【《某水电站水力机械厂房计算书案例》14000字】

第第页某水电站水力机械厂房计算书案例目录TOC\o"1-3"\h\u31490一、水轮机部分 1117261.1水轮机型号及机组台数 1316651.2水轮机装机方案相关参数计算 2325461.3方案初选 1535041.4方案精选分析 16140361.5最佳方案水轮机导叶相关参数的计算 3478581.6蜗壳水力 35225701.7尾水管相关计算 3918365二、发电机部分 4060222.1水轮发电机的选择 40136512.2发电机外形尺寸的相关计算 41149462.3水轮发电机重量估算 44158742.4水轮发电机冷却方式的选择 44123282.5水轮发电机励磁方式的选择 446002.6水轮发电机额定电压 4429390三、厂房部分 4524453.1主厂房长度的计算 45300493.2厂房宽度的计算 46103343.3厂房高程的计算 47225053.4厂房细部构造尺寸的计算 4811252四、水力机组辅助设备的选择 5049274.1起重机的选择及相关参数 5020681参考文献 50一、水轮机部分1.1水轮机型号及机组台数通过设计资料中的水能规划参数可知：Hmax=44m，Hmin=30m，Hav=32m，水头的变化范围为30m-44m。参考“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P78表3-3和P79表3-4，可知当水头变化范围为30m-44m时HL240型和ZZ360型水轮机满足要求。因为总装机容量为290MW，故初步拟定下列四个设计方案：①方案一：选用2台单机容量为145000KW的HL240型水轮机；②方案二：选用4台单机容量为72500KW的HL240型水轮机；③方案三：选用5台单机容量为58000KW的HL240型水轮机；④方案四：选用8台单机容量为36250KW的HL240型水轮机。1.2水轮机装机方案相关参数计算1.2.1方案一相关参数计算（1）转轮直径D1计算查“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P79表3-6和P69图3-12可知Q’1M=1.24m³/s为HL240型水轮机在限制工况下的单位流量，且效率为ηM=90.4%，本设计中可假设原型水轮机的单位流量Q’1=Q’1M=1.24m³/s，效率η=92%。大中型发电机的额定效率ηgr在95%-98%之间，这里取ηgr=95%。水轮机的额定出力为：N水轮机的设计水头为：H将以上数值代入公式可得：D通过查阅“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P22表1-3，选用接近D1=8.99m且偏大的标称直径D1=9.0m。（2）转速n计算查“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P79表3-4可得n’10M=72r/min为HL240型水轮机在最优工况下的单位转速，且假定n’10=n’10M。将已知的n’10=72r/min，Hav=32m，D1=9.0m代入公式可得：n=通过查“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P10表1-1可选用偏大且接近n=45.25r/min的同步转速n=60r/min。（3）效率及单位参数修正查“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P79表3-6可得ηMmax=92.0%为HL240型水轮机模型在最优工况下的最高效率，D1M=0.46m，则原型机效率为：η所以效率修正值为Δη=95.6％-92.0％=3.6%，考虑误差因素，需要减去ξ=1%得效率修正值Δη=2.6%。则原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率分别为：ηη=单位转速的修正值为：Δn由于修正值在允许范围内，所以n1’和Q1’无需修正。由此可见，上述计算结果选用D1=9.0m，n=60r/min是可以的。（4）工作范围的检验在选定D1=9.0m，n=60r/min后，经计算检验工作范围。单位设计流量为：Q1r水轮机最大引用流量为：Q与Hmax、Hmin和Hr对应的单位转速为：nnn可确定HL240型水轮机的相似工作范围如下图所示：图1-1方案一水轮机工作范围（5）吸出高度Hs计算水轮机单机流量为：Q2台水轮机的总流量为：Q结合电站下游水位与下泄流量关系曲线图，当Q总=1098.6m³/s时，下游水位为79.5m。在“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P85图3-25上可查得n1r=97.94r/min，Q1r=1230L/s时气蚀系数约为σ=0.30，另外由“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P52图2-26可知，Hr=30.4m对应的气蚀系数修正值约为△σ=0.038。由此可求出水轮机的吸出高度为：H（6）比转速ns计算由上述计算可知，当Hr=30.4m时，对应的单位转速n1r=97.94r/min，单位流量Q1r=1.23m³/s，则比转速为：n1.2.2方案二相关参数计算（1）转轮直径D1计算查“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P79表3-6和P69图3-12可知Q’1M=1.24m³/s为HL240型水轮机在限制工况下的单位流量，且效率为ηM=90.4%，本设计中可假设原型水轮机的单位流量Q’1=Q’1M=1.24m³/s，效率η=92%。大中型发电机的额定效率ηgr在95%-98%之间，这里取ηgr=95%。水轮机的额定出力为：N水轮机的设计水头为：H将以上数值代入公式D通过查阅“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P22表1-3，选用接近D1=6.38m且偏大的标称直径D1=6.5m。（2）转速n计算查“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P79表3-4可得HL240型水轮机在最优工况下单位转速n’10M=72r/min，并初步假定n’10=n’10M。将已知的n’10=72r/min，Hav=32m，D1=6.5m代入公式可得：n=通过查“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P10表1-1可选用偏大且接近n=62.66r/min的同步转速n=65.2r/min。（3）效率及单位参数修正查“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P79表3-6可得ηMmax=92.0%为HL240型水轮机模型在最优工况下的最高效率，D1M=0.46m，则原型机效率为：η所以效率修正值为Δη=95.3％-92.0％=3.3%，考虑误差因素，需要减去ξ=1%得效率修正值Δη=2.3%。则原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率分别为：ηη=单位转速的修正值为：Δn由于修正值在允许范围内，所以n1’和Q1’无需修正。由此可见，上述计算结果选用D1=6.5m，n=65.2r/min是可以的。（4）工作范围的检验在选定D1=6.5m，n=65.2r/min后，经计算检验工作范围。单位设计流量为：Q水轮机最大引用流量为：Q与Hmax、Hmin和Hr对应的单位转速为：nnn可确定HL240型水轮机的相似工作范围如下图所示：图1-2方案二水轮机工作范围（5）吸出高度Hs计算水轮机单机流量为：Q4台水轮机的总流量为：Q结合电站下游水位与下泄流量关系曲线图，当Q总=1108.8m³/时，下游水位为79.6m。在“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P85图3-25上可查得n1r=76.86r/min，Q1r=1190L/s时气蚀系数约为σ=0.18，由P52图2-26可知，Hr=30.4m对应的气蚀系数修正值约为△σ=0.038。由此可求出水轮机的吸出高度为：H（6）比转速的计算由上述计算可知，当Hr=30.4m时，对应的单位转速n1r=76.86r/min，单位流量Q1r=1.19m³/s，则比转速为：n1.2.3方案三相关参数计算（1）转轮直径D1计算查“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P79表3-6和P69图3-12可知Q’1M=1.24m³/s为HL240型水轮机在限制工况下的单位流量，且效率为ηM=90.4%，本设计中可假设原型水轮机的单位流量Q’1=Q’1M=1.24m³/s，效率η=92%。大中型发电机的额定效率ηgr在95%-98%之间，这里取ηgr=95%。水轮机的额定出力为：N水轮机的设计水头为：H将以上数值代入公式可得：D通过查阅“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P22表1-3，选用接近D1=5.71m且偏大的标称直径D1=6.0m。（2）转速n计算查“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P79表3-4可得HL240型水轮机在最优工况下的单位转速n’10M=72r/min，且假定n’10=n’10M。将已知的n’10=72r/min，Hav=32m，D1=6.0m代入公式可得：n=通过查“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P10表1-1可选用偏大且接近n=67.88r/min的同步转速n=68.2r/min。（3）效率及单位参数修正查“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P79表3-6可得ηMmax=92.0%为HL240型水轮机模型在最优工况下的最高效率，D1M=0.46m，则原型机效率为：ηmax所以效率修正值为Δη=95.2％-92.0％=3.2%，考虑误差因素，需要减去ξ=1%得效率修正值Δη=2.2%。则原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率分别为：ηmaxη=单位转速的修正值为：Δn由于修正值在允许范围内，所以n1’和Q1’无需修正。由此可见，上述计算结果选用D1=6.0m，n=68.2r/min是可以的。（4）工作范围的检验在选定D1=6.0m，n=68.2r/min后，经计算检验工作范围。单位设计流量为：Q水轮机最大引用流量为：Q与Hmax、Hmin和Hr对应的单位转速为：nnn可确定HL240型水轮机的相似工作范围如下图所示：图1-3方案三水轮机工作范围（5）吸出高度Hs计算水轮机单机流量为：Q5台水轮机的总流量为：Q结合电站下游水位与下泄流量关系曲线图，当Q总=1101.5m³/s时，下游水位为79.6m。在“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P85图3-25上可查得n1r=74.22r/min，Q1r=1110L/s时气蚀系数约为σ=0.16，由P52图2-26可知，Hr=30.4m对应的气蚀系数修正值约为△σ=0.038。由此可求出水轮机的吸出高度为：H（6）比转速的计算由上述计算可知，当Hr=30.4m时，对应的单位转速n1r=74.22r/min，单位流量Q1r=1.11m³/s，则比转速为：n1.2.4方案四相关参数计算（1）转轮直径D1计算查“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P79表3-6和P69图3-12可知Q’1M=1.24m³/s为HL240型水轮机在限制工况下的单位流量，且效率为ηM=90.4%，本设计中可假设原型水轮机的单位流量Q’1=Q’1M=1.24m³/s，效率η=92%。大中型发电机的额定效率ηgr在95%-98%之间，这里取ηgr=95%。水轮机的额定出力为：N水轮机的设计水头为：H将以上数值代入公式可得：D通过查阅“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P22表1-3，选用接近D1=4.51m且偏大的标称直径D1=5.0m。（2）转速n计算查“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P79表3-4可得HL240型水轮机在最优工况下的单位转速n’10M=72r/min，且假定n’10=n’10M。将已知的n’10=72r/min，Hav=32m，D1=5.0m代入公式可得：n=通过查“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P10表1-1可选用偏大且接近n=81.46r/min的同步转速n=83.3r/min。（3）效率及单位参数修正查“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P79表3-6可得ηMmax=92.0%为HL240型水轮机模型在最优工况下的最高效率，D1M=0.46m，则原型机效率为：η所以效率修正值为Δη=94.9％-92.0％=2.9%，考虑误差因素，需要减去ξ=1%得效率修正值Δη=1.9%。则原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率分别为：ηη=单位转速的修正值为：Δn由于修正值在允许范围内，所以n1’和Q1’无需修正。由此可见，上述计算结果选用D1=5.0m，n=83.3r/min是可以的。（4）工作范围的检验在选定D1=5.0m，n=83.3r/min后，经计算检验工作范围。单位设计流量为：Q水轮机最大引用流量为：Q与Hmax、Hmin和Hr对应的单位转速为：nnn可确定HL240型水轮机的相似工作范围如下图所示：图1-4方案四水轮机工作范围（5）吸出高度Hs计算水轮机单机流量为：Q2台水轮机的总流量为：Q结合电站下游水位与下泄流量关系曲线图，当Q总=1113.6m³/s时，下游水位为79.7m。在“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”P85图3-25上可查得n1r=75.54r/min，Q1r=1010L/s时气蚀系数约为σ=0.10，由P52图2-26可知，Hr=30.4m对应的气蚀系数修正值约为△σ=0.038。由此可求出水轮机的吸出高度为：H（6）比转速的计算由上述计算可知，当Hr=30.4m时，对应的单位转速n1r=75.54r/min，单位流量Q1r=1.01m³/s，则比转速为：n1.3方案初选1.3.1各方案相关数据汇总表1-1各方案相关数据汇总表方案水轮机型号台数（台）单机容量(KW)D1(m)η(%)n(r/min)Q1r(m³/s)Qr(m³/s)Hs(m)一HL24021450009.093.060.01.23549.3-0.36二HL2404725006.592.765.21.19277.23.280三HL2405580006.092.568.21.11220.33.89四HL2408362505.086.783.31.01139.25.721.3.2各方案比较通过水轮机选型方案相关参数的计算，发现方案一的气蚀系数为0.3，过大，不利于机组运行，而且计算得到的效率也与实际情况不符，因此直接舍去方案一。方案一舍去之后，从以下几个方面进一步分析比较其余三个方案。1）制造成本方面从表1-3各方案相关数据汇总表中可以看出，在初拟的四个方案中，方案二、方案三、方案四的转轮尺寸相近，制造成本相近。因此方案二、方案三、方案四从制造方面考虑优选程度相当。2）水电站运行效率方面从表1-3各方案相关数据汇总表中可以看出，在初拟的四个方案中，方案二和方案三的效率相近，且方案二和方案三的效率远大于方案四的效率。因此方案二和方案三从运行效率方面考虑优于方案四。3）基础建设投资方面从表1-3各方案相关数据汇总表中可以看出，在初拟的四个方案中，方案四的吸出高度较低，所以水轮机安装高度较低，基础建设投资相对较大。因此方案二和方案三从基础建设投资方面考虑优于方案四。1.3.3各方案初选结果综上所述，在初拟的四个方案中，方案一和方案四不符合条件优先淘汰，保留方案二和方案三进行精选。1.4方案精选分析1.4.1运转特性曲线的计算及绘制（1）方案二运转特性曲线的计算及绘制1）方案二等效率曲线的计算及绘制选取Hmax，Hr，Hav，Hmin四个水头，利用“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”中的公式n1在HL240型水轮机综合特性曲线图中，以各种不同情况下的单位转速作平行于横轴的线，并查找其与各等效率曲线交点横坐标的值来确定单位流量，并利用公式P=9.81D根据查图和计算所得方案二的运转特性计算表如下所示：①当Hmax=44m时，n=65.2r/min，D1=6.5m，△η=2.3%，n1max=63.89r/minηMηQ1M(m³/s)P(MW)0.860.8830.86292.080.870.8930.87494.410.880.9030.91199.510.890.9130.941103.930.900.9230.968108.080.910.9331.040117.380.900.9231.110123.940.890.9131.160128.120.880.9031.222133.490.870.8931.250135.030.860.8831.268135.440.850.8731.310138.340.8250.8481.370140.540.800.8231.423141.67②当Hav=32m时，n=65.2r/min，D1=6.5m，△η=2.3%，n1av=74.92r/minηMηQ1M(m³/s)P(MW)0.870.8930.85056.950.880.9030.88860.160.890.9130.94064.390.900.9230.96867.030.910.9331.02571.750.910.9331.21284.840.900.9231.24886.420.890.9131.27087.000.880.9031.30288.210.870.8931.32688.840.860.8831.35589.770.850.8731.37590.060.8250.8481.41890.220.800.8231.449③当Hr=30.4m时，n=65.2r/min，D1=6.5m，△η=2.3%，n1r=76.86r/minηMηQ1M(m³/s)P(MW)0.860.8830.82550.610.870.8930.87654.350.880.9030.92057.710.890.9130.96861.400.900.9231.00264.250.910.9331.06869.220.910.9331.22079.080.900.9231.25080.150.890.9131.27680.930.880.9031.31082.180.870.8931.33883.010.860.8831.36083.430.850.8731.37583.390.8250.8481.41883.540.800.8231.45082.90④当Hmin=30m时，n=65.2r/min，D1=6.5m，△η=2.3%，n1r=77.37r/minηMηQ1M(m³/s)P(MW)0.860.8830.83850.390.870.8930.88053.520.880.9030.93057.190.890.9130.97060.310.900.9231.00563.180.910.9331.07067.990.910.9331.21877.390.900.9231.25078.580.890.9131.27779.400.880.9031.31480.810.870.8931.33581.190.860.8831.36081.790.850.8731.37581.750.8250.8481.42082.010.800.8231.45081.27根据计算得到的出力P和效率η可做P-η函数曲线如下图所示：图1-5方案二P-η关系曲线结合不同水头情况下水轮机的最高效率点以及出力情况，可以得到：表1-2方案二拐点计算表H(m)443230.430η0.9330.9330.9330.933P(MW)117.3884.8479.0877.39由上述拐点计算表可得下图所示最高效率ηto与水头H的关系曲线及出力P和水头H的关系曲线：图1-6ηto-H关系曲线 图1-7P-H关系曲线在P-η关系曲线图中，分别做η=93.0%、92.5%、92.0%、91.5%、91.0%、90.5%、90.0%、89.5%的水平线，得到不同效率下Hmax，Hr对应的出力P。在ηto-H关系曲线中可查得各效率下拐点的水头HA，结合P-H关系曲线可以得到各水头HA对应的出力PA，相关数据如下表所示：表1-3方案二等效率曲线计算表93.0%92.5%92.0%91.5%H(m)P(MW)H(m)P(MW)H(m)P(MW)H(m)P(MW)44120.144109.344106.844104.930.466.830.465.030.463.130.462.130.480.030.480.030.480.330.480.844113.244122.744125.344127.191.0%90.5%90.0%89.5%H(m)P(MW)H(m)P(MW)H(m)P(MW)H(m)P(MW)44102.544100.14497.64495.130.460.330.457.030.456.830.455.030.481.830.482.330.487.530.482.744129.644132.644134.144135.0图1-8方案二等效率曲线2)方案二出力限制线的计算及绘制水轮机的出力限制线分为Hmin=30m到Hr=30.4m以及Hr=30.4m到Hmax=44m两部分，现在对这两部分的水头情况进行分析。第一部分为Hmin=30m到Hr=30.4m之间的水头。其出力限制线为一条直线，起终点分别为Hmin和Hr这两种水头情况下的出力，确定两点后连线即可确定该部分的出力限制线。第二部分为Hr=30.4m到Hmax=44m之间的水头。由于发电机额定容量的限制，水轮机的出力有一个最大值，故最终表现为运转综合特性曲线图上的一条竖直线。由计算可知，在方案二中，当Hr=30.4m时，单位流量Q1r=1.19m³/s，n1r=76.86r/min；Hmin=30m时，单位流量Q1min=1.21m³/s，n1min=77.37r/min。查“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”图3-12可得，Hr=30.4m对应的效率ηr=91.4%，Hmin=30m对应的效率ηmin=91.1%。则设计水头Hr对应的出力限制点的出力为=75561KW=75.561MW#最小水头Hmin对应的出力限制点的出力为=75073KW=75.073MW#绘得出力限制线如下图所示：图1-9方案二出力限制线（2）方案三运转特性曲线的计算及绘制1）方案三等效率曲线的计算及绘制选取Hmax，Hr，Hav，Hmin四个水头，利用“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”中的公式n1在HL240型水轮机综合特性曲线图中，以各种不同情况下的单位转速作平行于横轴的线，并查找其与各等效率曲线交点横坐标的值来确定单位流量，并利用公式P=9.81D根据查图和计算所得方案三的运转特性计算表如下所示：①当Hmax=44m时，n=68.2r/min，D1=6.0m，△η=2.2%，n1max=61.69r/minηMηQ1M(m³/s)P(MW)0.850.8720.85877.120.860.8820.88580.460.870.8920.90883.480.880.9020.93887.210.890.9120.97191.280.890.9121.123105.570.880.9021.182109.890.870.8921.225112.630.860.8821.256114.180.850.8721.290115.950.8250.8471.360118.730.800.8221.410119.47②当Hav=32m时，n=68.2r/min，D1=6.0m，△η=2.2%，n1av=72.33r/minηMηQ1M(m³/s)P(MW)0.870.8920.83047.330.880.9020.87250.280.890.9120.91853.520.900.9220.95056.000.910.9320.98158.450.910.9321.20071.500.900.9221.22872.380.890.9121.25873.350.880.9021.28874.270.870.8921.32075.270.860.8821.35076.120.850.8721.36275.930.8250.8471.41076.350.800.8221.44876.09③当Hr=30.4m时，n=68.2r/min，D1=6.0m，△η=2.2%，n1r=74.22r/minηMηQ1M(m³/s)P(MW)0.870.8920.84244.460.880.9020.88046.990.890.9120.93050.210.900.9220.96852.830.910.9321.01455.940.910.9321.21166.810.900.9221.24067.680.890.9121.26568.290.880.9021.29969.360.870.8921.32469.910.860.8821.35970.950.850.8721.37070.720.8250.8471.41671.000.800.8221.44970.51④当Hmin=30m时，n=68.2r/min，D1=6.0m，△η=2.2%，n1r=74.71r/minηMηQ1M(m³/s)P(MW)0.870.8920.84943.950.880.9020.88246.170.890.9120.93449.430.900.9220.97051.900.910.9321.02055.170.910.9321.21865.870.900.9221.24266.450.890.9121.27067.210.880.9021.30068.050.870.8921.32568.590.860.8821.35969.560.850.8721.37269.430.8250.8471.41869.700.800.8221.45069.17根据计算得到的出力P和效率η可做P-η函数曲线如下图所示：图1-10方案三P-η关系曲线结合不同水头情况下水轮机的最高效率点以及出力情况，可以得到：表1-4方案二拐点计算表H(m)443230.430η0.9120.9320.9320.932P(MW)105.5771.5066.8165.87由上述拐点计算表可得下图所示最高效率ηto与水头H的关系曲线及出力P和水头H的关系曲线：图1-11ηto-H关系曲线 图1-12P-H关系曲线在P-η关系曲线图中，分别做η=93.0%、92.5%、92.0%、91.5%、91.0%、90.5%、90.0%、89.5%的水平线，可得不同效率下Hmax，Hr对应的出力P。在ηto-H关系曲线图中可查得各效率下拐点的水头HA，结合P-H关系曲线可以得到各HA对应的出力PA，相关数据如下表所示：表1-5方案三等效率曲线计算表93.0%92.5%92.0%91.5%H(m)P(MW)H(m)P(MW)H(m)P(MW)H(m)P(MW)4444444430.454.930.453.830.452.230.451.133.172.836.181.039.193.042.310030.467.430.467.530.467.730.467.94444444491.0%90.5%90.0%89.5%H(m)P(MW)H(m)P(MW)H(m)P(MW)H(m)P(MW)4489.84487.84486.74484.930.449.930.447.730.446.830.445.130.468.130.468.930.469.730.469.844107.544109.044110.844112.0图1-13方案三等效率曲线2）方案三出力限制线的计算及绘制水轮机的出力限制线分为Hmin=30m到Hr=30.4m以及Hr=30.4m到Hmax=44m两部分，现在对这两部分的水头情况进行分析。第一部分为Hmin=30m到Hr=30.4m之间的水头。其出力限制线为一条直线，起终点分别为Hmin和Hr这两种水头情况下的出力，确定两点后连线即可确定该部分的出力限制线。第二部分为Hr=30.4m到Hmax=44m之间的水头。由于发电机额定容量的限制，水轮机的出力有一个最大值，故最终表现为运转综合特性曲线图上的一条竖直线。由计算可知，在方案三中，当Hr=30.4m时，单位流量Q1r=1.11m³/s，n1r=74.22r/min；Hmin=30m时，单位流量Q1min=1.14m³/s，n1min=74.71r/min。查“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”图3-12可得，Hr=30.4m对应的效率ηr=91.4%，Hmin=30m对应的效率ηmin=91.1%。则设计水头Hr对应的出力限制点的出力为=60055KW=60.055MW#最小水头Hmin对应的出力限制点的出力为=60267KW=60.267MW#绘得出力限制线如下图所示：图1-14方案三出力限制线1.4.2水轮机平均效率计算水轮机的平均效率是通过水轮机综合特性曲线上工作范围内效率值按面积加权得到的，由下列公式计算：η式中：η（在综合特性曲线上，不足半格的面积按0取值，大于半格按1取值。）（1）方案二的水轮机平均效率η=（2）方案三的水轮机平均效率η=(1.4.3机电设备投资估算由“水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册（水力机械）.北京:水利电力出版社,1983”P139图2-55和P140图2-56可知：方案二水轮机总重量约为1125吨，转轮重量约为160吨；方案三水轮机总重量约为900吨，转轮重量约为135吨。查资料知水轮机单价为4万/吨，转轮单价为10万/吨，所以方案二和方案三的投资估算为：（1）方案二的机电设备投资4×160吨×4万/吨+4×（2）方案三的机电设备投资5×135吨×4万/吨+5×1.4.4飞逸转速由“水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册（水力机械）.北京:水利电力出版社,1983”P37公式1-15及P39表1-8可知，方案中水轮机最大单位飞逸转速为n’1fmax=155r/min，所以方案二和方案三的飞逸转速分别为：（1）方案二的飞逸转速n（2）方案三的飞逸转速n1.4.5轴向水平推力由“水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册（水力机械）.北京:水利电力出版社,1983”P43表1-10可知，轴向水推力系数KZ的取值范围为0.34-0.41，现取KZ=0.40对方案二和方案三进行粗略计算：（1）方案二的轴向水平推力P（2）方案三的轴向水平推力P1.4.6方案比选通过上述计算可得以下精选结果汇总表：表1-6精选结果汇总表项目方案平均效率(%)水轮机总重量（吨）转轮重量（吨）机电设备投资（万元）飞逸转速(r/min)轴向水平推力(t)方案二88.04112516041160158.18583.73方案三88.0690013540950171.36497.38通过观察精选结果汇总表中的各项数据，进一步分析比较方案二和方案三，考虑方案合理性。1）平均效率方面方案三的平均效率略高于方案二，对资源的利用率更高，所以从平均效率方面考虑优先选择方案三。2）机电设备投资方面方案三的机电设备投资略低于方案二，相对来说节省经费，所以从机电设备投资方面考虑优先选择方案三。3）飞逸转速方面方案三的飞逸转速略大于方案二，运行时相对安全，所以从飞逸转速方面考虑优先选择方案三。4）工作范围方面方案二比方案三有更多的部分处于限制线内，所以从工作范围方面考虑优先选择方案二。1.4.7最终方案的确定通过上述的对比分析，可知方案三更好一些，所以最终选择方案三。1.5最佳方案水轮机导叶相关参数的计算1.5.1水轮机导叶相关参数查“刘大恺.水轮机（第三版）.北京:中国水利水电出版社.1997”表5-3可知，导叶数目Z0=24时符合方案三的转轮直径。本方案中选择非对称型叶，通过查询“哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册.北京：机械工业出版社，1976”P141表8-7可知，当转轮直径D1=6.0m时，导叶轴线所在圆周直径D0=7000mm，导叶轴线至尾部长度L1=519mm。1.5.2导叶的最大径向开度a0maxa1.5.3导叶的高度通过前面的计算，我们可以知道方案三的比转速为ns=235.52m.kW导叶相对高度与转速的关系为：b所以计算导叶的高度为：b1.6蜗壳水力1.6.1蜗壳水力计算的相关参数蜗壳分为混凝土蜗壳和金属蜗壳，H＜40米时用混凝土蜗壳，H＞40米时用金属蜗壳。由于该设计中工作水头为30m-44m，所以适合用金属蜗壳，且蜗壳包角选为345°。蜗壳断面形状由圆形到椭圆，通过查“哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册.北京：机械工业出版社，1976”P105图6-5可知，当设计水头Hr=30.4m时，金属蜗壳流速系数K=1.0。查表6-15金属蜗壳座环尺寸系列可知，当转轮直径为D1=6.0m时，Db=8000mm，Dα=9350mm，K=175mm，R=500mm。已知方案三中D1=6.0m，n=68.2r/min，Qr=220.3m3/s，ns=235.52m⋅kW，结合“哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册.北京：机械工业出版社，1976”中相关公式及说明进行如下计算：1.6.2蜗壳进口断面计算进口断面流量：Q进口断面流速：V进口断面面积：F进口断面半径：ρ蜗壳高度：h==1017.43mm=1.017m#座环蝶形边半径：R进口断面中心距：a进口断面外径R依据进口断面尺寸，蜗壳系数C和蜗壳常数K为：C=圆断面参数可由下列公式计算：&X=由蜗壳系数C与分节包角φi，可得下列各原型断面尺寸的计算表。表1-9蜗壳圆形断面计算表1.6.3椭圆形断面计算当断面半径ρ＜s时，蜗壳断面形状就改为椭圆形，其计算方法是将圆形断面和椭圆形断面按面积相等关系换算。已知圆形断面半径为：

s=h/计算椭圆形断面时要先判断ρ与s的关系，可以得到初始计算角度，由上表可知，当包角φ=105°时，ρ＜s，所以初始计算角度为φ=105°。固定导叶外切圆半径：R蝶形边锥角顶点所在半径：r椭圆断面短径：ρ式中A——与圆当量面积A=πρ=d=φ椭圆面长径：ρ式中：L=椭圆断面中心距：a=椭圆断面外径：R=a+由蜗壳系数C与分节包角φi，可得下列各原型椭圆断面尺寸的计算表：表1-10蜗壳椭圆断面计算表1.7尾水管相关计算查找相关资料可知，HL240型水轮机D2/D1的关系式为：D所以有：D通过查询“刘启钊，胡明.水电站（第四版）.北京：中国水利水电出版社，2010”表2-1可知，当混流式水轮机D2＞D1时，各尺寸关系如下表所示：表1-11尾水管尺寸表通过上表计算可得：h=2.6L=4.5BDhhLhhhh查“刘大恺.水轮机（第三版）.北京:中国水利水电出版社.1997”可知，D3M=0.503m，利用相似定理可得：D单边扩散角为：θ=顶板仰角为：α=二、发电机部分2.1水轮发电机的选择由前面的计算可知，方案三的相关参数为：Pn=58000KW，ne=68.2r/min，nf=171.36r/min，P=44。又额定功率因数的取值范围为0.85-0.91，可取功率因数cosφn=0.90，现根据“水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册（水力机械）.北京:水利电力出版社,1983”P159-P164中相关公式及说明进行以下计算。2.1.1额定视在功率SnS2.1.2极距τ系数Kf一般为8-10，取Kf=10。发电机额定容量Sf=Sn=64444kVAτ=2.1.3飞逸线速度Vf当频率f=50周/秒时，有V=52.02m/s。V飞逸线速度Vf＜155m³/s，在低合金高强度钢的范围内。2.1.4定子内径DiD2.1.5定子铁芯长度lt查“水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册（水力机械）.北京:水利电力出版社,1983”P160表3-5可知，当冷却方式为空冷，且额定容量在10000-100000kVA时，C=4×10-6-6.5×10-6，现取C=5×10-6。l2.1.6发电机选型本电站采用立式布置和卧式布置中的立式布置，又因为方案中转速为68.2r/min，小于150r/min，因此选用立式布置中的伞式布置。D通过上式计算可进一步确定本电站中发电机选用全伞式发电机组。2.2发电机外形尺寸的相关计算水电站的发电机外形尺寸有平面尺寸以及轴向尺寸，参考“水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册（水力机械）.北京:水利电力出版社,1983”P160中的相关公式及说明可进行以下计算。2.2.1平面尺寸估算（1）定子铁芯外径Dn∴（2）定子机座外径Dn∴D（3）风罩外径DS∴（4）转子外径DD式中：δ为单边空气间隙，可忽略不计（5）下机架最大跨度D查“水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册（水力机械）.北京:水利电力出版社,1983”P162表3-6水轮机坑直径可知，当转轮直径D1=6.0m时，水轮机坑直径D5=8.4m。100000kVA≥∴（6）推力轴承外径D6、励磁机外径查“水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册（水力机械）.北京:水利电力出版社,1983”P162表3-7可知，当发电机容量在20000-60000kVA范围内时，有D6=2600-3600mm，D7=1600-2600m，现取D6=3000mm，D7=2000mm。2.2.2轴向尺寸估算（1）定子机座高度hn∴（2）上机架高度h本电站中选用伞式非承载机架。h（3）推力轴承高度h3、励磁机高度h4、副励磁高度h查“水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册（水力机械）.北京:水利电力出版社,1983”P163表3-8可知，当Sf≥20000kVA时，取h3=2000mm，h4=2000mm，h5=1000mm，h6=800mm。（4）下机架高度h本电站中选用伞式承载机架。h（5）定子支座至下机架的距离h本电站中选用伞式承载机架。h（6）下机架至主轴底面之间的距离h参考统计资料，h9的范围为700-1500mm，取h9=1000mm。（7）转子磁轭轴向高度hh现取h10=1450.00mm。（8）发电机主轴高度h11h在本设计中取h11=10000mm（9）定子铁芯水平线至主轴面距离hh2.3水轮发电机重量估算2.3.1发电机总重量Gf查阅发电机设计相关资料可知伞式发电机的K1=7-9，这里取K1=8。G2.3.2发电机转子重量0.52.3.3发电机飞轮力矩GD2查“水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册（水力机械）.北京:水利电力出版社,1983”P164表3-10可知，当额定转速ne＜100rpm=100rmin时，K2=4.5。G2.4水轮发电机冷却方式的选择水轮发电机冷却方式分为单水内冷、全水内冷、密封空冷和空调冷却这四种。在这四种方式中，密封空冷虽然冷却效果稍差，但是胜在结构简单以及维护方便；单水内冷效果不明显且具有多种缺陷；全水内冷有较好冷却效果，但该方法运行效果较差且配套设备复杂等缺陷。因此，选择密封空冷作为本设计中方案三的冷却方式。2.5水轮发电机励磁方式的选择在本工程中该水轮发电机无特殊要求，考虑到经济情况和施工难度等多方面因素，故选用直流电机励磁系统自并励方式。2.6水轮发电机额定电压通过查阅“水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册（水力机械）.北京:水利电力出版社,1983”P166表3-11可知，水轮发电机额定电压U=13.8kV。三、厂房部分3.1主厂房长度的计算3.1.1主厂房机组段长度的基本计算公式为：L式中：L+x为机组段在+x方向的最大长度；L-x为机组段在-x方向的最大长度。3.1.2蜗壳层计算及说明R1为蜗壳层在+x方向最大长度，R2为蜗壳层在-x方向最大长度，即R2为包角φ=345°-180°=165°时的长度，通过前面计算的结果可以得到，R1=11.680m，R2=9.054m。δ1为蜗壳外部混凝土厚度，取δ1=1.5m，则LL将结果代入主厂房机组段长度计算基本公式可得：L3.1.3尾水管层计算及说明通过上述计算，可知尾水管宽度B5=16.32m。代入公式可得：L式中：δ2为尾水管外部混凝土厚度，取δ2=1.5m，所以尾水管层机组段长度为：L3.1.4发电机层计算及说明D2为发电机风罩外径，由前面发电机外形尺寸的相关计算可知D2=19.73m；取风罩距离b=2m，风罩壁厚δ3=0.4m。代入上述数值进行计算：L发电机层机组段长度为：L3.1.5机组段长度的确定比较以上计算结果，可以看出L+x在蜗壳层取最大值L+xmax=13.180m，L-x在发电机层取最大值L-xmax=11.265m，所以每段机组长为：L3.1.6末端机组段长度的确定在本设计中，机组末端预留2.5m的距离作为安全余量。3.1.7安装场长度的确定安装场长度系数一般为1.2-1.8，本设计中选取1.5进行计算，得到的安装场长度为：L3.1.8主厂房长度的确定L=53.2厂房宽度的计算厂房的宽度B可分为上游侧宽度Bs和下游侧宽度Bx。由前面发电机外形尺寸的计算可知发电机风罩外径D2=19.73m；由前面发电机层的计算可知发电机风罩壁厚δ3=0.4m。A为风罩外壁至上（下）游墙壁内侧净距，取A上游=4.5m，A下游=3.0m。上游侧宽度Bs：B下游侧宽度Bx：B所以厂房宽度初步设计为：B3.3厂房高程的计算