小型水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

1、<p>　　小型水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析</p><p>　　摘要：根據(jù)多年對小型水電站設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn),本文提出了在小型水電站的水輪機(jī)設(shè)計(jì)選型工作中應(yīng)注意的一些問題。由于水輪機(jī)汽蝕特性、自身能量特性和強(qiáng)度條件的限制，每種水輪機(jī)流量范圍和適用的水頭比較窄，只有在這窄區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，才具備良好的性能。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：小型水電站；水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)輪計(jì)算 </p&g

2、t;<p>　　中圖分類號：TV74文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A </p><p>　　近年來, 隨著國家投入的增加,水電發(fā)展又迎來了一次高潮, 各地迅速發(fā)展著小型水電站。小型水輪機(jī)選型與大型水輪機(jī)相比, 不易引起工作足夠的重視,且在市場環(huán)境中受到影響較大。在已運(yùn)行的機(jī)組中,因選型造成的問題也較多。小型水電站水輪機(jī)的設(shè)計(jì)選型工作在當(dāng)前的形勢下如何做好,以及如何通過具體的轉(zhuǎn)輪計(jì)算來確定水輪機(jī)參數(shù)成為水輪機(jī)選型的關(guān)

3、鍵。 </p><p>　　一、小型水輪機(jī)設(shè)計(jì)選型的方法和方式 </p><p>　　選型工作對水輪機(jī)最為重要,是對水輪機(jī)合理參數(shù)確定。雖然容量不大,但小型水電站對于業(yè)主而言,其運(yùn)行效益仍是至關(guān)重要的。而影響電站運(yùn)行效益的重要因素是水輪機(jī)的性能參數(shù)。有以下兩種方法確定選擇水輪機(jī)的參數(shù):一種是根據(jù)模型資料和已有的水輪機(jī)型選擇水輪機(jī)；另一種是用比轉(zhuǎn)速作為重要依據(jù), 以資料和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ),確定

4、水輪機(jī)參數(shù),應(yīng)用統(tǒng)計(jì)比較的方法選擇。運(yùn)用這兩種方法選小型水輪機(jī)時,均有一定的局限性。如選擇水輪機(jī)按照模型資料和已有的型譜,往往因?yàn)檎莆盏馁Y料不夠,對參數(shù)較優(yōu)的機(jī)型無法選擇；而選擇水輪機(jī)根據(jù)預(yù)估算的參數(shù),則又容易與小型設(shè)備生產(chǎn)廠家生產(chǎn)制造能力、技術(shù)和掌握的機(jī)型脫節(jié),原因是缺乏針對性。 </p><p><b>　　二、計(jì)算轉(zhuǎn)輪方法 </b></p><p>　　有模型特

5、性曲線綜合選擇法和圖表法兩種方法進(jìn)行選型反擊式水輪機(jī),圖表法可以分為應(yīng)用范圍圖法和性能表法。 </p><p><b>　　圖表法選擇: </b></p><p><b>　?。ㄒ唬?、性能表法 </b></p><p>　　相關(guān)水輪機(jī)各種型號的性能,都是來自生產(chǎn)廠家提供的,將其產(chǎn)品,按額定流量、轉(zhuǎn)輪型號、額定水頭、轉(zhuǎn)輪直徑

6、及額定轉(zhuǎn)速, 每個廠家都列出水輪機(jī)性能表, 如沒有設(shè)計(jì)水頭參數(shù)在水輪機(jī)性能表中,可進(jìn)行插值計(jì)算用相似定律,進(jìn)行選擇水輪機(jī)。 </p><p>　　例:水頭為74m的某電站設(shè)計(jì),選用HL-WJ-84型水輪機(jī)。沒有74m水頭的性能參數(shù)在這種型號的水輪機(jī)的性能表中, H1=70m的性能為Q1=2.25m3/s, n1=587r/min,N1=1300kw由該型號水輪機(jī)性能表查出,代如相關(guān)參數(shù)到公式 </p>

7、<p>　　Q2=Q1×√H2/√H1、n2=n1×√H2/√H1、N2=N1(H2×√H2)/(H1×√H1) </p><p>　　分別得到: Q2=2.3m3/s、n2=603r/min、N2=1440kw </p><p>　　(二)、應(yīng)用范圍圖法 </p><p>　　在對水輪機(jī)的粗選時該法多數(shù)使用,該

8、法選擇水輪機(jī)主要是對水輪機(jī)系列應(yīng)用范圍利用, 對水輪機(jī)選型此法僅局限于水電站項(xiàng)目建議書階段。 </p><p>　　選擇水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪采用以上兩法,都不夠準(zhǔn)確,選擇水輪機(jī)轉(zhuǎn)時為了準(zhǔn)確,在一個良好的工況點(diǎn)使水輪機(jī)能運(yùn)行,選擇水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪只有用模型綜合特性曲線法。選擇反擊式水輪機(jī)利用模型綜合特性曲線的基本原理是:將原型水輪機(jī)的主要參數(shù)(轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)輪直徑等) 根據(jù)相似定律計(jì)算公式先定出,再與水輪機(jī)的其他工作條件(流量范圍和水頭

9、)相結(jié)合, 把這些主要參數(shù),利用相似定律,反算成模型水輪機(jī)的參數(shù)(單位流量Q1′和單位轉(zhuǎn)速n1′等)。最后在模型水輪機(jī)的綜合特性曲線上把Q1′和n1′等數(shù)值標(biāo)定, 以檢驗(yàn)對高率區(qū)工作所選水輪機(jī)能否滿足,若不能滿足,對主要參數(shù)應(yīng)重新選定,直至滿足為止。 </p><p>　　三、沖擊式水輪機(jī)基本規(guī)律研討 </p><p>　　（一）、沖擊式水輪機(jī)原理模型基本理論，為理論的沖擊式水輪機(jī)總綱，對

10、一些認(rèn)識的困惑與混淆進(jìn)行排除，提出了新的觀點(diǎn)。在水斗式水輪機(jī)的科研、結(jié)構(gòu)更新以至設(shè)計(jì)理論等方面給出了新的思路。 </p><p>　　（二）、射流入射角相同的斜擊式水輪機(jī)基本原理模型中，同樣有其動力性能最佳的方案，這是斜擊式水輪機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。但是，其最優(yōu)效率是隨射流入射角的加大而有規(guī)律下降，對應(yīng)之最優(yōu)速度比卻隨射流入射角的加大而增大。所以，實(shí)際斜擊式水輪機(jī)射流的設(shè)計(jì)入射角應(yīng)力求可能最小，而設(shè)計(jì)速度比則應(yīng)隨入射角的

11、加大而相應(yīng)加大。 </p><p>　?。ㄈ?jù)基本原理模型，入射角相同的沖擊式水輪機(jī)，它們的最高效率構(gòu)成一條有序變化的曲線。開始時，隨速度比ψ的增大，效率急劇增高;隨后，速度比接近最優(yōu)速度比時效率變化平緩;超過最優(yōu)值之后，效率先是緩慢降低，此后則加快下降速度。最佳速度比周圍，效率變化非常平緩。 </p><p>　?。ㄋ模⑺肥剿啓C(jī)基本原理模型，在噴嘴效率為0.97時，其約為0.3

12、32%最高效率。于是，工作效率在原理模型轉(zhuǎn)輪上便是99.31%。而當(dāng)今實(shí)際為95%左右水斗式水輪機(jī)的最高效率。所以，水斗式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的實(shí)際效率約為92.78%，相差6.53%左右與理論極限值。轉(zhuǎn)輪工作中必不可免的諸多阻力若計(jì)及，則是存在提高效率的可能，但提高的空間也很有限。 </p><p>　　四、沖擊式水輪機(jī)基本原理模型與實(shí)際沖擊式水輪機(jī) </p><p>　　現(xiàn)實(shí)的水斗式水輪機(jī)，與原

13、理模型有很大區(qū)別:轉(zhuǎn)輪直徑、射流直徑、水斗數(shù)均為有限值，水斗圍繞主軸等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，水斗間歇切入射流。盡管它服從原理模型給定的定性規(guī)律，但上述因素將對其性能有所影響。水斗式水輪機(jī)直徑比的設(shè)計(jì)下限，取決于效率的接受值、轉(zhuǎn)輪水斗的強(qiáng)度及水斗設(shè)計(jì)的可能性。曾經(jīng)大量應(yīng)用的、直徑比僅在8-9之間的水斗式水輪機(jī)應(yīng)該停止生產(chǎn)，因?yàn)椋势椭?，水斗根部?qiáng)度及剛度均很差，容易發(fā)生水斗根部裂紋或斷斗。而設(shè)定直徑比的上限是沒有根據(jù)的。 </p>

14、;<p>　　所以，實(shí)際上水斗式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)，就是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)。當(dāng)然，水斗式水輪機(jī)機(jī)殼決不可忽視，關(guān)于能量的交換它雖然不參與，但它會有一定的影響對水斗式水輪機(jī)的效率。 </p><p>　　五、選擇水輪發(fā)電機(jī)組時應(yīng)該注意的方面 </p><p>　　（一）、水電站的單機(jī)容量較大,就必須與水電站的基本參數(shù)相適應(yīng)的水輪發(fā)電機(jī)組性能,其主要的是水輪機(jī)的直徑和轉(zhuǎn)速。應(yīng)使電站所選定

15、的水輪機(jī)的高率工作區(qū)域與基本參數(shù)對應(yīng)的工作范圍相吻合,并且配套發(fā)電機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速要大于水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速。 </p><p>　　（二）、主要是根據(jù)國家規(guī)格和已有產(chǎn)品系列對水輪發(fā)電機(jī)組的選擇。當(dāng)單機(jī)容量等于或小于500kw時,盡量要選擇標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)輪直徑進(jìn)行轉(zhuǎn)輪的選擇,而對于超過500kw以上的機(jī)組,對機(jī)組的運(yùn)行工況點(diǎn)應(yīng)重點(diǎn)考慮,使機(jī)組盡量在最優(yōu)工況點(diǎn)運(yùn)行。 </p><p>　　（三）、電站的最大

16、水頭小于或等于選出的水輪機(jī)的最大適用水頭,水輪機(jī)的強(qiáng)度要求才能得到保證；電站的最小水頭等于或大于水輪機(jī)的最小適用水頭,水輪機(jī)抗振動、效率、抗汽蝕等方面的要求才能保證。 </p><p>　?。ㄋ模⒀b機(jī)容量與機(jī)組臺數(shù)、用戶性質(zhì)、水輪機(jī)類型、廠房布置以及機(jī)電設(shè)備造價等因素有關(guān)。水輪機(jī)類型與機(jī)組臺數(shù)有著密切關(guān)系,貫流定漿式或軸流定漿式水輪機(jī)由于高效率區(qū)很窄,若采用一臺,則當(dāng)?shù)拓?fù)荷運(yùn)行,電站流量不足時,常常運(yùn)行不穩(wěn)定,

17、 效率急劇下降,所以在較大變化的電站流量中,應(yīng)考慮多臺或至少兩臺機(jī)組。 </p><p>　　還應(yīng)考慮用戶性質(zhì),進(jìn)行機(jī)組臺數(shù)選擇,變化較大的年負(fù)荷下,選一臺機(jī)組會導(dǎo)致變幅過大的運(yùn)行效率；灌溉期間以灌溉為主的水庫,發(fā)電流量要求較大,應(yīng)考慮多臺機(jī)組。 </p><p><b>　　六、結(jié)束語 </b></p><p>　　通過設(shè)計(jì)實(shí)踐,選擇反擊式水

18、輪機(jī)應(yīng)用模型綜合特性曲線時,用限制工況點(diǎn)偏左的流量或最限制工況點(diǎn)流量與優(yōu)工況點(diǎn)流量的平均值,對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑進(jìn)行計(jì)算,選擇水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑能夠比較準(zhǔn)確,選擇轉(zhuǎn)輪直徑是否準(zhǔn)確,與水輪發(fā)電機(jī)組能否有一個良好的運(yùn)行工況點(diǎn)有直接關(guān)系,組能夠更好的使水輪發(fā)電機(jī)出力。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]王春暖. 中小型水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)評