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水轮机课程设计

21
2020年4月19日
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第一章 水轮机的选型设计
1.1水轮机型号选定
一、水轮机型式的选择
根据原始资料，该水电站的水头范围为59.07-82.9m，电站总装机容量56万千瓦，拟选2、3、4、5台机组，平均水头为75.43m，最大水头为82.9m，最小水头为59.07m。
水轮机的设计水头估算为
按中国水轮机的型谱推荐的设计水头与比转速的关系，
水轮机的比转速:
m.KW
根据原始资料，适合此水头范围的水轮机类型有斜流式和混流式。
又根据混流式水轮机的优点：
（1）比转速范围广，适用水头范围广，可适用30～700m；
（2）结构简单，价格低；
（3）装有尾水管，可减少转轮出口水流损失。
故选择混流式水轮机。
因此，选择在216m.kw左右的混流式水轮机为宜。
根据表本电站水头变化范围(H=59.07-82.9m)查《水电站机电设计手册—水力机械》1-4]
适合此水头范围的有HL220-46。

二、拟订机组台数并确定单机容量
表1-1 机组台数比较表
台数
单机容量（万千瓦）
2
28
3
18.7
4
14
5
11.2

1.2 原型水轮机各方案主要参数的选择
按电站建成后,在电力系统的作用和供电方式,初步拟定为2台,3台,4台,5台四种方案进行比较。
基本参数， 模型效率：，推荐使用最优单位流量：，最优单位转速：，最优单位流量：。
一、2台机组（方案一）
1、计算转轮直径
装机容量22万千瓦，由《水轮机》325页可知：水轮机额定出力：

上式中： -----发电机效率,取0.98
-----机组的单机容量（KW）
由型谱可知，与出力限制线交点的单位流量为设计工况点单位流量，则Q11r=1.15m3/s,对应的模型效率ηm=89%，暂取效率修正值 Δη=0.03，η=0.89+0.03=0.92。则设计工况原型水轮机效率为92%。

中国规定的转轮直径系列（见《水轮机》P9），计算值处于标准值6.5-7.0 m，并接近7.0m取直径D1=7.0 m
2、 计算原型水轮机的效率

Δη=ηmax-ηM0=0.954-0.92=0.034
限制工况原型水轮机效率 η=ηm+Δη=0.89+0.034=0.924
3、同步转速的选择

符合要求
因此转速不用修正。
转速介于发电机 同步转速83.3r/min和88.2r/min之间， 需要对两个转速都进行修正。
4、计算水轮机的运行范围
水轮机设计流量

当n=83.3r/min时，最大水头、最小水头和平均水头对应的单位转速

当n=88.2r/min时，最大水头、最小水头和平均水头对应的单位转速

综上所述，参数绘制在HL220综合曲线上以检验水轮机高效率运行区域的高低，选择高效率较高的88.2.

5、水轮机计算点出力的校核
计算时的出力：

符合要求
6、 计算水轮机实际额定流量

7、 计算最大允许吸出高度
在额定工况下，模型水轮机的空化系数
根据该电站设计水头取K=1.08 （水轮机原理及运行P54表3-3）
E=887.0m

8、实际的水轮机额定水头
因不同的D1、ｎ与水能预算Hr有差异

3、 计算飞逸转速
由HL220模型水轮机飞逸特性曲线查得，在最大导叶开度下单位飞逸转速
4、 水轮机安装高程
m
5、 计算轴向水推力
根据表4，HL220的转轮轴向水推力系数，转轮直径较小、止漏环间隙较大时取大值。本电站转轮直径较大，故取。
表4 混流式水轮机的轴向水推力系数表

转轮型号
HL310
HL240
HL230
HL220
HL200
HL180
HL160
HL120
HL110
HL100
K
0.37～0.45
0.34～0.41
0.18～0.22
0.28～0.34
0.22～0.28
0.22～0.28
0.20～0.26
0.10～0.13
0.10～0.13
0.08～0.14

水轮机转轮轴向水推力为：

同理，方案二、方案三和方案四的数据也可经过同样的方法和过程查资料计算得出，四种方案所得数据如表5所示：
表5 四种方案数据表格

HL220(2280MW)
HL220(3186.7MW)
HL220(4140MW)
HL220(5112MW)
比转速 (r/min)
220
220
220
220
额定功率 （kw）
285714.3
190816.3
142857.1
114285.7
模型最优单位比转速 (r/min)
70
70
70
70
模型额定工况单位流量 ()
1.15
1.15
1.15
1.15
转轮直径 (m)
7.0
6.0
5.0
4.0
水轮机效率
0.924
0.922
0.920
0.918
转速 n (r/min)
88.2
107
125
166.7
出力 P (N)
3.11
2.29
1.59
1.01
额定流量 ()
478.1
351.3
243.95
156.1
吸出高度 (m)
2.7
2.9
3.3
3.7
单位飞逸转速 (r/min)
133
133
133
133
飞逸转速 (r/min)
173
201.8
242.2
302.7
实际额定水头 (m)
83.8
65.1
68.6
79.8
实际额定流量 ()
478.1
351.3
244.0
156.1
轴向水推力 (N)
0.93845
0.68947
0.47880
0.30643

二、确定机组方案
根据上面列举出来的四种方案数据分析，第四种方案出力比额定小，第一种方案实际额定水头比最高水头大，故首先排除。第二、第三种方案中，第二种方案效率和第三种差不多，但第三种方案转速比第二种的高，最高效率、高效率区比喻案二大。及其吸出高度比喻案的大则其发电机尺寸小，重量轻，一方面能够减少设备的造价，另一方面有利于减小厂房的平面尺寸，降低厂房的土建投资。第三种方案的的额定水头也较接近设计的水头。比较大综上所述，最佳方案为第三种方案。

三、水轮机运转特性曲线的绘制
等效率曲线的计算与绘制
现取水电站4个水头，列表计算，计算结果如表6所示。
绘制的等效率线详见设计图纸。
表6 HL220型水轮机等效率曲线计算表

（%）

（%）
P
（mw）

（%）

（%）
P
（mw）

82
86
88
90
91
91
90
88
86
82
0.458
0.547
0.578
0.650
0.720
0.918
0.931
0.992
1.030
1.090
85
89
91
93
94
94
93
91
89
85
72
90
97
112
125
160
160
155
170
171
82
86
88
90
91
91
90
88
86
82
0.462
0.548
0.621
0.682
0.740
0.918
0.938
0.998
1.032
1.092

85
89
91
93
94
94
91
88
86
82
63
79
91
102
112
139
137
141
143
144

5%出力限制线上的点

89.4
0.950
92.4
162
89.7
0.951
92.7
142

（%）

（%）
P
（mw）

（%）

（%）
P
（mw）

82
86
88
90
91
91
90
88
86
82
0.470
0.570
0.640
0.712
0.770
0.908
0.935
0.998
1.029
1.093
85
89
91
93
94
94
93
91
89
85
60
76
87
99
109
128
130
136
137
139
82
86
88
90
91
91
90
88
86
82
0.590
0.730
0.820

0.930
1.000
1.025

85
89
91
93
94
94
93
91
89
85
57
73
84

96
101
98

5%出力限制线上的点

89.8
0.952
92.8
133
87.8
0.953
90.8
98

.2等吸出高度线的绘制
（1）求出各水头下的值，并在相应的模型综合特性曲，并由此计算出、P，填入表7中线上查出水平线与各等气蚀系数线的所有交点坐标，读出、、的值
（2）利用公式计算出相应于上述各的值，填入
计算结果如表7所示，绘制的等吸出高度线详见设计图纸。
表7 HL220型水轮机等吸出高曲线计算表

(%)

(%)
P
(mw)

(m)
82.9
68.6
0.09
0.10
0.11
1.015
1.090
1.140

0.868
0.819
0.760
0.898
0.849
0.790

169
171
167
0.107
0.117
0.127
8.87
9.70
10.53

0.43
-0.52
-1.48

75.43

71.96

0.09
0.10
0.11
0.975
1.100
1.170
0882
0.810
0.720
0.912
0.840
0.750
143
149
141
0.108
0.118
0.128
8.15
8.90
9.66
1.2
0.34
-0.53
72
73.7
0.09
0.10
0.11
0.930
1.065
1.190
0.900
0.840
0.720
0.930
0.870
0.750
130
139
134
0.109
0.110
0.129
7.85
7.92
9.29
1.56
0.73
-0.09

59.07

81.3
0.09
0.10
0.11
0.450
0.540
1.100
0.760
0.800
0.788
0.790
0.830
0.818
40
51
102
0.110
0.120
0.130
6.50
7.09
7.68
2.90
2.22
1.54
从《水轮机原理》P53、54查图3-13得个水头下相应的，查表3-3得=1.15

三、蜗壳计算
1、 蜗壳型式、断面形状和包角的确定
由于本站应用水头为：59.07-82.9m<140m,故采用钢板焊接蜗壳，蜗壳断面为圆形，当蜗壳尾部用圆断面不能和座环蝶形边相连接时，采用椭圆形断面，蜗壳的包角为345度。
2、 座环尺寸的确定
连接的座环有两种：一种是带蝶形边座环；一种是无蝶形边座环。我们采用带蝶形边座环，其锥角为55度。其有关尺寸见下表：

由《水轮机设计手册》P105表6-15得所选方案HL220 D=5.0m 的具体尺寸：

表1-11 座环尺寸表
名称
(m)
(m)
K(m)
R(m)
座环参数
7.8
6.6
0.15
0.4
3、 蜗壳参数计算
蜗壳包角
4、 进口断面流量
由水电站设计手册查出：
5、
6、
7、

1—1960年前国内产品的统计曲线；2—1960~1970年国内产品的统计曲线；3— 推荐
根据设计水头=72m可得 =0.89
蜗壳进口断面的平均流速
进口断面面积
进口断面半径
导叶高度
进口断面中心距

式中 : h=0.1D+/2=1.125m,
分界断面半径： =1.96m
由进口断面尺寸求出蜗壳系数和蜗壳常数

进口断面外径

则当时，采用圆断面。
4、 圆断面计算
当 ρ>S时，采用圆断面连接计算如下：

根据上式圆断面各数值如表1-12：
表1-12 蜗壳圆形断面计算表
断面号

r0
h2

1
345
0.740
4.05
1.27
2.173
2.913
8.486
3.123
6.963
10.086
2
330
0.708
4.05
1.27
2.113
2.821
7.958
3.038
6.871
9.909
3
315
0.676
4.05
1.27
2.051
2.727
7.437
2.951
6.777
9.728
4
300
0.644
4.05
1.27
1.987
2.631
6.922
2.862
6.681
9.543
5
285
0.611
4.05
1.27
1.918
2.529
6.396
2.769
6.579
9.348
6
270
0.579
4.05
1.27
1.849
2.428
5.895
2.677
6.478
9.155
7
255
0.547
4.05
1.27
1.778
2.325
5.406
2.584
6.375
8.959
8
240
0.515
4.05
1.27
1.703
2.218
4.920
2.488
6.268
8.756
9
225
0.483
4.05
1.27
1.626
2.109
4.448
2.391
6.159
8.550
10
210
0.450
4.05
1.27
1.541
1.991
3.964
2.288
6.041
8.329
11
195
0.418
4.05
1.27
1.455
1.873
3.508
2.186
5.923
8.109
12
180
0.386
4.05
1.27
1.363
1.749
3.059
2.081
5.799
7.880
13
165
0.354
4.05
1.27
1.264
1.618
2.618
1.972
5.668
7.640
14
150
0.336
4.05
1.04
1.205
1.541
2.375
1.848
5.591
7.439
当时，蜗壳各断面不能在D点与座环相接，采用圆形断面就不合适了。在这种情况下，蜗壳断面采用椭圆形断面。
5、椭圆断面的计算
当 ρ<S时，采用椭圆断面连接计算如下：
椭圆半径

与圆同等面积

椭圆断面长半径

中心距
外径
椭圆断面各数值列表如下：
表1-13 蜗壳椭圆断面计算表
断面号

15
150
0.322
1.860
1.879
1.931
5.541
7.472
16
135
0.290
1.750
1.691
1.877
5.323
7.200
17
120
0.257
1.626
1.491
1.817
5.078
6.896
18
105
0.225
1.500
1.291
1.757
4.836
6.593
19
90
0.193
1.369
1.087
1.696
4.587
6.283
20
75
0.161
1.230
0.878
1.633
4.331
5.964
21
60
0.129
1.081
0.662
1.568
4.067
5.636
22
45
0.097
0.918
0.438
1.501
3.794
5.296
23
30
0.064
0.726
0.199
1.430
3.503
4.933
24
15
0.032
0.497
-0.041
1.358
3.211
4.568
表中，，蜗壳剖面图见附录图一.
四、 尾水管计算
6.1 尾水管的选择

图1-4 尾水管外形尺寸

尾水管是水轮机过流通道的一部分。尾水管的形状对不同比转速水轮机的性能存在不同程度的影响，特别对高比转速水轮机影响更为明显。鉴于本水轮机属于大中型水轮机，则选择弯曲形尾水管。弯曲形尾水管由进口锥管段，肘管段和出口扩散段三部分组成。
6.2尺寸确定
6.2.1尾水管高度
尾水管高度指从水轮机底环平面到尾水管底板的高度，是决定尾水管性能的主要参数。增加高度将提高尾水管效率，但将增加电站建设费用，减少高度不但会降低水轮机效率，还会影响运行的稳定性。
从《水轮机》P167查得：对于的混流水轮机取；对于的高水头混流式水轮机则可取。而 则
因此取 。
6.2.2进口直锥段
进口直锥管是以垂直的圆锥形扩散管，为直锥管的进口直径。可近似取转轮出口直径，即，从《水轮机》P167查得：进口锥管的单边锥角对混流式水轮机可取，则取。
6.2.3肘管段
肘管是一个90°变断面的弯管，其进口为圆断面，出口为矩形断面。参考《水电站机电设计手册》（水力机械）表2-17，当Vc=5.6m/s<6m/s,水头低于200m时，可不设金属里衬，采用推荐的尾水管设计，此时，与有下列关系式：

参考《水电站机电设计手册》（水力机械）表2-17得尾水管尺寸与D1的比值能够算出尾水管的各部分尺寸：
表6-1 推荐的尾水管尺寸表（单位：m）

肘管型式
适用范围
2.6
4.5
2.72
1.35
1.35
0.675
1.82
1.22
混凝土肘管
混流式（）
由表得
；；；；
计算得
；
6.2.4出口扩散段
出口扩散段是一水平放置断面为矩形的扩散管，参考《水电站机电设计手册》（水力机械）,其出口宽度一般与肘管出宽度相等，其顶板向上倾斜，仰角a=10°~13°，取a=12°,底板一般呈水平。出口扩散一般为矩形断面，对混流式水轮机取，则取。因为，则允许在出口扩散段加单支墩，其它尺寸如下：
；；；
则取；；
；
水平长度L是机组中心到尾水管出口的距离。肘管型式一定时，L决定了水平扩散段的长度，增加L可使尾水管出口动能下降，提高效率。但太长了将增加沿程水力损失和增大厂房部分尺寸。一般取。
6.2.5尺寸列表
参考表6-1，计算出尾水管各部分尺寸列于下表
表6-3 尾水管尺寸计算表
项目（m）

L

尺寸
5
5.1
6.75
13
6.75
9.1
22.5
6.1
3.35
1.89
13.6
5.89
0.36
6.3由上述尺寸绘制尾水管单线图（见附图3）
祥见设计图纸

参考文献
[1]张德虎主编《能源动力类水动专业毕业设计与课程设计指南》.北京：中国水利水电出版社。
[2]水电站机电设计手册编写组.《水电站机电设计手册-水力机械分册》.北京:水力水电出版社,1989
[3] 水电站机电设计手册编写组.《水电站机电设计手册-电气一次分册》.北京:水力水电出版社,1989
[4]武汉水利电力学院,华北水利水电学院,华东水利水电学院合编.《水力机组辅助设备与自动化》.北京:电力工业出版社,1981
[5]季一峰主编.《水电站电气部分》.北京:水利电力出版社,1993
[6]范华秀主编.水力机组辅助设备. 北京:水利电力出版社,1993
[7]骆如蕴主编.《水电站动力设备设计手册》.
[8]哈尔滨大电机研究所编.《水轮机设计手册》(水轮发电机组设计手册第一部分).北京:机械工业出版社.
[9]蔡燕生主编.《水轮机调节(第2版).黄河水利出版社,
[10]西北电力设计院,东北电力设计院编.《电力工程设计手册》.上海:上海科学技术出版社.
[11] 黄庆丰、金永琪主编《水电站电气设备》郑州：黄河水利出版社.

附录一
附录二
附录三
附录四
附录五
附录六
附录七
附录八