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水电站大作业水轮机选择设计2012级水电三班易斯2012301580307 目录一．基本资料和要求1二．水轮机类型的比选与确定22.1水轮机型号选择22.2A253-46水轮机方案的主要参数选择22.2.1转轮直径D1的计算22.2.2转轮转速n的计算32.2.3效率及单位参数修正32.2.4工作范围的检验42.2.5吸出高程Hs及安装高程Zs的计算52.3A502-35水轮机方案的主要参数选择62.3.1转轮直径D1的计算62.3.2转轮转速n的计算72.3.3效率及单位参数修正72.3.4工作范围的检验82.3.5吸出高程Hs及安装高程Zs的计算102.4两种水轮机型号比较11三．蜗壳及尾水管设计113.1蜗壳的设计113.1.1蜗壳的型式及其主要参数选择113.1.2蜗壳的水力计算123.2尾水管的设计143.2.1尾水管选型143.2.2尾水管各部分形状及尺寸选择143.3蜗壳和尾水管的单线图的绘制16四．原型运转综合特性曲线的绘制174.1等效率线η的绘制174.1.1绘制等水头线174.1.2绘制等效率η线194.2出力限制线的绘制194.3等吸出高度线的绘制204.4A253-46运转综合特性曲线23 一．基本资料和要求1.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：流量Q（m3/s）0102030405060水位Z（m）450450.9451.8452.6453.3453.8453.2流量Q（m3/s）708090100110120水位Z（m）454.4454.8455.0455.2455.3455.42．水轮机选型计算和蜗壳绘制资料，水轮机的系列型谱（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），有关轮系的模型特性曲线。3.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。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。二．水轮机类型的比选与确定2.1水轮机型号选择根据该水轮机的水头变化范围为100~140m，水头较高，在水轮机系列型谱上可查出合适的机型有A253-46与A502-35两种，均为混流式，立轴布置。现将这两种水轮机作为初选方案，分别求出其有关参数并进行分析比较。2.2A253-46水轮机方案的主要参数选择2.2.1转轮直径D1的计算查水轮机型谱资料可得A253-46水轮机在限制工况下的单位流量为0.805m3/s，ηM=0.886；Nr为水轮机的额定出力=Ngr/ηgr=120/（4*0.96）=31.25MW；Hr为水轮机的设计水头=110m； η=ηM+△η,需经过试算来确定。Excel试算表（1）如下：表（1）由此算可以算得D1=1.952m，为使水轮机有一定的富裕容量，通常选用较计算值稍大的标称直径。根据标准尺寸系列可取D1=2m。2.2.2转轮转速n的计算为了使水轮机在加权平均水头获得最高效率，故取H=Hav=116m；A253-46水轮机在最优工况下单位转速=63r/min，初步假定=63r/min，且D1=2m。由此可以算得n=339.3r/min，为使机组有较小的尺寸和重量，选用与之相近标准同步转速333.3r/min，此时磁极对数p=9。2.2.3效率及单位参数修正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，效率修正值为。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=0.006，则可得到效率修正值为=0.014 ，由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为。具体计算如下表2：(表2)单位转速的修正值按下式计算：<3%，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，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。2.2.4工作范围的检验在选定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，故则水轮机的最大引用流量为=0.767*22*√110=32.177m3/s与特征水头Hmax、Hmin、和Hr相对应的单位转速为n’1min=nD1Hmax=333.3×2140=56.34r/minn’1max=nD1Hmin=333.3×2100=66.66r/min· n’1r=nD1Hr=333.3×2110=63.56r/min在A253-46型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出、n’1min=56.34r/min，n’1max=66.66r/min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（1）2.2.5吸出高程Hs及安装高程Zs的计算（1）吸出高程Hs的计算 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б=0.048，并查得Hr=110m对应的气蚀系数的修正值约为∆б=0.016是水轮机安装位置的海拔高程，取为下游平均水位的海拔高程，由此可得水轮机的吸出高度Hs=2.456（m）；可见，转轮中压力最低点在下游水面2.456m以上，A253-46型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。（2）安装高程按照公式计算；为设计尾水位。设计流量=32.177m3/s，查下游水位-流量曲线表并插值计算=452.6+（32.177-30）*=452.8m，对于混流式水轮机，导叶相对高度，所以bo=0.224D1=0.448m，于是求得Zs=452.8+0.448+2.456=455.704m。由模型综合特性曲线知，图上还有更高的气蚀工况及限制工况下对应的，比设计工况时的气蚀系数0.048大，因此该工况不是气蚀最危险·工况。 2.3A502-35水轮机方案的主要参数选择2.3.1转轮直径D1的计算查水轮机型谱资料可得A502-35水轮机在限制工况下的单位流量为0.872m3/s，ηM=0.87；Nr为水轮机的额定出力=Ngr/ηgr=120/（4*0.96）=31.25MW；Hr为水轮机的设计水头=110m；η=ηM+△η,需经过试算来确定。Excel试算表（2）如下：表（3）由此算可以算得D1=1.884m，为使水轮机有一定的富裕容量，通常选用较计算值稍大的标称直径。根据标准尺寸系列可取D1=2m。2.3.2转轮转速n的计算为了使水轮机在加权平均水头获得最高效率，故取H=Hav=116m；A502-35水轮机在最优工况下单位转速=62r/min，初步假定=62r/min，且D1=2m。由此可以算得n=333.88r/min，为使机组有较小的尺寸和重量，选用与之相近标准同步转速333.3r/min，此时磁极对数p=9。 2.3.3效率及单位参数修正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D1M=0.35m，原型效率，效率修正值为。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=0.014，则可得到效率修正值为=0.006，由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为。具体计算如下表2：(表4)单位转速的修正值按下式计算：，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，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。2.3.4工作范围的检验在选定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0.774m3/s<0.872m3/s则水轮机的最大引用流量为==0.774*22*√110=32.47m3/s与特征水头Hmax、Hmin、和Hr相对应的单位转速为n’1min=nD1Hmax=333.3×2140=56.34r/minn’1max=nD1Hmin=333.3×2100=66.66r/minn’1r=nD1Hr=333.3×2110=63.56r/min在A502-35型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出774L/s、n’1min=56.34r/min，n’1max=66.66r/min的直线，如图（2）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（2）2.3.5吸出高程Hs及安装高程Zs的计算（1）吸出高程Hs的计算由水轮机的设计工况参数，，774L/s，在图（2）上可查得相应的气蚀系数约为б=0.077，并查得Hr=110m对应的气蚀系数的修正值约为∆б=0.016是水轮机安装位置的海拔高程，取为下游平均水位的海拔高程，由此可得水轮机的吸出高度Hs=-0.734（m）；可见，转轮中压力最低点在下游水面0.734m以下，A502-35型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。 （2）安装高程按照公式计算；为设计尾水位。设计流量=32.47m3/s，查下游水位-流量曲线表并插值计算=（32.47-30）*=452.77m，对于混流式水轮机，导叶相对高度，所以bo=0.224D1=0.448m，于是求得Zs=452.77+0.448-0.734=452.484m。由模型综合特性曲线知，图上还有更高的气蚀工况及限制工况下对应的，比设计工况时的气蚀系数0.077大，因此该工况不是气蚀最危险工况。2.4两种水轮机型号比较表（5）水轮机方案参数对照表序号项目A253-46A502-351模型转轮参数推荐使用水头范围（m)——140——1402最优单位转速n`10(r/min)63623最优单位流量Q`10(L/s)6556454最高效率ηMmax(%)9292.75气蚀系数б0.0470.0776原型水轮机参数工作水头范围（m）100-140100-1407转轮直径D1(m)2.02.08转速n(r/min)333.3333.39最高效率ηmax(%)93.494.910额定出力Nr(kw)312503125011最大应用流量Qmax(m3/s)32.17732.4712吸出高Hs(m)2.456-0.734由表（5）可知，两种机型方案的水轮机直径D1相同，均为2.0m，转速也相同，均为333.3r/min。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；根据以上分析，在制造供货方面没有问题时，初步选择A253-46型水轮机方案较为有利。三．蜗壳及尾水管设计3.1蜗壳的设计3.1.1蜗壳的型式及其主要参数选择由于工作水头均大于40m，故采用金属蜗壳，断面形状为圆形断面，以改善其受力条件，最大包角φmax＝345°，导水叶高度b0=0.224D1=0.448m，蜗壳进水断面的平均流速Vc值根据水轮机设计水头Hr=110m由经验曲线查取上限值为9.6m/s。3.1.2蜗壳的水力计算已知条件：水轮机的设计水头Hr=110m，相应的最大引用流量Qmax=32.177m3/s，导叶高度b0=0.224D1=0.448m，座环固定导叶外径，座环内径（查询水轮机设计手册），进口断面形状为圆形，最大包角φmax＝345°，平均流速Vc取9.6m/s。研究水流运动规律，计算蜗壳几何形状和尺寸，并用CAD绘出蜗壳单线图。水流进入蜗壳后，为便于分析计算，根据蜗壳中水流必须均匀地轴对称地进入导水机构的要求，则座环进口四周各点的水流 径向流速分量Vr应等于常数，既有对于圆周速度分量Vu径向变化规律有两种假设：任一断面上沿径向各点的水流速度矩等于常数，即；任一断面上沿径向各点的水流圆周分速度等于常数，即。假设式对可使导水机构进口的水流环量满足均匀、轴对称的要求；假设式使得蜗壳在尾部流速较小，尾部断面尺寸较大，有利于减小水头损失，并便于加工制作。为计算简单，采用式。蜗壳的断面尺寸根据各断面流速相等条件来计算：任一断面流速：（包角从鼻端起算至断面i的包角，如图（3）所示）图（a）金属蜗壳的平面单线图图（b）金属蜗壳外包线示意图图（3）金属蜗壳水力计算图于是得到断面尺寸为：断面半径： 断面中心距：断面外半径：其中，计算表如表（6）所示：表（6）3.2尾水管的设计3.2.1尾水管选型尾水管的型式很多，目前最常用的有三种：直锥形、弯锥形和弯肘形。直锥形尾水管结构简单，性能最好（可达80%-85%），但其下部开挖工程量最大，因此一般应用于小型水轮机。弯锥形尾水管比直锥形尾水管对了一段圆形等直径的弯管，它是常用于小型卧式水轮机中的一种尾水管，由于其转弯段水力损失较大，所以其性能较差，约为40%~60%。弯肘形尾水管不但可以减小尾水管的开挖深度，而且具有良好的水力性能，可达75%~80%，除贯流式机组外几乎所有的大中型水轮机均采用这种型式的尾水管。本题尾水管型式选用弯肘形尾水管，它由进口直锥段、中间肘 管段和出口扩散段三部分组成。3.2.2尾水管各部分形状及尺寸选择对混流式水轮机的尾水管图（5），在一般情况下，水轮机属于高水头水轮机，所以D1