水轮发电机组选型设计说明

第1章 水轮发电机组选型设计

1.1、机组台数及型号选择

1.1.1、水轮机型式的选择

已知参数

6.25max =H , 8.22min =H , 3.23av =H , MW 200=N 保证出力：MW 35=b N ，利用小时数：h 2225 取设计水头3.23av r ==H H

按我国水轮机的型谱推荐的设计水头与比转速的关系，

混流式水轮机的比转速s n :

）（kW m H n s ?=-=-=

394203

.232000

202000 轴流式水轮机的比转速s n : )(4773

.232300

2300kW m H n s ?===

根据原始资料，适合此水头围的水轮机类型有轴流式和混流式。 轴流式和混流式水轮机优点：

（1）混流式结构紧凑，运行可靠，效率高，能适应很宽的水头围，是目前应用最广泛的水轮机之一。

（2）轴流式水轮机s n 较高，具有较大的过流能力，轴流转桨式水轮机可在协联方式下运行，在水头、负荷变化时可实现高效率运行

根据表本电站水头变化围m H 6.25~8.22=查《水电站机电设计手册—水力机械》

因为设计电站是无调节电站，所以工作容量等于保证出力MW 35=b N

选用混流式机组的单机容量不得超过

MW 8.7745.035

= 选用轴流式机组的单机容量不得超过

MW 10035

.035

= 确定机组台数4台和5台 方案列表如下：

单机容量（MW) 50 50 50 40 40 40

1.2.1、方案Ⅱ、MW 504? 244/260A HL

1、计算转轮直径

水轮机的额定出力为：

W 51020%

9850000

k N P G

G

r ==

=

η 取最优单位转速min 80110

r/n =与出力限制线的交点的单位流量为设计工况点单

位流量，则）（s /m 29.1Q 3110=,对应的模型效率875.0m =η，暂取效率修正值

%2=?η，则设计工况原型水轮机效率895.002.0875.0m =+=?+=ηηη。

故水轮机转轮直径为：

）（m 33.6895

.03.2329.181.951020

81.95

.15

.11101=???==

η

r r

H Q P D 我国规定的转轮直径系列，计算值处于标准值m 5.6~0.6 m 之间，考虑到取m 0.6偏小，难于保证设计水头下发生额定出力；若取m 5.6又太大，不经济。本机组属于大型水轮机，故取非标准值m 4.61=D 。 2、转速n 的计算

由244/260A HL 转轮技术资料提供查得min /r 80n 110=

min /34.604

.63

.23801110r D H n n av =?==

转速计算值介于同步转速min /5.62~min /60r r 之间， 当取min /60r 时，运行区域如下图：

当取min /5.62r 时，运行区域如下图：

根据244/260A HL 模型转轮综合特性曲线，取min /5.62r 时水轮机的实际运行围刚好，取min /60r 时有些偏离高效率中心区域，故取水轮机的转速min /5.62r n =。

3、效率 r η的计算：

954.04

.635

.0)917.01(1D D )1(155

1m 10m max r =--=--=ηη 效率修正值：037.0917.0954.0m0rmax =-=-=?ηηη

4、平均效率h 的计算

min H ：取min H 下）（

min /8.83max 11r n =与出力限制线的交点的效率876.0min =mH η 真机的效率913.0037.0876.0min min =+=?+=ηηηmH H

max H 、r H 、av H 是以发电机出力为限制，采用逼近法找到单位流量和相应的效率。水头)(m

流量)/(3s m 模型效率(%) 真机效率(%) 出力)(kW 25.6

1.2 89 9

2.7 57896 25.6 1 90.9 94.6 49236 25.6 1.1 91.2 94.9 54331 25.6 1.05 91.7 95.4 52135 25.6 1.03 91.4 95.1 50981 25.6 1.035 91.5 95.2 51282 水头)(m 流量)/(3s m

模型效率(%)

真机效率(%)

出力)(kW 23.3 1.2 90 93.7 50814 23.3 1.22 89.6 93.3 51440 23.3

1.21

89.8

93.5

51128

max H ：951.0max =H η

r H 、av H ：936.0==Hav Hr ηη

则平均效率为：

934.04

936.0936.0951.0913.04max min =+++=+++=Hr Hav H H ηηηηη

5、转轮直径1D 的校核

用912.0r =η对原先计算的1D 进行校核

）

（m 19.6936

.03.2329.181.951020

81.95.15

.11101=???==

η

r r

H Q P D 转轮直径）（m 4.61=D 仍合适。 6、水轮机设计流量r Q 的计算

设计工况点的单位流量r Q 11为

）（s m /206.13.234.6936.081.951020H D 81.9P Q 3

5

.125.1r

21T r 11=???==η )/(2383.234.6206.1Q 322

1

11r s m H D Q r r =??==

7、几何吸出高度 s H 的计算

为使水轮机尽可能不发生空化，取max H 、r H 、min H 三个水头分别计算水轮机的允许吸出高度，以其中的最小值作为最大允许吸出高度。为此，进行如下计算。 （1）、计算max H 、r H 、min H 所对应的单位转速11n

max H ： ）

（min /1.796

.254

.65.62max 1min 11r H nD n =?== r H ： ）

（min /9.823.234

.65.62111r H nD n r r =?==

min H ： ）（min /8.838

.224

.65.62min 1max 11r H nD n =?==

（2）、确定各水头所对应的出力限制工况点的单位流量11Q

min H ：取max 11n 与出力限制线交点处的单位流量)/(27.13max 11s m Q =

r H ：由逼近法表格知s m /205.1Q 3r 11=

max H ：由逼近法表格知s m /03.1Q 3r 11= （3）、用（1）、（2）中计算的对应工况点从模型综合特性曲线上分别查出min H 、r H 、max H 所对应的模型空化系数，分别是0.15、0.139、0.11 （4）根据水位—流量关系曲线

5000

10000

15000

20000

264

266268270272274276278280水位 (m )

流量(m 2

/s)

电站装机 水轮机的过流量选用值 1台或2台 1台水轮机50%的额定流量 3台或4台 1台水轮机的额定流量 5台以上 1.5~2台水轮机额定流量

本方案装机4台，流量)/(238Q Q r s m ==对应的水位E=263.5m 。 （5）分别用查到的空化系数计算min H 、r H 、max H 对应的吸出高度

计算式： H E H M s )(900/10σσ?+--=

查空化系数修正曲线

水轮机水头为23.3m 时，058.0=?σ

min H ： )(96.48.22)058.015.0(900/5.26310m H s =?+--= r H ： )(12.53.23)058.0139.0(900/5.26310m H s =?+--= max H ：)(41.56.25)058.011.0(900/5.26310m H s =?+--=

从三个吸出高度计算值中取最小值 4.96m ，再留一定的余量，取允许最大吸出高度m H s 4=。

8、水轮机安装高程

016.24.6315.0b 100=?=?=D b

)(5.2682

016

.245.2632m b H o S w =++=++?=?

9、飞逸转速R n 的计算

由HL260/A244模型水轮机飞逸特性曲线查得，在最大导叶开度下单位飞逸转速

，

min /r 7.158n 11=R

故水轮机的飞逸转速为 min)/r (1254

.66

.257.158n n 1max 11=?==D H R R

10、计算轴向水推力t F

据HL260转轮技术资料提供的数据，转轮轴向水推力系数0.41~34.0K t =，转轮直径较小、止漏环间隙较大时取大值。本电站转轮直径较大，故取38.0K t =。 水轮机转轮轴向水推力为：

N H D 30700286.254.64

10.38081.94

109.81K F 23

max 213

t t =????==π

π

1.2.2、方案Ⅱ、MW 504? 503JK

1、计算转轮直径

水轮机的额定出力为：

W 51020%

9850000

k N P G

G

r ==

=

η 取最优单位转速min 135110r/n =,取限制工况的单位流量）（s /m 8.1Q 3110=,对

应的空化系数64.0=σ空化曲线作为限制，对应的模型效率87.0m =η，暂取效率修正值%2=?η，则设计工况原型水轮机效率89.002.087.0m =+=?+=ηηη。

故水轮机转轮直径为：

）

（m 37.589

.03.238.181.951020

81.95.15

.11101=???==η

r r

H Q P D 我国规定的转轮直径系列，计算值处于标准值m 5.5~0.5之间，考虑到取m 0.5偏小，难于保证设计水头下发生额定出力；若取m 5.5又太大，不经济。本机组属于大型水轮机，故取非标准值m 4.51=D 。 2、转速n 的计算

由503JK 转轮技术资料提供查得min /r 135n 110=

min /7.1204

.53

.231351110r D H n n av =?==

转速计算值介于同步转速min /125~min /4.115r r 之间。 则机组运行区域如下图：

根据503JK 模型转轮综合特性曲线，取min /125r 时水轮机的实际运行围刚好，取min /4.115r 偏离了高效率中心区域，故取水轮机的转速min /125r n = 3、效率 r η的计算：

938.0)3

.2310

4.53

5.07.03.0()908.01(1)D D 7.03.0)(1(110510r 5

1m 10m max r =?+?--=+--=H H m ηη

效率修正值：030.0908.0938.0m0rmax =-=-=?ηηη

4、平均效率h 的计算

(1)、计算max H 、r H 、min H 所对应的单位转速11n

max H ： ）

（min /4.1336

.254

.5125max 1min 11r H nD n =?== r H ： ）

（min /8.1393.234

.5125111r H nD n r r =?==

min H ： ）（min /4.1418

.224

.5125min 1max 11r H nD n =?==

(2)、min H ：取min H 下）（min /4.141max 11r n =与空化系数64.0=σ空化曲线的交点的效率

872.0min =mH η真机的效率902.003.0872.0min min =+=?+=ηηηmH H

max H 、r H 、av H 是以发电机出力为限制，采用逼近法找到单位流量和相应的效率。逼近法见下表：