.89%2.2%87M。具体计算如下表2：(表4)单位转速的修正值按下式计算：%3%08.11927.0949.01''maxmax101MMnn，按规定单位转速可不加修正，同时，单位流量'1Q也可以不加修正。由上可见，MQQ1010max11'n'n,''%,2.89是正确的，所以上述计算及选用的结果D1=2.0m、n=333.3r/min也是正确的。2.3.4工作范围的检验在选定D1=2.0m、n=333.3r/min后，水轮机的'1maxQ及各特征水头相对应的'1n即可计算出来。水轮机在Hr、Nr下工作时，其''11maxQQ，故max1'Q0.774m3/s0.872m3/s则水轮机的最大引用流量为r''21max1maxHDQQ==0.774*22*√110=32.47m3/s与特征水头Hmax、Hmin、和Hr相对应的单位转速为n’1min=nD1√Hmax=333.3×2√140=56.34r/minηmaxηMmax假定△ηη=ηmax+△η△η2=k(ηmax-ηMmax)（取k=1）η=ηmax+△η20.8700.9270.0220.8921.8840.9480.0060.89223r81.9r11HQND511maxmax)1(1DDmMn’1max=nD1√Hmin=333.3×2√100=66.66r/minn’1r=nD1√Hr=333.3×2√110=63.56r/min在A502-35型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出max1'Q774L/s、n’1min=56.34r/min，n’1max=66.66r/min的直线，如图（2）所示。由图可见，有这三根直线所围成的水轮机工作范围（图中阴影部分）基本上包含了该特性曲线的高效率区。所以对于A502-35型水轮机方案，所选定的参数D1=2.0m、n=333.3r/min是合理的。图（2）2.3.5吸出高程Hs及安装高程Zs的计算（1）吸出高程Hs的计算10()900sHH○1由水轮机的设计工况参数，'163.56/minrnr，max1'Q774L/s，在图（2）上可查得相应的气蚀系数约为б=0.077，○2并查得Hr=110m对应的气蚀系数的修正值约为∆б=0.016○3是水轮机安装位置的海拔高程，取为下游平均水位的海拔高程453.6m，由此可得水轮机的吸出高度Hs=-0.734（m）；可见，转轮中压力最低点在下游水面0.734m以下，A502-35型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。（2）安装高程sZ按照公式0/2swsZHb计算；○1w为设计尾水位。设计流量max'Q=32.47m3/s，查下游水位-流量曲线表并插值计算w=（32.47-30）*)3040()6.4523.453