毕业设计水电站的水轮机设计

目 录1 前言42水电站的水轮机选型设计 52.1 水轮机的选型设计概述52.2 水轮机选型的任务 62.3水轮机选型的原则62.4水轮机选型设计的条件及主要参数72.5 确定电站装机台数及单机功率72.6 选择机组类型及模型转轮型号82.7 初选设计（额定）工况点112.8 确定转轮直径122.9 确定额定转速n122.10 效率及单位参数的修正132.11 核对所选择的真机转轮直径142.12 确定水轮机导叶的最大开度、最大可能开度、最优开度182.13 计算水轮机额定流量192.14 确定水轮机允许吸出高度202.15 计算水轮机的飞逸转速252.16 计算轴向水推力252.17 估算水轮机的质量262.18 绘制水轮机运转综合特性曲线263 水轮机导水机构运动图的绘制353.1 导水机构的基本类型353.2 导水机构的作用 363.3 导水机构结构设计的基本要求363.4 导水机构运动图绘制的目的373.5导水机构运动图的绘制步骤374 水轮机金属蜗壳水力设计414.1 蜗壳类型的选择414.2 金属蜗壳的水力设计计算415尾水管设计 495.1 尾水管概述 495.2 尾水管的基本类型495.3 弯肘形尾水管中的水流运动496水轮机结构设计 506.1 概述 506.2 水轮机主轴的设计506.3 水轮机金属蜗壳的设计516.4 水轮机转轮的设计526.5 导水机构设计 556.6 水轮机导轴承结构设计586.7 水轮机的辅助装置617 金属蜗壳强度计算 637.1 金属蜗壳受力分析 637.2 蜗壳强度计算 637.3 计算程序及结果 668 结论711 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。鉴于此，作为我们以后在水轮机制造厂或水电站工作的热能与动力工程专业的学生，也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。本次毕业设计从水轮机的基本工作原理出发，系统地、较为全面地进行了水轮机的选型设计、水轮机的结构分析、水轮机部分零部件的强度计算及校核等。设计分为六部分:第一部分：水轮机的选型设计；第二部分：导水机构运动图的绘制；第三部分：蜗壳的水力设计；第四部分：尾水管的设计；第五部分：蜗壳的强度计算；第六部分：绘制导叶加工图。在设计过程中，着重阐述了水轮机选型设计的具体方法及方案选择、水轮机的结构设计两部分。2水电站的水轮机选型设计2.1 水轮机的选型设计概述水轮机的选型设计是水电站设计中的一项重要任务，其计算结果直接关系到水电站的机组能否长期运行、投资的多少、经济效益的高低。它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性能参数。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，再根据水轮机的生产情况和制造水平，最后确定最佳的水轮机型号及尺寸。2.2 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(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)辅助设备的选择(9)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。2.3 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，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值稍高于，而且值应接近于值。2.4水轮机选型设计的条件及主要参数水轮机的选型是根据水电站设计部门提供的原始资料和数据，选择合适的水轮机型号和计算水轮机的性能参数主要设计参数：总装机容量 工作水头 引用流量，吸出高度为1.64m，电站海拔高程 该电站离负荷中心较远，有季节性调节水库，在系统中担任基荷。2.5 确定电站装机台数及单机功率2.5.1 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。一方面，小机组的单位千瓦金属消耗高于大机组；另外，单位重量的加工费也较大。除主要机电设备外，机组台数的增加，要求增加配套设备的台数，主副厂房的平面尺寸也需增加，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。反之，台数减少则机组尺寸增大，机组的制造、运输和安装的难度也相应增大。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。此外，从发电机转子的机械强度方面考虑，发电机转子的直径必须限制在转子最大线速度的允许值之内，机组的最大容量有时也会因此受到限制。(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。(5)机组台数对电厂主接线的影响由于水电厂水轮发电机组常采用扩大单元主接线方式，故机组台数多采用偶数。同时为了运行方式的机动灵活及保证机组检修时的厂用电可靠，一般都装两台以上机组。以上与机组台数有关的因素，许多是相互关系又相互矛盾的，在选择时应针对主要因素，进行综合技术经济比较，选择出合理的机组台数。 综合本次的设计条件，所选的机组台数为两台。即：Z=2。2.5.2 确定机组的单机容量（功率）确定出电站的机组台数后，就可以求单机容量。单机容量： Z 电站的装机台数,Z=2。计算得： 。2.6 选择机组类型及模型转轮型号根据水电站的实际情况正确的选择水轮机的型式是水轮机设计的一个重要环节。虽然各类水轮机有明确的适用水头范围，但由于它们的适用范围存在着交叉水头段，因此，必须根据水电站的具体条件对可供选择的水轮机进行分析比较，才能选择出最合适的机型。2.6.1 各类水轮机的适用范围大中型水轮机的类型及使用的水头范围如表2.1所示。表2.1 大中型水轮机的类型及使用水头范围表水 轮 机 型 式适用水头范围（m）比转速范围（m.kw）能量转换方式水流方式反击式贯流式1.16，Z0减少，使得模型与真机之间的几何相似关系遭到破坏，此时就不能利用上述公式进行导叶开度换算，为了使真机与模型机导水机构水流运动保持运动相似，只有使模型机与真机的导叶出流角相等。这里不再叙述。根据导叶形状参数及绘图比例（1：3），绘制4个相同的导叶，使其在D0圆3.5.2 确定，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 80，90100，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： ； ； ； ； ； 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开度值，量取角度，并填入表3.3中。调整后：，连杆长。根据表3.3作出=f(),=f()、S=f()曲线及检查光滑性，如图3.2。表3.3 导叶运动关系值图3.2 及其光滑性检查3.5.3 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，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置，大耳孔移动的弦长即是接力器行程S。3.5.4 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外推一个适当的距离。对于大中型水轮机：=2030mm; b.对于小型水轮机：=010mm，本次设计取=30mm. 。导水机构运动图见图SLH-02。4 水轮机金属蜗壳水力设计4.1 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135270；当水头超过40m时，一般选用钢板焊接蜗壳，端面形状有圆形及椭圆形两种，包角一般为345360。因为本次设计的最大水头为：=76.55m，所以采用金属蜗壳。金属蜗壳断面形状为圆形，断面面积及半径随着由进口到尾部流量的减少而减小。本次设计中在135时，由于圆面积小到不能和座环蝶形边连接，因此这部分断面形状由圆过渡到椭圆。良好的蜗壳设计使蜗壳中水流流动损失最小，同时还要合理地选择参数。4.2 金属蜗壳的水力设计计算金属蜗壳进行水力计算，就是在给定设计水头，设计流量，导水机构高度及座环尺寸的条件下，确定蜗壳各断面的形状和尺寸，并绘制出蜗壳的单线图，列出蜗壳断面尺寸表，以便制造及作为蜗壳强度计算和水电站厂房设计的依据。4.2.1 主要参数的选择(1) 蜗壳包角0的选择蜗壳是指从蜗壳尾端到进口断面的角度，它是蜗壳的主要参数之一，反映了蜗壳包围导水机构的程度，它将会影响电站的投资及水轮机的效率。通常取座环特殊固定导叶出口边作为蜗壳包角的起始断面，取垂直于引水管道轴线的+X方向断面作为蜗壳的进口断面。对于高水头电站，一般选取完全包角的金属蜗壳，包角0=345-360，通常采用0=345，而混凝土蜗壳的包角可在0=135-270内选择。对低水头大流量的水电站，通常采用0=180的蜗壳，对厂房布置有特殊要求时，也可采用0=135的蜗壳，有时为了减小蜗壳的进口断面宽度和便于蜗壳与进水管的连接，还可采用0=270的大包角蜗壳。本设计采用的是金属蜗壳，蜗壳包角0=345。(2) 蜗壳进口流速的选择蜗壳进口断面的平均流速与蜗壳尺寸及蜗壳水力损失等因素有关。若较大，则蜗壳和导水机构中的水力损失相应增大，反之亦然。在流量相同的条件下， 越大，则断面尺寸可减小，从而减小对电站的投资。通常情况下，是有水轮机的设计水头来决定的，即：式中：K流速系数。在蜗壳的设计中，K值的选择有很大意义。它影响到蜗壳的水力性能和材料消耗，甚至影响机组布置间距，尤其大尺寸的金属蜗壳，当提高K值后，断面尺寸可以减小，不但可以节省钢材，降低造价，有时还可以解决材料强度不足的矛盾，然而K值取得太高，可能引起机组效率下降，在高水头水轮机尤其明显，因此K值的选择应全面考虑这些因素。对于金属蜗壳，一般取K=0.90.95，本次设计取K=0.92；设计水头，。 计算得：。4.2.2 蜗壳与座环连接尺寸的确定金属蜗壳与座环的连接结构，如图11所示。其中，为固定导叶外切圆半径； 为座环蝶形边半径；h为蝶形边至导水机构水平中心线高度；为蝶形边锥角，一般取55；为蝶形边锥角顶点所在半径。图4.1中的其余符号含义，将在以下的计算中逐一介绍。图中关于座环的尺寸，由3金属蜗壳座环尺寸系列表可