水轮机选择(经典)
第四章 水轮机选择
§4.1 水轮机的标准系列
由于各开发河段的水力资源和开发利用的情况不同,水电站的工作水头和引用流量范围也不同,为了使水电站经济安全和高效率的运行,就必须有很多类型和型式的水轮机来适应各种水电站的要求。
一、反击式水轮机的系列型谱
表4—1、4—2、4—3、4—4中给出了轴流式、混流式水轮机转轮的参数。 1) 、水轮机的使用型号规定一律采用统一的比转速代号。
2) 、每一种型号水轮机规定了适用水头范围。水头上限是根据该型水轮机的强度和汽蚀条件限制的,原则上不允许超过;下限主要是考虑到使水轮机的运行效率不至于过低。
二、水斗式水轮机转轮参数
表4—5,系列型谱尚未形成
三、水轮机转轮尺寸系列表(表4—6) 四、水轮发电机标准同步转速(表4—7) 五、水轮机系列应用范围图
以H 为横座标,N 单为纵座标绘制某一系列水轮机应用范围。 1、根据H r 、N r → 范围→D 1,n 。
2、水轮机吸出高度的确定H s :根据h s ~H 的关系曲线确定。 由H r → h s ,H s = h s -▽/900
§4.2水轮机的选择
一、水轮机选择的意义、原则、内容
1、意义
水轮机是水电站中最主要动力设备之一,影响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益,因此根据H 、N 的范围选择水轮机是水电站中主要设计任务之一,使水电站充分利用水能,安全可靠运行。
2、原则
(1)、充分考虑电站特点(水文水能、电力系统技术条件,电站总体布置) 。 (2)、有利于降低电站投资、运行费、缩短工期,提前发电 (3)、提高水电站总效率,多发电
(4)、便于管理、检修、维护,运行安全可靠,设备经久耐用 (5)、优先考虑套用机组 3、内容
(1)、确定机组台数及单机容量 (2)、选择水轮机型式(型号)
(3)、确定水轮机转轮直径D 1、n 、H s 、Z a ;Z 0、d 0 (4)、绘制水轮机运转特性曲线
(5)、估算水轮机的外形尺寸、重量及价格、蜗壳、尾水管的形式、尺寸、
调速器及油压装置选择
(6)、根据选定水轮机方面的要求,拟定并向厂家提出制造任务书,最终由双方共同商定机组的技术条件,作为进一步设计的依据。 4、有关资料
(1)、水轮机产品技术资料:
系列型谱、生产厂家、产品目录、模型综合特性曲线。 (2)、水电站技术资料:
河流梯级开发方案、水库的调节性能、水电站布置方案、地形、地质、水质、泥沙情况、总装机容量、水电站运输、安装技术条件。 (3)、水文情况:
特征流量及特征水头(Qmax、Qmin 、Qav 、Hmax 、Hmin 、Hr 、Hav) 、下游水位流量关系曲线
(4)、水电站有关经济资料:机电设备价格、工程单价、年运行费等
二、机组台数及单机容量的选择
已知总装机容量(=Z0×N 单) ,N 单不同,D 1、n 、Hs 、η均不同 1、机组台数与机电设备制造的关系
N 总一定,Z 0多→N 单↓→尺寸(D 1)小→制造运输容易→造价高(单位千瓦耗材多、制造量大) 。
所以一般选用较大的N 单。 2、机组台数与电站投资的关系
Z 0多→单位千瓦投资↑→阀门、调速、管道、辐设、电气等增加→厂房尺寸增加。
N 单↓→D 1↓→尾水管高度低→开挖少→投资少
3、机组台数与运行效率的关系 Z 0多→平均效率提高
(1) 担任基荷时:出力变化小,流量变化稳定,可用较少的台数,使水轮机在较长时间内以最优工况运行,其平均效率也比较高。
(2) 担任峰荷时:出力变化幅度大,应该选用较多的台数,以增加其运行灵活性,提高整体运行效率。
(3) 对于轴流定浆和混流式水轮机,可以选用较多的台数,而对于轴流转浆式水轮机因其调节性能好,可以选用较少的机组。
4、机组台数与电站运行维护工作的关系
台数多,运行灵活,事故影响小,但同时增加了事故的几率,也增加了管理人员、提高了运行费,所以不宜采用过多的台数。
总之,一般应采用较大的N 单,较少的台数,但一般至少应选2台,少数情况下可选1台。中大型电站一般选4~6台,根据机组的制造水平和装机容量也可以选用更多的台数,如葛洲坝共21台,装机271.5万千瓦,正在修建的三峡水电站装机26×70=1820万千瓦。
三、水轮机型号确定
依据:N 单,特征水头(Hmax 、H min 、H av 、H r ) 1 根据水轮机系列型谱选择
型号的选择主要取决于水头。各种水轮机都有一定的使用范围,根据电站运行水头的范围,直接查系列型谱,确定水轮机的型号。如果两种型号均可采用,应进行方案比较。 2 采用套用机组
根据目前国内设计、施工和运行的电站资料,在特征水头相近、N
单
适当,
经济技术指标相近时,有限套用已经生产国的机组,这样可以节省设计时间、尽早供货、提前发电。
四、反击式水轮机主要参数的确定
确定了水轮机的型号后,再计算水轮机的主要参数:转轮直径D 1,转速n 、吸出高H s ,D 1、n 应该满足:在H r 下,发出N r ;在H av 时,η最高。吸出高H s 应满足:防止水轮机汽蚀,开挖深度合理。
(一) 、按综合特性曲线选择
1、D 1的确定
'D 12H r H r η (kW)
N r =9. 81Q 1
D 1(m) (4-4)
(1)、N r (水轮机额定出力) N r = Nf /ηf N f —发电机额定出力(机组容量),η
f =0.95~0.98
f
—— 发电机的效率,大中型:η
(2)、Q 1':在N= Nr 时,取限制工况下的Q 1'(查附表1-2) ,并查出限制工况的η
M 。
HL 水轮机由5%出力限制线得到,轴流式由汽蚀条件得到,或限制H S
反推ζz ,以防止开挖过多。
ζz 为水轮机装置的汽蚀系数。
∇10--[H s ]σz =
H (3)、取H=Hr 计算。
若取H=Hmax 进行计算,则求出的D 1太小,除H=Hmax 以外,均不能发
出N r 。
若取H=Hmin 进行计算,则求出的D 1太大,增加设备投资,不经济。 (4)、η:原型水轮机再现职工况下的效率,在D 1未确定时,不能得出确切的η。
一般先取η=η2、η的修正计算
求得D 1后,再查附表1-2,得出η
△ η=η
max -ηMmax -ε
1-ε
Mmax ,换算得出ηmax 。2,ε
M +△η
(△η=2~3%),求得D 1后再修正。
1=1%~2%(表示工艺水平) ,ε
2=1%~3%(表示异形部件)
最后的出现职工况下的η=η新计算。 3、转速的选择
n =
'H n 1D 1
⇒n =
'H a n 10
D 1
M +△η,与假定相比,如出入太大,应重
'=n 10'M +∆n 1'。水头H=H。 ',n 10'用最优单位转速n 10n 1
a
转速n 随工况而变,要选育发电机转速相近的标准同步转速,见表4-7。 4、工作范围的验算
求出水轮机的参数D 1、n 后,在模型综合特性曲线上绘出水轮机的相似工作范围,检验是否包括了高效率区,以验证D 1、n 的合理性。
方法:根据N r 、D 1、H r 求出Q’1max ,由H max 、H min 、D 1、n 求出:n’1min 和n’1max ,在综合特性曲线上以Q’1max 、n’1min 和n’1max 作直线,此范围即为水轮机的相似工作范围。 5、H S 的计算 计算公式:
H s =10-
∇
-k σH r 900
水轮机方案确定后,根据水轮机运行条件、水电站的开挖情况等进行技术经济比较后确定。
(二) 、用系列应用范围图选参数
这种方法根据特征水头、单机容量查水轮机应用范围图选择参数,比较简单,但精度不够,多用于小型水电站的初步设计
(三) 、套用机组方法
根据特征水头、单机容量等选用已建成的相似电站的机组,我国采用较多。
五、水斗式水轮机的参数选择
水斗式水轮机的参数选择是在已知机组装置型式、转轮个数Z 、喷嘴个数d 0、喷嘴直径d n 、转轮直径D 1、转速n 、水斗数目Z 1。 1 转轮直径D 1
已知:N r ,H r ,Z P ,Z 0,则:
D 1=
N r
9. 81Q 1'Z P Z 0H r 3/2η
Q' 1——单转轮、单喷嘴在限制工况下的单位流量,查表4-5,P71。 η取η
M ,为限制工况的效率,查模型特性曲线。
2 射流直径d 0
d 0=0. 545
Q Z p Z 0H r
Q =
N r
9. 81H r η
取m=D1/d0,一般使m 保持在10~20之间。 3 喷嘴直径d n d n =(1. 15~1. 25) d 0 4 转速n
n =
'H a n 10
D 1
求出后,选定标准同步转速。
'为最优单位转速。 n 10
5 水斗数目Z 1
Z 1=6. 67
D 1
d 0
§4.3水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线
一、特性曲线概述
1、研究目的:进一步分析比较原型水轮机各方案之间的能量特性,计算水轮机能量指标,以评定所选择的水轮机各主要参数的正确性,指导水轮机的安全运行。
2、定义:反映原型水轮机在各种工况下参数之间的关系曲线—水轮机特性曲线。(正常运行时,转速n 不变,当H 、N 变化时,η、ζ随之变化)
3、工作特性曲线:H 一定,η=f (N )
4、运转特性曲线:综合反映H 、N 、η、Hs 等参数之间的关系曲线。 5、绘制方法:根据模型综合特性曲线,通过相似定律换算而来。
二、水轮机的工作特性曲线(η=f (N ) , H 一定
)
1、H 一定时,
'M =n 1
nD 1H
'-∆n 1
M ,Q 1)
'M =c ,交点一组(η2、在模型综合特性曲线上,作n 1
则原型:η=η
M +△η,
'D 12H r H r N r =9. 81Q 1
3、作曲线η~N 曲线 4、分析:
1) 、η=0,N ≠0,说明空载时,水轮机消耗△Nx ,维持在额定转速下空转。 2) 、c 点:η
max ;d
点:N max ;e 点:5% Nmax ,出力限制。由图4-7可知
ZD :曲线陡,高效率区范围窄。偏离最优工况后,效率急剧下降; ZZ :高效率区范围宽,η变化平稳,适用承担负荷变化大而频繁; HL :变化较大,η较ZZ 窄。
三、水轮机运转特性曲线的绘制
组成:N 为横座标,H 为纵座标,绘有η=f(H,N) Hs=f(H,N),出力限制线。反映能量特性、汽蚀特性、运行限制范围。
(一) 、HL 水轮机运转特性曲线
1、等效率线η=f(H,N)
(1)、在H max ,H min 之间,取4~6个H ,包括H max ,H min ,H r ,H a ,绘制每个水头下η=f(N)
(2)、作η=η1水平线,与η=f(N)相交(H,N) ,绘制η=f(H,N)(上下对应),或列表进行,表4-10。
2、出力限制线的绘制
水轮机在运行中,N 受发电机的额定出力和5%出力限制线的限制 Nr=Nf /ηf ,Nr 为一定值,在H ~N 坐标场中表现为一垂直线。
(1)、Hr 是N= Nr时的最小水头,当H ≥Hr 时,水轮机限制在N= Nr内;A (Nr ,Hr )
(2)、当H
3、等吸出高度线的绘制
(1)、根据等效率线计算表4-10中的Q 1和N ,作不同水头下N=f(Q1)的辅助曲线
(2)、在相应的模型综合特性曲线 上,作各水头下n 1M 常数的水平线,它与汽蚀系数线相交于许多点,记下各点(ζ,Q 1),列入表4-11,由△ζ~H r 曲线查得△ζ
(3)、由Q1可在N=f(Q1)辅助曲线上查得相应的N 值,并记入表4-11
(4)、由公式
H s =10-
∇
-(σ+∆σ) H 900计算出不同ζ时的H s ,列表4-11
(5)、在Hs=f(N)上,作Hs=C线,交点(H,N),在H ~N 内 绘出即可。 等吸出高度线给出了水轮机在其工作范围内,各运行工况下的最大允许吸出高度,以便进行方案比较,确定水轮机的安装高程。
(二) 、ZZ 水轮机运转特性曲线的绘制
由于转角可以调节,因此其运转特性曲线也不同。 1、等效率线 2、出力限制线
四、水轮机的总特性曲线
在水电站运行中,根据电力系统中负荷的需要,可能使一台、多台或全部机组投入运行,为使平均效率最高,研究在不同出力各机组之间最优负荷分配问题,解决机组投入最佳次序和最优工作台数问题。
相同容量、相同型式(相同特性水轮机) :运行水轮机之间 据此绘制总工作特性曲线和总运转特性曲线。图4-19,其作用: 1、提供负荷分配 2、求多年平均发电量
§4.4蜗壳的型式及其主要尺寸的确定
一、蜗壳的功用及型式
(一) 、功用:蜗壳是水轮机的进水部件,把水流以较小的水头损失,均匀对称地引向导水机构,进入转轮。设置在尾水管末端。
(二) 、型式
1、混凝土蜗壳:H ≦40m 。节约钢材,钢筋混凝土浇筑,“T ”形断面。当H>40m时,可用钢板衬砌防渗。适用于低水头大流量的水轮机。
2、金属蜗壳:当H>40m时采用金属蜗壳。其断面为圆形,适用于中高水头的水轮机。
(1) 钢板焊接:H=40~200m,钢板拼装焊接。
(2) 铸钢蜗壳:H>200m时,钢板太厚,不易焊接,与座环一起铸造而成的
铸钢蜗壳,其运输困难。
混凝土蜗壳 金属蜗壳
二、蜗壳的主要参数
1、断面型式与断面参数
(1) 金属蜗壳:圆形。结构参数:座环外径、内径、导叶高度、蜗壳断面半
径、蜗壳外缘半径
(2) 混凝土蜗壳:“T ”形。有四种型式:
(i) n=0:平顶蜗壳,b/a=1.5~1.7,γ=10~15。使用较多。特点:接力器布置方便,减小下部块体混凝土,但水流条件不太好。
(ii) m=0:上伸式:b/a=1.5~1.7,δ=30,厂房开挖量小,采用较少。
b -n
=1. 2~1. 7(或)
°°°°a (iii) m>n,1.85, δ=20~30,γ=10~20。
b -m
=1. 2~1. 7°°°°
(iv) m≤n ,a ,δ=20~30,γ=20~35。 m=n时,称为对称型式。中间断面:蜗壳顶点、底角点的变化规律按直线或抛物线确定。 2、 蜗壳包角
°°
°
蜗壳末端(鼻端) 到蜗壳进口断面之间的中心角φ0: (1) 金属蜗壳:φ0=340°~350°,常取345°
φ0大,过流条件好,但平面尺寸增大,厂房尺寸加大。金属蜗壳的流量小,尺寸小,一般取较大包角;从构造上讲,最后100°内,断面为椭圆,但仍按圆形计算。
(2)、混凝土蜗壳:Q 大,为减小平面尺寸,φ0=180°~270°,一般取180°,有时φ0=135°,使水轮机布置在机组段中间。(一大部分水流直接进入导叶,为非对称入流,对转轮不利)
3、蜗壳进口平均流速:
Q
Q c =m ax φ0
360进口断面流量: Q max ——水轮机的最大引用流量。
Vc ↑→Fc ↓→hw ↑;Vc ↓→Fc ↑→hw ↓;V c =αc H r 一般由H r —V C 曲线确定V C 。
三、水流在蜗壳中的运动规律
水流进入蜗壳后,形成一种旋转运动(环流) ,之后进入导叶。水流速度分解为V r 、V u 。进入座环时,按照均匀轴对称入流的要求,V r =常数。
Q V r =max
πD a b 0
圆周流速的变化规律,有两种基本假定: (1) 速度矩V ur =Const
假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流,忽略粘性及摩擦力,V u 会随r 的增加而减小。
(2) 圆周流速V u =Const:即假定V u =VC =Const
四、蜗壳的水力计算
水力计算的目的:确定蜗壳各中间断面的尺寸,绘出蜗壳单线图,为厂房设计提供依据。已知:H r , Q m ax , b 0, D a , D b , φ0, V c 等断面型式下进行: 按V u =VC =Const假定计算(也可按Vur=Const) 1、金属蜗壳水力计算
(1)蜗壳进口断面:断面半径:
F c =
Q c
=Q max φ03600V c V c
=
Q max φ0
3600V C π
ρmax =
F c
π
从轴心线到蜗壳外缘半径: R m ax =r a +2ρm ax (2) 中间断面(φ=φi )
Q i =
φi
3600
Q m ax
F i =
Q i Q max φi
=
V u 3600V c
ρi =
Q max φi
3600V C π R i =r a +2ρi
由此可以绘出蜗壳平面图单线图。 其步骤为:(a) 确定φ0 和V C ;
(b) 求F c 、ρ
max 、R max ;
(c) 由φI 确定F i 、ρi 、R i 。
2 混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)
(1) 按
F c =Q m ax φ0360V c
求进口断面积;
(2) 根据水电站具体情况选择断面型式,并确定断面尺寸,使其F =F c (3) 选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线) ,以虚线表示并画出1、2、3…….等中间断面。
(4) 测算出各断面的面积,绘出:F = f(R)关系曲线。
Q Q φi
F i =i =max
V 360V c ,绘出F = f(Φ) 直线。 u (5) 按
(6) 根据φi 确定Fi 、Ri 及断面尺寸,绘出平面单线图。
§4.5尾水管的型式及其主要尺寸的确定
尾水管的作用是排水、回收能量。其型式、尺寸影响、厂房基础开挖、下部块体混凝土尺寸。尾水管尺寸越大,η越高,工程量及投资增大。 型式:直锥形、弯锥形、弯肘形(大中型电站)
一、 直锥形尾水管(小型电站)
1、 进口直径:D 3=D1+(0.5~1.0)cm 2、 出口流速:V 5=(0.235~0.7)H1/2
L/ D3=3~4 θ=12~14
°
°
D 5=
4Q
πV 5
D 5=2Ltg
θ
2
+D 3
3、尾水渠尺寸:h =(1. 1~1. 5) D 3, B =(1. 2~1. 0) D 3, C =0. 85B
尾水管淹没深度:b 2=0. 3~0. 5m
4、 材料:钢板,结构简单,ηW =0. 8~0. 85,适用于小型水轮机。
二、弯锥形
适用于:卧轴混流式水轮机,布置方便,见图4-34,其水头损失大,
ηW =0. 4~0. 6。
三、弯肘型尾水管
大中型水轮机所采用的尾水管,为了减小开挖深度,均采用弯肘型尾水管。 由直锥段、肘管、出口扩散段组成。
1、 进口直锥段:
进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管,D 3为直锥管进口直径,θ为锥管单边扩散角。
00
混流式:直锥管与基础环相接,(转轮出口直径) ,θ=7~9
轴流式:与转轮室里衬相连接,D 3=0.937D1,θ=8°~10°。
h 3——直锥段高度,其长度增加将会导致开挖量增加。一般在直锥段加钢板衬。
2、肘管:90°变断面的弯管,进口为圆形断面,出口为矩形断面。F 进/F出=1.3 曲率半径R 小——离心力大——压力、流速分布不均匀—h w 大。R=(0.6~1.0)D4
为减小转弯处的脱流及涡流损失,肘管出口收缩断面(hc ) : 高/宽=0.25 3、出口扩散段:矩形扩散管,出口宽度B 5=肘管出口宽度B 6 顶板 α=10°~13°,L 2 = L-L1=(2~3)D 1 底板水平,B 5很大时,加隔墩 4、尾水管的高度与水平长度
尾水管的总高度和总长度是影响尾水管性能的重要因素。
H=h1+h2+h3+h4 h 1,h 2由转轮结构确定,h 4肘管高度确定,不易变动。H 取决于h 3。h 3大→h w 小→η
w 大→开挖加大,工程投资大;
L :机组中心到尾水管出口,L 大→F 出大→V 出小→ηw 大→hf 大→厂房尺寸加大,一般L=( 3.5~4.5) D1。 5、推荐尾水管尺寸:表-17、4-18 6、尾水管局部尺寸的变更
厂房设计中,由于地形、地质条件,布置厂房的原因,在不影响尾水管能量指标的前提下,对选出的尾水管尺寸可作局部变更。 (1) 减小开挖,h 不动,扩散段底板向上倾斜6°~12° (2) 大型反击式水轮机,为减小厂房长度,尾水管不对称布置 (3) 地下电站:为使岩石稳定,尾水管采用窄深断面 (4) 加长h 3、L 2