水轮机选型设计计算书doc.docx
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水轮机选型设计计算书doc
第一章水轮机的选型设计
第一节水轮机型号选定
1.水轮机型式的选择
根据原始资料，该水电站的水头范羽为65-84.5m,査［《水电站机电设计手册一水力机械》表1-4］适合此水头范围水轮机的类型有斜流式和混流式。
又根据混流式水轮机的优点：
（1）比转速范围广，适用水头范围广：
、
（2）结构简单，价格低；
（3）装有尾水管，可减少转轮岀口水流损失：
因此，选择混流式水轮机。
2.比转速的选择
水轮机的设计水头估算为=0.95兀=0.95x73.5心69.8加
适合此水头范围的有HL260/D74和HL240/D41.
［根据本电站水头变化范圉（H二64-85m）查《水电站机电设计手册一水力机械》表1-4］
3.单机容■
台数
单机容量（万千瓦）
2
16
3
32/3
4
8
5
6.4
第二节原型水轮机主要参数的选择
根据电站建成后，在电力系统的作用和供电方式，初步拟定为2台,3台,4台,5台，四种方案进行比较。
首先进行HL260/D74水轮机的选择
—・二台
1、计算转轮直径
水轮机额左岀力：
P=—=-16X1°--=163265.3kw
〃g098
上式中：
7g发电机效率，取0.98
g——机组的单机容量（KW）
由型谱可知，与出力限制线交点的单位流虽为设计工况点单位流量，则Q“1.247m'/s,对应的模型效率八匸894%,暂取效率修正值Aq=0.03,n=0.894+0.03=0.924。
模型最髙效率为924%O
按我国规立的转轮直径系列（见《水轮机》课本），计算值处于标准值4.5m和5m之间,且接近5m,暂取D：
二5.0m。
2、计算原型水轮机的效率
△n=0n加二0・955-0.924=0.031
n=n3+An=o.894+0.031=0.925
3、同步转速的选择
此值介于125r/min和136.4r/min之间，且接近136.4r/min,所以取n=136・4x7mina
4、水轮机设计流量Qr的计算
Qr二0】,.D；^H~r=1.247X52x^69?
8=260.5m5/s
5、飞逸转速的计算
n,b.y/Hmax<84.5
nr==150.4X=276.5r/min
P5
6、计算水轮机的运行范围
最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速
二三台
1、计算转轮直径
N37OOOO/3
水轮机额定岀力：
Pr=—=一…・=108843.5kw
%0.98
计算值处于标准值3.8m和4.Im之间，且接近4.Im,暂取D：
=4.Im。
2、计算原型水轮机的效率
An=nnax-n朋二0.954-0.924=0.03
n=na+An=o.894+0.03=0.924
3、同步转速的选择
此值介于150r/min和166.7r/min之间，且接近166.7r/min»所以取
n=166・7z7min。
4、水轮机设计流量Qr的计算
Qr=（2nrDjT^~T・247X4・12xV^J=175・1〃F/s
5、飞逸转速的计算
nndHmaxJ84.5
nr==150.4X=337.2r/min
rD4」
6、计算水轮机的运行范围
设计工况的单位流量
八P108843.5$
Q\\r-———=；二-=1.22m/s
9・81H；‘D冷9.81*0.924*4.12*69.815
最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速
三.四台
1、计算转轮直径
水轮机额定岀力：
Pr=—=32（^,/4=81632Jkw
r%0.98
计算值处于标准值3.3m和3.8m之间，故取标准值D,=3.3m,D,=3.8m
当卩=3.3m时
2、计算原型水轮机的效率
an=nn«=o.951-0.924=0.027
n=n3+an=0.894+0.027=0.921
3、同步转速的选择
此值介于187.5r/min和214.3r/min之间,=187.5r/min,q=214.3r/min
当7^=187.5^111111时，
4、水轮机设计流量Qr的计算
Qr二0小D；=1.247X3.32xV69?
8=113.5w3/s
5、飞逸转速的计算
max、/84・5
nr==150.4X=419.0r/min
D】3.3
6、计算水轮机的运行范围
设计工况的单位流量
9・81H；y〃
=1.42〃?
'/s
81632.7
9.81x0.924x3.32x69.815
最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速
当n{=214.3r/min时，
最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速
当D产3.8m时
2、计算原型水轮机的效率
△n=0nax-n沪0・953-0.924=0.029
n=n3+An=o.894+0.029=0.923
3、同步转速的选择
此值介于166.7r/min和187.5r/min之间，nx=166.7r/min,=187.5r/min
当打i=166・7r/min时,
4、水轮机设计流量Qr的计算
Qr二0山Dja/^T7=1.247X3.82xV69?
8=150.4/?
z3/s
5、飞逸转速的计算
n..JHmax
nr=
0
=15°-4X竽曲
6、计算水轮机的运行范围
设计工况的单位流量
81632.7
0『両弟D"51x0.923x3.82x69.815
=1.07m/s
最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速
当nx=187.5r/min时.
最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速
4.五台
1、计算转轮直径
水轮机额定岀力：
Pr=^-=口册）八=65306Akw
%0.98
计算值处于标准值3.0m和3.3m之间，故取标准值Q二3.0m,D,=3.3m
当D=3.0m时
2、计算原型水轮机的效率
△n=nn朋二o.951-0.924=0.027
n=n3+an=o.894+0.027=0.921
3、同步转速的选择
此值介于214.3r/min和250r/min之间，n,=214.3r/min.nI=250r/min
当山=214・3r/min时,
4、水轮机设计流量Qr的计算
Qr二0打Df^777=1.247X3.02x>/69?
8=93.8/s
5、飞逸转速的计算
/IIQHmax
=150.4X
%/845
3.0
=460.8r/inin
6、计算水轮机的运行范围
设计工况的单位流量
Ql\r=
65306.1
9.81x0.924x3.02x69.8l5
=1.37〃?
'/s
最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速
当=250r/min时，
最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速
当9=3・3m时
2、计算原型水轮机的效率
An=nnax-n«=0.951-0.924=0.027
n=nn+An=o.894+0.027=0.921
3、同步转速的选择
此值介于187.5r/min和214.3r/min之间,/?
=187.5r/min,n{=214.3r/min
当®=187・5i7min时，
4、水轮机设计流量Qr的计算
Qr二Q”D,27//?
=l-247X3.32xV69?
8=113.5/n3/s
5、飞逸转速的计算
1»ylHmax<84.5
nr==150.4X=419.0r/min
P3.3
6、计算水轮机的运行范围
设汁工况的单位流虽
八pr65306.1…3/
<21lr==；/S
9.81H：
‘£>R9.81x0.923x3.32x69.815
最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速
当=214.3r/min时，
最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速
当根据水头范围选择：
HL240/D41R4,n11=77r/min,
—・二台
1、计算转轮直径
水轮机额宦出力：
Pr==-V*'=163265.3kw
〃g098
由型谱可知，与出力限制线交点的单位流虽为设计工况点单位流量，则
Qllr=l.123m7s,对应的模型效率nc=87.6%，暂取效率修正值二0.03,q
二0.876-0.03二0.906。
模型最髙效率为924%O
计算值处于标准值5.Om和5.5m之间，取Di=5.Om,Di=5.5m。
当D：
=5.0时
2、计算原型水轮机的效率
An=naax-0«=0.945-0.906二0.039q=nB+Aq=0.76+0.039=0.915
3、同步转速的选择
此值介于125r/min和136.4r/min之间，取n=125.Or/min,n二136.4r/min<>
当n=125.Or/min
4、水轮机设计流量Qr的计算
Qr=（?
llrDf07=1・123><52><、屜^：
=234・6用％
5、飞逸转速的计算
//1b.JHmax<84.5
fJr
=146.7X=269.7r/min
163265.3
95
设计工况的单位流量°”96朋»八斶x（）.9；5；5；x69•肿72"心
6、计算水轮机的运行范围
最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速
当N=136.4时
计算水轮机的运行范围
最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速
当Df5.5时
2、计算原型水轮机的效率
Aq二n心一n946-0.906=0.04n=n«+an=o.76+0.04=0.916
3、同步转速的选择
此值介于115.4r/min和120.0r/min之间，取n=115.4r/min»n=120.Or/min*当n=115・4r/min
4、水轮机设计流量Qr的计算
Qr=（?
llrDf7^7=1-123X5.52xV69?
8=283.8/?
?
3/s
5、飞逸转速的计算
fJr
n[lf.y/Hmax
-
=146.7X
=245.2r/min
设计工况的单位流量
Q\\r=
163265.3
9.81x0.916x5.52x69.815
=1.03m3/s
6、计算水轮机的运行范围
最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速
当N=125.Or/min时
讣算水轮机的运行范用
最大水头.平均水头和最小水头对应的单位转速
二三台
1、计算转轮直径
N3^0000/3
水轮机额定出力：
Pr=—=（w=108843.5kw
%0.98
计算值处于标准值4.Im和4.5m之间,暂取Df4.Im,D：
=4.5m。
当Df4・lm时
2、计算原型水轮机的效率
an=nn朋二o.943-0.906二o.037
n=n3+An=0.876+0.037=0.913
3、同步转速的选择
此值介于150r/min和166.7r/min之间，取n=150r/min>n=166.7r7min。
当n=150r/min时
4、水轮机设计流量Qr的计算
Qr=（2llrDjyjH^=\」23X4・12xV^i=157・7・〃'/s
5、飞逸转速的计算
nnJHmax、/84.5
nr==146.7X2328.9r/min
rD4」
6、计算水轮机的运行范围
设计工况的单位流量
108843.5
fy===]'斗
r"9.81//；5D,2^"9.81x0.913x4.12x69.8,J-*
最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速
当/?
!
=166.7r/min时，
最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速
当D,=4.5m时
2、计算原型水轮机的效率
An=nH加二0・944-0.906二0.038
n=na+An=o.876+0.038=0.914
3、同步转速的选择
此值介于136.4r/min和150r/min之间，取n=150r/min
4、水轮机设计流量Qr的计算
Qr=（?
IlrD；、/7?
7=1」23><4・5—屈空=190・0・〃2臥
5、飞逸转速的计算
6、计算水轮机的运行范围
108843.5
设计工况的单位流量
lr~9.81/7；5^27-9.81x0.914x4.52x69.815~1°3，H人
最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速
三.四台
1、计算转轮直径
水轮机额定岀力：
Pr=—=32000074=81632.IkwrjG0.98
计算值处于标准值3.3m和3.8m之间，故取标准值0二3.8m
2、计算原型水轮机的效率
An=nnax-n«=0.942-0.906二0.036
n=n3+An=0.876+0.036二0.912
3、同步转速的选择
此值介于166.7r/min和187.5r/min之间，nx=166.7r/min,=187.5r/min
当j=166.7r/min时,
水轮机设讣流量Qr的计算
Qr二0”D,27777=1J23X3.妒XAMi=135.5〃,/s
飞逸转速的计算
4、计算水轮机的运行范围
设计工况的单位流量
八pr81632.73/
Qwr=只——=；7—=1-08m/s
9.81x0.912x3.82X69.815
最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速
当nx=187.5r/min时,
最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速
四.五台
1、计算转轮直径
N3^0000/5
水轮机额宦岀力：
巴=丄=・・=65306
%0.98
计算值处于标准值3.3m和3.8m之间，故取标准值0二3.3m
2、计算原型水轮机的效率
An=nH«=0.940-0.906二0.034
Q=n3+An=0.876+0.034=0.910
3、同步转速的选择
此值介于187.5r/min和214.3r/min之间，=187.5r/min,=214.3r/min
当it{=187.5r/min时,
4、水轮机设计流量Qr的计算
Qr二0”D,2』777=1.123><3.337^=102.2〃7%
5、飞逸转速的计算
Hmax<84.5
nr==146.7X=408.6r/min
rp3.3
6、计算水轮机的运行范围
设计工况的单位流量
apr65306.113z
Qnr=——=；=1」5/n/s
9.81x0.91x3.32x69.815
最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速
当n{=214.3r/min时，
最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速
七.各方案列表如下（HL260/D74）
台数
直径
转速
2
5.0
136.4
84.6
79.2
74.2
3
4」
166.7
84.8
79.7
74.3
4
3.3
187.5
76.7
72.2
67.3
214.3
87.8
82.5
76.9
3.8
166.7
78.6
73.9
68.9
187.5
88.4
83.1
77.5
5
3.0
214.3
79.7
75.0
69.9
250
93.0
87.5
81.6
3.3
187.5
76.7
72.2
67.3
214.3
87.7
82.5
76.9
各方案列表如下（HL240/D41）
台数
直径
转速
2
5.0
125
77.5
72.9
6&0
136.4
84.6
79.6
74.2
5.5
115.4
78.7
74.0
69.0
125
85.3
80.2
74.8
3
4.1
150
763
71.7
66.9
166.7
84.8
79.7
74.4
4.5
150
83.7
7&7
73.4
4
3.8
166.7
78.6
73.9
68.9
187.5
88.4
83.1
77.5
5
3.3
187.5
76.7
72.2
67.3
214.3
87.7
82.5
76.9
第三节较优方案选择
P>说明：
a、在最小水头下，水轮机不能发出额定出力，
9.81胆|Hr此时水轮机受到出力限制线的限制，所以不需要试算最
小水头下的Q,
b、在最大水头和平均水头下的Q“值，所用的原型水轮机效率H计算出来的Quo但是Qh和此水头对应的皿的交点的模型水轮机效率加上修正值并不一定等于口，这就需要试算。
C、在平均水头下，有些方案的5偏大，无法从特征曲线上找到。
设计工况单位流量：
试算法作发电机出力限制线，并换算到水轮机运转综合特性曲线上，同时也返算出设计水头。
由二P「/9.81DfHZ二C,假定一个…，由此公式计算岀一个QJ，再由QJ和对应水头的g在图上找到一点，并查出此点的几=,将此X转换成原型效率耳：
'（按限制工况点效率误差△H计），将代入公式计算，重复前而的过程，直到两次单位流虽相差值小于5%就认为可以了。
按上述方法求出发电机出力限制线并换算到水轮机运转综合特性曲线上。
发电机岀力限制线与水轮机出力限制线的交点，通过交点的值反求设汁水头的值。
一、试算
各方案列表如下：
HL260/D74
方案
平均水头H平均=73.5m
最高水头=84.5m
I
0.924
1」0
0.905
0.916
II
0.924
1」
0.898
0.915
III
0.818
1.435
0.905
1.055
IV
0.81
1.45
0.92
1.04
V
0.908
0.976
0.872
0.825
VI
0.892
0.993
0.864
0.83
VU
0.83
1.37
0.915
1.01
vni
0.855
1.33
0.904
1.02
IX
0.908
1.037
0.878
0.869
X
0.922
1.022
0.882
0.866
HL240/D41
方案
平均水头日］，•於J=73.5m
最高水头HmM=84.5m
I
0.821
1.228
0.915
0.898
II
0.842
1.199
0.90
0.913
III
0.914
0.915
0.878
0.772
IV
0.908
0.921
0.872
0.777
V
0.822
1.219
0.902
0.905
VI
0.848
1.184
0.912
0.895
VII
0.912
0.915
0.878
0.77
训
0.914
0.962
0.892
0.799
IX
0.906
0.971
0.882
0.808
X
0.870
1.073
0.892
0.850
XI
0.904
1.034
0.882
0.859
二、初选较优方案
根据前而拟立的各方案的工作范用是否包含髙效区，或者包含髙效区的面积
大小：
发电机岀力限制线是否靠近水轮机出力限制线；设汁水头与平均水头是否接近，平均水头对应的单位转速是否接近最优工况下的单位转速等原则来初选较优方
案。
所列较优方案如下:
方案
台数
水轮机型号
容量
（万千瓦）
直径（m）
转速（r/min）
I
4
HL260
8
3.3
187.5
II
5
HL260
6.4
3.0
214.3
III
2
HL240
16
5
125
IV
3
HL240
32/3
4」
150
三、反算设计水头
215x3.3
73
=71.8/7?
214.3x3.3
68.5
=74〃?
方案III：
H严（叫
n\\r
250x2.5
72
=1535m
方案IV：
Hy==
%
250x2.5
72丿
2
=75.35//?
第四节
技术经济指标计算
1.动能经济指标
根据运转特性曲线，求各方案的平均效率
1.绘制转轮运转综合特性曲线
等效率曲线的绘制：
A.在水轮机工作水头范用（Hmin-Hmax）内取4个水头值，计算各水头对应的单位转速N“，以各NJ直在模型综合特性曲线上作水平线与其等效率线相交得一系列交点，根据交点处的Q“和八’计算出原型水轮机的效率4和出力P具体结果见附表3。
然后对每个水头值作等效率曲线。
B.在曲线耳二f（P）上过某效率值水平线与曲线相交，记下各点P,H值。
C.将％点的H、P值绘在坐标图上，将各点连成光滑曲线，即为某H的效率值。
D.绘制出力限制线。
在Hr〜Hmax之间，是一条P二Pr的直线。
在Hmin~Hr之
间出力限制线一般由模型综合特性曲线的95$岀力限制线换算而得。
各方案
的曲线见下图：
2.根据所绘制的运转特性曲线计算各方案的平均效率
利用而积法求各方案的平均效率
式中口、X为特性曲线上相邻等效率线上的效率值，A为两相邻效率线之间的而积。
具
体结果见下表:
方案
I
II
III
IV
水轮机平均效率
91.8658%
91.0863%
90.84135%
91.17202%
2.机电设备投资和耗钢■
（一）、水力机械部分
A、水轮机
由前选型计算可知选择水轮机为HL260/D74转轮直径査《水利机械》P诵图2-55,估算各种方案的水轮机的重量：
方案I,HL260/D74,Z=4台,Df3.3m,G=210t,总重210x4二840t,总价840X2.5=2100万元：
方案II,HL260/D74
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