水轮机选型计算.docx

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水轮机选型计算

浅谈水轮机选型计算

X彪

（XX广发重工集团发电设备公司XXXX530031）

摘要：

简单介绍了水轮机的形式、适用X围、特点、水轮机选型的步骤、蜗壳、尾水管的尺寸计算及调速设备和油压装置的选择方法。

阐述水轮机各种机型特点及水轮机技术参数之间的相互关系。

关键词：

水轮机选型、蜗壳、尾水管、进水阀门、调速器、油压装置

原则

选型计算的一般原则概括为以下几点：

①所选定的水轮机应有较高的效率。

不仅要选择效率高的转轮型号，而且还要根据水轮机的模型综合曲线和真机工作特性曲线选择工作X围最好的转轮，以保证水轮机运行时有较高的工作效能；

 ②所选定的水轮机转轮直径应较小。

较小的转轮直径将使机组获得较高的转速，从而缩小机组尺寸，降低机组造价。

  ③所选定的水轮机应有良好的汽蚀性能和工作稳定性（压力脉动小）。

④优先考虑套用已有型号转轮直径接近的机组。

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）、确定水轮机参数D1、Q、n、Hs、ns、F、Z0、do。

（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。

水轮机选型过程中，根据水电站所需要的开发方式、动能参数、水工建筑物布置等，并考虑已生产的水轮机的参数拟选若干方案进行技术经济的综合比较，最终确定水轮机的最佳型式与参数。

水轮机选型计算内容

1.确定单机容量及机组台数

根据DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》的规定，水电站工程等别根据其在国民经济建设中的重要性，按照库容和装机容量划分为五等：

水电枢纽工程的分等指标

工程等别

工程规模

水库总库容（亿m3）

装机容量MW

一

大

（1）型

≥10

≥1200MW

二

大

（2）型

1~10

1200～300

三

中型

0.1~1

300～50

四

小

（1）型

0.01~0.1

50～10

五

小

（2）型

<0.01

＜10

水电站机组台数的选择一般是在装机容量已定的情况下进行的，选择的过程实际上是一个技术经济比较的过程，有时与水轮机型式的选择、甚至与水轮机主要参数的选择同时进行。

2.选择水轮机型式（型号）

（1）、根据《水轮机设计手册》,水轮机的分类和适用X围见下表（可逆式水轮机,在型式代号后增加汉语拼音字母”N”表示）：

类型

水轮机型式

适用

水头

特点

汉字

拼音

汉字

拼音

反

击

型

混流式Francis

HL

30~700

结构紧凑、运行稳定、X围广,效率高

轴流式Kplan

Z

转桨式

Z

3~80

用于中低水头,大流量电站

定桨式

D

3~70

用于功率及水头变幅不大的电站

调桨式

T

3~70

介于定桨与调桨之间

斜流式Deriax

X

转桨式

Z

40~200

用于水头变幅大的电站,

但工艺较复杂,技术要求高

定桨式

D

贯流式Bulb

G

转桨式

Z

2~25

用于低水头电站和潮汐电站

定桨式

D

冲

击

式

水斗式Pelton

CJ

300~1700

用于负荷变化大而水头变化不大的电站

斜击式Turgo

XJ

50~400

效率较低,适用于中小型电站

双击式Banki

SJ

10~150

效率低,仅用于小型电站

（2）、水轮机装置形式及引水室代号如下表：

主轴布置形式

引水室型式与代号

汉字

拼音

汉字

拼音

汉字

拼音

卧式

立式

W

L

明槽

M

轴伸式

Z

混凝土蜗壳

H

竖井式

S

灯泡式

P

金属蜗壳

J

罐式

G

罐式引水室

G

红吸式

X

有压明槽

MY

（3）、转轮型号含义示意图：

混流式水轮机示意图：

轴流式水轮机示意图：

灯泡贯流式水轮机示意图：

冲击式水轮机示意图：

在产品型号中,用转轮名义直径表示水轮机尺寸,转轮名义直径取：

（1）对于轴流式水轮机,取转轮室最大直径;

（2）对于混流式水轮机,取转轮叶片进口边的最大直径。

以下对水轮机产品型号举例:

（1）HLA883-LJ-220,表示混流式,转轮型号为HLA883,金属蜗壳,立轴，转轮直径D1=220cm。

（2）HLA520-WJ-80,表示混流式,转轮型号为HLA520,金属蜗壳,卧轴,转轮直径D1=80cm。

（3）ZZ709-LH-400,表示轴流式,转轮型号为ZZ709,混凝土蜗壳,立轴,转轮直径D1=400cm。

（4）GZ995a-WP-460,表示贯流式,转轮型号为GZ995a,灯泡式,卧轴,转轮直径D1=460cm。

（5）2CJA475-W-120/2x10,表示一根轴上有两个转轮的水斗式水轮机,转轮型号为CJA475,

卧轴,转轮直径为D1=120cm,每个转轮有两个喷嘴,射流直径为10cm。

根据《GB/T15468-2006水轮机基本技术条件》，对水轮机的稳定运行X围规定：

①在空载情况下应能稳定运行;

②在最大和最小水头X围内，水轮机应在下表所列功率X围内稳定运行:

水轮机型式

相应水头下的机组保证功率X围/%

混流式

45~100

定桨式

75~100

转桨式

35~100

冲击式

25~100

对于混流式水轮机，如在保证运行X围内出现强振，应采取相应措施或避振运行。

高负荷短时运行X围100h，低负荷短时运行X围500h。

③导叶漏水量：

不应大于水轮机额定流量的3‰,圆锥式导叶漏水量不应大于额定流量4‰。

冲击式水轮机全关时不应漏水

④转轮裂纹保证

供货方应在设计制造过程中采用措施，保证产品质量，在合同规定的保证期和稳定运行X围内保证转轮不产生裂纹。

⑤噪声要求

水轮机正常运行时，在水轮机机坑地板上方1m处所测得的噪声不应大于90dB（A）,在距尾水管进入门1m处所测得的噪声不应大于95dB（A）,冲击式水轮机壳上方1m处所测得的噪声不应大于85dB（A）,贯流式水轮机转轮室周围1m内所测得的噪声不应大于90dB（A）

⑥可靠性指标

在一般水质条件下,水轮机应具有以下可靠性指标：

水轮机大修间隔期不少于5年；

无故障连续运行时间不少于20000小时；

水轮机平均寿命不少于40年。

根据GB/T15469.1-2008反击式水轮机空蚀评定（MODIEC60609-1：

2008）

在规定的运行X围和时间内运行一时间内，任何形式的水轮机转轮（是指正常选用的转轮材料为不锈钢或不锈钢覆面的碳钢）的最大空蚀深度S（以mm计）、最大空蚀材料剥落体积V（以cm2）和质量M（以kg计）。

图中所示各值依据以下条件确定：

a）在不少于两年运行时间后的合理修补量。

b）空蚀深度不削弱机械强度。

这里给出的空蚀体积V、质量M值不是指单个叶片，而是指整个转轮。

转轮形式

材质

空蚀深度S

质量M

空蚀体积V

任何形式转轮

不锈钢

S=4D0.4

M=0.78D2

V=20D2

碳钢

S=6D0.4

M=0.156D2

V=100D2

3.确定水轮机同步转速n、比转速ns、过流量Qr、转轮直径D1、吸出高度Hs、轴向水推力F、飞逸转速nr等；冲击式水轮机射流直径do与喷嘴数Zo。

（1）现代水轮机一般都直接带动水轮发电机,带动加工机械的情况较少。

我国电网所采用的标准频率为f=50Hz,一些国家和地区也有采用60Hz,为得到标准频率必须满足以下条件：

np=6000（f=50Hz）或np=7200（f=60Hz）（式中:

n—发电机转速（r/min）；p—发电机磁极对数）。

按中国额定电压标准,不同机组容量选择发电机额定电压的参考值如下表所示：

选择发电机额定电压的参考值（查《中国水力发电工程机电卷》）

机组容量（MVA）

6~35

7.5~65

36~200

100~320

320

额定电压（kV）

6.3

10.5

13.8

15.75

18

机组容量（MVA）

<125MVA

125

P<350MVA

额定功率因数

不低于0.8（滞后）

不低于0.85（滞后）

不低于0.9（滞后）

根据《GB/T7894-2001水轮发电机基本技术条件》及《水轮机》,水轮发电机额定转速优先在下列转速（r/min）中选择：

（60Hz转速按优先转速所对应的磁极对数得出）

发电机

磁极对数

发电机转速

发电机

磁极对数

发电机转速

发电机

磁极对数

发电机转速

50Hz

60Hz

50Hz

60Hz

50Hz

60Hz

2

1500.0

1800.0

15

200.0

240.0

34

88.2

105.8

3

1000.0

1200.0

16

187.5

225.0

36

83.3

100.0

4

750.0

900.0

18

166.7

200.0

40

75.0

90.0

5

600.0

720.0

20

150.0

180.0

42

71.4

85.7

6

500.0

600.0

21

142.9

171.5

44

68.2

81.8

7

428.6

514.3

22

136.4

163.7

48

62.5

75.0

8

375.0

450.0

24

125.0

150.0

50

60.0

72.0

9

333.3

400.0

26

115.4

138.5

52

57.7

69.2

10

300.0

360.0

28

107.1

128.5

56

53.6

64.3

12

250.0

300.0

30

100

120.0

60

50

50

14

214.3

257.2

32

93.8

112.6

根据《GB/T7894-2009水轮发电机基本技术条件》中规定,对装有推力轴承的导轴承的立式水轮发电机的机架，其垂直方向和水平方向的允许双幅振动值，以及卧式水轮发电机轴承在垂直方向的允许双幅振动值,应不大于下表的规定：

水轮发电机振动（双幅）允许限值mm

项目

额定转速,r/min

≤100

100~250

250~375

375~750

>750

振动允许值（双振幅）,mm

立式

机组

推力轴承支架的垂直振动

0.08

0.07

0.05

0.04

0.03

导轴承支架的水平振动

0.11

0.09

0.07

0.05

0.04

定子铁芯部位机座水平振动

0.04

0.03

0.02

0.02

0.02

定子铁芯振动（100Hz振幅值）

0.03

0.03

0.03

0.03

0.03

卧式机组

各部轴承垂直振动

0.11

0.09

0.07

0.05

0.04

灯泡贯流式机组

推力支架的轴向振动

0.10

0.08

各导轴承的径向振动

0.12

0.10

灯泡头的径向振动

0.12

0.10

注：

振动值系指机组在除过速运行以外的各种稳定运行工况下的双振