水輪機(jī)選型培訓(xùn)資料PPT課件

1、第四章 水輪機(jī)選型 水輪機(jī)是水電站中最主要動力設(shè)備之一，影響電站的投資、制造、運(yùn)輸、安裝、安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)效益。 根據(jù)H、N的范圍選擇水輪機(jī)是水電站主要設(shè)計任務(wù)之一，目標(biāo)是使水電站充分利用水能，安全可靠運(yùn)行。 第1頁/共70頁第一節(jié) 水輪機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)系列一、水輪機(jī)的系列型譜 我國在1974年編制了反擊式水輪機(jī)暫行系列型譜，其中所列出的轉(zhuǎn)輪，是經(jīng)過長期實(shí)踐驗(yàn)證在某一水頭段的性能優(yōu)異的轉(zhuǎn)輪。 型譜中，水輪機(jī)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(jī)系列型譜參數(shù)見表4-1表4-5。第2頁/共70頁二、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑系列(cm)253035(40)42506071(80)

2、841001201401601802002252502753003303804104505005506006507007508008509009501000說明：括號內(nèi)的數(shù)字表示僅適用于軸流式水輪機(jī)。說明：括號內(nèi)的數(shù)字表示僅適用于軸流式水輪機(jī)。第3頁/共70頁三、水輪發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速磁極對數(shù)磁極對數(shù)345789101214同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速n1000750600428.6375333.3300250214.3磁極對數(shù)磁極對數(shù)161820222426283032同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速n187.5166.7150136.4125115.4107.110093.8磁極對數(shù)磁極對數(shù)3436384042444

3、850同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速n88.283.3797571.468.262.560第4頁/共70頁四、水輪機(jī)系列應(yīng)用范圍圖第5頁/共70頁第二節(jié) 水輪機(jī)選擇一、水輪機(jī)選型設(shè)計的內(nèi)容1.確定機(jī)組臺數(shù)及單機(jī)容量2.選擇水輪機(jī)型式（型號）及裝置方式3.確定水輪機(jī)參數(shù)D1、n、Hs、Za；Z0、d04.繪制水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線5.確定蝸殼、尾水管的形式及其尺寸，估算水輪機(jī)的重量和價格。第6頁/共70頁6.調(diào)速器及油壓裝置選擇7.根據(jù)選定的水輪機(jī)型式和參數(shù)，結(jié)合水輪機(jī)在結(jié)構(gòu)上、材料、運(yùn)行等方面的要求，擬定并向廠家提出制造任務(wù)書，最終雙方共同商定機(jī)組的技術(shù)條件，作為進(jìn)一步設(shè)計的依據(jù)。 第7頁/共70頁二、水輪機(jī)選

4、型設(shè)計的基本要求1.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(jī)組受阻容量小，水電站全廠機(jī)組平均效率高。2.性能要與水電站的整體運(yùn)行方式和諧一致，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠靈活。有良好的抗空蝕和抗磨損性能，對多泥沙河流的電站更應(yīng)如此。3.結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，便于安裝與操作、檢修與維護(hù)。4.選擇生產(chǎn)實(shí)力強(qiáng)、制造技術(shù)水平高、合作信譽(yù)好的制造廠商。5.考慮適度合理的經(jīng)濟(jì)節(jié)省原則。第8頁/共70頁1.水輪機(jī)產(chǎn)品技術(shù)資料：系列型譜、生產(chǎn)廠家、產(chǎn)品目錄、模型綜合特性曲線。2.水電站技術(shù)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(jī)容量、水電站運(yùn)輸、安裝技術(shù)條

5、件；水文資料： 特征流量及特征水頭、下游水位流量關(guān)系曲線。3.水電站有關(guān)經(jīng)濟(jì)資料：機(jī)電設(shè)備價格、工程單價、年運(yùn)行費(fèi)等。4.電力系統(tǒng)資料：系統(tǒng)負(fù)荷構(gòu)成，水電站的作用及運(yùn)行方式等。三、所需要的有關(guān)資料第9頁/共70頁四、機(jī)組臺數(shù)及單機(jī)容量的選擇 已知總裝機(jī)容量(=Z0N單)，N單不同，D1、n 、Hs、均不同。 1、機(jī)組臺數(shù)與機(jī)電設(shè)備制造的關(guān)系 N總一定，Z0多N單尺寸（D1）小制造運(yùn)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(jī)組臺數(shù)與電站投資的關(guān)系 Z0多單位千瓦投資閥門、調(diào)速、管道、輻設(shè)、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第10頁/共70

6、頁3、機(jī)組臺數(shù)與運(yùn)行效率的關(guān)系 Z0平均效率(1) 擔(dān)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(jī)可以在較長時間內(nèi)以最優(yōu)工況運(yùn)行，其平均效率也比較高。(2) 擔(dān)任峰荷時：出力變化幅度大，應(yīng)該選用較多的臺數(shù)，以增加其運(yùn)行靈活性，提高整體運(yùn)行效率。(3) 對于軸流定漿和混流式水輪機(jī)，可以選用較多的臺數(shù)，而對于軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)因其調(diào)節(jié)性能好，可以選用較少的機(jī)組。 第11頁/共70頁4、機(jī)組臺數(shù)與電站運(yùn)行維護(hù)工作的關(guān)系 臺數(shù)多，運(yùn)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(yùn)行費(fèi)，所以不宜采用過多的臺數(shù)。 總之，一般應(yīng)采用較大的N單，較少的臺數(shù)，但一般至少應(yīng)選2

7、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(jī)組的制造水平和裝機(jī)容量也可以選用更多的臺數(shù)，如葛洲壩共21臺，裝機(jī)2715MW，三峽26700共裝機(jī)18200MW。 第12頁/共70頁五、水輪機(jī)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(jī)系列型譜選擇 型號的選擇主要取決于水頭。各種水輪機(jī)都有一定的使用范圍，根據(jù)電站運(yùn)行水頭的范圍，直接查系列型譜，確定水輪機(jī)的型號。 如果兩種型號均可采用，應(yīng)進(jìn)行方案比較。 這種方法有時難以獲得最優(yōu)設(shè)計效果。第13頁/共70頁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(shè)計效果，根據(jù)水電

8、站的具體參數(shù)，進(jìn)行專門設(shè)計，但所需時間和費(fèi)用高。3、查系列范圍圖法 根據(jù)水電站的水頭范圍和單機(jī)出力，在系列范圍總圖中查出適應(yīng)的型號，以及對應(yīng)的轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)速及吸出高度。當(dāng)有兩種機(jī)型可供選擇時，一般選用較大的直徑。第14頁/共70頁ZZ440系列水輪機(jī)應(yīng)用范圍第15頁/共70頁4、采用套用機(jī)組 根據(jù)目前國內(nèi)設(shè)計、施工和運(yùn)行的電站資料，在特征水頭相近、N單適當(dāng)，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)相近時，優(yōu)先套用已經(jīng)生產(chǎn)過的機(jī)組，這樣可以節(jié)省設(shè)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(shè)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(jìn)行統(tǒng)計，得出水輪機(jī)各參數(shù)之間的統(tǒng)計關(guān)系，再根據(jù)本

9、電站的參數(shù)選擇。第16頁/共70頁六、反擊式水輪機(jī)主要參數(shù)的確定 確定了水輪機(jī)的型號后，再計算水輪機(jī)的主要參數(shù)： 轉(zhuǎn)輪直徑D1，轉(zhuǎn)速n、吸出高Hs。 D1、n應(yīng)該滿足：在Hr下，發(fā)出Nr；在Hav時，最高。 吸出高Hs應(yīng)滿足：防止水輪機(jī)汽蝕，開挖深度合理。 第17頁/共70頁七、 按綜合特性曲線選擇水輪機(jī)1、D1的確定rrrHHDQN21181. 92/31181.9rrHQND(1) Nr(水輪機(jī)額定出力水輪機(jī)額定出力) Nr= Nf /f (2) 用用 H=Hr計算。計算。(3)：原型水輪機(jī)在限制工況下的效率，在：原型水輪機(jī)在限制工況下的效率，在D1未確定時未確定時 一般先取一般先取=M+

10、 (=23%)，求得，求得D1后再修正。后再修正。第18頁/共70頁(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(jī)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(jī)裝置的汽蝕系數(shù)。HHsz90010第19頁/共70頁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(jī)和模型水輪機(jī)的蝸殼和尾水管不一樣) 如=M+，與假定出入太大，應(yīng)重新計算。 第20頁/共70頁3、轉(zhuǎn)速的選擇 n1用最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n10， n10=n1

11、0M+n1,水頭H=Ha。 轉(zhuǎn)速n隨工況而變，要選發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相近而偏大的標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速。11011DHnnDHnna第21頁/共70頁4、工作范圍的驗(yàn)算 求出水輪機(jī)的參數(shù)D1、n后，在模型綜合特性曲線上繪出水輪機(jī)的相似工作范圍，檢驗(yàn)是否包括了高效率區(qū)，以驗(yàn)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(jī)的相似工作范圍 第22頁/共70頁第23頁/共70頁5、HS的計算 計算公式： 水輪機(jī)方案確定后，根據(jù)水輪機(jī)運(yùn)行條件、水電站的開挖情況等進(jìn)行技術(shù)經(jīng)

12、濟(jì)比較后確定。 rsHkH90010第24頁/共70頁第三節(jié) 水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的繪制 研究目的：進(jìn)一步分析比較原型水輪機(jī)各方案之間的能量特性，指導(dǎo)水輪機(jī)的安全運(yùn)行。 綜合反映原型水輪機(jī)H、N、Hs等參數(shù)之間的關(guān)系曲線 組成：N為橫座標(biāo)，H為縱座標(biāo)，繪有=f(H,N) Hs=f(H,N), 出力限制線。反映能量特性、空蝕特性、運(yùn)行限制范圍。 繪制方法：根據(jù)模型綜合特性曲線，通過相似定律換算而來。 第25頁/共70頁水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線等效率線等效率線等吸出等吸出高度線高度線第26頁/共70頁一、HL水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線1.等效率線=f(H,N)(1)在Hmax ,Hmin之間，取46個特征H，其中

13、要包括Hmax，Hmin，Hr，Ha，繪制每個水頭下的=f(N)(2)效率修正；(3)單位轉(zhuǎn)速和單位流量的修正；(4)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的計算；第27頁/共70頁HmaxHrHHminH3/2=N=9.81D12H3/2Q1H3/2=N=9.81D12H3/2Q1H3/2=N=9.81D12H3/2Q1H3/2=N=9.81D12H3/2Q1MQ1NMQ1NMQ1NMQ1N5%出力限制線等效率曲線計算表111nHnDnM111nHnDnM111nHnDnM111nHnDnM第28頁/共70頁 為了保證繪制運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線的精確性，在H、N網(wǎng)格上至少繪出三個水頭，其中包括Hmax、Hmin和Hr(或H

14、av)。對每一個水頭，計算出對應(yīng)的n1。 在輪系綜合特性曲線上繪制n1的水平線，并查出其與等效率線交點(diǎn)的坐標(biāo)(M, Q1)； 計算出原型水輪機(jī)的效率； 按照公式N=9.81Q1D12H3/2計算水輪機(jī)的出力；(5) 輔助曲線的繪制：以效率為縱坐標(biāo)，出力N為橫坐標(biāo)，用表中的數(shù)據(jù)，對每個水頭繪制一條工作特性曲線。見圖1。第29頁/共70頁圖圖1圖圖2第30頁/共70頁(6) 運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線的繪制 以水頭為縱坐標(biāo)，出力為橫坐標(biāo)，繪出坐標(biāo)系。見圖2。 在圖2上繪出幾個特征水頭的水平線。 在圖1上選取幾個整數(shù)效率值，畫出水平線，與輔助曲線形成一些交點(diǎn)。 將上面結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)繪在圖2上。 將相同效率數(shù)值的點(diǎn)

15、用曲線相連。就繪成了水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線的等效率曲線。第31頁/共70頁2.出力限制線的繪制 Hr是N= Nr時的最小水頭，當(dāng)HHr時，水輪機(jī)限制在N= Nr內(nèi)；A（Nr ，Hr） 當(dāng)HHr時，水輪機(jī)則受到5%出力限制線的限制，對限制線上各點(diǎn)分別計算，得出B(Hmin, Nmin)，連接A和B，即為HHr時，水輪機(jī)出力受發(fā)電機(jī)額定出力的限制，為垂直線。當(dāng)H40m時，可用鋼板襯砌防滲(H 最大達(dá)80m)第42頁/共70頁2. 金屬蝸殼 當(dāng)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(jī)。 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)

16、一起鑄造而成的鑄鋼蝸殼，其運(yùn)輸困難。 第43頁/共70頁二、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(dǎo)葉高度、蝸殼斷面半徑、蝸殼外緣半徑。 第44頁/共70頁混凝土蝸殼：“T”形。 (1) m=n時：稱為對稱型式 (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(diǎn)、底角點(diǎn)的變化規(guī)律按直線或拋物線確定。 第45頁/共70頁蝸殼中間斷面金屬蝸殼金屬蝸殼 混凝土蝸殼混凝土蝸殼第46頁/共70頁2. 蝸殼包角 蝸殼末端(鼻端)到蝸殼進(jìn)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=

17、180270,一般取180，一大部分水流直接進(jìn)入導(dǎo)葉，為非對稱入流，對轉(zhuǎn)輪不利） 第47頁/共70頁 3、蝸殼進(jìn)口平均流速： 進(jìn)口斷面流量 Qmax水輪機(jī)的最大引用流量。 VcFchw；VcFchw； 一般由HrVC曲線確定VC 0max360QQcrccHV第48頁/共70頁金屬蝸殼流速系數(shù)金屬蝸殼流速系數(shù)混凝土蝸殼進(jìn)口斷面流速系數(shù)混凝土蝸殼進(jìn)口斷面流速系數(shù)第49頁/共70頁三、蝸殼的水力計算1.水力計算的目的: 確定蝸殼各中間斷面的尺寸，繪出蝸殼單線圖，為廠房設(shè)計提供依據(jù)。 已知：2.水流在蝸殼中的運(yùn)動規(guī)律 水流進(jìn)入蝸殼后，形成一種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(環(huán)流)，之后進(jìn)入導(dǎo)葉, 水流速度分解為Vr、Vu

18、。 進(jìn)入座環(huán)時，按照均勻軸對稱入流的要求，Vr=常數(shù)。cbarVDDbQH,00max0maxbDQVar第50頁/共70頁 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=C第51頁/共70頁3. 蝸殼的水力計算按(Vu=VC=C) （1）金屬蝸殼水力計算第52頁/共70頁(i) 蝸殼進(jìn)口斷面： 斷面半徑： 從軸心線到蝸殼外緣半徑： ccccVQVQF00max360CcVQF00maxmax360maxmax2arR第53頁/共70頁(ii)

19、中間斷面( )由此可以繪出蝸殼平面圖單線圖。其步驟為：(i) 確定0 和VC ；(ii) 求Fc、max、Rmax；(iii) 由i確定Fi、i、Ri。max0360QQiiciuiiVQVQF0max360CiiVQ0max360iairR2 i第54頁/共70頁(2) 混凝土蝸殼的水力計算(半解析法) 第55頁/共70頁(1) 按進(jìn)口流速求進(jìn)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(diǎn)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(guān)系曲線。(5) 按 繪出F = f()

20、直線。(6) 根據(jù)i確定Fi、Ri及斷面尺寸，繪出平面單線圖。 ciuiiVQVQF0max360cFF第56頁/共70頁第五節(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(jī) 彎錐形用于臥軸水輪機(jī) 彎肘形（大中型電站） 第57頁/共70頁常見尾水管的形式直錐形直錐形第58頁/共70頁常見尾水管的形式彎錐形彎錐形彎肘形彎肘形第59頁/共70頁彎肘型尾水管 減小廠房開挖深度，水力性能好，大中型號水輪機(jī)均采用彎肘型尾水管。組成：直錐段、肘管、出口擴(kuò)散段。軸流式水輪機(jī) 混流式水輪機(jī)第60頁/共70頁1. 進(jìn)口直錐段：進(jìn)口直錐段是一個垂直的圓錐形擴(kuò)散管，D3為直錐管進(jìn)口直徑，為錐管單邊擴(kuò)

21、散角?；炝魇剑褐卞F管與基礎(chǔ)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(dǎo)致開挖量增加。一般在直錐段加鋼板襯。第61頁/共70頁2. 肘管： 90變斷面的彎管，進(jìn)口為圓形斷面，出口為矩形斷面。F進(jìn)/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=(0.61.0)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。第62頁/共70頁3、出口擴(kuò)散段： 矩形擴(kuò)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。第63頁/共70頁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