《水轮机原理》课程设-电站水轮机设计与选型.docx

CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY 课程设计（论文）题目： 水轮机原理课程设计 I电站水轮机设计与选型学生姓名： 学 号： 班 级: 能源与动力工程（水动）1301专 业： 能源与动力工程（水动）指导教师： 2016.6.132016.6.30水轮机原理课程设计 I电站水轮机设计与选型 学生姓名： 学 号： 班 级： 水动1301所在院(系): 能源与动力工程指导教师： 起止日期: 2016.6.13至2016.6.3 I电站水轮机设计目录1 水电站基本参数12 水轮机台数、型号、装置方式的拟定22.1 机组台数的确定22.2 水轮机型号的确定22.3 水轮机装置方式的拟定23 水轮机主要参数计算33.1方案一 HL200（4550MW）33.2方案二 HL200（5440MW）83.3方案三 HL180（8275MW）113.4方案四 HL200（11200MW）143.5 机组方案的比较164水轮机综合特性曲线的绘制194.1等效率线的绘制194.2出力限制线的绘制204.3等吸出高度线的绘制205蜗壳的设计225.1 蜗壳型式的选择225.2 座环尺寸确定225.3 各断面尺寸确定226尾水管的设计266.1 尾水管选择266.2 尺寸确定26参考文献30 1 水电站基本参数I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。其中：水库正常蓄水位Zsk=2352 m；电站总装机容量N=2200 MW；额定水头Hr=105 m；最大水头Hmax=120 m；最小水头Hmin=92.1 m；加权平均水头Hav=110.5 m。312 水轮机台数、型号、装置方式的拟定2.1 机组台数的确定该水电站既定总装机容量较大，为2200 MW。考虑机组台数为4、5、8、10。2.2 水轮机型号的确定该水电站水头范围在92.1 m 与120 m之间，额定水头为105 m，加权平均水头110.5 m。可考虑选用水轮机为混流式、斜流式、水斗式与斜击式水轮机。由于混流式水轮机较斜流式水轮机结构简单，加工工艺要求较低，造价低，运行维护更加方便。同时混流式水轮机较冲击式水轮机比转速高，可实现机组尺寸减小，有利于厂房内的布置，减少厂房投资。混流式水轮机还具有运行稳定，可靠性高，在水头全部利用及满载时效率高，装有尾水管可减少转轮出口水流损失等优点。故采用混流式水轮机。根据参考文献1P162公式（6-6） （2-1）则选取的水轮机转速宜在175.18mKW附近。查阅参考文献2p11表1-4，根据水头范围与比转速取值可选择转轮型号有HL180与HL200。2.3 水轮机装置方式的拟定为使机组安装拆卸方便，缩小厂房面积，采用立式装置方式。为了减小机械损失，提高传动效率。使运行维护方便。采用直接连接的方式。3 水轮机主要参数计算按初步拟定的4、5、8、11台机组四种方案进行比较。根据参考文献2 P11表1-4可知：转轮HL200：模型转轮直径D1M=46cm，导叶相对高度，最优单位转速n110M=68.0r/min，推荐使用最大单位流量Q11r=960L/s，最大模型效率Mmax=91.4%，模型气蚀系数M=0.100。 转轮HL180：模型转轮直径D1M=46cm，导叶相对高度，最优单位转速n110M=67.0r/min，推荐使用最大单位流量Q11r=860L/s，最大模型效率Mmax=92%，模型气蚀系数M=0.085。3.1 方案一 HL200（4550MW）采用4台机组，转轮型号为HL200。水电站总装机容量2200 MW，则单机容量Nr=2200MW/4=550MW。3.1.1 水轮机转轮直径的计算与选择水轮机额定出力： （3-1）水轮机转轮直径： （3-2）g发电机效率。通常中小型取0.930.96，大中型取0.960.98.此处取0.98。r原型水轮机效率，取n110与Q11交点的模型效率M，并加上0.010.03修正值。参考文献2P20图1-23，交点效率M约为0.89，加上0.01修正值，取0.90。参考文献1P165表6-5，取标称直径800cm。3.1.2 原型水轮机最高效率与效率修正值原型机最大效率： （3-3）原型机与模型机效率修正值： （3-4）原型机效率： （3-5）1水轮机工艺误差引起的效率下降值，对大中型水轮机取12%，对中小水轮机型取24%。1水轮机异型部件引起的效率下降值，一般取13%，中小型水轮机通常不考虑。1取1%，2取1%。3.1.3 水轮机转速的计算与选择 （3-6） （3-7） （3-8）n11r原型水轮机设计单位转速，r/min；n11单位转速修正值，当n11r0.03n110M不修正，反之需要修正。，不修正。参考文献1P166表6-6，处于标准同步转速88.2/min与93.8r/min之间。3.1.4 实际水轮机的额定水头 （3-9）3.1.5 实际水轮机的额定流量 （3-10）3.1.6 检验水轮机实际工作范围3.1.6.1 水轮机计算点出力校核Hr时的出力(kw) （3-11）Pr=561224.49kw满足要求。3.1.6.2 水轮机实际工作范围的校核水头为Hmax时，所对应的模型单位转速 （3-12）水头为Hmin时，所对应的模型单位转速 （3-13）水头为Hr时，所对应的模型单位转速 （3-14）水头为Hav时 （3-15）计算结果制表3-1。表 3-1 方案一各水头单位转速计算结果表 r/minHmaxHminHavHr转速方案88.264.4173.5267.1269.94转速方案93.868.5078.1971.3974.38根据参考文献2P20图1-23，88.2r/min转速时，n11min n11max范围包含高效率区更优，故选取转速88.2r/min3.1.7 水轮机最大允许吸出高度计算Zwmin=Zsk-Hmax （3-16） （3-17）E水轮机安装高程，初设可以使用最低尾水位Zwmin；K水轮机的空化安全系数。参考文献1P61表3-3选取。Zwmin=2352-120=2232m当H=Hmax时当H=Hr时选取偏小的Hs=-6.88m以防止产生空化。3.1.8 水轮机安装高程 （3-18） （3-19）Zw下游尾水位。此处取满负荷流量所对应下游尾水位。Zw=Zsk-HrZw=2352-101.77=2250.23m3.1.9 水轮机最大飞逸转速 （3-20） （3-21）nR11根据参考文献1P144表5-7选取。3.1.10 水轮机轴向水推力、总轴向力轴向水推力(N) （3-22）转轮重量(N) （3-23）主轴重量此处取0.7 （3-24）总轴向推力 （3-25）K轴向水推力系数。根据参考文献3P2表1-3选取。3.2 方案二 HL200（5440MW）采用5台机组，转轮型号为HL200。水电站总装机容量2200 MW，则单机容量Nr=2200MW/5=440MW。3.2.1 水轮机转轮直径的计算与选择根据公式（3-1）、（3-2），g选取0.98，参考文献2P20图1-23，交点效率M约为0.89，加上0.01修正值，r取0.90。参考文献1P165表6-5，取标称直径700cm。3.2.2 原型水轮机最高效率与效率修正值根据公式（3-3）、（3-4）、（3-5）得3.2.3 水轮机转速的计算与选择根据公式（3-6）、（3-7）、（3-8）得，不修正。参考文献1P166表6-6，处于标准同步转速100r/min与107.1/min之间。3.2.4 实际水轮机的额定水头根据公式（3-9）得3.2.5 实际水轮机的额定流量根据公式（3-10）得3.2.6 检验水轮机实际工作范围3.2.6.1 水轮机计算点出力校核根据公式（3-11）得Pr=448979.59kw满足要求。3.2.6.2 水轮机实际工作范围的校核根据公式（3-12）、（3-13）、（3-14）、（3-15）计算结果制表3-2。表 3-2 方案二各水头单位转速计算结果表 r/minHmaxHminHavHr转速方案10063.9072.9466.5968.36转速方案107.168.4478.1271.3273.21根据参考文献2P20图1-23，100r/min转速时，n11min n11max范围包含高效率区更优，故选取转速100r/min。3.2.7 水轮机最大允许吸出高度计算根据公式（3-16）、（3-17）得当H=Hmax时当H=Hr时选取偏小的Hs=-6.88m以防止产生空化。3.1.8 水轮机安装高程根据公式（3-18）、（3-19）得Zw=2352-104.87 =2247.13m3.2.9 水轮机最大飞逸转速nR11根据参考文献1P144表5-7选取，根据公式（3-20）得3.2.10 水轮机轴向水推力、总轴向力根据公式（2-22）、（2-23）、（2-24）、（2-25）得3.3 方案三 HL180（8275MW）采用8台机组，转轮型号为HL180。水电站总装机容量2200 MW，则单机容量Nr=2200MW/8=275MW。3.3.1 水轮机转轮直径的计算与选择根据公式（3-1）、（3-2），g选取0.98，参考文献2P21图1-24，交点效率M约为0.89，加上0.01修正值，r取0.90。参考文献1P165表6-5，取标称直径600cm。3.3.2 原型水轮机最高效率与效率修正值根据公式（3-3）、（3-4）、（3-5）得3.3.3 水轮机转速的计算与选择根据公式（3-6）、（3-7）、（3-8）得，不修正。参考文献1P166表6-6，处于标准同步转速115.4r/min与125/min之间。3.3.4 实际水轮机的额定水头根据公式（3-9）得3.3.5 实际水轮机的额定流量根据公式（3-10）得3.3.6 检验水轮机实际工作范围3.3.6.1 水轮机计算点出力校核根据公式（3-11）得Pr=280612.24kw不满足要求。3.3.6.2 水轮机实际工作范围的校核根据公式（3-12）、（3-13）、（3-14）、（3-15）计算结果制表3-3。表 3-3 方案三各水头单位转速计算结果表 r/minHmaxHminHavHr转速方案115.463.2172.1465.8768.69转速方案12568.4778.1571.3474.40根据参考文献2P20图1-23，115.4r/min转速时，n11min n11max范围包含高效率区更优，故选取转速115.4r/min。3.3.7 水轮机最大允许吸出高度计算根据公式（3-16）、（3-17）得当H=Hmax时当H=Hr时选取偏小的Hs=-4.72m以防止产生空化。3.3.8 水轮机安装高程根据公式（3-18）、（3-19）得Zw=2352-101.61=2250.39m3.3.9 水轮机最大飞逸转速KR根据参考文献1P144选取，根据公式（3-21）得3.3.10 水轮机轴向水推力、总轴向力根据公式（3-22）、（3-23）、（3-24）、（3-25）得3.4 方案四 HL200（11200MW）采用11台机组，转轮型号为HL180。水电站总装机容量2200 MW，则单机容量Nr=2200MW/11=200MW。3.4.1 水轮机转轮直径的计算与选择根据公式（3-1）、（3-2），g选取0.98，参考文献2P21图1-24，交点效率M约为0.89，加上0.01修正值，r取0.90。参考文献1P165表6-5，取标称直径500cm。3.4.2 原型水轮机最高效率与效率修正值根据公式（3-3）、（3-4）、（3-5）得3.4.3 水轮机转速的计算与选择根据公式（3-6）、（3-7）、（3-8）得，不修正。参考文献1P166表6-6，处于标准同步转速136.4r/min与150/min之间。3.4.4 实际水轮机的额定水头根据公式（3-9）得3.4.5 实际水轮机的额定流量根据公式（3-10）得3.4.6 检验水轮机实际工作范围3.4.6.1 水轮机计算点出力校核根据公式（3-11）得Pr=204081.63kw满足要求。3.4.6.2 水轮机实际工作范围的校核根据公式（3-12）、（3-13）、（3-14）、（3-15）计算结果制表3-3。表 3-3 方案三各水头单位转速计算结果表 r/minHmaxHminHavHr转速方案136.462.2671.0664.8866.57转速方案15068.4778.1571.3573.21根据参考文献2P20图1-23，136.4r/min转速时，n11min n11max范围包含高效率区更优，故选取转速136.4r/min。3.4.7 水轮机最大允许吸出高度计算根据公式（3-16）、（3-17）得当H=Hmax时当H=Hr时选取偏小的Hs=-4.72m以防止产生空化。3.4.8 水轮机安装高程根据公式（3-18）、（3-19）得Zw=2352-104.95=2247.05m3.4.9 水轮机最大飞逸转速KR根据参考文献1P144选取，根据公式（3-21）得3.4.10 水轮机轴向水推力、总轴向力根据公式（3-22）、（3-23）、（3-24）、（3-25）得3.5 机组方案的比较四个方案列表3-5分析。3.5.1 使用水头方面比较四个方案使用水头范围均为90125m，全都符合要求。方案三由于出力校核小于额定出力，最先排除。3.5.2 模型水轮机的比较模型水轮机HL180型号比转速更接近设计时所确定的比转速175.18mKW。且其模型空化系数较HL200小，空化空蚀性能更好。同时模型最高效率也较大。3.5.3 原型水轮机能量性能的比较剩余方案中，方案一水轮机额定效率与最优效率最大，但剩余的三个方案效率大小相差非常小，基本无区别。同时三个方案的包含的高效率区也相差不多。3.5.3 原型机转速的比较对比剩余三个方案单个机组额定转速，方案四单个机组转速最快，其对应发电机尺寸最小，有利于减少设备造价与减小厂房尺寸。3.5.4 原型水轮机空化与空蚀性能的比较剩余方案中，方案四较其他两种方案空化系数小，空化空蚀性能更好。同时开挖深度较小，有利于减小厂房投资。综上所述，选取方案四。表3-5 机组方案比较表方案一方案二方案三方案四单机容量台数550MW4440MW5275MW8200MW11水轮机型号HL200HL200HL180HL180模型最优单位流量(m3/s)0.960.960.860.86模型最优单位转速（r/min）68.068.067.067.0模型最高效率(%)91.491.49292模型空化系数0.1000.1000.0850.085额定功率 (kw）561224.49448979.59280612.24204081.63转轮直径 (cm)800700600500额定转速nr（r/min）88.2100115.4136.4水轮机最高效率(%)95.195.095.295.0水轮机额定效率(%)90.790.690.290.0额定水头Hr(m)101.77104.87101.61104.95额定流量Qr(m3/s)619.81481.72312.08220.26空化系数0.120.120.1020.102吸出高度（m）-6.88-6.88-4.72-4.72安装高程Z(m)2244.152240.952246.272242.83最大飞逸转速 (r/min)179.38205.00207.72245.52轴向水推力Ft(N)17714198.9113255993.679483939.296388029.584 水轮机综合特性曲线的绘制水轮机运转综合特性曲线参考附图1。4.1 等效率线的绘制方案四计算结果，根据参考文献2P21图1-24作表4-1。且由于 n11=0.02n110M转速不需要修正。 （4-1） （4-2） （4-3）表4-1 水轮机等效率曲线计算表M(%)(%)H1=120mM(%)(%)H2=110.5mn11=n11M=62.26r/minn11=n11M=64.88r/minQ11（m3/s）P（MW）Q11(L/s)P(MW)91.5792.570.716211.2691.7692.760.708187.0991920.6050.789179.44234.0291920.6130.803160.66210.4590910.5760.821168.98240.8690910.5840.834151.39216.2088890.5290.871151.78249.9188890.5420.884137.42224.1386870.4920.905138.00253.8386870.5000.916123.92227.0284850.4580.934125.51255.9584850.4610.945111.63228.8282830.4210.961112.65257.1582830.4210.97199.54229.595%出力限制线89.290.20.845245.7289.390.30.850218.65续表 4-1M(%)(%)H3=104.95 mM(%)(%)H4=92.1mn11=n11M=66.54r/minn11=n11M=71.06r/minQ11(m3/s)P（MW）Q11(L/s)P(MW)91.8892.880.721176.5891.5592.550.766153.6891920.6290.805152.59195.2891920.6870.811137.01161.7490910.5950.837142.77200.8490910.6420.845126.64166.6988890.5500.887129.07208.1688890.5840.889112.67171.5186870.5050.921115.85211.2886870.5340.926100.71174.6384850.4660.950104.44212.9284850.4970.95891.57176.5282830.4290.97693.89213.6082830.4500.98280.96 176.685%出力限制线89.490.40.852203.0989.590.50.855167.734.2 出力限制线的绘制在等效率曲线计算表中，把5%出力限制栏中的H、P值绘在运转特性曲线上，连接各点，即为出力限制线的斜线部分（水轮机的出力限制线）。斜线与垂直线的交点水头即是实际的水轮机额定水头。计算结果记于表4-1。4.3 等吸出高度线的绘制根据公式(3-14)、(3-15)计算，结果见表4-2。表4-2 等吸出高度线计算表H(m)n11M(r/min)MQ11(m3/s)M（%）（%）P(MW)KMKMHHs(m)12062.260.070.63991.592.5190.560.08410.08-2.5712062.260.080.77991.192.1231.300.09611.52-4.0112062.260.090.8878889254.500.10812.96-5.4512062.260.100.92984.585.5256.070.12014.40-6.8912062.260.110.9618283257.150.13215.84-8.33110.564.880.070.65091.7592.75171.740.0849.282-1.77110.564.880.080.80590.991.9210.750.09610.608-3.10110.564.880.090.90386.887.8225.860.10811.934-4.43110.564.880.100.9588384229.240.12013.26-5.75110.564.880.110.98980.581.5229.620.13214.59-7.08104.9566.540.070.63991.292.2155.350.0848.8158-1.31104.9566.540.080.81690.691.6197.090.09610.0752-2.57104.9566.540.090.9218687211.280.10811.3346-3.83104.9566.540.100.9768283213.600.12012.594-5.09104.9566.540.111.00079.680.6212.530.13213.8534-6.3592.171.060.070.08057.414050.0992.171.060.080.83290.591.5165.020.09208.4732-0.9792.171.060.090.93985.286.2175.460.10329.50472-2.0092.171.060.100.99780.881.8176.790.115010.5915-3.0892.171.060.111.0247879175.360.126511.6507-4.145 蜗壳的设计蜗壳单线图见附图2。5.1 蜗壳型式的选择由于水头大于40m，故采用金属蜗壳。蜗壳断面为圆形，当蜗壳尾部用圆形断面不能和座环蝶形边相连接时，采用椭圆断面，蜗壳的包角为。5.2 座环尺寸确定采用带蝶形边座环，锥角为55。参考文献4P105表6-15选取座环尺寸Da=7.8m，Db=6.6m，K=0.15m，R=0.4m。5.3 各断面尺寸确定5.3.1 进口断面尺寸参数计算金属蜗壳的进口断面型式为圆形，为钢板制作。蜗壳是沿座环圆周焊接在上下碟形边上。进口断面平均流速： （5-1）蜗壳进口断面流速系数，参考文献1P197图7-15选取0.78。进口断面的面积 ： （5-2）为蜗壳包角，对于金属蜗壳一般取345。进口断面半径： （5-3）从轴中心线到蜗壳外缘半径： （5-4）蜗壳座环外半径，ra=Da/2=3.9m。 （5-5） （5-6）进口断面中心距： （5-7）5.3.2 圆形断面尺寸参数计算由进口断面尺寸求出蜗壳系数： （5-8）当s时，蜗壳各断面不能在D点与座环相连接，采用圆形断面就不合适了。在这种情况下，蜗壳断面采用椭圆形断面。以下是临界角度算法。（5-9）所以，当150.80时，都应采用椭圆断面。按下列公式计算蜗壳对应断面尺寸： （5-10） （5-11） （5-12） （5-13）计算结果列于表5-1。表5-1 蜗壳圆形断面尺寸断面号i()i/Cxi(m)i(m)ai(m)Ri(m)13450.655.282.072.722.906.779.6723300.625.062.012.632.816.689.4933150.604.831.962.562.756.619.3643000.574.601.902.472.666.529.1852850.544.371.832.372.576.428.9962700.514.141.772.282.496.338.8272550.483.911.702.182.406.238.6382400.453.681.642.092.326.148.4692250.43 3.45 1.56 1.99 2.23 6.04 8.27 102100.40 3.22 1.49 1.89 2.13 5.94 8.07 111950.37 2.99 1.41 1.78 2.04 5.83 7.87 121800.34 2.76 1.33 1.67 1.94 5.72 7.66 131650.31 2.53 1.24 1.55 1.84 5.60 7.44 5.3.3 椭圆断面尺寸参数计算根据椭圆断形面面积与圆形断面面积相等的原则，求出椭圆段面的尺寸。为了避免蜗壳椭圆形断面伸入座环内，保证蜗壳的实际断面面积与计算值相符，因此应使椭圆形断面位于座环蝶形边外圆所在的圆柱面之外。由几何关系可以得到下列椭圆断面计算公式： （5-15） （5-26） （5-17） （5-18） （5-19） （5-20） （5-21） （5-22）计算结果列表5-2。表5-2 蜗壳椭圆断面尺寸断面号i()i/C()2cot2iA(m2)R2(m)R1(m)ai(m)Ri(m)141500.280.340.03841.901.7310.101.7851.765.537.28151350.260.320.03311.711.649.151.6371.715.357.06161200.230.280.02591.521.527.961.4421.655.116.76171050.200.240.01961.331.406.861.2491.594.886.4718900.170.210.01421.141.285.851.0611.544.656.1819750.140.170.00960.951.154.850.8601.484.405.8820600.110.130.00590.761.013.900.6541.424.155.5621450.090.110.00400.570.873.080.4591.363.915.2722300.060.070.00180.380.692.200.2271.293.634.9223150.030.040.00040.190.481.420.0051.223.344.566 尾水管的设计尾水管单线图见附图3。6.1 尾水管选择尾水管是水轮机过流通道的一部分。尾水管的形状对不同比转速水轮机的性能存在不同程度的影响，尤其对高比转速水轮机影响更为明显。鉴于本水轮机属于大中型水轮机，选择弯曲形尾水管。弯曲形尾水管由进口锥管段，肘管段和出口扩散段三部分组成。由于1。根据参考文献2P129表2-17，h/D1=2.6，L/D1=4.5，Bs/D1=2.720，D4/D1=1.35，h6/D1=0.675，L1/D1=1.82，h5/D1=1.22。6.2 尺寸确定6.2.1 尾水管高度、水平长度与宽度尾水管高度指从水轮机底环平面到尾水管底板的高度，是决定尾水管性能的主要参数。增加高度将提高尾水管效率，但将增加电站建设费用，减少高度不仅会降低水轮机效率，还会影响运行的稳定性。h=2.65=13m。水平长度L是指机组中心到尾水管出口的距离。增加L可以使尾水管出口动能下降，提高水轮机效率。但过长将增加沿程水力损失与增加厂房水下部分尺寸。增加L效益不如增加H显著。L=4.5D1=4.55=22.5m。尾水管宽度增加，则在肘管出口可以保证截面面积的情况下采用较小的高度，这可以使肘管内壁的型线变化更加平缓，减小水流在肘管内壁的脱流程度u，有利于尾水管的设计。若其太小，