一种变速水轮机转轮选型计算方法与流程

本发明属于水电站水轮机选型技术领域，具体涉及一种变速水轮机转轮选型计算方法。

背景技术：

水轮机选型计算作为水电站设计的重要组成部分，其参数选择是否合理直接关系到电站的动能经济指标及运行稳定性和可靠性。

变速机组可通过调整转速使水轮机运行于最佳工况，较定转速机组，不仅能够有效地提高水轮机效率，还可显著降低振动和压力脉动，特别适用于水头变化较大的潮汐电站，以解决潮汐电站低水头下水轮机效率急剧下降、机组稳定性差的问题。

目前对变速水轮机还没有明确的选型计算方法，一般参考定速水轮机的选型计算方法，所计算选择的水轮机转轮直径偏大，在变速运行时出现效率低、综合经济指标差的情况。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种变速水轮机转轮选型计算方法，省去水轮机转速计算，提高了转轮选型计算效率。

本发明采用的技术方案是，一种变速水轮机转轮选型计算方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、以单位流量为横坐标、单位转速为纵坐标，根据所选的转轮型号在坐标轴内绘制水轮机效率线和水轮机95％出力限制线；

步骤2、在坐标轴内读取各工况点处水轮机效率，计算各工况点的单位出力，并画出等单位出力线；

步骤3、找出每个等单位出力线上效率最高点，并将各等单位出力线上效率最高点依次连接，得水轮机变速最优特性曲线；

步骤4、将水轮机95％出力限制线与水轮机变速最优特性曲线的交点作为变速水轮机额定工况点；

步骤5、根据额定工况点处的位置坐标、效率以及由水能计算已确定的水轮机额定功率、设计水头计算水轮机转轮直径。

步骤2中计算各工况点的单位出力的公式为：

p11＝9.81ηq11(1)；

式(1)中，p11为单位出力，q11为单位流量，η为工况点(q11，n11)处水轮机效率。

步骤3中每个等单位出力线上效率最高点即为每个等单位出力线上单位流量最小的点。

步骤5具体过程为：根据步骤4确定的额定工况点位置坐标、效率以及由电站水能计算已确定的水轮机额定功率、设计水头计算水轮机转轮直径。

步骤5计算水轮机转轮直径公式为：

式(2)中pt表示水轮机额定功率，hr表示设计水头，d1表示水轮机转轮直径，q11,r表示额定工况单位流量，ηr表示原型水轮机额定工况效率。

本发明的有益效果是：

本发明一种变速水轮机转轮选型计算方法，省略了水轮机转速计算部分，简化了选型计算步骤，提高了选型效率；通过本发明的选型方法选出的水轮机运行于最佳工况，可有效提高水轮机效率，增加电站运行效益。发明方法所得的转轮直径d1最小，从而可以降低电站投资。

附图说明

图1是本发明中一种变速水轮机转轮选型计算方法流程图；

图2是本发明中各线条示意图。

其中，1.等效率线，2.水轮机95％出力限制线，3.等单位出力线，4.水轮机变速最优特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种变速水轮机转轮选型计算方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1、根据所选转轮型号可知水轮机转轮综合特性曲线图2，以单位流量为横坐标、单位转速为纵坐标，根据所选的转轮型号在坐标轴内绘制水轮机效率线1和95％出力限制线2；

步骤2、在坐标轴内读取各工况点处水轮机效率，计算各工况点的单位出力，将各等单位出力连接得等单位出力线3；

计算各工况点的单位出力的公式为：

p11＝9.81ηq11(1)；

式(1)中，p11为单位出力，q11为单位流量，η为工况点(q11，n11)处水轮机效率。

步骤3、当单位出力确定时，每个等单位出力线上单位流量与效率成反比，单位流量最小的点为效率最高点，将各等单位出力线上效率最高点依次连接，得水轮机变速最优特性曲线4；

步骤4、将95％出力限制线2与水轮机变速最优特性曲线4的交点n作为变速水轮机额定工况点(q11,r，n11,r)；

步骤5、根据额定工况点处的位置坐标、效率以及由电站水能计算已确定的水轮机额定功率、设计水头计算水轮机转轮直径。

计算水轮机转轮直径公式为：

式(2)中pt表示水轮机额定功率，hr表示设计水头，d1表示水轮机转轮直径，q11,r表示额定工况单位流量，ηr表示原型水轮机额定工况效率。

实施例

将变速水轮机用于潮汐电站，经水能计算，已确定水轮机额定功率pt为761kw、设计水头hr为3m，水轮机转轮型号为f03(sgz4—25)，转轮综合特性曲线如图2所示。

一种变速水轮机转轮选型计算方法包括以下步骤：

由图1所示变速水轮机转轮选型计算的流程图，首先应确定f03(sgz4—25)变速水轮机额定工况点。具体包括：在水轮机综合特性曲线图2上，读取各工况点(q11，n11)处水轮机效率η，并求出各工况点(q11，n11)处单位出力p11；在综合特性曲线上画出各等单位出力线3，如图2中点划线所示；依次连接各等单位出力线3上单位流量q11最小的工况点(如图2中单位出力线9上k点)，可得水轮机变速最优特性曲线4，如图2中虚线所示；该变速最优特性曲线4与水轮机95％出力限制线2交于一点，如图2中n点，此点n即为变速水轮机额定工况点，该点处单位流量q11,r为3460l/s，单位转速n11,r为183.4r/min，效率ηmr为70.17％。

由确定的变速水轮机额定工况点的单位流量q11,r和效率ηmr以及水能计算已确定的水轮机额定功率pt、设计水头hr，计算水轮机转轮直径d1：

式中，pt—水轮机额定功率，761kw；

q11,r—额定工况点单位流量，3.46m³/s；

hr—设计水头，3m；

ηr—原型水轮机额定工况点效率，ηr＝ηmr+δη，ηmr为模型水轮机额定工况点效率，70.17％；取效率修正δη＝3％。

代入数据计算得d1＝2.42m，按水轮机转轮标称直径系列，取转轮直径d1＝2.5m。

通过上述方式，本发明一种变速水轮机转轮选型计算方法，省略了水轮机转速计算部分，简化了选型计算步骤，提高了选型效率；通过本发明的选型方法选出的水轮机运行于最佳工况，可有效提高水轮机效率，增加电站运行效益；所得的转轮直径d1最小，从而可以降低电站投资。