水轮机总体结构毕业设计

1.水轮机选型及其尺寸计算1.1机组台数的确定由基本资料知“KTH”河径流年纪变化平缓，年内分配集中，6月9月的水量占全年流量的76.6%，冬季水量仅占7.3%，多年流量为12.1亿m3/s,多年平均径流量38.35m3/s，90%频率的保证流量为5.98 m3/s，保证出力为5.34MW。水电站一期为无调节水电站，二期为有调节水电站，在水库调节作用下，一级电站的保证流量和保证出力都有所增加。“KTH”河一级水电站保证流量为12.79 m3/s，保证出力为11.4MW，设计水头104m,设计引水流量m3/s，电站的装机容量为50MW，根据水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）的规定，本工程属小（1）型等工程，主要建筑物为4级，次要建筑物为5级。在设计水电站时，在其装机容量N及水电站设计水头H为已知的情况下，可以选择不同的机组台数。机组台数不同，则水轮机转轮直径和转速就不相同，有时水轮机的型号也会发生变化，从而电站的投资，效益，运行条件，产品供货都会发生变化。电站的装机台数越多，水轮机的单机容量就越小，转轮直径D1就越小，效益也会降低，从而机组台数少点，在一般情况下是有利的，但若电站担任峰荷，负荷经常变化，机组台数多，可以用不同的机组台数来满足不同的负荷要求，并使每台机组经常在较高效率区运行，提高整个电站的平均运行效率。从担任峰荷的电站角度看，机组台数多是有利的，但提高水电站的平均运行效率是有限的，当机组台数已经很多时，再增多机组台数，电站的平均运行效率不一定改善的很显著。从机组台数与电站效益的关系，机组台数与水电站的尺寸的关系，机组台数与水电站投资的关系，机组台数与水电站运行维护的关系等方面综合考虑，进行计算并选择，考虑到接线方便的因素，水电站一般取偶数对称的机组台数。通过以上基本资料分析拟算三种方案进行计算并比选。三种方案分别是三台等容量、四台等容量和四台不等容量进行计算。本电站主要特征参数有，前池最高水位 834.81m，前池设计水位 833.51m，前池最低水位 830.93m ，尾水设计水位 725.34m，尾水最低水位 722.94m，电站装机容量50MW，最大净水头107m，设计水头 104m，最小水头 100m。1.1.1 3台等容量机组计算 单机出力N=50/3MW=16.67MW 此时保证率为90%的保证出力所占的出力比例为： =5.34/16.67100%=32.0% 枯水期水轮机在此工况下工作时水轮机远远不能达到它的额定出力，水轮机在此工况下工作时，水轮机的空蚀和振动会很严重，对水轮机损害极大。1.1.2 4台等容量机组计算 单机出力N=50/4MW=12.5MW 在此单机出力时保证率为90%的保证出力所占的出力比例为： =5.34/12.5100%=42.72% 此种工况与（1）大致相同，枯水期流量较小，水轮机远远不能达到额定出力，并且水轮机在此工况下工作时，容易引起水轮机的振动，对水轮机损害较大。1.1.3 4台不等容量机组计算考虑到冬季枯水期时流量较小（仅为5.98 m3/s），拟定选4台不等容量的水轮机。枯水期时关闭大功率出力水轮机组，使小出力水轮机组工作，丰水期时4台水轮机同时工作。在此情况下若小出力水轮机组出力选的过小，考虑到中间流量大流量在一年间所占的时间比例较长（约为92.7%）小出力水轮机出力不宜选的过小，保证率为90%的保证出力应占小出力60%左右即可。则初步定小出力水轮机组单机出力为9MW，大出力机组单机出力为16MW。在此工况下保证率为90%的保证出力所占的小出力机组的出力比例为： =5.34/9100%=59.3% 水轮机在此工况下工作时基本是有利的，效率比较高。1.2比转速的计算 按我国推荐的与比转速的关系，水轮机的比转速ns的计算公式与计算值为： ns=2000/-20=2000/-20=176.2 mkw 因此，水轮机应选择比转速ns在180 mkw左右的为宜。查水电站机电设备手册根据我国小型反击式水轮机适应范围参考表初选水轮机型号，水轮机类型为混流式。在水轮机型谱中，本电站的水头段有A575C-50和JF2801-M10两种转轮可供选择。在设计工况下两种转轮的比转速ns分别为185 mkw与193 mkw左右，两者转轮的比转速ns与本电站的计算值都比较接近，且空化系数较小，故决定以A575C-50 的模型型谱计算12.5 MW 的水轮机直径，以JF2801-M10的模型型谱计算9 MW与16 MW的水轮机直径。1.3水轮机的基本参数1.3.1单机出力为12.5 MW的水轮机（1） 转轮直径计算对于单机出力为12.5 MW的水轮机，其额定出力为： Nr=N/=12.5/0.97=12.9MW 查A575C-50的转轮模型型谱综合运转特性曲线图，取其最优单位转速n11r=67.5r/min与出力限制线交点的单位流量为设计工况点的单位流量，则Q11r=0.575m3/s,对应的模型效率M=0.912,暂取效率修正值=1.5%，则设计工况原型水轮机效率=M+=0.912+0.015=0.927，则此水轮机转轮直径D1为： D1=152.5cm 按我国规定的转轮系列，查传林系列表，计算值处于标准值1.4 m与1.6 m之间，故取比152.5 cm稍大的转轮标称直径D1=1.6 m。 效率的修正值的计算由表查得水轮机模型在最优工况下的效率Mmax=93.56%,模型转轮直径D1M=0.50m, 则原型水轮机的最高效率max为 max=1-（1-Mmax）（D1M/D1）1/5 式中： max -为原型水轮机的最高效率 Mmax-为水轮机模型在最优工况下的效率 D1M-为模型转轮直径 （m） D1-为原型转轮直径 （m）将Mmax=93.56% ，D1M=0.50m, D1=1.6m 带入公式得：则max=1-（1-0.9356）考虑到制造工艺水平的情况取1=1%由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型基本相似，故认为2=0，则效率修正值为：=max-Mmax-1 式中： -为效率修正值； max -为原型水轮机的最高效率； Mmax-为水轮机模型在最优工况下的效率； 将max=0.949，Mmax=0.9356，1= 0.01带入公式得：=max-Mmax-1=0.949-0.9356-0.01=0.0034由此求得水轮机在限制工况的效率为：=M+=0.912+0.003491.54%与模型水轮机在最优工况下的效率Max接近转速n的计算n=n10Ha1/2/D1 式中： n -为水轮机的转速 （r/min） n10-为最优单位转速 （r/min） Ha -为加权平均水头 （m） D1 -为原型转轮直径 （m）n10=n10M+n1 式中： n10-为最优单位转速 （r/min） n10M-模型水轮机的最优单位转速 （r/min）由表1查得最优工况下的n10M =67.5r/min同时由于=-1 式中： n10M -模型水轮机的最优单位转速 （r/min）； max -为原型水轮机的最高效率； Mnax-为水轮机模型在最优工况下的效率；将max=0.949，Mmax=0.9356，带入公式得：=-1=-1=0.01-4m（2） 12.5MW出力水轮机特性值计算其计算值见下表：Hmax=107(m)n1=66.29(r/min)N=9.81*D2*H1.5Q1(KW)H1=105(m)n1=66.92(r/min)N=N=9.81*D2*H1.5Q1(KW)Hr=104(m)n1=67.24(r/min)N=N=9.81*D2*H1.5Q1(KW)H2=102(m)n1=67.90(r/min)N=N=9.81*D2*H1.5Q1(KW)M(%) Q1(m3/s)(%)N(KW)M(%) Q1(m3/s)(%)N(KW)M(%) Q1(m3/s)(%)N(KW)M(%) Q1(m3/s)(%)N(KW)820.24583.35672.8820.24683.35537820.24883.35502.4820.24683.35301.4860.387.37279.8860.387.37076.7860.387.36975.8860.30287.36820.7880.32589.38067.1880.32789.37890.3880.33589.37968.1880.33289.37670.1900.35591.39009.1900.3691.38881.1900.35891.38705.9900.36391.38574.1910.37592.39620.9910.37992.39452.2910.37892.39292.9910.38292.39121.7920.39593.310244920.493.310084920.40893.310139920.40893.39848.1930.42294.311061930.43194.310982930.43894.311001930.4494.310734930.5394.313892930.53594.313632930.54894.313764930.53594.313052920.55193.314290920.55593.313992920.55893.313867920.56193.313541Hmin=100(m)n1=68.58(r/min)N=N=9.81*D2*H1.5Q1(KW)H(m)n1(r/min) Q1(m3/s)N(KW)+(+)*H+HS10766.290.030.38225739.230.0495.24391.392.63.95110.0350.4225878.220.0545.77891.893.13.41610.040.44226239.570.0596.31393.194.42.88110.0450.46826322.950.0646.84893.494.72.34610.050.49526267.360.0697.38393.294.51.811110566.920.030.38425047.980.0495.14591.492.74.04910.0350.4225453.280.0545.6792.994.23.5241M(%) Q1(m3/s)(%)N(KW)0.040.44525555.960.0596.19593.2894.582.9991820.24983.352090.0450.4725615.410.0646.7293.594.82.4741860.30487.36664.90.050.49625534.350.0697.24593.294.51.9491880.33489.37490.410467.240.030.3924717.640.0495.09691.592.84.0981900.36891.38437.80.0350.42725063.90.0545.61692.894.13.5781910.38792.38970.60.040.45225223.710.0596.13693.494.73.0581920.41193.39630.10.0450.47825223.710.0646.65693.494.72.5381930.44594.3105390.050.50225197.070.0697.17693.394.62.0181930.5494.31278810267.90.030.4124163.290.0494.99892.193.44.1961920.56493.3132150.0350.44224409.060.0545.50893.0594.353.68610.040.47824499.610.0596.01893.494.73.17610.0450.49524486.680.0646.52893.3594.652.66610.050.52824409.060.0697.03893.0594.352.156110068.580.030.4410398.030.0494.992.894.14.29410.0350.4711171.910.0545.493.3594.653.79410.040.5112103.50.0595.993.294.53.29410.0450.5212327.760.0646.493.194.42.79410.050.5512969.90.0696.992.693.92.294根据上述数据画出单机出力为12.5MW水轮机的综合特性曲线等图，见附图1。1.3.2单机出力为9 MW的水轮机（1） 转轮直径计算对于单机出力为9 MW的水轮机，其额定出力为： Nr=N/=9/0.96=9.4MW 查JF2801-M10的转轮模型型谱综合运转特性曲线图，取其最优单位转速n11r=75r/min与出力限制线交点的单位流量为设计工况点的单位流量，则Q11r=0.882m3/s,对应的模型效率M=0.898,暂取效率修正值=1.2%，则设计工况原型水轮机效率=M+=0.898+0.012=0.91，则此水轮机转轮直径D1为： D1=106cm 按我国规定的转轮系列，查传林系列表，计算值处于标准值1.0 m与1.2 m之间，故取比106 cm稍大的转轮标称直径D1=1.2 m。 效率的修正值的计算 由表查得水轮机模型在最优工况下的效率Mmax=93.4%,模型转轮直径D1M=0.35m, 则原型水轮机的最高效率max为 max=1-（1-Mmax）（D1M/D1）1/5 式中： max -为原型水轮机的最高效率 Mmax-为水轮机模型在最优工况下的效率 D1M-为模型转轮直径 （m） D1-为原型转轮直径 （m）将Mmax=93.4% ，D1M=0.35m, D1=1.2m 带入公式得：则max=1-（1-0.934）考虑到制造工艺水平的情况取1=1%由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型基本相似，故认为2=0，则效率修正值为：=max-Mmax-1 式中： -为效率修正值； max -为原型水轮机的最高效率； Mmax-为水轮机模型在最优工况下的效率； 将max=0.948，Mmax=0.934，1= 0.01带入公式得：=max-Mmax-1=0.948-0.934-0.01=0.013由此求得水轮机在限制工况的效率为：=M+=0.898+0.01391.1%与模型水轮机在最优工况下的效率Max接近。转速的计算n=n10Ha1/2/D1 式中： n -为水轮机的转速 （r/min） n10-为最优单位转速 （r/min） Ha -为加权平均水头 （m） D1 -为原型转轮直径 （m）n10=n10M+n1 式中： n10-为最优单位转速 （r/min） n10M-模型水轮机的最优单位转速 （r/min）由表1查得最优工况下的n10M =75r/min同时由于=-1 式中： n10M -模型水轮机的最优单位转速 （r/min）； max -为原型水轮机的最高效率； Mnax-为水轮机模型在最优工况下的效率；将max=0.948，Mmax=0.934，带入公式得：=-1=-1=0.01-4m（2） 9MW出力水轮机特性值计算其计算值见下表：Hmax=107(m)H1=105(m)Hr=104(m)H2=102(m)n1=69.60(r/min)n1=70.30(r/min)n1=70.60(r/min)n1=71.30(r/min)N=9.81*D2*H1.5Q1(KW)N=N=9.81*D2*H1.5Q1(KW)N=N=9.81*D2*H1.5Q1(KW)N=N=9.81*D2*H1.5Q1(KW)M Q1NM Q1NM Q1NM Q1N(%)(m3/s)(%)(KW)(%)(m3/s)(%)(KW)(%)(m3/s)(%)(KW)(%)(m3/s)(%)(KW)880.5789.47967880.5789.47691880.56589.47568880.56489.47338890.5890.48184890.5890.47997890.57990.47842890.57890.47604900.5991.48460900.5991.48168900.58991.48066900.5991.47847910.6192.48755910.6192.48511910.60892.48417910.6192.48202920.6393.49186920.6493.49057920.64193.48970920.64593.48767930.7194.410420930.6894.49771930.68194.49632930.68194.49355930.7194.410420930.7394.410474930.73394.410367930.73794.410124920.7793.411639920.893.411385920.80993.411321920.8193.411009910.8492.412107910.8592.411867910.84892.411739910.85292.411456Hmin=100(m)Hn1 Q1N+(+)*HHSn1=72(r/min)(m)(r/min)(m3/s)(KW)N=N=9.81*D2*H1.5Q1(KW)100720.030.64284500.0484.84.4M Q1N0.040.6892000.0585.83.4880.5689.471100.050.71896000.0686.82.4890.5890.473810.060.753100000.0787.81.4900.5991.476570.070.852109500.0888.80.4910.6292.480270.080.876112000.0989.8-0.6920.6693.4864210271.30.030.64388000.0484.94.3930.6894.491080.040.68196000.0585.923.28930.7594.499350.050.7297000.0686.942.26920.8293.4108320.060.757105600.0787.691.24910.8692.4111730.070.852110000.0888.980.220.080.877117200.09810-0.810470.60.030.64488600.04854.20.040.68396300.0586.033.170.050.72497600.0687.072.130.060.762106000.0788.111.090.070.852112300.0889.150.050.080.878117600.09810.19-0.9910570.30.030.64589200.0485.044.160.040.68496400.0586.093.110.050.726100000.0687.142.060.060.763106400.0788.191.010.070.85113000.0889.24-0.040.080.879122000.09810.29-1.0910769.60.030.64595000.0485.144.060.040.688102000.0586.212.990.050.732107400.0687.281.920.060.775114200.0788.350.850.070.876126100.0889.42-0.220.080.883128200.09810.49-1.74根据上述数据画出单机出力为9MW水轮机的综合特性曲线等图，见附图2。1.3.3单机出力为16 MW的水轮机（1） 转轮直径计算对于单机出力为16MW的水轮机，其额定出力为： Nr=N/=16/0.97=16.5MW 查JF2801-M10的转轮模型型谱综合运转特性曲线图，取其最优单位转速n11r=75r/min与出力限制线交点的单位流量为设计工况点的单位流量，则Q11r=0.882m3/s,对应的模型效率M=0.898,暂取效率修正值=1.2%，则设计工况原型水轮机效率=M+=0.898+0.012=0.91，则此水轮机转轮直径D1为： D1=141cm 按我国规定的转轮系列，查传林系列表，计算值处于标准值1.4 m与1.6 m之间，此水轮机转轮取非标称直径D1=1.55m。 效率的修正值的计算 由表查得水轮机模型在最优工况下的效率Mmax=93.4%,模型转轮直径D1M=0.35m, 则原型水轮机的最高效率max为 max=1-（1-Mmax）（D1M/D1）1/5 式中： max -为原型水轮机的最高效率 Mmax-为水轮机模型在最优工况下的效率 D1M-为模型转轮直径 （m） D1-为原型转轮直径 （m）将Mmax=93.4% ，D1M=0.35m, D1=1.55m 带入公式得：则max=1-（1-0.934）考虑到制造工艺水平的情况取1=1%由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型基本相似，故认为2=0，则效率修正值为：=max-Mmax-1 式中： -为效率修正值； max -为原型水轮机的最高效率； Mmax-为水轮机模型在最优工况下的效率； 将max=0.948，Mmax=0.934，1= 0.01带入公式得：=max-Mmax-1=0.948-0.934-0.01=0.013由此求得水轮机在限制工况的效率为：=M+=0.898+0.01391.1%与模型水轮机在最优工况下的效率Max接近。转速的计算n=n10Ha1/2/D1 式中： n -为水轮机的转速 （r/min） n10-为最优单位转速 （r/min） Ha -为加权平均水头 （m） D1 -为原型转轮直径 （m）n10=n10M+n1 式中： n10-为最优单位转速 （r/min） n10M-模型水轮机的最优单位转速 （r/min）由表1查得最优工况下的n10M =75r/min同时由于=-1 式中： n10M -模型水轮机的最优单位转速 （r/min）； max -为原型水轮机的最高效率； Mnax-为水轮机模型在最优工况下的效率；将max=0.948，Mmax=0.934，带入公式得：=-1=-1=0.01-4m（2） 16MW出力水轮机特性值计算其计算值见下表：Hmax=107(m)n1=77.34(r/min)N=27796.15Q1(KW)H1=105(m)n1=78.07(r/min)N=27020.47Q1(KW)Hr=104(m)n1=78.45(r/min)N=26635.39Q1(KW)H2=102(m)n1=79.21(r/min)N=25870.76Q1(KW)M(%) Q1(m3/s)(%)N(KW)M(%) Q1(m3/s)(%)N(KW)M(%) Q1(m3/s)(%)N(KW)M(%) Q1(m3/s)(%)N(KW)880.5689.213030880.56389.212734.7880.5689.212553880.5689.212193900.691.214274900.6191.214107.2900.6191.213929900.6291.213728910.6492.215393910.65292.215243.9910.6692.215165910.6792.214998920.6893.216532920.68593.216189.1920.793.216191920.793.215930930.7894.219167930.71294.217007.8930.7294.216907930.7394.216581920.8494.220641930.78894.218823.2930.894.218720930.894.218182910.8791.520766920.83893.219805.1920.8493.219569920.8493.219053910.86892.220294910.8792.220005910.8792.219408Hmin=100(m)n1=80(r/min)N=25113.6Q1(KW)H(m)n1(r/min) Q1(m3/s)N(KW)+(+)*H+Hs10777.340.030.631149460.055.2490.8923.950.040.678162450.066.3191.8593.052.880.050.711172670.077.3893.194.31.810.060.75182340.088.4593.294.40.740.070.858204460.099.5291.3592.55-0.30.080.883208230.110.690.491.6-1.410578.070.030.622142590.055.1590.490.94.05M(%) Q1(m3/s)(%)N(KW)0.040.676156870.066.291.5192.713880.5789.2118780.050.71167170.077.2592.8594.051.95900.6391.2136060.060.742175550.088.393.394.50.9910.6892.2148630.070.854198300.099.3591.5792.77-0.2920.7193.2155960.080.883202420.110.490.491.6-1.2930.7394.21627410478.450.030.622140240.055.190.291