水轮机选型计算

浅谈水轮机选型计算张彪(南宁广发重工集团发电设备公司广西南宁530031)摘要：简单介绍了水轮机的形式、适用范围、特点、水轮机选型的步骤、蜗壳、尾水管的尺寸计算及调速设备和油压装置的选择方法。阐述水轮机各种机型特点及水轮机技术参数之间的相互关系。关键词：水轮机选型、蜗壳、尾水管、进水阀门、调速器、油压装置原则选型计算的一般原则概括为以下几点：①所选定的水轮机应有较高的效率。不仅要选择效率高的转轮型号，而且还要根据水轮机的模型综合曲线和真机工作特性曲线选择工作范围最好的转轮，以保证水轮机运行时有较高的工作效能；②所选定的水轮机转轮直径应较小。较小的转轮直径将使机组获得较高的转速，从而缩小机组尺寸，降低机组造价。③所选定的水轮机应有良好的汽蚀性能和工作稳定性(压力脉动小)。④优先考虑套用已有型号转轮直径接近的机组。内容(1)、确定机组台数及单机容量(2)、选择水轮机型式（型号）(3)、确定水轮机参数D1、Q、n、Hs、ns、F、Z0、do。(4)、绘制水轮机运转特性曲线(5)、估算水轮机的外形尺寸、重量及价格、蜗壳、尾水管的形式、尺寸、调速器及油压装置选择(6)、根据选定水轮机型式和参数，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造任务书，最终由双方共同商定机组的技术条件，作为进一步设计的依据。水轮机选型过程中，根据水电站所需要的开发方式、动能参数、水工建筑物布置等，并考虑已生产的水轮机的参数拟选若干方案进行技术经济的综合比较，最终确定水轮机的最佳型式与参数。水轮机选型计算内容1.确定单机容量及机组台数根据DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》的规定，水电站工程等别根据其在国民经济建设中的重要性，按照库容和装机容量划分为五等：水电枢纽工程的分等指标工程等别工程规模水库总库容(亿m3)装机容量MW一大（1）型≥10≥1200MW二大（2）型1~101200～300三中型0.1~1300～50四小（1）型0.01~0.150～10五小（2）型0.01＜10水电站机组台数的选择一般是在装机容量已定的情况下进行的，选择的过程实际上是一个技术经济比较的过程，有时与水轮机型式的选择、甚至与水轮机主要参数的选择同时进行。2.选择水轮机型式(型号)(1)、根据《水轮机设计手册》,水轮机的分类和适用范围见下表(可逆式水轮机,在型式代号后增加汉语拼音字母”N”表示)：类型水轮机型式适用水头特点汉字拼音汉字拼音反击型混流式FrancisHL30~700结构紧凑、运行稳定、范围广,效率高轴流式KplanZ转桨式Z3~80用于中低水头,大流量电站定桨式D3~70用于功率及水头变幅不大的电站调桨式T3~70介于定桨与调桨之间斜流式DeriaxX转桨式Z40~200用于水头变幅大的电站,但工艺较复杂,技术要求高定桨式D贯流式BulbG转桨式Z2~25用于低水头电站和潮汐电站定桨式D冲击式水斗式PeltonCJ300~1700用于负荷变化大而水头变化不大的电站斜击式TurgoXJ50~400效率较低,适用于中小型电站双击式BankiSJ10~150效率低,仅用于小型电站(2)、水轮机装置形式及引水室代号如下表：主轴布置形式引水室型式与代号汉字拼音汉字拼音汉字拼音卧式立式WL明槽M轴伸式Z混凝土蜗壳H竖井式S灯泡式P金属蜗壳J罐式G罐式引水室G红吸式X有压明槽MY(3)、转轮型号含义示意图：混流式水轮机示意图：轴流式水轮机示意图：灯泡贯流式水轮机示意图：冲击式水轮机示意图：在产品型号中,用转轮名义直径表示水轮机尺寸,转轮名义直径取：(1)对于轴流式水轮机,取转轮室最大直径;(2)对于混流式水轮机,取转轮叶片进口边的最大直径。以下对水轮机产品型号举例:(1)HLA883-LJ-220,表示混流式,转轮型号为HLA883,金属蜗壳,立轴，转轮直径D1=220cm。(2)HLA520-WJ-80,表示混流式,转轮型号为HLA520,金属蜗壳,卧轴,转轮直径D1=80cm。(3)ZZ709-LH-400,表示轴流式,转轮型号为ZZ709,混凝土蜗壳,立轴,转轮直径D1=400cm。(4)GZ995a-WP-460,表示贯流式,转轮型号为GZ995a,灯泡式,卧轴,转轮直径D1=460cm。(5)2CJA475-W-120/2x10,表示一根轴上有两个转轮的水斗式水轮机,转轮型号为CJA475,卧轴,转轮直径为D1=120cm,每个转轮有两个喷嘴,射流直径为10cm。根据《GB/T15468-2006水轮机基本技术条件》，对水轮机的稳定运行范围规定：①在空载情况下应能稳定运行;②在最大和最小水头范围内，水轮机应在下表所列功率范围内稳定运行:水轮机型式相应水头下的机组保证功率范围/%混流式45~100定桨式75~100转桨式35~100冲击式25~100对于混流式水轮机，如在保证运行范围内出现强振，应采取相应措施或避振运行。高负荷短时运行范围100h，低负荷短时运行范围500h。③导叶漏水量：不应大于水轮机额定流量的3‰,圆锥式导叶漏水量不应大于额定流量4‰。冲击式水轮机全关时不应漏水④转轮裂纹保证供货方应在设计制造过程中采用措施，保证产品质量，在合同规定的保证期和稳定运行范围内保证转轮不产生裂纹。⑤噪声要求水轮机正常运行时，在水轮机机坑地板上方1m处所测得的噪声不应大于90dB(A),在距尾水管进入门1m处所测得的噪声不应大于95dB(A),冲击式水轮机壳上方1m处所测得的噪声不应大于85dB(A),贯流式水轮机转轮室周围1m内所测得的噪声不应大于90dB(A)⑥可靠性指标在一般水质条件下,水轮机应具有以下可靠性指标：水轮机大修间隔期不少于5年；无故障连续运行时间不少于20000小时；水轮机平均寿命不少于40年。根据GB/T15469.1-2008反击式水轮机空蚀评定(MODIEC60609-1：2008)在规定的运行范围和时间内运行一时间内，任何形式的水轮机转轮(是指正常选用的转轮材料为不锈钢或不锈钢覆面的碳钢)的最大空蚀深度S(以mm计)、最大空蚀材料剥落体积V(以cm2)和质量M(以kg计)。图中所示各值依据以下条件确定：a)在不少于两年运行时间后的合理修补量。b)空蚀深度不削弱机械强度。这里给出的空蚀体积V、质量M值不是指单个叶片，而是指整个转轮。转轮形式材质空蚀深度S质量M空蚀体积V任何形式转轮不锈钢S=4D0.4M=0.78D2V=20D2碳钢S=6D0.4M=0.156D2V=100D23.确定水轮机同步转速n、比转速ns、过流量Qr、转轮直径D1、吸出高度Hs、轴向水推力F、飞逸转速nr等；冲击式水轮机射流直径do与喷嘴数Zo。(1)现代水轮机一般都直接带动水轮发电机,带动加工机械的情况较少。我国电网所采用的标准频率为f=50Hz,一些国家和地区也有采用60Hz,为得到标准频率必须满足以下条件：np=6000(f=50Hz)或np=7200(f=60Hz)(式中:n—发电机转速(r/min)；p—发电机磁极对数)。按中国额定电压标准,不同机组容量选择发电机额定电压的参考值如下表所示：选择发电机额定电压的参考值（查《中国水力发电工程机电卷》）机组容量(MVA)6~357.5~6536~200100~320320额定电压(kV)6.310.513.815.7518机组容量(MVA)125MVA125P350MVAP350MVA额定功率因数不低于0.8(滞后)不低于0.85(滞后)不低于0.9(滞后)根据《GB/T7894-2001水轮发电机基本技术条件》及《水轮机》,水轮发电机额定转速优先在下列转速(r/min)中选择：(60Hz转速按优先转速所对应的磁极对数得出)发电机磁极对数发电机转速发电机磁极对数发电机转速发电机磁极对数发电机转速50Hz60Hz50Hz60Hz50Hz60Hz21500.01800.015200.0240.03488.2105.831000.01200.016187.5225.03683.3100.04750.0900.018166.7200.04075.090.05600.0720.020150.0180.04271.485.76500.0600.021142.9171.54468.281.87428.6514.322136.4163.74862.575.08375.0450.024125.0150.05060.072.09333.3400.026115.4138.55257.769.210300.0360.028107.1128.55653.664.312250.0300.030100120.060505014214.3257.23293.8112.6根据《GB/T7894-2009水轮发电机基本技术条件》中规定,对装有推力轴承的导轴承的立式水轮发电机的机架，其垂直方向和水平方向的允许双幅振动值，以及卧式水轮发电机轴承在垂直方向的允许双幅振动值,应不大于下表的规定：水轮发电机振动(双幅)允许限值mm项目额定转速,r/min≤100100~250250~375375~750750振动允许值(双振幅),mm立式机组推力轴承支架的垂直振动0.080.070.050.040.03导轴承支架的水平振动0.110.090.070.050.04定子铁芯部位机座水平振动0.040.030.020.020.02定子铁芯振动(100Hz振幅值)0.030.030.030.030.03卧式机组各部轴承垂直振动0.110.090.070.050.04灯泡贯流式机组推力支架的轴向振动0.100.08各导轴承的径向振动0.120.10灯泡头的径向振动0.120.10注：振动值系指机组在除过速运行以外的各种稳定运行工况下的双振幅值在正常运行工况下，水轮发电机导轴承处测得轴的相对运行摆度值(双振幅值)应不大于75%的轴轴总间隙值。同时规定在水轮发电机盖板外缘上方垂直距离1m处测量的噪声水平应为下列数值：a)额定转速为250r/min及以下者不超过80dB(A)；b)额定转速高于250r/min者不超过85dB(A)。机组转动部分的第一阶临界转速应不小于最大飞逸转速的120%。对于水轮发电机,不采用3000转速,因为当发生事故时,其飞逸转速对发电机转子是很危险的；转速1500采用于极小的水轮发电机；转速1000比较适用于小型水轮发电机。在实际中为使水轮机能和发电机直接传动,水轮机的转速应符合发电机的转速。在通过转速计算得出n后,先查找同步转速中相近档次的转速,带入转速公式反算水头H对应的单位转速n11。(2)查JB/T6310-1992《中小型轴流式、混流式水轮机转轮系列型谱》，规定了中小型轴流式和混流式水轮机转轮型参数范围。在没有模型资料数据时可做为初定值。中小型轴流式转轮型谱参数范围适用水头范围m导叶相对高度bo轮毂比叶片数Zo最优工况限制工况单位转速n11r/min单位流量q11m3/s比转速nsm·kw单位流量Q11m3/s汽蚀系数σm3~80.450.34/0.383,4155~1701.1~1.3660~7602.1~2.31.2~1.46~150.450.34/0.384142~1541.0~1.2580~6701.9~2.150.8~0.9512~220.400.35/0.404130~1400.95~1.15500~5701.7~1.90.64~0.7518~300.400.40/0.455122~1320.90~1.1400~5001.5~1.70.52~0.6226~400.3750.45/0.506115~1250.85~1.05400~4501.35~1.550.45~0.55中小型混流式转轮型谱参数范围适用水头范围m导叶相对高度bo最优工况限制工况单位转速n11r/min单位流量Q11m3/s比转速nsm·kw单位流量Q11m3/s汽蚀系数σm20~450.3580~851.15~1.25270~3101.3~1.450.2~0.2435~600.31576~831.0