水电站课程设计

水电站课程设计目录一、题目3二、确定水轮机类型及装置方式32.1 确定水轮机类型32.2 确定水轮机装置方式4三、A253-46型水轮机43.1 确定转轮直径D1及转速n43.1.1 水轮机转轮直径D1的计算43.1.2 水轮机转速n的计算43.1.3 效率的修正53.1.4 单位转速的修正53.2 校核A253-46水轮机的工作范围63.2.1 最大引用流量的计算63.2.2 各特征水头下单位转速的计算63.2.3水轮机工作范围分析63.2.4 计算水头下的额定出力73.3 确定吸出高度和安装高程73.3.1 吸出高度Hs的计算73.3.2 安装高程Zs的计算83.3.3 此工况是否是气蚀最危险工况8四、A502-35型水轮机84.1 确定转轮直径D1及转速n84.1.1 水轮机转轮直径D1的计算84.1.2水轮机转速n的计算94.1.3 效率的修正94.1.4 单位转速的修正94.2 校核水轮机的工作范围104.2.1 最大引用流量的计算104.2.2 各特征水头下单位转速的计算104.2.3 水轮机工作范围分析104.2.4 计算水头下的额定出力114.3 计算吸出高度和安装高程114.3.1 吸出高度Hs的计算114.3.2 安装高程Zs的计算124.3.3 此工况是否是气蚀最危险工况12五、两种方案的比较125.1 方案比较125.2 主要结论13六、蜗壳尺寸计算与绘制136.1 蜗壳中水流运动：136.1 金属蜗壳的水力计算146.3 金属蜗壳单位线绘制15七、尾水管尺寸和计算157.1 尾水管管型的确定157.2 尾水管主要尺寸的确定157.3 尾水管局部尺寸的确定167.4 尾水管单位线绘制17八、原型运转综合特性曲线的绘制178.1 等水头线的绘制178.2 等效率线的绘制198.3 出力限制线的绘制208.4 等吸出高度线的绘制218.5 运转综合特性曲线的绘制23一、题目某坝后式电站，总装机容重为120MW，初拟装四台机组，电站最大水头Hmax=140米，最小水头Hmin=100.0米，加权平均水头Hmax=116.0米，计算水头Hl10m，下游水位-流量曲线如下表所列：流量Q(m3/s)0102030405060水位Z（米）450450.9451.8452.6453.3453.8454.2流量Q(m3/s)708090100110120水位Z（米）454.5454.8455.0455.2455.3455.4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及转速，校核水轮机工作范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max345，导水叶高度b0=0.224D1。请计算蜗壳及尾水管轮廊尺寸。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。二、确定水轮机类型及装置方式2.1 确定水轮机类型原始资料：电站最大水头Hmax=140 m，最小水头Hmax=100.0 m，加权平均水头=116.0 m，计算水头Hl10 m。选型分析：水轮机型号选择起主要作用的是水头，每一种水轮机都有一定的水头使用范围。上限是由其结构强度和气蚀条件决定的一般不允许超出。下限是由经济条件决定的。Hmax不能超过该轮系的适用水头的上限；Hav、Hr在适用水头范围之内。已知电站的最大水头Hmax=140m，最小水头Hmin=100m，加权平均水头Hav=116m，计算水头H110m，根据这些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，为了便于分析本文初步选择水轮机型号为A253-46与A502-35，为混流式水轮机。2.2 确定水轮机装置方式大中型水电站，其水路发电机组的尺寸一般较大，安装高程也较低，因此其装置方式多采用竖轴式，即水轮机轴和发电机轴在同一铅垂线上，并通过法兰盘联接。 三、A253-46型水轮机3.1 确定转轮直径D1及转速n3.1.1 水轮机转轮直径D1的计算查表得到A253-46型水轮机在限制工况下的单位流量，效率 ，由此可以初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量 ,效率，又已知, ，将上诉的、，代入下列式子得水轮机的直径为，选取与之接近而偏大的标称直径=2.0m 3.1.2 水轮机转速n的计算查表得A502-35型水轮机在最优工况下单位转速=63r/min,初步假定=，将已知的=62r/min，=116.0 m，=2.0m代入下列式子得水轮机的同步转速为，选取与之接近的同步转速n=333.3r/min, p=93.1.3 效率的修正查表得A502-35型水轮机在最优工况下的模型最高效率为，模型转轮直径为，将上诉代入下列式子得原型的效率为，然后再将=92%，=94%，K=1，代入下列式子得效率修正值为，考虑到模型与原型水轮机在制造工艺质量上的差异，在已经求得的中再减去一个修正值=0.6%，则可得效率修正值=1.4%由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为，3.1.4 单位转速的修正单位转速的修正值按下列式子计算，由于0.76%3.0%，按规定单位转速可以不加修正，同时单位流量也可以不加修正。由此可见，原假定的，=，=90% 是正确的，那么上诉计算及选用的结果=2.0m，n=333.3r/min也是正确的。3.2 校核A253-46水轮机的工作范围3.2.1 最大引用流量的计算在选定=2.0 m，n=333.3r/min后，水轮机的及各个特征水头相对应的单位转速即可算出来。水轮机在Hr、Nr下工作时其即，其最大单位流量为，由于 ,则水轮机的最大引用流量为,3.2.2 各特征水头下单位转速的计算与特征水头Hmax、Hmin、和Hr相对应的单位转速为3.2.3水轮机工作范围分析在A253-46型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出、和的直线，如图1所示。这三根直线围成的水轮机工作范围（图中阴影部分）基本上包含了该特性曲线的高效率区。所以对于A253-46型水轮机方案，所选定的参数D1=2.0m、n=333.3r/min是合理的。图1 A253-46型水轮机工作范围检验图3.2.4 计算水头下的额定出力3.3 确定吸出高度和安装高程3.3.1 吸出高度Hs的计算由水轮机的设计工况参数，在上图上可查得相应的气蚀系数约为，并在水电站图2-26查得气蚀系数的修正值约为，水轮机安装位置的海拔高程在初始计算时可取为下游平均水位的海拔高程，即 ，将以上数据代入下式得水轮机的吸出高度为，即转轮中压力最低点在下游平均水面以上2.126m，水轮机安装位置合理，可见A253-46型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。3.3.2 安装高程Zs的计算由设计流量，查下游水位-流量曲线表得设计尾水位，导叶高度，代入下式得水轮机的安装高程为，3.3.3 此工况是否是气蚀最危险工况由模型综合特性曲线知，图上还有更高的气蚀工况，比设计工况时的气蚀系数大，因此该工况不是气蚀最危险工况。 四、A502-35型水轮机4.1 确定转轮直径D1及转速n4.1.1 水轮机转轮直径D1的计算查表得到A502-35型水轮机在限制工况下的单位流量，效率 ，由此可以初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量 ,效率，又已知,，将上诉的、，代入下列式子得水轮机的直径为，选取与之接近而偏大的标称直径=2.0m 4.1.2水轮机转速n的计算查表得A502-35型水轮机在最优工况下单位转速=62r/min,初步假定=，将已知的=62r/min，=116.0 m，=2.0m代入下列式子得水轮机的同步转速为，选取与之接近的同步转速n=333.3r/min, p=94.1.3 效率的修正查表得A502-35型水轮机在最优工况下的模型最高效率为，模型转轮直径为，将上诉代入下列式子得原型的效率为，然后再将=92.7%，=94.8%，K=1，代入下列式子得效率修正值为，考虑到模型与原型水轮机在制造工艺质量上的差异，在已经求得的中再减去一个修正值=0.1%，则可得效率修正值=2%由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为，4.1.4 单位转速的修正单位转速的修正值按下列式子计算，由于1.07%3.0%，按规定单位转速可以不加修正，同时单位流量也可以不加修正。由此可见，原假定的，=，是正确的，那么上诉计算及选用的结果=2.0m，n=333.3r/min也是正确的。4.2 校核水轮机的工作范围4.2.1 最大引用流量的计算在选定=2.0 m，n=333.3r/min后，水轮机的及各个特征水头相对应的单位转速即可算出来。水轮机在Hr、Nr下工作时其即，其最大单位流量为，由于D2的情况下，尾水管一般选尺寸数据如表2。表2 尾水管尺寸表h/D1L/D1B5/D1D4/D1h4/D1h6/D1L1/D1h5/D12.24.51.8081.101.100.5740.941.3hLB5D4h4h6L1h54.49.03.6162.202.201.1481.882.6图4 混流式水轮机弯肘型尾水管7.3 尾水管局部尺寸的确定（1）进口直锥段：进口直锥段是一段垂直的圆锥行扩散管，其单边扩散角的最优取值对于混流式水轮机为。（2）中间弯肘段：中间弯肘段是一段90转弯的变截面弯管，其进口断面为圆形，出口断面为矩形，标准混凝土肘管尺寸如水电站教材表2-2和图2-18所示，其中所列数据对应应用时乘以选定的，即可得到所需值。（3）出口扩散段：出口扩散段是一段水平放置、两侧平行、顶板上翘角的矩形扩散管。其顶板仰角一般取。（4）尾水管的高度：尾水管的高度h是指水轮机底环平面的高度。对于高水头混流式水轮机（D1D2），,即（5）尾水管的平水长度：尾水管的水平长度L是指机组中心线到尾水管出口断面的距离。通常取，即 7.4 尾水管单位线绘制见附图八、原型运转综合特性曲线的绘制8.1 等水头线的绘制给定某一水头，对应综合特性上的一条横线，该横线与效率等高线相交，形成一系列交点，算出对应的原型出力，可以作出等水头曲线，即绘出对应每个H值的效率特性曲线。A235-46型水轮机等水头曲线计算表格见表5，用到的公式有：表 3 等水头曲线计算成果表最小水头=100m, =66.66最大水头=140m, =56.35序号N序号N15013051.42622.01715012051.44009.27125414055.43043.45425413055.44681.38335815859.43682.75235814959.45752.99246217563.44353.67846216263.46676.13856619067.45025.07456618867.48236.42667021571.46023.73267022571.410442.4477222573.46480.48677224073.411450.687424075.47100.8787426075.412742.8397625877.47835.91497628577.414338.6107827579.48568.054107831079.415999.38118029581.49422.701118033081.417460.61128232083.410472.37128236383.419678.58138435285.411795.86138440085.422204.39148643087.414747.18148642587.424144.68158850089.417540.28158847289.427428.41168953090.418800.67168950890.429850.61179056591.420263.93179055891.433151.37189160892.422044.72189166092.439640.3199172092.426105.59199175092.445045.8209073591.426361.04209080091.447528.84218977890.427597.96218983590.449065.47228880589.428239.85228887589.450847.15238684087.428808.44238690587.451413.96248487585.429322.09248493085.451625.22平均水头=116m, =61.89计算水头=110m, =63.56序号N序号N15012151.43049.04915012951.43001.72525413455.43639.40625413855.43461.04235815059.44368.11135815159.44060.51846216263.45035.24146216563.44735.77756619267.46344.20456618567.45644.81467021971.47665.81567022071.47111.13577223273.48348.33877222873.47576.15687424775.49130.28487424375.48294.60497626577.410055.4897625577.48935.095107828579.411093.83107828079.410064.6118030281.412051.67118029581.410870.87128233283.413574.38128232083.412081.87138436685.415323.39138435585.413724.74148640287.417224.77148641087.416222.33158846289.420248.62158847089.419021.88168948690.421538.76168950090.420462.4179051891.423210.9179052591.421723.19189156092.425367.4189157092.423843.22199171092.432162.24199171592.429908.6209076591.434278.64209076591.431653.79218980290.435543.39218976590.431307.46228882889.436289.74228882589.433389.47238686487.437020.4238686587.434225.17248489485.437429.27248489085.434408.51258291983.437574.88258292083.434735.37268093981.437471.92268094081.434639.39图5 等水头线8.2 等效率线的绘制在等水头曲线上作出某一效率值的水平线，与图中的各等H线相交，读出所有交点的H、N值，并将其点绘制在H-N坐标图上，将其连成一条光滑的曲线，即得到一条等效率线。同样，取不同的值便可绘出相应的等效率线。表4 等效率线绘制表格H N=92.4%=90.4%=87.4%=85.4%=83.4%10019579.19 18800.67 14747.18 11795.86 10472.37 11023843.22 20462.40 16222.33 13724.74 12081.87 11625367.40 21538.76 17224.77 15323.39 13574.38 14039640.30 29850.61 24144.68 22204.39 19678.58 14045045.80 49065.47 51413.96 51625.22 51836.48 11632162.24 35543.39 37020.40 37429.27 37574.88 11029908.60 31307.46 34225.17 34408.51 34735.37 10024075.15 27597.96 28808.44 29322.09 29453.54 图6 等效率线8.3 出力限制线的绘制出力限制线表示水轮机在不同水头下实际允许发出的最大出力。出力限制线也称5%出力储备线或95%出力限制线。水轮机的单位出力可以按下式计算，在绘有等效率线的图（图3-12）上任取一值，并作一水平线与等效率线相交一系列的交点，将每个交点的值分别代入上面式子求出相应的，便可绘出曲线，如图3-16所示。图中p点为最大单位出力点，其相应的流量为，为了避免水轮机调节的恶性循环，规定水轮机不能在p点及其右侧运行，并须留有5%的出力储备，如图3-16中的d点。根据与d点相对应的单位流量和前取的值，即可绘出出力限制线的一点。同样，可找出其他值相对应的出力限制工况点，将这些点连接成光滑曲线，便是出力限制线，如图6。表4 等效率线绘制表格H=92.4%=90.4%=87.4%=85.4%=83.4%100240752759828808293222945311029908313083422534408347351402990831307342253440834735图6 等效率线8.4 等吸出高度线的绘制（1）绘出各水头下的辅助曲线，如图7。（2）求出各水头下的值，并在相应的模型综合特性曲线上查出水平线与各等气蚀系数线的所有交点坐标、值，填入表5中。（3）在辅助曲线上相应于上述各的值，填入表5中。（4）用公式，算出相应于上述各的Hs值，填入表5中。（5）根据表中对应的Hs值和N值，作出曲线，如图8。（6）在图上任取某Hs值，作水平线与曲线相交，记下各交点的Hs、N值，并点绘在HN坐标图上，将各点连成光滑曲线即成为某Hs值的等吸出高度线，如图8。表5 吸出高度计算表项目NHmin=100m5013351.42682.52496217563.44353.6787021771.46079.76718029581.49422.70129056791.420335.66Hmax=140m5011851.43942.446216563.46799.767022171.410256.788033781.417830.969055691.433032.5Hr=110m5012551.42908.64866216563.44735.77797021471.46917.19658029481.410834.039052791.421805.946Hav=116m5012151.43049.05386216163.45004.16637021971.47665.82548030481.412131.5029051591.423076.504图7 辅助曲线图8 曲线图8 等吸出高度线8.5 运转综合特性曲线的绘制 通过以上步骤，将各图综合在一起就可以得到原型运转综合特性曲线。24