第四章 水轮机选择

§4.1 水轮机的标准系列

由于各开发河段的水力资源和开发利用的情况不同,水电站的工作水头和引用流量范围也不同,为了使水电站经济安全和高效率的运行,就必须有很多类型和型式的水轮机来适应各种水电站的要求。

水轮机由于它自身能量特性、汽蚀特性和强度条件的限制,每种水轮机适用的水头和流量范围比较窄,要作出很多系列和品种(尺寸)的水轮机,设计、制造任务繁重,生产费用和成本也大。因此有必要使水轮机生产系列化、标准化和通用化,尽可能减少水轮机系列,控制系列品种,以便加速生产、降低成本。在水电站设计中按自己的运行条件和要求选择合适的水轮机。

一、反击式水轮机的系列型谱

 41424344中给出了轴流式、混流式水轮机转轮的参数。

1)、水轮机的使用型号规定一律采用统一的比转速代号。

2)、每一种型号水轮机规定了适用水头范围。水头上限是根据该型水轮机的强度和汽蚀条件限制的,原则上不允许超过;下限主要是考虑到使水轮机的运行效率不至于过低。

二、水斗式水轮机转轮参数

45,系列型谱尚未形成

三、水轮机转轮尺寸系列表(表46

四、水轮发电机标准同步转速(表47

五、水轮机系列应用范围图

H为横座标,N为纵座标绘制某一系列水轮机应用范围。

1、根据HrNr 范围→D1n

2、水轮机吸出高度的确定Hs:根据hs~H的关系曲线确定。

Hr hsHs hs-▽/900

§4.2水轮机的选择

一、水轮机选择的意义、原则、内容

1、意义

水轮机是水电站中最主要动力设备之一,影响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益,因此根据HN的范围选择水轮机是水电站中主要设计任务之一,使水电站充分利用水能,安全可靠运行

2、原则

(1)、充分考虑电站特点(水文水能、电力系统技术条件,电站总体布置)

(2)、有利于降低电站投资、运行费、缩短工期,提前发电

(3)、提高水电站总效率,多发电

(4)、便于管理、检修、维护,运行安全可靠,设备经久耐用

(5)、优先考虑套用机组

3、内容

(1)、确定机组台数及单机容量

(2)、选择水轮机型式(型号)

   (3)、确定水轮机转轮直径D1nHsZ aZ0d0

(4)、绘制水轮机运转特性曲线

(5)、估算水轮机的外形尺寸、重量及价格、蜗壳、尾水管的形式、尺寸、调速器及油压装置选择

(6)、根据选定水轮机型式和参数,结合水轮机在结构上、材料、运行等方面的要求,拟定并向厂家提出制造任务书,最终由双方共同商定机组的技术条件,作为进一步设计的依据。

4、有关资料

(1)、水轮机产品技术资料:

系列型谱、生产厂家、产品目录、模型综合特性曲线。

(2)、水电站技术资料:

河流梯级开发方案、水库的调节性能、水电站布置方案、地形、地质、水质、泥沙情况、总装机容量、水电站运输、安装技术条件。

(3)、水文情况:

特征流量及特征水头(QmaxQminQavHmaxHminHrHav) 、下游水位流量关系曲线

(4)、水电站有关经济资料:机电设备价格、工程单价、年运行费等

二、机组台数及单机容量的选择

已知总装机容量(=Z0×N)N不同,D1n Hs、η均不同

1、机组台数与机电设备制造的关系

N一定,Z0多→N↓→尺寸(D1)小→制造运输容易→造价高(单位千瓦耗材多、制造量大)

所以一般选用较大的N

2、机组台数与电站投资的关系

Z0多→单位千瓦投资↑→阀门、调速、管道、辐设、电气等增加→厂房尺寸增加。

N↓→D1↓→尾水管高度低→开挖少→投资少

3、机组台数与运行效率的关系

Z0多→平均效率提高

(1) 担任基荷时:出力变化小,流量变化稳定,可用较少的台数,使水轮机在较长时间内以最优工况运行,其平均效率也比较高。

(2) 担任峰荷时:出力变化幅度大,应该选用较多的台数,以增加其运行灵活性,提高整体运行效率。

(3) 对于轴流定浆和混流式水轮机,可以选用较多的台数,而对于轴流转浆式水轮机因其调节性能好,可以选用较少的机组。

4、机组台数与电站运行维护工作的关系

台数多,运行灵活,事故影响小,但同时增加了事故的几率,也增加了管理人员、提高了运行费,所以不宜采用过多的台数。

总之,一般应采用较大的N,较少的台数,但一般至少应选2台,少数情况下可选1台。中大型电站一般选4~6台,根据机组的制造水平和装机容量也可以选用更多的台数,如葛洲坝共21台,装机271.5万千瓦,正在修建的三峡水电站装机26×70=1820万千瓦。

三、水轮机型号确定

依据:N,特征水头(HmaxHminHavHr)

1 根据水轮机系列型谱选择

型号的选择主要取决于水头。各种水轮机都有一定的使用范围,根据电站运行水头的范围,直接查系列型谱,确定水轮机的型号。如果两种型号均可采用,应进行方案比较。

2 采用套用机组

根据目前国内设计、施工和运行的电站资料,在特征水头相近、N适当,经济技术指标相近时,有限套用已经生产国的机组,这样可以节省设计时间、尽早供货、提前发电。

四、反击式水轮机主要参数的确定

确定了水轮机的型号后,再计算水轮机的主要参数:转轮直径D1,转速n、吸出高HsD1n应该满足:在Hr下,发出Nr;在Hav时,η最高。吸出高Hs应满足:防止水轮机汽蚀,开挖深度合理。

()、按综合特性曲线选择

1D1的确定

 (kW)     (m)    (4-4)

(1)Nr(水轮机额定出力)       Nr= Nf/ηf

Nf—发电机额定出力(机组容量),ηf ­—— 发电机的效率,大中型:ηf=0.950.98

(2):在N= Nr时,取限制工况下的(查附表1-2),并查出限制工况的ηM

HL水轮机由5%出力限制线得到,轴流式由汽蚀条件得到,或限制HS反推σz,以防止开挖过多。

     σz为水轮机装置的汽蚀系数。

    

(3)、取H=Hr计算。

若取H=Hmax进行计算,则求出的D1太小,除H=Hmax 以外,均不能发出Nr

若取H=Hmin进行计算,则求出的D1太大,增加设备投资,不经济。

(4)、η:原型水轮机再现职工况下的效率,在D1未确定时,不能得出确切的η。

     一般先取η=ηM+△η  (△η=2~3%),求得D1后再修正。

2、η的修正计算

求得D1后,再查附表1-2,得出ηMmax,换算得出ηmax

    η=ηmax-ηMmax-ε1-ε2,ε1=1%~2%(表示工艺水平),ε2=1%~3%(表示异形部件)

最后的出现职工况下的η=ηM+△η,与假定相比,如出入太大,应重新计算。

3、转速的选择

用最优单位转速。水头H=Ha

转速n随工况而变,要选育发电机转速相近的标准同步转速,见表4-7

4、工作范围的验算

求出水轮机的参数D1n后,在模型综合特性曲线上绘出水轮机的相似工作范围,检验是否包括了高效率区,以验证D1n的合理性。

方法:根据NrD1Hr求出Q’1max,由HmaxHminD1n求出:n’1minn’1max,在综合特性曲线上以Q’1maxn’1minn’1max作直线,此范围即为水轮机的相似工作范围。

5HS的计算

计算公式:    

水轮机方案确定后,根据水轮机运行条件、水电站的开挖情况等进行技术经济比较后确定。

()、用系列应用范围图选参数

这种方法根据特征水头、单机容量查水轮机应用范围图选择参数,比较简单,但精度不够,多用于小型水电站的初步设计

()、套用机组方法

根据特征水头、单机容量等选用已建成的相似电站的机组,我国采用较多。

五、水斗式水轮机的参数选择

水斗式水轮机的参数选择是在已知机组装置型式、转轮个数ZP、喷嘴个数Z0条件下,初步确定:射流直径d0、喷嘴直径dn、转轮直径D1、转速n、水斗数目Z1

1 转轮直径D1

已知:  

Q'1——单转轮、单喷嘴在限制工况下的单位流量,查表4-5P71

η取ηM,为限制工况的效率,查模型特性曲线。

2 射流直径d0

               

m=D1/d0,一般使m保持在10~20之间。

3 喷嘴直径dn

        

4 转速n

  求出后,选定标准同步转速。

为最优单位转速。

5 水斗数目Z1

         

§4.3水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线

一、特性曲线概述

1研究目的:进一步分析比较原型水轮机各方案之间的能量特性,计算水轮机能量指标,以评定所选择的水轮机各主要参数的正确性,指导水轮机的安全运行。

2定义:反映原型水轮机在各种工况下参数之间的关系曲线—水轮机特性曲线。(正常运行时,转速n不变,当HN变化时,η、σ随之变化)

3、工作特性曲线H一定,η=f(N)

4、运转特性曲线:综合反映HN、η、Hs等参数之间的关系曲线。

5、绘制方法:根据模型综合特性曲线,通过相似定律换算而来。

二、水轮机的工作特性曲线(η=f(N) , H一定)

1H一定时,

2、在模型综合特性曲线上,作 ,交点一组(ηMQ1

则原型:η=ηM+△η,

    3、作曲线η~N曲线

4、分析:

1)、η=0N0,说明空载时,水轮机消耗△Nx,维持在额定转速下空转。

2)c点:ηmaxd点:Nmaxe点:5% Nmax,出力限制。由图4-7可知

   ZD:曲线陡,高效率区范围窄。偏离最优工况后,效率急剧下降;

   ZZ:高效率区范围宽,η变化平稳,适用承担负荷变化大而频繁;

   HL:变化较大,η较ZZ窄。

三、水轮机运转特性曲线的绘制

组成:N为横座标,H为纵座标,绘有η=f(H,N) Hs=f(H,N),出力限制线。反映能量特性、汽蚀特性、运行限制范围。

()HL水轮机运转特性曲线

1、等效率线η=f(H,N)

(1)、在Hmax,Hmin之间,取46H,包括HmaxHminHrHa,绘制每个水头下η=f(N)

(2)、作η=η1水平线,与η=f(N)相交(HN),绘制η=f(H,N)(上下对应),或列表进行,表4-10

2、出力限制线的绘制

水轮机在运行中,N受发电机的额定出力和5%出力限制线的限制 Nr=Nf/ηfNr为一定值,在HN坐标场中表现为一垂直线。

(1)HrN= Nr时的最小水头,当HHr时,水轮机限制在N= Nr内;ANr Hr

(2)、当H<Hr时,水轮机则受到5%出力限制线的限制,对限制线上各点分别计算,得出B(Hmin,Nmin),连接AB,即为H<Hr时的出力限制线。

3、等吸出高度线的绘制

(1)、根据等效率线计算表4-10中的Q1N,作不同水头下N=f(Q1)的辅助曲线

(2)、在相应的模型综合特性曲线 上,作各水头下n1M常数的水平线,它与汽蚀系数线相交于许多点,记下各点(σ,Q1),列入表4-11,由△σ~Hr曲线查得△σ

(3)、由Q1可在N=f(Q1)辅助曲线上查得相应的N值,并记入表4-11

(4)、由公式计算出不同σ时的Hs,列表4-11

(5)、在Hs=f(N)上,作Hs=C线,交点(H,N),在HN 绘出即可。

等吸出高度线给出了水轮机在其工作范围内,各运行工况下的最大允许吸出高度,以便进行方案比较,确定水轮机的安装高程。

(二)ZZ水轮机运转特性曲线的绘制

由于转角可以调节,因此其运转特性曲线也不同。

1、等效率线

2、出力限制线

四、水轮机的总特性曲线

在水电站运行中,根据电力系统中负荷的需要,可能使一台、多台或全部机组投入运行,为使平均效率最高,研究在不同出力各机组之间最优负荷分配问题,解决机组投入最佳次序最优工作台数问题。

 相同容量、相同型式(相同特性水轮机):运行水轮机之间等负荷分配最优。

据此绘制总工作特性曲线和总运转特性曲线。4-19,其作用:

1、提供负荷分配

2、求多年平均发电量

§4.4蜗壳的型式及其主要尺寸的确定

一、蜗壳的功用及型式

()功用:蜗壳是水轮机的进水部件,把水流以较小的水头损失,均匀对称地引向导水机构,进入转轮。设置在尾水管末端。

()、型式

1混凝土蜗壳H40m。节约钢材,钢筋混凝土浇筑,“T”形断面。当H>40m时,可用钢板衬砌防渗。适用于低水头大流量的水轮机。

2金属蜗壳:当H>40m时采用金属蜗壳。其断面为圆形,适用于中高水头的水轮机。

(1) 钢板焊接:H=40~200m,钢板拼装焊接。

(2) 铸钢蜗壳:H>200m时,钢板太厚,不易焊接,与座环一起铸造而成的铸钢蜗壳,其运输困难。

混凝土蜗壳            金属蜗壳

二、蜗壳的主要参数

1、断面型式与断面参数

(1) 金属蜗壳:圆形。结构参数:座环外径、内径、导叶高度、蜗壳断面半径、蜗壳外缘半径

(2) 混凝土蜗壳:“T”形。有四种型式:

    (i) n=0:平顶蜗壳,b/a=1.5~1.7,γ=10°~15°。使用较多。特点:接力器布置方便,减小下部块体混凝土,但水流条件不太好。

    (ii) m=0:上伸式:b/a=1.5~1.7,δ=30°,厂房开挖量小,采用较少。

    (iii) m>n1.85, δ=20°~30°,γ=10°~20°

(iv) mn,δ=20°~30°,γ=20°~35°

m=n时,称为对称型式。中间断面:蜗壳顶点、底角点的变化规律按直线或抛物线确定。

2 蜗壳包角

蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口断面之间的中心角φ0

(1) 金属蜗壳:φ0=340°~350°,常取345°

φ0大,过流条件好,但平面尺寸增大,厂房尺寸加大。金属蜗壳的流量小,尺寸小,一般取较大包角;从构造上讲,最后100°内,断面为椭圆,但仍按圆形计算。

(2)、混凝土蜗壳:Q大,为减小平面尺寸,φ0=180°~270°,一般取180°,有时φ0=135°,使水轮机布置在机组段中间。(一大部分水流直接进入导叶,为非对称入流,对转轮不利)

3、蜗壳进口平均流速:

进口断面流量:

Qmax——水轮机的最大引用流量。

Vc↑→Fc↓→hw↑;Vc↓→Fc↑→hw↓;

一般由HrVC曲线确定VC

三、水流在蜗壳中的运动规律

水流进入蜗壳后,形成一种旋转运动(环流),之后进入导叶。水流速度分解为VrVu。进入座环时,按照均匀轴对称入流的要求,Vr=常数。

      

圆周流速的变化规律,有两种基本假定:

(1) 速度矩Vur=Const

假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流,忽略粘性及摩擦力,Vu会随r的增加而减小。

(2) 圆周流速Vu=Const:即假定Vu=VC=Const

四、蜗壳的水力计算

水力计算的目的:确定蜗壳各中间断面的尺寸,绘出蜗壳单线图,为厂房设计提供依据。已知:等断面型式下进行:

Vu=VC=Const假定计算(也可按Vur=Const)

1、金属蜗壳水力计算

                             

(1)蜗壳进口断面:

断面半径:    

从轴心线到蜗壳外缘半径: 

(2) 中间断面()

                    

                   

由此可以绘出蜗壳平面图单线图。

其步骤为:(a) 确定φ0 VC

(b) Fc、ρmaxRmax

(c) 由φI确定Fi、ρiRi

2 混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)

(1) 求进口断面积;

(2) 根据水电站具体情况选择断面型式,并确定断面尺寸,使其

(3) 选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线),以虚线表示并画出123…….等中间断面。

(4) 测算出各断面的面积,绘出:F = f(R)关系曲线。

(5) ,绘出F = f(Φ)直线。

(6) 根据φi确定FiRi及断面尺寸,绘出平面单线图。

§4.5尾水管的型式及其主要尺寸的确定

尾水管的作用是排水、回收能量。其型式、尺寸影响、厂房基础开挖、下部块体混凝土尺寸。尾水管尺寸越大,η越高,工程量及投资增大。

型式:直锥形、弯锥形、弯肘形(大中型电站)

一、      直锥形尾水管(小型电站)

1、 进口直径D3=D1+(0.5~1.0)cm

2、 出口流速V5=(0.235~0.7)H1/2    

L/ D3=3~4 θ=12°~14°   

3、尾水渠尺寸:  

尾水管淹没深度:

4、 材料:钢板,结构简单,,适用于小型水轮机。

二、弯锥形

适用于:卧轴混流式水轮机,布置方便,见图4-34,其水头损失大,

三、弯肘型尾水管

大中型水轮机所采用的尾水管,为了减小开挖深度,均采用弯肘型尾水管。

由直锥段、肘管、出口扩散段组成。

                                        

1、            进口直锥段:

进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管,D3为直锥管进口直径,θ为锥管单边扩散角。

混流式:直锥管与基础环相接,(转轮出口直径)

轴流式:与转轮室里衬相连接,D3=0.937D1,θ=8°~10°

h3——直锥段高度,其长度增加将会导致开挖量增加。一般在直锥段加钢板衬。

2、肘管:90°变断面的弯管,进口为圆形断面,出口为矩形断面。F/F=1.3

曲率半径R小——离心力大——压力、流速分布不均匀—hw大。R=(0.6~1.0)D4

为减小转弯处的脱流及涡流损失,肘管出口收缩断面(hc)  /=0.25

3、出口扩散段:矩形扩散管,出口宽度B5=肘管出口宽度B6

顶板 α=10°~13°L2 = L-L1=(23)D1   底板水平,B5很大时,加隔墩

4、尾水管的高度与水平长度

尾水管的总高度和总长度是影响尾水管性能的重要因素。

H=h1+h2+h3+h4    h1h2由转轮结构确定,h4肘管高度确定,不易变动。H取决于h3h3大→hw小→ηw大→开挖加大,工程投资大;

L:机组中心到尾水管出口,L大→F出大→V出小→ηw大→hf大→厂房尺寸加大,一般L=( 3.54.5) D1

5、推荐尾水管尺寸:表-174-18

6、尾水管局部尺寸的变更

厂房设计中,由于地形、地质条件,布置厂房的原因,在不影响尾水管能量指标的前提下,对选出的尾水管尺寸可作局部变更。

(1) 减小开挖,h不动,扩散段底板向上倾斜6°~12°

(2) 大型反击式水轮机,为减小厂房长度,尾水管不对称布置

(3) 地下电站:为使岩石稳定,尾水管采用窄深断面

(4) 加长h3L2