【优选】第三章水轮机特性与选型PPT文档.ppt

《【优选】第三章水轮机特性与选型PPT文档.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【优选】第三章水轮机特性与选型PPT文档.ppt（54页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、l水轮机设计、制造、选型、最佳运行方案、限制条件。由于水轮机水流条件复杂，研究水轮机特性靠理论与实验相结合。l试验研究：原型：尺寸大，试验困难，不经济。l模型：(D1:250460mm，H：26m)快、方便，易测量数据，较准确。l相似理论：研究相似水轮机之间存在的相似规研究相似水轮机之间存在的相似规律，并确立这些参数之间的换算关系的理论律，并确立这些参数之间的换算关系的理论。一、水轮机相似条件一、水轮机相似条件l1、几何相似几何相似：过流通道几何形状相似l(1)、过流通道的对应角相等：e1e1M；e2e2M；Ml(2)、对应尺寸成比例：D1/D1Mb0/b0Ma0/a0M.l(3)、对应部位的

2、相对糙率相等：/D1M/D1M(较难)l几何相似:大大小小的一套水轮机系列大大小小的一套水轮机系列轮系轮系，同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。l2、运动相似运动相似：l同一轮系水轮机、工况相似l(1)、过流通道的对应点的速度方向相同。l(2)、过流通道的对应点的速度大小成比例，即速度三角形相似。l3、动力相似动力相似：(压力、惯性力、重力、摩擦力等)l同一轮系水轮机，水流对应点所受的作用力是同名力、方向相同、大小成比例。l对于水轮机介质为水，所以模型试验主要保证重力、水流运动惯性力和压力相似，对于粗糙度、粘滞力等次要因素先不计其影响，在转换成原型成果时在依据经验修正。二、水轮机的相似

3、定律二、水轮机的相似定律l相似定律相似定律：建立模型及原型水轮机各个参数(H、n、N、)之间的关系。l1.转速相似律转速相似律：即原型和模型水轮机转速之间的关系。（课本3-7）ls(H)（水力效率）l2流量相似律流量相似律：几何相似、相似工况下流量之间的关系。（课本3-9）l均为固定值，QM可以测得，若rM、sM、r（v容积效率）、s（H水力效率）已知，可求出Q。l3.出力相似律出力相似律：即几何相似、相似工况下原型和模型水轮机出力之间的关系。l（课本3-10）lJ（m机械效率）三、单位参数l在进行水轮机模型试验时，由于各制造厂家条件及装置不同（也不要求相同），所以得到的模型参数也各不相同，不

4、便于同轮系不同模型试验成果的比较；更难以进行在不同轮系之间进行性能比较。大中型电站为了主结线对称，大多选偶数台数，一般选46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:三峡装机2670=1820万千瓦。大中型电站为了主结线对称，大多选偶数台数，一般选46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:三峡装机2670=1820万千瓦。能量试验数据记录计算表第二节水轮机的效率换算与单位参数修正几何相似:大大小小的一套水轮机系列轮系，同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。8m，水轮机额定出力为22000kw，电站厂房地面海拔高程为=450m，下游设计尾水位：470m。

5、吸出高Hs应满足：防止水轮机汽蚀，开挖深度合理。三、水轮机型号及装置方式的选择保证水轮机在工作范围内高效率、稳定运行，研究水轮机在各种工况下的能量特性、气蚀特性等必须依靠水轮机模型试验(因水流在转轮中的运动相当复杂，理论分析困难，只有在最优工况下，作些假定后才能进行)方法：根据Nr、D1、Hr求出Q1max，由Hmax、Hmin、D1、n求出：n1min和n1max，在综合特性曲线上以Q1max、n1min和n1max作直线，此范围即为水轮机的相似工作范围二、机组台数及单机容量的选择Z0多单位千瓦阀门、调速、管道、辐设、电气等增加厂房尺寸增加。一、模型试验的目的及任务根据目前国内设计、施工和运

6、行的电站资料，在特征水头相近、N单适当，经济技术指标相近时，有限套用已经生产过的机组，这样可以节省设计时间、尽早供货、提前发电。(3)、对应部位的相对糙率相等：/D1M/D1M(较难)1、机组台数与机电设备制造的关系l单位参数：将模型试验结果化成为单位参数：将模型试验结果化成为D1M=1m，HM=1m标准情况下的参数。标准情况下的参数。l分别用表示。l1单位转速单位转速：(r/min)l2单位流量单位流量：(m3/s)l3单位出力单位出力：(KW)l同一轮系水轮机在不同工况，单位参数不同)。(最优工况值：n10、Q10、N10)第二节第二节水轮机的效率换算与单位参数修正水轮机的效率换算与单位参

7、数修正l一、一、水轮机效率换算水轮机效率换算l上面的单位参数公式是在假定相似工况下，实际上(2%7%)，因此要把M转换为。l1、最优工况下的效率修正最优工况下的效率修正lHL：lZZ：l2、一般工况一般工况l(1)HL：l式中：式中：为最高效率点效率修正值。为最高效率点效率修正值。l(2)ZZ二、单位参数的修正l不同，不同，、也要加以修正也要加以修正l1最优工况时：最优工况时：l2其他工况时：其他工况时：l第三节、水轮机的比转速l1、定义：同一轮系水轮机定义：同一轮系水轮机H=1m，N=1KW时，时，所具有的转速所具有的转速(单位转速与单位出力公式消去D1得）l2、公式公式：(m.kW)l3、

8、意义意义：l(1)表示水轮机特征的一个综合参数表示水轮机特征的一个综合参数(与与D1无关无关)，能将水轮机的能将水轮机的n、H、N之间的关系综合反映出来，之间的关系综合反映出来，代表了水轮机的轮系特征。代表了水轮机的轮系特征。l(2)工况相似时，为常数，即随工况变化。工况相似时，为常数，即随工况变化。l(3)一般按一般按设计（或最优）设计（或最优）工况确定该水轮机轮工况确定该水轮机轮系的特征参数系的特征参数。l4讨论：讨论：l()、相似水轮机，工况相似，相同，不同、相似水轮机，工况相似，相同，不同的，反映不同轮系水轮机特征。的，反映不同轮系水轮机特征。l()、当、当H，一定时：，一定时：n。机

9、组尺寸缩。机组尺寸缩小，小，减少，因此提高比转速可以降低造价。减少，因此提高比转速可以降低造价。l()、比转速增加，单位流量增加（式、比转速增加，单位流量增加（式3-28），），b0/D1增大，叶片数目减少。增大，叶片数目减少。（课本（课本3-2图）图）l()、当水头和出力一定时，越高（、当水头和出力一定时，越高（nQV2（课本（课本3-3图，汽蚀系数越大（式图，汽蚀系数越大（式3-31），增加厂房开挖。，增加厂房开挖。水轮机牌号中的转轮型号比转速l不同的轮系，有不同的比转速。目前，各种类型的水轮机比转速的大致范围为：贯流式：ns=600-1100轴流式：ns=400-900斜流式：ns=20

10、0-450混流式：ns=60-350水斗式：ns=10-70不同比转速的转轮形状第四节第四节水轮机的模型试验水轮机的模型试验l一、模型试验的目的及任务一、模型试验的目的及任务l1、目的、目的：l保证水轮机在工作范围内高效率、稳定运行，研究水轮机在各种工况下的能量特性、气蚀特性等必须依靠水轮机模型试验(因水流在转轮中的运动相当复杂，理论分析困难，只有在最优工况下，作些假定后才能进行)反击式水轮机能量试验台l2、任务：水轮机模型试验是按一定比例将原形水轮机缩小为模型水轮机，并采用较低的模型水头HM和较小的QM进行试验，测出各工况下的工作参数，然后通过相似公式换算和修正得出该轮系的综合参数。l能量试

11、验:测定模型水轮机在各种工况下的运行效率M，通过测量nM、NM、QM、HM四个基本参数，绘制水轮机综合特性曲线和运转特性曲线。能量试验数据记录计算表第五节第五节水轮机模型综合特性曲线水轮机模型综合特性曲线l一、水轮机参数及特性曲线一、水轮机参数及特性曲线l1、水轮机参数：参数关系反映水轮机特、水轮机参数：参数关系反映水轮机特性。性。l(1)、结构参数：转轮直径、结构参数：转轮直径D1，导叶高度，导叶高度b0，导叶开度，导叶开度a0，叶片转角，叶片转角l(2)、工作参数：、工作参数：H、Q、n、Hsl(3)、综合参数：轴功率、综合参数：轴功率N、(最优工况值：n10、Q10、N10)出力相似律：

12、即几何相似、相似工况下原型和模型水轮机出力之间的关系。一、水轮机参数及特性曲线如果两种型号均可采用，应进行方案比较。(4)、便于管理、检修、维护，运行安全可靠，设备经久耐用1、机组台数与机电设备制造的关系(3)、综合参数：轴功率N、(一)、用系列应用范围图选参数2其他工况时：所以一般选用较大的N单。(在Hav时，最高)Z0多单位千瓦阀门、调速、管道、辐设、电气等增加厂房尺寸增加。(在Hr下，发出Nr)保证水轮机在工作范围内高效率、稳定运行，研究水轮机在各种工况下的能量特性、气蚀特性等必须依靠水轮机模型试验(因水流在转轮中的运动相当复杂，理论分析困难，只有在最优工况下，作些假定后才能进行)轴流式

13、：ns=400-900所以一般选用较大的N单。(2)、选择水轮机型式（型号）装置方式。依据：N单，特征水头(Hmax、Hmin、Hav、Hr)l2、特性曲线：各参数之间的关系曲线。l(1)、线性特性曲线：反映23个参数之间的关系曲线l(2)、综合特性曲线：表示多个参数之间的关系，反映全面，应用广。l模型综合特性曲线：以为坐标场，绘制了、a0、等等值线。二、混流式水轮机的模型综合特性曲线二、混流式水轮机的模型综合特性曲线l1、等开度线l2、等效率线l3、5%出力限制线l4、等气蚀系数线l例课本图例课本图3-12HL240模型综合曲线模型综合曲线三、轴流式水轮机的模型综合特性曲线三、轴流式水轮机的

14、模型综合特性曲线l1、等开度线l2、等效率线l3、等叶片转角线l4、等气蚀系数线l例课本图例课本图3-16ZZ440模型综合曲线模型综合曲线四、轴流定浆式水轮机的模型综合特性曲线第六节第六节水轮机的运转特性曲线水轮机的运转特性曲线l一、一、水轮机运转特性曲线（由模型综水轮机运转特性曲线（由模型综合特性曲线换算而来的）合特性曲线换算而来的）l组成：N（出力）为横座标，H（水头）为纵座标，绘有=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。（课本图3-11)第七节第七节水轮机的选型设计水轮机的选型设计l一、水轮机选择的意义、原则、内容一、水轮机选择的意义、原则

15、、内容l1、意义、意义l水轮机是水电站中最主要动力设备之一，水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影响电站的影响电站的、制造、运输、安装、安全、制造、运输、安装、安全运行、经济效益，因此根据运行、经济效益，因此根据H、N的范围的范围选择水轮机是水电站中主要设计任务之一，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。使水电站充分利用水能，安全可靠运行。l2、原则、原则l(1)、充分考虑电站特点（水文水能、电力、充分考虑电站特点（水文水能、电力系统技术条件，电站总体布置系统技术条件，电站总体布置)。l(2)、有利于降低电站、有利于降低电站、运行费、缩短工期，、运行费、缩短

16、工期，提前发电提前发电l(3)、提高水电站总效率，多发电、提高水电站总效率，多发电l(4)、便于管理、检修、维护，运行安全可、便于管理、检修、维护，运行安全可靠，设备经久耐用靠，设备经久耐用l(5)、优先考虑套用机组、优先考虑套用机组l3、内容、内容l(1)、确定机组台数及单机容量、确定机组台数及单机容量l(2)、选择水轮机型式（型号）装置方式。、选择水轮机型式（型号）装置方式。l(3)、确定水轮机转轮直径、确定水轮机转轮直径D1、n、Hs、lZa（安装高程）、（安装高程）、Z0（台数）等。等。l(4)、绘制水轮机运转特性曲线、绘制水轮机运转特性曲线l(5)、估算水轮机的外形尺寸、重量及价格、

17、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、调速器及油蜗壳、尾水管的形式、尺寸、调速器及油压装置选择压装置选择l(6)、根据选定、根据选定水轮机型式和参数水轮机型式和参数，结合水，结合水轮机在结构上、材料、运行等方面的要求，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，作为进一步方共同商定机组的技术条件，作为进一步设计的依据。设计的依据。l4、有关资料、有关资料l(1)、水轮机产品技术资料：、水轮机产品技术资料：l系列型谱、生产厂家、产品目录、模型综系列型谱、生产厂家、产品目录、模型综合特

18、性曲线。合特性曲线。l(2)、水电站技术资料：、水电站技术资料：l河流梯级开发方案、水库的调节性能、水河流梯级开发方案、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、安装技情况、总装机容量、水电站运输、安装技术条件。术条件。l(3)、水文情况：l特征流量及特征水头(Qmax、Qmin、Qav、Hmax、Hmin、Hr、Hav)、下游水位流量关系曲线l(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l(5)、国内外已运行同类型水轮机及水电站资料。二、机组台数及单机容量的选择二、机组台数及单机容量的选择l已知总

19、装机容量(Z0台数N单)，N单不同，D1、n、Hs、均不同l1、机组台数与机电设备制造的关系、机组台数与机电设备制造的关系lN总一定，Z0多N单尺寸（D1）小制造运输容易造价高(单位千瓦耗材多、制造量大)。l所以一般选用较大的所以一般选用较大的N单。l2、机组台数与电站、机组台数与电站的关系的关系lZ0多多单位千瓦单位千瓦阀门、调速、管道、阀门、调速、管道、辐设、电气等增加辐设、电气等增加厂房尺寸增加。厂房尺寸增加。l机组的安装维护工作量增加，总的来说，机组的安装维护工作量增加，总的来说，在大多数情况下，水电站的在大多数情况下，水电站的随机组台数随机组台数增多而增大。增多而增大。3、机组台数与

20、运行效率的关系、机组台数与运行效率的关系lZ0多多平均效率提高平均效率提高l(1)担任基荷时担任基荷时：出力变化小，流量变化稳定，：出力变化小，流量变化稳定，可用可用较少的台数较少的台数，使水轮机在较长时间内以最，使水轮机在较长时间内以最优工况运行，其优工况运行，其平均效率也比较高平均效率也比较高。l(2)担任峰荷时担任峰荷时：出力变化幅度大，应该选用：出力变化幅度大，应该选用较较多的台数，多的台数，以增加其运行灵活性，提高整体运以增加其运行灵活性，提高整体运行效率。行效率。l(3)对于轴流定浆和混流式水轮机，可以选用较对于轴流定浆和混流式水轮机，可以选用较多的台数，而对于多的台数，而对于轴流

21、转浆式水轮机轴流转浆式水轮机因其调节因其调节性能好，可以性能好，可以选用较少的机组选用较少的机组。4、机组台数与电站运行维护工作的、机组台数与电站运行维护工作的关系关系l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。l总之，一般应采用较大的N单，较少的台数，但一般至少应选2台，少数情况下可选1台。大中型电站为了主结线对称，大多选偶数台数，一般选46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:三峡装机2670=1820万千瓦。三、水轮机型号及装置方式的选择三、水轮机型号及装置方式的选择l（一）型号选择l依据：N单，特征

22、水头(Hmax、Hmin、Hav、Hr)l1根据水轮机系列型谱选择根据水轮机系列型谱选择l水轮机生产系列化、标准化和通用化，尽水轮机生产系列化、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按自己的运行条件和要求选择合适的水轮机。机。l型号的选择主要取决于水头。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。l表33、34、35、36、37中给出了轴流式、混流式水轮机转轮的参数。l1)、水轮机的使

23、用型号规定一律采用统一的比转速代号。l2)、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；下限水头主要是考虑到使水轮机的运行效率不至于过低。l2采用套用机组采用套用机组l根据目前国内设计、施工和运行的电站资根据目前国内设计、施工和运行的电站资料，在特征水头相近、料，在特征水头相近、N单单适当，经济技适当，经济技术指标相近时，有限套用已经生产过的机术指标相近时，有限套用已经生产过的机组，这样可以节省设计时间、尽早供货、组，这样可以节省设计时间、尽早供货、提前发电。提前发电。（二）装置方式选择l在大中型水电站中，其水轮发电机组的尺寸一般较大，

24、安装高程也较低，因此多采用竖轴式装置方式，这样发电机位置较高不易受潮，机组传动效率较高，设备布置较方便。对于转轮尺寸较小（D11m)的机组可采用卧式布置，以降低厂房高度。四、反击式水轮机主要参数的选择四、反击式水轮机主要参数的选择l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Hs，D1、n应该满足：在Hr下，发出Nr；在Hav时，最高。吸出高Hs应满足：防止水轮机汽蚀，开挖深度合理。l(一一)、用系列应用范围图选参数、用系列应用范围图选参数l水轮机系列应用范围图（课本图水轮机系列应用范围图（课本图3-22）l以以H为横座标，为横座标，N单为纵座标绘制某一系列单为纵

25、座标绘制某一系列水轮机应用范围。水轮机应用范围。l1、根据、根据Hr、Nr范围范围D1，n。(在Hr下，发出Nr)l2、水轮机吸出高度的确定、水轮机吸出高度的确定Hs：根据：根据hsH的关系曲线确定。的关系曲线确定。l由由Hrhs，Hshs900(二二)、按综合特性曲线选择水轮机参数参数1、D1的确定(1)Nr(水轮机额定出力水轮机额定出力)Nr=Nf/f（2）用用H=Hr计算。计算。(在Hr下，发出Nr)（3 3）：原型水轮机在限制工况下的效率，在：原型水轮机在限制工况下的效率，在D1未确定时未确定时一般先取一般先取=M+(=23%)，求得，求得D1后再修正后再修正(4)Q1 在N=Nr时，

26、取限制工况下的Q1，并查出限制工况的M 混流水轮机由5%出力限制线得到，轴流式由汽蚀条件得到，或限制HS反推z，以防止开挖过多。z为水轮机装置的汽蚀系数。z 与n10相交得Q12、转速的选择n1用最优单位转速n10，n10=n10M+n1,水头H=HaV。(在Hav时，最高)转速n随工况而变，要选发电机转速相近而偏大的标准同步转速。3、工作范围的检验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D1、n的合理性。方法：根据Nr、D1、Hr求出Q1max，由Hmax、Hmin、D1、n求出：n1min和n1max，在综合特性曲线上以Q1max、n1min和n1max

27、作直线，此范围即为水轮机的相似工作范围l4、HS的计算l计算公式（设计工况气蚀系数）l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。l作业题一：作业题一：l某水电站某水电站Hmin=51m，Hmax=75m，Hr=60m，座环外经，座环外经Da=3.8m，水轮机额，水轮机额定出力为定出力为22000kw，电站厂房地面海拔高，电站厂房地面海拔高程为程为=450m，下游设计尾水位：，下游设计尾水位：470m。根据上述资料完成下面工作。根据上述资料完成下面工作。l（1）、选择水轮机型号及装置方式；、选择水轮机型号及装置方式；l（2）、用水轮机系列应用范围确定参数、用水轮机系列应用范围确定参数D1、n、HS；l（3）、确定你选系列水轮机模型的最优、确定你选系列水轮机模型的最优工况值工况值n10、Q10、ax；l（4）、确定水轮机的安装高程；、确定水轮机的安装高程；l（5）、选择蜗壳型式、绘制其平面单线、选择蜗壳型式、绘制其平面单线图（假定），比例自选；图（假定），比例自选；l（6）、确定尾水管尺寸：（、确定尾水管尺寸：（）、；谢谢观看谢谢观看