水轮机毕业设计指导书

水轮机毕业设计指导书

——水轮机与发电机的选择

笫一节水能资料(本设计略)

根据设计任务书，列出水能设计计算和规划给出的以下特征值：

多年平均流量；水电站水库调节类型；水电站类型与厂房型式；水电站特征水头；水电站装机容量；水电站设计保证率；水电站保证出力；多年平均发电量；年利用小时数；电力系统设计水平年最大负荷；引水系统的引水方式；水电站下游水位与流量关系曲线。

在得到上述资料后，需要对资料进行适当的校核；其中重点是校核水电站特征水头。

笫二节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，以使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。轴流转桨式水轮机，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、轴流定桨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。

表1 不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域

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。

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(H min ～H max )，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。

第三节 水轮机主要参数的选择与计算

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D 1

式中，ηg —发电机效率，通常中小型取0.93～0.96，大中型取0.96～0.98；

Q 11——对混流式水轮机，取限制工况下的单位流量。对轴流转桨式水轮机，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。η——取n 110与Q 11交点的效率，并加上1～3%修正值。

D 1（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．原型水轮机效率与效率修正值（见课本P69-73） 3．水轮机转速计算与选择

1

11D H n n a r

=

式中: 1111011n n n M r ∆+=

若

03.0 1m ax

m ax 11011<-=∆M M n n ηη，则不用修正n ，反之要修正n 。 最后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

作进一步比较。

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H r 时的出力： ，要求N ≥N r 且接近。 ⑵ 水轮机实际工作范围的校核

分别求在H max 、H a 、H r 、H min 下对应的单位转速，列表2，要求H r 下对应的n 11M a 与n 11M0相近，H max 、H min 时对应的n 11M min 、n 11M max 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2 各水头对应单位转速计算结果表

η

5.1112181.9r H Q D N =η

ηg r g

H Q P D 5

.111181.9=

5．水轮机最大允许吸出高度计算 （见课本P100-102）。

如可选取下式：

式中：（1）K σ的取值方法：混流式转轮：用不锈钢时，K σ≤1.1～1.2；易空化部位有抗空化措施时，K σ＝1.2～1.4；采用优质碳钢时，K σ ≥1.4。(对含砂量较大电站K σ适当取大些；多机组K σ取小些)

（2）H s 的选择：分别计算出在各种水头下的H s 值，选偏小的H s ，以防止产生空化（见课本P100第17～18行中有文字论述）。

E －－水轮机安装处的海拔高程，初设时可用最低尾水位计算出。 6．实际的水轮机额定水头(重算)

因不同的D 1、ｎ与水能预算H r 有差异：

32

112

1)81.9(η

Q D P H r

r = 式中η=ηM +△η ，ηM ──以r r H nD n 111=与Q 11查模型曲线交点处值。 7．水轮机额定流量(重算)

r r H D Q Q 2111=

式中Hr 采用上述（6）中的计算结果。 8．水轮机安装高程

2

b H Z Z s w +

+= 式中：w Z 为电站的下游尾水位，单位m 。

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xw Z ；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xw Z 。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

1

m ax 11

.D H n n R R =

式中：11.R n 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（HL 式见课本P155-157, ZZ 式见课本P205-206） 可按下式近似计算原型水轮机的轴向水推力：

)( 4

1081.9m ax 213N H D K

F t π

⨯=

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

r

M s H K E

H σσ--

=900

10