1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)水輪機(jī)選型大作業(yè)指導(dǎo)老師：程永光水輪機(jī)選型大作業(yè)指導(dǎo)老師：程永光姓名：陳健華 班級：水電五班學(xué)號：19目錄姓名：陳健華 班級：水電五班學(xué)號：19 TOC o 1-4 h z u 一基本資料及任務(wù)某壩后式電站，總裝機(jī)容重為120MW，初擬裝四臺機(jī)組，電站最大水頭Hmax=140m，最小水頭Hmin=100m，加權(quán)平均水頭Hav=116m，計(jì)算水頭Hr110m，下游水位-流量曲線如下表所列：表 SEQ 表 * ARABIC 1 下游水位-流量關(guān)系 要求：（l）確定水輪機(jī)類型

2、及裝置方式；（2）確定水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D1及轉(zhuǎn)速n，校核水輪機(jī)的工作范圍和計(jì)算水頭下的額定出力；（3）計(jì)算在設(shè)計(jì)水頭下，機(jī)組發(fā)出額定出力時(shí)的允許吸出高Hs，并算出此時(shí)水輪機(jī)的安裝高程。問此工況是否是氣蝕最危險(xiǎn)工況？為什么？ （4）采用圓形斷面的金屬蝸殼，最大包角max345，導(dǎo)水葉高度b0=0.224D1。請計(jì)算蝸殼及尾水管輪廓尺寸。并用CAD繪出蝸殼、尾水管單線圖。（5）將模型綜合特性曲線轉(zhuǎn)換成原型運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線。 本題是一個(gè)水輪機(jī)選型的綜合題，本題的任務(wù)要求有：選擇水輪機(jī)的臺數(shù)和單機(jī)容量；選擇水輪機(jī)的牌號、型號及裝置方式；確定水輪機(jī)的直徑、轉(zhuǎn)速、吸出高及安裝高程；確定蝸殼及尾水管尺寸；繪制

3、水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線；選型設(shè)計(jì)已經(jīng)收集的基本資料：水能規(guī)劃資料裝機(jī)容量：總裝機(jī)容量為120MW,初擬四臺機(jī)組；各種代表水頭：Hmax=140m, Hmin=100m, Hav=116m, Hr110m；下游水位與流量關(guān)系曲線（表1）。水輪機(jī)產(chǎn)品技術(shù)資料水輪機(jī)的系列型譜：附件中包括輪系的水頭適用范圍、最優(yōu)工況和限制工況下的單位轉(zhuǎn)速、單位流量和模型汽蝕系數(shù)。同步轉(zhuǎn)速n：機(jī)組的同步轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)的磁極對數(shù)有關(guān)，磁極對數(shù)只能是一對一對的，在選擇水輪機(jī)轉(zhuǎn)速是必須套用同步轉(zhuǎn)速。n=3000/p(r/min)。某一輪系的模型綜合特性曲線（包括飛逸特性曲線）。二水輪機(jī)比較與選擇2.1 水輪機(jī)型號初選在水輪機(jī)型

4、號選擇中，起主要作用的是水頭，每一種水輪機(jī)都有一定的水頭使用范圍。上限是由其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和氣蝕條件決定的，一般不允許超出。而下限是由經(jīng)濟(jì)條件決定的。Hmax不能超過該輪系的適用水頭的上限；Hav、Hr在適用水頭范圍之內(nèi)。若兩種型號都適用，則需要進(jìn)行對比分析和計(jì)算。問題條件中已經(jīng)給出了電站的最大水頭Hmax=140m，最小水頭Hmin=100m，加權(quán)平均水頭Hav=116m，計(jì)算水頭H110m。于是，可以根據(jù)水頭數(shù)據(jù)參考水輪機(jī)的系列型譜選擇水輪機(jī)類型。查中小型混流式、軸流式水輪機(jī)模型參數(shù)表有多種選擇方案，為了便于比較分析本文初步選擇水輪機(jī)型號為A253-46和A502-35。兩種機(jī)型均為混流型，裝置

5、方式采用立軸布置。2.2水輪機(jī)比較2.2.1混流A253-46型水輪機(jī)1轉(zhuǎn)輪直徑D1的計(jì)算由公式可得到D1的計(jì)算公式為：(公式1)注意幾個(gè)參數(shù)的取值：N取水輪機(jī)額定出力Nr，是發(fā)電機(jī)的額定出力（機(jī)組容量）；是發(fā)電機(jī)效率，查資料可取為96%；所以求得Nr=31.25MW。H取設(shè)計(jì)水頭Hr=110m。取限制工況下的單位流量，查型譜表得=0.805m3/s, =88.6%。效率，這一步需要試算，初步估計(jì)，則。由以上參數(shù)可以計(jì)算出D1=1.95m，對照標(biāo)準(zhǔn)直徑去定D1；通常是選用相近而偏大的標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便使水輪機(jī)有一定的富裕容量。所以選擇D1=2.0m。2. 轉(zhuǎn)速的計(jì)算水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為：（公式2

6、）參數(shù)取值：已知D1=2.0m。H取Hav=116m；即在運(yùn)行過程中出現(xiàn)最多的水頭。選用原型最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速；初步假定= 63(r/min)，為模型的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速。由以上參數(shù)，計(jì)算出n=339.3(r/min)，按照標(biāo)準(zhǔn)選取轉(zhuǎn)速，選取與之相近且偏大的同步轉(zhuǎn)速333.3(r/min)，p=9。3. 效率及單位參數(shù)修正查表可得A253-46型水輪機(jī)在最優(yōu)工況下的模型最高效率為，模型轉(zhuǎn)輪直徑為D1M=0.46m，原型效率（公式3）于是，求得，效率修正值為=2%?？紤]到模型與原型水輪機(jī)在制造工藝質(zhì)量上的差異，常在已求得的值中再減去一個(gè)修正值?，F(xiàn)在取，則可得到效率修正值為，由此可得原型水輪機(jī)在最優(yōu)工況和限制

7、工況下的效率為（與上述假設(shè)相同）單位轉(zhuǎn)速的修正值按下式計(jì)算：（公式4-1）則：（公式4-2）由于，按規(guī)定單位轉(zhuǎn)速可不加修正，同時(shí)，單位流量也可以不加修正。由上可見，原先假定的是正確的，所以上述計(jì)算及選用的結(jié)果D1=2.0m、n=333.3r/min也是正確的。4. 工作范圍檢驗(yàn)在選定D1=2.0m、n=333.3r/min后，水輪機(jī)的及各特征水頭相對應(yīng)的即可計(jì)算出來。水輪機(jī)在Hr、Nr下工作時(shí)，其，故（公式5）則水輪機(jī)的最大引用流量為（公式6）與特征水頭Hmax、Hmin、和Hr相對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速為 （公式7）在A253-46型水輪機(jī)模型綜合特性曲線圖上分別繪出、， 的直線，如圖1所示。由圖可見

8、，有這三根直線所圍成的水輪機(jī)工作范圍（圖中陰影部分）基本上包含了該特性曲線的高效率區(qū)。所以對于A253-46型水輪機(jī)方案，所選定的參數(shù)D1=2.0m、n=333.3r/min是合理的。圖 SEQ 圖 * ARABIC 1 A253-46型水輪機(jī)的工作范圍檢驗(yàn)5. 吸出高度Hs和安裝高程Zs計(jì)算由水輪機(jī)的設(shè)計(jì)工況參數(shù)，在圖1上可查得相應(yīng)的氣蝕系數(shù)約為，并在水電站圖2-26查得氣蝕系數(shù)的修正值約為，由此可求出水輪機(jī)的吸出高度為（8）其中是水輪機(jī)安裝位置的海拔高程，在初始計(jì)算時(shí)可取為下游平均水位的海拔高程，即，帶入公式求得Hs=2.566（m）。即轉(zhuǎn)輪中壓力最低點(diǎn)在下游水面2.566m以上，水輪機(jī)安

9、裝位置合理，可見A253-46型水輪機(jī)方案的吸出高度滿足電站要求。安裝高程按照公式（9）其中為設(shè)計(jì)尾水位。設(shè)計(jì)流量，查下游水位-流量曲線表得設(shè)計(jì)尾水位=452.8m，而bo=0.25D1=0.5m，于是求得Zs=452.8+0.5+2.566=455.87m。由模型綜合特性曲線知，圖上還有更高的氣蝕工況，比設(shè)計(jì)工況時(shí)的氣蝕系數(shù)大，因此該工況不是氣蝕最危險(xiǎn)工況。2.2.2混流A502-35型水輪機(jī)與混流A253-46型水輪機(jī)的參數(shù)選擇一樣，本文從以下4個(gè)方面進(jìn)行分析研究。轉(zhuǎn)輪直徑D1計(jì)算查中小型混流式、軸流式水輪機(jī)模型參數(shù)表可得A502-35型水輪機(jī)在限制工況下的單位流量，效率，由此可初步假定原

10、型水輪機(jī)在該工況下的單位流量，效率。上述的、和，代入公式（1）中可得，選用與之接近而偏大的標(biāo)稱直徑。轉(zhuǎn)速n計(jì)算查參數(shù)表可得A502-35型水輪機(jī)在最優(yōu)工況下單位轉(zhuǎn)速，初步假定，將已知的和,代入式（2）可得，選用與之接近的同步轉(zhuǎn)速。效率及單位參數(shù)的修正查參數(shù)表可得A502-35型水輪機(jī)在最優(yōu)工況下的模型最高效率為，模型轉(zhuǎn)輪直徑為，根據(jù)式（3），可求得原型效率，則效率修正值?？紤]模型與原型水輪機(jī)在制造工藝質(zhì)量上的差異，常在求得的值中減去一個(gè)修正值?，F(xiàn)在取，則可得效率修正值為，由此可得原型 水輪機(jī)在最優(yōu)工況和限制工況下的效率為（與上面假設(shè)值相同）單位轉(zhuǎn)速的修正值按公式（4）計(jì)算，則按照規(guī)定單位轉(zhuǎn)速可

11、以不加修正。同時(shí)，單位流量也可不加修正。由以上可見，原假定的，是正確的，那么上述計(jì)算的結(jié)果，也是正確的。共作范圍的檢驗(yàn)在選定，后，水輪機(jī)的及各特征水頭相對應(yīng)的即可以計(jì)算出來。水輪機(jī)在Hr、Nr下工作時(shí)，其，故由式（5）求解得到則水輪機(jī)的最大引用流量由式（6）有：與特征水頭Hmax、Hmin、和Hr相對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速為在A502-35型水輪機(jī)模型綜合特性曲線圖上分別繪出、和的直線，如圖2所示。由圖可見，有這三根直線所圍成的水輪機(jī)工作范圍（圖中陰影部分）基本上包含了該特性曲線的高效率區(qū)。所以對于A502-35型水輪機(jī)方案，所選定的參數(shù)D1=2.0m、n=333.3r/min是合理的。圖 2 A502

12、-35型水輪機(jī)的工作范圍檢驗(yàn)5. 吸出高度Hs和安裝高程計(jì)算由水輪機(jī)的設(shè)計(jì)工況參數(shù)，在圖2上可查得相應(yīng)的氣蝕系數(shù)約為，并在水電站圖2-26查得氣蝕系數(shù)的修正值約為，水輪機(jī)安裝位置海拔高程，由水輪機(jī)的吸出高度公式（8）計(jì)算求解得。即轉(zhuǎn)輪中壓力最低點(diǎn)在下游平均水面以下1.064m，水輪機(jī)安裝位置合理，可見A253-46型水輪機(jī)方案的吸出高度滿足電站要求。安裝高程按照公式（9），設(shè)計(jì)流量，查下游水位-流量曲線表得設(shè)計(jì)尾水位，而，于是求得。由模型綜合特性曲線知，圖上還有更高的氣蝕工況，比設(shè)計(jì)工況時(shí)的氣蝕系數(shù)大，因此該工況不是氣蝕最危險(xiǎn)工況。2.2.3 兩種方案的比較分析為了便于比較分析，現(xiàn)將這兩種方案

13、的有關(guān)參數(shù)列入表2中。序號項(xiàng)目A253-46A502-351模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)推薦使用水頭范圍（m)1401402最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n10(r/min)63623最優(yōu)單位流量Q10(L/s)6556454最高效率Mmax(%)9292.75氣蝕系數(shù)0.0630.0786原型水輪機(jī)參數(shù)工作水頭范圍（m）100-140100-1407轉(zhuǎn)輪直徑D1(m)2.0 2.0 8轉(zhuǎn)速n(r/min)333.3333.39最高效率max(%)93.494.710額定出力Nr(kw)312503125011最大應(yīng)用流量Qmax(m3/s)31.2832.5412吸出高Hs(m)2.566-1.064表 SEQ 表 * AR

14、ABIC 2水輪機(jī)方案參數(shù)對照表由表2可見，兩種機(jī)型方案的水輪機(jī)直徑D1相同，均為2.0m。但A253-46型水輪機(jī)方案的工作范圍包含了較多的高效率區(qū)域，運(yùn)行效率較高，氣蝕系數(shù)較小，安裝高程較高，有利于提高年發(fā)電量和減小電站廠房的開挖工程量，所以在制造供貨方面沒有問題時(shí)，初步選擇A253-46型方案較為有利。2.3 主要結(jié)論經(jīng)過初選與比較最終選擇的水輪機(jī)類型為A253-46型，裝置方式采用軸立混流式。水輪機(jī)直徑D1=2.0m，轉(zhuǎn)速n=333.3r/min，水輪機(jī)的工作范圍100m-140m，計(jì)算水頭下的額定出力。在設(shè)計(jì)水頭Hr110m下，機(jī)組發(fā)出的額定出力時(shí)的允許吸出高Hs=2.566m，水輪

15、機(jī)安裝高程為Zs=455.87m，此工況不是氣蝕最危險(xiǎn)工況。三 蝸殼及尾水管尺寸計(jì)算采用圓形斷面的金屬蝸殼，最大包角max345，導(dǎo)水葉高度b0=0.224D1。請計(jì)算蝸殼及尾水管輪廓尺寸。并用CAD繪出蝸殼、尾水管單線圖。3.1蝸殼斷面尺寸計(jì)算蝸殼各斷面尺寸根據(jù)沿流各斷面流速相等條件計(jì)算。水流進(jìn)入座環(huán)時(shí)，按照均勻?qū)ΨQ如流的要求。徑向流速分量應(yīng)等于常數(shù)，既有（公式10）其中為座環(huán)外徑，查規(guī)范得到可取，座環(huán)內(nèi)徑；為導(dǎo)葉高度，由題中b0=0.224D1=0.448m； 圓周速度分量徑向變化規(guī)律有兩種假設(shè)假設(shè)任一斷面上沿徑向各點(diǎn)的水流速度矩等于常數(shù)，即；假設(shè)任一斷面上沿徑向各點(diǎn)的水流圓周分速度等于常

16、數(shù)，即。前一種假定對滿足蝸殼均勻、軸對稱進(jìn)水好一些；后一種假定使得蝸殼尾部斷面尺寸較大，有利于減小水頭損失，并便于加工制作。本文為了計(jì)算方便，采用假設(shè)（b），由各斷面流速相等條件，得到各斷面流速：（包角從鼻端起算，如圖3所示）（11）圖 SEQ 圖 * ARABIC 2 金屬蝸殼的平面單線圖于是得到蝸殼半徑計(jì)算公式：（12）設(shè)計(jì)水頭Hr=110m，查水電站教材，圖2-8蝸殼進(jìn)口斷面平均流速曲線，對金屬蝸殼可取上限值。蝸殼外包線（如圖4所示）計(jì)算公式： 圖 SEQ 圖 * ARABIC 3 金屬蝸殼外包線示意圖（13）其中，蝸殼計(jì)算所得數(shù)據(jù)如下表：表 SEQ 表 * ARABIC 3 蝸殼尺寸計(jì)

17、算成果表3.2 尾水管選型及計(jì)算3.2.1尾水管選型尾水管的型式很多，目前最常用的有三種：直錐形、彎錐形和彎肘形。他們的特點(diǎn)如下：直錐形尾水管結(jié)構(gòu)簡單，性能最好（可達(dá)80%-85%），但其下部開挖工程量最大，因此一般應(yīng)用于小型水輪機(jī)。彎錐形尾水管比直錐形尾水管對了一段圓形等直徑的彎管，它是常用于小型臥式水輪機(jī)中的一種尾水管，由于其轉(zhuǎn)彎段水力損失較大，所以其性能較差，約為40%-60%。彎肘形尾水管不但可以減小尾水管的開挖深度，而且具有良好的水力性能，可達(dá)75%-80%，除貫流式機(jī)組外幾乎所有的大中型水輪機(jī)均采用這種型式的尾水管。因此，本文中尾水管型式選用彎肘形尾水管。它由進(jìn)口直錐段、中間肘管段

18、和出口擴(kuò)散段三部分組成。3.2.2尾水管尺寸計(jì)算對混流式水輪機(jī)的尾水管（圖），在一般情況下，其尺寸可以根據(jù)水電站教材表2-1及相關(guān)參考數(shù)據(jù)：推薦的尾水管尺寸表確定，由于水輪機(jī)屬于高水頭水輪機(jī)（D1D2），。尾水管的水平長度。尾水管的水平長度L是指機(jī)組中心線到尾水管出口斷面的距離，通常取。L=9.0（m）3.3蝸殼和尾水管的單線圖的繪制通過以上計(jì)算確定蝸殼和尾水管尺寸后，用CAD繪制的單線圖如下：圖 SEQ 圖 * ARABIC 5 A253-46型水輪機(jī)蝸殼、尾水管單線圖四原型運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線的繪制4.1等水頭線的繪制給定某一水頭，對應(yīng)綜合特性上的一條橫線，該橫線與效率等高線相交，形成一系列交

19、點(diǎn)，算出對應(yīng)的原型出力，可以作出等水頭曲線，即繪出對應(yīng)每個(gè)H值的效率特性曲線。A235-46型水輪機(jī)等水頭曲線計(jì)算表格見表5，用到的公式有：如下表，分別列出了不通水頭對應(yīng)的不通單位轉(zhuǎn)速下的出力效率曲線（等水頭線）的數(shù)據(jù)。 表 5 A235-46型水輪機(jī)等水頭曲線計(jì)算成果表畫出的等水頭線如下：圖 SEQ 圖 * ARABIC 6 等水頭曲線 4.2 等效率線的繪制在等水頭曲線上作出某一效率值的水平線，它與圖中的各等H線相交，讀出所有交點(diǎn)的H、N值，并將其點(diǎn)繪制在HN坐標(biāo)圖上，把它們連成光滑曲線，就得到了該效率值的等效率值，整理出數(shù)據(jù)表格如表6所示，用excel畫圖，作出等效率線如圖8，表 6 等

20、效率線上的N、H值求解表格圖 SEQ 圖 * ARABIC 7 等效率曲線圖 4.3出力限制線的繪制出力限制線表示水輪機(jī)在不同水頭下實(shí)際允許發(fā)出的最大出力。由于水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)配套運(yùn)行，所以水輪機(jī)最大出力收到發(fā)電機(jī)額定出力和水輪機(jī)5%出力儲備線的雙重限制。發(fā)電機(jī)額定出力的限制記為水輪機(jī)額定出力的，因此在運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線圖上，時(shí)的出力限制線為的一段垂直線，如圖9所示，由于是水輪機(jī)發(fā)出額定出力的最小水頭，所以時(shí)，水輪機(jī)出力受5%出力儲備線額限制。在相應(yīng)的模型綜合特性曲線圖中的5%出力儲備線上找出相應(yīng)于的工況點(diǎn)，然后求出對應(yīng)的。在圖9中把、與、點(diǎn)連成直線，得到時(shí)的出力限制線。圖 8 出力限制線4.4等吸出高度線的繪制繪出各水頭下的輔助曲線，運(yùn)用excel繪制曲線如圖10所示。圖 9 輔助曲線圖各水頭下的值，并在相應(yīng)的模型綜合特性曲線上查出水平線與各等氣蝕系數(shù)線的所有交點(diǎn)坐標(biāo)、值。在輔助曲線上相應(yīng)于上述各的值，填入表6。利用公式計(jì)算出相應(yīng)于上述各的Hs值，計(jì)算結(jié)果見表7。H=140,nm=56.34(r/min)Q1NHs0.04710422000.0161.65