水輪機(jī)選型方法介紹

1、水輪機(jī)選型方法介紹第四章 水輪機(jī)選型 水輪機(jī)是水電站中最主要?jiǎng)恿υO(shè)備之一，影響電站的投資、制造、運(yùn)輸、安裝、安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)效益。 根據(jù)H、N的范圍選擇水輪機(jī)是水電站主要設(shè)計(jì)任務(wù)之一，目標(biāo)是使水電站充分利用水能，安全可靠運(yùn)行。 第一節(jié) 水輪機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)系列一、水輪機(jī)的系列型譜我國(guó)在1974年編制了反擊式水輪機(jī)暫行系列型譜，其中所列出的轉(zhuǎn)輪，是經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)踐驗(yàn)證在某一水頭段的性能優(yōu)異的轉(zhuǎn)輪。型譜中，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號(hào)規(guī)定一律用比轉(zhuǎn)速代號(hào)。軸流式、混流式、ZD760型、水斗式水輪機(jī)系列型譜參數(shù)見表3-3表3-7。二、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑系列(cm)253035(40)42506071(80)8410012014

2、01601802002252502753003303804104505005506006507007508008509009501000說明：括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示僅適用于軸流式水輪機(jī)。三、水輪發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速磁極對(duì)數(shù)345789101214同步轉(zhuǎn)速n1000750600428.6375333.3300250214.3磁極對(duì)數(shù)161820222426283032同步轉(zhuǎn)速n187.5166.7150136.4125115.4107.110093.8磁極對(duì)數(shù)3436384042444850同步轉(zhuǎn)速n88.283.3797571.468.262.560四、水輪機(jī)系列應(yīng)用范圍圖第二節(jié) 水輪機(jī)選擇一、水輪機(jī)

3、選型設(shè)計(jì)的內(nèi)容確定機(jī)組臺(tái)數(shù)及單機(jī)容量選擇水輪機(jī)型式（型號(hào)）及裝置方式確定水輪機(jī)參數(shù)D1、n、Hs、Za；Z0、d0繪制水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線確定蝸殼、尾水管的形式及其尺寸，估算水輪機(jī)的重量和價(jià)格。調(diào)速器及油壓裝置選擇根據(jù)選定的水輪機(jī)型式和參數(shù)，結(jié)合水輪機(jī)在結(jié)構(gòu)上、材料、運(yùn)行等方面的要求，擬定并向廠家提出制造任務(wù)書，最終雙方共同商定機(jī)組的技術(shù)條件，作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的依據(jù)。 二、水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的基本要求有較好的能量特性，在額定水頭下能保證發(fā)出額定出力，額定水頭以下的機(jī)組受阻容量小，水電站全廠機(jī)組平均效率高。性能要與水電站的整體運(yùn)行方式和諧一致，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠靈活。有良好的抗空蝕和抗磨損性能，對(duì)多泥沙河流

4、的電站更應(yīng)如此。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，便于安裝與操作、檢修與維護(hù)。選擇生產(chǎn)實(shí)力強(qiáng)、制造技術(shù)水平高、合作信譽(yù)好的制造廠商?？紤]適度合理的經(jīng)濟(jì)節(jié)省原則。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。水電站技術(shù)資料：河流梯級(jí)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(yùn)輸、安裝技術(shù)條件；水文資料： 特征流量及特征水頭、下游水位流量關(guān)系曲線。水電站有關(guān)經(jīng)濟(jì)資料：機(jī)電設(shè)備價(jià)格、工程單價(jià)、年運(yùn)行費(fèi)等。電力系統(tǒng)資料：系統(tǒng)負(fù)荷構(gòu)成，水電站的作用及運(yùn)行方式等。三、所需要的有關(guān)資料四、機(jī)組臺(tái)數(shù)及單機(jī)容量的選擇 已知總裝機(jī)容量(=Z0N單)，N單不同，D1、

5、n 、Hs、均不同。 1、機(jī)組臺(tái)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(yùn)輸容易造價(jià)高(單位千瓦耗材多、制造量大)。 所以一般選用較大的N單。 2、機(jī)組臺(tái)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(tái)數(shù)與運(yùn)行效率的關(guān)系 Z0平均效率(1) 擔(dān)任基荷時(shí)：出力變化小，流量變化穩(wěn)定，可用較少的臺(tái)數(shù)，使水輪機(jī)可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)以最優(yōu)工況運(yùn)行，其平均效率也比較高。(2) 擔(dān)任峰荷時(shí)：出力變化幅度大，應(yīng)該選用較多的臺(tái)數(shù)，以增加其運(yùn)行靈活性，提高整體運(yùn)行效率。(3) 對(duì)于軸流定漿和混流式水輪機(jī)，可以選用較

6、多的臺(tái)數(shù)，而對(duì)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(tái)數(shù)與電站運(yùn)行維護(hù)工作的關(guān)系臺(tái)數(shù)多，運(yùn)行靈活，事故影響小，但同時(shí)增加了事故的幾率，也增加了管理人員、提高了運(yùn)行費(fèi)，所以不宜采用過多的臺(tái)數(shù)?？傊?，一般應(yīng)采用較大的N單，較少的臺(tái)數(shù)，但一般至少應(yīng)選2臺(tái)，少數(shù)情況下可選1臺(tái)。中大型電站一般選46臺(tái)，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(tái)數(shù)，如葛洲壩共21臺(tái)，裝機(jī)2715MW，三峽26700共裝機(jī)18200MW。 五、水輪機(jī)型號(hào)及主要參數(shù)的確定 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(hào)的選擇主要取決于水頭。各種水輪機(jī)

7、都有一定的使用范圍，根據(jù)電站運(yùn)行水頭的范圍，直接查系列型譜，確定水輪機(jī)的型號(hào)。 如果兩種型號(hào)均可采用，應(yīng)進(jìn)行方案比較。 這種方法有時(shí)難以獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)效果。2、專題研究法 對(duì)特別重要的工程或特別大型的水電站，為了獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)效果，根據(jù)水電站的具體參數(shù)，進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，但所需時(shí)間和費(fèi)用高。3、查系列范圍圖法 根據(jù)水電站的水頭范圍和單機(jī)出力，在系列應(yīng)用范圍圖中查出適應(yīng)的型號(hào)，以及對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)速及吸出高度。當(dāng)有兩種機(jī)型可供選擇時(shí)，一般選用較大的直徑。ZZ440系列水輪機(jī)應(yīng)用范圍4、采用套用機(jī)組 根據(jù)目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)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(shí)，優(yōu)先套用已經(jīng)生產(chǎn)過

8、的機(jī)組，這樣可以節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間、盡早供貨、提前發(fā)電。 5、直接查產(chǎn)品樣本 直接查設(shè)備廠家的產(chǎn)品樣本，適用于小型電站。6、統(tǒng)計(jì)分析法 對(duì)大量已建水電站的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出水輪機(jī)各參數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，再根據(jù)本電站的參數(shù)選擇。六、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(hào)后，再計(jì)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(shí)，最高。 吸出高Hs應(yīng)滿足：防止水輪機(jī)汽蝕，開挖深度合理。 七、 按綜合特性曲線選擇水輪機(jī)的主要參數(shù)1、D1的確定 Nr(水輪機(jī)額定出力) Nr= Nf /f 用 H=Hr計(jì)算。：原型水輪機(jī)在限制工況下的效率，在D1未

9、確定時(shí)，一般先取=M+ (=23%)，求得D1后再修正。(4) Q1 在N= Nr時(shí)，取限制工況下的Q1，并查出限制工況的M 混流水輪機(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)。2、的修正計(jì)算 查綜合特性曲線得出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，即原型水輪機(jī)和模型水輪機(jī)的蝸殼和尾水管不一樣) 如=M+，與假定出入太大，應(yīng)重新計(jì)算。 3、轉(zhuǎn)速的選擇 n1用最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n10， n10=n10M+n1,水頭H=Ha。 轉(zhuǎn)速n隨工況而變，要選發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相近而

10、偏大的標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速。4、工作范圍的驗(yàn)算 求出水輪機(jī)的參數(shù)D1、n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(yàn)是否包括了高效率區(qū)，以驗(yàn)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(jì)算 計(jì)算公式： 水輪機(jī)方案確定后，根據(jù)水輪機(jī)運(yùn)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。 第四節(jié) 水輪機(jī)蝸殼的形式及尺寸確定一、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

11、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，進(jìn)入轉(zhuǎn)輪。設(shè)置在壓力水管末端。(二) 型式 混凝土蝸殼和鋼蝸殼。1. 混凝土蝸殼 適用于低水頭大流量的水輪機(jī)。 H40m, 鋼筋混凝土澆筑，梯形斷面。 當(dāng)H40m時(shí)，可用鋼板襯砌防滲(H 最大達(dá)80m)2. 金屬蝸殼當(dāng)H40m時(shí)采用金屬蝸殼。其斷面為圓形，適用于中高水頭的水輪機(jī)。鋼板焊接：H=40200m，鋼板拼裝焊接。鑄鋼蝸殼：H200m時(shí)，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(yùn)輸困難。 二、蝸殼的主要參數(shù) 1.斷面型式與斷面參數(shù) 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。 混凝土蝸殼：“T”形。 (1) m=n時(shí)：稱為對(duì)稱型式

12、(2) mn：下伸式 (3) mn：上伸式 (4) n=0：平頂蝸殼中間斷面： 蝸殼頂點(diǎn)、底角點(diǎn)的變化規(guī)律按直線或拋物線確定。 蝸殼中間斷面金屬蝸殼 混凝土蝸殼2. 蝸殼包角 蝸殼末端(鼻端)到蝸殼進(jìn)口斷面之間的中心角0(1) 金屬蝸殼：0=340350,常取345(2) 混凝土蝸殼：0=180270,一般取180，一大部分水流直接進(jìn)入導(dǎo)葉，為非對(duì)稱入流，對(duì)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HrVC曲線確定VC 金屬蝸殼流速系數(shù)混凝土蝸殼進(jìn)口斷面流速系數(shù)三、蝸殼的水力計(jì)算水力計(jì)算的目的: 確定蝸殼各中間斷面的尺

13、寸，繪出蝸殼單線圖，為廠房設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 已知：水流在蝸殼中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 水流進(jìn)入蝸殼后，形成一種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(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(shí)，按照均勻軸對(duì)稱入流的要求，Vr=常數(shù)。 圓周流速Vu的變化規(guī)律，有兩種基本假定： (1) 速度矩Vur= C 假定蝸殼中的水流是一種軸對(duì)稱有勢(shì)流，忽略粘 性及摩擦力，Vu會(huì)隨r的增加而減小。 (2) 圓周流速Vu=C：即假定Vu=VC=C3. 蝸殼的水力計(jì)算按(Vu=VC=C) （1）金屬蝸殼水力計(jì)算(i) 蝸殼進(jìn)口斷面：斷面半徑： 從軸心線到蝸殼外緣半徑： (ii) 中間斷面( )由此可以繪出蝸殼平面圖單線圖。其步驟為：(i

14、) 確定0 和VC ；(ii) 求Fc、max、Rmax；(iii) 由i確定Fi、i、Ri。 (2) 混凝土蝸殼的水力計(jì)算(半解析法) (1) 按進(jìn)口流速求進(jìn)口斷面積；(2) 根據(jù)水電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(diǎn)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(cè)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。 第五節(jié) 尾水管的型式及其主要尺寸一、尾水管型式 直錐形用于小型水輪機(jī) 彎錐形用于臥軸水輪機(jī) 彎肘形（大中型電站） 常見尾水管

15、的形式直錐形常見尾水管的形式彎錐形彎肘形彎肘型尾水管減小廠房開挖深度，水力性能好，大中型號(hào)水輪機(jī)均采用彎肘型尾水管。組成：直錐段、肘管、出口擴(kuò)散段。軸流式水輪機(jī) 混流式水輪機(jī)1. 進(jìn)口直錐段：進(jìn)口直錐段是一個(gè)垂直的圓錐形擴(kuò)散管，D3為直錐管進(jìn)口直徑，為錐管單邊擴(kuò)散角。混流式：直錐管與基礎(chǔ)環(huán)相接，(轉(zhuǎn)輪出口直徑)， =7 9軸流式：與轉(zhuǎn)輪室里襯相連接，D3=0.937D1，=8 10。h3直錐段高度，其長(zhǎng)度增加將會(huì)導(dǎo)致開挖量增加。一般在直錐段加鋼板襯。2. 肘管： 90變斷面的彎管，進(jìn)口為圓形斷面，出口為矩形斷面。F進(jìn)/F出=1.3曲率半徑R小離心力大壓力、流速分布不均勻hw大。R=(0.61.

16、0)D4為減小轉(zhuǎn)彎處的脫流及渦流損失，肘管出口收縮斷面(hc)： 高/寬=0.25。3、出口擴(kuò)散段：矩形擴(kuò)散管，出口寬度B5，B5很大時(shí)，加隔墩d5=(0.10.15) B5頂板 =1013，底板水平。4.尾水管的高度與水平長(zhǎng)度尾水管的總高度和總長(zhǎng)度是影響尾水管性能的重要因素。H=h1+h2+h3+h4 h1，h2由轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)確定; h4為肘管高度，不易變動(dòng)。 H取決于h3(直錐段長(zhǎng)度)。h3大開挖加大，工程投資增大；L：機(jī)組中心到尾水管出口，L大F出大V出小w大hf大廠房尺寸加大，一般L=( 3.54.5) D1。5.推薦尾水管尺寸：表4-15。6.尾水管局部尺寸的變更廠房設(shè)計(jì)中，由于地形、地質(zhì)條件，布置廠房的原因，在不影響尾水管能量指標(biāo)的前提下，對(duì)選出的尾水管尺寸可作局部變更。減小開挖，h不動(dòng)，擴(kuò)散段底板向上傾斜612大型反擊式水輪機(jī)，為減小廠房長(zhǎng)度，尾水管不對(duì)稱布置地下電站：為使巖石穩(wěn)定，尾水管采用窄深斷面加長(zhǎng)h3、L(目前國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)取到L=108D1)，但需要論證轉(zhuǎn)輪出口的真空度和機(jī)組的抬機(jī)可能性。作 業(yè)水輪機(jī)模型試驗(yàn)的目的任務(wù)及類型？能量試驗(yàn)的任務(wù)測(cè)量參數(shù)是