水电站课设算例.docx
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水电站课设算例
十、附录
（一）.下面通过一个水电站工程设计实例来具体说明水轮机型号的选择和主要参数的计算。
已知某水电站的最大水头35.87m，加权平均水头，设计水头，最小水头；水轮机的额定出力17750kW，水电站的海拔高程，最大允许吸出高试选择水轮机的型号及其主要参数。
1．水轮机型号的选择
据该水电站的工作水头范围，在反击式水轮机系列型谱表中查得HL240型水轮机和
ZZ440水轮机都可使用，这就需要将两种水轮机都列入比较方案，并对其主要参数分别
予以计算。
2．水轮机主要参数的计算
2.1HL240型水轮机方案主要参数的计算
2.11转轮直径的计算
式中
同时在附表1中查得水轮机模型在限制工况下的效率，由此可初步假设水轮机在该工况的效率为92．0％。
将以上各值均代人上式得
选用与之接近而偏大的标准直径
2.1.2效率修正值的计算
由附表1查得HL240型水轮机在最优工况下模型的最高效率，模型转
轮的直径，则原型水轮机的最高效率可采用下式计算，即
考虑到制造工艺水平的情况取；由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型机基本相似，故认为；则效率修正值为：
由此得水轮机限制工况的效率为：
（与原来假定的数值相同）
2.1.3转速的计算
式中
由附表1查得在最优工况下的，同时由于：
所以可忽略不计，则以代入上式得：
选用与之接近而偏大的标准同步转速
2.1.4工作范围的验算
在选定的，的情况下，水轮机的和各种特征水头下相应的值分别为：
则水轮机的最大引用流量为：
对值：
在设计水头时
在最大水头时
在最小水头时
在HL240型水轮机的模型综合特性曲线图上，分别画出，和的直线，如图3-8所示。
图3-8HL240型水轮机工作范围的初步检验
可以看出这些直线所标出的水轮机相似工作范围（阴影部分）基本上包括了特性曲线的高效率区，所以对选定的直径，还是比较满意的，但这还需要和其它方案作比较。
2.1.5水轮机吸出高Hs的计算
由水轮机的设计工况（，）在图3-21上可查得相应的汽蚀系数；再由设计水头，在图3-5可查得，于是可求得水轮机的吸出高为：
2.2ZZ440型水轮机方案主要参数的计算
2.2.1转轮直径的计算
式中，值同前。
对于值，可由附表2查得该水轮机在限制工况下的，同时还查得汽蚀系数。
但在允许吸出高[]=-4m时，则相应的装置汽蚀系数为：
所以，为了满足对吸出高的限制，值可在ZZ440型水轮机综合特性曲线图3-20上依工况点（）查得为1205L/s。
同时亦可查得该工况点上由此可初步假设水轮机的效率为89.5％。
将以上各值带入上式，便可求得：
基本符合标准直径，故选用。
2.2.2效率修正值的计算
对于轴流转浆式水轮机，叶片在不同转角时的最大效率可用下式计算：
已知代入上式。
得：
叶片在不同转角时的值可从水轮机综合特性曲线图查得，由此可应用上式求得相应于该角时的水轮机最高效率，并将计算结果列于表3-4。
当选取制造工艺影响的效率修正值和不考虑异形部件影响时，便可计算得不同转角时的效率修正值为：
将的计算结果也列在表3-4中。
表3-4ZZ440型水轮机效率修正值计算表
叶片转角
－10
－5
0
+5
+10
+15
84.9
88.0
88.8
88.3
87.2
86.0
89.7
91.8
92.4
92.0
91.3
90.4
－
4.8
3.8
3.6
3.7
4.1
4.4
3.8
2.8
2.6
2.7
3.1
3.4
由附表2查得在最优工况下的最高效率由于最优工况很接近于的等转角线，故采用效率修正值，这样便可得出原型水轮机的最高效率为：
已知在限制工况（）时模型机的效率为：
而该点处于两等转角线之间，用内插法可求得该点的效率修正值为由此可求得水轮机在限制工况下的效率为：
与原来假定的效率很接近，不再修正。
2.2.3转速的计算
由于
所以不考虑的修正，由此可求出水轮机的转速为：
选用与之接近而偏大的标准同步转速n＝214.3r/min。
2.2.4工作范围的检验计算
在选定的的情况下，水轮机的和各种特征水头下相应的值分别为：
则水轮机的最大应用流量为：
对值：
在时
在时
在时
在水轮机综合特性曲线图上画出：
，，的直线，如图3-9所示。
可以看出这些直线所示出的水轮机相似工作范围（阴影部分）仅包括了部分高效区。
图3-9ZZ440型水轮机工作范围的初步检验
2.2.5水轮机吸出高的计算
在设计工况（）时，由水轮机综合特性曲线图可查得汽蚀系数为0.42，由此可求得水轮机的吸出高为：
（满足要求）
3．两种方案的分析比较
为了便于分析比较，现将上述两种方案的有关参数列表如下：
表3-5水轮机方案参数对照表
序号
项目
HL240
ZZ440
1
2
3
4
5
6
模型转轮
参数
推荐使用的水头范围（m）
最优单位转速
最优单位流量
限制工况单位流量
最高效率
设计工况汽蚀系数
25～45
72
1100
1240
92
0.195
20～36
115
800
1660
89
0.42
7
8
9
10
11
12
13
原型水轮
机参数
工作水头范围（m）
转轮直径D1（m）
转速
最高效率
额定出力
最大引用流量
吸出高
24.72～35.87
3.3
125
94.6
17750
69.12
3.27
24.72～35.87
3.3
214.3
91.6
17750
71.0
－3.14
从表中可以看出，两种不同的机型方案在同样水头下同时满足额定出力的情况下，HL240型方案与ZZ440型方案相比较，它具有效率高，工作范围好，汽蚀系数小等优点，这可以提高水电站的年发电量和减小厂房的开挖量，而ZZ440型方案的优点仅表现在水轮机的转速较高，可以选用较小尺寸的发电机以节省水电站的机电投资，但该型水轮机为双调节的水轮机，水轮机和调速设备的价格均较高。
由此看来，若在造价供货方面没有问题时，初步选用HL240型方案较为有利。
在技术设计阶段，尚需要做出各方案的动能指标和经济指标，进一步进行分析比较，以选出合理的方案。
4．绘制水轮机的工作特性及运转特性曲线
前面我们曾经在主要综合特性曲线上初步检验了水轮机的工作范围，但对原型水轮机来说这种工作范围尚不够准确也不够直观，而且在应用上也不够方便。
因此，为了进一步分析比较原型水轮机的能量、汽蚀特性，计算水轮机的能量指标以评定所选择的水轮机直径、转速的正确性和指导水轮机的安全经济运行，则需要绘制水轮机的运转特性曲线。
水轮机在正常运行中，同步转速n（即额定转速）是不变的，当水头H和出力N变化时,效率和汽蚀系数也随之变化.反映原型水轮机在各种运行工况下这些参数之间的关系称为水轮机的特性曲线.最常用的有水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线.
在一定水头下,效率和出力之间的关系曲线称为水轮机的工作特性曲线,综合反映各种运行状况下,等参数之间的关系曲线.称为水轮机运转特性曲线或水轮机运转综合特性曲线.这些特性曲线都是根据模型水轮机的综合特性曲线通过相似公式的转换计算而来的.现将上述例题的水轮机综合特性曲线计算和绘制方法分述如下:
4.1HL240型水轮机运转特性曲线的绘制
1）．基本资料：
转轮的型式HL240型，主要综合特性曲线图见附录。
转轮的直径和转速,额定转速
特征水头
水轮机的额定出力
水电站的海拔高程
2）．等效率曲线的计算
由于水电站的水头变化范围较小，现取4个水头，即，，，
按以上所述的方法及例题中的有关数据列表3-6分别进行计算，
3）．等吸出高曲线的计算
亦按上述方法和例题中的有关数据列表3-7以不同水头分别进行计算
4）．绘制水轮机的运转特性曲线
由表3-6中的数据便可绘制出水轮机的工作特性曲线如图3-10（a），等效率曲线和出力限制线图3-10（b）。
同时还可绘出的辅助曲线图3-11。
再由表3-7中的数据绘出的辅助曲线图3-12，并由此在图3-10（b）上绘出等曲线。
这样图3-10（b）便成为HL240型水轮机的运转特性曲线。
4.2ZZ440型水轮机运转特性曲线的绘制
1）．基本资料
转轮的型式ZZ440型．主要综合特性曲线图见附录。
转轮的直径和转速、额定转速
特征水头；
水轮机额定出力
水电站海拔高程
2）．等效率曲线的计算与绘制
同样取等４个水头按前述办法列表3-8分别进行计算，表中在不同转角时的效率修正值可由表3-4得到，根据计算结果可首先绘制各水头下的水轮机工作特性曲线图3-13（a），然后绘制等效率曲线如图3-13（b）.
图3-10HL240（=3.3m、=125r/min）型水轮机特性曲线
（a）工作特性曲线；（b）运转特性曲线
图3-11（）辅助曲线
图3-12辅助曲线
图3-13ZZ440（D）型水轮机特性曲线
（a）工作特性曲线；（b）运转特性曲线
表3-6HL140型水轮机等效率曲线计算表表3-6
Hmax=35.87mn1'=nDi/h1/2N=（9.81D:
Hh1/2）Q1'η=22.95Q1'η（MW）
H=32.0mn1'=125ⅹ3.3/32.01/2=72.9N=19.34Q1'η（MW）
H1=28.5mn1'=125ⅹ3.3/28.51/2=77.3N=16.25Q1'η（MW）
Hmin=24.72mn1'=125ⅹ3.3/24.72/2=83.0N=13.13Q1'η（MW）
ηm（﹪）
（m2/s）
η=ηm+△η
N（MW）
ηm
η
N
ηm
η
N
ηm
η
N
86
0.8
87.6
16.1
86
0.79
87.6
13.4
85
0.79
86.5
11.1
82.5
0.83
84.1
9.17
87
0.84
88.6
17.1
87
0.84
88.6
14.4
86
0.83
87.6
11.8
85
0.94
86.6
10.7
88
0.86
89.6
18
88
0.88
89.6
15.3
87
0.88
88.6
12.7
86
0.98
87.6
11.3
89
0.91
90.6
18.9
89
0.92
90.6
16.1
88
0.92
89.6
13.4
87
1.02
88.6
11.9
90
0.94
91.6
19.8
90
0.96
91.6
17
89
0.96
90.6
14.1
88
1.06
89.6
12.5
91
0.98
92.6
20.8
91
1
92.6
17.9
90
1
91.6
14.9
89
1.1
90.6
13.1
91
1.16
92.6
24.7
91
1.2
92.6
21.5
91
1.06
92.6
15.9
90
1.15
91.6
13.8
90
1.19
91.6
25
90
1.24
91.6
22
91
1.22
92.6
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