水輪機課程設計

1、第一章 水輪機的選型設計1.1水輪機型號選定一、水輪機型式的選擇根據(jù)原始資料，該水電站的水頭范圍為59.07-82.9m，電站總裝機容量56萬千瓦，擬選2、3、4、5臺機組，平均水頭為75.43m，最大水頭為82.9m，最小水頭為59.07m。水輪機的設計水頭估算為按我國水輪機的型譜推薦的設計水頭與比轉速的關系，水輪機的比轉速: m.kw根據(jù)原始資料，適合此水頭范圍的水輪機類型有斜流式和混流式。又根據(jù)混流式水輪機的優(yōu)點：（1）比轉速范圍廣，適用水頭范圍廣，可適用30700m；（2）結構簡單，價格低；（3）裝有尾水管，可減少轉輪出口水流損失。 故選擇混流式水輪機。因此，選擇在216m.kw左右的

2、混流式水輪機為宜。 根據(jù)表本電站水頭變化范圍(h=59.07-82.9m)查水電站機電設計手冊水力機械1-4 適合此水頭范圍的有hl220-46。二、擬訂機組臺數(shù)并確定單機容量表1-1 機組臺數(shù)比較表臺數(shù)單機容量（萬千瓦）228318.7414511.21.2 原型水輪機各方案主要參數(shù)的選擇按電站建成后,在電力系統(tǒng)的作用和供電方式,初步擬定為2臺,3臺,4臺,5臺四種方案進行比較。基本參數(shù)， 模型效率：，推薦使用最優(yōu)單位流量：，最優(yōu)單位轉速：，最優(yōu)單位流量：。一、2臺機組（方案一）1、計算轉輪直徑 裝機容量22萬千瓦，由水輪機325頁可知：水輪機額定出力： 上式中： -發(fā)電機效率,取0.98

3、-機組的單機容量（kw） 由型譜可知，與出力限制線交點的單位流量為設計工況點單位流量，則q11r=1.15m3/s,對應的模型效率m=89%，暫取效率修正值 =0.03，=0.89+0.03=0.92。則設計工況原型水輪機效率為92%。我國規(guī)定的轉輪直徑系列（見水輪機p9），計算值處于標準值6.5-7.0 m，并接近7.0m取直徑d1=7.0 m2、 計算原型水輪機的效率 =max-m0=0.954-0.92=0.034限制工況原型水輪機效率=m+=0.89+0.034=0.9243、同步轉速的選擇 符合要求所以轉速不用修正。轉速介于發(fā)電機 同步轉速83.3r/min和88.2r/min之間，

4、 需要對兩個轉速都進行修正。4、計算水輪機的運行范圍水輪機設計流量當n=83.3r/min時，最大水頭、最小水頭和平均水頭對應的單位轉速當n=88.2r/min時，最大水頭、最小水頭和平均水頭對應的單位轉速綜上所述，參數(shù)繪制在hl220綜合曲線上以檢驗水輪機高效率運行區(qū)域的高低，選擇高效率較高的88.2. 5、水輪機計算點出力的校核計算時的出力：符合要求6、 計算水輪機實際額定流量7、 計算最大允許吸出高度 在額定工況下，模型水輪機的空化系數(shù)根據(jù)該電站設計水頭取k=1.08 （水輪機原理及運行p54表3-3）e=887.0m8、實際的水輪機額定水頭 因不同的d1、與水能預算hr有差異9、 計算

5、飛逸轉速 由hl220模型水輪機飛逸特性曲線查得，在最大導葉開度下單位飛逸轉速 10、 水輪機安裝高程 m11、 計算軸向水推力 根據(jù)表4，hl220的轉輪軸向水推力系數(shù)，轉輪直徑較小、止漏環(huán)間隙較大時取大值。本電站轉輪直徑較大，故取。 表4 混流式水輪機的軸向水推力系數(shù)表轉輪型號hl310hl240hl230hl220hl200hl180hl160hl120hl110hl100k0.370.450.340.410.180.220.280.340.220.280.220.280.200.260.100.130.100.130.080.14水輪機轉輪軸向水推力為：同理，方案二、方案三和方案四的數(shù)

6、據(jù)也可通過同樣的方法和過程查資料計算得出，四種方案所得數(shù)據(jù)如表5所示：表5 四種方案數(shù)據(jù)表格hl220(2280mw)hl220(3186.7mw)hl220(4140mw)hl220(5112mw)比轉速 (r/min)220220220220額定功率 （kw）285714.3190816.3142857.1114285.7模型最優(yōu)單位比轉速 (r/min)70707070模型額定工況單位流量 ()1.151.151.151.15轉輪直徑 (m)7.06.05.04.0水輪機效率 0.9240.9220.9200.918轉速 n (r/min)88.2107125166.7出力 p (n)3

7、.112.291.591.01額定流量 ()478.1351.3243.95156.1吸出高度 (m)2.7 2.9 3.33.7單位飛逸轉速 (r/min)133133133133飛逸轉速 (r/min)173201.8242.2302.7實際額定水頭 (m)83.865.168.679.8實際額定流量 ()478.1351.3244.0156.1軸向水推力 (n)0.938450.689470.478800.30643二、確定機組方案根據(jù)上面列舉出來的四種方案數(shù)據(jù)分析，第四種方案出力比額定小，第一種方案實際額定水頭比最高水頭大，故首先排除。第二、第三種方案中，第二種方案效率和第三種差不多，

8、但第三種方案轉速比第二種的高，最高效率、高效率區(qū)比方案二大。及其吸出高度比方案的大則其發(fā)電機尺寸小，重量輕，一方面可以減少設備的造價，另一方面有利于減小廠房的平面尺寸，降低廠房的土建投資。第三種方案的的額定水頭也較接近設計的水頭。比較大綜上所述，最佳方案為第三種方案。三、水輪機運轉特性曲線的繪制等效率曲線的計算與繪制現(xiàn)取水電站4個水頭，列表計算，計算結果如表6所示。繪制的等效率線詳見設計圖紙。表6 hl220型水輪機等效率曲線計算表（%）（%）p（mw）（%）（%）p（mw）828688909191908886820.4580.5470.5780.6500.7200.9180.9310.992

9、1.0301.09085899193949493918985729097112125160160155170171828688909191908886820.4620.5480.6210.6820.7400.9180.9380.9981.0321.092858991939494918886826379911021121391371411431445%出力限制線上的點89.40.95092.416289.70.95192.7142（%）（%）p（mw）（%）（%）p（mw）828688909191908886820.4700.5700.6400.7120.7700.9080.9350.9981.

10、0291.0938589919394949391898560768799109128130136137139828688909191908886820.5900.7300.8200.9301.0001.02585899193949493918985 57 73 84 96 101 98 5%出力限制線上的點89.80.95292.813387.80.95390.898.2等吸出高度線的繪制（1）求出各水頭下的值，并在相應的模型綜合特性曲，并由此計算出、p，填入表7中線上查出水平線與各等氣蝕系數(shù)線的所有交點坐標，讀出、的值（2）利用公式計算出相應于上述各的值，填入計算結果如表7所示，繪制的等吸出

11、高度線詳見設計圖紙。 表7 hl220型水輪機等吸出高曲線計算表(%)(%)p(mw)(m)82.968.60.090.100.111.0151.0901.1400.8680.8190.7600.8980.8490.7901691711670.1070.1170.1278.879.7010.530.43-0.52-1.4875.4371.960.090.100.110.9751.1001.17008820.8100.7200.9120.8400.7501431491410.1080.1180.1288.158.909.661.20.34-0.537273.70.090.100.110.9301

12、.0651.1900.9000.8400.7200.9300.8700.7501301391340.1090.1100.1297.857.929.29 1.560.73-0.09 59.07 81.3 0.090.100.110.4500.5401.1000.7600.8000.7880.7900.8300.81840511020.1100.1200.1306.507.097.682.902.221.54從水輪機原理p53、54查圖3-13得個水頭下相應的，查表3-3得=1.15三、蝸殼計算 1、 蝸殼型式、斷面形狀和包角的確定由于本站應用水頭為：59.07-82.9ms時，采用圓斷面連接計算

13、如下：根據(jù)上式圓斷面各數(shù)值如表1-12：表1-12 蝸殼圓形斷面計算表斷面號r0h2 13450.7404.051.272.1732.9138.4863.1236.96310.08623300.7084.051.272.1132.8217.9583.0386.8719.90933150.6764.051.272.0512.7277.4372.9516.7779.72843000.6444.051.271.9872.6316.9222.8626.6819.54352850.6114.051.271.9182.5296.3962.7696.5799.34862700.5794.051.271.84

14、92.4285.8952.6776.4789.15572550.5474.051.271.7782.3255.4062.5846.3758.95982400.5154.051.271.7032.2184.9202.4886.2688.75692250.4834.051.271.6262.1094.4482.3916.1598.550102100.4504.051.271.5411.9913.9642.2886.0418.329111950.4184.051.271.4551.8733.5082.1865.9238.109121800.3864.051.271.3631.7493.0592.08

15、15.7997.880131650.3544.051.271.2641.6182.6181.9725.6687.640141500.3364.051.041.2051.5412.3751.8485.5917.439當時，蝸殼各斷面不能在d點與座環(huán)相接，采用圓形斷面就不合適了。在這種情況下，蝸殼斷面采用橢圓形斷面。5、橢圓斷面的計算 當 s時，采用橢圓斷面連接計算如下：橢圓半徑與圓同等面積 橢圓斷面長半徑中心距 外徑 橢圓斷面各數(shù)值列表如下：表1-13 蝸殼橢圓斷面計算表斷面號 151500.3221.8601.8791.9315.5417.472161350.2901.7501.6911.87

16、75.3237.200171200.2571.6261.4911.8175.0786.896181050.2251.5001.2911.7574.8366.59319900.1931.3691.0871.6964.5876.28320750.1611.2300.8781.6334.3315.96421600.1291.0810.6621.5684.0675.63622450.0970.9180.4381.5013.7945.29623300.0640.7260.1991.4303.5034.93324150.0320.497-0.0411.3583.2114.568表中，蝸殼剖面圖見附錄圖一.

17、4、 尾水管計算 6.1 尾水管的選擇圖1-4 尾水管外形尺寸 尾水管是水輪機過流通道的一部分。尾水管的形狀對不同比轉速水輪機的性能存在不同程度的影響，尤其對高比轉速水輪機影響更為明顯。鑒于本水輪機屬于大中型水輪機，則選擇彎曲形尾水管。彎曲形尾水管由進口錐管段，肘管段和出口擴散段三部分組成。6.2尺寸確定6.2.1尾水管高度尾水管高度指從水輪機底環(huán)平面到尾水管底板的高度，是決定尾水管性能的主要參數(shù)。增加高度將提高尾水管效率，但將增加電站建設費用，減少高度不僅會降低水輪機效率，還會影響運行的穩(wěn)定性。從水輪機p167查得：對于的混流水輪機?。粚τ诘母咚^混流式水輪機則可取。而 則所以取 。 6.2

18、.2進口直錐段進口直錐管是以垂直的圓錐形擴散管，為直錐管的進口直徑?？山迫∞D輪出口直徑，即，從水輪機p167查得：進口錐管的單邊錐角對混流式水輪機可取，則取。6.2.3肘管段肘管是一個90變斷面的彎管，其進口為圓斷面，出口為矩形斷面。參考水電站機電設計手冊（水力機械）表2-17，當vc=5.6m/s6m/s,水頭低于200m時，可不設金屬里襯，采用推薦的尾水管設計，此時，與有下列關系式：參考水電站機電設計手冊（水力機械）表2-17得尾水管尺寸與d1的比值可以算出尾水管的各部分尺寸：表6-1 推薦的尾水管尺寸表（單位：m）肘管型式適用范圍2.64.52.721.351.350.6751.821.22混凝土肘管混流式（）由表得；計算得 ；6.2.4出口擴散段出口擴散段是一水平放置斷面為矩形的擴散管，參考水電站機電設計手冊（水力機械）,其出口寬度一般與肘管出寬度相等，其頂板向上傾斜，仰角a=1013，取a=12,底板一般呈水平。出口擴散一般為矩形斷面，對混流式水輪機取，則取。因為，則允許在出口擴散段加單支墩，其他尺寸如下：；則取； ；水平長度l是機組中心到尾水管出口的距離。肘管型式一定時，l決定了水平擴散段的長度，增加l可使尾水管