水轮机的改进设计 毕业论文.doc

西华大学毕业设计说明书 水轮机的改进设计水轮机的改进设计 毕业论文毕业论文 目目 录录 摘摘 要要 5 1 1 前言前言 6 2 2 桂树林水电站的水轮机选型设计桂树林水电站的水轮机选型设计 7 2 1 水轮机选型的任务 7 2 2 水轮机选型的原则 7 2 3 水轮机选型的条件及主要参数 8 2 4 水轮机机型及模型转轮的选择 8 2 5 机组台数的选择 9 2 6 初选设计工况点 10 2 7 转轮直径的确定 10 2 8 确定额定转速 12 2 9 效率及单位参数的修正 12 2 10 校核所选择的真机转轮直径 14 2 11 确定水轮机导叶的最大开度 19 2 12 计算水轮机的设计流量 19 2 13 确定水轮机的允许吸出高度 20 1 西华大学毕业设计说明书 2 14 确定水轮机的安装高程 26 2 15 计算水轮机的飞逸转速 27 2 16 计算轴向水推力 27 2 17 估算水轮机的质量 28 3 水轮机导水机构运动图的绘制水轮机导水机构运动图的绘制 29 3 1 导水机构的基本类型 29 3 2 导水机构的作用 29 3 3 导水机构结构设计的基本要求 29 3 4 导水机构运动图绘制的目的 30 3 5 导水机构运动图的绘制步骤 31 4 水轮机金属蜗壳水力设计水轮机金属蜗壳水力设计 35 4 1 蜗壳类型的选择 35 4 2 金属蜗壳的水力设计计算 35 5 尾水管单线图的绘制尾水管单线图的绘制 41 5 1 尾水管概述 41 5 2 尾水管的基本类型 42 5 3 弯肘形尾水管中的水流运动 42 6 混流式水轮机结构设计混流式水轮机结构设计 43 6 1 概述 43 6 2 水轮机主轴的设计 43 2 西华大学毕业设计说明书 6 3 水轮机金属蜗壳的设计 45 6 4 水轮机转轮的结构设计 46 6 5 导水机构设计 49 6 6 水轮机导轴承结构设计 52 6 7 水轮机的辅助装置 55 7 结论结论 57 总结与体会总结与体会 57 谢谢 辞辞 58 参参 考考 文文 献献 59 3 西华大学毕业设计说明书 摘摘 要要 本次毕业设计是根据桂树林水电站的水力参数和具体要求 确定了水轮机机型 及型号 HL260 A244 LJ 190 对于选型设计 首先根据电站提供的原始参数分析 并初步选择合理的模型转轮型号 然后通过对不同方案转轮进效率 强度 稳定性 和经济性等各方因素进行比较 最终确定模型转轮型号 在满足选型设计要求后进 行导水机构运动图的绘制 接着进行了水轮机的结构设计 包括水轮机蜗壳水力设 计 尾水管设计并绘制出了蜗壳 尾水管水力单线图 水轮机总剖面图及导叶零件图 关键词 关键词 水轮机 选型设计 结构设计 水力设计 Abstract The main process of this graduation project is based on the hydraulic parameter and specific request of the GuiShuLin hydropower station selects the hydraulic turbine type and the model HL260 A244 LJ 190 As to turbine type selection design firstly preliminary model runner types were selected through analysing original information offered by the plant Then to determine the optimum solution among the roughly chosen after weighing up the pros and cons of the different schemes in terms of the efficiency intensity stability economic elements etc comprehensively After meeting the request of the type selection design designer goes on guide mechanism motion diagram and the structure hydraulic turbine design including the hydraulic design of the casing and design of the draft tube then draws their hydraulic line chart the hydraulic turbine s gross sectional drawing and the guide blade s part drawing Key words hydraulic turbine type selection design structure design hydraulic design 4 西华大学毕业设计说明书 1 1 前言前言 水轮机是水电站的重要设备之一 它是靠自然界水能进行工作的动力机械与其他 动力机械相比 它具有效率高 成本低 环境卫生等显著特点 另外 水轮机的好 坏直接影响到水电站的能量转换效率 在水轮机生产制造前 我们必须首先根据给 定电站的水力条件对水轮机进行选型设计 对其零件进行结构分析以及对部分零部 件进行强度计算及校核等 作为热能与动力工程专业的学生 就必须熟练掌握水轮 机的设计思想 设计方法以及设计步骤 所以在学习各种专业课程后开始本次毕业 设计 毕业设计是本科教学计划中最后一个综合性 创造性的教学实践环节 是对学 生在校期间所学基础理论 专业知识和实践技能的全面总结 是对学生综合能力和 素质的全面检验 也是教学 工程实践的重要结合点 它主要是培养学生综合运用 所学知识和技能去分析和解决本专业范围内的工程技术问题 建立正确的设计思想 掌握水轮机设计的一般程序和方法 使学生在进行了工程实践能力的综合训练后 在今后的工作岗位上具有应用专业技术解决工程实际问题的能力 5 西华大学毕业设计说明书 2 2 桂树林水电站的水轮机选型设计桂树林水电站的水轮机选型设计 水轮机的选型和计算就是根据水电站设计部门提供的原始资料及参数 选择合 理的水轮机型号和计算水轮机的各种数据 这是一项非常重要的工作 他直接关系 到水电站的机组能否长期稳定运行 投资的多少 一般情况下 先根据水电站的类 型 动能计算以及水工建筑物的布置等初选若干个方案 然后进行技术经济比较 再根据水轮机生产情况制造水平 最后确定所需的水轮机的型号及尺寸 2 1 水轮机选型的任务水轮机选型的任务 水轮机选型的主要任务如下 1 确定电站装机台数及单机功率 2 选择机组类型及模型转轮型号 3 确定机组的装置方式 6 西华大学毕业设计说明书 4 确定转轮直径 额定转速 飞逸转速 5 计算所有运行水头和功率下水轮机的效率和吸出高度值 绘制水轮机运转综 合特性曲线 6 轴向水推力的计算 7 调节保证计算 本设计不要求 8 计算水轮机的外形尺寸 估算重量及其价格 上述内容为水电站水轮机初步设计的一部分 水电站初步设计还包括水轮机的 通流部件的设计 如蜗壳 座环 导水机构 尾水管等的初步计算及初步绘制水轮 机剖面图等 2 2 水轮机选型的原则水轮机选型的原则 水轮机选型设计计算是水电站设计中的一项重要任务 其计算结果对水电站的 投资 建设速度和发电量以及水电站的经济效益都有很大的影响 水轮机的选型并 不是简单地查阅产品目录 从现代水轮机的选型设计计算来看 它是一门系统工程 学 要在电站水能资源综合利用 制造 运输 安装 土建电力用户 运行方式等 诸多技术经济因素中寻求最佳方案 水轮机选型设计的一般原则如下 所选水轮机要具有较高的能量特性 不仅要选择额定工况下较高的水轮 max 机转轮型号 而且还要根据水轮机的工作特性曲线 即及曲线 f N f H 选择平均效率最高的水轮机型号 使水轮机在负荷和水头变化的情况下具有最高 的平均运行效率 所选水轮机不仅要具有良好的空蚀性能 还要有较好的工作稳定性能 运行 要灵活 平稳 安全和可靠 所选水轮机的尺寸应较小 结构要合理 先进 便于运输 安装 运行及检 修 转轮选择比较时 应尽可能选用较高的水轮机 这样转速较高 相应的 s n 机组尺寸就小 并且使所选的水轮机经常在最优区运行 选择转轮参数时应该使 11 n 7 西华大学毕业设计说明书 值稍高于 而且值应接近于值 110 n 11 Q 11max Q 2 3 水轮机选型的条件及主要参数水轮机选型的条件及主要参数 主要设计参数 总装机容量 MW17P 工作水头mHmHmHmH rpj 1 2738 6 45 1 53 minmax 引用流量 电站海拔高程 smQp 56 3 j m590 2 4 水轮机机型及模型转轮的选择水轮机机型及模型转轮的选择 水轮机型号的选择主要是根据水电站的特征水头 特别是其最大水头 max H 来选 择的 通常情况下 水轮机型号是根据水轮机的型谱性能参数进行选择的 若在交 界的水头范围 也就是某一水头范围有 2 种及其以上的转轮型号可选择时 就需要 进行综合比较分析后才能确定到底选用哪一种型号更合适 桂树林水电站的最大水 头 根据最大水头 查中小型轴流式混流式水轮机转轮系列型谱 可mH1 53 max 得选水轮机模型转轮型号为 HL260 A244 其对应的相关模型转轮参数如表 2 1 所 示 表 2 1 HL260 A244 模型转轮主要参数 流道尺寸 最优工况 转轮 型号 推荐使用水 头 H m 模型转 轮直 径 D1m 0 b 1 Z 0 D 0 Z 10 r min n 10 3 m s Q 0 0 HL260 A244 35 600 350 315131 1624801 0891 70 12 8 西华大学毕业设计说明书 2 5 机组台数的选择机组台数的选择 对于一个确定了总装机容量的水电站 机组台数的多少直接影响到电厂的动能 经济指标与运行的灵活性 可靠性 还影响到电厂建设的投资等 因此 确定机组 的台数时 必须考虑以下有关因素 并进行充分的技术经济论证 1 机组台数对工程建设费用的影响 机组台数多少直接影响单机容量的大小 单机容量不同时 机组的单位千瓦造 价不同 一般情况下 小机组的单位千瓦造价高于大机组 小机组的单位千瓦金属 消耗高于大机组 因此 在同样的装机容量下 水电站的土建工程及动力厂房成本 也随机组数的增加而增加 2 机组台数对电厂运行维护的影响 机组台数较少时 其优点是运行方式灵活 发生事故时对电站及所在系统的影 响较小 检修也容易安排 但台数较多时 运行人员增加 运行用的材料 消耗品 增加 因而运行费用较高 同时 较多的设备与较频繁的开停机会使整个电站的事 故发生率上升 3 机组台数对设备制造 运输及安装的影响 机组台数增加时 水轮机和发电机的单机容量减小 则机组的尺寸小 制造 运输及现场安装都较容易 因此 最大单机容量的选择要考虑制造厂家的加工水平 及设备的运输 安装条件 4 机组台数对电力系统的影响 对于占电力系统容量比重较大的水电厂及大型机组 发生事故时对电力系统的 影响较大 考虑到电力系统中备用容量的设置及电力系统的安全性 在确定台数时 单机容量不应大于系统的备用容量 即使在容量较小的电网中 单机容量也不宜超 过系统容量的 1 3 本次选型对于机组装机台数有两种方案 装机一台为方案一 装机两台为方案二 9 西华大学毕业设计说明书 2 6 初选设计工况点初选设计工况点 水轮机的选型设计工况点是指在 额定水头下发额定出力时的工况点 即 对已选定的水轮机转轮 11 11r n r Q 型号 查出其模型综合特性曲线 图 2 1 初选设计的工况点 r pj r H H nn 10 1 式中 10 n 模型的最优单位转速 在模型综合特性曲线上 作 10 n 与 5 功率限制线交于 A 点 此点即为初选设计 工况点 交点处的流量 smQ r 27 1 3 1 2 7 转轮直径的确定转轮直径的确定 转轮直径的计算公式为 2 3 1 F 1 81 9 rrH Q N D 式中 水轮机的轴功率 KW F N 1 D 转轮直径 m 1r Q 真机单位流量 sm 3 F F N N 10 西华大学毕业设计说明书 式中 N 发电机额定功率 N P 2 KW 发电机的效率 F 初步设计时 大中型发电机 0 96 0 98 中小型发电机 0 92 0 94 功率较 F F 大 转速较高时取上限值 本次设计取 0 94 计算得 方案一 F N 18085 11KW 方案二 F N 9042 55KW 为水轮机的效率 可根据水轮机的型号近似地取值 即 HL 水轮机 0 89 0 90 ZZ 水轮机 0 85 0 87 本次设计取 0 9 计算得 方案一 1 D 2 64m 方案二 1 D 1 87m 查 水力机械及工程设计 书 P15 页表 1 3 转轮公称直径 1 D 尺寸系列表 结果 可选方案一和方案二公称直径为 2 7m 和 1 9m 表 2 2 转轮直径 D1 2 8 确确 定定 额定转速额定转速 计算额定转速时 一般希望加权平均水头的单位转速接近于最优转速 从 pj H 10 n 而使水轮机大部分时间运转在高效区 额定转速的计算公式 1 10 D H nn pj 式中 设计单位转速 r min 10 n HL260 机组方案计算直径 D1 调整直径 D1 方案一2 64m0 892 7m 方案二1 87m0 891 9m 11 西华大学毕业设计说明书 加权平均水头 45 6m pj H pj H 计算结果如表 2 3 所示 表 2 3 额定转速 n 的计算结果 将转速 n 经过整合 由 水力机械及工程设计 P15 表 1 4 取 n 187 5 和 n 214 3 为方案一的整合转速 n 250 和 n 300 为方案二的整合转速 2 9 效率及单位参数的修正效率及单位参数的修正 2 9 1 效率修正效率修正 对混轮流式水轮机真机最优工况效率按 moody 公式计算 即 5 1 1 max max 1 1 t m mt D D 式中 模型的转轮直径 由中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表 m D1 真机的转轮直径 t D1 因此 真机与模型机因直径及水头不同而导致效率不同的修正值为 mtmax max 真机的效率修正 123 式中 主要由尺寸效应引起的修正值 1 由翼形过流部件影响引起的修正值 本次设计未采取翼形过流部件 2 取 0 2 由机械的加工工艺质量而引起的修正值 它与水轮机的尺寸及加工 3 HL 260 A244 机组 1 D cm 10 r minn 装机一台270 204 1 装机两台190 290 12 西华大学毕业设计说明书 的工艺质量有关 对于大型水轮机 取 1 2 对于中小型水轮机 参照相应 3 规范取不同的值 100 m 式中 真机的最优工况效率 0 模型机的最优工况小萝卜 由中小型混流式水轮机模型转轮主要参 0m 数表 知 0 917 0m 2 9 2 单位参数的修正值单位参数的修正值及及 11 n 11 Q 1111 1111 1 1 t tmm m t tmm m nnnn QQQQ 1 0 m n式中 模型机最优工况下的单位转速 上述修正值可在最优工况点进行选取 其他工况点采用等值修正处理 当 时 单位参数可不予修正 最终计算结果见表 2 4 3 1 1m 0 n n 3 1 1m Q Q 表 2 4 效率及单位参数的修正 单位参数修正值水轮机 型号 HL260 A244 转轮直 径 1 cmD 效率修正 值 1 1 m n n 1m Q Q 是否修正 方案一2701 8 1 5 1 23 否 方案二1901 8 1 5 1 23 否 13 西华大学毕业设计说明书 真机的效率为 mA 2 10 校核所选择的真机转轮直径校核所选择的真机转轮直径 2 10 1 找出水轮机的真实工况点找出水轮机的真实工况点 B 实际水轮机的转速 r tr H D nn 1 1 故 1 1 1 nnn trmr 式中 n 额定单位转速 r min 真机的转轮直径 m 1 D 设计水头 76 5 r H r H 单位转速修正值 取 0 1 n 1 n B 点在水平线上 在其上查找点 计算功率 并作辅助曲线 1 mr n 1 mm Q 1t N 即 11 tt Nf Q 11 1 1 9 819 81 tititimimi NQQQ 而 在辅助曲线上有一个与之对应 从而得到 1 23 2 1 tr r N N D H 1tr Q 将的值返回到模型综合特性曲线图上与线相交于 B 点 1 1 1mrtr QQQ 1 mr Q 1 mr n 即为真实工况点 各种方案计算结果如下 1 HL260 A244 方案一 转轮直径 270cm 转速 n 187 5 1 Dmin r min 12 82 38 7 2 5 187 1 1 r H nD n r tr 14 西华大学毕业设计说明书 KW HD N N r tr 59 10 387 2 11 18085 5 122 3 1 1 表 2 5 辅助曲线计算数据表 11 tt Nf Q 辅助曲线如图 2 2 所示 图 2 2 辅助曲线 11 tt Nf Q 找出 B 点位置为 Q 1 168 S 0 905 3 m 2 HL260 A244 方案二 转轮直径 190cm 转速 n 250 1 Dmin r m 0 860 880 890 900 910 910 900 890 880 86 m0 8780 8980 9080 9180 9280 9280 9180 9080 8980 878 m QQ 1111 S 3 m 0 8630 940 9821 0141 0481 1421 1791 2151 2431 298 1 t N KW 7 438 288 759 139 5410 4010 6210 8210 9511 18 15 西华大学毕业设计说明书 表 2 6 辅助曲线计算数据表 11 tt Nf Q min 1 77 38 9 1250 1 1 r H nD n r tr KW HD N N r tr 69 10 389 1 55 9042 5 122 3 1 1 辅助曲线如图 2 3 所示 图 2 3 辅助曲线 11 tt Nf Q 找出的 B 点的位置为 Q 1 211 S 0 879 3 m m 0 860 880 890 900 910 910 900 890 880 86 m0 8780 8980 9080 9180 9280 9280 9180 9080 8980 878 m QQ 1111 S 3 m 0 8190 8770 9100 9450 9921 0901 1351 1701 2061 277 1 t N KW 7 057 668 118 519 039 9210 2210 4210 6211 00 16 西华大学毕业设计说明书 2 10 2 工作范围的检查工作范围的检查 最大水头下 对应一个 最小水头下下 对应一个 这 2 条直 m ax H 1min n m i n H 1max n 线之间应包含主要综合特性曲线的优效率区 同时 B 点应在最优工况点的附近 则可认为所选择的和 n 是合理的 正确的 否则应重新选择和 n 的值 1 D 1 D 模型机的单位转速为 1 11m i nD nn H 式中 n额定转速 r min 真机的转轮直径 m 1 D 单位转速修正值 1 n 水头 分别取和 i HmHHi 1 53 max mHHi 1 27 min 下面分别求出各种方法下的和大小 计算结果见表 2 7 1min n 1max n 表 2 7 和大小 1min n 1max n 水轮机型号转轮直径 cm 1 D min n r 转速 1min min n r 1max min n r 187 569 597 2 270 214 3 79 4111 1 250 65 2 91 2 HL260 A244 190 30078 2109 5 各方案的工作范围及真实工况点 B 如下 17 西华大学毕业设计说明书 图 2 4 各方案的工况范围和真实工况点 根据运行转速区间图可以看出转轮型号 HL260 装机一台在额定转速 187 5r min 和装机二台在额定转速 250r min 时最大转速和最小转速所包围的区间包含了模型综 合特性曲线的最优效率区 而转轮型号 HL260 装机一台在额定转速为 214 3r min 和 装机二台在额定转速 300r min 时 最大转速和最小转速所包围的区间偏离了模型综 合特性曲线的最优效率区 所以排除转轮型号 HL260 装机一台额定转速 214 3r min 和装机二台额定转速 300r min 方案 综上各种方案的工作范围和真实工况点的检查 可以选择出 HL260 A244 装机一台转轮直径 转速 n 187 5r min 和装机mmD2700 1 二台转轮直径 转速 n 250r min 两种方案 mmD1900 1 18 西华大学毕业设计说明书 2 11 确定水轮机导叶的最大开度确定水轮机导叶的最大开度 对于中小型机组 由于简化结构的需要 常常使得减少 使得模 0 1 0 Z16 1 D D 型与真机之间的几何相似关系遭到破坏 此时不能利用几何相似关系进行导叶开度 的计算 为了使真机与模型机导水机构水流运动相似 只有使模型机与真机的导叶 出流角相等 即保证 t0m0 k bg nQ n h 60 ta 0 1 1 0 式中 导叶出流角 0 K 考虑导叶的挤压 水流的粘性及环量损失等的影响系数 通常 k 1 07 对于最优工况 1 15 1 20 对于限制工况 0 95 1 1 1n Q 分别带最优工况和限制工况下的流量和转速 可以得出最大开度 和最优开度下的出流角 计算结果 3 39 max0 7 23 y0 2 12 计算水轮机的设计流量计算水轮机的设计流量 r Q 的计算式 r Q r 81 9 Q H N t F r 式中 水轮机的轴功率 kw F N 设计水头 m r H 设计工况点 B 点的真机效率 t 方案一计算得 53 67 sm 3 r Q 19 西华大学毕业设计说明书 方案二计算得 27 6 sm 3 r Q smqsmQZQ plv 56 2 552 3 3 式中 Z 机组台数 本设计中方案一为一台 方案二为两台 plv q 电站引用流量 plv q 56 sm 3 所以 该设计流量满足要求 2 13 确定水轮机的允许吸出高度确定水轮机的允许吸出高度 水轮机在不同工况下的空蚀系数 是不同的 所以应根据不同水头的轴功率 即根据相应的 1 1n Q 值 从综合特性去线上查找相应的空蚀参数 并按下式计算 HkHs 900 10 或 HHs 900 10 式中 水电站水轮机安装海拔高度 m 各水头下的工况点的空蚀系数 空蚀系数的修正值 k 空蚀安全系数 空蚀系数修正值可通过手册查找 而在进行各水头的工况点的空蚀系数查找时 需作辅助曲线 为此列表计算 结果见表 1 8 并得出各水头 1 1 1 81 9 tttt QQfN 下的辅助曲线 且在各水头下 为已知 从辅助曲线上即可找到该水 2 32 1 1 i t HD N N 头下的辅助曲线 且在各水头下付出额定功率的工况点 从而得到其空蚀系数 列 表计算时 包括了 mH 1 27 min mH32 2 mHr38 mH45 4 五个水头 mH1 53 max 方案一 n 187 5r min mmD2700 1 表 2 8 各水头下的辅助曲线 20 西华大学毕业设计说明书 续 表 2 8 HimH 1 27 min mH32 2 i t H D nn 1 1 97 289 5 1 1tm nn 97 289 5 m t L 1 S Qt Kw 1 t N m t L 1 S Qt Kw 1 t N 10 820 83810168 350 860 8789908 53 20 840 85811079 310 880 89810679 40 30 860 878116910 060 890 90810939 74 40 880 898122510 790 900 918113010 18 50 880 898129011 360 900 918122311 01 60 860 878132211 390 890 908125011 13 70 840 858135311 390 880 898127511 23 8 0 820 838138011 340 860 878132011 37 HimHr38 mH45 4 i t H D nn 1 1 82 1275 5 1 1tm nn 82 1275 5 m t L 1 S Qt Kw 1 t N m t L 1 S Qt Kw 1 t N 10 880 8989408 280 880 8988587 56 20 890 9089828 750 890 9088907 93 3 0 900 91810149 130 900 9189228 30 4 0 910 92810489 540 910 9289858 97 50 910 928114210 400 910 92810479 53 6 0 900 918117910 620 900 91811039 93 70 890 908121510 820 890 908114310 18 80 880 898124310 950 880 898118410 43 Hi mH 1 53 max 21 西华大学毕业设计说明书 根据查出的数据 画出曲线 见图 2 5 1t1 t Nf Q a b mH 1 27 min mH32 2 i t H D nn 1 1 69 5 1 1tm nn 69 5 m t L 1 S Qt Kw 1 t N 10 840 8587416 24 20 860 8788036 92 30 880 8988707 66 40 890 9089328 30 50 890 90810619 45 60 880 89811239 89 70 860 878121510 47 80 840 868130811 01 22 西华大学毕业设计说明书 c d mHr38 mH45 4 e mH 1 53 max 图 2 5 辅助曲线 1t1 t Nf Q 各水头下的曲线 再根据值查出对应的单位流量 再 1t1 t Nf Q 1ti 23 2 1 N i N D H 将各水头下单位流量的和对应的单位转速值查 HL260 A244 综合效率特性曲线 依次 得出各空蚀系数 空蚀系数修正值经查 水轮机 取值为 0 032 0 19 0 196 0 132 0 11 0 124 1 2 3 4 5 在各水头下 计算水轮机的吸出高度 见表 2 9 s H 表 2 9 水轮机吸出高度 s H m i HmH 1 27 min mH32 2 mHr38 mH45 4 mH 1 53 max 0 190 1960 1320 110 124 m s H3 322 363 112 951 06 则 1 06m s H mini s H 23 西华大学毕业设计说明书 方案二 n 250r minmmD1900 1 表 2 10 各水头下的辅助曲线 HimH 1 27 min mH32 2 i t H D nn 1 1 91 284 1 1tm nn 91 284 m t L 1 S Qt Kw 1 t N m t L 1 S Qt Kw 1 t N 10 860 87810308 870 880 8989708 54 20 880 89811009 690 890 90810109 00 30 890 908112810 050 900 91810439 39 40 900 918116510 490 910 92810749 78 50 900 918123011 080 910 928116710 62 60 890 908125711 200 900 918119310 74 70 880 898128011 280 890 908122610 92 80 860 878132211 370 880 898125511 06 HimHr38 mH45 4 i t H D nn 1 1 77 170 8 1 1tm nn 77 170 8 m t L 1 S Qt Kw 1 t N m t L 1 S Qt Kw 1 t N 10 880 8988777 660 860 8788006 89 20 890 9089108 110 880 8988627 59 30 900 9189458 510 890 9088998 01 40 910 9289929 030 900 9189768 79 50 910 92810909 920 900 91810239 21 60 900 918113510 220 890 90810949 74 70 890 908117010 420 880 898114610 10 80 880 898120610 620 860 878123310 62 24 西华大学毕业设计说明书 续表 2 10 根据查出的数据 画出曲线 见图 2 6 1t1 t Nf Q a b mH 1 27 min mH32 2 c d mHr38 mH45 4 HimH 1 53 max i t H D nn 1 1 65 2 1 1tm nn 65 2 m t L 1 S Qt Kw 1 t N 10 800 8186214 98 2 0 820 8386775 57 30 840 8587486 30 40 860 8788507 32 50 860 87811349 77 60 840 858123110 44 70 820 838132310 88 80 800 818138811 14 25 西华大学毕业设计说明书 e mH 1 53 max 图 2 6 辅助曲线 1t1 t Nf Q 各水头下的曲线 再根据值查出对应的单位流量 再 1t1 t Nf Q 1ti 23 2 1 N i N D H 将各水头下单位流量的和对应的单位转速值查 HL260 A244 综合效率特性曲线 依次 得出各空蚀系数 空蚀系数修正值经查 水轮机 取值为 0 032 0 196 0 194 0 138 0 116 0 126 1 2 3 4 5 在各水头下 计算水轮机的吸出高度 见表 2 11 s H 表 2 11 水轮机吸出高度 s H m i HmH 1 27 min mH32 2 mHr38 mH45 4 mH 1 53 max 0 1960 1940 1380 1160 126 m s H3 162 122 882 680 95 则 0 95m s H mini s H 2 14 确定水轮机的安装高程确定水轮机的安装高程 对立式机组 0 2 S b H 下装 式中 电站下游水位 已知 590m 26 西华大学毕业设计说明书 水轮机允许吸出高度 方案一 Hs 1 06m 方案二 Hs 0 95m s H 导叶高度 0 b 001 b b D 式中 导叶的相对高度 由 1 中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表 0 b 可知 0 315 0 b 计算得 方案一 591 48525m 方案二 591 24925m 装 装 2 15 计算水轮机的飞逸转速计算水轮机的飞逸转速 混流式水轮机飞逸转速的计算公式为 max 11 1 min RR H nnr D 式中 原型机的飞逸转速 R n 模型机最大可能开度的单位飞逸转速 由 1 中小型混流式水轮机模 11 R n 型转轮主要参数表 可知 158 7r min 11R n 最大水头 53 1m max H max H 计算得 方案一 428 3r min 方案二 608 6r min R n R n 2 16 计算轴向水推力计算轴向水推力 oc P 对于混流式水轮机 2 1max 4 oc PkD H 式中 轴向水推力 tf 1tf 9 81kN oc P 转轮直径 方案一 2 7m 方案二 1 9m 1 D 1 D 1 D 轴向水推力系数 由 1 中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表 可 k 知 k 0 38 27 西华大学毕业设计说明书 计算得 方案一 1133 055kN 方案二 561 132kN tfPoc 5 115 tfPoc2 57 2 17 估算水轮机的质量估算水轮机的质量 G 水轮机的质量 G 不包括调速器 油压设备及其他的辅助设备时 可按下式计 算 1 ab GkD H 式中 G水轮机质量 t H水头 取 H 53 1m max H 系数 由 2 混流式水轮机的值表 查得 k 8 1 k a b k 与直径有关的指数 由 2 混流式水轮机的值表 查得 a 1 D a b k 2 6 a b与水头有关的指数 由 2 混流式水轮机的值表 查得 b 0 16 a b k 计算得 方案一 G 202 32t 方案二 G 81 14t 表 2 12 方案比较 HL260 A244 装机一台HL260 A244 装机二台 转轮直径 2 7m1 9m 转速187 5r min250r min B 点效率0 9230 898 吸出高度 Hs1 060 95 安装高程 装 591 48525m591 24925m 飞逸转速428 3r min608 6r min 水推力 Poc115 5tf57 2tf 水轮机质量202 3t81 14t 综合各方面因素和经济成本上面的考虑 本次选型设计选择方案二 即机组的 型号为 HL260 A244 LJ 190 装机二台 28 西华大学毕业设计说明书 3 水轮机导水机构运动图的绘制水轮机导水机构运动图的绘制 3 1 导水机构的基本类型导水机构的基本类型 按照水流在水轮机导叶中的流动方向分为 1 径向式导水机构 水流沿着垂直于水轮机轴线的平面径向地流过导叶 此时 由于导叶轴线均布在水轮机同心的圆柱面上 故又称圆柱式导水机构 其导叶 传动机构为平面运动机构 结构较简单 2 斜向式导水机构 水流沿着以水轮机轴为中心线的圆锥面斜向地流过导叶 此时由于导叶轴线均布在水轮机同心的圆锥面上 故又称为圆锥式导水机构 这种 导水机构主要用于斜流式水轮机和灯泡式水轮机 其导叶传动机构不是平面运动机 构 致使机构较复杂 3 轴向式导水机构 水流沿着与水轮机同心的各个圆柱面轴向地流过导叶 此 时由于导叶轴线位于半径方向上 故又称圆盘式导水机构 这种导水机构主要用于 全贯流式水轮机 其功用和缺点与斜向式导水机构较相似 且因导叶的排挤使流速 大为增加 造成较大的水力损失 性能不如斜向式导水机构优越 本次设计采用的是径向式导水机构 3 2 导水机构的作用导水机构的作用 导水机构的作用是 形成或改变进入转轮的水流环量 协同引水室向转轮均匀引水 按电力系统所需要的功率调节通过水轮机的过流量 导叶在关闭位置时能停止水轮机运行 并在机组甩负荷时防止产生飞逸 3 3 导水机构结构设计的基本要求导水机构结构设计的基本要求 在导水机构结构设计中 许多结构尺寸和传动关系必须取决于导水机构的传动 运动关系 以达到以上设计要求 因此 水轮机导水机构运动关系图是结构设计中 29 西华大学毕业设计说明书 最重要的图纸 在结构上导水机构应满足以下要求 导水机构过流部件应与模型水轮机相应部件保持几何相似 即在所有工况下 水流应平滑绕流导叶 导叶尾部不应形成旋涡 导叶的最大开度和最大可能开度要可靠 以保证水轮机有足够的过流 0max a ok a 能力 在关闭状态下 导叶与导叶之间的间隙 立面间隙 导叶上端面与顶盖的间 隙以及导叶下端面与底环的间隙 端面间隙 要合理 既能保证机组可靠地停机和 水轮机的调相运行 又能便于导叶的安装及调整 导水机构中应有安全保护装置 如设置剪断销 限位销等 以防止导叶被异 物卡住而引起主要传动部件破坏 导水机构应转动灵活 各部件之间的摩擦面应有良好的润滑 导叶应具有足够的强度和刚度 对多泥沙河流中的水轮机导水机构 还应在结构设计及材料选择上采取适当 措施 以防止磨损破坏 3 4 导水机构运动图绘制的目的导水机构运动图绘制的目的 水轮机在进行负荷调节时 导水机构各运动部件 导叶 连杆 拐臂 控制环 推拉杆 接力器等 所在位置与导叶开度之间的关系图 称为导水机构运动图 0 a 绘制导水机构运动图有以下目的 确定最大可能开度下所需的接力器行程 从而最终确定各传动机构的尺寸参 数 确定最大可能开度下的接力器行程 Smax 绘制接力器行程 S 与导叶任意 0k a 开度的关系曲线 并检查导水机构运行时的均衡性 即各曲线是否连续 0 a 0 sf a 光滑 确定不同导叶开度下的 值 并绘制 f f 曲线 0 a 0 a 0 a 30 西华大学毕业设计说明书 确定控制环大耳孔 小耳孔的相对位置及相应的推拉杆位置 使得大耳孔在 2 个极限位置时 推拉杆的偏斜角度为最小 确定导叶限位块的位置 检查传动件在不同位置下是否相撞 尤其是在剪断 销 或其他保护装置 断裂时是否会造成连杆与导叶臂相撞 限位块一般位于底环 上 为了减少水力损失及提高水轮机的抗空蚀能力 现在更多地把它设计在非过流 部件上 其位置的确定是在导叶最大可能开度下推一个适当的距离 a 对于大中型水轮机 2030mm b 对于小型水轮机 010mm 确定导叶关闭时 相邻导叶间的密封位置及导叶端面密封条的分布圆直径 或端面密封所需的最小平面尺寸 确定固定导叶的布置位置及进 出口角 设计固定导叶的形状 3 5 导水机构运动图的绘制步骤导水机构运动图的绘制步骤 3 5 1 确定真机基本结构及布置导叶图确定真机基本结构及布置导叶图 1 确定真机导水机构尺寸参数 及真机导叶形状尺寸 00 D Z 本次设计采用正曲率导叶导叶相关尺寸见表 3 1 表 3 1 导叶叶形断面尺寸表 3 58 a 05 15 1 a75 59 b5 26 1 b05 59 c36 1 c 35 54 d 8 40 1 d49 e 5 43 1 e05 85 0 d 45 39 m 4 29 1 m 8 4 k 9 24 f 8 31 r 5 120 1 R 5 78 2 R 196 3 R250 1 L225 2 L L 475 由 3 非对称导叶叶形断面尺寸系列表可知 及如图 3 1mmD2250 0 0 16Z 中所示的导叶叶形断面尺寸见表 3 1 单位 mm 真机导水机构的装配尺寸 由 3 导水机构装配尺寸系列表得到以下参数 见表 31 西华大学毕业设计说明书 3 2 表 3 2 真机导水机构装配尺寸 确定了以上参数后 即可根据实际情况选取合适的比例 本次设计选取的比例 为 1 2 计算出对应的各个参数值并绘制导叶断面型线示意图 见图 3 1 图 3 1 导叶断面型线示意图 2 对于中小型机组 由于简化结构的需要 常常使得减少 使得 0 1 0 Z16 1 D D 模型与真机之间的几何相似关系遭到破坏 此时不能利用几何相似关系进行导叶开 度的计算 为了使真机与模型机导水机构水流运动相似 只有使模型机与真机的导 叶出流角相等 即保证 t0m0 k bg nQ n h 60 ta 0 1 1 0 式中 导叶出流角 0 K 考虑导叶的挤压 水流的粘性及环量损失等的影响系数 通常 k 1 07 对于最优工况 1 15 1 20 对于限制工况 0 95 1 1 1n Q 分别带最优工况和限制工况下的流量和转速 mmD2250 0 mmDy1650 mmDc1550 0 16Z mmlc 5 294 mmlH255 mmlp 5 137 22 32 西华大学毕业设计说明书 可以得出最大开度和最优开度下的出流角 计算结果 3 39 max0 7 23 y0 在得出了出流角的大小后 旋转导叶 使导叶的骨线和导叶轴线所在圆的切 y D 线成所得的出流角的角度 则此时导叶的开度即分别为导叶的最大开度和导叶的最 优开度 作最大开度和全关状态下的导叶间的切圆 切圆的直径即为最大开度 得 到最大开度后 分别计算出 max0max0max0 75 50 25aaa 3 5 2 确定确定 值值 为连杆与控制环小耳孔所在圆周切线方向的夹角 为连杆与导叶转臂夹角 确定 与 值的步骤为 将导叶置于全关状态 此时要求 70 80 90 100 否则可适当 调整拐臂与连杆的长度 在全关时 拐臂中心线与 D0 圆周切线夹角为 0 22 从而可确定出初始位置 所选开度值为 100 5275 75 50 50 25 250 max00max0 max0max00 aaa aaa y 转动导叶 传动机构随之改变位置 让相邻导叶间的开度等于上述计算出的 0 a 开度值 量取角度 并填入表 3 3 中 根据表 3 3 作出 f f S f 曲线及检查光滑性 如图 3 2 0 a 0 a 0 a 表 3 3 导叶运动关系值 导叶位置全关25 max0 a 50 max0 a 75 max0 a y0 a max0 a mma 0 025507552100 62 2349 6239 8931 5439 4325 88 89 0387 4188 5391 9488 6596 41 S mm092 8104 52152 16106 94190 98 33 西华大学毕业设计说明书 图 2 2 及其光滑性检查 000 f af asf a 曲线 3 5 3 确定大 小耳孔的相对位置及接力器行程确定大 小耳孔的相对位置及接力器行程 S 首先使导叶处于全关状态 得到小耳孔中心全关位置点 A 使导叶处于时 0max a 得到小耳孔中心最大可能开度的位置点 B 的一半即是小耳孔的中间位置 将AB A B 两点作射线与大耳孔圆的交点为 则的一半即是大耳孔的中间位 y D A B AB 置 大耳孔移动的弦长即是接力器行程 S AB 3 5 4 确定限位块的位置确定限位块的位置 限位块在导水机构中的作用是为了减少水力损失及提高水轮机的抗空蚀能力 现在更多的是把它设计在非过流部件上 其位置的确定是在导叶最大可能开度下 0k a 外推一个适当的距离 对于大中型水轮机 20 30mm b 对于小型水轮机 0 10mm 本次设计取 20mm 导水机构运动图见图 GSL 03 34 西华大学毕业设计说明书 4 水轮机金属蜗壳水力设计水轮机金属蜗壳水力设计 4 1 蜗壳类型的选择蜗壳类型的选择 蜗壳的功用是将水流均匀引入导水机构并形成一定的速度环量 蜗壳分为混凝土蜗壳和金属蜗壳两种类型 其型式的选择主要是根据水电站的 水头进行的 最大水头在 40m 以内的机组 通常采用混凝土蜗壳 这类蜗壳的断面 形状呈 T 或 形 其包角为 135 270 当水头超过 40m 时 一般