水电站大作业

水轮机设计及计算09级水利水电工程一班朱成学号：20093015801101一．基本资料及任务某坝后式电站，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：表1下游水位-流量关系要求：（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）计算在设计水头下，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。问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。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,Hr＝110m；下游水位与流量关系曲线（表1）。（2）水轮机产品技术资料水轮机的系列型谱：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)。某一轮系的模型综合特性曲线（包括飞逸特性曲线）。水轮机设计及计算09级水利水电工程一班朱成学号：20093015801102二．水轮机比较与选择2.1水轮机型号初选在水轮机型号选择中，起主要作用的是水头，每一种水轮机都有一定的水头使用范围。上限是由其结构强度和气蚀条件决定的，一般不允许超出。而下限是由经济条件决定的。Hmax不能超过该轮系的适用水头的上限；Hav、Hr在适用水头范围之内。若两种型号都适用，则需要进行对比分析和计算。问题条件中已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Hav=116m，计算水头H＝110m。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轮机型号为A253-46和A502-35。两种机型均为混流型，装置方式采用立轴布置。2.2水轮机比较2.2.1混流A253-46型水轮机1．转轮直径D1的计算由公式HHDQQHN21181.981.9可得到D1的计算公式为：231181.9HQND(公式1)注意几个参数的取值：N取水轮机额定出力Nr，/rffNN，fN是发电机的额定出力（机组容量）；f是发电机效率，查资料可取为96%；所以求得Nr=31.25MW。H取设计水头Hr=110m。'1Q取限制工况下的单位流量'1maxQ，查型谱表得'1maxQ=0.805m3/s,M=88.6%。效率M，这一步需要试算，初步估计%.41，则90%M。由以上参数可以计算出D1=1.95m，对照标准直径去定D1；通常是选用相近而偏大的标准直径，以便使水轮机有一定的富裕容量。所以选择D1=2.0m。2.转速的计算水轮机转速的计算公式为：1'1DHnn（公式2）参数取值：水轮机设计及计算09级水利水电工程一班朱成学号：20093015801103已知D1=2.0m。H取Hav=116m；即在运行过程中出现最多的水头。'1n选用原型最优单位转速'10n；初步假定'10'10Mnn=63(r/min)，'10Mn为模型的最优单位转速。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)，p=9。3.效率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2%9maxM，模型转轮直径为D1M=0.46m，原型效率511maxmax)1(1DDmM（公式3）于是，求得max94.0%，效率修正值为maxmaxM=2%。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0.6%，则可得到效率修正值为1.4%，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88.6%1.4%90%Mn（与上述假设相同）单位转速的修正值按下式计算：''110maxmax(/1)MMnn（公式4-1）则：'1maxmax'10(/1)0.934/0.9210.76%MMnn（公式4-2）由于'1'103.0%Mnn，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，原先假定的''''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。4.工作范围检验在选定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（公式5）则水轮机的最大引用流量为'223max1max10.767211032.18/rQQDHms（公式6）与特征水头Hmax、Hmin、和Hr相对应的单位转速为水轮机设计及计算09级水利水电工程一班朱成学号：20093015801104（公式7）在A253-46型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出'1max767/QLs、，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1A253-46型水轮机的工作范围检验5.吸出高度Hs和安装高程Zs计算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0.047，并在《水电站》图2-26查得气蚀系数的修正值约为，由此可求出水轮机的吸出高度为10()900sHH（8）其中是水轮机安装位置的海拔高程，在初始计算时可取为下游平均水位的水轮机设计及计算09级水利水电工程一班朱成学号：20093015801105海拔高程，即453.6m，带入公式求得Hs=2.566（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sZ按照公式0/2swsZHb（9）其中w为设计尾水位。设计流量3max32.18/Qms，查下游水位-流量曲线表得设计尾水位w=452.8m，而bo=0.25D1=0.5m，于是求得Zs=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0.048m大，因此该工况不是气蚀最危险工况。2.2.2混流A502-35型水轮机与混流A253-46型水轮机的参数选择一样，本文从以下4个方面进行分析研究。1.转轮直径D1计算查《中小型混流式、轴流式水轮机模型参数表》可得A502-35型水轮机在限制工况下的单位流量'310.872/MQms，效率87%M，由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量''3110.872/MQQms，效率89%。上述的'1Q、、31250Nrkw和110rHm，代入公式（1）中可得11.89Dm，选用与之接近而偏大的标称直径12.0Dm。2.转速n计算查《参数表》可得A502-35型水轮机在最优工况下单位转速'1062/minMnr，初步假定''1010Mnn，将已知的'10n和116avHm,12.0Dm代入式（2）可得333.88/minnr，选用与之接近的同步转速333.3/minnr。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max92.7%M，模型转轮直径为10.35MDm，根据式（3），可求得原型效率max94.8%，则效率修正值94.8%92.7%2.1%。考虑模型与原型水轮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0.1%，则可得效率修正值为2%，由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为maxmax92.7%2%94.7%M87%2%89%M（与上面假设值相同）单位转速的修正值按公式（4）计算，则'1maxmax'10(/1)0.947/0.92711.07%3%MMnn按照规定单位转速可以不加修正。同时，单位流量'1Q也可不加修正。由以上可见，原假定的89%，''1010Mnn，''3110.872/MQQms是正确的，水轮机设计及计算09级水利水电工程一班朱成学号：20093015801106那么上述计算的结果12.0Dm，333.3/minnr也是正确的。4.共作范围的检验在选定12.0Dm，333.3/minnr后，水轮机的'1maxQ及各特征水头相对应的'1n即可以计算出来。水轮机在Hr、Nr下工作时，其''11maxQQ，故由式（5）求解得到'331max0.776/0.872/Qmsms则水轮机的最大引用流量由式（6）有：'23max1max132.54/rQQDHms与特征水头Hmax、Hmin、和Hr相对应的单位转速为'11minmax'11maxmin'11333.3256.34/min140333.3266.66/min100333.3263.56/min110rrnDnrHnDnrHnDnrH在A502-35型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出'1max776/QLs、'1min56.34/minnr和'1max66.66/minnr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2A502-35型水轮机的工作范围检验水轮机设计及计算09级水利水电工程一班朱成学号：200930158011075.吸出高度Hs和安装高程sZ计算由水轮机的设计工况参数，'163.56/minrnr，'1max776/QLs，在图2上可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453.6m，由水轮机的吸出高度公式（8）计算求解得1.064sHm。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sZ按照公式（9），设计流量3max32.54/Qms，查下游水位-流量曲线表得设计尾水位452.778wm，而010.250.5bDm，于是求得455.964sZm。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0.078m大，因此该