水轮机教学课件PPT.ppt

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1、水轮机 （第三章4、5、6节）,胡 明,第四节 模型水轮机试验结果换算到原形水轮机时的修正,水轮机的效率修正 水轮机的总效率 水力效率主要部分 流量效率比例很小 机械效率比例很小 效率修正主要是最优效率值的修正，而水轮机最优工况下运行时，水力损失主要是沿程损失，局部损失所占比例不大,水轮机内的沿程摩阻损失： 式中： R水力半径，R=CD1 （C 为常数） L线性尺寸 V流速， 反映流动状态及流道壁面粗糙度的系数 n、y与流态有关的指数 上式变为： 对于相似水轮机： 模型水轮机的水力效率：, 同理，原形水轮机的水力效率 将（*）代入（*）中得,由上式可以看出： 对于总效率的修正，目前仍采用前式

2、水力效率在总效率中占比例大 只要适当采用指数、值，还是可以比较符合实际情况,根据水电站现场试验和长期使用经验 混流式 轴流式 说明 已知mmaxpmax 公式中m 应取最大值 对于混流式水轮机， 最优效率点是唯一的 轴流转桨式， mmax= m（），每一个 mmax 效率修正时应分别对待,4. 在计算效率修正时，还应考虑模型、原形水轮机制造工艺上的影响，还需对计算值再扣除一个值，故效率修正值为 大型水轮机： =12% 中小型水轮机：=24% 以上是对最优工况下的值的修正 5. 对于一般情况，按经验 混流式：求出 用此对一般效率进行修正，即 转桨式：由于mmax= m（），故每个应分别修正 在不

3、同的角下， 值也不同,单位转速n1和单位流量Q1的修正 前一节中，理论上认为原、模型n 、Q1一致 实际上，考虑原、模型水轮机的效率差别后，原、模型n1 、Q1就不一致 原、模型n1 、Q1的修正原因：水轮机的效率差别，特别是水力损失因素的影响,由相似定律,在实际应用中， 在单位流量中所占比例很小，一般不进行修正 对单位转速，若 时，也可忽略，不进行修正,第五节 水轮机的选型,一、水轮机机组台数和型号的确定 选择机组前，应收集和了解的资料 有关水电建设的方针、政策等 水电站有关资料和数据 河流开发方案 水库调节性能 枢纽布置情况 各种水头、流量 总装机容量 电站下游水位流量关系曲线 电力系统中

4、日负荷图和电站在电力系统中的任务等,水电站设备生产情况和产品技术资料 电站运输和安装技术条件等 2. 水轮机设备的选择应包括如下内容 台数及单机容量 机型及装置方式 D1、n Hs、Hs 绘制运转特性曲线 确定蜗壳及尾水管的型式及尺寸 选择调速器及油压设备 估算发电机的有关参数,3. 机组台数的确定 N总、Hr 已定的情况下 不同机组台数，则单机容量、转轮直径、转速、型号也不同 从而影响工程投资、效率、运行条件以及产品供货 在选择机组台数时，应从以下几方面考虑 （1）机组台数与水电站效率的关系 总容量N总确定后 台数单机容量D1 台数少有利 电站担任峰荷，负荷经常变化 台数可用不同机组组合满足

5、负荷要求，使每台都处于高效区运行，提高平均运行效率台数多好 提高平均运行效率有限，当机组台数很多时，再增加机组台数台数，其运行效率提高就不明显，尤其对轴流转桨式。,（2）机组台数与水电站厂房尺寸的关系 厂房尺寸除机组台数影响外 高水头水电站：取决于发电机外围尺寸 低水头水电站：取决于蜗壳外围混凝土最大宽度 但都和转轮直径D1有关， 台数N单机，故 N总已定台数厂房长度少有利 台数D1 尾水管高度 水下开挖深度多有利 （3）机组台数与水电站投资的关系 台数多采用小容量机组 台数多机组小起重能力 安装场地 、备用容量 多有利 大多数情况，台数太多对投资不利,单位千瓦造价高 消耗材料多,闸门 调速器

6、 辅助设备 电气设备,台套数,主接线复杂、机组安装工作量大,多不利,（4）机组台数与运行维护工作的关系 台数多的优缺点 运行方式机动灵活、事故影响小 检修也较易安排，但操作次数也随之增多 开停机频繁、事故率可能增加 以上每一因素都包含相互对立又相互联系的两个方面，选择时抓住主要因素。 我国已建大中型电站中，台数一般为2，4，6，8等偶数，中型电站以4台为多。 单机容量,4. 水轮机型号确定 已知N单、各种特征水头（Hmax、Hmin、Hav、Hr） 进行选择的两种方法 （1）根据水轮机系列型谱选择 起主要作用的是水头，每一类型的水轮机都有一定的水头使用范围 上限水头：根据水轮机结构强度及汽蚀特

7、性限制 下限水头：考虑经济方面等因素 表3-3，表3-4（p73): 反击式水轮机转轮暂行系列型谱 可根据电站水头直接从型谱表中选择适用的机型 有两种以上的机型可选时，应做方案比较,（2）采用套用机组和通用机型 要求设备系列化、标准化、通用化 水轮发电设备制造和已建电站的运行情况 要求在选型时，在设计水头接近，经济技术指标相当的情况下，除特殊情况外，均因按已有的通用机型进行选择和制造（可节省设计工作量，并尽早供货，提前发电）,大中型机组,通用机型表及选型参考资料,二、用系列应用范围图选择水轮机的主要参数,对于中小型机组，各种标准直径D1和标准转速n都对应有一个最优工作范围 应用范围总图：在HN

8、图上，把各个型号水轮机的最优工作范围汇出,应用范围图说明： 每一型号的水轮机，绘出一张单独的应用范围图 图由一系列的互相平行的斜线和许多与横坐标垂直的线段与斜线相交，形成许多平行四边形的小格 每一小格内注明水轮发电机组的标准同步转速n，最右边的斜方格中数字表示水轮机的标准直径D1 每个平行四边形的斜边表示该直径在不同水头时水轮机所发出的极限出力,图的使用 已知Hr、N单 n、D1 当点（ Hr、N单）正好落在平行四边形的斜线上时，说明斜线上、下两种直径均可采用，但一般选用较大直径，目的是使水轮机在容量方面有一定的富裕 hs=f（H）图： 为确定不同尺寸水轮机的吸出高度 hs值是假定水轮机装置地

9、点海拔高程为零时，水轮机的最大吸出高 若海拔高程0，修正值 对于混流式：由于H及N变化时，值变化不大，故 hs=f(H) 图上只有一条线 对于轴流式：当H、N不同时， 值变化较大，故绘出两条线 上、下两条线相应于同一D1和值的上下限,查图,轴流转桨式hs=f(H)图的使用 当选择点（相应于单机出力N、设计水头Hr的点）落在应用范围图斜方格的上斜线上时，则采用位置在上的 hs=f(H) 曲线 若选择点落在斜方格中间时，则按比例采用两条 hs=f(H) 曲线的中间值，即以应用范围图上选择点离斜方格上下边距离的比例值，在 hs=f(H) 关系图上内插出hs值 用应用范围图选择水轮机主要参数D1、n、

10、hs 的优缺点 简便易行 规划和初步设计阶段，几个方案的比较时，可节省工作量 方法较粗略，不能满足大型水轮机在设计阶段的选型设计要求,三、用主要综合特性曲线选择水轮机的主要参数,过程： 根据相似公式计算出原形水轮机的主要参数（D1、n) 把已选定的原形水轮机参数反过来换算成模型参数 将模型参数放置到模型主要综合特性曲线上，检验所选水轮机工作条件是否合理（即检验高效区） 步骤： 选择计算点n1, D1 D1，n 计算点选择原则： 在可能的条件下，选取大的Q1 ,以使转轮直径最小 在保证效率的前提下，使机组具有较高的转速,1. 水轮机转轮直径D1的计算,水轮机出力N 若发电机出力Ng，则须换算成水

11、轮机出力 N,水头 H H应采用设计水头，即 Hr 若H=Hmax， 则 D1=D1min，只有在最大水头时，水轮机才能发出所要求的额定出力 若H=Hmin， 则 D1=D1max，在各种水头下，水轮机都能发出所要求的额定出力，但D1很大，设备、厂房投资增加 若H=Hr, 则能保证水轮机在水头等于和大于Hr时，均能发出所需要的出力，故设计水头就是保证水轮机发出额定出力的最小水头。 Hr与平均水头Hav的关系 0.9Hav 河床式水电站 Hr 0.95Hav 坝后式水电站 Hav 引水式水电站,水轮机单位流量Q1 混流式：从HL机组工作的稳定性和经济性出发 Q1应选在最高效率区相应的出力限制线上

12、或靠近出力限制线稍左一点 从型谱表3-6（p74）中查出 轴流转桨式：工况限制点由汽蚀性能和效率控制 表3-7(p74) 给出了限制工况下的Q1值 一般选用的值应小于限制工况下的Q1， 以保证效率较高，汽蚀性能较好，具体的值可由该电站对汽蚀系数的要求而定，即允许的吸出高度Hs 有关。 应比较分析确定一个合理的Q1,岩石基础情况 下游水位 厂房布置 电站交通,一般Q1的选取：在综合特性曲线上作一最优单位转速n10(由型谱查出）的水平线，它与上式求出的的等值线右端相交，该交点的Q1值即为新限制条件下的Q10值,水轮机效率 由公式推导可知， 应为原型水轮机的效率 可先假定 HL： =8892% ZZ

13、： =8790% 求出D1后，再对修正 由 N，Hr，Q1， D1 取标准化直径（通常选用稍 大于计算的标准直径）,表1-2（p18）,2. 水轮机转速的计算,对水轮机本身，转速可随工况变化而变化 连接发电机后，水轮机转速要与发电机转速同步（额定转速） 按相似的同步转速（表1-1，p8)取值，介于之间应方案比较 水轮机转轮直径D1 采用上面计算后所得的转轮标准直径 水轮机水头H 采用加权平均水头最为合适，我们希望水轮机经常工作的水头运行时效率最高 若没有加权平均水头，也可用设计水头Hr代入,水轮机单位转速n1 为使得在加权平均水头（或设计水头）时，水轮机能以最高效率运行， n1应选最优工况或稍

14、高一些的单位转速值 应指出的是：上面计算D1、n都是采用综合特性曲线上的n1、Q1值，由于原型、模型水轮机效率的不同，因此，在求得D1、n后，要进一步计算水轮机的出力N，吸出高Hs等参数时，必须对模型的效率值进行修正，再对n1、Q1值修正。,（三）工作范围的检验,D1、n确定后 在综合特性曲线上，作n1=n1max, n1=n1min, Q1= Q1max三条直线所包含的区域，若包括高效区，则D1、n合适，否则应适当调整,第六节 水轮机选型中方案的分析比较,举例 已知 Hmax=35.87m, 加权平均水头Hav=30.0m，Hr=28.5m, Hmin=24.72m, N=17750kW,

15、海拔高程=24m， 要求Hs - 4m 要求确定合适于上述条件的水轮机 （一）水轮机型号选择 H的范围：24.7235.87m 查表3-3、3-4（p73)有HL240和ZZ440两种机型 方案比较 （二）HL240型水轮机方案主要参数选择 （三）ZZ440型水轮机方案主要参数选择,需说明的几点： ZZ440方案中，Q1的选取，由计算出的值和最优工况下的n10=115转/分，查综合特性曲线得出。 额定出力的校核：（以HL240方案为例，即校核Hr=28.5m时的额定出力）,顺便指出：当计算得到的出力N小于额定出力或小于电站所要求的N单，不满足要求时，只有按标准直径表所规定的D1值加大，不能任意

16、增大Q1，因为Q1的增加，值也会增加，可能使Hs不符合要求。,三、水轮机选型计算的方案比较分析,所选水轮机模型转轮推荐使用水头范围能否满足水电站设计所提出的水头范围 H上限 H原min 则偏离设计工况太远，流态可能引起机组振动 对汽蚀性能和吸出高度进行比较 ZZ440的=0.42 HL240的=0.195 ，则选择Hl240，其开挖深度小，土建工作量亦小 对所选转轮直径和同步转速进行比较 ZZ440的比转速高，额定转速也高 ZZ440的 n=214.3r/min HL240 的 n=125 r/min 则选用ZZ440可选用尺寸较小的发电机,比较各方案水轮机效率的高低 HL240 的max =

17、 94.6% ZZ440 的max = 91.6% 则 HL240 对水流的能量转换比ZZ440更充分 根据Hmax、Hmin，计算 n1min，n1max 进一步摸清所选水轮机的特性情况，尚需绘制水轮机的运转特性曲线，以便进行分析,Hmax，D1，n n1min Hmin，D1，n n1max N, D1, Hr, max Q1max,在综合特性曲线上做出范围,包括高效区，则合适 否则调整D1， n,除了根据计算结果进行分析以外，还需考虑： 水电站要求的水轮机的交货日期（选用套用机型可尽快交货） 水轮机制造厂的生产能力 ZZ：结构复杂，加工工艺高 HL：简单、易加工 当两者都可选用时，多采用 HL，这一点选型时，往往起很大作用 在选择机组直径大小方面要考虑运输方式和条件 D1 4.1m 时，可考虑增加机组台数，已减小D1，或采用分半制造的方案,