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第一章 绪论2一、水轮机选型设计的内容及基本资料2二、选型设计的要求3三、实验任务3第二章 水能计算4一、水能计算步骤4二、绘制各种用到的曲线5第三章 方案拟定8一、方案一8二、方案二8三、方案三8四、方案四9第四章 水轮机型号的选择以及参数计算10一、水轮机型号选择10二、单机容量4000Kw水轮机基本参数计算10三、水轮机设计流量的计算11四、几何吸出高的计算11五、验算水轮机工作范围的计算13六、单机容量2000KW水轮机基本参数计算13七、水轮机设计流量的计算14八、几何吸出高的计算14九、验算水轮机工作范围的计算16第五章 绘制运转特性曲线17一、等效率线得绘制17二、出力限制线的绘制17三、等吸出高度线得绘制1824第一章 绪论水轮机选型设计是水电站设计中的一项重要工作。它不仅包括水轮机型号的选择和有关参数的确定，还应认真分析与选型设计有关的各种因素，如水轮发电机的制造、安装、运输、运行维护，电力用户的要求以及水电站枢纽布置、土建施工、工期安排等。因此，在选型设计过程中应广泛征集水工、机电和施工等多方面的意见，列出可能的待选方案，进行各方案之间的动能经济比较和综合分析，力求选出技术上先进可靠、经济上合理的水轮机。一、水轮机选型设计的内容及基本资料1水轮机选型设计的内容（1）确定单机容量及机组台数；（2）确定机型和装置形式；（3）确定水轮机的功率、转轮直径、同步转速、吸出高度及安装高程，轴向水推力飞 逸转速等参数。对于冲击式水轮机，还包括确定射流直径与喷嘴数等；（4）绘制水轮机的运转综合特性曲线；2水轮机选型设计所必需的基本资料。水轮机的型式及参数的选择是否合理，是否与电站建成后的实际相吻合，在很大程度上取决于以原始资料的调查、汇集和校核。初步设计时，通常应具备上述的基本资料。（1）枢纽资料：包括河流的水能总体规划、流域的水文地质、水能开发方式、水库的调节性能、水利枢纽布置、电站类型及厂房条件、上下游综合利用的要求，工程的施工方式和规划等情况，本次设计中，给出了某河流19年的水文资料。（2）电站的形式 拟建电站为引水式电站，而且已知站址的海拔高度为450m。（3）水轮机设备产品技术资料：包括国内外水轮机型谱、产品规范及其特性；同类水电站的水轮机参数与运行经验等。（4）水轮机的型谱参数，见附表（5）各种水轮机的模型特性曲线，见附表二、选型设计的要求 （1）利用计算机绘制各种曲线。 （2）需要有设计说明书，而且要标明设计的步骤，计算时用到的公式，以及设计中参考的文献需要另外加以说明。三、实验任务 （1）水能计算 （2）做出各种用到的曲线。 （3）方案拟定，并进行比较分析，选择合适的方案 （4）机型的选择，包括水轮机的形式以及转轮的型号。 （5）水轮机参数计算 （6）绘制运转特性曲线第二章 水能计算一、水能计算步骤已知日平均流量Q（m），19年的累积天数（天）1.某一流量年平均天数的计算 年平均天数等于19年的累积天数除以19.2.某一流量出现的频率的计算 某一流量出现的频率是等于流量年平均天数除以366.3.净水头的计算 净水头是等于压力前池的水位高程减去尾水位高程减去水头损失所得。4.水轮机的装机容量 水轮机的装机容量Ni=8.2 x Qi x Hi净. 5. 出力差的计算 出力差Ni=8.2 x (Qi -Qi-1 ) x Hi净6.电量差的计算 电量差等于对于流量年出现天数乘以出力差，再乘以24，而后除以1000.7.年发电量的计算Wi=Wi+Wi-1。8.年利用小时数hi=Wi / Ni9.水轮机容量的计算 水轮机的容量是等于装机容量除以0.95.10.计算成果如表一所示。11.对表一数据进行分析，可知最大水头为Hmax=87.61，最小水头Hmin=86.37，加权平均水头Hav=87.358。二、绘制各种用到的曲线 1.根据水能计算表中年利用小时数以及装机容量两列绘制如下图一所示。2.装机容量与流量的关系曲线绘制 根据水能计算表中的装机容量与流量两列，绘制如图二所示曲线。3.利用水能计算表中年发电量以及流量两列绘制如图三的曲线表一 某河流19年水文计算成果表序号日平均流量Q（m）19年的累积天数（天）年平均天数频率压力前池的水位高程（m）尾水位高程（m）水头损失（m）净水头（m）装机容量（kW）出力差（kW）电量差（万kW*h）年发电量（万kW*h）装机年利用小时数（h）水轮机的容量（kW）200.14 6939365.211 0.9978 523.68 435.27 0.80 87.61 100.576 0.000 0.000 88.156 8765.053 105.870 190.70 6910363.684 0.9937 523.68 435.40 0.80 87.48 502.135 401.708 350.628 438.783 8738.352 528.563 181.41 6515342.895 0.9369 523.68 435.43 0.80 87.45 1011.097 509.134 418.990 857.774 8483.597 1064.313 171.76 6304331.789 0.9065 523.68 435.51 0.80 87.37 1260.924 250.752 199.672 1057.446 8386.282 1327.288 162.11 5464287.579 0.7857 523.68 435.54 0.80 87.34 1511.157 250.666 173.007 1230.453 8142.459 1590.691 152.46 4956260.842 0.7127 523.68 435.56 0.80 87.32 1761.419 250.608 156.886 1387.339 7876.259 1854.125 142.82 4510237.368 0.6485 523.68 435.58 0.80 87.30 2018.725 257.710 146.813 1534.152 7599.610 2124.974 133.52 3727196.158 0.5360 523.68 435.62 0.80 87.26 2518.673 500.872 235.800 1769.953 7027.323 2651.234 124.22 3294173.368 0.4737 523.68 435.66 0.80 87.22 3018.161 500.643 208.310 1978.262 6554.528 3177.011 114.93 2847149.842 0.4094 523.68 435.69 1.00 86.99 3516.658 506.456 182.132 2160.394 6143.317 3701.745 105.63 2536133.474 0.3647 524.18 435.72 1.00 87.46 4037.678 502.020 160.816 2321.210 5748.873 4250.188 96.34 2230117.368 0.3207 524.18 435.74 1.00 87.44 4545.831 509.076 143.399 2464.608 5421.690 4785.085 87.04 2011105.842 0.2892 524.18 435.77 1.00 87.41 5046.004 501.733 127.451 2592.059 5136.855 5311.584 77.74 185697.684 0.2669 524.18 435.78 1.00 87.40 5547.103 501.676 117.614 2709.673 4884.844 5839.056 68.45 171390.158 0.2463 524.18 435.79 1.00 87.39 6055.253 508.785 110.090 2819.764 4656.723 6373.951 59.15 156082.105 0.2243 524.18 435.81 1.00 87.37 6555.371 501.504 98.823 2918.586 4452.206 6900.391 410.10 145476.526 0.2091 524.18 435.83 1.40 86.95 7201.199 677.340 124.402 3042.989 4225.670 7580.209 314.08 105455.474 0.1516 524.18 435.90 1.40 86.88 10030.817 2835.416 377.498 3420.487 3409.978 10558.755 235.20 41021.579 0.0590 524.18 436.17 1.40 86.61 24999.110 14999.466 776.814 4197.301 1678.980 26314.853 170.40 1749.158 0.0250 524.18 436.41 1.40 86.37 49859.674 24929.837 547.932 4745.233 951.718 52483.867 第三章 方案拟定 选择年利用小时数为3500小时，在图一的装机容量与年利用小时数数曲线查得装机容量为10Mw.现在拟定以下方案，并进行比较分析。一、方案一 方案一：两台机组，单机5000kW 1.单台对应的额定流量Qe=6.978m3/s。 2.单台对应于60%Qe=4.1868 m3/s，年发电量损失值W=2077.48万kW*h。 3.因年发电量损失而造成的经济收入损失M1=W*0.3=590.52万。 4. 购买机组经济费用：M2=5000*1000+5000*1000*0.8=900万。二、方案二 方案二：三台机组，单机3200kW 1.单台对应的额定流量Qe=4.40m3/s. 2.单台对应于60%Qe=2.64 m3/s，年发电量损失值 W=1461.06万kW*h。 3.因年发电量损失而造成的经济收入损失M1=W*0.3=438.32万元 4.购买机组经济费用：M2=3200*1000*3=960万元三、方案三 方案三：三台机组，两大一小,两台4000 kW,一台 2000 kW 1.单台2000kW对应的额定流量Qe=2.796 m3/s, 2.单台2000kW对应于60%Qe=1.677m3/s，年发电量损失值W=1010.296万kW*h。 3.因年发电量损失而造成的经济收入损失M1=W*0.3=303.096万元。 4.购买机组经济费用：M2=4000*1000*2+2000*1000*=1000万元.四、方案四 方案四：四台机组，单台容量2500 kW 1.单台对应的额定流量Qe=3.49m3/s，年发电量累计值W1=2900万kW*h。 2.单台对应于60%Qe=2.096 m3/s，年发电量损失值W=1223.59万kW*h。 3.因年发电量损失而成的经济收入损失M1=W*0.3=367.08万元。 4.购买组经济费用：M2=2500*1000*3+2500*1000*1.3=1075万元。比较以上各个方案，从经济性以及电能利用方面综合考虑，选择方案三，即选取三台机组，两大一小,两台4000 kW,一台 2000 kW。第四章 水轮机型号的选择以及参数计算一、水轮机型号选择 已知参数 电站装机容量10MW，装机台数三台，4000KW，4000KW，2000KW ， 水轮机的安装高程为536.27 m。 在水轮机型谱中，本电站的水头在5085m之间，此水段可供选择的水轮机型号HL240/D41。二、单机容量4000Kw水轮机基本参数计算 1.计算水轮机直径D1。水轮机的额定出力为 去最优单位转速，与出力限制线的交点的单位流量作为设计工况单位流量，则，对应的模型效率，暂取效率修正值，则设计工况原型水轮机效率，故水轮机的转轮直径按照我国规定的转轮直径系列值，计算值处于标准值7180之间，为保证设计水头下发生额定出力，不可取太小直径。而取太大直径又不经济，所以取71cm。 2.效率的计算： 效率修正值 限制工况原型水轮机的效率为 3.的校核还算：用 对原先计算的进行校核 水轮机直径仍为为宜。 4.转速的的计算。有模型综合特性曲线上查得 转速计算值介于10001500 r/min 之间，故选水轮机的转速为1000 。三、水轮机设计流量的计算 设计工况点的单位流量为 四、几何吸出高的计算 为了使水轮机尽可能不发生空化，取，三个水头分别计算水轮机的允许吸出高度，以其中的最小值作为最大允许吸出高度。为此，进行如下计算。1.计算，所对应的单位转速 ： ： ： 2.确定个水头所对应的的出力限制工况点的单位流量 :取与出力限制线交点处单位流量。 ：取与出力限制线交点处单位流量。 ：。 3.由（1）、（2）中计算的对应工况点从模型综合特性曲线上分别查出，所对应的模型空化系数，分别为0.105，0.104,，0.10。 4.分别用查到的模型空化系数计算，对应的吸出高度 计算式：，k取1.11.2。：从三个洗出高度计算值中取最小值-1.40 m再留一定余量，取最大允许吸出高度 。五、验算水轮机工作范围的计算 设计工况单位流量最大水头，最小水头所对应的的单位转速 平均水头下的单位转速 根据上述的参数绘制出的水轮机的实际工作范围如图所示，由水轮机的工作范围图可知，水轮机的实际运行范围稍微偏离高效率区，但仍处于高效率区内。六、单机容量2000KW水轮机基本参数计算 1.计算水轮机直径D1。水轮机的额定出力为 去最优单位转速，与出力限制线的交点的单位流量作为设计工况单位流量，则，对应的模型效率，暂取效率修正值，则设计工况原型水轮机效率，故水轮机的转轮直径按照我国规定的转轮直径系列值，计算值处于标准值5060之间，为保证设计水头下发生额定出力，不可取太小直径。而取太大直径又不经济，所以取50cm。2.效率的计算： 效率修正值 限制工况原型水轮机的效率为 3.的校核还算：用 对原先计算的进行校核 水轮机直径仍为为宜。4.转速的的计算。有模型综合特性曲线上查得 转速计算值介于10001500 r/min 之间，故选水轮机的转速为1500 。七、水轮机设计流量的计算 设计工况点的单位流量为 八、几何吸出高的计算 为了使水轮机尽可能不发生空化，取，三个水头分别计算水轮机的允许吸出高度，以其中的最小值作为最大允许吸出高度。为此，进行如下计算。1.计算，所对应的单位转速 ： ： ：2.确定个水头所对应的的出力限制工况点的单位流量 :取与出力限制线交点处单位流量。 ：取与出力限制线交点处单位流量。 ：。3.由1. 2.中计算的对应工况点从模型综合特性曲线上分别查出，所对应的模型空化系数，分别为0.105，0.104,，0.10。4.分别用查到的模型空化系数计算，对应的吸出高度计算式：，k取1.11.2。：从三个洗出高度计算值中取最小值-1.40 m再留一定余量，取最大允许吸出高度 。九、验算水轮机工作范围的计算 设计工况单位流量最大水头，最小水头所对应的的单位转速 平均水头下的单位转速 根据上述的参数绘制出的水轮机的实际工作范围如图所示，由水轮机的工作范围图可知，水轮机的实际运行范围稍微偏离高效率区，但仍处于高效率区内。第五章 绘制运转特性曲线一、等效率线得绘制混流式水轮机的效率修正采用等值修正法，即原型水轮机所有工况点的效率换算均采用统一修正值 。混流式水轮机模型综合特性曲线同一等效率线上的点换算到圆形水轮机的运转综合特性曲线上时。仍是同一等效率线上的点。根据此原理，可以把模型等效率曲线直接转换为原型等效率线。当已知水轮机上的工作试图范围Hmin、Hmax时，可在此水头范围之间去若干水头值Hi，分别计算各水头对应的单位转速n11i，在图示的模型综合特性曲线上以各n11值作水平线与模型等效率相交一系列点，将各点的M换算为T，同时计算各点的出力P，把各点绘制的PH坐标中并联成光滑曲线即原型水轮机的等效率线。 在实际绘制运转综合特性曲线中，为了做图方便，常采用下面方法。在水轮机工作水头范围内去若干个间格均匀的水头点，对每个水头做效率特性曲线=f（P）。在曲线=f（P）上，=91%做水平线与各=f（P）曲线相交，找出各交点的H，P值。做PH坐标，并在其中绘制计算中选取的水平线，将（2）中算得到的交点P、H值点到PH坐标中，连接各点及得到某n值的等效率线。二、出力限制线的绘制出力限制线表示水轮机在不同水头下可以发出或允许发出的最大出力，在水轮机与发电机配套的情况下，水轮机出力受到发电机的额定容量的限制，因此，实际的出力限制线以及设计水头Hr为界分为两部分。在Hmin和Hr之间，水轮机的出力限制线一般由模型综合特性曲线的5%出力限制线换算而得到，通常在模型水轮机的处理闲置献上去若干点，根据各点的效率、单位流量经相似计算求出对应的水头H与出力P。将这些点绘制到PH坐标中并连成光滑的曲线及HminHr范围的出力限制线。三、等吸出高度线得绘制等吸出高度线表达水轮机在各运行工况时的最大允许吸出高度Hs。等Hs线是根据模型特性曲线的等D线换算而得来的，计算与绘制等Hs线的步骤如下：计算各水头点相应的单位转速n11m，在模型综合特性曲线上过n11m做水平线与等线相交，记录个点的、D11及nm值。根据吸出高度计算公式Hs=10-D/900-（d+Dd）H计算出各点的Hs，并计算出各点得出力P。根据各工况点的（Hs，P）值绘制出个水头下的Hs=f（P）曲线。在Hs=f（P）曲线图上取某Hs值作水平线与各水头下Hs=f（P）曲线相交，记录各点的（H、P）值，并绘制到PH坐标内，把各点连成光滑的曲线极为某Hs值得等吸出出高度线。水头（m）单位转速（r/min）效率m原型机效率流量Q1（m3/s）流量Q2(m3/s)Q1对应出力N(KW)Q2对应出力N(KW)出力限制流量 Q2出力限制流量对应出力 N(KW)86.37 76.40 0.910 0.011 0.921 0.899 1.008 3286.619 3685.108 1.1284123.81158286.37 76.40 0.900 0.011 0.911 0.865 1.052 3162.320 3845.966 1.1284123.81158286.37 76.40 0.890 0.011 0.901 0.836 1.084 3056.300 3962.954 1.1284123.81158286.68 76.26 0.910 0.011 0.921 0.898 1.008 3282.963 3685.108 1.12854147.87110786.68 76.26 0.900 0.011 0.911