5——水轮机选型

《水电站》2009年11月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。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3-3~表3-7。二、水轮机转轮标称直径系列(cm)253035(40)42506071(80)841001201401601802002252502753003303804104505005506006507007508008509009501000说明：括号内的数字表示仅适用于轴流式水轮机。三、水轮发电机标准同步转速磁极对数345789101214同步转速n1000750600428.6375333.3300250214.3磁极对数161820222426283032同步转速n187.5166.7150136.4125115.4107.110093.8磁极对数3436384042444850同步转速n88.283.3797571.468.262.560四、水轮机系列应用范围图第二节水轮机选择一、水轮机选型设计的内容1.确定机组台数及单机容量2.选择水轮机型式（型号）及装置方式3.确定水轮机参数D1、n、Hs、Za；Z0、d04.绘制水轮机运转特性曲线5.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。6.调速器及油压装置选择7.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。二、水轮机选型设计的基本要求1.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。2.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。3.结构设计合理，便于安装与操作、检修与维护。4.选择生产实力强、制造技术水平高、合作信誉好的制造厂商。5.考虑适度合理的经济节省原则。1.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。2.水电站技术资料：河流梯级开发方案、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。3.水电站有关经济资料：机电设备价格、工程单价、年运行费等。4.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、所需要的有关资料四、机组台数及单机容量的选择已知总装机容量(=Z0×N单)，N单不同，D1、n、Hs、η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。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4~6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26×700共装机18200MW。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，应进行方案比较。这种方法有时难以获得最优设计效果。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，在系列应用范围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。ZZ440系列水轮机应用范围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。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，η最高。吸出高Hs应满足：防止水轮机汽蚀，开挖深度合理。七、按综合特性曲线选择水轮机的主要参数1、D1的确定rrrHHDQN21181.92/31181.9rrHQND(1)Nr(水轮机额定出力)Nr=Nf/ηf(2)用H=Hr计算。(3)η：原型水轮机在限制工况下的效率，在D1未确定时，一般先取η=ηM+△η(△η=2~3%)，求得D1后再修正。(4)Q1'在N=Nr时，取限制工况下的Q1'，并查出限制工况的ηM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σz，以防止开挖过多。σz为水轮机装置的汽蚀系数。HHsz900102、η的修正计算查综合特性曲线得出ηMmax，换算得出ηmax。△η=ηmax-ηMmax-ε1-ε2ε1=1%~2%(表示工艺水平)，ε2=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η=ηM+△η，与假定出入太大，应重新计算。3、转速的选择n1'用最优单位转速n10'，n10'=n'10M+Δn1',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。11011DHnnDHnna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Q'1max，由Hmax、Hmin、D1、n求出：n'1min和n'1max，在综合特性曲线上以Q'1max、n'1min和n'1max作直线，此范围即为水轮机的相似工作范围5、HS的计算计算公式：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。rsHkH90010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)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。设置在压力水管末端。(二)型式混凝土蜗壳和钢蜗壳。1.混凝土蜗壳适用于低水头大流量的水轮机。H≦40m,钢筋混凝土浇筑，梯形断面。当H40m时，可用钢板衬砌防渗(H最大达80m)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=40~200m，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。二、蜗壳的主要参数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。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。蜗壳中间断面金属蜗壳混凝土蜗壳2.蜗壳包角蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口断面之间的中心角φ0(1)金属蜗壳：φ0=340°~350°,常取345°(2)混凝土蜗壳：φ0=180°~270°,一般取180°，一大部分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转轮不利）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。Vc↑→Fc↓→hw↑；Vc↓→Fc↑→hw↓；一般由Hr~VC曲线确定VC0max360QQcrccHV金属蜗壳流速系数混凝土蜗壳进口断面流速系数三、蜗壳的水力计算1.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：2.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。cbarVDDbQH,,,,,,00max0maxbDQVar圆周流速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=C3.蜗壳的水力计算按(Vu=VC=C)（1）金属蜗壳水力计算(i)蜗壳进口断面：断面半径：从轴心线到蜗壳外缘半径：ccccVQVQF00max360CcVQF00maxmax360maxmax2arR(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φ0和VC；(ii)求Fc、ρmax、Rmax；(iii)由φi确定Fi、ρi、Ri。max0360QQiiciuiiVQVQF0max360CiiVQ0max360iairR2i(2)混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)(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(Φ)直线。(6)根据φi确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。ciuiiVQVQF0max360cFF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）常见尾水管的形式直锥形常见尾水管的形式弯锥形弯肘形弯肘型尾水管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，θ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)，θ=7°~9°轴流式：与转轮室里衬相连接，D3=0.937D1，θ=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。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=(0.6~1.0)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。3、出口扩散段：矩形扩散管，出口宽度B5，B5很大时，加隔墩d5=(0.1~0.15)B5顶板α=10°~13°，底板水平。4.尾水管的高度与水平长度尾水管的总高度和总长度是影响尾水管性能的重要因素。H=h1+h2+h3+h4h1，h2由转轮结构确定;h4为