水轮机选型设计

1、第一章 水轮发机主要参数设计第1节 水轮机台数及型号选择一.已知参数1水库正常蓄水位：1684米；最低水位1678米；最高水位1686米；2尾水位 最高尾水位1520米；正常尾水位1509米 ； 3水头 最大水头：174米；加权平均水头；167米；最小水头147米； 二.水轮机型式的选择1.按我国水轮机型谱推荐的设计水头与比转速的关系2.水轮机型式的选择水轮机类型及其适用水头范围、比转速范围见表111表11 水轮机类型及其适用范围水轮机型式适用水头范围（m）比转速范围（m·kw）反击式混流式3070050300斜流式40120150350轴流式380200850贯流式<2060

2、01000冲击式射流式30017001035根据已知参数，本电站水轮机运行水头范围为：147m174m，比转速为：138.8（m·kW）。根据表11所列参数决定选用混流式水轮机。三.电站装置方式的确定水轮机装置方式是指水轮机轴的装置方向和机组的连接方式。水轮机轴的装置分为立式和卧式两种。立式装置方式安装、拆卸方便，轴与轴承受力情况良好，发电机安装位置较高，不易受潮，管理维护方便，但是开挖量较大。卧式装置方式不会产生很大的集中荷重，厂房的高度较低，但轴与轴承受力情况不好。为了缩小厂房面积，高水头大中型电站一般采用立轴布置方式。该电站最大水头为174m，故采用立式布置方式。机组连接方式采

3、用直接连接。四.初选水轮机转轮型号根据本电站水头变化范围H=147m174m选择合适的水轮机转轮：A378、A194、D10、D126和D46,其参数见表127。表12 初选水轮机转轮参数表转轮型号推荐使用水头H（m）模型转轮直径D1cm最优工况限制工况单位飞逸转速 n1rr/min水推力系数KD1M导叶高度b0n11r/minQ11m3/sMQ10m3/sMMA3781800.3569.00588.2492.871289.100.073123.60.2-0.260.350.2A1941800.3570.00625.4291.9074790.000.0861280.350.2D102000.4

4、66.50520.0090.5058488.700.0451230.40.16D1262000.469.00660.0093.0075591.300.069128.80.40.2D462000.467.50548.0091.6063989.400.045122.30.40.16五.拟定机组台数并确定单机容量总装机容量N=65MW，保证出力：Nb=30MW，年利用小时数：4560h，取同步发电机效率g=97；通过试算HLA194、HLD46出力不满足要求，最终确定选用HLA378、HLD10和HLD126三个方案。方案列表如下：表13 水轮机组选型及台数汇总表方案HLA378HLD10HLD12

5、6机组台数二台三台四台二台三台五台二台三台五台单机容量Ng（kW）3250021666.7162503250021666.7130003250021666.713000第2节 各方案参数的计算一.HLA378各参数的计算1.计算转轮直径水轮机额定出力为：取最优单位转速n110=69（r/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Q110=0.72(m3/s)，对应的模型效率m=0.888，暂取效率修正值=2,则设计工况下原型机效率=m+=0.888+0.02=0.908。故水轮机转轮直径为：我国规定的转轮直径系列，计算值处于标准值1.6m1.8m之间，考虑到取1.6m偏小，难以保

6、证设计水头下发出额定出力；若取1.8m又太大，不经济。故取非标准值D1=1.7m。2.原型机效率T的计算效率修正值：=0.948-0.928=0.023.判断单位参数是否需要修正故单位参数无需修正，所以n1=n110=69(r/min)4.计算原型机设计工况下的转速n根据标准同步转速圆整转速值，转速计算值介于同步转速500r/min600r/min之间.根据A378模型综合特性曲线，取n=500r/min时水轮机的实际运行范围比n=600r/min时的运行范围好，故取水轮机的转速n=500r/min。5.计算设计工况下单位转速n11 设计工况下单位转速与出力限制线交点的单位流量Q11=0.73

7、m3/s，对应的模型效率m=0.883，则设计工况下原型机效率T限=m+=0.883+0.02=0.903。6.校核出力Pr Pr>Pr且。所以出力Pr满足要求。7.确定水轮机的工作范围8. 根据以上方法计算HLD10和HLD126型水轮机的各参数，计算结果见表14表14 HLA378型水轮机参数计算表机组台数2台3台4台单机容量32.5MW21.7MW16.3MW转轮直径D1（m）1.71.41.2水轮机同步转速n500 r/min600 r/min750 r/min单位转速n1167.5 r/min66.7 r/min71.5 r/min最优单位转速n11069 r/min水轮机效率

8、（%）0.9030.8970.907水轮机出力Pr36.3MW24.5MW18.0MW水轮机运行范围(r/min)n11min64.4n11min63.7n11min68.2n11av65.8n11av65.0n11av70.3n11max70.1n11max69.0n11max74.2推荐的最优方案HLA378、机组台数2台二. HLD10各参数的计算表15 HLD10型水轮机参数计算表机组台数2台3台5台单机容量32.5MW21.7MW16.3MW转轮直径D1（m）1.91.61.2水轮机同步转速n428.6 r/min500 r/min750 r/min单位转速n1164.7 r/min

9、63.5 r/min71.5 r/min最优单位转速n11066 r/min水轮机效率（%）0.9130.9090.904水轮机出力Pr35.4MW24.7MW13.7MW水轮机运行范围(r/min)n11min61.7n11min64.4n11min68.2n11av63.0n11av65.8n11av69.6n11max67.2n11max70.1n11max74.2推荐的最优方案HLD10、机组台数2台三. HLD126参数的计算机组台数2台3台5台单机容量32.5MW21.7MW16.3MW 转轮直径D1（m）1.61.31.0水轮机同步转速n600 r/min750 r/min100

10、0 r/min单位转速n1176.2 r/min77.4 r/min79.4 r/min最优单位转速n11074 r/min水轮机效率（%）0.9320.930.927水轮机出力Pr34.6MW22.8MW13.8MW水轮机运行范围(r/min)n11min72.8n11min73.9n11min75.8n11av74.3n11av75.4n11av77.4n11max79.2n11max80.4n11max82.5推荐的最优方案HLD126、机组台数2台表16 HLD126型水轮机参数计算表第3节 水轮机运转综合特性曲线的绘制一.等效率线的绘制1.在水轮机工作水头范围（HminHmax）内取

11、5个间隔均匀的水头（应包括Hmin、Hmax、Hr对每个水头作等效率曲线=f（P）。计算每个水头对应的单位转速n11，以各转速在模型综合特性曲线上作一条直线与等效率线交于一序列点。读出各交点的流量值Q11m和效率值m，计算出原型机的效率T和出力P。然后作出个水头下的=f（P）曲线。2.在曲线=f（P）上以某效率值作水平线与=f（P）曲线相交，找出个交点的H、P值。3.作PH坐标，并在其中绘制出计算中选取的水头值的水平线，将2中所得到的各交点按其H、P值点到PH坐标中，连接各点既得到某效率值的等效率线。4.等效率线的换算。（1）HLA378等效率线的换算：见表17表17 HLA378等效率线计算

12、表、MQ11TPMQ11TPMQ11TP0.80.2920.8215.20.80.290.8214.60.80.2890.8214.10.820.3210.8417.10.820.320.8416.50.820.3190.8416.00.840.350.8619.10.840.3480.8618.40.840.3470.8617.80.860.380.8821.30.860.380.8820.50.860.380.8820.00.880.420.924.10.880.420.923.20.880.420.922.60.890.440.9125.50.890.440.9124.60.890.44

13、0.9124.00.90.4670.9227.30.90.4660.9226.40.90.4670.9225.70.910.4950.9329.30.910.4940.9328.20.910.4930.9327.40.920.550.9432.90.920.5340.9430.90.920.5320.9429.90.9210.570.94134.20.9230.570.94333.10.9250.570.94532.30.920.5920.9435.40.920.6150.9435.60.920.6170.9434.70.910.640.9337.90.910.650.9337.20.910.

14、6510.9336.20.90.670.9239.20.90.6720.9238.00.90.6730.9237.10.890.6930.9140.10.890.70.9139.10.890.710.9138.70.880.720.941.20.880.720.939.80.880.730.939.30.860.7580.8842.40.860.7620.8841.20.860.7630.8840.10.840.790.8643.20.840.7930.8641.90.840.7930.8640.80.820.8170.8443.60.820.8180.8442.20.820.8180.844

15、1.0续上表：、MQ11TPMQ11TP0.80.2790.8212.40.80.2790.8211.30.820.3110.8414.20.820.3110.8412.80.840.340.8615.90.840.340.8614.40.860.3750.8818.00.860.3750.8816.40.880.4150.920.40.880.4150.918.70.890.4410.9121.90.890.4410.9120.50.90.470.9223.60.90.470.9221.80.910.4980.9325.30.910.4980.9323.50.920.5360.9427.50

16、.920.5360.9425.10.9250.570.94529.40.9250.570.94528.50.920.6320.9432.40.920.6320.9429.80.910.6640.9333.70.910.6640.9330.70.90.6850.9234.40.90.6850.9231.60.890.710.9135.20.890.710.9132.40.880.730.935.80.880.730.932.70.860.7690.8836.90.860.7690.8833.30.840.7940.8637.20.840.7940.8633.50.820.820.8437.50.

17、820.820.8433.8（2）HLD10等效率线的换算：见表18表18 HLD10等效率线计算表、 MQ11TPMQ11TPMQ11TP0.820.3050.84520.5 0.820.3090.84520.0 0.820.3070.84519.4 0.840.3260.86522.4 0.840.330.86521.9 0.840.330.86521.3 0.860.3550.88525.0 0.860.360.88524.4 0.860.360.88523.8 0.880.390.90528.1 0.880.3930.90527.3 0.880.3930.90526.6 0.890.4

18、240.91530.8 0.890.420.91529.5 0.890.420.91528.7 0.90.460.92533.8 0.90.4580.92532.5 0.90.4560.92531.5 0.9030.4850.92835.8 0.9050.4820.9334.4 0.9060.4850.93133.8 0.90.5130.92537.7 0.90.520.92536.9 0.90.5240.92536.2 0.890.540.91539.3 0.890.5450.91538.3 0.890.5480.91537.5 0.880.560.90540.3 0.880.5640.90

19、539.2 0.880.5680.90538.4 0.860.590.88541.5 0.860.5950.88540.4 0.860.590.88539.0 、 MQ11TPMQ11TP0.820.3120.84517.90.820.3180.84516.60.840.350.86520.60.840.3390.86518.10.860.3630.88521.90.860.3740.88520.40.880.3970.90524.50.880.410.90522.90.890.4240.91526.40.890.4360.91524.60.90.460.92529.00.90.470.925

20、26.80.9090.4820.93430.70.9080.5610.93332.40.90.5250.92533.10.90.5280.92530.20.890.550.91534.30.890.550.91531.10.880.5680.90535.00.880.5680.90531.70.860.5950.88535.90.860.590.88532.2（2）HLD126等效率线的换算：见表19表19 HLD126等效率线计算表、 MQ11TPMQ11TPMQ11TP0.760.260.78511.5 0.760.2790.78511.9 0.760.2790.78512.94 0.78

21、0.310.80514.0 0.780.310.80513.5 0.780.3120.80514.72 0.80.3280.82515.2 0.80.340.82515.2 0.80.3460.82516.14 0.820.3670.84517.5 0.820.370.84517.0 0.820.370.84518.33 0.840.3960.86519.3 0.840.40.86518.8 0.840.410.86520.15 0.860.4280.88521.3 0.860.4320.88520.8 0.860.440.88521.57 0.870.4470.89522.5 0.870.4

22、510.89522.0 0.870.460.89522.76 0.880.4650.90523.7 0.880.470.90523.2 0.880.480.90524.46 0.890.490.91525.3 0.890.50.91524.9 0.890.510.91525.71 0.90.510.92526.6 0.90.5150.92525.9 0.90.530.92527.96 0.910.540.93528.5 0.910.5450.93527.8 0.910.570.93529.61 0.920.5750.94530.7 0.920.5820.94530.0 0.920.5970.9

23、4529.93 0.9230.60.94832.1 0.9290.620.95432.2 0.9220.610.94730.65 0.920.7150.94538.1 0.920.720.94537.1 0.920.730.94536.60 0.910.7570.93539.9 0.910.760.93538.7 0.910.7620.93537.79 0.90.7880.92541.1 0.90.790.92539.8 0.90.790.92538.75 0.890.8070.91541.6 0.890.810.91540.4 0.890.810.91539.29 0.880.820.905

24、41.8 0.880.8250.90540.6 0.880.8250.90539.57 0.870.840.89542.4 0.870.840.89540.9 0.870.840.89539.84 0.860.8450.88542.1 0.860.8480.88540.8 0.860.850.88539.85 0.840.8550.86541.6 0.840.860.86540.5 0.840.860.86539.39 0.820.870.84541.4 0.820.8720.84540.0 0.820.8720.84538.99 0.80.880.82540.8 0.80.8820.8253

25、9.5 0.80.880.82538.39 续上表：、 MQ11TPMQ11TP0.760.290.78511.00.760.310.78510.60.780.3210.80512.40.780.340.80511.90.80.350.82513.90.80.370.82513.30.820.380.84515.50.820.4020.84514.80.840.4150.86517.30.840.430.86516.30.860.4450.88519.00.860.4620.88517.90.870.4620.89520.00.870.490.89519.20.880.490.90521.40

26、.880.5110.90520.20.890.5120.91522.60.890.5420.91521.70.90.540.92524.10.90.5620.92522.80.910.5650.93525.50.910.60.93524.60.920.6050.94527.60.920.640.94526.50.9290.690.95431.80.9290.690.95428.80.920.740.94533.80.920.740.94530.60.910.770.93534.80.910.770.93531.50.90.7920.92535.40.90.7920.92532.10.890.8

27、10.91535.80.890.810.91532.40.880.8250.90536.10.880.8240.90532.60.870.840.89536.30.870.840.89532.90.860.850.88536.30.860.850.88532.90.840.860.86535.90.840.860.86532.50.820.8710.84535.50.820.8750.84532.30.80.880.82535.00.80.880.82531.7为了找到每条等效率曲线的拐点，需要确定拐点所对应的水头与出力值（HA、PA）。为此可根据计算表中各水头H所对应的最高效率点的效率值T0

28、及出力作出P0H曲线及P0H曲线。需要确定某效率值A的拐点时，可以从曲线T0H上查到拐点对应的水头HA，在根据HA从曲线P0H上查出拐点对应的出力PA。二.等吸出高度线的绘制等吸出高度线表达水轮机在各运行工况是的最大允许吸出高度Hs，等Hs线是根据模型特性曲线的等线换算得到的，计算与绘制等Hs线的方法如下：1.计算各水头对应的单位转速n11m,在模型综合特性曲线上过n11m作水平线与各等线相交，记下各点的、Q11m及m值。2.根据吸出高度计算公式计算出各点的Hs，并计算出各点的出力P。3.根据各工况点的（Hs、P）值绘制出各水头下的Hs=f(P)曲线。4.在Hs=f(P)曲线上取某Hs值作水平

29、线与各Hs=f(P)曲线相交，记下各交点的（H、P）值并点绘到PH坐标内，把各点连成光滑曲线即为某Hs值的等吸出高度线。5.等吸出高度线的换算可按下表进行。（1）HLA378等吸出高度线的计算表110 HLA378等吸出高度线计算表；Q11HsPQ11HsP0.060.5950.939-2.1 35.6 0.060.5980.942-1.9 34.6 0.070.640.93-3.9 37.9 0.070.6410.932-3.6 36.7 0.080.680.917-5.6 39.7 0.080.680.91-5.3 38.0 0.090.710.902-7.3 40.7 0.090.713

30、0.905-7.0 39.7 0.10.7350.891-9.1 41.7 0.10.740.89-8.7 40.5 Q11HsPQ11HsP0.060.5990.943-1.7 33.8 0.040.060.5970.946-1.1 0.070.6420.932-3.4 35.8 0.050.070.640.938-2.7 0.080.6820.92-5.0 37.6 0.060.080.6770.925-4.2 0.090.7120.906-6.7 38.6 0.070.090.7140.909-5.8 续上表：Q11HsP0.060.590.945-0.527.60.070.640.94

31、-2.029.80.080.670.929-3.430.90.090.710.915-4.932.10.10.7380.899-6.432.8（2）HLD10等吸出高度线的计算表111 HLD10等吸出高度线计算表；Q11HsPQ11HsP0.0650.5550.907-3.040.00.0650.5560.909-2.738.80.070.5860.887-3.941.30.070.5870.888-3.640.0Q11HsPQ11HsP0.060.5990.943-1.7 33.8 0.040.060.5970.946-1.1 0.070.6420.932-3.4 35.8 0.050.0

32、70.640.938-2.7 Q11HsP0.060.590.945-0.527.60.070.640.94-2.029.8（3）HLD126等吸出高度线的计算表112 HLD126等吸出高度线计算表；Q11HsPQ11HsP0.060.5250.922-2.1 27.3 0.060.5240.918-1.926.2 0.070.6040.94-3.9 32.0 0.070.60.938-3.630.7 0.080.6470.946-4.7 34.5 0.080.640.945-4.433.0 0.080.720.937-5.6 38.1 0.080.7150.939-5.336.6 0.09

33、0.7650.926-7.3 40.0 0.090.760.927-7.038.4 0.10.8050.907-9.1 41.2 0.10.8060.909-8.739.9 0.060.5250.922-2.1 27.3 0.060.5240.918-1.926.2 Q11HsPQ11HsP0.060.520.912-1.7 25.1 0.060.510.905-1.122.3 0.070.590.936-3.4 29.3 0.070.580.929-2.726.0 0.0750.6890.943-4.2 34.5 0.0750.630.941-3.528.7 0.080.710.94-5.0

34、 35.4 0.080.710.942-4.232.3 0.090.760.929-6.7 37.4 0.090.7060.931-5.831.8 0.10.8020.912-8.4 38.8 0.10.80.915-7.435.4 Q11HsP0.060.4750.882-0.518.30.070.560.912-2.022.40.080.610.929-2.724.80.080.6850.94-3.428.20.090.740.936-4.930.30.10.790.919-6.431.7三.出力限制线的计算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

35、的情况下，水轮机的出力受发电机的额定容量的限制，因此实际的出力限制线以设计水头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%出力限制线换算得到。为了计算简便，只选两个水头（Hmin、Hr）分别计算出其最大允许出力，然后过（Hr、Pr）、（Hmin、Pmin）两点连一直线以此作为H<Hr的出力限制线。当HHr时，水轮机的出力由发电机的出力来限制，即P=Pr。表113 出力限制线计算表机型HLA378HLD10HLD126HminHrHminHrHminHrP（MW）32.236.331.835.630.634.8四.运转综合特性曲线的绘制HLA37

36、8运转综合特性曲线见附录1HLD10 运转综合特性曲线见附录2HLD126运转综合特性曲线见附录3第4节 水轮机吸出高度及安装高程的确定一.HLA378吸出高度及安装高程的计算1.水轮机设计流量的计算设计工况点的单位流量Q11r为2.吸出高度Hs的计算为使水轮机尽可能不发生空化，取Hmax、Hr、Hmin三个水头分别计算水轮机的允许吸出高度以其中最小值作为最大允许吸出高度。为此进行如下计算。（1）计算Hmax、Hr、Hmin所对应的单位转速n11：（2）确定各水头所对应的出力限制工况点的单位流量Q11Hmax: Q11min = 0.724（L/s）Hr： Q11r = 0.723（L /s）

37、Hmin：Q11max = 0.722（L /s）（3）用（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Hmin、Hr、Hmax所对应的模型空化系数，分别为0.072、0.073、0.074。（4）分别计算Hmin、Hr、Hmax所对应的吸出高度从三个吸出高度计算值中取最小值-8.03m，再留一定的余量，取最大允许吸出高度Hs=-9m。3.水轮机安装高程4.飞逸转速nR的计算由A378水轮机模型综合特性曲线集查得单位飞逸转速n11R=123.6(r/min)，故水轮机的飞逸转速为：5.转轮轴向水推力Ft的计算根据A378转轮技术资料提供的数据，转轮轴向水推力系数Kt=0.200.26，转轮直径较小时取大值。故取Kt=0.24，则水轮机转轮轴向水推力为6.平均效率av的计算二.各方案吸出高度及安装高程的计算表114 各方案吸出