水电站课程设计

1、河北工程大学课程设计水电站课程设计水轮机的选型设计 专 业：XXX 班 级: XX 姓 名：XXX 学 号：XXX 指导教师：XXX- 20 -【摘 要】本说明书共七个章节，主要介绍了大江水电站水轮机选型，水轮机运转综合特性曲线的绘制，蜗壳、尾水管的设计方案和工作原理以及调速设备和油压装置的选择。主要内容包括水电站水轮机、排水装置、油压装置所满足的设计方案及控制要求和设计所需求的相关辅助图和设计图。系统的阐明了水电站相关应用设备和辅助设备的设计方案的步骤和图形绘制的方法。【关键词】水轮机、综合运转特性曲线图、蜗壳、尾水管、调速器、油压装置。【Abstract】Curriculum projec

2、t of hydro station is a important course and practical process in curriculum provision of water-power engineering major . There are more contents and specialized knowledge in the curriculum project , which make students not to adapt themselves quickly to complete the design . In this paper , charact

3、eristic of the curriculum project is analyzed , causes of in adaptation to the curriculum project in students are found , rational guarding method are proposed , and a example of applying the guarding method is given . The results show that using provided method to guard student design is a good met

4、hod, when teaching mode and time chart are given , students are guarded from mode of thinking and methodology , and design step are discussed and given . After the curriculum project of hydro station, the capability of students to solve practical engineering problems is improved , and the confidence

5、 to engage in design is strengthened .【Keyword】Curriculum project of hydro station; guarding method ; mode of thinking ; methodology; design step.目录第一节 基本资料11.1 基本资料11.2 设计内容1第二节 机组台数与单机容量的选择22.1 机组台数与机电设备制造的关系22.2 机组台数与水电站投资的关系22.3 机组台数与水电站运行效率的关系22.4 机组台数与水电站运行维护工作的关系22.5 单位容量的选择:2第三节 水轮机型号、装置方式、转

6、轮直径、转速、及吸出高度与安装高程的确定33.1 HL240型水轮机33.1.1 转轮直径D计算33.1.2 转速计算33.1.3 效率修正值的计算43.1.4 工作范围校核43.1.5 吸出高度Hs的计算53.1.6 装置方式：63.1.7 安装高程的确定63.2 ZZ440型水轮机63.2.1 转轮直径D计算63.2.2 转速n计算73.2.3 效率及单位参数修正73.2.4 工作范围的检验计算83.2.5 吸出高度Hs的计算93.2.6 装置方式：93.2.7 安装高程的确定：93.3 两种方案的比较分析9第四节 水轮机运转特性曲线的绘制114.1 基本资料114.2 等效率线的计算与绘

7、制124.3 出力限制线的绘制124.4 等吸出高度线的计算12第五节 蜗壳设计145.1 蜗壳型式选择145.2 主要参数确定145.2.1 断面形状的确定145.2.2 蜗壳包角的选择145.2.3 蜗壳进口断面面积及尺寸145.3 蜗壳的水力计算及单线图，断面图的绘制145.3.1 根据以选择的蜗壳断面形状，确定具体尺寸155.3.2 中间断面尺寸15第六节 尾水管设计186.1 尾水管型式的选择186.2 尺寸确定及绘制平面剖面单线图18大江水电站水轮机选型设计第一节 基本资料1.1 基本资料大江水电站，最大净水头，最小净水头，设计水头，电站总装机容量，尾水处海拔高程，要求吸出高度。1

8、.2 设计内容水轮机是水电站中最主要的动力设备之一，它关系到水电站助工程投资、安全运行、动能指标及经济效益等重大问题，正确地进行水轮机选择是水电站设计中的主要任务之一。本次设计的内容有： (1) 确定机组台数与单机容量。(2) 确定水轮机的型号与装置方式。(3) 确定水轮机的转轮直径与转速。(4) 确定水轮机的吸出高度与安装高程。(5) 绘制水轮机运转特性曲线（等效率曲线）。(6) 确定蜗壳、尾水管的型式与尺寸。第二节 机组台数与单机容量的选择水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。根据已确定的装机容量，就可以拟订可能的机组台数方案，当机组台数不同时，则单机容量不同，水轮机的转轮直径、转

9、速也就不同，有时甚至水轮机型号也会改变，从而影响水电站的工程投资、运行效率、运行条件以及产品供应。选择机组台数与单机容量时应遵守如下原则：2.1 机组台数与机电设备制造的关系机组台数增多，单机容量减少，尺寸减小，制造及运输较易，这对制造能力和运输条件较差的地区有利的，但实际上说，用小机组时单位千瓦消耗的材料多，制造工作量大，所以最好选用较大容量的机组。2.2 机组台数与水电站投资的关系 当选用机组台数较多时，不仅机组本身单位千瓦的造价多，而且相应的阀门、管道、调速设备、辅助设备、电气设备的套数增加，电气结构较复杂，厂房平面尺寸增加，机组安装，维护的工作量增加，因而水电站单位千瓦的投资将随台数的

10、增加而增加，但采用小机组时，厂房的起重能力、安装场地、机坑开挖量都可以缩减，因而有减小一些水电站的投资，在大多数情况下，机组台数增多将增大投资。2.3 机组台数与水电站运行效率的关系当水电站在电力系统中担任基荷工作时，引用流量较固定，选择机组台数较少，可使水轮机在较长时间内以最大工况运行，使水电站保持较高的平均效率，当水电站担任系统尖峰负荷时，由于负荷经常变化，而且幅度较大，为使每台机组都可以高效率工作，需要更多的机组台数。2.4 机组台数与水电站运行维护工作的关系机组台数多，单机容量小。水电站运行方式就较灵活，易于调度，机组发生事故产生的影响小，检修较易安排，但运行、检修、维护的总工作量及年

11、运行费用和事故率将随机组台数的增多而增大，故机组台数不宜太多。上述各种因素互相联系而又相互对立的，不能同时一一满足，所以在选择机组台数时应针对具体情况，经技术经济比较确定。遵循上述原则，该水电站的装机容量为6.8万kw，由于1.5万kw<8.6万kw<25万kw，该水电站为中型水电站，并担任系统调峰、调相及少量的事故备用容量，同时兼向周边地区供电。且宜选用偶数机组台数（两个合用一个变压器，方便变电和配电）：4台。2.5 单位容量的选择:单机容量第三节 水轮机型号、装置方式、转轮直径、转速、及吸出高度与安装高程的确定根据该水电站的水头变化范围24.72m35.87m，参照水电站表3-

12、3和表3-4的水轮机系列型普表查出合适的机型有HL240型水轮机（适用范围2545）和ZZ440型水轮机（适用范围20-40）两种.现将这两种水轮机作为初步方案，分别求出其有关参数，并进行比较分析。3.1 HL240型水轮机3.1.1 转轮直径D计算查水电站表3-6可得HL240型水轮机在限制工况下的单位流量，效率，由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量，效率 。 （3-1）上述的、 （3-2）选用与之接近而偏大的标称直径.3.1.2 转速计算 （3-3）式中： （3-4） 由水电站表3-6查得在最优工况下的，初步假定 （3-5）上式中：单位转速采用最优单位转速 ，H采用设计水头，采用选

13、用的标准直径，采用与其接近的偏大的同步转速。3.1.3 效率修正值的计算由水利机械附表1查得HL240 在最优工况下最高效率为模型转轮直径所以原型水轮机的最高效率可采用下式计算，即 （3-6）则效率修正值为考虑到制造水平的情况，常在以求得的中再减一个修正值，取，； 则效率修正值为 由此可得原型水轮机在限制工况下的效率为（与上述假定相同）单位转速的修正值按下式计算: （3-7）由于， 按规定单位转速可不加修正，同时，单位流量Q也可不加修正。由上可见，原假定的，,是正确的，那么上述计算及选用结果也是正确的。3.1.4 工作范围校核在选定，后，水轮机的最大的及各特征水头相对应的即可计算出来水轮机在、

14、下工作时，其相应的最大单位流量即为，故: （3-8）则水轮机的最大引用流量为 （3-9）对值：在设计水头时 （3-10） 在最大水头时 （3-10） 在最小水头时 （3-11） 在HL240型水轮机模型综合特性曲线图（图3-1)上分别绘出，和 为常数的直线，由图可见，由这三根直线所围成的水轮机工作范围（图中阴影部分）基本上包含了该特性曲线的高效率区。所以对于HL240型水轮机方案，所选定的参数和转速是比较满意的，但是还需要和其他方案作前面的比较。3.1.5 吸出高度Hs的计算由水轮机的设计工况参数，在图3-1上查得相应的气蚀系数，在水电站图226查得气蚀系数修正值为 （3-12）由此可得水轮机

15、的吸出高度 （3-13）3.1.6 装置方式：采用立轴安装方式。3.1.7 安装高程的确定 由立轴混流式HL240 （3-14）所以，HL240型水轮机方案的吸出高度满足电站要求.3.2 ZZ440型水轮机3.2.1 转轮直径D计算 （3-15）式中,均同前.对于值,可由附表2查得该型水轮机在限制工况下的,同时还查得气蚀系数但在允许的吸出高为-4m时,则相应的装置水轮机的空蚀系数为 （3-16）在满足-4m吸出高度的前提下，值可在ZZ440型水轮机主要综合特性曲线中可查得选用工况点（，）处的单位流量为.同时可查得该工况点的模型效率，并据此可以初步假定水轮机的效率为89.5.将以上的各参数值代入

16、， （3-17） 基本符合标准直径,故选用直径3.2.2 转速n计算水轮机的转速为: （3-18）选用与之接近而偏大的同步转速。3.2.3 效率及单位参数修正对于轴流转浆式水轮机，必须对其模型综合特性曲线图上的每个转角的效率进行修正。 当叶片转角为时的原型水轮机最大效率可用下式计算 （3-19）根据表3-7知、，并已知，带入上式则得: （3-20）叶片在不同转角时的可由模型综合特性曲线查得，从而可求出相应的值的原型水轮机的最高效率。当选用效率的制造工艺影响修正值时，即可计算出不同转角时的效率修正值； （3-21）其中计算结果如下表(3-1):表3-1 ZZ440型水轮机效率修正值计算表叶角转角

17、-10-50+5+10+15（%）84.988.088.888.387.286.0（%）89.791.892.492.091.390.4（%）4.83.83.63.74.14.4（%）3.82.82.62.73.13.4由<<水利机械>>附表2查得ZZ440型水轮机最优工况的模型效率为。由于最优工况接近于等转角线，故可采用作为其修正值，从而可得原型最高效率为： （3-22）已知在吸出高度-4m限制的工况点（，）处的模型效率为,而该工况点处于和两等角线之间，用内插法求得该点的效率修正值为，由此可得该工况点的原型水轮机效率为： (与上述假定的效率相近。) 由于： （3-23

18、）故单位转速可不作修正，同时，单位流量也可不作修正。由此可见，以上选用，是正确的。3.2.4 工作范围的检验计算在选定，后，水轮机的及各特征水头相对应的即可计算出来水轮机在Hr、N下工作时，其即为，故 （3-24）则水轮机的最大引用流量为 （3-25）与特征水头，相对应的单位转速 在设计水头 （3-26） 在最大水头时 （3-27） 在最小水头时 （3-28） 在ZZ440型水轮机模型综合特性曲线图(图3-2)上分别绘出，和, 的直线，由图可见，由这三根直线所围成的水轮机工作范围（图中阴影部分）基本上包含了该特性曲线的高效率区。所以对于ZZ440型水轮机方案，所选定的参数和是合理的。3.2.5

19、 吸出高度Hs的计算由水轮机的设计工况参数，由图3-2可查得其气蚀系数约为，则可求出水轮机的吸出高度为 （3-29）所以，ZZ440型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。3.2.6 装置方式：采用立轴安装方式3.2.7 安装高程的确定： 立轴轴流式水轮机 （3-40）3.3 两种方案的比较分析为了便于分析比较,现将上述两种方案的有关参数列表如下:表3-2 水轮机方案参数对照表序号项目HL240ZZ4401模型转轮参数推荐使用的水头范围（）254520402最优单位转速721153最优单位流量11008004最高效率92895气蚀系数0.1950.426原型水轮机参数工作水头范围（m）24.723

20、5.8724.7235.877转轮直径3.33.38转速125214.39最高效率94.691.610额定出力177081770811最大引用流量69.1870.0712吸出高度3.28-3.1413安装高程27.8822.21从上列对照表来看，两种不同型号的水轮方案在同样水头下的同时工作满足额定出力的情况下，两者比较来看，HL240包含了较多的高效率区，气蚀系数小，安装高程较高等优点，这可以提高水电站的年发电量和减少厂房的开挖量；而ZZ440型方案的优点仅表现在水轮机的转速高,有利于减小发电机尺寸，降低发电造价，但这种机型的水轮机极其调节系统的造价较高.由此看,若在制造供货方面没有问题时，初

21、步选用HL240型方案较为有利，在技术设计阶段,尚需要计算出个方案的动能指标和经济指标，进一步进行分析比较,以选出合理的方案.。本设计就采用HL240型号的水轮机。第四节 水轮机运转特性曲线的绘制4.1 基本资料转轮的型式 HL240型,主要综合特性曲线图3-6（水电站）;转轮的直径和转速 ,额定转速;特征水头 , , ,水轮机的额定出力 设计尾水位 安装高程 效率修正值为 表4-1 HL240型水轮机等效率曲线计算表(%)(%)(%)(%)(%)860.8087.616.14850.7986.611.1682.50.8084.19.20870.8488.616.80860.8487.611.

22、86850.9486.610.73880.8489.617.40870.8888.612.71860.9887.711.3890.9190.618.90880.9289.613.40871.0288.611.31900.9491.619.83890.9690.614.18891.0689.613.13910.9892.620.89901.0091.614.93891.1090.613.13911.1692.624.73901.0692.616.00901.1591.613.88901.1991.625.10891.2293.618.42901.2491.614.96891.2390.625.6

23、6881.2594.618.67891.2790.615.16881.2789.626.20871.2895.618.91881.3189.615.46871.3088.626.52861.3496.619.58871.3488.615.64861.3387.626.83851.3697.619.65861.3687.615.704.2 等效率线的计算与绘制由于水电站的水头变化范围较小,现取水轮机工作范围内3个水头,列表4-1分别进行计算.依据表4-1中的数据绘制对应每个H值的效率特性曲线，如图4-1(a)所示.在该图上作出某效率值的水平线，它与图中各等H线相交，绘制HN坐标图，连成光滑曲线，

24、既得出等效率线，如附图所示。4.3 出力限制线的绘制出力限制线表示水轮机在不同水头下实际允许发出的最大出力.由于水轮机与发电机配套运行，所以水轮机最大出力受发电机额定出力和水轮机5%出力储备线的双重限制。依据表4-2绘制出力限制线。表4-2 5%出力限制线上的点88.71.2490.325.6990.41.2492.0 18.589.81.2591.415.04.4 等吸出高度线的计算取3个水头,计算数据列表4-3分别进行计算。1、绘制辅助曲线，如附图所示。2、求出各水头下的值，并在相应的模型综合特性曲线上查出水平线与各等气蚀系数线的所有交点坐标，,值，填入下表。3、在辅助曲线上查出相应于上述

25、各的N值，填入下表.4、利用公式计算出相应于上述各的值，填入下表.5、根据表中对应的，值，做出曲线，如附图所示。6、在图上任取值，做水平线与曲线相交，记下各交点的、N值，绘于HN坐标图上，将各点连成光滑曲线即为等吸出高度线。表4-3 HL240水轮机等吸出高度线计算表H(m)N(MW)(m)35.8768.90.221.3528.30.269.330.440.211.2927.30.258.970.760.211.2927.30.258.970.760.221.3528.60.269.330.440.231.3729.00.279.680.0528.577.30.221.3411.20.267

26、.412.320.211.3211.00.257.132.600.201.2910.80.246.842.890.201.2910.80.257.132.600.211.3511.00.267.132.600.221.2611.20.267.412.3224.7283.00.221.0315.30.256.433.300.211.0315.30.256.183.550.211.2114.70.256.183.530.221.2619.30.266.433.300.231.3015.70.276.673.06第五节 蜗壳设计5.1 蜗壳型式选择由于本水电站水头高度小于40m，所以采用混凝土蜗壳.

27、5.2 主要参数确定5.2.1 断面形状的确定由于水轮机为中型水轮机，由相关资料确定，考虑在蜗壳顶部布置调速接力器的方便选择平顶梯形断面，即当时，选取；选择；由水电站教材P14表1-3做换直径与关系取座环外直径，；内直径， 。5.2.2 蜗壳包角的选择 混凝土蜗壳，选取5.2.3 蜗壳进口断面面积及尺寸进口断面流速： （5-1）：蜗壳进口断面流速导数，对于混凝土蜗壳，取，则： （5-2）进口断面流量: （5-3）进口断面面积: （5-4）5.3 蜗壳的水力计算及单线图，断面图的绘制5.3.1 根据以选择的蜗壳断面形状，确定具体尺寸 5.3.2 中间断面尺寸顶角的变化规律采用抛物线轨迹，则： （

28、5-5） （5-6）进口断面的最大半径： （5-7）在至之间设不同的，求出、，计算见表5-1。根据表5-1绘制辅助曲线5-1(a)，根据需要，选定若干个（每隔）由图5-1查出相应的及其断面尺寸，如表5-2所示。便可绘制蜗壳平面单线图,如图5-1(b).进口宽度取。表5-1 中间断面尺寸相关计算中间断面尺寸计算5.324.824.323.823.322.822.52.15备注2.822.321.821.320.820.323.312.241.470.730.280.044.513.442.671.931.481.241.21.2计算表15.324.824.323.823.322.822.52.1

29、54.514.514.514.514.262.391.21.23.070.850.941.041.181.280.850.480.5624.824.323.823.322.822.52.153.443.443.443.442.391.201.202.190.710.800.901.040.850.480.5634.323.823.322.822.52.152.672.672.672.391.201.201.520.620.700.800.850.480.5643.823.322.822.52.151.931.931.931.201.200.970.510.580.680.480.5653.322.822.52.151.481.481.201.200.590.450.520.480.5662.822.502.151.241.201.200.330.440.480.5672.502.151.201.200.180.480.56计算表编号15.323.0751.47270.0011.704.4024.822.1936.73192.687.734.7534.321.5225.49133.7