水轮机原理课程设计指导书201211

《水轮机原理》课程设计
指导书
能源与动力工程学院 2012.11
一、前言 水轮机课程设计是水轮机课程教学过程的最后一个环节，是对所学理论知识和实践知识的总结运 用，是一个巩固、加深、综合运用已学知识的过程，希望同学们通过课程设计，把平时所学的知识条 理化、系统化，着重培养正确的思维方式和工作方法。提高计算、绘图、分析、解决和处理实际问题 的能力。进一步了解和熟悉实际工程中水轮机选型设计的步骤和方法。 二、 机组台数与机型的选择 （一）机组台数的选择： 1．台数与投资的关系 台数多，单机容量小，小机组单位千瓦造价高，同时，相应的主阀、调速器、附属设备及电气设 备的套数增加，投资亦增加。一般情况下，台数多对成本和投资不利。 2．台数对运行效率的影响 机组台数多，可以灵活改变机组运行方式，调整机组负荷，避开低效率区运行，以是电站保持较 高的平均效率。 机组类型不同，台数对电厂平均效率的影响就不同。轴流转浆式水轮机，由于单机的效率曲线平 缓且高效区宽，台数多少对电厂的平均效率影响不明显；而混流式、轴流定浆式水轮机其效率曲线较 陡，当出力变化时，效率变化较剧烈，适当增加台数可明显改善电厂运行的平均效率。 3．台数与运行维护的关系 台数多，运行方式灵活机动，事故停机影响小，单机检修易于安排，但对全厂检修麻烦；同时， 台数多，机组开、停机操作频繁，事故的次数可能增加。 4．台数与其他因素的关系 4．1 台数与电网的关系 对于区域电网的单机：装机容量较小≯15%系统最大负荷（不为主导电站） ；装机容量较大≯10% 系统容量(系统事故备用容量)，因而，单机容量与台数选取不受限制。 4．2 台数与保证出力的关系 根据设计规范要求，机组单机容量应以水轮机单机运行时其出力在机组的稳定运行区域范围内确 定为原则。不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域如表 1。 综上所述，可以确定机组台数选择的原则： 对中小型水电站，一般选择 2～4 台；保证在水头低于额定水头时，机组受阻容量尽量小；在可能 的情况下尽量选用单机容量较大的水轮机，以降低设备造价。
表 1-3 转轮型号 HL310
0.37～ 0.45
混流式水轮机的轴向水推力系数 HL220
0.28～ 0.34
HL240
0.34～ 0.41
HL230
0.18～ 0.22
HL200
0.22～ 0.28
HL180
0.22～ 0.28
HL160
0.20～ 0.26
HL120
0.10～ 0.13
HL110
五、水轮机运转综合特性曲线的绘制 水轮机运转综合特性曲线既是水轮机选型设计时方案分析、比较的依据，也是水电站运行管理、 拟定机组运行方式以及考察机组动力特性的主要依据，是在机组运行过程中检查水轮机运行情况的依 据之一。水轮机的运转特性曲线采用以出力 P 为横坐标，以水头 H 为纵坐标，并采用在坐标图上绘制
方 案 比较项目 单机容量×台数 水轮机型号 适用水头范围 H（m） 模型最优单位流量(m3/s) 模型最优单位转速（r/min） 模型设计比转速（mkw） 3
机组方案比较表
方案一 方案二 方案三 方案四
模型最高效率（%） 限制工况单位流量(m3/s) 限制工况空化系数 总装机容量 Ny (KW) 转轮直径（cm） 额定转速 nr（r/min） 水轮机飞逸转速 n R(r/min) 发电机飞逸转速 nRf（r/min） 水轮机额定水头 Hr（m） 水轮机额定流量 Qr(m3/s) 水轮机额定点效率η（%） 水轮机额定出力 Nr(KW) 水轮机最高效率ηmax（%） 额定点单位转速 n11(r/min) 额定点单位流量 Q11(m3/s) 额定点气蚀系数σ 水轮机吸出高度 Hs(m) 水轮机安装高程 Z(m) 保证出力 P 保(KW) 年电能 E(亿 KWh) 年利用小时数 hy(h)
表 1－2 转速方案 各水头对应单位转速计算结果表
2 1.5
，要求 N≥Nr 且接近。
Hmax
Hw
Hr
Hmin
n1= n2=
r/min r/min
5．水轮机最大允许吸出高度计算
H s 10
Kσ的取值方法：
E K M H r 900
1
混流式转轮：用不锈钢时，Kσ≤1.1～1.2；易空化部位有抗空化措施时，Kσ ＝1.2～1.4；采用 优质碳钢时，Kσ ≥1.4。(对含砂量较大电站 Kσ适当取大些；多机组 Kσ取小些) Hs 的选择：分别计算出在 Hr、Nr 和 Hmax、Nr 时的 Hs 值，选偏小的 Hs，以防止产生空化。 E－水轮机安装处的海拔高程，初设时可用最低尾水位 Zxd 计算出。 6．实际的水轮机额定水头(重算) 因不同的 D1、ｎ与水能预算 Hr 有差异：
2
水轮机转轮重量 Wr 计算式为 混流式： Wr 9.81 103 0.5 0.02510 D1 D13 （N） （若转论为分瓣转轮，需再增加 10﹪的重量） 轴流式： W r 9.81 10 1.4d h H max D1
3 0.1 2.6
（N） ，式中 d h 为轮毂比。
在确定了不同的备选方案后，应对所有的备选方案进行参数计算，为水轮机选择比较提供依据。 参数计算的内容和步骤如下： 1．水轮机转轮直径 D1
D1
Pr 1.5 9.81Q11 H r f
式中，ηf—发电机效率，通常中小型取 0.93～0.96，大中型取 0.96～0.98； Q11——对混流式水轮机，取限制工况下的单位流量。对轴流转浆式水轮机，取最优工况与限制工 况之间的单位流量；一般水头较高时取靠近下限值，水头较低时取靠近上限值。 ——取 n110 与 Q11 交 点的效率，并加上 1~3%修正值。 D1（cm）——根据计算结果，可适当取大一点，一般是取 5 的倍数关系的直径值。 2．原型水轮机最高效率与效率修正值
f H , P 的等效率曲线、出力限制线和 H s f H , P 的等吸出高曲线来综合表示水轮机的能量
模型与原型等效率线参数的转换公式如下：
特性、空蚀特性和运行限制范围。
n11 n11M
nD1 H
M max M max (1 2 ) P KQ11
Hr ( Pr )3 9.81D12 Q11
2
式中η=ηM+△η ，ηM──以 n11r nD1 H r 与 Q11 查模型曲线交点处值。 7．水轮机额定流量(重算)
Qr Q11 D12 H r
式中 Hr 采用上述（6）中的计算结果。 8．水轮机安装高程
Z Zw Hs
式中： Z w 为电站的下游尾水位，单位 m。
n n110
式中
Hw D1
n11 n110 M
步比较。
n110 n110 M n11 max 1 若 0 . 03 不修正，反之要修正。 M max
ｎ取与计算结果接近的标准同步转速，原则上取相近偏大值；若在两同步转速中间附近需作进一 4．检验水轮机实际工作范围 ⑴水轮机计算点出力的校核 计算 Hr 时的出力： N 9.81D1 Q11 H r ⑵水轮机实际工作范围的校核 分别求出求 Hmax、HW、Hr、Hmin 下对应的单位转速，列表 1—2，要求 HW 下对应的ｎ11Ma 与ｎ11M0 相近， Hmax、Hmin 时对应的ｎ11Mmin、ｎ11Mmax 在模型综合特性曲线图上，其范围应包含高效率区。若是有两同步转 速，分别计算出各水头对应的单位转速，并检查两方案的运行区域后，选择较优的转速方案。
表 1－1 不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域
型式 混流式 轴流定浆式 贯流转浆式
稳定运行负荷区域（%） 40～100 70～100 25～100
型式 冲击式 轴流转浆式
稳定运行负荷区域（%） 25～100 30～100
（二）转轮型号的选择 转轮型号的选择主要根据电站水头变化范围(Hmin～Hmax)查相应的水轮机型谱参数表，以选择适用 电站水头变化范围的水轮机型号为原则；若有多种型号可供选择，则需要列为备选方案，待进行参数 计算比较后再确定。 三、水轮机主要参数的选择与计算
b0 2
水电站的下游尾水位是随电站的流量变化而变化的，它与机组运行方式、水库综合利用等有关。 在实际工程中，一般是根据水电站的最低尾水位来计算。在初步设计阶段，对中小型水电站，若装机 1～2 台时，可按一台机组 50%额定出力时相应的流量所对应的下游水位作为 Z xw ；若装机大于 3～4 台 时，可按一台机组满负荷时的流量所对应的下游尾水位作为 Z xw 。对于大中型水电站，下游水位需作 方案比较和专题论证。 9．水轮机最大飞逸转速
表15机组方案比较表比较项目方案一方案二方案三方案四单机容量台数水轮机型号适用水头范围hm模型最优单位流量m模型最优单位转速rmin模型设计比转速mkw模型最高效率限制工况单位流量m限制工况空化系数总装机容量nykw转轮直径cm额定转速nrrmin水轮机飞逸转速nrrmin发电机飞逸转速nrfrmin水轮机额定水头hrm水轮机额定流量qrm水轮机额定点效率水轮机额定出力nrkw水轮机最高效率max额定点单位转速n11rmin额定点单位流量q11m额定点气蚀系数水轮机吸出高度hsm水轮机安装高程zm保证出力p保kw年电能e亿kwh年利用小时数hyh五水轮机运转综合特性曲线的绘制水轮机运转综合特性曲线既是水轮机选型设计时方案分析比较的依据也是水电站运行管理拟定机组运行方式以及考察机组动力特性的主要依据是在机组运行过程中检查水轮机运行情况的依据之一
0.10～ 0.13
HL100
0.08～ 0.14
K
表 1-4 转轮叶片数 4 0.85
轴流式水轮机的轴向水推力系数 5 0.87 6 0.90 7 0.93 8 0.95
K

立轴水轮机总的轴向推力 Fz 包含除轴向水推力、转轮重量 Wr 和主轴重量 Wz，初步设计时可按下式 估算
Fz= Ft + Wr +Wz
主轴重量 Wz 计算式： Wz =（0.4～1.0）Wr 式中：比例系数按应用水头、主轴是否与发电机共用等因素选取，低水头或共用轴情况取下限系 数。 四、机组方案的比较 根据前述计算结果，将所有计算结果列表后进行比较，见表 1－5。在实际工程设计过程中，还需 要进行电站投资的比较（包含主机设备投资、土建投资以及电站总投资） ，本设计过程主要对机组的性 能和技术参数进行比较，对投资部分不作比较。 在进行方案的比较过程中，主要从以下几方面进行： 1．使用水头范围的比较：要求所选的水轮机的适用水头范围要符合水电站提出的要求；若电站水 头高于所选水轮机的最大水头，则水轮机的各部件的强度将受工作水压的影响；若电站水头低于所选 水轮机的最小水头，则水轮机在运行过程中容易出现因偏离额定工况过远，以至水流状态恶化，使得 水轮机的工作效率下降的现象。 2．模型转轮各项指标参数的比较：对不同模型转轮的相应的最优单位转速、最优单位流量、设计 比转速、模型最高效率、限制工况单位流量、限制工况空化系数以及模型曲线的曲率变化情况进行全 面的比较；得出不同型式模型转轮相应的能量性能指标和空化性能指标的差异，并说明优势较大的模 型转轮型号。 3．原型水轮机计算点的能量性能的比较：这需要比较三方面的参数指标，一是不同原型水轮机最 高效率的比较，二是不同原型水轮机计算点效率和出力的比较，三是不同原型水轮机所包含的高效率 区的比较；经过三方面比较后，得出效率最好的水轮机的型号结论。 4．原型水轮机转速的比较：转速高的水轮机，其发电机尺寸小，重量轻，一方面可以减少设备的 造价，另一方面有利于减小厂房的平面尺寸，降低厂房的土建投资。 5．原型水轮机空化与空蚀性能的比较：一方面可以对计算点的空化系数进行比较，空化系数小的 空化与空蚀性能更好；另一方面从吸出高度的大小进行比较，吸出高度较大的，厂房的开挖深度小， 也有利于降低厂房的土建投资。 综合上述比较结果，可以选择其中优点占主导的方案作为推荐方案。然后再对该方案涉及的设备 的供应、厂家的制造加工水平、产品的技术先进性和应用广泛性，工程的投资、工期的各方面的因素 进行综合比较，最后得出综合参数最佳的方案。 表 1－5
max 1 (1 m max )5
DIM D1
max M max (1 2 )
式中△η1——水轮机工艺误差引起的效率下降值，对大中型水轮机取 1~2%，对中小型水轮机取 2~4%；△η2——水轮机异形部件引起的效率下降值，一般取 1~3%（中小型水轮机通常不予考虑） 3．水轮机转速计算与选择
nrun n run.11 H max D1
nrun.11 为该机型的单位飞逸转速，可通过相关设计资料查找得出。
10．水轮机轴向水推力、总轴向力 可按下式近似计算原型水轮机的轴向水推力：
Fh 9.81 10 3 K

4
D12 H max ( N )
3
式中：D1 为转轮直径（m） ；Hmax 为最大水头（m） ；K 为转轮的轴向水推力系数（kN/m ） ，一般由经 验统计方法得出，具体见表 1-3 和表 1-4 所示。