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1、第四章 水輪機(jī)選擇§4.1 水輪機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)系列由于各開發(fā)河段的水力資源和開發(fā)利用的情況不同,水電站的工作水頭和引用流量范圍也不同,為了使水電站經(jīng)濟(jì)安全和高效率的運行,就必須有很多類型和型式的水輪機(jī)來適應(yīng)各種水電站的要求。一、反擊式水輪機(jī)的系列型譜 表41、42、43、44中給出了軸流式、混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的參數(shù)。1)、水輪機(jī)的使用型號規(guī)定一律采用統(tǒng)一的比轉(zhuǎn)速代號。2)、每一種型號水輪機(jī)規(guī)定了適用水頭范圍。水頭上限是根據(jù)該型水輪機(jī)的強(qiáng)度和汽蝕條件限制的,原則上不允許超過;下限主要是考慮到使水輪機(jī)的運行效率不至于過低。二、水斗式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪參數(shù)表45,系列型譜尚未形成三、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪尺
2、寸系列表(表46)四、水輪發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速(表47)五、水輪機(jī)系列應(yīng)用范圍圖以H為橫座標(biāo),N單為縱座標(biāo)繪制某一系列水輪機(jī)應(yīng)用范圍。1、根據(jù)Hr、Nr 范圍D1,n 。2、水輪機(jī)吸出高度的確定Hs:根據(jù)hsH的關(guān)系曲線確定。由Hr hs,Hs hs900§4.2水輪機(jī)的選擇一、水輪機(jī)選擇的意義、原則、內(nèi)容1、意義水輪機(jī)是水電站中最主要動力設(shè)備之一,影響電站的投資、制造、運輸、安裝、安全運行、經(jīng)濟(jì)效益,因此根據(jù)H、N的范圍選擇水輪機(jī)是水電站中主要設(shè)計任務(wù)之一,使水電站充分利用水能,安全可靠運行。2、原則(1)、充分考慮電站特點(水文水能、電力系統(tǒng)技術(shù)條件,電站總體布置)。(2)、有利于
3、降低電站投資、運行費、縮短工期,提前發(fā)電(3)、提高水電站總效率,多發(fā)電(4)、便于管理、檢修、維護(hù),運行安全可靠,設(shè)備經(jīng)久耐用(5)、優(yōu)先考慮套用機(jī)組3、內(nèi)容(1)、確定機(jī)組臺數(shù)及單機(jī)容量(2)、選擇水輪機(jī)型式(型號) (3)、確定水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D1、n、Hs、Z a;Z0、d0(4)、繪制水輪機(jī)運轉(zhuǎn)特性曲線(5)、估算水輪機(jī)的外形尺寸、重量及價格、蝸殼、尾水管的形式、尺寸、調(diào)速器及油壓裝置選擇(6)、根據(jù)選定水輪機(jī)型式和參數(shù),結(jié)合水輪機(jī)在結(jié)構(gòu)上、材料、運行等方面的要求,擬定并向廠家提出制造任務(wù)書,最終由雙方共同商定機(jī)組的技術(shù)條件,作為進(jìn)一步設(shè)計的依據(jù)。4、有關(guān)資料(
4、1)、水輪機(jī)產(chǎn)品技術(shù)資料:系列型譜、生產(chǎn)廠家、產(chǎn)品目錄、模型綜合特性曲線。(2)、水電站技術(shù)資料:河流梯級開發(fā)方案、水庫的調(diào)節(jié)性能、水電站布置方案、地形、地質(zhì)、水質(zhì)、泥沙情況、總裝機(jī)容量、水電站運輸、安裝技術(shù)條件。(3)、水文情況:特征流量及特征水頭(Qmax、Qmin、Qav、Hmax、Hmin、Hr、Hav) 、下游水位流量關(guān)系曲線(4)、水電站有關(guān)經(jīng)濟(jì)資料:機(jī)電設(shè)備價格、工程單價、年運行費等二、機(jī)組臺數(shù)及單機(jī)容量的選擇已知總裝機(jī)容量(=Z0×N單),N單不同,D1、n 、Hs、均不同1、機(jī)組臺數(shù)與機(jī)電設(shè)備制造的關(guān)系N總一定,Z0多N單尺寸(D1)小制造運輸容易造價高(單位千瓦耗
5、材多、制造量大)。所以一般選用較大的N單。2、機(jī)組臺數(shù)與電站投資的關(guān)系Z0多單位千瓦投資閥門、調(diào)速、管道、輻設(shè)、電氣等增加廠房尺寸增加。N單D1尾水管高度低開挖少投資少3、機(jī)組臺數(shù)與運行效率的關(guān)系Z0多平均效率提高(1) 擔(dān)任基荷時:出力變化小,流量變化穩(wěn)定,可用較少的臺數(shù),使水輪機(jī)在較長時間內(nèi)以最優(yōu)工況運行,其平均效率也比較高。(2) 擔(dān)任峰荷時:出力變化幅度大,應(yīng)該選用較多的臺數(shù),以增加其運行靈活性,提高整體運行效率。(3) 對于軸流定漿和混流式水輪機(jī),可以選用較多的臺數(shù),而對于軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)因其調(diào)節(jié)性能好,可以選用較少的機(jī)組。4、機(jī)組臺數(shù)與電站運行維護(hù)工作的關(guān)系臺數(shù)多,運行靈活,事故影
6、響小,但同時增加了事故的幾率,也增加了管理人員、提高了運行費,所以不宜采用過多的臺數(shù)??傊?,一般應(yīng)采用較大的N單,較少的臺數(shù),但一般至少應(yīng)選2臺,少數(shù)情況下可選1臺。中大型電站一般選46臺,根據(jù)機(jī)組的制造水平和裝機(jī)容量也可以選用更多的臺數(shù),如葛洲壩共21臺,裝機(jī)271.5萬千瓦,正在修建的三峽水電站裝機(jī)26×70=1820萬千瓦。三、水輪機(jī)型號確定依據(jù):N單,特征水頭(Hmax、Hmin、Hav、Hr)1 根據(jù)水輪機(jī)系列型譜選擇型號的選擇主要取決于水頭。各種水輪機(jī)都有一定的使用范圍,根據(jù)電站運行水頭的范圍,直接查系列型譜,確定水輪機(jī)的型號。如果兩種型號均可采用,應(yīng)進(jìn)行方案比較。2 采
7、用套用機(jī)組根據(jù)目前國內(nèi)設(shè)計、施工和運行的電站資料,在特征水頭相近、N單適當(dāng),經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)相近時,有限套用已經(jīng)生產(chǎn)國的機(jī)組,這樣可以節(jié)省設(shè)計時間、盡早供貨、提前發(fā)電。四、反擊式水輪機(jī)主要參數(shù)的確定確定了水輪機(jī)的型號后,再計算水輪機(jī)的主要參數(shù):轉(zhuǎn)輪直徑D1,轉(zhuǎn)速n、吸出高Hs,D1、n應(yīng)該滿足:在Hr下,發(fā)出Nr;在Hav時,最高。吸出高Hs應(yīng)滿足:防止水輪機(jī)汽蝕,開挖深度合理。(一)、按綜合特性曲線選擇1、D1的確定 (kW) (m) (4-4)(1)、Nr(水輪機(jī)額定出力)
8、160; Nr= Nff Nf發(fā)電機(jī)額定出力(機(jī)組容量),f 發(fā)電機(jī)的效率,大中型:f=0.950.98(2)、:在N= Nr時,取限制工況下的(查附表1-2),并查出限制工況的M。HL水輪機(jī)由5%出力限制線得到,軸流式由汽蝕條件得到,或限制HS反推z,以防止開挖過多。 z為水輪機(jī)裝置的汽蝕系數(shù)。 (3)、取H=Hr計算。若取H=Hmax進(jìn)行計算,則求出的D1太小,除H=Hmax 以外,均不能發(fā)出Nr。若取H=Hmin進(jìn)行計算,則求出的D1太大,增加設(shè)備投資,不經(jīng)
9、濟(jì)。(4)、:原型水輪機(jī)再現(xiàn)職工況下的效率,在D1未確定時,不能得出確切的。 一般先取=M+ (=23%),求得D1后再修正。2、的修正計算求得D1后,再查附表1-2,得出Mmax,換算得出max。 =max-Mmax-1-2,1=1%2%(表示工藝水平),2=1%3%(表示異形部件)最后的出現(xiàn)職工況下的=M+,與假定相比,如出入太大,應(yīng)重新計算。3、轉(zhuǎn)速的選擇用最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速,。水頭H=Ha。轉(zhuǎn)速n隨工況而變,要選育發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相近的標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速,見表4-7。4、工作范圍的驗算求出水輪機(jī)的參數(shù)D1、n
10、后,在模型綜合特性曲線上繪出水輪機(jī)的相似工作范圍,檢驗是否包括了高效率區(qū),以驗證D1、n的合理性。方法:根據(jù)Nr、D1、Hr求出Q1max,由Hmax、Hmin、D1、n求出:n1min和n1max,在綜合特性曲線上以Q1max、n1min和n1max作直線,此范圍即為水輪機(jī)的相似工作范圍。5、HS的計算計算公式: 水輪機(jī)方案確定后,根據(jù)水輪機(jī)運行條件、水電站的開挖情況等進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。(二)、用系列應(yīng)用范圍圖選參數(shù)這種方法根據(jù)特征水頭、單機(jī)容量查水輪機(jī)應(yīng)用范圍圖選擇參數(shù),比較簡單,但精度不夠,多用于小型水電站的初步設(shè)計(三)、套用機(jī)組方
11、法根據(jù)特征水頭、單機(jī)容量等選用已建成的相似電站的機(jī)組,我國采用較多。五、水斗式水輪機(jī)的參數(shù)選擇水斗式水輪機(jī)的參數(shù)選擇是在已知機(jī)組裝置型式、轉(zhuǎn)輪個數(shù)ZP、噴嘴個數(shù)Z0條件下,初步確定:射流直徑d0、噴嘴直徑dn、轉(zhuǎn)輪直徑D1、轉(zhuǎn)速n、水斗數(shù)目Z1。1 轉(zhuǎn)輪直徑D1已知: Q'1單轉(zhuǎn)輪、單噴嘴在限制工況下的單位流量,查表4-5,P71。取M,為限制工況的效率,查模型特性曲線。2 射流直徑d0 取m=D
12、1/d0,一般使m保持在1020之間。3 噴嘴直徑dn 4 轉(zhuǎn)速n 求出后,選定標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速。為最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速。5 水斗數(shù)目Z1 §4.3水輪機(jī)的工作特性曲線和運轉(zhuǎn)特性曲線一、特性曲線概述1、研究目的:進(jìn)一步分析比較原型水輪機(jī)各方案之間的能量特性,計算水輪機(jī)能量指標(biāo),以評定所選擇的水輪機(jī)各主要參數(shù)的正確性,指導(dǎo)水輪機(jī)的安全運行。2、定義:反映原型水輪機(jī)在各種工況下參數(shù)之間的
13、關(guān)系曲線水輪機(jī)特性曲線。(正常運行時,轉(zhuǎn)速n不變,當(dāng)H、N變化時,、隨之變化)3、工作特性曲線:H一定,=f(N)4、運轉(zhuǎn)特性曲線:綜合反映H、N、Hs等參數(shù)之間的關(guān)系曲線。5、繪制方法:根據(jù)模型綜合特性曲線,通過相似定律換算而來。二、水輪機(jī)的工作特性曲線(=f(N) , H一定)1、H一定時,2、在模型綜合特性曲線上,作,交點一組(M,Q1)則原型:=M+, 3、作曲線N曲線4、分析:1)、=0,N0,說明空載時,水輪機(jī)消耗Nx,維持在額定轉(zhuǎn)速下空轉(zhuǎn)。2)、c點:max;d點:Nmax;e點:5% Nmax,出力限制。由圖4-7可知
14、 ZD:曲線陡,高效率區(qū)范圍窄。偏離最優(yōu)工況后,效率急劇下降; ZZ:高效率區(qū)范圍寬,變化平穩(wěn),適用承擔(dān)負(fù)荷變化大而頻繁; HL:變化較大,較ZZ窄。三、水輪機(jī)運轉(zhuǎn)特性曲線的繪制組成:N為橫座標(biāo),H為縱座標(biāo),繪有=f(H,N) Hs=f(H,N),出力限制線。反映能量特性、汽蝕特性、運行限制范圍。(一)、HL水輪機(jī)運轉(zhuǎn)特性曲線1、等效率線=f(H,N)(1)、在Hmax,Hmin之間,取46個H,包括Hmax,Hmin,Hr,Ha,繪制每個水頭下=f(N)(2)、作=1水平線,與=f(N)相交(H,N),繪制=f(H,N)(上下對應(yīng)),或列表進(jìn)行
15、,表4-10。2、出力限制線的繪制水輪機(jī)在運行中,N受發(fā)電機(jī)的額定出力和5%出力限制線的限制 Nr=Nf/f,Nr為一定值,在HN坐標(biāo)場中表現(xiàn)為一垂直線。(1)、Hr是N= Nr時的最小水頭,當(dāng)HHr時,水輪機(jī)限制在N= Nr內(nèi);A(Nr ,Hr)(2)、當(dāng)H<Hr時,水輪機(jī)則受到5%出力限制線的限制,對限制線上各點分別計算,得出B(Hmin,Nmin),連接A、B,即為H<Hr時的出力限制線。3、等吸出高度線的繪制(1)、根據(jù)等效率線計算表4-10中的Q1和N,作不同水頭下N=f(Q1)的輔助曲線(2)、在相應(yīng)的模型綜合特性曲線 上,作各水頭下n1M常數(shù)的水平線,它與汽蝕系數(shù)線相
16、交于許多點,記下各點(,Q1),列入表4-11,由Hr曲線查得(3)、由Q1可在N=f(Q1)輔助曲線上查得相應(yīng)的N值,并記入表4-11(4)、由公式計算出不同時的Hs,列表4-11(5)、在Hs=f(N)上,作Hs=C線,交點(H,N),在HN內(nèi) 繪出即可。等吸出高度線給出了水輪機(jī)在其工作范圍內(nèi),各運行工況下的最大允許吸出高度,以便進(jìn)行方案比較,確定水輪機(jī)的安裝高程。(二)、ZZ水輪機(jī)運轉(zhuǎn)特性曲線的繪制由于轉(zhuǎn)角可以調(diào)節(jié),因此其運轉(zhuǎn)特性曲線也不同。1、等效率線2、出力限制線四、水輪機(jī)的總特性曲線在水電站運行中,根據(jù)電力系統(tǒng)中負(fù)荷的需要,可能使一臺、多臺或全部機(jī)組投入運行,為使平均效率最高,研究
17、在不同出力各機(jī)組之間最優(yōu)負(fù)荷分配問題,解決機(jī)組投入最佳次序和最優(yōu)工作臺數(shù)問題。 相同容量、相同型式(相同特性水輪機(jī)):運行水輪機(jī)之間等負(fù)荷分配最優(yōu)。據(jù)此繪制總工作特性曲線和總運轉(zhuǎn)特性曲線。圖4-19,其作用:1、提供負(fù)荷分配2、求多年平均發(fā)電量§4.4蝸殼的型式及其主要尺寸的確定一、蝸殼的功用及型式(一)、功用:蝸殼是水輪機(jī)的進(jìn)水部件,把水流以較小的水頭損失,均勻?qū)ΨQ地引向?qū)畽C(jī)構(gòu),進(jìn)入轉(zhuǎn)輪。設(shè)置在尾水管末端。(二)、型式1、混凝土蝸殼:H40m。節(jié)約鋼材,鋼筋混凝土澆筑,“T”形斷面。當(dāng)H>40m時,可用鋼板襯砌防滲。適用于低水頭大流量的水輪機(jī)。2、金屬蝸殼:當(dāng)H&
18、gt;40m時采用金屬蝸殼。其斷面為圓形,適用于中高水頭的水輪機(jī)。(1) 鋼板焊接:H=40200m,鋼板拼裝焊接。(2) 鑄鋼蝸殼:H>200m時,鋼板太厚,不易焊接,與座環(huán)一起鑄造而成的鑄鋼蝸殼,其運輸困難?;炷廖仛?#160; 金屬蝸殼二、蝸殼的主要參數(shù)1、斷面型式與斷面參數(shù)(1) 金屬蝸殼:圓形。結(jié)構(gòu)參數(shù):座環(huán)外徑、內(nèi)徑、導(dǎo)葉高度、蝸殼斷面半徑、蝸殼外緣半徑(2) 混凝土蝸殼:“T”形。有四種型式: (i) n=0:平頂蝸殼
19、,b/a=1.51.7,=10°15°。使用較多。特點:接力器布置方便,減小下部塊體混凝土,但水流條件不太好。 (ii) m=0:上伸式:b/a=1.51.7,=30°,廠房開挖量小,采用較少。 (iii) m>n,1.85, =20°30°,=10°20°。(iv) mn,=20°30°,=20°35°。m=n時,稱為對稱型式。中間斷面:蝸殼頂點、底角點的變化規(guī)律按直線或拋物線確定。2、 蝸殼包角蝸殼末端
20、(鼻端)到蝸殼進(jìn)口斷面之間的中心角0:(1) 金屬蝸殼:0=340°350°,常取345°0大,過流條件好,但平面尺寸增大,廠房尺寸加大。金屬蝸殼的流量小,尺寸小,一般取較大包角;從構(gòu)造上講,最后100°內(nèi),斷面為橢圓,但仍按圓形計算。(2)、混凝土蝸殼:Q大,為減小平面尺寸,0=180°270°,一般取180°,有時0=135°,使水輪機(jī)布置在機(jī)組段中間。(一大部分水流直接進(jìn)入導(dǎo)葉,為非對稱入流,對轉(zhuǎn)輪不利)3、蝸殼進(jìn)口平均流速:進(jìn)口斷面流量:Qmax水輪機(jī)的最大引用流量。VcFchw;VcFchw;一般由HrV
21、C曲線確定VC。三、水流在蝸殼中的運動規(guī)律水流進(jìn)入蝸殼后,形成一種旋轉(zhuǎn)運動(環(huán)流),之后進(jìn)入導(dǎo)葉。水流速度分解為Vr、Vu。進(jìn)入座環(huán)時,按照均勻軸對稱入流的要求,Vr=常數(shù)。 圓周流速的變化規(guī)律,有兩種基本假定:(1) 速度矩Vur=Const假定蝸殼中的水流是一種軸對稱有勢流,忽略粘性及摩擦力,Vu會隨r的增加而減小。(2) 圓周流速Vu=Const:即假定Vu=VC=Const四、蝸殼的水力計算水力計算的目的:確定蝸殼各中間斷面的尺寸,繪出蝸殼單線圖,為廠房設(shè)計提供依據(jù)。已知:等斷面型式下進(jìn)行:按Vu=VC=Const
22、假定計算(也可按Vur=Const)1、金屬蝸殼水力計算 (1)蝸殼進(jìn)口斷面:斷面半徑: 從軸心線到蝸殼外緣半徑: (2) 中間斷面()
23、0; 由此可以繪出蝸殼平面圖單線圖。其步驟為:(a) 確定0 和VC ;(b) 求Fc、max、Rmax;(c) 由I確定Fi、i、Ri。2 混凝土蝸殼的水力計算(半解析法)(1) 按求進(jìn)口斷面積;(2) 根據(jù)水電
24、站具體情況選擇斷面型式,并確定斷面尺寸,使其(3) 選擇頂角與底角點的變化規(guī)律(直線或拋物線),以虛線表示并畫出1、2、3.等中間斷面。(4) 測算出各斷面的面積,繪出:F = f(R)關(guān)系曲線。(5) 按,繪出F = f()直線。(6) 根據(jù)i確定Fi、Ri及斷面尺寸,繪出平面單線圖。§4.5尾水管的型式及其主要尺寸的確定尾水管的作用是排水、回收能量。其型式、尺寸影響、廠房基礎(chǔ)開挖、下部塊體混凝土尺寸。尾水管尺寸越大,越高,工程量及投資增大。型式:直錐形、彎錐形、彎肘形(大中型電站)一、 直錐形尾水管(小型電站)1、 進(jìn)口
25、直徑:D3=D1+(0.51.0)cm 2、 出口流速:V5=(0.2350.7)H1/2 L/ D3=34 =12°14° 3、尾水渠尺寸:, , 尾水管淹沒深度:4、 材料:鋼板,結(jié)構(gòu)簡單,適用于小型水輪機(jī)。二、彎錐形適用于:臥軸混流式水輪機(jī),布置方便,見圖4-34,其水頭損失大,。三、彎肘型尾水管大中型水輪機(jī)所采用的尾水管,為了減小開挖深度,均采用彎肘型尾水管。由直錐段、肘管、出口擴(kuò)散段組成。
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