水电站大作业

水轮机选型大作业 指导老师：程永光 姓名：陈健华 班级：水电五班 学号：2010301580319 1010 级水电五班级水电五班 陈健华陈健华 20103015803192010301580319 1 目录 目录目录1 一基本资料及任务一基本资料及任务 .2 二水轮机比较与选择3 2.1 水轮机型号初选.3 2.2 水轮机比较 .3 2.2.1 混流 A253-46 型水轮机.3 2.2.2 混流 A502-35 型水轮机.6 2.2.3 两种方案的比较分析8 2.3 主要结论.9 三 蜗壳及尾水管尺寸计算.9 3.1 蜗壳断面尺寸计算.9 3.2 尾水管选型及计算12 3.3 蜗壳和尾水管的单线图的绘制13 四原型运转综合特性曲线的绘制.14 4.1 等水头线的绘制14 4.2 等效率线的绘制.19 4.3 出力限制线的绘制.20 4.4 等吸出高度线的绘制.21 4.5 运转综合特性曲线.23 1010 级水电五班级水电五班 陈健华陈健华 20103015803192010301580319 2 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 Hr110m，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 max345°，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, Hr110m； 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。 1010 级水电五班级水电五班 陈健华陈健华 20103015803192010301580319 3 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） 。 二水轮机比较与选择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 H110m。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转轮直径转轮直径 D1的计算的计算 由公式可得到 D1的计算公式为：HHDQQHN 2 1 1 81 . 9 81 . 9 (公式 1) 2 3 1 1 81 . 9 HQ N D 注意几个参数的取值： N 取水轮机额定出力 Nr，是发电机的额定出力（机组/ rff NN f N 容量） ；是发电机效率，查资料可取为 96%；所以求得 f Nr=31.25MW。 1010 级水电五班级水电五班 陈健华陈健华 20103015803192010301580319 4 H 取设计水头 Hr=110m。 取限制工况下的单位流量，查型谱表得=0.805m3/s, ' 1 Q ' 1max Q ' 1max Q =88.6%。 M 效率，这一步需要试算，初步估计，则 M %.41 。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. 转速的计算转速的计算 水轮机转速的计算公式为：（公式 2） 1 ' 1 D Hn n 参数取值： 已知 D1=2.0m。 H 取 Hav=116m；即在运行过程中出现最多的水头。 选用原型最优单位转速；初步假定= 63(r/min)，为 ' 1 n ' 10 n ' 10 ' 10M nn ' 10M n 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%9 max M 模型转轮直径为 D1M=0.46m，原型效率 （公式 3）5 1 1 maxmax )1 (1 D D m M 于是，求得，效率修正值为=2%。考虑到模 max 94.0% maxmaxM 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，则可得到效率修正值为，由此可得原型水0.6%1.4% 轮机在最优工况和限制工况下的效率为 maxmax 92% 1.4%93.4% M n （与上述假设相同）88.6% 1.4%90% M n 单位转速的修正值按下式计算： （公式 4-1） '' 110maxmax (/1) MM nn 则：（公式 4-2） ' 1 maxmax ' 10 (/1)0.934/0.9210.76% M M n n 由于，按规定单位转速可不加修正，同时，单位流量也可以 ' 1 ' 10 3.0% M n n ' 1 Q 1010 级水电五班级水电五班 陈健华陈健华 20103015803192010301580319 5 不加修正。 由上可见，原先假定的是正确的，所以上述计 '''' 11max1010 90%, M QQnn 算及选用的结果 D1=2.0m、n=333.3r/min 也是正确的。 4. 工作范围检验工作范围检验 在选定 D1=2.0m、n=333.3r/min 后，水轮机的及各特征水头相对应的 ' 1max Q 即可计算出来。水轮机在 Hr、Nr下工作时，其，故 ' 1 n '' 11max QQ （公式 '3 1max 22 1 31250 0.7670.805/ 9.819.81 21101100.9 r rr N Qms D HH 5） 则水轮机的最大引用流量为 （公式 6） '223 max1max1 0.767 211032.18/ r QQDHms 与特征水头 Hmax、Hmin、和 Hr 相对应的单位转速为 （公式 7） 在 A253-46 型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出、 ' 1max 767/QL s ， 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。 1010 级水电五班级水电五班 陈健华陈健华 20103015803192010301580319 6 图 1 A253-46 型水轮机的工作范围检验 5. 吸出高度吸出高度 Hs 和安装高程和安装高程 Zs 计算计算 由水轮机的设计工况参数，在图 1 上 ' 1 63.56 / min r nr ' 1max 767/QL s 可查得相应的气蚀系数约为，并在水电站图 2-26 查得气蚀系数的0.047 修正值约为，由此可求出水轮机的吸出高度为 （8）10() 900 s HH 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 的海拔高程，即，带入公式求得453.6m 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。 安装高程按照公式 s Z （9） 0/ 2sws ZHb 其中为设计尾水位。设计流量，查下游水位-流量曲线 w 3 max 32.18/Qms 表得设计尾水位=452.8m，而 bo=0.25D1=0.5m，于是求得 w 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，比设计工况0.065 时的气蚀系数大，因此该工况不是气蚀最危险工况。0.048 m 1010 级水电五班级水电五班 陈健华陈健华 20103015803192010301580319 7 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. 转轮直径转轮直径 D1计算计算 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，效率，由此可初步假定原 '3 1 0.872/ M Qms87% M 型水轮机在该工况下的单位流量，效率。 ''3 11 0.872/ M QQms89% 上述的、和，代入公式（1）中可得 ' 1 Q31250Nrkw110 r Hm ，选用与之接近而偏大的标称直径。 1 1.89Dm 1 2.0Dm 2. 转速转速 n 计算计算 查参数表可得 A502-35 型水轮机在最优工况下单位转速 ，初步假定，将已知的和,代 ' 10 62 / min M nr '' 1010M nn ' 10 n116 av Hm 1 2.0Dm 入式（2）可得，选用与之接近的同步转速。333.88 / minnr333.3 / minnr 3. 效率及单位参数的修正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 ，模型转轮直径为，根据式（3） ，可求得原型效率 max 92.7% M 1 0.35 M Dm ，则效率修正值。考虑模型与原型水轮 max 94.8%94.8%92.7%2.1% 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 ，则可得效率修正值为，由此可得原型 水轮机在最优工况和0.1%2% 限制工况下的效率为 maxmax 92.7%2%94.7% M （与上面假设值相同）87%2%89% M