1、毕业论文设计水电站水轮机的选型设计水利水电工程2水电站水轮机的选型设计摘 要本说明书共七个章节，主要介绍了大江水电站水轮机选型，水轮机运转综合特性曲线的绘制，蜗壳、尾水管的设计方案和工作原理以及调速设备和油压装置的选择。主要内容包括水电站水轮机、排水装置、油压装置所满足的设计方案及控制要求和设计所需求的相关辅助图和设计图。系统的阐明了水电站相关应用设备和辅助设备的设计方案的步骤和图形绘制的方法。关键词：水轮机、综合运转特性曲线图、蜗壳、尾水管、调速器、油压装置。【abstract】Curriculum project of hydrostation is a important course
2、and practical process in curriculum provision of water-power engineering major . There are more contents and specialized knowledge in the curriculum project , which make students not to adapt themselves quickly to complete the design . In this paper , characteristic of the curriculum project is anal
3、yzed , causes of inadaptation to the curriculum project in students are found , rational guarding method are proposed , and a example of applying the guarding method is given . The results show that using provided method to guard student design is a good method , when teaching mode and time chart ar
4、e given , students are guarded from mode of thinking and methodology , and design step are discussed and given . After the curriculum project of hydrostation , the capability of students to solve practical engineering problems is improved , and the confidence to engage in design is strengthened .【Ke
5、yword】Curriculum project of hydrostation ; guarding method ; mode of thinking ; methodology; 河北工程大学课程设计3design step.水电站水轮机选型设计第一节 基本资料 41.1 基本资料1.2 设计内容第二节 机组台数与单机容量的选择 42.1 机组台数与机电设备制造的关系2.2 机组台数与水电站投资的关系2.3 机组台数与水电站运行效率的关系2.4 机组台数与水电站运行维护工作的关系2.5 单位容量的选择第 三 节 水轮机型号、装置方式、转轮直径、转速、及吸出高度与安装高程的确定 53.1
6、HL240 型水轮机3.2 ZZ440 型水轮机3.3 两种方案的比较分析第四节 水轮机运转特性曲线的绘制 134.1 基本资料4.2 等效率曲线的计算与绘制4.3 出力限制线的绘制4.4 等吸出高度线的绘制第五节 蜗壳设计 155.1 蜗壳型式选择5.2 主要参数确定5.3 蜗壳的水力计算及单线图，断面图的绘制第六节 尾水管设计 186.1 尾水管型式的选择6.2 尺寸确定及绘制平面剖面单线图第七节 调速设备的选择 198.1 调速器的计算8.2 接力器的选择8.3 调速器的选择8.4 油压装置的选择河北工程大学课程设计5参考资料 21大江水电站水轮机选型设计第一节 基本资料1.1 基本资料
7、大江水电站，最大净水头 Hmax=35.87m，最小净水头 Hmin=24.72m，设计水头 Hp=28.5m，电站总装机容量 N 装 =68000KW，尾水处海拔高程=24.0m，要求吸出高 Hs -4m。1.2 设计内容水轮机是水电站中最主要的动力设备之一，它关系到水电站助工程投资、安全运行、动能指标及经济效益等重大问题，正确地进行水轮机选择是水电站设计中的主要任务之一。本次设计的内容有： (1) 确定机组台数与单机容量。(2) 确定水轮机的型号与装置方式。(3) 确定水轮机的转轮直径与转速。(4) 确定水轮机的吸出高度与安装高程。(5) 绘制水轮机运转特性曲线。(6) 确定蜗壳、尾水管的
8、型式与尺寸。(7) 选择调速器与油压装置。第二节 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，就可以拟订可能的机组台数方案，当机组台数不同时，则单机容量不同，水轮机的转轮直径、转速也就不同，有时甚至水轮机型号也会改变，从而影响水电站的工程投资、运行效率、运行条件以及产品供应。选择机组台数与单机容量时应遵守如下原则：2.1 机组台数与机电设备制造的关系机组台数增多，单机容量减少，尺寸减小，制造及运输较易，这对制造能力和运输条件较差的地区有利的，但实际上说，用小机组时单位千瓦消耗的材料多，制造工作量大，所以最好选用较大容量的机组。2.2 机组台数与水
9、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多，而且相应的阀门、管道、调速设备、辅助设备、电气设备的套数增加，电气结构较复杂，厂6房平面尺寸增加，机组安装，维护的工作量增加，因而水电站单位千瓦的投资将随台数的增加而增加，但采用小机组时，厂房的起重能力、安装场地、机坑开挖量都可以缩减，因而有减小一些水电站的投资，在大多数情况下，机组台数增多将增大投资。2.3 机组台数与水电站运行效率的关系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时，由于负荷经常变化，而且幅度较
10、大，为使每台机组都可以高效率工作，需要更多的机组台数。2.4 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。水电站运行方式就较灵活，易于调度，机组发生事故产生的影响小，检修较易安排，但运行、检修、维护的总工作量及年运行费用和事故率将随机组台数的增多而增大，故机组台数不宜太多。上述各种因素互相联系而又相互对立的，不能同时一一满足，所以在选择机组台数时应针对具体情况，经技术经济比较确定。遵循上述原则，该水电站的装机容量为 6.8 万 kw，由于 1.5 万 kw-4m3.1.6 装置方式：采用立轴安装方式3.1.7 安装高程的确定由立轴混流式 HL24020bHZsWA=24+3.28
11、+3.30.365/2=27.88m所以，HL240 型水轮机方案的吸出高度满足电站要求 H. 3.2 ZZ440 型水轮机3.2.1 转轮直径 D 计算rrHQN18.910式中 N r,H 均同前 .对于 1Q值,可由附表 2 查得该型水轮机在限制工况下的1Q=1650L/S,同时还查得气蚀系数 =0.380.65 但在允许的吸出高为-4m 时,则相应的装置水轮机的空蚀系数为Hs901-= 04.5.28910=0.45在满足-4m 吸出高度的前提下， 1Q值可在 ZZ440 型水轮机主要综合特性曲线中可查得选用工况点（ 10minnr，=0.45）处的单位流量 1Q为 1205LS。同时
12、可查得该工况点的模型效率 M=86.2，并据此可以初步假定水轮机的效率为 89.5。将以上的 r1rNQ 、 H、 、 各参数值代入，= 5.289.025.1897=3.32m基本符合标准直径,故选用直径 1D=3.3m3.2.2 转速 n 计算水轮机的转速为:n= 10DHnav= 3.05=190.87r/min 选用与之接近而偏大的同步转速 n=214.3r/min.3.2.3 效率及单位参数修正对于轴流转浆式水轮机，必须对其模型综合特性曲线图上的每个转角 的效率进行修正。11.rD河北工程大学课程设计11当叶片转角为 时的原型水轮机最大效率可用下式计算,根据表 3-7 知10.46M
13、D、 3.5MHm，并已知 1D=3.3m， rH=28.5m，带入上式则得:max=1-(1- ax)(0.3+0.7 53.460.28)=1-0.683(1- maxM)叶片在不同转角 时的 maxM可由模型综合特性曲线查得，从而可求出相应的 值的原型水轮机的最高效率 。当选用效率的制造工艺影响修正值 1%时，即可计算出不同转角 时的效率修正值 %1maxaxM其中计算结果如下表(3-1):表 3-1 ZZ440 型水轮机效率修正值计算表叶角转角 （ ） -10 -5 0 +5 +10 +15maxM（%） 84.9 88.0 88.8 88.3 87.2 86.0（%） 89.7 91
14、.8 92.4 92.0 91.3 90.4axax（%）4.8 3.8 3.6 3.7 4.1 4.4（%） 3.8 2.8 2.6 2.7 3.1 3.4由 附表 2 查得 ZZ440 型水轮机最优工况的模型效率为maxM=89。 由于最优工况接近于 0o等转角线，故可采用 =2.6%作为其修正值，- 从而可得原型最高效率为： max=89%+2.6%=91.6已知在吸出高度-4m 限制的工况点（ 105n， 1Q=1205m/s）处的模型效率为 M=86.2,而该工况点处于 和 两等角线之间，用内插法求得该点的效率修正值为 =3.22%，由此可得该工况点的原型水轮机效率为：=86.2%+
15、3.22%=89.42(与上述假定的效率 =89.5相近。)由于：max10Mn-1= 89.016-1=0.0145-4m所以，ZZ440 型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。3.2.6 装置方式：采用立轴安装方式3.2.7 安装高程的确定：立轴轴流式水轮机 1xDHZsWA=24-3.14+0.413.3=22.21m3.3 两种方案的比较分析为了便于分析比较,现将上述两种方案的有关参数列表如下:表 3-2 水轮机方案参数对照表序号 项目 HL240 ZZ4401 推荐使用的水头范围（m） 2545 20402 最优单位转速 10(in)r72 1153 最优单位流量 QLS1100 80
16、04 最高效率 max(%)M92 895模型转轮参数气蚀系数 0.195 0.426 工作水头范围（m） 24.7235.87 24.7235.877 转轮直径 1()D3.3 3.38 转速 inr125 214.39 最高效率 max%94.6 91.610 额定出力 ()rNkw17708 1770811 最大引用流量 3maxQs69.18 70.0712 吸出高度 ()SH3.28 -3.1413原型水轮机参数安装高程 ZA 27.88 22.21从上列对照表来看,两种不同型号的水轮方案在同样水头下的同时工作满足额定出力的情况下,两者比较来看,HL240 包含了较多的高效率区,气蚀
17、系数小，安装高程较高等优点,这可以提高水电站的年发电量和减少厂房的开挖量;而14ZZ440 型方案的优点仅表现在水轮机的转速高,有利于减小发电机尺寸，降低发电造价，但这种机型的水轮机极其调节系统的造价较高。由此看,若在制造供货方面没有问题时,初步选用 HL240 型方案较为有利.在技术设计阶段,尚需要计算出个方案的动能指标和经济指标,进一步进行分析比较,以选出合理的方案. 本设计就采用 HL240 型号的水轮机.第四节 水轮机运转特性曲线的绘制4.1 基本资料转轮的型式 HL240 型,主要综合特性曲线图 3-6（水电站 ）;转轮的直径和转速 1D=3.3m,额定转速 n=125r/min;特
18、征水头 maxH=35.87m, min=24.72m, rH=28.5m,水轮机的额定出力 rN=17708kw 设计尾水位 =24m安装高程 AZ=27.88m效率修正值为 minax=0.946-0.92-0.01=0.016=1.6%表 4-1 HL240 型水轮机等效率曲线计算表Hmax=35.87m max1n=87.3512=68.9(r/min) maxa19HDQN=22.95 )(MWr=28.5m min)/(3.75.2811 rnDrr N=16.25 )(1MWQminH=24.72m72.4315=83(r/min)N=13.13 )(1MWQm(%)13()s(
19、%m)Nm(%)13()s(%)()Nm(%)13()s(%)()N86 0.8 87.6 16.1 85 0.79 86.6 11.4 82.5 0.83 84.1 9.287 0.84 88.6 17.1 86 0.83 87.6 11.8 85 0.94 86.6 10.788 0.86 89.6 18 87 0.88 88.6 12.7 86 0.98 87.6 11.3河北工程大学课程设计154.2 等效率线的计算与绘制由于水电站的水头变化范围较小,现取水轮机工作范围内 3 个水头,列表 4-1 分别进行计算.依据表 4-1 中的数据绘制对应每个 H 值的效率特性曲线)(Nf，如图
20、4-1(a)所示。在该图上作出某效率值的水平线，它与图中各等H 线相交，绘制 HN 坐标图，连成光滑曲线，既得出等效率线，如图 4-1（b） 。4.3 出力限制线的绘制出力限制线表示水轮机在不同水头下实际允许发出的最大出力。由于水轮机与发电机配套运行，所以水轮机最大出力受发电机额定出力和水轮机 5%出力储备线的双重限制。依据表 4-2 绘制出力限制线。表 4-2 5%出力限制线上的点88.7 1.24 90.3 25.69 90.4 1.24 92.0 18.5 89.8 1.25 91.4 15.04.4 等吸出高度线的计算取 3 个水头,计算数据列表 4-3 分别进行计算.1、绘制 1Qf
21、N辅助曲线，如图 4-2(a)所示。2、求出各水头下的 1Mn值，并在相应的模型综合特性曲线上查出 1Mn水平线与各等气蚀系数 线的所有交点坐标， 1Q,值，填入下表。3、在 1QfN辅助曲线上查出相应于上述各 1的 N 值，填入下表。4、利用公式 09SHH计算出相应于上述各 的 sH值，填入下89 0.91 90.6 18.9 88 0.92 89.6 13.4 87 1.02 88.6 11.990 0.94 91.6 19.8 89 0.96 90.6 14.1 88 1.06 89.6 12.591 0.98 92.6 20.8 90 1.00 91.6 14.9 89 1.10 9
22、0.6 13.191 1.16 92.6 24.7 91 1.06 92.6 15.9 90 1.15 91.6 13.890 1.19 92.6 43.64 91 1.22 92.6 18.4 90 1.24 91.6 14.989 1.23 91.6 43.88 90 1.25 91.6 18.6 89 1.27 90.6 15.188 1.27 90.6 44.80 89 1.28 90.6 18.8 88 1.31 89.6 15.487 1.30 89.6 45.34 88 1.34 89.6 19.1 87 1.34 88.6 15.686 1.33 87.6 26.7 87 1.
23、36 88.6 19.2 86 1.36 87.6 15.716表。5、根据表中对应的 sH， N值，做出 SfN曲线，如图 4-2（b）所示。6、在 Sf图上任取 s值，做水平线与曲线相交，记下各交点的 sH、N值，绘于 HN 坐标图上，将各点连成光滑曲线即为等吸出高度线。表 4-3 HL240 水轮机等吸出高度线计算表H(m)1n(/mi)r1Q)/(3sN(MW) )(10.()9s(m)0.22 0.79 16 0.26 9.33 0.440.21 1.91 19.8 0.25 8.97 0.760.21 1.29 26.2 0.25 8.97 0.760.22 1.35 26.7 0
24、.26 9.33 0.4435.87=0.04 68.90.23 1.37 26.9 0.247 9.68 0.050.22 0.81 11.3 0.26 7.41 2.320.21 0.85 12.1 0.25 7.13 2.600.20 0.95 14 0.24 6.84 2.890.20 1.29 18.8 0.24 6.84 2.890.21 1.33 19.1 0.25 7.13 2.6028.5=0.0477.30.22 1.35 19.3 0.26 7.41 2.320.22 0.91 10.6 0.26 6.34 3.30.21 1.03 12.4 0.25 6.18 3.55
25、0.21 1.21 14.4 0.25 6.18 3.550.22 1.26 14.8 0.26 6.43 3.324.72=0.04 83.00.23 1.30 15.2 0.27 6.67 3.06第五节 蜗壳设计5.1 蜗壳型式选择由于本水电站水头高度小于 40m，所以采用混凝土蜗壳。5.2 主要参数确定5.2.1 断面形状的确定由于水轮机为中型水轮机，由相关资料确定，考虑在蜗壳顶部布置调速接力器的方便选择平顶梯形断面，即当 0n时， 015选取 0； 7.15ab选择 6.1ab；由水利机械附录二水轮机标准座环尺寸系列查取：混流式水轮机外径 D=5.0m，内径 bD=4.3m，转轮直径
26、 1D=3.3m，设计水头 rH=28.5m，设计流量 TQ=68.62 m/s。河北工程大学课程设计175.2.2 蜗壳包角的选择混凝土蜗壳 002718，选取 027o5.2.3 蜗壳进口断面面积及尺寸 Q进口断面流速：HaVc=0.824 5.28=4.40(m/s)进口断面流量:0036TQ= 70.=51.47m/s进口断面面积:cVF04.51=11.70m5.3 蜗壳的水力计算及单线图，断面图的绘制5.3.1 根据以选择的蜗壳断面形状，确定具体尺寸 365.0.1)(2tan1 0DbmabrbFa 2.135.480bma5.3.2 中间断面尺寸顶角的变化规律采用抛物线轨迹，则
27、：01naK maK21.55进口断面的最大半径 1R：= ar=2.5+2.82=5.32m 在 1R至 ar之间设不同的 i，求出 i、 ib、 im、 iF、 i，计算见表 5-1。根据表 5-1 绘制辅助曲线 5-1(a)，根据需要，选定若干个 i（每隔 045）由图 5-1 查出相应的 i及其断面尺寸，如表 5-2 所示。便可绘制 蜗壳平面单线图,如图185-1(b)。进口宽度取 10DRB=5.32+3.3=8.62m。表 5-1 中间断面尺寸相关计算中间断面尺寸计算Ri 5.32 4.82 4.32 3.82 3.32 2.82 2.5 2.15 备注ai 2.82 2.32 1
28、.82 1.32 0.82 0.32 ai=Ri-rami 3.31 2.24 1.47 0.73 0.28 0.04 mi=ai/k2bi 4.51 3.44 2.67 1.93 1.48 1.24 1.2 1.2 bi=bo+miSi 计算表r 5.32 4.82 4.32 3.82 3.32 2.82 2.5 2.15 Sib 4.51 4.51 4.51 4.51 4.26 2.39 1.2 1.21b/r 0.85 0.94 1.04 1.18 1.28 0.85 0.48 0.56 3.07r 4.82 4.32 3.82 3.32 2.82 2.5 2.15 Sib 3.44 3
29、.44 3.44 3.44 2.39 1.20 1.20 2.19 2b/r 0.71 0.80 0.90 1.04 0.85 0.48 0.56r 4.32 3.82 3.32 2.82 2.5 2.15 Sib 2.67 2.67 2.67 2.39 1.20 1.20 3b/r 0.62 0.70 0.80 0.85 0.48 0.56 1.52 r 3.82 3.32 2.82 2.5 2.15 Sib 1.93 1.93 1.93 1.20 1.20 4b/r 0.51 0.58 0.68 0.48 0.56 0.97 r 3.32 2.82 2.5 2.15 Sib 1.48 1.
30、48 1.20 1.20 5b/r 0.45 0.52 0.48 0.56 0.59 r 2.82 2.50 2.15 Sib 1.24 1.20 1.20 6b/r 0.44 0.48 0.56 0.33 r 2.50 2.15 Sib 1.20 1.20 7b/r 0.48 0.56 0.18 Q、 计算表编号 Ri Si Q Fi Vi1 5.32 3.07 51.47 270.00 11.70 4.40 河北工程大学课程设计192 4.82 2.19 36.73 192.68 7.73 4.75 3 4.32 1.52 25.49 133.73 4.99 5.11 4 3.82 0.9
31、7 16.27 85.34 2.90 5.61 5 3.32 0.59 9.89 51.91 1.62 6.11 6 2.82 0.33 5.53 29.03 0.82 6.75 7 2.5 0.18 3.02 15.84 0.42 7.19 表 5-2 R 关系编号 1 2 3 4 5 6 7角度（） 270 225 180 135 90 45 0半径R（m） 5.32 5.05 4.63 4.34 3.88 3.19 2.15第六节 尾水管设计6.1 尾水管型式的选择尾水管的形式很多，最常用的有直锥形、弯锥形和弯肘型三种型式，本设计中尾水管型式采用弯肘形。弯肘形尾水管由进口直锥段、中间肘管
32、段和出口扩散管三部分组成。6.2 尺寸确定及绘制平面剖面单线图查看水电站机电设计手册第一卷水力机械 26 页查 HL240 的转轮流道尺寸图。1、进口直锥段，采用 12304.D=3.43m，HL240 取单边扩散角 8o2、肘管段： 4.cV30000KW属大型调速器，则接力器调速柜和油压装置应分别进行计算和选择。7.2 接力器的选择7.2.1 接力器直径的计算河北工程大学课程设计21由已知条件判断,采用两个接力器来操作水轮机的导水机构，查水利机械得选用额定油压为 2.5Mpa，则每个接力器的 10maxDbHdsm已知导叶数目 240Z；为标准正曲率导叶，查水力机械表 5-3 得03.；又
33、导叶的相对高度 365.01Db，带入上式得：87.sd=0.358m=358mm选择与之接近而偏大的 s=375mm 的标准接力器。7.2.2 接力器最大行程的计算 max0max)8.14(S(mm)max0导叶最大开度（mm） 。可由模型的 求出，以下公式换算求得：0max0axZDM式中 : maxo可由设计工况点（ 1rn77.3r/min， 1axQ1190 Ls）在模型综合特性曲线上查得 25mm，同时可得 0M=534mm， 240M，选用水轮机的107.D=1.173.3=3.86m=3860mm， Z则ma1824536mx0当选用计算系数为 1.8 时，则axS=1.81
34、81=326mm=0.326m7.2.3 接力器容量的计算两个接力器的总容积 072.36.75.03.2max SdVss 3m7.3 调速器的选择大型调速器的型号是以主配压阀的直径来表征的，主配压阀的直径 1.3sSmVdT选 4,.5smTVs则：225.407213.d=0.071m=71mm由此在表中选择与之相邻的 DT-80 型电气压型调速器7.4 油压装置的选择此处油压装置不考虑放空阀和进水阀的用油，则压力油罐的容积为 sVk)2018(=(1820)0.072=1.301.44m由此在表中选择与之相邻而偏大的 YZ-1.6 型分离式油压装置。说明：根据以上计算的出的调速设备的选择为调速器型式选用 DT-80 型电气压型调速器油压装置型号选择 YZ-1.6 型分离式油压装置接力器选择 sd=375mm 的标准接力器参 考 文 献：1. 水电站机电设计手册编写组编,水电站机电设计手册第一卷 水利机械,水利电力出版社，1983。2. 河海大学 刘启钊主编，水电站（第三版） ，中国水利水电出版社，2009。3. 西安理工大学 金钟元编，水利机械（第二版） ，中国水利水电出版社，2004。
