中比转速水轮机选型设计

水轮机课程设计PAGE1-课程设计说明书设计题目：中比转速水轮机选型设计学生姓名：学号：班级：完成日期：指导教师：

一、课程设计的目的和任务1、目的：通过水轮机的课程设计，将各种水轮机的性能参数整理并绘制成不同形式的曲线，它是与水轮机课程教学相辅助的一个理论学习的环节，也是课程教学中一个必不可少的环节。通过水轮机课本章节的相关理论知识的学习后，再通过课程设计的环节以达到巩固和加强理论知识的目的，进一步培养学生独立思考、严谨工作的能力；此外，通过课程设计更进一步掌握造型、设计、参数等程序内容，提高了学生查阅资料和动手实践的能力。2、课程设计的任务：通过所给的原始资料，根据要求明确水轮机的基本工作参数（包括水头H、流量Q、转速n、效率、出力P、吸出高度HS、转轮直径D、水轮机型号、机组台数、装置方式等），整理并绘制成不同形式的曲线，即获得水轮机的特性曲线图。电站基本参数电站总装机容量：580.00MW（2）电站装机台数：4台（3）电机容量：145.00MW（4）海拔高程：▽580.00m（5）水轮机工作水头：最大工作水头(Hmax)：84.50m最小工作水头(Hmin)：68.00m设计工作水头(Hr)：73.00m平均工作水头(Ha)：71.20m(6)年均温度21℃（7）电站水质良好三、水轮机的简介水轮机是一种将河流中蕴藏的水能转换成旋转机械能的原动机，当水流流过水轮机时，通过主轴带动发电机，将旋转机械能转换成电能。与发电机连接成的整体称为水轮发电机组，它是水电站的主要设备部分。水电站是借助水工建筑物和机电设备将水能转换成为电能的企业，在未来，水能资源的开发和利用将成为资源开发利用的主导能源，所以，水轮机的设计开发对我国水能资源的开发起到很大的推进作用。水轮机大致分为两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机；反击式水轮机：转轮利用水流的压力能和动能做工的水轮机称为反击式水轮机。其特征是：压力水流充满水轮机的整个流道，水流流经转轮叶片时，受叶片的作用面改变压力、流速的大小和方向，同时水流在转轮叶片正反面产生压力差，对转轮产生反作用力，形成旋转力矩使转轮旋转。主要包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种类型水轮机。冲击式水轮机：转轮只利用水流动能作功的水轮机称为冲击式水轮机。其特征是：有压水流先经过喷嘴形成高速自由射流，将压能转换成动能，并冲击转轮旋转。水流只冲击部分转轮，水流是不充满水轮机的整个流道的，转轮只是部分进水，转轮在大气压的作用下工作。所以叶片一般做成斗叶状。主要包括水斗式（切击式）、斜击式和双击式。水轮机主要类型归纳如下：四、水轮机的设计步骤1)机组参数的选择根据资料数据要求，此水电站的总的装机容量为580MW，根据目前水电站的发展状况及未来趋势综合起来，周全考虑并选择机组的台数为4台，其每台的装机容量为145MW,这样有利于更好地提高水轮机的效率，并且有利于水资源开发的经济经济性。2）水轮机型号的选择根据设计要求的原始材料及水电站的特征水头：Hmax=84.50m;Ha=71.20m;Hr=73.00m;Hmin=68.00m,得到有效水头为68.00～84.50m，根据水轮机机型谱，HL220（50～85m工作水头）是合适的机型。根据水头和功率，确定采用立式、金属蜗壳。所以采用的机型为HL220—LJ。3）水轮机主要参数的选择设计水电站的机组台数为4台，型号为HL220，可以进一步确定水轮机的转轮直径D1，转速n应该满足在设计水头HR下水轮机发出的额定出力，并在加权平均水头Hav运行时效率最高，所选择的吸出高度Hr能够保证水轮机不发生空蚀，又能减少水电站建设的开挖深度，节省人力、财力和物力。1、转轮直径D1的选择：(m)Pr为水轮机的额定功率，单位为KW；Q11为单位流量，取最优单位转速与5%出力限制线的交点所对应的单位流量；为水轮机效率；为电站设计水头。<1>水轮机额定功率的计算：Pr为发电机的额定效率;g为发电机的效率（预设范围0.96—0.98，此设0.98）;Pg为单台发电机的出力;则：P=145MW/0.98=147.96MW<2>水轮机的效率：（取0.02--0.03，推荐最大单位流量或者5%处理限制线）由综合特性曲线查得模型转轮HL220—LJ—500限制工况的单位参数为：,,,,故水轮机效率为=0.894+0.03=0.924。<3>流量：（根据水轮机型谱选择机型HL220型水轮机）<4>额定水头暂取为设计水头Hr<5>转轮直径根据水轮机转轮直径系列表查得，水轮机的转轮标准直径为5OCM。（见附表1）附1.水轮机转轮标准直径系列：（单位：CM）1001201401601802002252502753003303804104505005506006507002、水轮机额定转速的确定(r/min)=75*=126.57r/min根据水轮机转轮标准转速系列表得该水轮机转速取125r/min(见附表2)(其中：Ha为平均水头;为最优转速)附2.水轮机转轮标准转速系列（单位：r/min）187.5166.7150136.412510710093.883.37568.257.753503．效率修正根据模型最优工况下的效率计算出真机的最高效率max，真机与模型因直径及水头不同的效率修正值1为1＝max－m,max若真机与模型的某些通流部件，（如引水室、尾水管等）不相似，则还需要考虑异形部件对效率的修正值2和因加工质量引起的效率修正值3。因此，真机的效率为＝m＋1＋2＋3效率下降取负值，效率增加取正值。模型的最优工况效率，按Moody公式换算。即效率修正值为：则设计工况原型水轮机的效率为：4、单位转速与单位流量的修正按上述计算出真机的效率后，即可按下列公式计算出单位转速和单位流量的修正值和，计算时、和均取最优工况点之值，其它工况点均用此修正值进行等值修正。计算求得单位转速的修正值=0.7464r/min;单位流量的修正值=0.0102m3/s。由于，，故单元参数可不予以修正。真机的单位转速和单位流量为：5、检查所选择的D和n的正确性按最大水头Ｈmax求出相应的最小单位转速，按最小水头Hmin求出相应的最大单位转速，在水轮机的综合特性曲线上分别作出对应于上述、为常数的两条直线。若这两条直线之间包含了综合特性曲线的最优区，则可认为所选择的D和n是比较正确合理的。否则，就应考虑适当修改所选择的直径D和转速n值。<1>设计工况的单位流量：<2>最大、最小水头对应的单位转速：<3>平均水头对应的单位转速：由上述参数可知，水轮机实际运行范围处于高效区范围内，平均水头的单位转速接近优化转速，故所选参数合理。6.水轮机的吸出高度各个不同的水头下，应用公式最大水头下的吸出高度（Hmax=84.5m）查阅HL220的综合特征曲线，最大水头与出力限制线的交点=91.65%Q11‘=P/9.81D2=1.003m3/s把Q11‘=1.003m3/s代入HL220的综合曲线得=0.12 ，则吸出高度Hs=10-580/900-(0.12+0.02)*84.5=-2.47(m)由综合特性曲线可知，由于空化实验的数据不够多，空化系数值难以准确确定，为安全起见，实际吸出高度再减去0.5m,取为。7.水轮机飞逸转速的计算：由模型HL220-LJ水轮机的飞逸转速曲线得，最大单位飞逸转速，故水轮机的飞逸转速为:8.水轮机轴向水推力的确定：根据模型转轮技术资料提供的数据，转轮轴向水推力系数K=0.36，则水轮机轴向推力为：9.水轮机的质量估算:K为与水头有关的系数，a为与直径D有关的指数，b为与水头有关的指数，查表得K=8.1,a=2.12,b=0.16。则10.机组安装高度的确定混流式水轮机的安装高程：由混流式水轮机系列型谱知HL220导叶的相对高度为0.25又知D1=5mb0=0.25*5=1.25则水轮机的安装高程为H=580+(-3.00)+1.25/2=577.625(m)11、检验水轮机实际工作的发电机极对数发电机同步转速的计算公式为n为发电机同步转速，r/min；p为发电机磁极对数。磁极对数p3000/125=24，则磁极对数p取24根据上面的计算，所选择的水轮机的主要参数为：水轮机型号：HL220—LJ—500转轮直径：D=5.0m机组转速：n=125r/min飞逸转速：允许吸出高度：Hs=-3.00m导叶相对高度b0/D10.25轴向水推力：水轮机质量：水轮机安装高程：H=577.625m五、水轮机运转特性曲线的绘制水轮机在水电站运行中，转速n是固定的额定转速，功率P和水头变化时，流量、效率系数、空化系数QUOTEσ随之变化，在转速不变的情况下，水轮机的各主要参数之间的关系可概括的表达在水轮机的运转特性曲线上。工作特性曲线η=f（P）QUOTEη=f（P在一定的水头H下，效率η和功率P之间的关系η=f（P）曲线，称为工作特性曲线。在给定的真机工作水头范围内（包括、、在内）选取若干个（一般为5~6个）水头值，对每一个水头可由式得到该水头下的P＝f（）曲线。真机的每一个水头对应着一个单位转速，其对应的模型单位转速为。在模型的综合特性曲线上对应于该单位转速的水平线上查出一系列及的值，经过修正得到真机效率和单位流量。修正的方法如前所述。由于计算的数据很多，可以列表进行。HL水轮机工作特性曲线计算表（1）转轮型号：HL220—LJ--500；D1=5.0m；n=125r/min；Δη=0.0176；Hmin=68.00m；Hmax=84.5m；Hd=73.00m；Δn11=0.7464r/min；QUOTEP=9.81ηpQ11DHi/mH1H2H3-68.007073n75.7974.7073.15n75.0573.9572.40工作特性曲线计算ηmηpQ11/m3/sP/kwQ11/m3/sP/kwQ11/m3/sP/kw0.8200.83760.892562180.776580580.699630980.8400.85760.970626470.847648830.772713510.8500.86761.022667330.891690500.816762980.8600.87761.046691080.939736080.853806760.8700.88761.096732480.976773800.871833170.8800.89761.123758751.023820210.924893830.8900.90761.158791311.068865820.976954650.9000.91761.215839321.093895860.994982970.9100.9276--1.136941251.0431042670.9200.93761.0721083210.9200.93761.1531165060.9100.9276--1.2111003391.2081207610.9000.91761.220842631.2481022901.2371223270.8900.90761.259860091.2731032021.2741246130.8800.89761.286868861.2911035081.2941251750.8700.88761.312876551.3201046541.3231265550.8600.87761.330878571.3361047291.3341261690.8500.86761.342876391.3641057061.3471259470.8400.85761.372885661.3861061731.3641220670.8200.83761.427899681.4141057911.397126105HL水轮机工作特性曲线计算表（2）转轮型号：HL220—LJ--500；D1=5.0m；n=125r/min；Δη=0.0176；Hmin=45.5m；Hmax=81.5m；Hd=63.5m；Δn11=0.7464r/min；QUOTEP=9.81ηpQ11DHi/mH4H5H6-75.008084.5n72.1769.8867.99n71,4269.1367.24工作特性曲线计算ηmηpQ11/m3/sP/kwQ11/m3/sP/kwQ11/m3/sP/kw0.8200.83760.675701630.664850740.6661006600.8400.85760.729775860.728955010.7231118840.8500.86760.762820430.748992690.7641196070.8600.87760.802873460.7721036350.7761228860.8700.88760.852938480.8081097040.8101297320.8800.89760.877976900.8451160200.8471371870.8900.90760.9251041850.8831225880.9001473950.9000.91760.9531085220.9331309570.9331544830.9100.92760.9911140790.9711377761.0251715660.9200.93761.0241191481.011144998--0.9200.93761.1281312491.041149301--0.9100.92761.1661342241.1271599111.0281720680.9000.91761.2181386981.1701642221.1101837900.8900.90761.2511409031.2161688191.1771927600.8800.89761.2821428041.2531720391.2061953330.8700.88761.3051437471.2831741961.2361979620.8600.87761.3361455031.3121761261.2722014320.8500.86761.3551458911.3391777021.3182063390.8400.85761.3771465511.3581781471.3252050440.8200.83761.4231479151.3901780921.390210086图1等效率线的绘制将前述各水头H下的工作特性曲线中的效率相等的点（H,P）绘在H-P坐标系中，并以光滑曲线相连即得等效率曲线，各线的效率值间隔一般为1%。这样就得到水轮机运转特性曲线中的等效率曲线族，如图2。每一条等效曲线的上、下方的转向点表示能得到该效率值的最高和最低水头，等效率曲线在该点与相应的水头线相切，为了求得该点，可作辅助如图3所示。该曲线表示各水头下能得到的最高效率值，按指定的效率从曲线查得相应的两个水头值，并在H-P坐标系中作出相应的水平线，则所指定效率值的曲线的上、下方应与分别该两水平线相切，这样即可近似的定出等效率曲线的转向点。图2辅助曲线功率限制线的绘制混流式水轮机的功率限制线在运转特性曲线图的最小水头Hmin至额定水头Hr范围内，根据转轮综合特性曲线的5%功率限制线上的参数换算定出，。在等效率特性曲线图上应表示为一条斜的阴影线。一般为简便起见，将Hmin及Hr所对应的P值所决定的两点连成斜直线即可。在额定水头Hr至最大水头Hmax范围内，则受发电机功率的限制，功率限制线如下图中的竖直阴影线表示，在功率限制线的左边是水轮机的允许工作。图3各水头下的Q-P辅助曲线等吸出高度线的绘制根据各水头得到对应的n11，m，从综合特性曲线上查出σ值，计算出各对应点的Hs值，即可做出各水头的Hs=f（P）曲线，然后据此曲线绘制运转特性曲线的等吸出高度线，具体计算列表进行如下表。图4各水头下曲线图5各水头下的曲线等吸出高线计算表（1）Hi/mH1H2H3-68.007073n75.7974.7073.15n75.0573.9572.400.0280.0240.022工作特性曲线计算Q11/m3/sP/MWHs/mQ11/m3/sP/MWHs/mQ11/m3/sP/MWHs/m0.180.80045.50.4470.73050.0-0.493---1.7640.170.84050.00.9020.76856.50.017---1.1860.160.88056.51.3570.80560.00.527---0.6080.150.93760.51.8120.84665.51.037---0.0300.140.99064.72.2670.89476.01.5470.80675.60.5480.13--2.7220.99780.02.0570.89087.01.1260.13--2.7221.10092.02.0571.158117.31.1260.141.08067.02.2671.20798.71.5471.225120.30.5480.151.19075.51.8121.268100.71.0371.282125.7-0.0300.161.26880.71.3571.320110.20.5271.330128.2-0.6080.171.31585.50.9021.343114.20.0171.350129.0-1.1860.181.34988.50.4471.370117.4-0.4931.368130.3-1.764等吸出高线计算表（2）Hi/mH1H2H3-75.008084.5n72.1769.8867.99n71,4269.1367.240.0200.0190.018工作特性曲线计算Q11/m3/sP/MWHs/mQ11/m3/sP/MWHs/mQ11/m3/sP/MWHs/m0.18---1.764---2.789---4.6160.17---1.186---2.154---3.8860.16---0.608---1.519---3.1560.15---0.030---0.884---2.4260.140.80675.60.548---0.249---1.6960.130.89087.01.126--0.386---0.9660.131.158117.31.1261.142130.40.386---0.9660.141.225120.30.5481.218137.3-0.249---1.6960.151.282125.7-0.0301.275142.6-0.8841.115160.0-2.4260.161.330128.2-0.6081.320146.2-1.5191.208172.3-3.1560.171.350129.0-1.1861.342148.5-2.1541.288175.0-3.8860.181.368130.3-1.7641.360150.0-2.7891.320179.4-4.616六、校核真机最优效率为模型最优效率经修正得来，则ηr,o=ηm,o+Δη=0.927+0.0176=0.9446根据水轮机运转特性曲线，当水轮机额定出力Pr=147.96MW时，运行点偏离最优效率，但仍在高效工作区范围内：额定水头：Hr=72.20m额定效率：ηr=91.16%额定流量：Qr=285.12m^3/s（Q11,r=1.062m^3/s）额定单位转速：七、蜗壳设计7.1蜗壳型式选择由于本水水轮机工作水头高度范围为68.00m-84，50m，Hmin＞40所以采用金属蜗壳。包角取350°。7.2主要参数蜗壳进口断面的计算金属蜗壳的进口断面型式一般都作成圆形，为钢板制作。(蜗壳是沿座环圆周焊接在上下碟形边上，由于过流量的减小，蜗壳断面也随之减小，为使小断面能和碟形边相接，在某一包角后均采用椭圆断面)蜗壳进口断面平均速度,根据《水轮机原理与运行》公式得蜗壳的进口流量为蜗壳包角，对于金属蜗壳一般取，式中取蜗壳的进口断面面积进口断面的半径从轴中心线到蜗壳外缘的半径：——蜗壳座环外半径，由《蜗壳座环尺寸系列》查取座环的外径、内径分别为：；；；；k=175mm；r=500mm。则座环碟形边半径导叶高度碟形边至导水机构水平中心线高度进口边断面中心距 蜗壳系数：则当时，采用圆形断面。定出各计算断面的角度，按下列公式计算各断面的尺寸：为了方便，计算可按表8的格式进行表8计算金属蜗壳圆形断面尺寸断面号2/C15.17.4220.92162.5503.27710.7403.4158.37711.79225.17.1040.92162.4863.18310.1313.3258.28311.60835.16.7860.92162.4223.0879.5293.2338.18711.42045.16.4680.92162.3552.9898.9353.1408.08911.22955.16.1500.92162.2862.8898.3483.0517.98911.04065.15.8320.92162.2162.7887.7702.9487.88810.83675.15.5140.92162.1432.6837.2002.8507.78310.63385.15.1950.92162.0672.5776.6392.7507.67710.42795.14.8770.92161.9892.4676.0682.6447.56710.211105.14.5590.92161.9072.3545.5422.5427.4549.996115.14.2410.92161.8222.2385.0072.4357.3389.773125.13.9230.92161.7322.1174.4822.3257.2179.542135.13.6050.92161.6381.9923.9662.2117.0929.303145.13.2870.92161.5371.8603.4602.0936.9609.053155.12.9690.92161.4301.7222.9651.9716.8228.793165.12.6510.92161.3151.5752.4801.8446.6758.519当时，蜗壳各断面不能在D点与座环相接，采用圆形断面就不合适了。在这种情况下，蜗壳断面采用椭圆形断面。定出各计算断面的角度，按下列公式计算各断面的尺寸：其中：为了方便，计算可以按表9的格式进行断面号A180.2950.0211.8411.6609.2981.7111.6856.4868.171190.2280.0171.6581.5227.9221.4861.6186.2417.859200.2030.0141.4741.4226.9981.3231.5696.0437.612210.1650.0091.1971.2635.5651.0701.4935.7357.228220.1270.0050.9211.0894.3710.8041.4135.4096.822230.0890.0030.6450.8933.1500.5191.3285.0626.389240.0510.0010.3680.6583.0050.2121.2354.6865.922表9计算蜗壳椭圆形断面尺寸7.3绘制蜗壳的断面、单线图附图2八、尾水管设计8.1尾水管的选择尾水管是水轮机过流通道的一部分。尾水管的形状对不同比转速水轮机的性能存在不同程度的影响，尤其对高比转速水轮机影响更为明显。鉴于本水轮机属于大中型水轮机，则选择弯曲形尾水管。弯曲形尾水管由进口锥管段，肘管段和出口扩散段三部分组成。8.2尺寸确定6.2.1尾水管高度尾水管高度指从水轮机底环平面到尾水管底板的高度，是决定尾水管性能的主要参数。增加高度将提高尾水管效率，但将增加电站建设费用，减少高度不仅会降低水轮机效率，还会影响运行的稳定性。根据设计要求是中比转速水轮机转轮的进口直径小于出口直径的混流水轮机取；对于的高水头混流式水轮机则可取。而则所以取。6.2.2进口直锥段进口直锥管是以垂直的圆锥形扩散管，QUOTE为直锥管的进口直径。可近似取转轮出口直径，即，进口锥管的单边锥角对混流式水轮机可取，则取。6.2.3肘管段肘管是一个90变断面的弯管，其进口为圆断面，出口为矩形断面。参考《水电站机电设计手册》（水力机械）表2-17，当Vc=5.6m/s6m/s,可不设金属里衬，采用推荐的尾水管设计，此时QUOTE，与QUOTE有下列关系式：表6-1推荐的尾水管尺寸表（单位：m）肘管型式适用范围2.54.52.721.351.350.6751.821.22混凝土肘管混流式（）由表得；；；；计算得；计算出肘管尺寸表表6-2肘管尺寸表zF360-517.684357.44720300.244100.041080896.833905.644173.19573.1914401372.973691.584173.19573.1918001768.323454.344173.19573.1921602103.263218.404173.19573.19252