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水轮机课程设计 宋嘉城目 录第一章 基本资料1第二章 机组台数与单机容量的选择2第三章 水轮机主要参数的选择与计算5第四章 水轮机运转特性曲线的绘制10第五章 蜗壳设计13第六章 尾水管设计17第七章 心得体会20参考文献20水轮机课程设计 宋嘉城- 1 -第一章 基本资料基本设计资料黄河 B 水电站是紧接 L 水电站尾水的黄河上游的一个梯级水电站。水库正常蓄水位 2452 m，电站总装机容量 4200 MW，额定水头 205 m。经水能分析，该电站有关动能指标如表 1 所示：表 1 动能指标水库调节性能 日调节最大工作水头 220m加权平均水头 210.5 m最小工作水头 192.1m平均尾水位 2241.5m发电机效率 97%水轮机课程设计 宋嘉城- 2 -第二章 机组台数与单机容量的选择水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。根据已确定的装机容量，就可以拟定可能的机组台数方案，选择机组台数与单机容量时应遵循如下原则：2.1 机组台数与工程建设费用的关系在水电站的装机容量基本已经定下来的情况下，机组台数增多，单机容量减小。通常小机组单位千瓦耗材多、造价高，相应的主阀、调速器、附属设备及电气设备的套数增加，投资亦增加，整体设备费用高。另外，机组台数多，厂房所占的平面尺寸也会增大。一般情况下，台数多对成本和投资不利。因此，较少的机组台数有利于降低工程建设费用2.2 机组台数与设备制造、运输、安装以及枢纽安装布置的关系单机容量大，可能会在制造、安装和运输方面增加一定的难度。然而，有些大型或特大型水电站，由于受枢纽平面尺寸的限制，总希望单机容量制造得大些。2.3 机组台数对水电站运行效率的影响水轮机在额定出力或者接近额定出力时，运行效率较高。机组台数不同，水电站平均效率也不同。机组台数较少，平均效率越低。机组台数多，可以灵活改变机组运行方式，调整机组负荷，避开低效率区运行，以是电站保持较高的平均效率。但机组台数多到一定程度，再增加台数对水电站运行效率增加的效果就不显著。当水电站在电力系统中担任基荷工作时，引用流量较固定，选择机组台数较少，可使水轮机在较长时间内以最大工况运行，使水电站保持较高的平均效率。当水电站担任系统尖峰负荷并且程度调频任务时，由于负荷经常变动，而且幅度较大，为使每台机组都可以在高效率区工作，则需要更多的机组台数。另外，机组类型不同，高效率范围大小也不同，台数对电厂平均效率的影响就不同。对于高效率工作区较窄的，机组台数应适当多一些。轴流转浆式水轮机，由于单机的效率曲线平缓且高效区宽，台数多少对电厂的平均效率影响不明显；而混流式、轴流定浆式水轮机其效率曲线较陡，当出力变化时，效率变化较剧烈，适当增加台数可明显改善电厂运行的平均效率。2.4 机组台数与水电站运行维护的关系机组台数多，单机容量小，水电站运行方式较灵活机动，机组发生事故停机产生的影响小，单机轮换检修易于安排，难度也小。但台数多，机组开、停机操作频繁，操作运行次数随之增多，发生事故的几率也随之增高，对全厂检修很麻烦。同时，水轮机课程设计 宋嘉城- 3 -管理人员多，维护耗材多，运行费用也相应提高。故不能用过多的机组台数。2.5 机组台数与其他因素的关系2.5.1 机组台数与电网的关系对于区域电网的单机：装机容量较小15%系统最大负荷（不为主导电站） ；装机容量较大10%系统容量(系统事故备用容量)，因而，单机容量与台数选取不受限制。2.5.2 机组台数与保证出力的关系根据设计规范要求，机组单机容量应以水轮机单机运行时其出力在机组的稳定运行区域范围内确定为原则。不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域如表 1。表 2 不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域型式稳定运行负荷区域（%）型式稳定运行负荷区域（%）混流式 40100 冲击式 25100轴流定浆式 70100 轴流转浆式 30100贯流转浆式 251002.5.3 机组台数与电气主接线的关系对采用扩大单元的电气主接线方式，机组台数为偶数为利。但由于大型机组主变压器受容量限制，采用单元接线方式，机组台数的奇、偶数就无所谓了。上述各种因素互相影响，遵循上述原则，并且该水电站装机容量为 20 万 kW，由于 2.2 万 kW20万 kW25 万 kW，该水电站为中型水电站，并担任系统调峰、调相及少量的事故备用容量，同时兼向周边地区供电。综上所述，确定机组台数选择的原则：对大中型水电站，一般选择 610 台；保证在水头低于额定水头时，机组受阻容量尽量小；在可能的情况下尽量选用单机容量较大的水轮机，以降低设备造价。水轮机课程设计 宋嘉城- 4 -第三章 水轮机主要参数的选择与计算根据水头的变化：最小工作水头 192.1m 到最大工作水头 220m。同时：.7r/min1920520-ns H在水轮机系列型谱表查出合适的机型中选取 HL120(7600MW),HL110(10420MW)和HL160(7600MW)三种类型水轮机。现将这三种水轮机作为初选方案，分别求出其有关参数，并进行比较分析。3.1 计算水轮机基本参数 方案一 HL160(7600MW)3.1.1 计算转轮直径 1D水轮机额定功率 kWPgr 68579.0去最优单位转速 与功率限制线交点的单位流量为额定工况的单位流量，则.r/minn1对 应 的 模型效率 。去效率修正值 ，则额定工况原型水轮机效率sQ/m8.603r1895.0M%3。水轮机转轮直径 为.03.95.MP 1DmHQPDr 8.59.02568.019781. /32/31 按我国规定的转轮直径系列，且转轮直径取小了不能保证在额定水头下发出额定功率，取大了，不经济且无必要。根据单机功率和转轮直径，该水轮机属大型机组，故取 =6m。1D3.1.2 计算水轮机效率 已知： ；mDM46.0191.0M水轮机课程设计 宋嘉城- 5 -46.90.)1.90()1( 55100 PMPD36.46.90额定工况原型水轮机的效率为1.90.5.8M3.1.3 水轮机转速的计算与选择min/.263.671w0 rDHn式中 M10符合，不需修正03.2.19.0461n01 P（1）检验水轮机实际工作范围的校核发电机同步转速的计算公式为p30nn 为发电机同步转速，r/min；p 为发电机磁极对数。磁极对数 3000/163.2=18.38，则磁极对数取 18、20。分别求出 下对应的单位转速，如表 3 所示：minrwmaxH、表 3 各水头对应单位计算表转速方案 awrHminHin/7.1680n1r67.4 68.9 69.9 72.2mi/.r520360.7 62.0 62.9 64.9检查两方案，在模型综合特性曲线图上，第一种方案包含高效率去，且原则上取相近偏大值。所以水轮机课程设计 宋嘉城- 6 -确定取第一种方案。（2）水轮机计算点出力的校核计算 时的出力：rHrP kw106.53.90258.601.9Q9.81DP.12.51r2符合要求3.1.4 计算水轮机额定流量 sHs/.5m30268.0r21rr 3.1.5 计算最大允许吸出高度 s在额定工况下，模型水轮机的空化系数 。根据几个装有 HL160 转轮的电站调查，认为6.MHL160 转轮的电站空化系数 应大于 0.1 为好，故空蚀安全系数取 K=1.6。PE=2241.5m.8m13-2056.1-90.524-901rs HKEHM3.1.6 实际的水轮机额定水头因不同的 D1、与水能预算 Hr 有差异.1973.0861.957.89 /223/21rr QP3.1.7 计算水轮机实际额定流量 rs/.7m4.6.032r21rr HD式中 Hr 采用上述（五）中的计算结果。3.1.8 计算飞逸转速 Rn由 HL160 模型水轮机飞逸特性曲线查得，在最大导叶开度下单位飞逸转速 为， 故 水 轮 机 的 飞 逸 转 速min/r17nRmin/r31462017ax1 DHR3.1.9 计算轴向水推力 tF水轮机课程设计 宋嘉城- 7 -根据表 4，HL160 的转轮轴向水推力系数 ，转轮直径较小、止漏环间隙较大时取6.20.Kt大值。本电站转轮直径较大，但水中有一定含沙量，止漏环间隙应适当大一些，故取 。水03.2Kt轮机转轮轴向水推力为表 4 混流式水轮机的轴向水推力系数表转轮型号 HL310HL240HL230HL220HL200HL180HL160HL120HL110HL100K0.370.450.340.410.180.220.280.340.220.280.220.280.200.260.100.130.100.130.080.14NHD72max21tt 1048.0640.832984980F 3.1.10 同理，方案二和方案三的数据也可通过同样的方法和过程查资料计算得出，三种方案所得数据如表 5 所示：表 5 三种方案数据表格HL160(7600MW) HL120(7600MW) HL110(10420MW)比转速 (r/min)sn160 120 110额定功率 （kw）rP618557 618557 432990模型最优单位比转速 (r/min)10n67.5 62.5 61.5模型额定工况单位流量 ( )rQs/m30.68 0.38 0.28转轮直径 (m)1D6 8 7水轮机效率 0.931 0.924 0.906转速 n (r/min) 166.7 115.0 136.4出力 P (N) 5106.51047.65104.9额定流量 ( )rQs/m3350.5 348.2 196.4吸出高度 (m)sH-13.8 -9.7 -3.97水轮机课程设计 宋嘉城- 8 -单位飞逸转速 (r/min)R1n127 100.4 93飞逸转速 (r/min) 314.0 186.1 197.1实际额定水头 (m)rH197.1 198.9 232.7实际额定流量 ( )rQs/m3343.7 343.0 209.0轴向水推力 (N)tF71048.27103.61079.533.1.11 确定机组方案根据上面列举出来的三种方案数据分析，第三种方案出力比额定小，且实际额定水头比最高水头大，故首先排除。第一二种方案中，第一种方案效率比第二种高，且第一种方案转速比第二种的高，则其发电机尺寸小，重量轻，一方面可以减少设备的造价，另一方面有利于减小厂房的平面尺寸，降低厂房的土建投资。第一种方案的出力也比第二种大。综上所述，最佳方案为第一种方案。水轮机课程设计 宋嘉城- 9 -第四章 水轮机运转特性曲线的绘制4.1 等效率曲线的计算与绘制现取水电站 4 个水头，列表计算，计算结果如表 6 所示。绘制的等效率线详见设计图纸。表 6 HL160 型水轮机等效率曲线计算表)(20maxHin/4.67.1rn)(152)8.9( 12/3max1 mwQDP )(5.210wmHin/9.68.71rn)(10)8.9( 12/31 wQDPWM（%） )/(3sM（%）P（mw）M（%）)/(3smM（%）P（mw）828486889