CN113673062B - 水斗式水轮机转轮外径、水斗外宽及转轮重量的计算方法 - Google Patents

水斗式水轮机转轮外径、水斗外宽及转轮重量的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水斗式水轮机转轮外径、水斗外宽及转轮重量的计算方法，涉及水利水电工程设备领域，目的是计算出相对准确的参数，为水电站前期阶段的多方案比较选型提供依据。本发明采用的技术方案是：水斗式水轮机转轮外径和水斗外宽的计算方法，首先，获取至少两组现有的水斗式水轮机的数据，包括转轮公称直径、单喷嘴比转速、转轮外径和水斗外宽，拟合得到四个参数的取值；然后，确定待计算的水斗式水轮机的转轮公称直径和单喷嘴比转速；最后，按公式分别计算转轮外径和水斗外宽。水斗式水轮机转轮重量的计算方法，根据另外拟合得到的两个参数以及上述的计算结果，按公式计算转轮重量。本发明计算结果误差小，用于水电工程前期设计阶段。

Description

水斗式水轮机转轮外径、水斗外宽及转轮重量的计算方法
技术领域
本发明涉及水利水电工程设备领域，具体是一种计算水斗式水轮机的转轮外径、水斗外宽及转轮重量的方法。
背景技术
水轮机是把水流能量转换为旋转机械能的动力机械，转轮作为能量转换的关键部件，对水轮机运行稳定性及发电经济效益发挥着非常重要的作用，转轮主要参数非常重要，例如转轮外径、水斗外宽及转轮重量，是是水电工程设计的核心内容之一。
水斗式水轮机通常运用于水头较高的电站，受高速含沙水流的冲击，转轮的泥沙磨损程度相较中、低水头的混流式、轴流式水轮机更严重。为缩短转轮修复时间，水斗式水轮机转轮的检修大多采用“转轮下拆+备用转轮”方式，即：转轮通过专用的转轮下拆通道拆出，并吊运至主厂房安装间，及时安装备用转轮后，再在安装间开展原有转轮的修复工作。该方式可缩短转轮检修停机时间，尽可能发挥电站的发电经济效益。由于备用转轮的设置，且水斗式水轮机转轮单价(单位重量的价格)较为昂贵(通常水斗式水轮机转轮单价为混流式的4～5倍)，在电站前期设计时准确估算出水斗式水轮机的转轮外径、水斗外宽及转轮重量，对于工程投资匡算具有重大意义。
目前，国内外尚无解决上述问题的成熟公式或曲线可供工程设计人员参考。对于转轮重量的计算，常采用的方法为按已有模型转轮外形尺寸折算为真机后，按真机转轮的实际体积估算重量。该计算方法虽然计算精确，但过程繁琐复杂，需机组制造厂基于真机转轮的三维外形进行计算，并不适用于电站前期阶段的多方案比较选型设计。
发明内容
本发明首先提供一种水斗式水轮机转轮外径和水斗外宽的计算方法，目的在于根据水轮机基本参数计算得到相对准确的转轮外径和水斗外宽数据，为水电站前期阶段的多方案比较选型提供依据。
本发明采用的技术方案是：水斗式水轮机转轮外径和水斗外宽的计算方法，包括以下步骤：
S1、确定拟合参数
获取至少两组现有的水斗式水轮机的数据，每组数据包括转轮公称直径D1(单位：m)、单喷嘴比转速ns1(单位：m·kw)、转轮外径Dw(单位：m)和水斗外宽Ba(单位：m)；按照公式Dw＝D1(a1×ns1+b1)进行拟合，得到拟合参数a1和b1的取值；按照公式Ba＝D1(a2×ns1+b2)进行拟合，得到拟合参数a2和b2的取值。
下面给出一组关于拟合参数a1、b1、a2和b2的推荐取值：a1＝0.0125，b1＝1.0359，a2＝0.0137，b2＝0.0415。
S2、确定待计算的水斗式水轮机的参数
确定待计算水斗式水轮机的转轮公称直径，并标记为D′1，单位为m；确定待计算水斗式水轮机的单喷嘴比转速，标记为n′S1，单位为m·kw。
S3、计算转轮外径和水斗外宽
按照公式D′w＝D′1(a1×n′S1+b1)计算水斗式水轮机的转轮外径D′w，按照公式B′a＝D′1(a2×n′S1+b2)计算水斗式水轮机的水斗外宽B′a。
本发明水斗式水轮机转轮外径和水斗外宽的计算方法的有益效果是：按照本发明的方法，根据容易获取的数据即可计算转轮外径和水斗外宽，计算结果误差小，完全能满足电站前期阶段的多方案比较选型，可为后续国内、外水电工程建设提供有力的技术支撑。
本发明还提供一种水斗式水轮机转轮重量的计算方法，目的同样在于根据水轮机基本参数计算得到相对准确的转轮重量数据，为水电站前期阶段的多方案比较选型提供依据。本发明采用的技术方案是：水斗式水轮机转轮重量的计算方法，包括以下步骤：
S1、与上述水斗式水轮机转轮外径和水斗外宽的计算方法的S1相同。
S2、步骤S1中的每组数据还包括转轮重量Gr(单位：m)，按照公式Gr＝m×(Dw 2Ba)n进行拟合，得到拟合参数m和n的取值。
下面给出一组关于拟合参数m和n的推荐取值：m＝1.8198，n＝0.9393。
S3、与上述水斗式水轮机转轮外径和水斗外宽的计算方法的S2相同。
S4、与上述水斗式水轮机转轮外径和水斗外宽的计算方法的S3相同。
S5、计算转轮重量
按照公式Gr′＝m×[(Dw′)2·Ba′]n计算水斗式水轮机的转轮重量Gr′。
本发明水斗式水轮机转轮重量的计算方法的有益效果是：转轮重量的计算方法既考虑了转轮公称直径对转轮重量的影响，也考虑了运行水头对转轮重量的影响，提出了一种快速、简便估算转轮重量的方法，计算结果误差小，完全能满足电站前期阶段的多方案比较选型，可更好地服务于水电工程前期阶段设计需求，为后续国内、外水电水斗式机组工程的建设提供有力技术支撑。
具体实施方式
下面结合实施例和对比例对本发明作进一步说明。
本发明水斗式水轮机转轮外径和水斗外宽的计算方法，包括以下步骤：
S1、确定拟合参数
获取至少两组现有的水斗式水轮机的数据，每组数据包括转轮公称直径D1(单位：m)、单喷嘴比转速ns1(单位：m·kw)、转轮外径Dw(单位：m)和水斗外宽Ba(单位：m)。水斗式水轮机的数据为水轮机的真实参数，用于进行拟合计算，因此组数越多越好，以便于回归拟合。例如，表1和表2为国内外多个水斗式水轮机主要技术参数，
表1列举的数据所包含的水斗式水轮机水头范围涵盖了约400m～1300m，机组单机容量从30MW～187.5MW；表2列举的数据所包含的水斗式水轮机水头范围涵盖了约400m～1300m，机组单机容量从42.5MW～187.5MW；表1和表2所列样本包含了国内外多个大中型电站的水斗式水轮机。
表1国内外多个水电站的水斗式水轮机的数据
Figure BDA0003242049970000031
表2国内外多个水电站的水斗式水轮机的数据
Figure BDA0003242049970000032
Figure BDA0003242049970000041
根据现有的水斗式水轮机的数据，按照公式Dw＝D1(a1×ns1+b1)进行拟合，得到拟合参数a1和b1的取值。例如，根据表1所示的数据进行拟合，得到拟合参数a1和b1的取值，具体是a1＝0.0125，b1＝1.0359。同时，按照公式Ba＝D1(a2×ns1+b2)进行拟合，得到拟合参数a2和b2的取值。例如，根据表2的所示的数据进行拟合，得到拟合参数a2和b2的取值，具体是a2＝0.0137，b2＝0.0415。
S2、确定待计算的水斗式水轮机的参数
确定待计算水斗式水轮机的转轮公称直径，并标记为D′1，单位为m；确定待计算水斗式水轮机的单喷嘴比转速，标记为n′S1，单位为m·kw。转轮公称直径D′1和单喷嘴比转速n′S1为水斗式水轮机的两个重要参数，在水电站前期阶段可以确定，均为已知值。
S3、计算转轮外径和水斗外宽
按照公式D′w＝D′1(a1×n′S1+b1)计算水斗式水轮机的转轮外径D′w。根据上述S1确定的拟合参数a1和b1的具体取值，就可以计算出水斗式水轮机的转轮外径的计算值D′w。以表1的数据为例，将转轮外径的计算值D′w与实际值Dw进行比较，如表3所示。
表3国内外多个水电站的转轮外径计算值的误差
Figure BDA0003242049970000042
表3的计算结果表明，按照本发明计算得到的水斗式水轮机转轮外径计算值与真实值的误差率均在±2％以内，计算精度满足工程前期设计需要，可应用于水电工程水斗式水轮机外径估算。
按照公式B′a＝D′1(a2×n′S1+b2)计算水斗式水轮机的水斗外宽B′a。根据上述S1确定的拟合参数a2和b2的具体取值，就可以计算出水斗式水轮机的水斗外宽的计算值B′a。以表2的数据为例，将水斗外宽的计算值B′a与实际值Ba进行比较，如表4所示。
表4国内外多个水电站的水斗外宽计算值的误差
Figure BDA0003242049970000051
表4的计算结果表明，按照本发明计算得到的水斗式水轮机水斗外宽的计算值B′a与实际值Ba相比，误差率在±4％以内，计算精度满足工程前期设计需要，可应用于水电工程水斗式水轮机水斗外宽的估算。
本发明的第二个主题是水斗式水轮机转轮重量的计算方法，转轮重量的计算依赖于转轮外径和水斗外宽的计算结果，因此先按照上述第一个主题计算出转轮外径和水斗外宽，再根据公式计算转轮重量。由于转轮重量的计算公式还存在拟合参数m和n，因此还需要根据现有的水斗式水轮机的数据拟合得出m和n的具体取值。水斗式水轮机转轮重量的计算方法包括以下步骤：
S1、与上述水斗式水轮机转轮外径和水斗外宽的计算方法的S1相同。
S2、步骤S1中的每组数据还包括转轮重量Gr(单位：t)，按照公式Gr＝m×(Dw 2·Ba)n进行拟合，得到拟合参数m和n的取值。对于公式Gr＝m×(Dw 2·Ba)n，由于Dw＝D1(a1×ns1+b1)、Ba＝D1(a2×ns1+b2)，因此可将Dw和Ba的计算公式带入Gr的计算公式，得到确定拟合参数m和n的公式。由于拟合参数a1、b1、a2和b2的取值在S1已经确定，因此根据公称直径D1(单位：m)、单喷嘴比转速ns1(单位：m·kw)和转轮重量Gr(单位：t)就可以拟合确定m和n的取值。下面以表5所列样本数据为例，对m和n的取值进行拟合，结果为：m＝1.8198，n＝0.9393。表5为国内、外多个大中型水斗式水轮机主要技术参数及转轮重量的样本数据，样本包含的水斗式水轮机水头范围涵盖了约400m～1300m，机组单机容量为7MW～187.5MW。
表5国内外多个水电站的水斗式水轮机的数据
Figure BDA0003242049970000061
S3、与上述水斗式水轮机转轮外径和水斗外宽的计算方法的S2相同。
S4、与上述水斗式水轮机转轮外径和水斗外宽的计算方法的S3相同。
S5、按照公式Gr′＝m×[(Dw′)2·Ba′]n计算水斗式水轮机的转轮重量Gr′。以表5的数据为例，将转轮重量的计算值Gr′与实际值Gr进行比较，如表6所示。
表6国内外多个水电站的转轮重量计算值的误差
Figure BDA0003242049970000062
Figure BDA0003242049970000071
表6的计算结果表明，按照发明计算得到的水斗式水轮机转轮重量计算值Gr′与真实值Gr的误差率均在±5％以内。计算精度满足工程前期设计需要，可应用于水电工程水斗式水轮机转轮重量计算。

Claims (4)

1.水斗式水轮机转轮外径和水斗外宽的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、确定拟合参数
获取至少两组现有的水斗式水轮机的数据，每组数据包括转轮公称直径D1(单位：m)、单喷嘴比转速ns1(单位：m·kw)、转轮外径Dw(单位：m)和水斗外宽Ba(单位：m)；按照公式Dw＝D1(a1×ns1+b1)进行拟合，得到拟合参数a1和b1的取值；按照公式Ba＝D1(a2×ns1+b2)进行拟合，得到拟合参数a2和b2的取值；
S2、确定待计算的水斗式水轮机的参数
确定待计算水斗式水轮机的转轮公称直径，并标记为D′1，单位为m；确定待计算水斗式水轮机的单喷嘴比转速，标记为n′S1，单位为m·kw；
S3、计算转轮外径和水斗外宽
按照公式D′w＝D′1(a1×n′S1+b1)计算水斗式水轮机的转轮外径D′w，按照公式B′a＝D′1(a2×n′S1+b2)计算水斗式水轮机的水斗外宽B′a。
2.如权利要求1所述的水斗式水轮机转轮外径和水斗外宽的计算方法，其特征在于：S1中，拟合参数a1、b1、a2和b2的取值分别为：a1＝0.0125，b1＝1.0359，a2＝0.0137，b2＝0.0415。
3.水斗式水轮机转轮重量的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、与上述权利要求1或2所述水斗式水轮机转轮外径和水斗外宽的计算方法的S1相同；
S2、步骤S1中的每组数据还包括转轮重量Gr(单位：t)，按照公式Gr＝m×(Dw 2Ba)n进行拟合，得到拟合参数m和n的取值；
S3、与上述权利要求1或2所述水斗式水轮机转轮外径和水斗外宽的计算方法的S2相同；
S4、与上述权利要求1或2所述水斗式水轮机转轮外径和水斗外宽的计算方法的S3相同；
S5、计算转轮重量
按照公式G′r＝m×[(Dw′)2·Ba′]n计算水斗式水轮机的转轮重量Gr′。
4.如权利要求3所述的水斗式水轮机转轮重量的计算方法，其特征在于：步骤S2中，拟合参数m和n的取值分别为：m＝1.8198，n＝0.9393。
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