水轮机课程设计.doc

水轮机选型课程设计 目录一、课程设计的目的和任务 1二、水轮机选型设计的基本要求 1三、水轮机的原始材资料 2四、水轮机简介 2五、水轮机的系列型谱 3六、水轮机的工作原理 4七、水轮机的设计步骤 6八、心得体会 12附：混流式水轮机运转综合特征曲线计算表出力限制线计算表水轮机运转特性曲线图一、课程设计的目的和任务 1、目的： 通过水轮机的课程设计，将各种水轮机的性能参数整理并绘制成不同形式的曲线，它是与水轮机课程教学相辅助的一个理论学习的环节，也是课程教学中一个必不可少的环节。通过水轮机课本章节的相关理论知识的学习后，再通过课程设计的环节以达到巩固和加强理论知识的目的，进一步培养学生独立思考、严谨工作的能力；此外，通过课程设计更进一步掌握造型、设计、参数等程序内容，提高了学生查阅资料和动手实践的能力。 2、课程设计的任务： 通过所给的原始资料，根据要求明确水轮机的基本工作参数（包括水头H、流量Q、转速n、效率、出力P、吸出高度HS、转轮直径D、水轮机型号、机组台数、装置方式等）， 整理并绘制成不同形式的曲线，即获得水轮机的特性曲线图。 有较好的能量特性，在额定水头下能保证发出额定出力，额定水头以下的机组受阻容量小，水电站全厂机组平均效率高。 性能要与水电站的整体运行方式和谐一致，运行稳定，可靠灵活。有良好的抗空蚀和抗磨损性能，对多泥沙河流的电站更应如此。 结构设计合理，便于安装与操作、检修与维护。 选择生产实力强、制造技术水平高、合作信誉好的制造厂商。 考虑适度合理的经济节省原则。二、水轮机选型设计的基本要求三、水轮机的原始材资料 电站形式： 坝后式水电站。 总装机容量： 650 MW 机组台数： 5台。 电站水头：Hmax= 93.3 m Hav=81.5 m Hr=70 m Hmin=62 m 水电站最低尾水位： 29.4 m 电网最大负荷： 2105 MW 电站在系统中的作用： 调频调峰作用四、水轮机简介 水轮机是一种将河流中蕴藏的水能转换成旋转机械能的原动机，当水流流过水轮机时，通过主轴带动发电机，将旋转机械能转换成电能。与发电机连接成的整体称为水轮发电机组，它是水电站的主要设备部分。水电站是借助水工建筑物和机电设备设备将水能转换成为电能的企业，在未来，水能资源的开发和利用将成为资源开发利用的主导能源，所以，水轮机的设计开发对我国水能资源的开发起到很大的推进作用。水轮机大致分为两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机；反击式水轮机。 转轮利用水流的压力能和动能做工的水轮机称为反击式水轮机。其特征是：压力水流充满水轮机的整个流道，水流流经转轮叶片时，受叶片的作用面改变压力、流速的大小和方向，同时水流在转轮叶片正反面产生压力差，对转轮产生反作用力，形成旋转力矩使转轮旋转。主要包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种类型水轮机。冲击式水轮机。 转轮只利用水流动能作功的水轮机称为冲击式水轮机。其特征是：有压水流先经过喷嘴形成高速自由射流，将压能转换成动能，并冲击转轮旋转。水流只冲击部分转轮，水流是不充满水轮机的整个流道的，转轮只是部分进水，转轮在大气压的作用下工作。所以叶片一般做成斗叶状。主要包括水斗式（切击式）、斜击式和双击式。五、水轮机的系列型谱 我国在1974年编制了反击式水轮机暂行系列型谱，其中所列出的转轮，是经过长期实践验证在某一水头段的性能优异的转轮。 型谱中，水轮机转轮型号规定一律用比转速代号。 轴流式、混流式、ZD760型、水斗式水轮机系列型谱参数参见表1253035（40）42506071（80）841001201401601802002252502753003303804304505005506006507007508008509009501000说明：括号内的数字表示仅适用于轴流式水轮机。水轮机主要类型归纳如下：六、水轮机的工作原理水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。 冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类。斜击式水轮机的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾角，只用于小型机组。 理论分析证明，当水斗节圆处的圆周速度约为射流速度的一半时，效率最高。这种水轮机在负荷发生变化时，转轮的进水速度方向不变，加之这类水轮机都用于高水头电站，水头变化相对较小，速度变化不大，因而效率受负荷变化的影响较小，效率曲线比较平缓，最高效率超过91。 反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮；在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮；在斜流式水轮机中，水流径向进入导叶而以倾斜于主轴某一角度的方向流进转轮，或以倾斜于主轴的方向流进导叶和转轮；在贯流式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。 轴流式、贯流式和斜流式水轮机按其结构还可分为定桨式和转桨式。定桨式的转轮叶片是固定的；转桨式的转轮叶片可以在运行中绕叶片轴转动，以适应水头和负荷的变化。 各种类型的反击式水轮机都设有进水装置，大、中型立轴反击式水轮机的进水装置一般由蜗壳、固定导叶和活动导叶组成。蜗壳的作用是把水流均匀分布到转轮周围。当水头在40米以下时，水轮机的蜗壳常用钢筋混凝土在现场浇注而成；水头高于40米时，则常采用拼焊或整铸的金属蜗壳。 在反击式水轮机中，水流充满整个转轮流道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头下，转轮直径小于冲击式水轮机。它们的最高效率也高于冲击式水轮机，但当负荷变化时，水轮机的效率受到不同程度的影响。 反击式水轮机都设有尾水管，其作用是：回收转轮出口处水流的动能；把水流排向下游；当转轮的安装位置高于下游水位时，将此位能转化为压力能予以回收。对于低水头大流量的水轮机，转轮的出口动能相对较大，尾水管的回收性能对水轮机的效率有显著影响。 轴流式水轮机适用于较低水头的电站。在相同水头下，其比转数较混流式水轮机为高。轴流定桨式水轮机的叶片固定在转轮体上，叶片安放角不能在运行中改变，效率曲线较陡，适用于负荷变化小或可以用调整机组运行台数来适应负荷变化的电站。 轴流转桨式水轮机是奥地利工程师卡普兰在1920年发明的，故又称卡普兰水轮机。其转轮叶片一般由装在转轮体内的油压接力器操作，可按水头和负荷变化作相应转动，以保持活动导叶转角和叶片转角间的最优配合，从而提高平均效率，这类水轮机的最高效率有的已超过94。 贯流式水轮机的导叶和转轮间的水流基本上无变向流动，加上采用直锥形尾水管，排流不必在尾水管中转弯，所以效率高，过流能力大，比转数高，特别适用于水头为320米的低水头电站。这种水轮机装在潮汐电站内还可以实现双向发电。这种水轮机有多种结构，使用最多的是灯泡式水轮机。 灯泡式机组的发电机装在水密的灯泡体内。其转轮既可以设计成定桨式，也可以设计成转桨式。世界上最大的灯泡式水轮机(转桨式)装在美国的罗克岛第二电站，水头12.1米，转速为85.7转/分，转轮直径为7.4米，单机功率为54兆瓦，于1978年投入运行。 混流式水轮机是世界上使用最广泛的一种水轮机，由美国工程师弗朗西斯于1849年发明，故又称弗朗西斯水轮机。与轴流转桨式相比，其结构较简单，最高效率也比轴流式的高，但在水头和负荷变化大时，平均效率比轴流转桨式的低，这类水轮机的最高效率有的已超过95。混流式水轮机适用的水头范围很宽，为5700米，但采用最多的是40300米。 混流式的转轮一般用低碳钢或低合金钢铸件，或者采用铸焊结构。为提高抗气蚀和抗泥沙磨损性能，可在易气蚀部位堆焊不锈钢，或采用不锈钢叶片，有时也可整个转轮采用不锈钢。采用铸焊结构能降低成本，并使流道尺寸更精确，流道表面更光滑，有利于提高水轮机的效率，还可以分别用不同材料制造叶片、上冠和下环。 斜流式其叶片倾斜的装在转轮体上，随着水头和负荷的变化，转轮体内的油压接力器操作叶片绕其轴线相应转动。它的最高效率稍低于混流式水轮机，但平均效率大大高于混流式水轮机；与轴流转桨水轮机相比，抗气蚀性能较好，飞逸转速较低，适用于40120米水头。 由于斜流式水轮机结构复杂、造价高，一般只在不宜使用混流式或轴流式水轮机，或不够理想时才采用。这种水轮机还可用作可逆式水泵水轮机。当它在水泵工况启动时，转轮叶片可关闭成近于封闭的圆锥因而能减小电动机的启动负荷。七、水轮机的设计步骤1)机组参数的选择根据资料数据要求，此水电站的总的装机容量为650 MW，根据目前水电站的发展状况及未来趋势综合起来，周全考虑并选择机组的台数为5台，其每台的装机容量为 130 MW ,这样有利于更好地提高水轮机的效率，并且有利于水资源开发的经济经济性。2）水轮机型号的选择根据设计要求的原始材料及水电站的特征水头：Hmax=93.3m Hav=81.5m Hr=70m Hmin=62m ，得到有效水头为6281.5m，根据水轮机机型谱，选择HL220（5085m工作水头）最符合该水电站的实际情况。3）水轮机主要参数的选择设计水电站的机组台数为5台，型号为HL220，可以进一步确定水轮机的转轮直径D1，转速n应该满足在设计水头HR下水轮机发出的额定出力，并在加权平均水头HA运行时效率最高，所选择的吸出高度Hr能够保证水轮机不发生空蚀，又能减少水电站建设的开挖深度，节省人力、财力和物力。1、转轮直径D1的选择：D1=P 为水轮机的额定功率Q11 为单位流量 为水轮机效率1) 水轮机额定功率的计算：P 为发电机的额定效率g 为发电机的效率（预设范围0.960.98，此设0.98）Pg 为单台发电机的出力则： P=130 MW / 0.98 = 134.02061 MW2) 水轮机的效率：（取0.02-0.03，推荐最大单位流量或者5%处理限制线）根据混流式水轮机转轮特性，得=0.903) 流量：O11=1.15 m3/s根据水轮机型谱选择机型HL220型水轮机。4) 设计水头HrHr = 70 m5) 转轮直径D11 根据水轮机转轮直径系列表查得，水轮机的转轮标准直径为5m。（见表2）水轮机转轮标准直径系列：（单位：mm ）100120140160180200225250275300330380410450500550600650700表22、水轮机额定转速的确定=70x=70x8.37/5 =117.18 r/min根据水轮机转轮标准转速系列表得该水轮机转速取125 r/min(见表3)H 为平均水头n110 为最优转速水轮机转轮标准转速系列 （单位： r/min）磁极对数345789101112磁极对数1000750600428.6375333.3300250214.3磁极对数161820222426283032同步转速n187.5166.7150136.4125115.4107.110093.8磁极对数3436384042444850同步转速n88.2833797571.468.262.560表33、水轮机的吸出高度1）设计水头下的吸出高度为Hs查阅HL220型水轮机的综合特性曲线与设计水头出力限制线的交点=89%Q11= 1.04 m2/s把Q11=1.04 m2/s 代入HL220 的综合特征曲线得=0.121吸出高度Hs =10-K Hmax 2）最大水头下的吸出高度（Hmax= 93.3 m）查阅HL220的综合特征曲线，最大水头与出力限制线的交点=81%Q11 =P/9.81D2=0.747 m3/s把Q11 =0.747 m3/s代入HL220的综合曲线得=0.15则吸出高度Hs=10-29.4/900-1.15*0.15*93.3=-6.43 ( m )4、机组安装高度的确定混流式水轮机的安装高程：由混流式水轮机系列型谱知HL220导叶的相对高度为0.25又知D1=5 m b0=0.25*5=1.25则水轮机的安装高程为Hs= 29.4+(-6.43)+1.25/2=23.595 (m)校核所选取的D1和n11参数流量得 转速：D1为所