水轮机课程设计 (1).doc
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目录
第一章基本资料……………………………………………………………………………………1
第二章机组台数与单机容量的选择………………………………………………………………2
第三章水轮机主要参数的选择与计算……………………………………………………………5
第四章水轮机运转特性曲线的绘制………………………………………………………………10
第五章蜗壳设计……………………………………………………………………………………13
第六章尾水管设计…………………………………………………………………………………17
第七章心得体会……………………………………………………………………………………20
参考文献………………………………………………………………………………………………20
第一章基本资料
基本设计资料
黄河B水电站是紧接L水电站尾水的黄河上游的一个梯级水电站。
水库正常蓄水位2452m，电站总装机容量4200MW，额定水头205m。
经水能分析，该电站有关动能指标如表1所示：
表1动能指标
水库调节性能
日调节
最大工作水头
220m
加权平均水头
210.5m
最小工作水头
192.1m
平均尾水位
2241.5m
发电机效率
97%
第二章机组台数与单机容量的选择
水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。
根据已确定的装机容量，就可以拟定可能的机组台数方案，选择机组台数与单机容量时应遵循如下原则：
2.1机组台数与工程建设费用的关系
在水电站的装机容量基本已经定下来的情况下，机组台数增多，单机容量减小。
通常小机组单位千瓦耗材多、造价高，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，整体设备费用高。
另外，机组台数多，厂房所占的平面尺寸也会增大。
一般情况下，台数多对成本和投资不利。
因此，较少的机组台数有利于降低工程建设费用
2.2机组台数与设备制造、运输、安装以及枢纽安装布置的关系
单机容量大，可能会在制造、安装和运输方面增加一定的难度。
然而，有些大型或特大型水电站，由于受枢纽平面尺寸的限制，总希望单机容量制造得大些。
2.3机组台数对水电站运行效率的影响
水轮机在额定出力或者接近额定出力时，运行效率较高。
机组台数不同，水电站平均效率也不同。
机组台数较少，平均效率越低。
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。
但机组台数多到一定程度，再增加台数对水电站运行效率增加的效果就不显著。
当水电站在电力系统中担任基荷工作时，引用流量较固定，选择机组台数较少，可使水轮机在较长时间内以最大工况运行，使水电站保持较高的平均效率。
当水电站担任系统尖峰负荷并且程度调频任务时，由于负荷经常变动，而且幅度较大，为使每台机组都可以在高效率区工作，则需要更多的机组台数。
另外，机组类型不同，高效率范围大小也不同，台数对电厂平均效率的影响就不同。
对于高效率工作区较窄的，机组台数应适当多一些。
轴流转浆式水轮机，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、轴流定浆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。
2.4机组台数与水电站运行维护的关系
机组台数多，单机容量小，水电站运行方式较灵活机动，机组发生事故停机产生的影响小，单机轮换检修易于安排，难度也小。
但台数多，机组开、停机操作频繁，操作运行次数随之增多，发生事故的几率也随之增高，对全厂检修很麻烦。
同时，管理人员多，维护耗材多，运行费用也相应提高。
故不能用过多的机组台数。
2.5机组台数与其他因素的关系
2.5.1机组台数与电网的关系
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。
2.5.2机组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。
不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域如表1。
表2不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域
型式
稳定运行负荷区域（%）
型式
稳定运行负荷区域（%）
混流式
40～100
冲击式
25～100
轴流定浆式
70～100
轴流转浆式
30～100
贯流转浆式
25～100
2.5.3机组台数与电气主接线的关系
对采用扩大单元的电气主接线方式，机组台数为偶数为利。
但由于大型机组主变压器受容量限制，采用单元接线方式，机组台数的奇、偶数就无所谓了。
上述各种因素互相影响，遵循上述原则，并且该水电站装机容量为20万kW，由于2.2万kW＜20万kW＜25万kW，该水电站为中型水电站，并担任系统调峰、调相及少量的事故备用容量，同时兼向周边地区供电。
综上所述，确定机组台数选择的原则：
对大中型水电站，一般选择6—10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。
第三章水轮机主要参数的选择与计算
根据水头的变化：
最小工作水头192.1m到最大工作水头220m。
同时：
在水轮机系列型谱表查出合适的机型中选取HL120（7×600MW）,HL110（10×420MW）和HL160（7×600MW）三种类型水轮机。
现将这三种水轮机作为初选方案，分别求出其有关参数，并进行比较分析。
3.1计算水轮机基本参数
方案一HL160（7×600MW）
3.1.1计算转轮直径
水轮机额定功率
去最优单位转速与功率限制线交点的单位流量为额定工况的单位流量，则对应的模型效率。
去效率修正值，则额定工况原型水轮机效率
。
水轮机转轮直径为
按我国规定的转轮直径系列，且转轮直径取小了不能保证在额定水头下发出额定功率，取大了，不经济且无必要。
根据单机功率和转轮直径，该水轮机属大型机组，故取=6m。
3.1.2计算水轮机效率
已知：
；
额定工况原型水轮机的效率为
3.1.3水轮机转速的计算与选择
式中
符合，不需修正
（1）检验水轮机实际工作范围的校核
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
3000/163.2=18.38，
则磁极对数取18、20。
分别求出下对应的单位转速，如表3所示：
表3各水头对应单位计算表
转速方案
67.4
68.9
69.9
72.2
60.7
62.0
62.9
64.9
检查两方案，在模型综合特性曲线图上，第一种方案包含高效率去，且原则上取相近偏大值。
所以确定取第一种方案。
（2）水轮机计算点出力的校核
计算时的出力：
符合要求
3.1.4计算水轮机额定流量
3.1.5计算最大允许吸出高度
在额定工况下，模型水轮机的空化系数。
根据几个装有HL160转轮的电站调查，认为HL160转轮的电站空化系数应大于0.1为好，故空蚀安全系数取K=1.6。
E=2241.5m
3.1.6实际的水轮机额定水头
因不同的D1、ｎ与水能预算Hr有差异
3.1.7计算水轮机实际额定流量
式中Hr采用上述（五）中的计算结果。
3.1.8计算飞逸转速
由HL160模型水轮机飞逸特性曲线查得，在最大导叶开度下单位飞逸转速
3.1.9计算轴向水推力
根据表4，HL160的转轮轴向水推力系数，转轮直径较小、止漏环间隙较大时取大值。
本电站转轮直径较大，但水中有一定含沙量，止漏环间隙应适当大一些，故取。
水轮机转轮轴向水推力为
表4混流式水轮机的轴向水推力系数表
转轮型号
HL310
HL240
HL230
HL220
HL200
HL180
HL160
HL120
HL110
HL100
K
0.37～0.45
0.34～0.41
0.18～0.22
0.28～0.34
0.22～0.28
0.22～0.28
0.20～0.26
0.10～0.13
0.10～0.13
0.08～0.14
3.1.10同理，方案二和方案三的数据也可通过同样的方法和过程查资料计算得出，三种方案所得数据如表5所示：
表5三种方案数据表格
HL160（7×600MW）
HL120（7×600MW）
HL110（10×420MW）
比转速（r/min）
160
120
110
额定功率（kw）
618557
618557
432990
模型最优单位比转速（r/min）
67.5
62.5
61.5
模型额定工况单位流量（）
0.68
0.38
0.28
转轮直径（m）
6
8
7
水轮机效率
0.931
0.924
0.906
转速n（r/min）
166.7
115.0
136.4
出力P（N）
额定流量（）
350.5
348.2
196.4
吸出高度（m）
-13.8
-9.7
-3.97
单位飞逸转速（r/min）
127
100.4
93
飞逸转速（r/min）
314.0
186.1
197.1
实际额定水头（m）
197.1
198.9
232.7
实际额定流量（）
343.7
343.0
209.0
轴向水推力（N）
3.1.11确定机组方案
根据上面列举出来的三种方案数据分析，第三种方案出力比额定小，且实际额定水头比最高水头大，故首先排除。
第一二种方案中，第一种方案效率比第二种高，且第一种方案转速比第二种的高，则其发电机尺寸小，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。
第一种方案的出力也比第二种大。
综上所述，最佳方案为第一种方案。
第四章水轮机运转特性曲线的绘制
4.1等效率曲线的计算与绘制
现取水电站4个水头，列表计算，计算结果如表6所示。
绘制的等效率线详见设计图纸。
表6HL160型水轮机等效率曲线计算表
（%）
（%）
P
（mw）
（%）
（%）
P
（mw）
82
84
86
88
90
90
88
86
84
82
0.370
0.405
0.435
0.465
0.505
0.655
0.695
0.725
0.750
0.765
85.6
87.6
89.6
91.6
93.6
93.6
91.6
89.6
87.6
85.6
365
409
449
491
545
706
733
748
757
754
82
84
86
88
90
90
88
86
84
82
0.375
0.410
0.445
0.475
0.510
0.655
0.695
0.725
0.745
0.765
85.6
87.6
89.6
91.6
93.6
93.6
91.6
89.6
87.6
85.6
346
388
430
469
515
662
687
701
704
707
5%出力限制线上的点
89.4
0.665
93.0
712
89.5
0.666
93.1
669
（%）
（%）
P
（mw）
（%）
（%）
P
（mw）
82
84
86
88
90
90
88
86
84
82
0.385
0.415
0.450
0.480
0.520
0.665
0.695
0.725
0.750
0.765
85.6
87.6
89.6
91.6
93.6
93.6
91.6
89.6
87.6
85.6
322
355
394
430
476
608
622
635
642
640
82
84
86
88
90
90
88
86
84
82
0.395
0.425
0.465
0.500
0.535
0.655
0.695
0.725
0.745
0.765
85.6
87.6
89.6
91.6
93.6
93.6
91.6
89.6
87.6
85.6
318
350
392
431
451
552
598
611
613
612
5%出力限制线上的点
89.6
0.667
93.2
607
89.4
0.670
93.0
586
4.2等吸出高度线的绘制
（1）求出各水头下的值，并在相应的模型综合特性曲线上查出水平线与各等气蚀系数线的所有交点坐标，读出、、的值，并由此计算出、P，填入表7中
（2）利用公式计算出相应于上述各的值，填入表7中。
计算结果如表7所示，绘制的等吸出高度线详见设计图纸。
表7HL160型水轮机等吸出高曲线计算表
（%）
（%）
P
（mw）
（m）
220
67.4
0.09
0.10
0.11
0.12
0.650
0.715
0.755
0.795
0.900
0.888
0.832
0.782
0.936
0.924
0.868
0.818
701
761
755
749
0.084
0.098
0.112
0.126
18.48
21.56
24.64
27.72
-10.97
-14.05
-17.13
-20.21
210.5
68.9
0.09
0.10
0.11
0.12
0.640
0.705
0.755
0.801
0.904
0.894
0.830
0.779
0.940
0.930
0.866
0.815
649
707
705
704
0.084
0.098
0.112
0.126
17.68
20.63
23.58
26.52
-10.17
-13.12
-16.07
-19.01
197.1
71.2
0.09
0.10
0.11
0.12
0.625
0.700
0.755
0.805
0.905
0.879
0.829
0.775
0.941
0.915
0.865
0.811
610
664
677
677
0.084
0.098
0.112
0.126
17.22
20.09
22.96
25.83
-9.71
-12.58
-15.45
-18.32
192.1
72.2
0.09
0.10
0.11
0.12
0.570
0.685
0.754
0.809
0.906
0.886
0.825
0.771
0.942
0.922
0.861
0.807
505
594
610
614
0.084
0.098
0.112
0.126
16.14
18.83
21.52
24.20
-8.6
-11.32
-14.01
-16.70
第五章蜗壳设计
5.1蜗壳型式选择
由于本水电站水头高度范围为192.1—220m，所以采用金属蜗壳。
5.2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（6-5）得9
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《混凝土蜗壳座环尺寸系列》（《水力机械》P162）查取座环的外径、内径分别为：
；；；；k=175mm；r=500mm。
则
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/C
1
5.1
7.422
0.9216
2.550
3.277
10.740
3.415
8.377
11.792
2
5.1
7.104
0.9216
2.486
3.183
10.131
3.325
8.283
11.608
3
5.1
6.786
0.9216
2.422
3.087
9.529
3.233
8.187
11.420
4
5.1
6.468
0.9216
2.355
2.989
8.935
3.140
8.089
11.229
5
5.1
6.150
0.9216
2.286
2.889
8.348
3.051
7.989
11.040
6
5.1
5.832
0.9216
2.216
2.788
7.770
2.948
7.888
10.836
7
5.1
5.514
0.9216
2.143
2.683
7.200
2.850
7.783
10.633
8
5.1
5.195
0.9216
2.067
2.577
6.639
2.750
7.677
10.427
9
5.1
4.877
0.9216
1.989
2.467
6.068
2.644
7.567
10.211
10
5.1
4.559
0.9216
1.907
2.354
5.542
2.542
7.454
9.996
11
5.1
4.241
0.9216
1.822
2.238
5.007
2.435
7.338
9.773
12
5.1
3.923
0.9216
1.732
2.117
4.482
2.325
7.217
9.542
13
5.1
3.605
0.9216
1.638
1.992
3.966
2.211
7.092
9.303
14
5.1
3.287
0.9216
1.537
1.860
3.460
2.093
6.960
9.053
15
5.1
2.969
0.9216
1.430
1.722
2.965
1.971
6.822
8.793
16
5.1
2.651
0.9216
1.315
1.575
2.480
1.844
6.675
8.519
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
表9计算蜗壳椭圆形断面尺寸
断面号
A
18
0.295
0.021
1.841
1.660
9.298
1.711
1.685
6.486
8.171
19
0.228
0.017
1.658
1.522
7.922
1.486
1.618
6.241
7.859
20
0.203
0.014
1.474
1.422
6.998
1.323
1.569
6.043
7.612
21
0.165
0.009
1.197
1.263
5.565
1.070
1.493
5.735
7.228
22
0.127
0.005
0.921
1.089
4.371
0.804
1.413
5.409
6.822
23
0.089
0.003
0.645
0.893
3.150
0.519
1.328
5.062
6.389
24
0.051
0.001
0.368
0.658
3.005
0.212
1.235
4.686
5.922
5.3绘制蜗壳的断面、单线图
祥见设计图纸
第六章尾水管设计
6.1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。
6.2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。
对于的混流水轮机取；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，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
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