水轮机课程设计2.docx
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水轮机课程设计2
第一章课程设计任务及目的
一、所需收集的资料及图表
1）中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表。
2）水轮机模型综合特性曲线。
3）发电机标准同步转速表。
4）水轮机转轮直径尺寸系列表
5）汽蚀系数修正值△σ与水头H关系曲线
6）各型号水轮机转轮飞逸特性曲线
二、课程设计基本任务
1）水能计算并绘制相关曲线
2）拟定四个水轮发电机组装机方案，并从两个方面（即技术方面与经济方面）进行分析，择优选取方案。
3）选择水轮机型号
4）通过所给的原始资料，根据要求计算水轮机的基本工作参数
5）绘制对应机组的运转特性曲线
三、课程设计目的
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。
第二章水能计算
一、水能计算
该课程设计水电站为一引水式水电站，电站海拔高程▽=1773m。
1、水电站水文资料
表2-1电站水文资料
2、水能计算相关公式
频率
：
——小于等于相应流量累计天数。
净水头
：
——压力前池水位高程，
——尾水水位高程，
（m）——水头损失。
增加装机容量△
：
——出力系数，
——组流量最大值，
——组流量最少值。
出力
：
出力系数
：
假定水轮机效率为
，发电机效率为
，则出力系数为
发电量
：
——小于等于相应流量累计天数。
累计发电量：
年装机利用小时数t：
3、水能计算所得曲线
图2-1装机容量与年利用小时数关系曲线
图2-2流量频率关系曲线
图2-3装机容量与流量关系曲线
图2-4累计发电量与流量关系曲线
图2-5流量与尾水位关系曲线
图2-6流量与水头关系曲线
注：
水能计算表见附表一
第三章装机方案的比较与确定
一、确定机组台数需要考虑因素
1、机组台数与机电设备制造的关系
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，单机容量减少。
机组台数增多时，机组单机容量减小，尺寸减小，因而制造及运输都比较容易，这对于制造能力和运输条件较差的地区是有利的。
而实际上选用小机组时，单位千瓦消耗的材料多，制造工作量大，故一般都希望选用较大容量的机组。
所以，要综合考虑各个因素。
2、机组台数与水电站投资的关系
当选用机组台数较多时，不仅机组本身单位千瓦的造价高，而且随着机组台数的增加，相应的阀门、管道、调速设备、辅助设备和电气设备的套数就要增加，电气结线也较复杂，厂房平面尺寸也需增大，机组安装维护的工作量也要增加，因此从这些方面来看水电站单位千瓦的投资将随台数的增加而增加。
但另一方面采用小机组时，厂房的起重能力、安装场地、机坑开挖量都可缩减，因而又可减少一些水电站的投资。
在大多数情况下，机组台数增多将增大投资。
3、机组台数与水电站运行效率的关系
水轮机在额定出力或者接近额定出力时，运行效率较高。
机组数目不同时，水电站水轮机的平均效率也不同。
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，使水电站保持有较高的平均效率，但当台数增加到一定程度再增多时，对水电站的平均运行效率就不会游显著的影响了。
4、机组台数与水电站运行维护工作的关系
机组台数多，单机容量小，水电站运行方式就比较灵活，机组发生事故后所产生的影响小，检修也较容易安排。
但因运行操作次数随之增加，发生事故的几率增高了，同时管理人员增多，运行费用也提高了，因此不宜选用过多的机组台数。
二、装机方案的选择
1、总装机容量的确定
依据相关文献1相关介绍，并根据此水电站为小型水电站，所以取年利用小时数为3800h,根据图2-1年利用小时数与装机容量关系曲线查得总装机容量为30000Kw。
2、水轮机组装机方案拟定
将水轮机组方案拟定为以下四种：
方案一：
2×15000kw
方案二：
3×10000kw
方案三：
4×7500kw
方案四：
2×12000kw+1×6000kw
三、装机方案的技术经济比较
技术比较：
根据我国现水轮机方面制造水平，各方案在技术方面差别不大，故各忽略。
经济比较：
表3-1装机方案计算成果表
参数
方案一
方案二
方案三
方案四
台数×单机容量（kw）
2×15000
3×10000
4×7500
2×12000+1×6000
最小单机容量（kw）
15000
10000
7500
6000
最小单机容量对应额定流量（m³/s）
22.2
15
11
9
各装机方案可以利用流量最少值（m³/s）
14.4
9.75
7.15
5.85
年不可发电量（万kw.h）
429
274.86
204
123
装机总投资（万元）
9000
12000
15000
13000
年不可发电量费用（万）
150
95.9
71
43
注：
1、装机总投资中取4000元/Kw
2、各装机方案可以利用流量最小值取最小单机容量对应流量的65%
3、每千瓦时电为0.35元
最小单机容量对应额定流量由各个方案中最小单机容量在图2-3装机容量与流量关系曲线查得。
年不可发电量对应各流量对应各流量段对应天数发电量累计量，具体数值于附表一水能计算表
综合比较：
方案三建设初期总投资过于大，可能因为资金无法筹集使项目不能开展，方案一年不可发电量与其他方案比较大，每年小发的电太多，致使效益不好，故这两个方案可以淘汰；方案二与方案四比较，方案四综合投资比方案二大很多，方案二比方案四年不可发电量产生费用每年多40万左右，从减少建设初综合总投资和电站设计、安装以及电气设备选择等各方面方便考虑，我最终选择方案二3×10000kw为此水电站的最优装机方案。
第四章水轮机机型的选择
一、水电站的特征水头
由水能计算表可知相应特征水头如表4-1所示
表4-1水电站特征水头表
特征水头
最大水头Hmax
设计水头Hr
最少水头Hmin
水头数值（m）
81.5
79.7
77.5
设计水头视为与加权平均水头相同，计算公式：
——对应水头天数
二、水轮机型号的确定
根据我国水轮机型谱中推荐的设计水头与比转速关系，水轮机的ns为
因此选择ns在204左右的水轮机为宜。
图4-1中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表
由图4-1中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表可知，在水轮机型谱中，本电站水头在50~80m水头段与70~105m水头段。
两个水头段种可选择的转轮型号有：
HL260,HL240两种型号。
在设计工况下，三种转轮的比转速分别为：
261
239
，比较三种转轮，以HL240转轮的比转速与本电站的计算比转速最接近，空化系数较小，故决定用HL240转轮。
具体参数如表4-2所示。
表4-2HL240型水轮机模型转轮主要参数表
转轮型号
D1M
⎺b0
最优工况
限制工况
（m）
n110（r/min）
Q110（m3/s）
η（%）
n（r/min）
Q11（m3/s）
ηM（%）
σM
HL240
0.35
0.25
77
0.95
92
225
1.123
87.6
0.106
三、水轮机装置形式选择
水轮机轴的装置方式可分为立轴和卧轴两种，其中卧轴布置方式布置简单，不需向下开挖但占地面积较大，一般用于小型电站或水头较低的贯流式水电站。
立轴布置方式具有占地面积小的特点，但需向下进行较大的土石开挖，增加土建投资成本。
为缩小厂房面积，高水头大型电站一般均采用立轴布置方式。
同时装机容量超过2500kw时，采取立轴方式布置机组。
本次课程设计机组单机装机容量为10000kw，故综合考虑，本电站水轮机采用立式装置直接连接形式。
第五章水轮机基本参数的计算
一、水轮机转轮直径的计算
水轮机的额定出力为
取最优转速n110=77r/min与出力限制线的交点的单位流量作为设计工况的单位流量，则Q11r=0.95m3/s，对应的模型效率ηm=0.88，暂取效率修正值Δη=2%，则设计工况原型水轮机效率η=ηm+Δη=0.88+0.02=0.90,故水轮机转轮直径为
表5-1转轮直径D1尺寸系列单位cm
25
30
35
42
50
60
71
84
100
120
140
160
180
200
225
275
300
330
380
410
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
1000
根据表5-1我国规定的转轮直径系列数值。
计算值介于120cm~140cm之间，考虑到120cm偏小，难以保证设计水头下发出额定出力；故取140cm较合理。
二、效率ηr的计算
效率修正值Δη=ηrmax-ηm0=0.939－0.92=0.019
限制工况原型水轮机的效率为
ηr=ηm+Δη=0.876+0.019=0.895
|ηr－η|=|0.895－0.9|=0.005<=0.005
所以上述水轮机D的计算合理，维持D=140cm。
三、转速n的计算
由模型综合特性曲线上查得
=77r/min
由表5-2标准同步转速表可知转速计算值介于同步转速428.6~500之间，故取水轮机的转速n为500r/min
表5-2发电机标准同步转速表
磁极对数p（对）
3
4
5
6
7
8
9
10
12
14
同步转速n（r/min）
1000
750
600
500
428.6
375
333.3
300
250
214.3
磁极对数p（对）
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
同步转速n（r/min）
187.5
166.7
150
136.4
125
115.4
107.1
100
93.8
88.2
磁极对数p（对）
36
38
40
42
44
46
48
50
52
54
同步转速n（r/min）
83.3
79
75
71.4
68.2
65.2
62.5
60
57.7
55.5
四、水轮机设计流量Qr的计算
设计工况点的单位流量Q11r为
=
Qr=
=0.851×1.402×
=14.89（m³/s）
五、几何吸出高度Hs的计算
为使水轮机不发生汽蚀，取Hmax、Hr、Hmin三个水头分别计算水轮机的允许吸出高度，以其中的最小值作为最大允许吸出高度。
为此，进行如下计算。
1、计算Hmax，Hr，Hmin所对应的单位转速n11
Hmax：
Hr：
Hmin：
2、确定各水头所对应的出力限制工况点的单位流量Q11
Hmin：
取n11max与出力限制线交点处单位流量，Q11max=1.18m3/s
Hr：
Q11r=0.851
/s
Hmax：
=
=
=0.823m3/s
3、用
（1）
（2）中计算的对应工况点从模型综合特性曲线上分别查出Hmax，Hr，Hmin所对应的模型汽蚀系数
Hmax，Hr，Hmin所对应的模型汽蚀系数分别为0.097，0.085，0.087。
4、分别用查到的汽蚀系数计算Hmax，Hr，Hmin对应的吸出高度
计算式：
Hs=10.0－▽/900－（σM+Δσ）H
图5-1设计水头与空化系数修正值关系曲线
查空化系数修正值曲线得水轮机水头为79.7m时对应的Δσ=0.02
Hmax：
Hs=10－1773/900－（0.097+0.02）×81.5=-1.51m
Hr：
Hs=10－1773/900－（0.085+0.02）×79.7=-0.34m
Hmin：
Hs=10－1773/900－（0.087+0.02）×77.5=-0.26m
从三个吸出高度计算值中取最小值-0.34m，再留一定的余量，取最大允许吸出高度Hs=-1m。
5、飞逸转速nR的计算
由HL240转轮的模型水轮机参数表查得在最大导叶开度下n11R=142.5r/min,故水轮机的飞逸转速为
6、检验水轮机的工作范围
设计工况的单位流量：
Q11r=0.851（m³/s）
最大水头、最小水头所对应的单位转速：
平均水头下的单位转速
根据上述参数绘出的水轮机实际工作范围如下图所示
图5-1HL240-LJ-500水轮机工作范围图
由水轮机的工作范围图可知，水轮机的实际运行范围稍微偏离最高区，但仍处于高效区范围内，与其他可能选择的参数相比，本方案是最优的。
第六章机组的运转特性曲线
水轮机在水电站中运行时，是在固定的额定转速n下工作的，但功率和水头变化时，流量、效率和空化系数随着发生变化。
在水轮机转速不变的情况下，其各主要工作参数之间的关系，概括地表达在水轮机综合运转特性曲线上。
各水轮机运转综合特性曲线一般是由其模型综合特性曲线换算而来。
由水轮机相似定律知，当水轮机D1、n为常数时，具有下列关系存在：
;
根据上述关系式，可以把以
为坐标系的模型综合特性曲线换算为以P~H为坐标系的原型水轮机运转综合特性曲线上。
一、等效率线的绘制
1．等效率线的绘制原理
混流式水轮机的效率修正采用等值修正法，即原型水轮机所有工况点的效率换算均采用同一修正值△η。
即
△η=ηmax-ηM0
这样，混流式水轮机模型综合特性曲线同一等效率线上的点换算到原型水轮机的运转综合特性曲线上，仍是同一等效率线上的点。
2．等效率线的绘制过程
（1）在水轮机的工作水头范围77.5m~81.5m之间取若干个水头值，分别计算出各水头对应的单位转速n11。
（2）在图6-1所示模型综合特性曲线上以各n11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换算成ηT,同时计算出各点的出力P。
表6-1等效率线绘制计算表
注：
（r/min）
因为△n11<3%n11M，所以忽略△n11。
（3）把各点绘到P~H坐标中并连成光滑的曲线即原型水轮机的等效率线，见图6-2。
图6-2等效率线
二、出力限制线的绘制
出力限制线表示水轮机在不同水头下可以发出或允许发出的最大出力，在水轮机与发电机配套的情况下，水轮机的出力受水轮机额定出力的限制。
因此，实际的出力线以设计水头为分界分为两部分。
在Hr与Hmax之间，水轮机出力受发电机的出力限制，是一条垂直的直线。
在Hmin与Hr之间，水轮机的出力限制线一般为模型综合特性曲线的95％出力限制线换算而来。
为方便计算，通常是计算出Hr，Hmin对应最大允许出力Pr和Pmin然后将两点连接起来得到H详细计算见表6－1
图6-3出力限制线
三、等吸出高度线的绘制
等吸出高度线表达水轮机在各运行工况时的最大允许吸出高度Hs,等Hs线是根据模型特性曲线的等σ线换算而来得来的，计算与绘制等Hs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图6-1上过n11M作水平线与各等σ线相交，记下各点的σ、Q11、ηm值。
2、根据吸出高度计算公式
计算各点的HS，并计算出各点的出力P。
3、根据各工况点的（Hs，P）值绘制出各水头下的Hs=f（p）曲线。
4、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（H,P）值，并点绘到H~P坐标内，把各点连成光滑曲线即为某Hs值得等吸出高度线。
表6-2等吸出高度线计算表
图6-4等吸出高度线
四、水轮机运转综合特性曲线
图6-5水轮机的运转综合特性曲线
第七章课程设计总结
通过本次课设，我对轮机的选型设计过程有了一个较为全面的认识。
从水电站原始水能资料的水能计算，到电站装机总容量和装机台数方案的比较确定，再到水轮机基本参数的计算，工作范围的确定，水轮机模型综合特性曲线向运转特性曲线的转化，整个设计过程的每一步都需要认真学习相关知识，查看相关文献，系统地掌握整个设计过程，综合考虑理论与实际的各种情况，综合水机电三方面的内容，考虑技术经济指标的设计，同时要兼顾设备制造、施工和安装便利。
这次水轮机课程设计我的收获是课堂中学习的知识，在课程设计中应用，会学得更牢固更深刻。
在做课程设计的过程中一定要认真细致，遇到问题细心查看课本、文献，耐心的计算、绘图，通过努力最终会得到一个满意的结果。
总的来说这次课程设计通过自己的认真学习，耐心计算，细致画图，解决了很多问题，学到了很多知识，收获非常大。
相信自己保持这样一个好的态度，在以后的科研生活中会做的更好。
参考文献
[1] 李 海.小型水电站应重视水情考察和年利用小时数的选取[J].小水电,2005,
（1）:
31-32.
[2]刘大凯主编.水轮机.中国水利水电出版社，1996
[3]水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册水利机械分册.北京水利水电出版社，1983
[4]哈尔滨大电机研究所编著.水轮机设计手册.北京：
机械工业出版社，1976
[5]姚志民等主编．反击型水轮机原理．北京：
清华大学出版社，1993
附录
附表一水能计算表
附表二HL240/D41模型转轮综合特性曲线
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