畢業(yè)設計水電站的水輪機設計

1、目 錄1 前言42水電站的水輪機選型設計 52.1 水輪機的選型設計概述52.2 水輪機選型的任務 62.3水輪機選型的原則62.4水輪機選型設計的條件及主要參數(shù)72.5 確定電站裝機臺數(shù)及單機功率72.6 選擇機組類型及模型轉輪型號82.7 初選設計（額定）工況點112.8 確定轉輪直徑122.9 確定額定轉速n122.10 效率及單位參數(shù)的修正132.11 核對所選擇的真機轉輪直徑142.12 確定水輪機導葉的最大開度、最大可能開度、最優(yōu)開度182.13 計算水輪機額定流量192.14 確定水輪機允許吸出高度202.15 計算水輪機的飛逸轉速252.16 計算軸向水推力252.17 估算水

2、輪機的質量262.18 繪制水輪機運轉綜合特性曲線263 水輪機導水機構運動圖的繪制353.1 導水機構的基本類型353.2 導水機構的作用 363.3 導水機構結構設計的基本要求363.4 導水機構運動圖繪制的目的373.5導水機構運動圖的繪制步驟374 水輪機金屬蝸殼水力設計414.1 蝸殼類型的選擇414.2 金屬蝸殼的水力設計計算415尾水管設計 495.1 尾水管概述 495.2 尾水管的基本類型495.3 彎肘形尾水管中的水流運動496水輪機結構設計 506.1 概述 506.2 水輪機主軸的設計506.3 水輪機金屬蝸殼的設計516.4 水輪機轉輪的設計526.5 導水機構設計

3、556.6 水輪機導軸承結構設計586.7 水輪機的輔助裝置617 金屬蝸殼強度計算 637.1 金屬蝸殼受力分析 637.2 蝸殼強度計算 637.3 計算程序及結果 668 結論711 前 言水輪機是水電站的重要設備之一，它是靠自然界水能進行工作的動力機械與其他動力機械相比，它具有效率高、成本低、環(huán)境衛(wèi)生等顯著特點。另外，水輪機的好壞直接影響到水電站的能量轉換效率，在水輪機生產(chǎn)制造前，我們必須首先根據(jù)給定電站的水力條件對水輪機進行選型設計、對其零件進行結構分析以及對部分零部件進行強度計算及校核等。鑒于此，作為我們以后在水輪機制造廠或水電站工作的熱能與動力工程專業(yè)的學生，也就必須熟練掌握水輪

4、機的設計思想、設計方法以及設計步驟，所以在學習各種專業(yè)課程后開始本次畢業(yè)設計。畢業(yè)設計是本科教學計劃中最后一個綜合性、創(chuàng)造性的教學實踐環(huán)節(jié)，是對學生在校期間所學基礎理論、專業(yè)知識和實踐技能的全面總結，是對學生綜合能力和素質的全面檢驗，也是教學、工程實踐的重要結合點。它主要是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識和技能去分析和解決本專業(yè)范圍內的工程技術問題，建立正確的設計思想，掌握水輪機設計的一般程序和方法，使學生在進行了工程實踐能力的綜合訓練后，在今后的工作崗位上具有應用專業(yè)技術解決工程實際問題的能力。本次畢業(yè)設計從水輪機的基本工作原理出發(fā)，系統(tǒng)地、較為全面地進行了水輪機的選型設計、水輪機的結構分析、水輪機

5、部分零部件的強度計算及校核等。設計分為六部分:第一部分：水輪機的選型設計；第二部分：導水機構運動圖的繪制；第三部分：蝸殼的水力設計；第四部分：尾水管的設計；第五部分：蝸殼的強度計算；第六部分：繪制導葉加工圖。在設計過程中，著重闡述了水輪機選型設計的具體方法及方案選擇、水輪機的結構設計兩部分。2水電站的水輪機選型設計2.1 水輪機的選型設計概述水輪機的選型設計是水電站設計中的一項重要任務，其計算結果直接關系到水電站的機組能否長期運行、投資的多少、經(jīng)濟效益的高低。它是根據(jù)水電站設計部門提供的原始資料及參數(shù)，選擇合理的水輪機型號和計算水輪機的各種性能參數(shù)。一般情況下，先根據(jù)水電站的類型、動能計算以及

6、水工建筑物的布置等初選若干個方案，然后進行技術經(jīng)濟比較，再根據(jù)水輪機的生產(chǎn)情況和制造水平，最后確定最佳的水輪機型號及尺寸。2.2 水輪機選型的任務水輪機選型的主要任務如下：(1)確定電站裝機臺數(shù)及單機功率(2)選擇機組類型及模型轉輪型號(3)確定機組的裝置方式(4)確定轉輪直徑、額定轉速、飛逸轉速(5)計算所有運行水頭和功率下水輪機的效率和吸出高度值，繪制水輪機運轉綜合特性曲線。(6)軸向水推力的計算(7)調節(jié)保證計算（本設計不要求）(8)輔助設備的選擇(9)計算水輪機的外形尺寸，估算重量及其價格上述內容為水電站水輪機初步設計的一部分，水電站初步設計還包括水輪機的通流部件的設計、如蝸殼、座環(huán)、

7、導水機構、尾水管等的初步計算及初步繪制水輪機剖面圖等。2.3 水輪機選型的原則水輪機選型設計計算是水電站設計中的一項重要任務，其計算結果對水電站的投資、建設速度和發(fā)電量以及水電站的經(jīng)濟效益都有很大的影響。水輪機的選型并不是簡單地查閱產(chǎn)品目錄，從現(xiàn)代水輪機的選型設計計算來看，它是一門系統(tǒng)工程學，要在電站水能資源綜合利用、制造、運輸、安裝、土建電力用戶、運行方式等諸多技術經(jīng)濟因素中尋求最佳方案。水輪機選型設計的一般原則如下：所選水輪機要具有較高的能量特性。不僅要選擇額定工況下較高的水輪機轉輪型號，而且還要根據(jù)水輪機的工作特性曲線，即及曲線，選擇平均效率最高的水輪機型號，使水輪機在負荷和水頭變化的情

8、況下具有最高的平均運行效率。所選水輪機不僅要具有良好的空蝕性能，還要有較好的工作穩(wěn)定性能，運行要靈活、平穩(wěn)、安全和可靠。所選水輪機的尺寸應較小，結構要合理、先進，便于運輸、安裝、運行及檢修。轉輪選擇比較時，應盡可能選用較高的水輪機，這樣轉速較高，相應的機組尺寸就小，并且使所選的水輪機經(jīng)常在最優(yōu)區(qū)運行。選擇轉輪參數(shù)時應該使值稍高于，而且值應接近于值。2.4水輪機選型設計的條件及主要參數(shù)水輪機的選型是根據(jù)水電站設計部門提供的原始資料和數(shù)據(jù)，選擇合適的水輪機型號和計算水輪機的性能參數(shù)主要設計參數(shù)：總裝機容量 工作水頭 引用流量，吸出高度為1.64m，電站海拔高程 該電站離負荷中心較遠，有季節(jié)性調節(jié)水

9、庫，在系統(tǒng)中擔任基荷。2.5 確定電站裝機臺數(shù)及單機功率 機組臺數(shù)的選擇對于一個確定了總裝機容量的水電站，機組臺數(shù)的多少直接影響到電廠的動能經(jīng)濟指標與運行的靈活性、可靠性，還影響到電廠建設的投資等。因此，確定機組的臺數(shù)時，必須考慮以下有關因素，并進行充分的技術經(jīng)濟論證。(1)機組臺數(shù)對工程建設費用的影響機組臺數(shù)多少直接影響單機容量的大小，單機容量不同時，機組的單位千瓦造價不同，一般情況下，小機組的單位千瓦造價高于大機組。一方面，小機組的單位千瓦金屬消耗高于大機組；另外，單位重量的加工費也較大。除主要機電設備外，機組臺數(shù)的增加，要求增加配套設備的臺數(shù)，主副廠房的平面尺寸也需增加，因此，在同樣的裝

10、機容量下，水電站的土建工程及動力廠房成本也隨機組數(shù)的增加而增加。(2)機組臺數(shù)對電廠運行維護的影響機組臺數(shù)較少時，其優(yōu)點是運行方式靈活，發(fā)生事故時對電站及所在系統(tǒng)的影響較小，檢修也容易安排。但臺數(shù)較多時，運行人員增加，運行用的材料、消耗品增加，因而運行費用較高。同時，較多的設備與較頻繁的開停機會使整個電站的事故發(fā)生率上升。(3)機組臺數(shù)對設備制造、運輸及安裝的影響機組臺數(shù)增加時，水輪機和發(fā)電機的單機容量減小，則機組的尺寸小，制造、運輸及現(xiàn)場安裝都較容易。反之，臺數(shù)減少則機組尺寸增大，機組的制造、運輸和安裝的難度也相應增大。因此，最大單機容量的選擇要考慮制造廠家的加工水平及設備的運輸、安裝條件。

11、此外，從發(fā)電機轉子的機械強度方面考慮，發(fā)電機轉子的直徑必須限制在轉子最大線速度的允許值之內，機組的最大容量有時也會因此受到限制。(4)機組臺數(shù)對電力系統(tǒng)的影響對于占電力系統(tǒng)容量比重較大的水電廠及大型機組，發(fā)生事故時對電力系統(tǒng)的影響較大，考慮到電力系統(tǒng)中備用容量的設置及電力系統(tǒng)的安全性，在確定臺數(shù)時，單機容量不應大于系統(tǒng)的備用容量，即使在容量較小的電網(wǎng)中，單機容量也不宜超過系統(tǒng)容量的1/3。(5)機組臺數(shù)對電廠主接線的影響由于水電廠水輪發(fā)電機組常采用擴大單元主接線方式，故機組臺數(shù)多采用偶數(shù)。同時為了運行方式的機動靈活及保證機組檢修時的廠用電可靠，一般都裝兩臺以上機組。以上與機組臺數(shù)有關的因素，許

12、多是相互關系又相互矛盾的，在選擇時應針對主要因素，進行綜合技術經(jīng)濟比較，選擇出合理的機組臺數(shù)。 綜合本次的設計條件，所選的機組臺數(shù)為兩臺。即：Z=2。 確定機組的單機容量（功率）確定出電站的機組臺數(shù)后，就可以求單機容量。單機容量： Z 電站的裝機臺數(shù),Z=2。計算得： 。2.6 選擇機組類型及模型轉輪型號根據(jù)水電站的實際情況正確的選擇水輪機的型式是水輪機設計的一個重要環(huán)節(jié)。雖然各類水輪機有明確的適用水頭范圍，但由于它們的適用范圍存在著交叉水頭段，因此，必須根據(jù)水電站的具體條件對可供選擇的水輪機進行分析比較，才能選擇出最合適的機型。 各類水輪機的適用范圍大中型水輪機的類型及使用的水頭范圍如表2.

13、1所示。表2.1 大中型水輪機的類型及使用水頭范圍表水 輪 機 型 式適用水頭范圍（m）比轉速范圍（m.kw）能量轉換方式水流方式反擊式貫流式<206001000斜流式40180150350混流式3070050300軸流式380200850在進行水輪機選擇時，若同一水頭段有多種機型可供選擇時，則需要認真分析各類水輪機的特性并進行技術經(jīng)濟比較以確定最適合機型。不同類型的水輪機具有不同的使用范圍與特點，根據(jù)本次設計的水頭特征，可初步確定機型為HL或者ZL式。兩類水輪機的特點可概括如下: HL和ZL式水輪機各自的特點HL式水輪機的特點是水流徑向流入轉輪，大致軸向流出。轉輪由葉片、上冠和下環(huán)組成

14、，葉片數(shù)較多，強度高，比轉速范圍廣，適用水頭范圍廣，適用水頭為30700m；結構簡單，價格低，是目前使用最為廣泛的一種水輪機。ZL式水輪機的特點是水流軸向流入轉輪又軸向流出，從引水室來的水流在導葉與轉輪之間的空間內已由徑向轉為軸向。比轉速較高，具有較大的過流能力，常應用在水頭為380m的水電站；ZZ式可協(xié)聯(lián)方式運行，在水頭、負荷變化時可實現(xiàn)高效率運行。在水頭、負荷變化較小，或裝機臺數(shù)較多的電站，可以通過調整運行機組臺數(shù)使水輪機在高效率區(qū)運行。ZD式水輪機結構簡單，可靠性好，尤其在擔負基荷的低水頭電站較適用。 交界水頭段HL和ZL式這兩種水輪機型式的比較(1)ZZ式水輪機適用水頭與負荷變化較大的

15、電站，能在較寬廣的工況范圍內穩(wěn)定、高效率運行，平均效率高于HL式水輪機；(2)在相同的水頭下，ZL式的比轉速高于HL式，有利于減小機組的尺寸；(3)ZL式的空化系數(shù)大，約為同水頭段HL式的2倍，為保證空化性能需增加廠房的水下開挖量；(4)當尾水管較長時，ZL式水輪機比HL式水輪機易產(chǎn)生緊急關機的抬機現(xiàn)象；(5)ZL式水輪機的軸向水推力系數(shù)約為HL式的24倍，推力軸承載荷大。(6)另外，ZZ式水輪機的轉輪及受油器等部件結構復雜、造價高。綜上所述，結合本次的設計條件：該電站離負荷中心較遠，有季節(jié)性調節(jié)水庫，在系統(tǒng)中擔任基荷。經(jīng)分析比較，最終確定所選水輪機機型為：HL式水輪機。 選擇水輪機的轉輪型號

16、水輪機型號的選擇主要是根據(jù)水電站的特征水頭，特別是其最大水頭選擇的。通常情況下，水輪機型號是根據(jù)水輪機的型譜性能參數(shù)進行選擇的；若在交界的水頭范圍，也就是某一水頭范圍有2種及其以上的轉輪型號可選擇時，就需要進行綜合分析比較后才能選出最佳的轉輪型號。根據(jù)本次設計的特征水頭：，由1中小型混流式水輪機模型轉輪主要參數(shù)表和其他資料，可確定本次設計所選水輪機的型號為：HL260/ D74（以下簡稱方案a）或者HLA616（以下簡稱方案b），其對應的相關模型轉輪參數(shù)如下表所示：表2.2 a HL260/D74模型轉輪主要參數(shù)表轉輪型號推薦使用水頭H(m)模型轉輪直徑(cm)流道尺寸最優(yōu)工況(r/min)(

17、/s)(%)HL260/D74508035cm0.28141.1624791.0892.70.123表2.2 b HLA616模型轉輪主要參數(shù)表轉輪型號推薦使用水頭H(m)模型轉輪直徑(cm)流道尺寸最優(yōu)工況(r/min)(/s)(%)HLA6167535cm0.28141.162480.11.0193.132.7 初選設計（額定）工況點 水輪機的選型設計工況點是指水輪機在額定水頭下發(fā)額定出力時的工況點，即（，）。 選擇設計單位轉速對于方案a：式中模型的最優(yōu)單位轉速,由參考資料1：。計算得： 。對于方案b：式中模型的最優(yōu)單位轉速,由相關資料：。計算得： 。 確定額定工況下的單位流量由1在HL2

18、60/D74模型轉輪綜合特性曲線上作的水平線交5%功率限制線于A點，A點即為初選設計工況點，見圖2.1。A點的單位流量即為初選設計工況點下的單位流量。對于方案a：，初選設計工況點為：（，1244L/S）；對于方案b：，初選設計工況點為：（，1244L/S）圖2.1 初選設計工況點2.8 確定轉輪直徑 水輪機的額定出力式中： Pg發(fā)電機額定功率,；g 發(fā)電機功率,一般可取0.96或0.98,本次設計取。計算得：。 轉輪直徑式中：；。 計算得 =0.895，。由2P15轉輪公稱直徑D1尺寸系列,取。2.9 確定額定轉速計算得：=413.1 。由2P15水輪發(fā)電機額定轉速系列表，可以選擇 ；由2P1

19、5水輪發(fā)電機額定轉速系列表，可以選擇 。2.10 效率及單位參數(shù)的修正 效率修正真機的效率修正：對于方案a： ,最后計算可得 ：.對于方案b： ,最后計算可得 ：. 單位參數(shù)修正2.11 核對所選擇的真機轉輪直徑 確定水輪機的真實工況點(1)模型機的設計單位轉速n11r(m)為： 如圖所示 則B點在n11r(m)水平線上。在其上查找點(m,Q11m),計算N11t，并做輔助曲線如圖所示。而，在輔助線上有一個Q11tr與之對應，從而得到Q11mr，將其返回圖中與線相交于B點，即為真是工況點。對于方案a，其計算表和輔助曲線如下，最終的真是工況點如圖2.4a。表2.3 a 輔助曲線計算數(shù)據(jù)表 0.9

20、0.910.920.920.910.9040.9140.9240.9240.91411.0351.0721.1561.2038.879.289.7210.4810.79對于方案b，其計算表和輔助曲線如下，最終的真是工況點如圖2.4b。表2.3 b 輔助曲線計算數(shù)據(jù)表m0.90.910.920.920.910.9t0.9030.9130.9230.9230.9130.903Q11t=Q11m0.8620.9220.9681.1041.151.193N11t7.6359678.2579218.7648829.99631210.3000110.56811 工作范圍的檢查最大水頭下，對應一個，最小水頭

21、下下，對應一個，下面分別求出和的大小。結論：如圖2.4a和2.4b，在圖中分別做出和的水平線，由圖可知：這兩條水平線之間包含了主要綜合特性曲線的最優(yōu)效率區(qū)，平均效率較高，水輪機真實的設計工況點B在最有工況點的附近，比較兩種方案，方案b的搞笑取款而廣，且真是工況點b更接近最有工況點，故而綜合分析，最終選定方案b。該水輪機機型為：HLA616-LJ-160，其主要參數(shù)如下：轉輪直徑： 額定轉速：設計單位轉速： 設計單位流量圖2.3a:HLA616-LJ-160 水輪機真實工況點圖2.3b:HLA616-LJ-160 水輪機真實工況點2.12 確定水輪機導葉的最大開度、最大可能開度、最優(yōu)開度 計算原

22、型機的導葉分布直徑 計算模型機的導葉分布直徑計算得： 計算水輪機導葉的最大開度在模型機和真機保持幾何相似，即當時，可按相似換算 計算水輪機導葉的最大可能開度 計算水輪機導葉的最優(yōu)開度2.13 計算水輪機額定流量 2.14 確定水輪機允許吸出高度水輪機允許吸出高度本次設計采用的水輪機吸出高度Hs計算公式為： 式中：水電站水輪機安裝海拔高度，m 空蝕安全系數(shù)。對HL，當H=30250m時取1.151.20，這里取1.18各對應水頭下的工況點的空蝕系數(shù)。在進行各水頭下的工況點空蝕系數(shù)查找時，需要作輔助線。為此列表計算，并得出各水頭下的輔助線。且在各水頭下，為已知，從輔助曲線上即可找到該水頭下發(fā)出的額

23、定功率的工況點，從而得出其空蝕系數(shù)。列表計算時，包括了，六個水頭。 表2.4 各水頭下的輔助曲線計算表N11t1=11.4784.930.890.880.870.860.850.8930.8830.8730.8630.853Q11t1.2391.281.311.341.38N11t10.85 11.09 11.22 11.34 11.55 N11t2=10.7783.160.910.920.920.910.90.890.9130.9230.9230.9130.9030.893Q11t0.9440.991.111.1541.1961.24N11t8.45 8.96 10.05 10.34 10.

24、59 10.86 N11t3=10.3181.960.90.910.920.920.910.90.9030.9130.9230.9230.9130.903Q11t0.8620.9220.9681.1041.151.193N11t7.64 8.26 8.76 10.00 10.30 10.57 N11t4=10.1481.490.90.910.920.920.910.90.9030.9130.9230.9230.9130.903Q11t0.8520.9140.971.1071.151.19N11t7.55 8.19 8.78 10.02 10.30 10.54 N11t5=9.6880.260.

25、90.910.920.920.910.90.9030.9130.9230.9230.9130.903Q11t0.8340.8870.941.0961.1461.185N11t7.39 7.94 8.51 9.92 10.26 10.50 N11t6=9.6278.380.90.910.920.920.910.90.9030.9130.9230.9230.9130.903Q11t0.820.8560.91.081.1441.18N11t7.26 7.67 8.15 9.78 10.25 10.45 根據(jù)查出的數(shù)據(jù)，在坐標紙上畫出曲線，見圖圖2.4.6：圖 輔助曲線 H=65.2m 圖 輔助曲線

26、H=68m 圖 輔助曲線 H=70m 圖 輔助曲線 H=70.82m 圖 輔助曲線 H=73m圖 輔助曲線 H=76.55m在各水頭下的曲線，再根據(jù)值查出對應的單位流量，再將各水頭下單位流量的和對應的單位轉速值查HLA616綜合效率特性曲線，依次得出各空蝕系數(shù)：0.09，0.083 ，0.074 ，0.072 ，0.069，0.068 。其吸出高度為：H=65.2m時，Hs=10-908/900-1.18*0.096*65.2=1.61mH=68m時，Hs=10-908/900-1.18*0.083*65.2=2.33mH=70m時，Hs=10-908/900-1.18*0.074*65.2=

27、2.97mH=70.82m時，Hs=10-908/900-1.18*0.072*65.2=3.89mH=73m時，Hs=10-908/900-1.18*0.069*65.2=3.05mH=76.55m時，Hs=10-908/900-1.18*0.068*65.2=2.85m最后求出水輪機的允許吸出高度為：確定水輪機的安裝高程對立式機組：2.15 計算水輪機的飛逸轉速HL式及其他固定葉片式水輪機飛逸轉速的計算公式為：2.16 計算軸向水推力2.17 估算水輪機的質量水輪機的質量（不包括調速器、油壓設備及其他輔助設備時）可按下式計算：2.18 繪制水輪機運轉綜合特性曲線在內取4個水頭，并計算各個水

28、頭對應的模型單位轉速，其計算公式為： 繪制各水頭H下， 關系曲線由HLA616模型轉輪綜合特性曲線上，分別作的水平線，取該水平線與各等效率線的交點，讀出各點對應的，并將數(shù)據(jù)記入表表2.5.6。表 的計算表 序號10.870.8730.7588.7520.880.8830.7949.2730.890.8930.8810.3940.90.9030.93811.2050.910.9130.96811.6860.920.9231.00012.270.920.9231.11413.5980.910.9131.15813.9890.90.9031.19714.29100.890.8931.23914.63

29、110.880.8831.2814.93120.870.8731.3115.12表 的計算表 序號10.870.8730.7349.0220.880.8830.7709.5730.890.8930.82010.3140.900.9030.90011.4450.910.9130.94412.1460.920.9230.99012.8770.920.9231.11014.4380.910.9131.15414.8490.90.9031.19615.21100.890.8931.24015.59110.880.8831.28015.92120.870.8731.31016.10表 的計算表 序號10

30、.870.8730.7209.2420.880.8830.7549.7930.890.8930.80410.5640.90.9030.86211.4550.910.9130.92212.3860.920.9230.96813.1470.920.9231.10414.9980.910.9131.15015.4490.90.9031.19315.84100.890.8931.23916.29110.880.8831.2816.62120.870.8731.3116.79表 的計算表 序號10.870.8730.7209.4120.880.8830.7529.9430.890.8930.80010.

31、6940.90.9030.85211.5250.910.9130.91412.4960.920.9230.97013.4070.920.9231.10715.2980.910.9131.15015.7190.90.9031.19016.08100.890.8931.23816.55110.880.8831.27816.89120.870.8731.30617.06表 的計算表 序號10.870.8730.7109.7120.880.8830.74410.2930.890.8930.78510.9840.90.9030.83411.8050.910.9130.88712.6860.920.923

32、0.94013.5970.920.9231.09615.8580.910.9131.14616.3990.90.9031.18516.76100.890.8931.23017.20110.880.8831.27017.57120.870.8731.30417.83表 的計算表 序號10.870.8730.7128.7520.880.8830.7409.2730.890.8930.78010.3940.900.9030.82012.4550.910.9130.85613.1560.920.9230.90013.9770.920.9231.08016.7780.910.9131.14417.579

33、0.900.9031.18017.92100.890.8931.22018.32110.880.8831.26018.71120.870.8731.29619.03依據(jù)表表2.5.6中的數(shù)據(jù)繪制各水頭下的關系曲線，在繪制此曲線時，有事其最高效率點不易找出。同時，在做等效率曲線時，其拐點不易找出，此時都應借助輔助曲線易找出，此時都應借助輔助曲線最終的曲線如圖2.6所示：表2.6 計算表0.93430.9230.9130.9130.923H73.390.7198.256.9161 圖2.5 圖2.6 各H下，關系曲線 繪制各水頭H下， 關系曲線在HLA616模型轉輪綜合特性曲線上，分別作6個水頭對

34、應的線，讀出該線與線的每個交點對應的，值，然后根據(jù)公式：，分別代入不同的，計算出各個對應的，根據(jù)公式：，分別代入不同的，計算出對應的，數(shù)據(jù)記入表2.7，根據(jù)表2.7中的數(shù)據(jù)，繪制各個水頭下的關系曲線，見圖2.7。表2.7 各水頭下計算表H=65.2m0.080.0850.090.0951.11.1861.241.265P13.4614.2214.6314.86+0.10.1050.110.115Hs2.47 2.15 1.82 1.49 H=68m0.080.0850.090.0951.1881.221.261.286P15.1515.4315.7615.95+0.10.1050.110.11

35、5Hs2.191.851.511.17H=70m0.080.0850.090.0951.2151.2351.271.295P16.1216.2516.5516.73+0.10.1050.110.115Hs1.991.641.290.94H=70.82m0.080.0850.090.0951.2251.241.271.3P16.416.5516.8217.34+0.10.1050.110.115Hs1.911.561.20.85H=73m0.070.0750.080.0850.090.0951.071.1671.2351.251.281.306P15.516.517.2617.4117.6417

36、.83+0.090.0950.10.1050.110.115Hs2.422.061.691.330.960.6H=76.55m0.070.0750.080.0850.090.0951.0151.1551.2381.2651.2931.318P15.8517.6818.5318.7518.9419.24+0.090.0950.10.1050.110.115Hs2.101.721.340.950.570.19 圖2.7 各個水頭下的關系曲線 繪制水輪機運轉綜合特性曲線(1)繪制等效率曲線在圖2.6中分別令，這里=0.88，0. 90，0.91，0.92，0.93，0.934，作的水平線，每條水平線

37、與6個不同H下的曲線分別有交點，將各點投影到H-N坐標圖上，再將各相等的點練成光滑的曲線，即為等效率曲線。(2)繪制等吸出高度線l 繪制等吸出高度線Hs=f(H，N)繪制輔助曲線，從表2.7中可直接得出，如圖2.8所示。 圖2.8 輔助曲線l 繪制Hs=f(N)曲線。 a在HLA616綜合特性曲線上作各水頭下的 =const水平線，交各=const線于若干點，將各點的及記入表2.7中。 b.根據(jù)，由查出N值，記入表2.7中，并計算Hs的值。 c根據(jù)表2.7中的Hs與N繪制各水頭下的Hs=f(N)曲線，如圖2.7所示。在圖2.7中，分別令，作的水平線與各H下，曲線的交點，將各點投影到H-N坐標圖

38、上，再將各Hs相等的點練成光滑的曲線，即為吸出高度線，從而得到真機的等吸出高度線。(3)繪制功率限制線首先，根據(jù)公式計算出=14640KW，式中：為=84.93r/min)與HLA616模型轉輪綜合特性曲線上的5%功率限制線的交點所對應的流量=1.240，為該點對應的與之和，算出后，在水輪機綜合特性曲線上找點A（，），,再根據(jù)前面算出的，找到點B。然后，通過B點作線的垂線，即為發(fā)電機的功率限制線。水輪機機型為：HLA616-LJ-160運轉綜合特性曲線繪制到此結束，見圖SLH-01。3 水輪機導水機構運動圖的繪制3.1導水機構的基本類型按照水流在水輪機導葉中的流動方向分為：(1)徑向式導水機構

39、：水流沿著垂直于水輪機軸線的平面徑向地流過導葉。此時由于導葉軸線均布在水輪機同心的圓柱面上，故又稱圓柱式導水機構。其導葉傳動機構為平面運動機構，結構較簡單。(2)斜向式導水機構：水流沿著以水輪機軸為中心線的圓錐面斜向地流過導葉。此時由于導葉軸線均布在水輪機同心的圓錐面上，故又稱為圓錐式導水機構。這種導水機構主要用于斜流式水輪機和燈泡式水輪機。其導葉傳動機構不是平面運動機構，致使機構較復雜。(3)軸向式導水機構：水流沿著與水輪機同心的各個圓柱面軸向地流過導葉。此時由于導葉軸線位于半徑方向上，故又稱圓盤式導水機構。這種導水機構主要用于全貫流式水輪機，其功用和缺點與斜向式導水機構較相似，且因導葉的排

40、擠使流速大為增加，造成較大的水力損失，性能不如斜向式導水機構優(yōu)越。本次設計采用的是徑向式導水機構。3.2 導水機構的作用導水機構的作用是：形成或改變進入轉輪的水流環(huán)量。協(xié)同引水室向轉輪均勻引水。按電力系統(tǒng)所需要的功率調節(jié)通過水輪機的過流量。導葉在關閉位置時能停止水輪機運行，并在機組甩負荷時防止產(chǎn)生飛逸 。3.3 導水機構結構設計的基本要求在導水機構結構設計中，許多結構尺寸和傳動關系必須取決于導水機構的傳動運動關系，以達到以上設計要求。因此，水輪機導水機構運動關系圖是結構設計中最重要的圖紙。在結構上導水機構應滿足以下要求：導水機構過流部件應與模型水輪機相應部件保持幾何相似。即在所有工況下，水流應

41、平滑繞流導葉，導葉尾部不應形成旋渦。導葉的最大開度和最大可能開度要可靠，以保證水輪機有足夠的過流能力。在關閉狀態(tài)下，導葉與導葉之間的間隙（立面間隙），導葉上端面與頂蓋的間隙以及導葉下端面與底環(huán)的間隙（端面間隙）要合理，既能保證機組可靠地停機和水輪機的調相運行，又能便于導葉的安裝及調整。導水機構中應有安全保護裝置，如設置剪斷銷、限位銷等，以防止導葉被異物卡住而引起主要傳動部件破壞。導水機構應轉動靈活，各部件之間的摩擦面應有良好的潤滑。導葉應具有足夠的強度和剛度。對多泥沙河流中的水輪機導水機構，還應在結構設計及材料選擇上采取適當措施，以防止磨損破壞。3.4 導水機構運動圖繪制的目的水輪機在進行負荷

42、調節(jié)時，導水機構各運動部件（導葉、連桿、拐臂、控制環(huán)、推拉桿、接力器等）所在位置與導葉開度之間的關系圖，稱為導水機構運動圖。繪制導水機構運動圖有以下目的：確定最大可能開度下所需的接力器行程，從而最終確定各傳動機構的尺寸參數(shù)；確定最大可能開度下的接力器行程Smax，繪制接力器行程S與導葉任意開度的關系曲線，并檢查導水機構運行時的均衡性（即各曲線是否連續(xù)光滑）確定不同導葉開度下的，值，并繪制=f(), =f()曲線。確定控制環(huán)大耳孔、小耳孔的相對位置及相應的推拉桿位置，使得大耳孔在2個極限位置時，推拉桿的偏斜角度為最小。確定導葉限位塊的位置，檢查傳動件在不同位置下是否相撞，尤其是在剪斷銷（或其他保

43、護裝置）斷裂時是否會造成連桿與導葉臂相撞。限位塊一般位于底環(huán)上（為了減少水力損失及提高水輪機的抗空蝕能力，現(xiàn)在更多地把它設計在非過流部件上），其位置的確定是在導葉最大可能開度下推一個適當?shù)木嚯x。a.對于大中型水輪機：=2030mm; b.對于小型水輪機：=010mm確定導葉關閉時，相鄰導葉間的密封位置及導葉端面密封條的分布圓直徑，或端面密封所需的最小平面尺寸。確定固定導葉的布置位置及進、出口角，設計固定導葉的形狀。3.5 導水機構運動圖的繪制步驟 確定真機基本結構及布置導葉圖(1)確定真機導水機構尺寸參數(shù)：及真機導葉形狀尺寸。本次設計采用正曲率導葉，導葉形狀見附圖9。由3非對稱導葉葉形斷面尺寸

44、系列表可知：，及如圖9中所示的導葉葉形斷面尺寸見表3.1：（單位：mm）表3.1 導葉葉形斷面尺寸表 L=412真機導水機構的裝配尺寸，由3導水機構裝配尺寸系列表得到以下參數(shù)，見表3.2。表3.2 真機導水機構裝配尺寸=22°確定了以上參數(shù)后，即可根據(jù)實際情況選取合適的比例（本次設計選取的比例為：1：3），計算出對應的各個參數(shù)值并繪制導葉斷面型線示意圖，見圖3.1。圖3.1 導葉斷面型線示意圖(2)計算真機導葉開度,包括最優(yōu)開度、最大開度及最大可能開度等值。對于大中型機組，由于可以較嚴格地保持模型與真機的幾何相似關系，即當：，故開度系列可由導葉開度換算得到，即： 由選型計算中：步驟1

45、.11.5可知：對于中小型機組：由于簡化結構的需要，常常使得D0/D1>1.16，Z0減少，使得模型與真機之間的幾何相似關系遭到破壞，此時就不能利用上述公式進行導葉開度換算，為了使真機與模型機導水機構水流運動保持運動相似，只有使模型機與真機的導葉出流角相等。這里不再敘述。根據(jù)導葉形狀參數(shù)及繪圖比例（1：3），繪制4個相同的導葉，使其在D0圓 確定，值為連桿與控制環(huán)小耳孔所在圓周切線方向的夾角，為連桿與導葉轉臂夾角。確定與值的步驟為：將導葉置于全關狀態(tài)，此時要求=70° 80°，90°100°，否則可適當調整拐臂與連桿的長度，在全關時，拐臂中心線與D

46、0圓周切線夾角為0=22°，從而可確定出初始位置。所選開度值為： ； ； ； ； ； 轉動導葉（傳動機構隨之改變位置），讓相鄰導葉間的開度等于上述計算出的開度值，量取角度，并填入表3.3中。調整后：，連桿長。根據(jù)表3.3作出=f(),=f()、S=f()曲線及檢查光滑性，如圖3.2。表3.3 導葉運動關系值圖3.2 及其光滑性檢查 確定大、小耳孔的相對位置及接力器行程S首先使導葉處于全關狀態(tài)，得到小耳孔中心全關位置點A，使導葉處于時，得到小耳孔中心最大可能開度的位置點B，的一半即是小耳孔的中間位置，將A，B兩點作射線與大耳孔圓的交點為，則的一半即是大耳孔的中間位置，大耳孔移動的弦長即

47、是接力器行程S。 確定限位塊的位置限位塊在導水機構中的作用是為了減少水力損失及提高水輪機的抗空蝕能力，現(xiàn)在更多的是把它設計在非過流部件上，其位置的確定是在導葉最大可能開度下外推一個適當?shù)木嚯x。對于大中型水輪機：=2030mm; b.對于小型水輪機：=010mm，本次設計取=30mm. 。導水機構運動圖見圖SLH-02。4 水輪機金屬蝸殼水力設計4.1 蝸殼類型的選擇蝸殼的功用是將水流均勻引入導水機構并形成一定的速度環(huán)量。蝸殼分為混凝土蝸殼和金屬蝸殼兩種類型。其型式的選擇主要是根據(jù)水電站的水頭進行的，最大水頭在40m以內的機組，通常采用混凝土蝸殼，這類蝸殼的斷面形狀呈“T”或“”形，其包角為135°270°；當水頭超過40m時，一般選用鋼板焊接蝸殼，端面形狀有圓形及橢圓形兩種，包角一般為345°360°。因為本次設計的最大水頭為：=76.55m，所以采用金屬蝸殼。金屬蝸殼斷面