水轮机主机选型--毕业设计.doc

摘 要水电站机电部分设计主要根据获得的设计材料中给定的水头范围进行的主机选型，根据选择的三方案中择优进行模型综合特性曲线的绘制，即选出一方案进行绘制，再根据效率，转速等选其一进行蜗壳、尾水管、水轮发电机外形的计算和绘图，最后进行水轮机的调节保证计算和调速器设备选择。关键字：水轮机主机选型；水电站机电设备初步计算；外形设计；调节保证计算。前 言毕业设计是高等教育教学中的最后一个教学环节，是实践性教育的环节。毕业设计与其他教学环节构成有机的整体，也是各个教学环节的继续、深化补充和检验，是将分散、局部的知识内容加以全面的结合，这次设计提高了我们运用知识的综合能力，将知识化为能力，巩固和加深所学知识，培养知识，综合了系统化的运用。目前，我国大陆水力资源理论蕴藏在1万KW以上的河流共3886条，水力资源理论蕴藏年发电量6082.9Twh；技术可开发装机容量541.64GW。经济可开发装机容量401.8GW。我国水力资源具有三个鲜明特点：第一、在地域上分布极不平衡，西部多，东部少。西部水利资源开发出了满足西部电力市场的需要，更重要的是考虑东部电力市场。第二、大多数河流年内、年际经流分布不均。第三、水力资源集中于大江大河，有利于集中开发和规模外送。本次设计的主要内容为主机选型、蜗壳、尾水管、发电机确定和调节保证计算。设计过程中，依据资料水电站水头，单机引水流量，总装机，对水轮机发电进行初选，并根据单位转速，模型综合特性曲线，对水轮机型号，转速，效率出力等进行认真计算，校验，对选择方案的蜗壳水管，水轮机选型和绘图。对水轮机进行调节保证机算。通过这次对相关专业知识的课题设计，更加深入的认识知识和实际应用，学会知识与实际结合、与实践结合，得以充分利用知识为以后工作打下了坚实的基础。 编者 2012年5月目 录摘要 .1 前言.2目录.3第一章 水轮机型号选择.5第一节 水轮机型的选择.5 第二节 初选水轮机基本参数的计算.6 第三节 水轮机运转综合特性曲线的绘制17 第四节 待选方案的综合比较和确定19 第二章 蜗壳计算.21第一节 蜗壳形式、进口断面参数选择.21 第二节 蜗壳各断面参数计算23 第三节 金属蜗壳图25 第三章 尾水管选型.26第四章 水轮发电机的初步选择计算27第五章 调节保证计算及设备的选择33第一节 调节保证计算33第二节 调速设备选型52 结论55总结与体会.56谢辞.57 参考文献.58 附录第一章 水轮机型号选择第一节 水轮机机型选择一、确定初选机型根据电站实际水头范围（一般按最大水头定）来进行选择合适的转轮，由最大水头Hmax=119m查转轮模型综合特性曲线得到初选的六个转轮型号，所选机型原始参数如下。水轮机型号初选参数表 表1-1 参数转轮型号n110m110mQm限m限A12-2569.00.8940.0868900.870A232-3569.50.9070.08010400.884A278-3578.00.9180.13511650.870A28-2571.00.8980.1008950.870A285-3574.00.9180.13912400.860A611-3571.00.9140.0809760.889二，确定机组台数在选择机组台数时，应在以下几方面综合考虑 成本因素运行效率因素电厂主接线图运行维护的因素电力系统因素制造、运输及安装的因素三，布置方式根据ZSQ水电站设计资料，电站最大水头119m，设计最小水头95m，装机容量220000KW。当机组台数Z=2时：N单=N电站/Zf=220000/20.98=112245KW当机组台数Z=3时：N单=N电站/Zf=220000/30.98=74830KWf为发电率，一般取0.960.98根据装机容量的大小，可以选用立式布置方式。第二节 初选水轮机基本参数计算一，计算参数从初选的六个转轮型号中根据n110越高，机组效率越好等因素选出三个转轮型号进行基本参数计算。三个转轮型号分别为：A232-35 , A 278-35 , A28-25 方案一：转轮型号A232-35 Z=2时；N单=112245 KW水轮机转轮直径D1= T=限+（13）%=0.9按计算值查设计手册P36选标准直径为D标=3.8m原型机最大效率=1-(1-)=1-(1-0.925)=0.942原型效率修正值 判断单位参数是否修正-1=-1=0.0193% 不修正 原机型的转速n=177.41(r/min)根据水轮机P326表得发电机的同步转速n=187.5r/min原机型的平均效率=m+=0.884+0.035=0.919校核出力N=9.81Q11=9.811.0400.919=145669.6KWN/N=1.30 校核不成功方案二：转轮型号为A232-35 Z=3时N单=74830KW水轮机转轮直径D1=2.746mT=限+（13）%=0.904按计算值查设计手册P36标准直径为D标=2.75m原型机最大效率=1-(1-)=1-(1-0.907) =0.938原型效率修正值 判断单位参数是否修正-1=-1=0.0173% 不修正 原机型的转速n=258.9(r/min)根据水轮机P326表得发电机的同步转速=300r/min原机型的平均效率=+=0.884+0.031=0.915校核出力N=9.81=9.811.0400.915=75957.87KWN/N=1.29 校核不成功方案三：转轮型号为A278-35 Z=2时N单=112245KW水轮机转轮直径D1=T=限+（13）%=0.9按计算值查设计手册P36标准直径为D标=3.3m原型机最大效率=1-(1-)=1-(1-0.918) =0.9476原型效率修正值 判断单位参数是否修正-1=-1=0.0163% 不修正 原机型的转速n=242.2(r/min)根据水轮机P326表得发电机的同步转速n=250r/min原机型的平均效率=+=0.87+0.029=0.899校核出力 N=9.81Q11=9.811.165 0.899=1203383.36KWN/N=1.07 校核成功计算原机型的吸出高度 =10（0.135+0.02）105=-6.991m计算n11查转轮模型综合性曲线A378-35模型综合特性曲线。根据n11得存在最高效率区。方案四：转轮型号为A278-35 Z=3时N单=112245KW水轮机转轮直径D1=T=限+（13）%=0.9按计算值查设计手册P36标准直径为D标=2.75m原型机最大效率=1-(1-)=1-(1-0.918) =0.946原型效率修正值 判断单位参数是否修正-1=-1=0.01513% 不修正 原机型的转速n=290.64(r/min)根据水轮机P326表得发电机的同步转速n=300r/min原机型的平均效率=+=0.87+0.028=0.898校核出力 N=9.81Q11=9.811.165 0.899=190365.3KWN/N=1.043 校核成功计算原机型的吸出高度 =10（0.135+0.02）105=-6.991m计算n11查转轮模型综合性曲线A278-35模型综合特性曲线。根据n11得存在最高效率区。 方案五：转轮型号为A28-25 Z=2时N单=112245KW水轮机转轮直径D1=T=限+（13）%=0.9按计算值查设计手册P36标准直径为D标=3.8m原型机最大效率=1-(1-)=1-(1-0.878) =0.924原型效率修正值 判断单位参数是否修正-1=-1=0.0263% 不修正 原机型的转速n=191.5(r/min)根据水轮机P326表得发电机的同步转速n=214.3r/min原机型的平均效率=+=0.87+0.046=0.916校核出力 N=9.81Q11=9.810.895 0.913=124950.7KWN/N=1.113 校核不成功方案六：转轮型号为A28-25 Z=3时N单=74830KW水轮机转轮直径D1=T=限+（13）%=0.9按计算值查设计手册P36标准直径为D标=3m原型机最大效率=1-(1-)=1-(1-0.898) =0.9336原型效率修正值 判断单位参数是否修正-1=-1=0.01963% 不修正 原机型的转速n=242.5(r/min)根据水轮机P326表得发电机的同步转速n=250r/min原机型的平均效率=+=0.87+0.036=0.906校核出力 N=9.81Q11=9.810.8950.906=77027.68KWN/N=1.02 校核成功计算原机型的吸出高度 =10（0.100+0.02）105=-3.316m计算n11查转轮模型综合性曲线A28-25模型综合特性曲线。根据n11得存在最高效率区。 二、初选方案初步选择比较从初算的六个方案中根据D1、n、HS校核出力是否存在最高效率区选出两方案。 表1-2转轮型号标准直径D1标准转速n（r/min）最高效率max（%）气蚀系数吸出高度HS（m）运 行 范 围是否包含最高效率区A278-353.3m25094.80.135-6.99175.684.6包含A28-253m25093.40.100-3.31668.876.95包含 第三节 水轮机运转综合特性曲线的绘制一、 水轮机型号A278-35;Z=2时的运转综合特性曲线的绘制 表1-3D1=3.3m n=250(r/min) =119m Hr=105m Hmin=95m =0.029 N= N=N=620.4500.64928889.47710.4900.73941621.24740.4950.76952789.66650.4650.67931232.38740.5350.76947289.09770.5300.79958727,29680.5000.70935066.99770.5700.79949133.92.800.5700.82965530.99710.5350.73939109.34800.6200.82959078.17820.6000.84970144.66740.5700.76943359.42820.6550.84963918.98840.6400.86977731.46780.6100.79948212.42840.6950.86969420.13860.7050.88986917.70800.6550.82953712.84860.7600.88977659.79880.7950.909100218.60820.690O,84957948.08880.8600.90989855.19890.8400.919107056.27840.7400.86963611.23890.8950.91994540.82900.8750.929112730.41860.8250.88972550.10900.9250.92998773.01910.9250.939124036.24880.9250.90983174.06910.9600.939103613.81911.0000.939130221.57890.9650.91987725.35901.0100.939109010.39901.0400.929133988.15901.0050.92992355.78901.0600.929173188.53891.0950.919139555.50901.0100.92992815.26891.0950.929115667.20881.1400.909143709.09881.1300.909118065.545%出力限制线上的点891.0950.91999543.2888.21.1350.910117544.2887.51.1750.904147307.08=1-(1-)=0.9476 0.946-0.919=0.029等效率曲线表为表1-3转轮型号A278-35水轮机运转综合特性曲线图 见附录一二、转轮机型号A28-25;Z=3时的运转综合特性曲线的绘制表1-4 D1=3m n=150(r/min) Hmax=119m Hr=105m Hmin=95m =0 .036 N= N= N= 780.4500.81630019,23800.4900.83638913.28800.4550.83643596.30800.5250.83635880.83820.5400.85643909.95820.5000.85649054.15820.5700.85639888.30840.5700.87647464.81840.5400.87654216.29840.6050.87643326.79860.6300.89652806.31860.5800.89659516.18860.6700.89649077.20880.6750.91658773.16880.6300.91666140.58880.7250.91654291.32890.7100.92662454.65890.6750.92671638.54890.7900.92659804.66890.8300.92672221.12890.8150.92686496.90880.8700.91665149.58880.8700.91675702.49880.8500.91689237.295%出力限制线上的点870.8800.90665179,.0287.50.8950.91177452.7687.50.8800.91193448.72=1-(1-)=1-（1-0.898）=0.9336 等效率曲线表为表1-4转轮型号A28-25水轮机运转综合特性曲线图 见附录二第四节 待选方案的综合比较和确定根据绘制的两种方案的水轮机综合特性曲线和其比较转速ns，飞逸转速nR及其它参数综合比较选择最优方案作为终选机型。一、转轮型号A278-35 N单=112245KW H=100 n标=250 n11R=140.71.比转速计算ns=264.84其中：n为标准转速，N为单机容量 ，H为出力限制线与水轮机额定出力的交点对应的水头。2.飞逸转速计算nR= n11R =465.11其中：n11R为模型水轮机的单位飞逸转速二、转轮型号A28-25N单=74830KW H=100m n标=250 n11R=1341.比转速计算ns=208.42其中：n为标准转速，N为单机容量， H为出力限制线与水轮机额定出力的交点对应的水头2.飞逸转速计算nR=n11R=487.26其中：n11R为模型水轮机的单位飞逸转速根据水轮机的标准直径、标准转速、比转速、最高效率及气蚀系数、吸出高度列下表综合比较水轮机终选方案经济技术综合比较表表1-5 项目转轮型号标准直径D1(m)标准转速n（r/min）比转速ns飞逸转速（r/min）最高效率max（%）气蚀系数吸出高度HS（m）运行范围方案选择A278-353.3250264.84465.11900.135-6.99175.684.6方案三A28-253250208.45487.25900.100-3.31668876.95由上表综合比较，标准转速越大越好，比转速越大越好，最高效率越高越好，空化系数越低越好，比较选出最优方案为方案三，即A278-35（Z=2）第二章 蜗壳计算第一节 蜗壳形式、进口断面参数选择一、蜗壳形式选择水轮机蜗壳分金属蜗壳和钢筋混泥土的蜗壳，蜗壳自鼻端至进口断面所包围的角度称为蜗壳的包角。混泥土蜗壳一般用于水头在40m下，包角=180270，高水头水轮机多采用金属蜗壳，包角=340350所设计的方案水头H=119m最高水头，采用金属蜗壳。根据应用水头不同铸造蜗壳采用不同的材料，水头小于120m的小机型机组一般用铸铁。二、蜗壳进口断面参数选择计算1.包角的选择由于选择为金属蜗壳，所以包角=340350选=3452.进口断面平均流速=K=8.3m/s式中K蜗壳的流速系数。查水轮机P120得K=0.81H设计水头3.进口断面的流量Q=124.91式中：进口断面的包角，=345 设计水头所对应的限制工况的单位流量，经查模型特性曲线图。4.进口断面面积 =15.05 5.进口断面半径 =2.19m6.确定座环内外径 由设计手册P128，表2-16查得 =5.2m =4.4 m7.蝶形边锥角 =558.蝶形边高度hh=0.850 m式中：K、查设计手册P128表2-16得 K=0.25m =0.3m 由转轮模型综合特性曲线查得=0.23.3=0.669.蝶形边半径=+K=+K= 2.85m10.进口断面的中心距=+=4.86811.进口断面的外半径=+=7.05812.蜗壳系数CC=662.9113.圆形断面与椭圆形断面的分界判定数SS=h/=1.482当S时由圆断面转入椭圆断面计算。第二节 蜗壳各断面参数计算一、圆形断面参数计算表2-1断面号2X13450.522.852.9640.7251.4962.0164.062.194.8667.05623300.502.852.8500.7251.4581.9583.832.134.8086.93833150.482.852.7360.7251.4181.8983.602.084.7486.82843000.452.852.5650.7251.3561.8063.262.004.6566.65652850.432.852.4510.7251.3141.7443.041.944.5946.53462700.402.852.2800.7251.2471.6472.711.854.4976.34772550.392.852.2230.7251.2241.6142.601.824.4676.28782400.362.852.0520.7251.1521.5122.291.734.3626.09292250.342.851.9380.7251.1211.4412.081.674.3915.961102100.322.851.8240.7251.0481.3681.871.614.2185.828111950.292.851.6530.7250.9631.3531.571.514.1035.613121800.272.851.5390.7250.9021.1721.371.444.0225.462131650.252.851.4250.7250.8361.0861.181.383.9365.316141500.232.851.3110.7250.7660.9960.991.313.8465.156表2-1中所用相关公式有： x=+ =+X =+当断面号为10，=150时。=1.6120000KVA所以=+240=1120.62 cm3，转子外径= cm (单边空气间隙，初步计算时省略)4，下机架最大跨度由于100000KVAm（水轮机坑直径 查设计手册P162表36取=4600mm）推力轴承外径和励磁机外径查设计手册P162表37得=4300mm=4.5m=3800mm=3.8m（二）轴向直径计算1，定子机座高度由于所以cm2，上机架高度3，推力轴承高度，励磁机高度和永磁机高度查设计手册P163表38推力轴承高度：励磁机高度：副励磁高度：永磁体高度：4，下机架高度5，定子机座支承面或下挡风板之间的距离6，下机架支承面至主轴法兰底面之间的距离按于生产的发电机统计资料，一般取7001500mm取7，转子磁轭轴向高度无风扇有风扇8，发电机的主轴高度 =0.8 =0.81369.82 =1095.869，定子铁芯水平中心至主轴距离=0.46五，水轮发电机重量1，水轮发电机重量2，发电机转子重量G定G定=3，发电机飞轮了力矩（即转动惯量）将于上数计算的数据列表如下水轮发电机参数表 （单位：cm） 表41转子重量251.60880.61120.6647.0580.0460.0430.0367.5162.2200.077.8397.29100.0277.71095.9345.5 第五章 调节保证计算及设备的选择第一节 调节保证计算一、调节保证计算的任务调节保证计算是研究机组突然改变较大负荷时调节系统过渡的特性，计算机组的转速变化和压力输水系统压力变化选定导水机构合理的调节时间和启闭规律，解决压力输水系统水流惯性，机组惯性力矩和调整性三者之间的矛盾，使水工建筑物和机组既经济合理，又安全可靠。二、调节保证计算内容1.确定基本数据：水电站型式、压力水管尺寸、水头、机组台数、水轮机流量、出力、水轮机型号及其特性、额定转速，。1. 求出计算水头或最大水头及额定负荷时的2. 给定直线关闭时间3. 计算水机压力变化4. 计算转速升高或确定机组5. 在不满足要求时，重新给定，再重复上述步骤计算。三、具体计算步骤（一）调保基本参数计算1.计算和工况下发出额定出力Nr时的流量=119m时 =103.66m/s=105m时 =119.00m/sNr水轮机实际额定出力H实际设计水头水轮机在设计工况时的效率2.确定压力钢管直径d=