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水轮机选型设计

第一章 水轮发机主要参数设计

第1节 水轮机台数及型号选择

一.已知参数

1.水库

正常蓄水位:1684米;最低水位1678米;最高水位1686米; 2.尾水位

最高尾水位1520米;正常尾水位1509米 ; 3.水头

最大水头:174米;加权平均水头;167米;最小水头147米;

二.水轮机型式的选择

1.按我国水轮机型谱推荐的设计水头与比转速的关系

()kW m Hr N s ·8.1382065.1582000

202000=-=-=

2.水轮机型式的选择

水轮机类型及其适用水头范围、比转速范围见表1—1[1]

表1—1 水轮机类型及其适用范围

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根据已知参数,本电站水轮机运行水头范围为:147m —174m ,比转速为:138.8(m·kW )。根据表1—1所列参数决定选用混流式水轮机。

三.电站装置方式的确定

水轮机装置方式是指水轮机轴的装置方向和机组的连接方式。水轮机轴的装置分为立式和卧式两种。立式装置方式安装、拆卸方便,轴与轴承受力情况良好,发电机安装位置较高,不易受潮,管理维护方便,但是开挖量较大。卧式装置方式不会产生很大的集中荷重,厂房的高度较低,但轴与轴承受力情况不好。为了缩小厂房面积,高水头大中型电站一般采用立轴布置方式。该电站最大水头为174m ,故采用立式布置方式。机组连接方式采用直接连接。

四.初选水轮机转轮型号

根据本电站水头变化范围H=147m —174m 选择合适的水轮机转轮:A378、A194、D10、D126和D46,其参数见表1—2[7]。

表1—2 初选水轮机转轮参数表

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五.拟定机组台数并确定单机容量

总装机容量N =65MW ,保证出力:N b =30MW ,年利用小时数:4560h ,取同步发电机效率ηg =97%;通过试算HLA194、HLD46出力不满足要求,最终确定选用HLA378、HLD10和HLD126三个方案。方案列表如下:

表1—3 水轮机组选型及台数汇总表

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第2节 各方案参数的计算

一.HLA378各参数的计算

1.计算转轮直径

水轮机额定出力为:

()kW 33505

97

.032500

==

=

g

g

r N P η 取最优单位转速n 110=69(r/min )与出力限制线交点的单位流量为设计工况点的单位流量Q 110=0.72(m 3/s),对应的模型效率ηm =0.888,暂取效率修正值Δη=2%,则设计工况下原型机效率η=ηm +Δη=0.888+0.02=0.908。

故水轮机转轮直径为:

()m 62.1908

.065.15872.081.92

.3350581.95

.15

.1111=???==

η

r r

H Q P D 我国规定的转轮直径系列,计算值处于标准值1.6m —1.8m 之间,考虑到取1.6m 偏小,难以保证设计水头下发出额定出力;若取1.8m 又太大,不经济。故取非标准值D 1=1.7m 。

2.原型机效率ηT 的计算

()()948.07

.135

.0928.0111155

11=--=--=D D m m T ηη 效率修正值:Δη=0.948-0.928=0.02 3.判断单位参数是否需要修正

%301.01928

.0948

.01<=-=-M

T

ηη

故单位参数无需修正,所以n 1=n 110=69(r/min) 4.计算原型机设计工况下的转速n

()r/min 5.5247

.1167

691

110

=?=

=

D H n n av

根据标准同步转速圆整转速值,转速计算值介于同步转速500r/min —600r/min 之间.根据A378模型综合特性曲线,取n =500r/min 时水轮机的实际运行范围比n =600r/min 时的运行范围好,故取水轮机的转速n =500r/min 。 5.计算设计工况下单位转速n 11

()r/min 5.6765

.1587.15001

11=?==

r H nD n 设计工况下单位转速与出力限制线交点的单位流量Q 11=0.73m 3/s ,对应的模型效率ηm =0.883,则设计工况下原型机效率ηT 限=ηm +Δη=0.883+0.02=0.903。

6.校核出力P r

限T r r H D Q P η5

.12111'81

.9=

()02.0903.065.1587.1725.081.95.12-????= ()kW 36268

=

且%10076.02

.362682.335052.36268'

<=-=-r

r r P P P 。所以出力P r 满足要求。

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7.确定水轮机的工作范围

()min /4.64174

7

.1500max

1min 11r H nD n =?=

=

()min /8.651677.15001

11r H nD n av av =?== ()min /1.70147

7.1500min 1

max 11r H nD n =?==

8. 根据以上方法计算HLD10和HLD126型水轮机的各参数,计算结果见表1—4

表1—4 HLA378型水轮机参数计算表

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二. HLD10各参数的计算

表1—5 HL D10型水轮机参数计算表

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三. HLD126参数的计算

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表1—6 HL D126型水轮机参数计算表

第3节水轮机运转综合特性曲线的绘制

一.等效率线的绘制

1.在水轮机工作水头范围()内取5个间隔均匀的水头(应包括、H max、Hr 对每个水头作等效率曲线。计算每个水头对应的单位转速n11,以各转速在模

型综合特性曲线上作一条直线与等效率线交于一序列点。读出各交点的流量值11m

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和效率值

m

,计算出原型机的效率ηT和出力P 。然后作出个水头下的曲线。

2.在曲线上以某效率值作水平线与曲线相交,找出个交点的H、P值。

3.作坐标,并在其中绘制出计算中选取的水头值的水平线,将2中所得到的各交点按其、值点到坐标中,连接各点既得到某效率值的等效率线。

4.等效率线的换算。

(1)HLA378等效率线的换算:见表1—7

表1—7HLA378等效率线计算表

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续上表:

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(2)HLD10等效率线的换算:见表1—8

表1—8 HLD10等效率线计算表

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(2)HLD126等效率线的换算:见表1—9

表1—9 HLD126等效率线计算表

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续上表:

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为了找到每条等效率曲线的拐点,需要确定拐点所对应的水头与出力值(H A 、P A )。为此可根据计算表中各水头H 所对应的最高效率点的效率值ηT0及出力作出P 0—H 曲线及P 0—H 曲线。需要确定某效率值ηA 的拐点时,可以从曲线ηT0—H 上查到拐点对应的水头H A ,在根据H A 从曲线P 0—H 上查出拐点对应的出力P A 。

二.等吸出高度线的绘制

等吸出高度线表达水轮机在各运行工况是的最大允许吸出高度Hs ,等Hs 线是根据模型特性曲线的等σ线换算得到的,计算与绘制等Hs 线的方法如下:

1.计算各水头对应的单位转速n 11m ,在模型综合特性曲线上过n 11m 作水平线与各等σ线相交,记下各点的σ、Q 11m 及ηm 值。

2.根据吸出高度计算公式

H E

H M s )(90010σσ?+--

=

计算出各点的H s ,并计算出各点的出力P 。

3.根据各工况点的(H s 、P )值绘制出各水头下的Hs=f(P)曲线。

4.在H s=f(P)曲线上取某H s值作水平线与各H s=f(P)曲线相交,记下各交点的(H、P)值并点绘到P—H坐标内,把各点连成光滑曲线即为某H s值的等吸出高度线。

5.等吸出高度线的换算可按下表进行。

(1)HLA378等吸出高度线的计算

表1—10HLA378等吸出高度线计算表

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续上表:

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(2)HLD10等吸出高度线的计算

表1—11HLD10等吸出高度线计算表

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(3)HLD126等吸出高度线的计算

表1—12 HL D126等吸出高度线计算表

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三.出力限制线的计算

出力限制线表示水轮机在不同水头下可以发出或允许发出的最大出力,在水轮机与发电机配套的情况下,水轮机的出力受发电机的额定容量的限制,因此实际的出力限制线以设计水头H r为界分为两部分。在H min和H r之间。水轮机的出力限制线一般由模型综合特性曲线的5%出力限制线换算得到。为了计算简便,只选两个水头(H min、H r)分别计算出其最大允许出力,然后过(H r、P r)、(H min、P min)两点连一直线以此作为H

表1—13出力限制线计算表

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四.运转综合特性曲线的绘制

HLA378运转综合特性曲线见附录1

HLD10 运转综合特性曲线见附录2

HLD126运转综合特性曲线见附录3

第4节 水轮机吸出高度及安装高程的确定

一.HL A378吸出高度及安装高程的计算

1.水轮机设计流量的计算

设计工况点的单位流量Q 11r 为

)/s m (65.065

.1587.1908.081.92

.3350581.935

.125

.12111=???=

?=

r

T r

r H D P Q η ()

/s m 7.2365.1587.165.0322111=??==r r r H D Q Q

2.吸出高度H s 的计算

为使水轮机尽可能不发生空化,取H max 、H r 、H min 三个水头分别计算水轮机的允许吸出高度以其中最小值作为最大允许吸出高度。为此进行如下计算。 (1)计算H max 、H r 、H min 所对应的单位转速n 11

()r/min 4.64174

7.1500max 1

min 11=?==

H nD n ()r/min 5.6765

.1587.15001

11=?==

r r H nD n ()r/min 1.70147

7

.1500min 1max 11=?==

H nD n :

(2)确定各水头所对应的出力限制工况点的单位流量Q 11

H max : Q 11min = 0.724(L /s ) H r : Q 11r = 0.723(L /s ) H min :Q 11max = 0.722(L /s )

(3)用(1)、(2)中计算的对应工况点从模型综合特性曲线上分别查出H min 、H r 、H max 所对应的模型空化系数,分别为0.072、0.073、0.074。 (4)分别计算H min 、H r 、H max 所对应的吸出高度

)(03.8174)02.0074.0(900

1509

10)(90010max m H E H M s -=?+--=?+--

=σσ)(4.665.158)02.0073.0(900

1509

10)(90010m H E H r M s -=?+--=?+--

=σσ )(2.5147)02.0072.0(900

1509

10)(90010min m H E H M s -=?+--=?+--

=σσ 从三个吸出高度计算值中取最小值-8.03m ,再留一定的余量,取最大允许吸出高度H s =-9m 。

3.水轮机安装高程▽

()m b H s w 2.15002

34

.09150920=+-=+

+?=? 4.飞逸转速n R 的计算

由A378水轮机模型综合特性曲线集查得单位飞逸转速n 11R =123.6(r/min),故水轮机的飞

()min /1.9597

.1174

6.1231

max 11r D H n n r

R =?

== 5.转轮轴向水推力F t 的计算

根据A378转轮技术资料提供的数据,转轮轴向水推力系数K t =0.20—0.26,转轮直径较小时取大值。故取K t =0.24,则水轮机转轮轴向水推力为

max

213

4

1081.9H D K F t t π

?=

()

N 9.929387=

6.平均效率ηav 的计算

1

211

1232121................2)(................2)(2)

(---++++++++=

n n n n av

s s s s s s ηηηηηηη 904.0=

二.各方案吸出高度及安装高程的计算

表1—14 各方案吸出高度及安装高程计算结果表

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第5节 最优方案选择

一.方案选择依据

对方案进行技术经济比较,做到技术可行、经济合理、安全适用。动能经济指标的比较主要包括以下几点: 1.单机容量及台数

单机容量的大小及台数会影响电站机组开停机组合,影响发电效率,并且对设备的制造、运输和安装、运行维护、主接线和成本有影响。 2.转轮直径

转轮直径对转轮的制造、运输和安装、水电站的布置情况有影响,转轮小一点,制造、运输和安装会相对简便一点,厂房尺寸也会小一点。 3.机组转速

机组转速相对高一点较好,同步转速高,磁极对数少,动能技术指标好。但同步转速高到一定值时,制造要求高,不易制造。

效率是衡量水轮机动能优劣的一个主要指标,效率越高,动能指标越好。

5.吸出高度

水轮机吸出高度反应水轮机空化性能和施工的开挖量。吸出高度接近于零或者大于零,开挖量小。

二.方案总表

各方案参数计算结果比较表见表1—13

表1—13方案总表

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三.方案分析

1.三个方案的机组台数均为2台,且平均效率都相差不大。

2.HLD10较HLA378和HLD126直径较大,但是吸出高度大,空化性能较好,开挖量小,基建投资小。

3. HLD10较HLA378和HLD126同步转速较低,能量性能较差。

综合比较选择方案二为最优方案,方案二基建投资较小,平均效率较高,能量特性好,且运行稳定,故采用方案二作为最优方案。其参数表1—14:

表1—14 D10参数表

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