水輪機選型方法介紹

1、水輪機選型方法介紹第四章 水輪機選型 水輪機是水電站中最主要動力設備之一，影響電站的投資、制造、運輸、安裝、安全運行、經(jīng)濟效益。 根據(jù)H、N的范圍選擇水輪機是水電站主要設計任務之一，目標是使水電站充分利用水能，安全可靠運行。 第一節(jié) 水輪機的標準系列一、水輪機的系列型譜我國在1974年編制了反擊式水輪機暫行系列型譜，其中所列出的轉(zhuǎn)輪，是經(jīng)過長期實踐驗證在某一水頭段的性能優(yōu)異的轉(zhuǎn)輪。型譜中，水輪機轉(zhuǎn)輪型號規(guī)定一律用比轉(zhuǎn)速代號。軸流式、混流式、ZD760型、水斗式水輪機系列型譜參數(shù)見表3-3表3-7。二、水輪機轉(zhuǎn)輪標稱直徑系列(cm)253035(40)42506071(80)8410012014

2、01601802002252502753003303804104505005506006507007508008509009501000說明：括號內(nèi)的數(shù)字表示僅適用于軸流式水輪機。三、水輪發(fā)電機標準同步轉(zhuǎn)速磁極對數(shù)345789101214同步轉(zhuǎn)速n1000750600428.6375333.3300250214.3磁極對數(shù)161820222426283032同步轉(zhuǎn)速n187.5166.7150136.4125115.4107.110093.8磁極對數(shù)3436384042444850同步轉(zhuǎn)速n88.283.3797571.468.262.560四、水輪機系列應用范圍圖第二節(jié) 水輪機選擇一、水輪機

3、選型設計的內(nèi)容確定機組臺數(shù)及單機容量選擇水輪機型式（型號）及裝置方式確定水輪機參數(shù)D1、n、Hs、Za；Z0、d0繪制水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線確定蝸殼、尾水管的形式及其尺寸，估算水輪機的重量和價格。調(diào)速器及油壓裝置選擇根據(jù)選定的水輪機型式和參數(shù)，結(jié)合水輪機在結(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書，最終雙方共同商定機組的技術條件，作為進一步設計的依據(jù)。 二、水輪機選型設計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，額定水頭以下的機組受阻容量小，水電站全廠機組平均效率高。性能要與水電站的整體運行方式和諧一致，運行穩(wěn)定，可靠靈活。有良好的抗空蝕和抗磨損性能，對多泥沙河流

4、的電站更應如此。結(jié)構(gòu)設計合理，便于安裝與操作、檢修與維護。選擇生產(chǎn)實力強、制造技術水平高、合作信譽好的制造廠商?？紤]適度合理的經(jīng)濟節(jié)省原則。水輪機產(chǎn)品技術資料：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、總裝機容量、水電站運輸、安裝技術條件；水文資料： 特征流量及特征水頭、下游水位流量關系曲線。水電站有關經(jīng)濟資料：機電設備價格、工程單價、年運行費等。電力系統(tǒng)資料：系統(tǒng)負荷構(gòu)成，水電站的作用及運行方式等。三、所需要的有關資料四、機組臺數(shù)及單機容量的選擇 已知總裝機容量(=Z0N單)，N單不同，D1、

5、n 、Hs、均不同。 1、機組臺數(shù)與機電設備制造的關系 N總一定，Z0多N單尺寸（D1）小制造運輸容易造價高(單位千瓦耗材多、制造量大)。 所以一般選用較大的N單。 2、機組臺數(shù)與電站投資的關系 Z0多單位千瓦投資閥門、調(diào)速、管道、輻設、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、機組臺數(shù)與運行效率的關系 Z0平均效率(1) 擔任基荷時：出力變化小，流量變化穩(wěn)定，可用較少的臺數(shù)，使水輪機可以在較長時間內(nèi)以最優(yōu)工況運行，其平均效率也比較高。(2) 擔任峰荷時：出力變化幅度大，應該選用較多的臺數(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，可以選用較

6、多的臺數(shù)，而對于軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機因其調(diào)節(jié)性能好，可以選用較少的機組。 4、機組臺數(shù)與電站運行維護工作的關系臺數(shù)多，運行靈活，事故影響小，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)。總之，一般應采用較大的N單，較少的臺數(shù)，但一般至少應選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)機組的制造水平和裝機容量也可以選用更多的臺數(shù)，如葛洲壩共21臺，裝機2715MW，三峽26700共裝機18200MW。 五、水輪機型號及主要參數(shù)的確定 依據(jù)：N單，特征水頭(Hmax、Hmin、Hav、Hr) 1、 根據(jù)水輪機系列型譜選擇 型號的選擇主要取決于水頭。各種水輪機

7、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，確定水輪機的型號。 如果兩種型號均可采用，應進行方案比較。 這種方法有時難以獲得最優(yōu)設計效果。2、專題研究法 對特別重要的工程或特別大型的水電站，為了獲得最優(yōu)設計效果，根據(jù)水電站的具體參數(shù)，進行專門設計，但所需時間和費用高。3、查系列范圍圖法 根據(jù)水電站的水頭范圍和單機出力，在系列應用范圍圖中查出適應的型號，以及對應的轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)速及吸出高度。當有兩種機型可供選擇時，一般選用較大的直徑。ZZ440系列水輪機應用范圍4、采用套用機組 根據(jù)目前國內(nèi)設計、施工和運行的電站資料，在特征水頭相近、N單適當，經(jīng)濟技術指標相近時，優(yōu)先套用已經(jīng)生產(chǎn)過

8、的機組，這樣可以節(jié)省設計時間、盡早供貨、提前發(fā)電。 5、直接查產(chǎn)品樣本 直接查設備廠家的產(chǎn)品樣本，適用于小型電站。6、統(tǒng)計分析法 對大量已建水電站的參數(shù)進行統(tǒng)計，得出水輪機各參數(shù)之間的統(tǒng)計關系，再根據(jù)本電站的參數(shù)選擇。六、反擊式水輪機主要參數(shù)的確定 確定了水輪機的型號后，再計算水輪機的主要參數(shù)： 轉(zhuǎn)輪直徑D1，轉(zhuǎn)速n、吸出高Hs。 D1、n應該滿足：在Hr下，發(fā)出Nr；在Hav時，最高。 吸出高Hs應滿足：防止水輪機汽蝕，開挖深度合理。 七、 按綜合特性曲線選擇水輪機的主要參數(shù)1、D1的確定 Nr(水輪機額定出力) Nr= Nf /f 用 H=Hr計算。：原型水輪機在限制工況下的效率，在D1未

9、確定時，一般先取=M+ (=23%)，求得D1后再修正。(4) Q1 在N= Nr時，取限制工況下的Q1，并查出限制工況的M 混流水輪機由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為水輪機裝置的汽蝕系數(shù)。2、的修正計算 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，即原型水輪機和模型水輪機的蝸殼和尾水管不一樣) 如=M+，與假定出入太大，應重新計算。 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)電機轉(zhuǎn)速相近而

10、偏大的標準同步轉(zhuǎn)速。4、工作范圍的驗算 求出水輪機的參數(shù)D1、n后，在模型綜合特性曲線上繪出水輪機的相似工作范圍，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，此范圍即為水輪機的相似工作范圍 5、HS的計算 計算公式： 水輪機方案確定后，根據(jù)水輪機運行條件、水電站的開挖情況等進行技術經(jīng)濟比較后確定。 第四節(jié) 水輪機蝸殼的形式及尺寸確定一、蝸殼的功用及型式 (一) 功用 蝸殼是水輪機的進水部件，把水流以較小的水頭損失，均勻?qū)ΨQ地引向

11、導水機構(gòu)，進入轉(zhuǎn)輪。設置在壓力水管末端。(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。 H40m, 鋼筋混凝土澆筑，梯形斷面。 當H40m時，可用鋼板襯砌防滲(H 最大達80m)2. 金屬蝸殼當H40m時采用金屬蝸殼。其斷面為圓形，適用于中高水頭的水輪機。鋼板焊接：H=40200m，鋼板拼裝焊接。鑄鋼蝸殼：H200m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。 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：稱為對稱型式

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、底角點的變化規(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入導葉，為非對稱入流，對轉(zhuǎn)輪不利） 3、蝸殼進口平均流速： 進口斷面流量 Qmax水輪機的最大引用流量。 VcFchw；VcFchw； 一般由HrVC曲線確定VC 金屬蝸殼流速系數(shù)混凝土蝸殼進口斷面流速系數(shù)三、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

13、寸，繪出蝸殼單線圖，為廠房設計提供依據(jù)。 已知：水流在蝸殼中的運動規(guī)律 水流進入蝸殼后，形成一種旋轉(zhuǎn)運動(環(huán)流)，之后進入導葉, 水流速度分解為Vr、Vu。 進入座環(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=C：即假定Vu=VC=C3. 蝸殼的水力計算按(Vu=VC=C) （1）金屬蝸殼水力計算(i) 蝸殼進口斷面：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算(半解析法) (1) 按進口流速求進口斷面積；(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 彎錐形用于臥軸水輪機 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，大中型號水輪機均采用彎肘型尾水管。組成：直錐段、肘管、出口擴散段。軸流式水輪機 混流式水輪機1. 進口直錐段：進口直錐段是一個垂直的圓錐形擴散管，D3為直錐管進口直徑，為錐管單邊擴散角。混流式：直錐管與基礎環(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，其長度增加將會導致開挖量增加。一般在直錐段加鋼板襯。2. 肘管： 90變斷面的彎管，進口為圓形斷面，出口為矩形斷面。F進/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、出口擴散段：矩形擴散管，出口寬度B5，B5很大時，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度尾水管的總高度和總長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。 H取決于h3(直錐段長度)。h3大開挖加大，工程投資增大；L：機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計中，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的前提下，對選出的尾水管尺寸可作局部變更。減小開挖，h不動，擴散段底板向上傾斜612大型反擊式水輪機，為減小廠房長度，尾水管不對稱布置地下電站：為使巖石穩(wěn)定，尾水管采用窄深斷面加長h3、L(目前國內(nèi)最長取到L=108D1)，但需要論證轉(zhuǎn)輪出口的真空度和機組的抬機可能性。作 業(yè)水輪機模型試驗的目的任務及類型？能量試驗的任務測量參數(shù)是