水轮机选型设计与特性曲线绘制

《水电站课程大作业》

目录

1 问题提出 (3)

2 问题的分析 (3)

3 水轮机选择与比较 (4)

3.1 水轮机型号初选 (4)

3.2 反击式水轮机的主要参数选择 (4)

3.2.1 混流A253-46型水轮机 (4)

3.2.2 混流A502-35型水轮机 (7)

3.3 两种方案的比较分析 (9)

3.4 主要结论 (9)

4 蜗壳及尾水管尺寸计算与绘图 (10)

4.1 蜗壳断面尺寸计算 (10)

4.2 尾水管型式及尺寸计算 (12)

4.2.1 尾水管型式确定 (12)

4.2.2 尾水管主要尺寸的确定 (12)

4.2.3 尾水管局部尺寸的确定 (13)

4.3 蜗壳以及尾水管单线图绘制 (14)

5 原型运转综合特性曲线的绘制 (14)

5.1 等水头线的绘制 (14)

5.2 等效率线的绘制 (16)

5.3 出力限制线的绘制 (17)

5.4 等吸出高度线的绘制 (17)

5.5 运转综合特性曲线 (19)

1 问题提出

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H max =140m ，最小水头H min =100m ，加权平均水头H av =116m ，计算水头H r ＝110m ，下

游水位-流量曲线如下表所列：

表 1 下游水位-流量关系曲线

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D 1及转速n ，校核水轮机的工作围和计算水头下

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b 0=0.224D 1。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。

2 问题的分析

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：H max =140m, H min =100m, H av =116m, H r ＝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）。

3 水轮机选择与比较

3.1 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。H max 不能超过该轮系的适用水头的上限；H av 、H r 在适用水头围

之。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H max =140m ，最小水头H min =100m ，加权平均水头H av =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。

3.2 反击式水轮机的主要参数选择

利用模型综合特性曲线选择水轮机的主要参数，首先根据模型综合特性曲线，利用相似公式计算出原型水轮机的主要参数，然后把已选定的原型水轮机主要参数换成模型参数，会在模型综合特性曲线图上，以检验所选的参数是否合适，如果合适，则这些参数即为所选参数。

3.2.1 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：

η

23 1181.9H Q N D =(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 H n n =（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

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1max max )1(1D D m M ηη--=（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 ∆=（4-1）

则：'1'101)10.76%M

n n ∆===（4-2） 由于'1'10 3.0%M

n 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. 工作围检验