水电站大作业Word下载.doc

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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

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Hr＝110m，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φmax＝345°

，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。

Ø

本题是一个水轮机选型的综合题，本题的任务要求有：

l选择水轮机的台数和单机容量；

l选择水轮机的牌号、型号及装置方式；

l确定水轮机的直径、转速、吸出高及安装高程；

l确定蜗壳及尾水管尺寸；

l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

l装机容量：

总装机容量为120MW,初拟四台机组；

l各种代表水头：

Hmax=140m,Hmin=100m,Hav=116m,Hr＝110m；

l下游水位与流量关系曲线（表1）。

（2）水轮机产品技术资料

l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。

l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）。

l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

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H＝110m。

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D1的计算

由公式可得到D1的计算公式为：

（公式1）

注意几个参数的取值：

lN取水轮机额定出力Nr，，是发电机的额定出力（机组容量）；

是发电机效率，查资料可取为96%；

所以求得Nr=31.25MW。

lH取设计水头Hr=110m。

l取限制工况下的单位流量，查型谱表得=0.805m3/s,=88.6%。

l效率，这一步需要试算，初步估计，则。

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

水轮机转速的计算公式为：

（公式2）

参数取值：

l已知D1=2.0m。

lH取Hav=116m；

即在运行过程中出现最多的水头。

l选用原型最优单位转速；

初步假定=63（r/min），为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

查表可得A253-46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D1M=0.46m，原型效率

（公式3）

于是，求得，效率修正值为=2%。

考虑到模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，由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为

（与上述假设相同）

单位转速的修正值按下式计算：

（公式4-1）

则：

（公式4-2）

由于，按规定单位转速可不加修正，同时，单位流量也可以不加修正。

由上可见，原先假定的是正确的，所以上述计算及选用的结果D1=2.0m、n=333.3r/min也是正确的。

4.工作范围检验

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即可计算出来。

水轮机在Hr、Nr下工作时，其，故

（公式5）

则水轮机的最大引用流量为

（公式6）

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、

，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。

图1A253-46型水轮机的工作范围检验

5.吸出高度Hs和安装高程Zs计算

由水轮机的设计工况参数，，，在图1上可查得相应的气蚀系数约为，并在《水电站》图2-26查得气蚀系数的修正值约为，由此可求出水轮机的吸出高度为

（8）

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

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

（9）

其中为设计尾水位。

设计流量，查下游水位-流量曲线表得设计尾水位=452.8m，而bo=0.25D1=0.5m，于是求得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，比设计工况时的气蚀系数大，因此该工况不是气蚀最危险工况。

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D1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，由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量，效率。

上述的、、和，代入公式

（1）中可得，选用与之接近而偏大的标称直径。

2.转速n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,代入式

（2）可得，选用与之接近的同步转速。

3.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，则效率修正值。

考虑模型与原型水轮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限制工况下的效率为

（与上面假设值相同）

单位转速的修正值按公式（4）计算，则

按照规定单位转速可以不加修正。

同时，单位流量也可不加修正。

由以上可见，原假定的，，是正确的，那么上述计算的结果，也是正确的。

4.共作范围的检验

在选定，后，水轮机的及各特征水头相对应的即可以计算出来。

水轮机在Hr、Nr下工作时，其，故由式（5）求解得到

则水轮机的最大引用流量由式（6）有：

在A502-35型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出、和的直线，如图2所示。

所以对于A502-35型水轮机方案，所选定的参数D1=2.0m、n=333.3r/min是合理的。

图2A502-35型水轮机的工作范围检验

5.吸出高度Hs和安装高程计算

由水轮机的设计工况参数，，，在图2上可查得相应的气蚀系数约为，并在《水电站》图2-26查得气蚀系数的修正值约为，水轮机安装位置海拔高程，由水轮机的吸出高度公式（8）计算求解得。

即转轮中压力最低点在下游平均水面以下1.064m，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（9），设计流量，查下游水位-流量曲线表得设计尾水位，而，于是求得。

2.2.3两种方案的比较分析

为了便于比较分析，现将这两种方案的有关参数列入表2中。

序号

项目

A253-46

A502-35

1

模型转轮参数

推荐使用水头范围（m）

——140

2

最优单位转速n`10（r/min）

63

62

3

最优单位流量Q`10（L/s）

655

645

4

最高效率ηMmax（%）

92

92.7

5

气蚀系数б

0.063

0.078

6

原型水轮机参数

工作水头范围（m）

100-140

7

转轮直径D1（m）

2.0

8

转速n（r/min）

333.3

9

最高效率ηmax（%）

93.4

94.7

10

额定出力Nr（kw）

31250

11

最大应用流量Qmax（m3/s）

31.28

32.54

12

吸出高Hs（m）

2.566

-1.064

表2水轮机方案参数对照表

由表2可见，两种机型方案的水轮机直径D1相同，均为2.0m。

但A253-46型水轮机方案的工作范围包含了较多的高效率区域，运行效率较高，气蚀系数较小，安装高程较高，有利于提高年发电量和减小电站厂房的开挖工程量，所以在制造供货方面没有问题时，初步选择A253-46型方案较为有利。

2.3主要结论

u经过初选与比较最终选择的水轮机类型为A253-46型，装置方式采用轴立混流式。

u水轮机直径D1=2.0m，转速n=333.3r/min，水轮机的工作范围100m-140m，计算水头下的额定出力。

u在设计水头Hr＝110m下，机组发出的额定出力时的允许吸出高Hs=2.566m，水轮机安装高程为Zs=455.87m，此工况不是气蚀最危险工况。

三．蜗壳及尾水管尺寸计算

采