水电站大作业doc资料

水电站大作业一．基本资料及任务某坝后式电站，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：表 1 下游水位-流量关系要求：（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）计算在设计水头下，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。

问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。

➢本题是一个水轮机选型的综合题，本题的任务要求有：●选择水轮机的台数和单机容量；●选择水轮机的牌号、型号及装置方式；●确定水轮机的直径、转速、吸出高及安装高程；●确定蜗壳及尾水管尺寸；●绘制水轮机运转综合特性曲线；➢选型设计已经收集的基本资料：（1）水能规划资料●装机容量：总装机容量为120MW,初拟四台机组；●各种代表水头：Hmax=140m, Hmin=100m, Hav=116m, Hr＝110m；●下游水位与流量关系曲线（表1）。

（2）水轮机产品技术资料●水轮机的系列型谱：附件中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。

●同步转速n：机组的同步转速与发电机的磁极对数有关，磁极对数只能是一对一对的，在选择水轮机转速是必须套用同步转速。

n=3000/p(r/min)。

●某一轮系的模型综合特性曲线（包括飞逸特性曲线）。

二．水轮机比较与选择2.1 水轮机型号初选在水轮机型号选择中，起主要作用的是水头，每一种水轮机都有一定的水头使用范围。

上限是由其结构强度和气蚀条件决定的，一般不允许超出。

而下限是由经济条件决定的。

Hmax不能超过该轮系的适用水头的上限；Hav、Hr在适用水头范围之内。

若两种型号都适用，则需要进行对比分析和计算。

问题条件中已经给出了电站的最大水头Hmax=140m ，最小水头Hmin=100m ，加权平均水头Hav=116m ，计算水头H ＝110m 。

于是，可以根据水头数据参考水轮机的系列型谱选择水轮机类型。

查《中小型混流式、轴流式水轮机模型参数表》有多种选择方案，为了便于比较分析本文初步选择水轮机型号为A253-46和A502-35。

两种机型均为混流型，装置方式采用立轴布置。

2.2水轮机比较2.2.1混流A253-46型水轮机1．转轮直径D 1的计算由公式ηηH H D Q QH N 21 181.981.9==可得到D 1的计算公式为：η23 1181.9H Q ND =(公式1) 注意几个参数的取值：● N 取水轮机额定出力N r ，/r f f N N η=，f N 是发电机的额定出力（机组容量）；f η是发电机效率，查资料可取为96%；所以求得N r =31.25MW 。

● H 取设计水头H r =110m 。

● '1Q 取限制工况下的单位流量'1max Q ，查型谱表得'1max Q =0.805m 3/s,M η=88.6%。

● 效率ηηη∆+=M ，这一步需要试算，初步估计%.41=∆η，则90%M ηηη=+∆=。

由以上参数可以计算出D 1=1.95m ，对照标准直径去定D 1；通常是选用相近而偏大的标准直径，以便使水轮机有一定的富裕容量。

所以选择D 1=2.0m 。

2. 转速的计算水轮机转速的计算公式为：1'1D Hn n =（公式2）参数取值： ● 已知D 1=2.0m 。

● H 取H av =116m ；即在运行过程中出现最多的水头。

● '1n 选用原型最优单位转速'10n ；初步假定'10'10M n n == 63(r/min)，'10M n 为模型的最优单位转速。

由以上参数，计算出n=339.3(r/min)，按照标准选取转速，选取与之相近且偏大的同步转速333.3(r/min)，p=9。

3. 效率及单位参数修正查表可得A253-46型水轮机在最优工况下的模型最高效率为2%9max =M η，模型转轮直径为D 1M =0.46m ，原型效率511max max )1(1D D mM ηη--=（公式3） 于是，求得max 94.0%η=，效率修正值为max max M ηηη-=∆=2%。

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η∆值中再减去一个修正值ξ。

现在取0.6%ξ=，则可得到效率修正值为 1.4%η∆=，由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为max max 92% 1.4%93.4%M n ηη=+∆=+=88.6% 1.4%90%M n ηη=+∆=+=（与上述假设相同）单位转速的修正值按下式计算：''1101)M n n ∆=（公式4-1）则：'1'101)10.76%Mn n ∆===（公式4-2）由于'1'10 3.0%Mn n ∆<，按规定单位转速可不加修正，同时，单位流量'1Q 也可以不加修正。

由上可见，原先假定的''''11max 101090%,,M Q Q n n η===是正确的，所以上述计算及选用的结果D 1=2.0m 、n=333.3r/min 也是正确的。

4. 工作范围检验在选定D 1=2.0m 、n=333.3r/min 后，水轮机的'1max Q 及各特征水头相对应的'1n 即可计算出来。

水轮机在H r 、N r 下工作时，其''11max Q Q =，故'31max 2210.7670.805/9.819.8121101100.9r r r Q m s D H H η===<⨯⨯⨯⨯（公式5）则水轮机的最大引用流量为'223max 1max 10.767211032.18/r Q Q D H m s ==⨯⨯=（公式6）与特征水头H max 、H min 、和Hr 相对应的单位转速为（公式7）在A253-46型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出'1max767/Q L s =、 ， 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D 1=2.0m 、n=333.3r/min 是合理的。

图 1 A253-46型水轮机的工作范围检验5. 吸出高度Hs 和安装高程Zs 计算由水轮机的设计工况参数，'163.56/min r n r =，'1max767/Q L s =，在图1上可查得相应的气蚀系数约为0.047σ=，并在《水电站》图2-26查得气蚀系数的修正值约为，由此可求出水轮机的吸出高度为10()900s H H σσ∇=--+∆（8） 其中∇是水轮机安装位置的海拔高程，在初始计算时可取为下游平均水位的海拔高程，即453.6m ∇=，带入公式求得Hs=2.566（m ）。

即转轮中压力最低点在下游水面2.566m 以上，水轮机安装位置合理，可见A253-46型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。

安装高程s Z 按照公式0/2s w s Z H b =∇++（9）其中w ∇为设计尾水位。

设计流量3max 32.18/Q m s =，查下游水位-流量曲线表得设计尾水位w ∇=452.8m ，而bo=0.25D1=0.5m ，于是求得Zs=452.8+0.5+2.566=455.87m 。

由模型综合特性曲线知，图上还有更高的气蚀工况0.065σ=，比设计工况时的气蚀系数0.048m σ=大，因此该工况不是气蚀最危险工况。

2.2.2混流A502-35型水轮机与混流A253-46型水轮机的参数选择一样，本文从以下4个方面进行分析研究。

1. 转轮直径D 1计算查《中小型混流式、轴流式水轮机模型参数表》可得A502-35型水轮机在限制工况下的单位流量'310.872/M Q m s =，效率87%M η=，由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量''3110.872/M Q Q m s ==，效率89%η=。

上述的'1Q 、η、31250Nr kw =和110r H m =，代入公式（1）中可得1 1.89D m =，选用与之接近而偏大的标称直径1 2.0D m =。

2. 转速n 计算查《参数表》可得A502-35型水轮机在最优工况下单位转速'1062/min M n r =，初步假定''1010M n n =，将已知的'10n 和116av H m =,1 2.0D m =代入式（2）可得333.88/min n r =，选用与之接近的同步转速333.3/min n r =。

3. 效率及单位参数的修正查《参数表》可得A502-35型水轮机在最优工况下的模型最高效率为max 92.7%M η=，模型转轮直径为10.35M D m =，根据式（3），可求得原型效率max 94.8%η=，则效率修正值94.8%92.7% 2.1%η∆=-=。

考虑模型与原型水轮机在制造工艺质量上的差异，常在求得的η∆值中减去一个修正值ξ。

现在取0.1%ξ=，则可得效率修正值为2%η∆=，由此可得原型 水轮机在最优工况和限制工况下的效率为max max 92.7%2%94.7%M ηηη=+∆=+=87%2%89%M ηηη=+∆=+=（与上面假设值相同）单位转速的修正值按公式（4）计算，则'1'101)1 1.07%3%Mn n ∆===< 按照规定单位转速可以不加修正。

同时，单位流量'1Q 也可不加修正。

由以上可见，原假定的89%η=，''1010M n n =，''3110.872/M Q Q m s ==是正确的，那么上述计算的结果1 2.0D m =，333.3/min n r =也是正确的。

4. 共作范围的检验在选定1 2.0D m =，333.3/min n r =后，水轮机的'1max Q 及各特征水头相对应的'1n 即可以计算出来。

水轮机在H r 、N r 下工作时，其''11max Q Q =，故由式（5）求解得到'331max 0.776/0.872/Q m s m s =<则水轮机的最大引用流量由式（6）有：'3max 1max 132.54/Q Q D m s ==与特征水头H max 、H min 、和Hr 相对应的单位转速为'1min '1max '156.34/min 66.66/min 63.56/min r n r n r n r ========= 在A502-35型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出'1max776/Q L s =、'1min 56.34/min n r =和'1max 66.66/min n r =的直线，如图2所示。