水轮机调节 课程设计 完整版

微分系数
Kd=0～5.0 S
永态转差系数
Bp＝0～10%（调整分辨率1%）
暂态转差系数
Bt＝0～200%（调整分辨率1%）
0.106
0.106
0.095
6.51
0.0பைடு நூலகம்0
2.001
3.52
12
0.758
0.078
0.079
0.071
4.82
0.022
1.488
3.01
1.
查《水力机电设计手册》P217接力器不动时间： 与甩前负荷大小有关，一般要求在甩25%负荷后接力器不动时间不大于0.2～0.3s,甩全负荷时，由于机组转速增长快， 要小一些，在计算甩全负荷时可取0.1～0.3s。
2调节设备选型
2.1
调速器工作容量的选择
调节功的计算
查《水轮机调节》P239按相关计算式计算：
中小型反击式水轮机调节功的计算：
～ ～ ＞、
根据《水轮机调速器及油压装置系列型谱标准》JB T 7072-2004表1知：按下列分类知此调速器属大型调速器，则要分别选择接力器、调速器、和油压装置。
表2-1调速器分类表
此处 取0.3s。
查《水力机电设计手册》P218~220按公式进行相关计算：
其中：
机组惯性时间常数:
参数：
式中：
—单位飞逸转速 （rpm）
（1）初选 ，则
由 ，解得
（2）初选 ，则
由 ，解得
（3）初选 ，则:
由 ，解得
（4）初选 ，则
由 ，解得
列出计算结果如下：
表1-6转速上升值计算成果表
C
3
1.303
c水流惯性时间常数
查《水轮机调节》P222知：
2台机组的 一样大，故只计算 机来计算单管的
表1-4 计算结果
长度
面积
流量
流速
LV
( )
蜗壳
14.5
46.73
227
4.86
70.47
尾水管
28.49
42.52
227
5.33
151.85
压力水管
120
78.54
227
1.15
380.47
d.机组惯性时间常数
课程设计
题目：《水轮机调节》
水轮机调节保证计算以及调速设备选型
学生姓名：
学号：
班级:
专业：
指导教师：
年月
题目
《水轮机调节》
水轮机调节保证计算以及调速设备选型
学生姓名：
学号：
班级：
所在院(系):
指导教师：
完成日期:
水轮机调节课程设计
1基本数据
1.1
F水电站以发电为主。电站建成后并入系统运行，担负系统峰荷，并有调相任务。水电站设计保证率为96%；水能开发方式为有压引水方式，采用左岸地下式厂房方式。
②计算水击波速
查《水力机电设计手册》P207式（5-1）知水击波速相关计算式：
取 ， ，得：
1.
查《水力机电设计手册》P212知：导叶的直线关闭时间 一般取5～10s,对大容量机组可取到15s.，此处导叶最小关闭时间分别取3s、6s、9s、12s进行计算。
计算按蜗壳允许的最大暂态压力值 取 ，则
=
由于最大水头带满负荷时的导叶开度较设计水头的小，故其关闭时间 可按下面的经验公式确定：
采用PID调节规律的调速器，由水电站机电设计手册-水力机械P-286，6-11公式得调速器参数为：
大型调速器容量的计算：
查《水轮机调节》P239-242按计算式计算：
主配压阀直径的选择
调速器初步选择主配压阀直径时，按下式计算
按计算结果选取与系列直径相近且偏大的主配压阀直径。
导叶接力器的容积计算
取油压装置额定压力为4Mpa，采用标准导水机构并用两个单缸接力器操作时，每个接力器的直径dc可近似按下式计算：
（3）初选 ，则
管特性系数
引水管道内压力升高率
引水管道内压力升高率的修正值：
蜗壳内压力上升率
蜗壳内压力上升值
尾水管内的压力降低率
尾水管内的压力降低值
出现压力降低时尾水管的真空值
（4）初选 ，则
管特性系数
引水管道内压力升高率
引水管道内压力升高率的修正值：
蜗壳内压力上升率
蜗壳内压力上升值
尾水管内的压力降低率
小型调速器
中型调速器
大型调速器
接力器调速功(W)范围
( )
kg.m
2.2
查《水轮机调速系统选型及ＰＩＤ正交优化设计》知：
对于PID调速器，由横田浩推导公式得调速器参数为：
根据《水轮机调速器与油压装置技术条件》GBT9652.1-2007-T，微机调速器（并联PID）的调节参数和调整范围为：
比例增益 :0.5-20倍；积分增益 ：0-10(1/s)；微分增益 ：0-5.0(s)。
估算 :
查《水电站机电设计手册》（水力机械）P164式（3-2~3-7）知 可按照下列相关公式进行估算：
（1）极距τ（cm）和飞逸速度Vf的确定
14.41cm
式中:
P—为发电机磁极对数，可从《水轮机原理》P268查得P=38
K—系数8～10，取9
由上式计算出 后，校核发电机在飞逸状态下，转子的飞逸线速度 是否在转子材料的允许范围内：
引水管道内压力升高率
引水管道内压力升高率的修正值
蜗壳内压力上升率
蜗壳内压力上升值
尾水管内的压力降低率
尾水管内的压力降低值
出现压力降低时尾水管的真空值
（2）初选 ，则
管特性系数
引水管道内压力升高率
引水管道内压力升高率的修正值：
蜗壳内压力上升率
蜗壳内压力上升值
尾水管内的压力降低率
尾水管内的压力降低值
出现压力降低时尾水管的真空值
（2）定子内径的确定
（3）定子长度lt(cm)的计算
式中C—发电机利用系数，（查《水电站机电设计手册》P160表3-5取 ）
(4) 定子铁芯外径
当 时,
当
此时：
= =13400
②计算
e.水击波速
①计算管壁厚度
按《水轮机机电设备设计手册》（水力机械）分册P208对薄壁钢管厚度的要求，薄壁钢管的计算厚度 等于 管壁的真实厚度，通常 在 ～ 的范围内，取 ，压力管管道直径为6m,带入计算有：
进口断面平均流速
进口断面半径
据《水电站机电设计手册》（水力机械）分册P128表2-16的金属蜗壳尺寸系列，知 ， ，
蝶形边半径
进口断面中心到水轮机轴的距离
固定导叶外切圆半径
蜗壳系数
蜗壳中心线的长度
蜗壳当量管的长度
②计算蜗壳当量管的面积
参数
参数
参数
参数
参数
蜗壳当量管的面积
③计算蜗壳的平均流速
由 得
因此，
由于 ， ＜ ，故此关闭规律符合相关规范标准的要求。
由此选 ，此时 ， =89.49m
1.10
按相关计算后得出计算结果如下表所示，当选定导叶直线关闭时间为3s时，符合计算标准。
表1-7计算结果统计表
相关资料
相关计算量
实际计算值
实际标准值
蜗壳压力上升率
31.8%
机组最大转速上升率
36%
尾水管真空度
8.18
1.
(1)计算最大水头下的流量
(2)计算平均流速
长度
面积
流量
流速
LV( )
蜗壳
14.5
46.73
227
4.86
70.47
尾水管
28.49
42.52
227
5.33
151.85
压力水管
120
78.54
227
1.15
380.47
(3)水流惯性时间常数
查《水轮机调节》P222知：
(4)确定在最间
查《水力机电设计手册》P212知：
4.8
0.243
0.814
0.329
0.361
6
1.152
4.8
0.381
0.736
0.467
0.513
9
1.101
4.8
0.506
0.677
0.575
0.633
12
1.076
4.8
0.622
0.631
0.661
0.733
根据导叶直线关闭时间下的蜗壳压力上升值、尾水管压力下降值以及转速上升值进行比较。初步选定 ，此时 。
尾水管当量管的长度
②计算尾水管的当量过流面积
参数
参数
由 ，且 ， 得 参数
尾水管的当量过流面积
③计算尾水管的平均流速
由 得
因此，
b.蜗壳的 和
①计算蜗壳当量管的长度
本电站采用金属蜗壳，蜗壳断面为圆形，当蜗壳尾部用圆断面不能和座环蝶形边相连接时，采用椭圆形断面，蜗壳的包角为345度。
根据水头 查《水轮机原理与运行》P106图6-8金属蜗壳进口流速系数与水头的关系曲线取得: ，则:
其中：导叶数z由《水轮机原理与运行》p123表7-1得z=24，再由《水轮机调节》P240表7.4得： =0.03， 由《水轮机原理与运行》p68,表4-1取0.26。
当油压装置的额定油压为4.0MPa，则接力器直径 为：
查《水力机电设计手册》P254表6-5选取导叶接力器直径550mm。
查《水力机电设计手册》P254知接力器最大行程 可按经验公式求取：
(2)甩负荷过程中最大压力上升值为：
式中： 为甩负荷过程中产生的最大压力，m； 为甩负荷前水电站静水头，m。
(3)规范中规定甩全负荷时，有压过水系统允许的最大压力上升率一般不应超过表1的数值。
表1-1最大压力升高限值表
电站设计水头（m）
40
40—100
>100
蜗壳允许最大压力上升率
70%—50%
50%—30%
<30%
(4)尾水管真空值不超过8—9m水柱。增负荷时。过水压力系统任何一段不允许发生真空。在没有特殊要求下，调节保证计算只对两个工况进行，即计算设计水头和最高水头甩全负荷时的压力上升和速率上升，并去其大者，一般在前者发生最大速率升高，在后者发生最大水压升高。
1.
参考设计任务书知：
a.额定水头，额定出力工况，此时甩负荷一般出现最大转速上升。
水轮机额定参数：额定出力P=14500KW
额定转速
飞逸转速
吸出高度
设计流量
1.
在调整保证计算中，根据《水轮机自动调节》P220-221，压力升高和转速升高都不能超过允许值。此允许值就是进行调整保证计算的标准。
(1)甩负荷过程机组最大转速上升相对值为：
式中： 为甩负荷前机组的转速， ； 是甩负荷过程中产生的最大转速， 。《水力机电设计手册》P207中规定机组甩负荷时最大速率上升 在一般情况下不大于55%，大于此值要论证。
b.最大水头，额定出力工况，此时甩负荷一般出现最大水压上升。
对两种工况进行调节保证计算，当压力上升值和转速上升值均不超过规定范围时取其大者。
1.
参考《课程设计指导书》进行相关计算式计算：
(1)各工况下的 和
a.尾水管的 和
根据《水电站机电设计手册》（水力机械）分册表2-17查得混凝土推荐的尾水管尺寸表及混凝土标准肘管尺寸表以及《水轮机原理》课程设计尾水管数据，通过该表计算得出尾水管的基本尺寸如表2、表3中所示：
尾水管内的压力降低值
出现压力降低时尾水管的真空值
列出计算结果如下：
表1-5压力上升（或下降）值计算成果表
蜗壳内压力上升
尾水管压力下降
3
0.303
0.352
0.423
0.318
21.59
0.098
6.664
8.18
6
0.152
0.164
0.196
0.147
10.01
0.454
3.091
6.99
9
0.101
表1-2混凝土推荐的尾水管尺寸表
肘管型式
适用范围
2.6
4.5
2.72
1.35
1.35
0.675
1.82
1.22
混凝土肘管
混流式
表1-3混凝土标准肘管尺寸表
D1
D3
D4
h
h3
h4
h5
h6
L1
L
B5
5
5.1
6.75
13
5.89
6.75
6.1
3.35
9.1
22.5
13.6
①计算尾水管的当量长度
锥管高度 ，轴管中心线长度 ，扩散管长度 。
总装机容量：560MW
特征水位：
校核洪水位：390.43m
设计洪水位：389.90m
正常蓄水位（正常运行最高水位）：389.90m
死水位：388.70m
水库调节特性：季调节
水能规划参数：Hmax=78.9m，Hmin=55.07m，Hav=71.43m，Hr=68m
压力钢管长度：120m
水轮机型号：HL220-LJ-500
根据调速器参数和调节功调范围参考BWT系列微机调速器技术说明书，选择BWT-80型调速器。调速器系统主要由下列四大部分组成：调速器电气柜、机械液压操作及执行机构、压油装置及其控制柜、测速装置及过速保护装置。
表2-2基本参数
转速死区
＜0.03%
比例系数
Kp=0.01～35
积分系数
Ki=0.01～20 l/S
式中：
最高水头下：
额定水头下：
根据对应的转速、流量值查阅水轮机运转综合特性曲线即可得到相应的导叶开度值。
(5)确定管道特性参数
查《水轮机调节》P226知按如下计算式分别计算：
确定压力水管特性系数 :
确定水管特性系数 :
(6)压力上升计算:
由 ，查《水轮机调节》P225图7.3水击类型判别图知最大水击压力发生在末相。
1.
查《水轮机调节》P226知：
①计算压力输水管的平均流速
②压力上升值计算
确定压力水管特性系数
确定水管特性系数
确定水击相长
由于采用的导叶直线关闭时间 均大于 ，发生间接水击。对于甩全负荷 ，则 ，故最大水击出现在末相。
1.
查《水力机电设计手册》P213~214按计算式进行相关计算：
（1）初选 ，则
水管特性系数
按上式取 。
查《水力机电设计手册》P255双直缸接力器的总容积：
2
初步选择主配压阀直径时，查《水力机电设计手册》P253式（6-3）知可按下式计算：
式中：V—导水机构或折向器接力器的总容积( )
v—管路中油的流速，一般取 此处去4m/s
—接力器关闭时间（s）
参照BWT系列微机调速器技术说明书选取主配压阀标准直径为80mm。