水轮机原理课程设计

F电站水轮机设计及选型目录TOC\o"1-3"\h\u一基本资料 11.1水电站基本资料 11.2设计内容 1二机组台数与机型的选择 12.1机组台数的选择 12.2转轮型号的选择 2三水轮机型号、装置方式的拟定 23.1水轮机型号的选择 33.2装置方式 3四水轮机主要参数的选择与计算 34.1方案一HL220（6×200MW） 34.2方案二HL220（8×150MW） 64.3方案三HL220（10×120MW） 94.4初选方案比较 15五水轮机运转特性曲线的绘制 165.1等效率曲线的计算与绘制 165.2功率限制线的计算与绘制 175.3等吸出高度线的计算与绘制 17六蜗壳设计 186.1蜗壳型式、断面形状和包角的选择 18

6.2座环尺寸的确定 186.3蜗壳进口断面的计算 186.4圆断面计算 196.5椭圆断面计算 206.6蜗壳单线图的绘制等效率曲线的计算与绘制 22七尾水管设计 227.1尾水管的选择 227.2尺寸确定功率 227.3尾水管单线图的绘制 23八设计心得与总结 24参考文献 26一、基本资料1.1水电站基本资料J水电站位于甘肃境内黄河干流上，为一低水头径流式水电站。电站主要任务是发电，并可兼有灌溉等综合效益。水库正常蓄水位1497m，水库总库容0.396×108m3，为日调节性能水库。电站总装机容量1200MW。总装机容量：560MW电站水头：最大水头48.6m最小水头38.3m加权平均水头43.5~44.1m水能规划参数：Hmax=48.6m，Hmin=38.3m，Hav=43.5-44.1m，由经验公式可知：Hr=0.95Hav所以H额=41.325~41.895m故可设Hr=41.6m此时对应的Hav=43.789m1.2设计内容设计的主要内容有：（1）水轮机台数、型号、装置方式的拟定；（2）水轮机主要参数的计算；（3）水轮机初选方案的比较；（4）水轮机运转综合特性曲线的绘制；（5）蜗壳的水力计算，绘制单线图；（6）尾水管的选择，绘制单线图。（7）绘制布置结构示意图。二、机组台数与机型的选择2.1机组台数的选择2.1.1台数与投资的关系台数多，单机容量小，小机组单位千瓦造价高，同时，相应的主阀、调速器、附属设备及电气设备的套数增加，投资亦增加。一般情况下，台数多对成本和投资不利。2.1.2台数对运行效率的影响机组台数多，可以灵活改变机组运行方式，调整机组负荷，避开低效率区运行，以是电站保持较高的平均效率。机组类型不同，台数对电厂平均效率的影响就不同。轴流转桨式水轮机，由于单机的效率曲线平缓且高效区宽，台数多少对电厂的平均效率影响不明显；而混流式、轴流定桨式水轮机其效率曲线较陡，当出力变化时，效率变化较剧烈，适当增加台数可明显改善电厂运行的平均效率。2.1.3台数与运行维护的关系台数多，运行方式灵活机动，事故停机影响小，单机检修易于安排，但对全厂检修麻烦；同时，台数多，机组开、停机操作频繁，事故的次数可能增加。2.1.4台数与其他因素的关系2.1.4.1台数与电网的关系对于区域电网的单机：装机容量较小≯15%系统最大负荷（不为主导电站）；装机容量较大≯10%系统容量(系统事故备用容量)，因而，单机容量与台数选取不受限制。2.1.4.2台数与保证出力的关系根据设计规范要求，机组单机容量应以水轮机单机运行时其出力在机组的稳定运行区域范围内确定为原则。综上所述，可以确定机组台数选择的原则：对中小型水电站，一般选择2～4台；对于大中型水电站，一般选择6～8台；保证在水头低于额定水头时，机组受阻容量尽量小；在可能的情况下尽量选用单机容量较大的水轮机，以降低设备造价。2.2转轮型号的选择转轮型号的选择主要根据电站水头变化范围(Hmin～Hmax)查相应的水轮机型谱参数表，以选择适用电站水头变化范围的水轮机型号为原则；若有多种型号可供选择，则需要列为备选方案，待进行参数计算比较后再确定。三、水轮机型号、装置方式的拟定3.1水轮机型号的选择根据水电站水头变化范围38.3-48.6m，参照《水轮机原理与运行》附录A反击式水轮机型谱参数表查出合适机型HL240、ZZ360型水轮机。表3-1机组台数与装机容量水轮机型号机组台数单机容量（MW）HL240/D416200815010120分别求出其有关参数，并进行分析比较。3.2装置方式均采用立轴方式安装四、水轮机主要参数的选择与计算4.1方案一HL240（6×200MW）4.1.1水轮机转轮直径D1水轮机的额定出力为：Pr=NGηG=200取最优单位转速n110=72r/min与出力限制线交点的单位流量为设计工况点单位流量，则Q11R=1.160m3/s,对应模型效率ηM=85%,暂取效率修正值△η=3%，则设计工况原型水轮机效率η=ηM+△η=0.85+0.03=0.88,则水轮机转轮直径D1为D1=P参照《水轮机设计手册》P51转轮直径尺寸系列，计算值处于8.5m到9m之间，选择转轮直径D1=9m4.1.2原型水轮机最高效率与效率修正值ηmax=△η式中：△η1——水轮机工艺误差引起的效率下降值，对大中型水轮机取1~2%，对中小型水轮机取2~4%；△η2——水轮机异形部件引起的效率下降值，一般取1~3%（中小型水轮机通常不予考虑）限制工况原型水轮机效率：η=η4.1.3水轮机转速计算与选择n△n符合要求，不需要修正。又由于转速计算值在发电机同步转速55.5r/min附近，故取转速n=55.5r/min4.1.4检验水轮机实际工作范围4.1.4.1水轮机计算点出力的校核HrN=9.81D12Q114.1.5水轮机的安装高程尾水位=正常蓄水位-平均水头Zw=1497−43.789=水轮机理论吸出高度：Hs=10−E900−水轮机安装高程：Z=Zw+Hsb0——4.1.6水轮机最大允许吸出高度额定工况下，模型水轮机空化系数σM为0.2；参照《水轮机原理》表3-3取空化安全系数Kσ为1.1Hmin=10−1452.778900−1.15×0.2Hr=10−1452.778900−1.15×0.2Hmax10−1452.778900−1.15从三个吸出高度中取最小值-2.79m4.1.7实际水轮机的额定水头H4.1.8实际水轮机的额定流量Q4.1.9水轮机最大飞逸转速参照《水轮机原理》表5-7，得最大导叶开度下单位飞逸转速nrun11=155r/min,n4.1.10水轮机轴向推力、总轴向力根据《水轮机原理课程设计指导书》表1-3，HL220的转轮轴向水推力系数取K=0.34～0.41，转轮直径较小止漏环间隙较大时取大值，故取Kt=0.35F总轴向力F2计算立轴水轮机总的轴向推力Fz包含除轴向水推力、转轮重量Wr和主轴重量Wz，初步设计时可按下式估算Fz=Ft+Wr+W2混流式水轮机转轮重量:Wr=9.81×103主轴重量：W 取Wz=0.5W立轴水轮机总轴向推力：则Fa=Ft+Wr+W4.2方案二HL240（8×150MW）4.2.1水轮机转轮直径D1水轮机的额定出力为：Pr=NGηG取最优单位转速n110=72r/min与出力限制线交点的单位流量为设计工况点单位流量，则Q11R=1.160m3/s,对应模型效率ηM=85%,暂取效率修正值△η=3%，则设计工况原型水轮机效率η=ηM+△η=0.85+0.03=0.88,则水轮机转轮直径D1为D1=参照《水轮机设计手册》P51转轮直径尺寸系列，计算值处于7.5m到8m之间，选择转轮直径D1=8m4.2.2原型水轮机最高效率与效率修正值ηmax△η式中：△η1——水轮机工艺误差引起的效率下降值，对大中型水轮机取1~2%，对中小型水轮机取2~4%；△η2——水轮机异形部件引起的效率下降值，一般取1~3%（中小型水轮机通常不予考虑）限制工况原型水轮机效率：η=η4.2.3水轮机转速计算与选择n△n符合要求，不用修正。又由于转速计算值在发电机同步转速57.7-60r/min附近，故取转速n=60r/min4.2.4检验水轮机实际工作范围4.2.4.1水轮机计算点出力的校核HrN=9.81D12Q114.2.5水轮机的安装高程尾水位=正常蓄水位-平均水头Zw=1497−43.789=水轮机理论吸出高度：Hs=10−E900−水轮机安装高程：Z=Zw+Hsb0——4.2.6水轮机最大允许吸出高度额定工况下，模型水轮机空化系数σM为0.2；参照《水轮机原理》表3-3取空化安全系数Kσ为1.1Hmin=10−1452.778900−1.15×0.2Hr=10−1452.778900−1.15×0.2Hmax10−1452.778900−1.15从三个吸出高度中取最小值-2.79m4.2.7实际水轮机的额定水头H4.2.8实际水轮机的额定流量Q4.2.9水轮机最大飞逸转速参照《水轮机原理》表5-7，得最大导叶开度下单位飞逸转速nrun11=155r/min,n4.2.10水轮机轴向推力、总轴向力根据《水轮机原理课程设计指导书》表1-3，HL220的转轮轴向水推力系数取Kt=0.34～0.41，转轮直径较小止漏环间隙较大时取大值，故取Kt=0.35F总轴向力F2计算立轴水轮机总的轴向推力Fz包含除轴向水推力、转轮重量Wr和主轴重量Wz，初步设计时可按下式估算Fz=Ft+Wr+W2混流式水轮机转轮重量:Wr=9.81×103主轴重量：W 取W立轴水轮机总轴向推力：则Fa=Ft+Wr+W4.3方案三HL240（10×120MW）4.3.1水轮机转轮直径D1水轮机的额定出力为：Pr=NGηG=取最优单位转速n110=72r/min与出力限制线交点的单位流量为设计工况点单位流量，则Q11R=1.160m3/s,对应模型效率ηM=85%,暂取效率修正值△η=3%，则设计工况原型水轮机效率η=ηM+△η=0.85+0.03=0.88,则水轮机转轮直径D1为D1=参照《水轮机设计手册》P51转轮直径尺寸系列，计算值处于6.5m到7m之间，选择转轮直径D1=7m4.3.2原型水轮机最高效率与效率修正值ηmax△η式中：△η1——水轮机工艺误差引起的效率下降值，对大中型水轮机取1~2%，对中小型水轮机取2~4%；△η2——水轮机异形部件引起的效率下降值，一般取1~3%（中小型水轮机通常不予考虑）限制工况原型水轮机效率：η=η4.3.3水轮机转速计算与选择n△n符合要求，不用修正。又由于转速计算值在发电机同步转速65.2-68.2r/min附近，故取转速n=68.2r/min4.3.4检验水轮机实际工作范围4.3.4.1水轮机计算点出力的校核HrN=9.81D12Q114.3.5水轮机的安装高程尾水位=正常蓄水位-平均水头Zw=1497−43.789=水轮机理论吸出高度：Hs=10−E900−水轮机安装高程：Z=Zw+Hsb0——4.3.6水轮机最大允许吸出高度额定工况下，模型水轮机空化系数σM为0.2；参照《水轮机原理》表3-3取空化安全系数Kσ为1.1Hmin=10−1452.778900−1.15×0.2Hr=10−1452.778900−1.15×0.2Hmax10−1452.778900−1.15从三个吸出高度中取最小值-2.79m4.3.7实际水轮机的额定水头H4.3.8实际水轮机的额定流量Q4.3.9水轮机最大飞逸转速参照《水轮机原理》表5-7，得最大导叶开度下单位飞逸转速nrun11=155r/min,n4.3.10水轮机轴向推力、总轴向力根据《水轮机原理课程设计指导书》表1-3，HL220的转轮轴向水推力系数取Kt=0.34～0.41，转轮直径较小止漏环间隙较大时取大值，故取Kt=0.35F总轴向力F2计算立轴水轮机总的轴向推力Fz包含除轴向水推力、转轮重量Wr和主轴重量Wz，初步设计时可按下式估算Fz=Ft+Wr+W2混流式水轮机转轮重量:Wr=9.81×103主轴重量：W 取W立轴水轮机总轴向推力：则Fa=Ft+Wr+W4.5初选方案比较方案比较项目方案一方案二方案三单机容量×台数6×200MW8×150MW10×120MW水轮机型号HL240HL240HL240适用水头范围H（m）25～4525～4525～45模型最优单位流量(m3/s)1.2751.2751.275模型最优单位转速（r/min）727272模型设计比转速（mkw）263263263模型最高效率（%）91%91%91%限制工况单位流量(m3/s)1.2751.2751.275限制工况空化系数0.20.20.2总装机容量Ny(KW)120012001200转轮直径（cm）987额定转速nr（r/min）52.9459.5668.06水轮飞逸转速nR(r/min)120.06153.07154.37水轮机额定水头Hr（m）41.641.641.6水轮机额定流量Qr(m3/s)606.02478.83366.61水轮机额定点效率η（%）0.9390.9370.937水轮机额定出力Nr(KW)204081153061122449水轮机最高效率ηmax（%）0.9340.9320.930定点单位转速n11(r/min)727272额定点单位流量Q11(m3/s)1.1601.1601.160额定点气蚀系数σ0.20.20.2水轮机吸出高度Hs（m）-2.79-2.79-2.79水轮机安装高程Z(m)1452.7781452.7781452.778总轴向力Fa（N）1.16×1071.25×1070.9×107表4-5机组方案比较表三种方案的水轮机中，方案三的额定水头更加接近实际水头。转速高，发电机尺寸小，重量轻，一方面可以减少设备的造价，另一方面有利于减小厂房的平面尺寸，降低厂房的土建投资。综合上述比较结果，最终选定的方案为方案三：10×HL240。五、水轮机运转特性曲线的绘制5.1等效率曲线的计算与绘制5.1.1计算公式5.1.1.1各水头对应单位转速n其中：n额方案三原型水轮机额定转速D1方案三的转轮直径H对应水头n11i5.1.1.2所有工况点的效率换算混流式水轮机的效率修正采用等值修正法，即原型水轮机的所有工况点的效率换算均采用同一修正值△η。△η=由方案三可知：△η5.1.1.3原型水轮机出力P的计算公式P=5.1.2等效率线的绘制在《水电站机电设计手册》p17所示的模型综合特性曲线上以各n11i值作水平线与模型的等效率线相交于一系列点,将各点的ηM换算为ηT等效率线绘制时可按一下结果进行绘制：计算结果汇总表5-1如下：ηM(%)H1=38.3mH2=41.6mH4=45mH5=48.6mn11=77.0r/minn11=73.9r/minn11=71.0r/minn11=68.3r/minP=113.94Q1P=128.97Q2P=145.11Q4P=162.86Q5Q1ηPQ1ηPQ1ηPQ1ηP870.88909.020.84909.750.839010.840.849012.31880.92919.540.889110.330.879111.490.889113.04890.979210.170.939211.030.919212.150.909213.48901.019310.700.979311.630.949312.690.939314.09911.069411.351.029412.370.969413.090.969414.70911.229413.071.219414.671.179415.961.159417.61901.259313.251.249314.871.229316.461.199318.02891.279213.311.269214.951.249216.551.239218.43881.319113.581.309115.261.279116.771.269118.67871.339013.641.329015.321.309016.981.299018.91861.358913.691.358915.501.338917.181.328919.14851.378813.741.378815.551.368817.371.348819.2082.51.4285.513.831.4285.515.661.4185.517.491.4085.519.495%出力限制线上的点801.458313.711.458315.521.458317.461.448319.47表5-1HL240型水轮机等效率线计算表05.2机组出力限制线的计算与绘制水轮机的功率限制线一般由模型综合特性曲线的5%功率限制线换算得到。所需值在表5-1中列出。5.3等吸出高度线的计算与绘制等吸出高度线表达水轮机在各运行工况的最大允许吸出高度Hs，等Hs线是根据模型综合特性曲线的等σ线换算而求得的，计算Hs与绘制等线的步骤如下:1)计算各水头相应的单位转速n11M，在模型综合特性曲线上过各n11M作水平线与各等σ线相交，记下各交点的σ,Q112)根据吸出高度计算式Hs=10-Z/900-(σm+△σ)H计算各点Hs，并计算各点出力P.、其中：Z代表水轮机安装位置海拔高度σm代表模型空化系数△σ代表空化系数修正值，根据《水轮机原理》p61图3-7查取，可知△σ1=0.036△σ2=0.034△σ3=0.030△σ4=0.025由方案三可知：Z=1452.778m3)根据各工况点的(Hs,P),绘出各水头下的Hs=f(P)曲线在Hs=f(P)曲线图上取某Hs值,作水平线与各Hs=f(P)曲线相交，记下各交点的水头H及出力P，将这些点(P、H)绘制P~H坐标系内，并用光滑曲线连接即为某Hs的等吸出高度线.利用公式计算出上述各σ的Hs值，计算结果如表5-2所示，绘制等吸出高度线。表5-2水轮机等吸出高度曲线计算表H（m）n11（r/min）σmQ11（m3/s）P（MW）KσσMKσσMHHs（m）η38.377.00.201.29130.670.238.809-0.650.8890.211.32131.7510.24159.24945-1.040.8760.221.34132.680.2539.6899-1.420.8690.231.35132.590.264510.13035-1.800.8620.241.37133.460.27610.5708-2.180.85541.673.90.201.27144.960.239.568-1.350.8850.211.33148.890.241510.0464-1.760.8680.221.36149.970.25310.5248-2.180.8550.231.38150.390.264511.0032-2.600.8450.241.39149.690.27611.4816-3.010.8354571.00.201.20157.590.2310.35-1.960.9050.211.32166.450.241510.8675-2.410.8690.221.36167.940.25311.385-2.860.8510.231.38168.210.264511.9025-3.310.840.241.39167.410.27612.42-3.760.8348.668.30.211.28182.190.241511.7369-3.040.8740.221.35186.880.25312.2958-3.520.850.231.37187.420.264512.8547-4.010.840.241.39186.760.27613.4136-4.490.825注：水头为48.6时，转速n11水平线与σ=0.2的曲线不相交。六、蜗壳设计6.1．蜗壳型式、断面形状和包角的选择可用金属蜗壳和砼蜗壳的两种型式，由于本电站水头H≥30m，故选用金属蜗壳。蜗壳进口断面为圆形，当蜗壳尾部用圆断面不能和座环蝶形边相连接时，采用椭圆形断面。金属蜗壳包角一般取345°6.2座环尺寸的确定采用蝶形座环，锥角55°，由《水轮机设计手册》P105表6-15得所选方案HL240D=7m的具体尺寸：表6-1座环尺寸表名称Da（m）Db（m）K（m）R（m）座环参数10.809.250.1750.66.3蜗壳进口断面的计算进口断面流量：QB=φ360由《水轮机设计手册》P86图6-5得蜗壳进口断面流速系数K=0.96蜗壳进口断面平均流速：vB=KH进口断面面积：FB=QB进口断面半径：ρ1=FB进口断面中心距：ai=R0式中：R0=Dah=0.1D1+b导叶高度：b0=0.25×7蜗壳系数：C=φa1蜗壳常数：K=QrC2π6.4圆断面计算X=φC+2ρ=X2+ℎa=R0+XR=a+ρ=9.522+φ=5.575+1.43×1.575−φi>φiρ=s表6-2蜗壳圆断面计算表断面号φφR2Rℎ2RXX2ρaR13451.0015.57511.1612.4812.9463.94715.5794.2509.52213.77223300.9565.57510.6602.4812.8603.81614.5624.1289.39113.51933150.9145.57510.1912.4812.7773.69113.6234.0139.26613.27943000.8705.5759.7012.4812.6873.55712.6523.8909.13213.02252850.8275.5759.2212.4812.5963.42311.7173.7688.99812.76662700.7835.5758.7302.4812.5003.28310.7783.6418.85812.49972550.7405.5758.2512.4812.4023.1429.8723.5158.71712.23282400.6965.5757.7602.4812.2982.9948.7853.3568.56911.92592250.6535.5757.2812.4812.1912.8448.0883.2518.41911.670102100.6095.5756.7902.4812.0762.6857.2093.1138.26011.373111950.5665.5756.3112.4811.9572.5236.3662.9748.09811.0726.5椭圆断面计算当ρ<s时，蜗壳的圆形断面无法与蝶形边相切。这时蜗壳断面形状改为椭圆形。椭圆断面短径：ρ=1.045×58.48+0.81×1.当量圆面积：A=πρ2+A=ρi=φCra=R0d=R0−r椭圆断面长径：ρ1=L+ρL=ℎsinα=1.椭圆断面中心距：a=ra+1.22ρ椭圆断面外径：R=a+ρ1=椭圆断面各数值列表如下：表6-3蜗壳椭圆断面计算表断面号φφρAaρρR121950.5661.84712.4546.1982.3471.4157.613131800.5221.70310.8485.9352.2821.1997.134141650.4791.5639.4125.6872.2220.9966.683151500.4351.4198.0635.4402.1610.7936.233161350.3921.2796.8765.2092.1040.6045.813171200.3481.1355.7844.9622.0490.4205.382181050.