水輪機(jī)調(diào)節(jié)課程設(shè)計(jì)

水輪機(jī)調(diào)節(jié)課程設(shè)計(jì)課程名稱(chēng)：水輪機(jī)調(diào)節(jié)課程設(shè)計(jì)題目：水輪機(jī)調(diào)節(jié)保證計(jì)算學(xué)生姓名：胡恩勝學(xué)號(hào)：201081250228專(zhuān)業(yè)：熱能與動(dòng)力工程班級(jí)：水動(dòng)1001班指導(dǎo)老師：饒洪德老師2013年12月 目錄 調(diào)節(jié)保證計(jì)算…………………21.1、電站主要參數(shù)……………21.2、確定計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)……………21.3、確定計(jì)算工況……………21.4、計(jì)算和確定有關(guān)參數(shù)……………………21.5、初選導(dǎo)葉直線(xiàn)關(guān)閉時(shí)間………………21.6、判斷水擊類(lèi)型……………21.7、進(jìn)行水擊計(jì)算……………21.8、計(jì)算最大轉(zhuǎn)速上升率……………………21.9、綜合比較選定……………22、調(diào)節(jié)設(shè)備選型…………………22.1、調(diào)速器計(jì)算………………22.2、調(diào)速器選擇………………22.3、調(diào)速器尺寸圖……………53、參考文獻(xiàn)………………………81調(diào)節(jié)保證計(jì)算1.1、電站主要參數(shù)D水電站的主要任務(wù)是發(fā)電，并結(jié)合水庫(kù)特性、地區(qū)要求可發(fā)揮水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合效益。電站建成后投入東北主網(wǎng)，擔(dān)任系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)相及少量的事故備用容量，同時(shí)兼向周邊地區(qū)供電。該電站水庫(kù)庫(kù)容小不擔(dān)任下游防洪任務(wù)。該電站有關(guān)動(dòng)能指標(biāo)為：水庫(kù)調(diào)節(jié)性能日調(diào)節(jié)裝機(jī)容量1400MW最大工作水頭69.0m加權(quán)平均水頭67.0m設(shè)計(jì)水頭67.0m最小工作水頭65.0m平均尾水位202.0m設(shè)計(jì)尾水位200.5m壓力水管長(zhǎng)度200m水輪機(jī)型號(hào)：HL240/D41，額定功率：Pr=175MW，轉(zhuǎn)輪直徑：6m，轉(zhuǎn)速：107r/min，額定流量：Qr=280，飛逸轉(zhuǎn)速：=215r/min，吸出高度=1m。1.2、確定計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)1.2.1、調(diào)節(jié)保證計(jì)算的任務(wù)調(diào)節(jié)保證計(jì)算是研究機(jī)組突然改變較大負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的特性，計(jì)算機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化和壓力輸水系統(tǒng)壓力變化，選定導(dǎo)水機(jī)構(gòu)合理的調(diào)節(jié)時(shí)間和啟閉規(guī)律，解決壓力輸水系統(tǒng)水流慣性，機(jī)組慣性力矩和調(diào)節(jié)特性三者之間的矛盾，使水工建筑物和機(jī)組既經(jīng)濟(jì)合理，又安全可靠。在調(diào)節(jié)保證計(jì)算中，根據(jù)《水輪機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)》P220頁(yè)式7.1及P221頁(yè)式7.2，壓力升高和轉(zhuǎn)速升高都不能超過(guò)允許值。此允許值就是進(jìn)行調(diào)整保證計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)。甩負(fù)荷過(guò)程機(jī)組速率上升相對(duì)值為式中：為甩負(fù)荷前機(jī)組的轉(zhuǎn)速，；是甩負(fù)荷過(guò)程中產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)速，。甩負(fù)荷過(guò)程中最大壓力上升相對(duì)值為式中：為甩負(fù)荷過(guò)程中產(chǎn)生的最大壓力，m；為甩負(fù)荷前水電站靜水頭，m。1.2.2、調(diào)節(jié)保證計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)在調(diào)節(jié)保證計(jì)算過(guò)程中，壓力升高和轉(zhuǎn)速升高都不能超過(guò)允許值。此允許值就是調(diào)節(jié)保證的標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)調(diào)節(jié)保證計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)為：（1）《水輪機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)》調(diào)節(jié)保證計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)（P221頁(yè)）中規(guī)定機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)最大速率上升宜小于45%；當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)工作容量的比重不大或擔(dān)負(fù)基荷時(shí)，宜小于55%。大于此值要論證。（2）規(guī)范中規(guī)定甩全負(fù)荷時(shí)，有壓過(guò)水系統(tǒng)允許的最大壓力上升率一般不應(yīng)超過(guò)表1的數(shù)值。表1最大壓力升高限值表電站設(shè)計(jì)水頭（m）4040—100>100蝸殼允許最大壓力上升率70%—50%50%—30%<30%（3）尾水管真空值不宜超過(guò)8m水柱。（4）壓力輸水管不應(yīng)出現(xiàn)負(fù)壓脫流現(xiàn)象，一般至少保證有2m水柱的正壓裕度。在沒(méi)有特殊要求的情況下，調(diào)節(jié)保證計(jì)算只對(duì)兩個(gè)工況進(jìn)行，即計(jì)算設(shè)計(jì)水頭和最大水頭甩負(fù)荷時(shí)的壓力上升和速率上升，并取其大者，一般在前者發(fā)生最大速率上升，在后者產(chǎn)生最大水壓力。1.3、確定計(jì)算工況（1）額定水頭，額定出力工況，此時(shí)甩負(fù)荷一般出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)速上升。（2）最大水頭，額定出力工況，此時(shí)甩負(fù)荷一般出現(xiàn)最大水壓上升。對(duì)兩種工況進(jìn)行調(diào)節(jié)保證計(jì)算，當(dāng)壓力上升值和轉(zhuǎn)速上升值均不超過(guò)規(guī)定范圍時(shí)取其大者。1.4、計(jì)算和確定有關(guān)參數(shù)1.4.1、各工況下的和。水輪機(jī)尾水管和蝸殼是變斷面過(guò)流通道，準(zhǔn)確計(jì)算它們的水擊是一件十分困難的事情。為了使分析簡(jiǎn)化，一般采用剛性水擊理論描述尾水管和蝸殼中的不恒定流動(dòng)。即使如此，由于尾水管和蝸殼斷面變化的復(fù)雜性，計(jì)算它們中的水擊任然是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。為了使問(wèn)題的求解變得容易，可以采用當(dāng)量管來(lái)代替實(shí)際尾水管和蝸殼。（1）尾水管的和根據(jù)《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》（水力機(jī)械）P129頁(yè)表2-17，查得混凝土推薦的尾水管尺寸表及混凝土標(biāo)準(zhǔn)肘管尺寸表中所示：表2推薦的尾水管尺寸表2.64.52.721.351.350.6751.821.223.646.33.8081．891.890.9452.5841.708表3混凝土標(biāo)準(zhǔn)肘管尺寸表1.01.02.0150.360.861.0950.60.180.581.891.893.8080.681.6252.071.1340.341.096由前面水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)：表4尾水管尺寸計(jì)算表項(xiàng)目（m）L尺寸66.38.115.68.110.92277.324.052.4316.26.411.1①計(jì)算尾水管的當(dāng)量長(zhǎng)度椎管高度，肘管中心線(xiàn)長(zhǎng)度，擴(kuò)散管長(zhǎng)度。②計(jì)算尾水管的當(dāng)量過(guò)流面積參數(shù)參數(shù)由，且，得，則參數(shù)尾水管的當(dāng)量過(guò)流面積③計(jì)算尾水管的平均流速由得因此，（2）蝸殼的和①計(jì)算蝸殼當(dāng)量管的長(zhǎng)度由于本站應(yīng)用水頭為：65-69m<150m,故采用鋼板焊接蝸殼，蝸殼斷面為圓形，當(dāng)蝸殼尾部用圓斷面不能和座環(huán)蝶形邊相連接時(shí)，采用橢圓形斷面，蝸殼的包角為345度。查《水輪機(jī)原理與運(yùn)行》P106圖6-8,金屬蝸殼進(jìn)口流速系數(shù)與水頭的關(guān)系曲線(xiàn)取得:，則進(jìn)口斷面平均流速進(jìn)口斷面半徑由《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》（水力機(jī)械）P128表2-16得所選方案HL240D=6.0m的具體尺寸：表5金屬蝸殼座環(huán)尺寸單位：m名稱(chēng)(m)(m)K(m)R(m)座環(huán)參數(shù)9.3580.1750.5蝶形邊半徑固定導(dǎo)葉外切圓半徑進(jìn)口斷面中心到水輪機(jī)軸的距離式中:h=0.1D+/2=1.15m。蝸殼系數(shù)蝸殼中心線(xiàn)的長(zhǎng)度(為345度，而360為2。故其為1.92）蝸殼當(dāng)量管的長(zhǎng)度②計(jì)算蝸殼當(dāng)量管的面積參數(shù)參數(shù)參數(shù)參數(shù)=7.47參數(shù)蝸殼當(dāng)量管的面積③計(jì)算蝸殼的平均流速由得因此，（3）壓力水管的和①壓力水管長(zhǎng)度由已知數(shù)據(jù)知壓力水管長(zhǎng)度L=200m②計(jì)算壓力水管的面積由《水輪機(jī)原理選型設(shè)計(jì)》知：轉(zhuǎn)輪直徑D1為6m，壓力鋼管直徑取6.5m。則=33.18③計(jì)算壓力水管的平均流速由得因此，1.4.2、水流慣性時(shí)間常數(shù)從進(jìn)口水流斷面至水輪機(jī)中心，三臺(tái)機(jī)組的一樣大，故只計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算分叉管的表6計(jì)算成果表長(zhǎng)度面積流量流速壓力水管20033.182808.441688蝸殼21.2692804.0686.1尾水管30.5952.742805.3162.13由《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》水力機(jī)械P210式5-8：s.1.4.3、機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)①估算(一般只考慮發(fā)電機(jī)的飛輪力矩）查《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》（水力機(jī)械）P165頁(yè)圖3-29：=460000②計(jì)算根據(jù)《水輪機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)》P228頁(yè)式7-30：s。1.4.4、水擊波速①計(jì)算管壁厚度根據(jù)《水輪機(jī)機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)》（水力機(jī)械）P208：對(duì)薄壁鋼管厚度的要求，薄壁鋼管的計(jì)算厚度等于管壁的真實(shí)厚度，通常在～的范圍內(nèi)，取，有②計(jì)算水擊波速根據(jù)《水輪機(jī)機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)》（水力機(jī)械）P207頁(yè)式5-1：取，，得取1.5、初選導(dǎo)葉直線(xiàn)關(guān)閉時(shí)間1.5.1、按蝸殼允許的最大暫態(tài)壓力值計(jì)算發(fā)生末相水擊的最小關(guān)閉時(shí)間①計(jì)算按蝸殼允許的最大暫態(tài)壓力值取，則②計(jì)算最小關(guān)閉時(shí)間s1.5.2、按允許的機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升值計(jì)算發(fā)生末相水擊時(shí)的最大關(guān)閉時(shí)間①計(jì)算允許的機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升值，取=0.55②計(jì)算最大關(guān)閉時(shí)間根據(jù)、的計(jì)算結(jié)果，可初選、、、、13s。1.6、判斷水擊類(lèi)型可參考《小型水電站》（水力機(jī)械）P240頁(yè)例題6-1以及《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》（水力機(jī)械）P213頁(yè)阿列維公式進(jìn)行計(jì)算。1.6.1、計(jì)算壓力輸水管的平均流速1.6.2、壓力上升值計(jì)算確定壓力水管特性系數(shù)確定水管特性系數(shù)確定水擊相長(zhǎng)由于采用的導(dǎo)葉直線(xiàn)關(guān)閉時(shí)間均大于，發(fā)生間接水擊。對(duì)于甩全負(fù)荷，則，故最大水擊出現(xiàn)在末相。1.7、進(jìn)行水擊計(jì)算可參考《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》（水力機(jī)械）P213頁(yè)系列公式1.7.1、初選，則水管特性系數(shù)引水管道內(nèi)壓力升高率引水管道內(nèi)壓力升高率的修正值蝸殼內(nèi)壓力上升率蝸殼內(nèi)壓力上升值尾水管內(nèi)的壓力降低率尾水管內(nèi)的壓力降低值出現(xiàn)壓力降低時(shí)尾水管的真空值1.7.2、初選，則管特性系數(shù)引水管道內(nèi)壓力升高率引水管道內(nèi)壓力升高率的修正值蝸殼內(nèi)壓力上升率蝸殼內(nèi)壓力上升值尾水管內(nèi)的壓力降低率尾水管內(nèi)的壓力降低值出現(xiàn)壓力降低時(shí)尾水管的真空值1.7.3、初選，則管特性系數(shù)引水管道內(nèi)壓力升高率引水管道內(nèi)壓力升高率的修正值蝸殼內(nèi)壓力上升率蝸殼內(nèi)壓力上升值尾水管內(nèi)的壓力降低率尾水管內(nèi)的壓力降低值出現(xiàn)壓力降低時(shí)尾水管的真空值1.7.4、初選，則管特性系數(shù)引水管道內(nèi)壓力升高率引水管道內(nèi)壓力升高率的修正值蝸殼內(nèi)壓力上升率蝸殼內(nèi)壓力上升值尾水管內(nèi)的壓力降低率尾水管內(nèi)的壓力降低值出現(xiàn)壓力降低時(shí)尾水管的真空值1.7.5、初選，則管特性系數(shù)引水管道內(nèi)壓力升高率引水管道內(nèi)壓力升高率的修正值蝸殼內(nèi)壓力上升率蝸殼內(nèi)壓力上升值尾水管內(nèi)的壓力降低率尾水管內(nèi)的壓力降低值出現(xiàn)壓力降低時(shí)尾水管的真空值列出計(jì)算結(jié)果如下：表7壓力上升（或下降）值計(jì)算成果表蝸殼內(nèi)壓力上升尾水管壓力下降90.25780.29310.35180.322321.59410.02911.97425.9880100.23200.26050.31260.286419.19040.02601.74205.7560110.21090.23430.28120.257717.26210.02351.57765.5917120.19330.21290.25550.2234115.68500.02131.42715.4412130.17850.19510.23410.214514.37150.01961.31335.32741.8、計(jì)算最大轉(zhuǎn)速上升率可參考《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》（水力機(jī)械）P220頁(yè)系列公式接力器不動(dòng)時(shí)間機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)s。參數(shù)式中：，查飛逸特性曲線(xiàn)：=155rpm。1.8.1、初選，則由，解得1.8.2、初選，則由，解得1.8.3、初選，則由，解得1.8.4、初選，則由，解得1.8.5、初選，則由，解得列出計(jì)算結(jié)果如下：表8轉(zhuǎn)速上升值計(jì)算成果表C91.25788.410.56620.62910.38350.4219101.23208.410.60370.61390.40180.4420111.21098.410.64040.59990.41920.4611121.19338.410.67600.58680.43590.4795131.19338.410.71130.57440.42810.4709初步選，此時(shí)。1.9、綜合比較選定1.9.1、計(jì)算最大水頭下的流量1.9.2、計(jì)算平均流速由前面計(jì)算得到的數(shù)據(jù)如下：表9計(jì)算成果表長(zhǎng)度面積流量流速壓力水管20033.182808.441688蝸殼21.2692804.0686.1尾水管30.5952.742805.3162.131.9.3、水流慣性時(shí)間常數(shù)1.9.4、確定在最大水頭下相應(yīng)的直線(xiàn)關(guān)閉時(shí)間式中：——最大水頭下導(dǎo)葉開(kāi)度；——查HL240/D41模型綜合特性曲線(xiàn)，飛逸轉(zhuǎn)速下的導(dǎo)葉開(kāi)度1.9.5、確定管道特性參數(shù)1.9.6、壓力上升計(jì)算查《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》P213頁(yè)阿列維公式，由則，知最大水擊壓力發(fā)生在末相：由于1.5.1知，，＜，故此關(guān)閉規(guī)律符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。由此選，由表8知，此時(shí)，=101.47m。2調(diào)節(jié)設(shè)備選型一、調(diào)速器的計(jì)算查《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》P253頁(yè)中小型反擊式水輪機(jī)調(diào)節(jié)功的計(jì)算～～＞根據(jù)《水