水轮机优秀课程设计.doc

第一章 水轮机选型设计1.1水轮机型号选定一、水轮机型式选择依据原始资料，该水电站水头范围为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。水轮机设计水头估算为按中国水轮机型谱推荐设计水头和比转速关系，水轮机比转速: m.KW依据原始资料，适合此水头范围水轮机类型有斜流式和混流式。又依据混流式水轮机优点：（1）比转速范围广，适用水头范围广，可适用30700m；（2）结构简单，价格低；（3）装有尾水管，可降低转轮出口水流损失。 故选择混流式水轮机。所以，选择在216m.kw左右混流式水轮机为宜。 依据表本电站水头改变范围(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）228318.7414511.21.2 原型水轮机各方案关键参数选择按电站建成后,在电力系统作用和供电方法,初步确定为2台,3台,4台,5台四种方案进行比较。基础参数， 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 -机组单机容量（KW） 由型谱可知，和出力限制线交点单位流量为设计工况点单位流量，则Q11r=1.15m3/s,对应模型效率m=89%，暂取效率修正值 =0.03，=0.89+0.03=0.92。则设计工况原型水轮机效率为92%。中国要求转轮直径系列（见水轮机P9），计算值处于标准值6.5-7.0 m，并靠近7.0m取直径D1=7.0 m2、 计算原型水轮机效率 =max-M0=0.954-0.92=0.034限制工况原型水轮机效率=m+=0.89+0.034=0.9243、同时转速选择 符合要求所以转速不用修正。转速介于发电机 同时转速83.3r/min和88.2r/min之间， 需要对两个转速全部进行修正。4、计算水轮机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单位转速总而言之，参数绘制在HL220综合曲线上以检验水轮机高效率运行区域高低，选择高效率较高88.2. 5、水轮机计算点出力校核计算时出力：符合要求6、 计算水轮机实际额定流量7、 计算最大许可吸出高度 在额定工况下，模型水轮机空化系数依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=887.0m8、实际水轮机额定水头 因不一样D1、和水能预算Hr有差异9、 计算飞逸转速 由HL220模型水轮机飞逸特征曲线查得，在最大导叶开度下单位飞逸转速 10、 水轮机安装高程 m11、 计算轴向水推力 依据表4，HL220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 混流式水轮机轴向水推力系数表转轮型号HL310HL240HL230HL220HL200HL180HL160HL120HL110HL100K0.370.450.340.410.180.220.280.340.220.280.220.280.200.260.100.130.100.130.080.14水轮机转轮轴向水推力为：同理，方案二、方案三和方案四数据也可经过一样方法和过程查资料计算得出，四种方案所得数据如表5所表示：表5 四种方案数据表格HL220(2280MW)HL220(3186.7MW)HL220(4140MW)HL220(5112MW)比转速 (r/min)220220220220额定功率 （kw）285714.3190816.3142857.1114285.7模型最优单位比转速 (r/min)70707070模型额定工况单位流量 ()1.151.151.151.15转轮直径 (m)7.06.05.04.0水轮机效率 0.9240.9220.9200.918转速 n (r/min)88.2107125166.7出力 P (N)3.112.291.591.01额定流量 ()478.1351.3243.95156.1吸出高度 (m)2.7 2.9 3.33.7单位飞逸转速 (r/min)133133133133飞逸转速 (r/min)173201.8242.2302.7实际额定水头 (m)83.865.168.679.8实际额定流量 ()478.1351.3244.0156.1轴向水推力 (N)0.938450.689470.478800.30643二、确定机组方案依据上面列举出来四种方案数据分析，第四种方案出力比额定小，第一个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高，最高效率、高效率区比方案二大。及其吸出高度比方案大则其发电机尺寸小，重量轻，首先能够降低设备造价，其次有利于减小厂房平面尺寸，降低厂房土建投资。第三种方案额定水头也较靠近设计水头。比较大总而言之，最好方案为第三种方案。三、水轮机运转特征曲线绘制等效率曲线计算和绘制现取水电站4个水头，列表计算，计算结果如表6所表示。绘制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）828688909191908886820.4580.5470.5780.6500.7200.9180.9310.9921.0301.09085899193949493918985729097112125160160155170171828688909191908886820.4620.5480.6210.6820.7400.9180.9380.9981.0321.092858991939494918886826379911021121391371411431445%出力限制线上点89.40.95092.416289.70.95192.7142（%）（%）P（mw）（%）（%）P（mw）828688909191908886820.4700.5700.6400.7120.7700.9080.9350.9981.0291.0938589919394949391898560768799109128130136137139828688909191908886820.5900.7300.8200.9301.0001.02585899193949493918985 57 73 84 96 101 98 5%出力限制线上点89.80.95292.813387.80.95390.898.2等吸出高度线绘制（1）求出各水头下值，并在对应模型综合特征曲，并由此计算出、P，填入表7中线上查出水平线和各等气蚀系数线全部交点坐标，读出、值（2）利用公式计算出对应于上述各值，填入计算结果如表7所表示，绘制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)82.968.60.090.100.111.0151.0901.1400.8680.8190.7600.8980.8490.7901691711670.1070.1170.1278.879.7010.530.43-0.52-1.4875.4371.960.090.100.110.9751.1001.17008820.8100.7200.9120.8400.7501431491410.1080.1180.1288.158.909.661.20.34-0.537273.70.090.100.110.9301.0651.1900.9000.8400.7200.9300.8700.7501301391340.1090.1100.1297.857.929.29 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从水轮机原理P53、54查图3-13得个水头下对应，查表3-3得=1.15三、蜗壳计算 1、 蜗壳型式、断面形状和包角确实定因为本站应用水头为：59.07-82.9mS时，采取圆断面连接计算以下：依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 13450.7404.051.272.1732.9138.4863.1236.96310.08623300.7084.051.272.1132.8217.9583.0386.8719.90933150.6764.051.272.0512.7277.4372.9516.7779.72843000.6444.051.271.9872.6316.9222.8626.6819.54352850.6114.051.271.9182.5296.3962.7696.5799.34862700.5794.051.271.8492.4285.8952.6776.4789.15572550.5474.051.271.7782.3255.4062.5846.3758.95982400.5154.051.271.7032.2184.9202.4886.2688.75692250.4834.051.271.6262.1094.4482.3916.1598.550102100.4504.051.271.5411.9913.9642.2886.0418.329111950.4184.051.271.4551.8733.5082.1865.9238.109121800.3864.051.271.3631.7493.0592.0815.7997.880131650.3544.051.271.2641.6182.6181.9725.6687.640141500.3364.051.041.2051.5412.3751.8485.5917.439当初，蜗壳各断面不能在D点和座环相接，采取圆形断面就不适宜了。在这种情况下，蜗壳断面采取椭圆形断面。5、椭圆断面计算 当 S时，采取椭圆断面连接计算以下：椭圆半径和圆相同面积 椭圆断面长半径中心距 外径 椭圆断面各数值列表以下：表1-13 蜗壳椭圆断面计算表断面号 151500.3221.8601.8791.9315.5417.472161350.2901.7501.6911.8775.3237.200171200.2571.6261.4911.8175.0786.896181050.2251.5001.2911.7574.8366.59319900.1931.3691.0871.6964.5876.28320750.1611.2300.8781.6334.3315.96421600.1291.0810.6621.5684.0675.63622450.0970.9180.4381.5013.7945.29623300.0640.7260.1991.4303.5034.93324150.0320.497-0.0411.3583.2114.568表中，蜗壳剖面图见附录图一.四、 尾水管计算 6.1 尾水管选择图1-4 尾水管外形尺寸 尾水管是水轮机过流通道一部分。尾水管形状对不一样比转速水轮机性能存在不一样程度影响，尤其对高比转速水轮机影响更为显著。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高度，是决定尾水管性能关键参数。增加高度将提升尾水管效率，但将增加电站建设费用，降低高度不仅会降低水轮机效率，还会影响运行稳定性。从水轮机P167查得：对于混流水轮机取；对于高水头混流式水轮机则可取。而 则所以取 。 6.2.2进口直锥段进口直锥管是以垂直圆锥形扩散管，为直锥管进口直径。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/s6m/s,水头低于200m时，可不设金属里衬，采取推荐尾水管设计，此时，和有下列关系式：参考水电站机电设计手册（水力机械）表2-17得尾水管尺寸和D1比值能够算出尾水管各部分尺寸：表6-1 推荐尾水管尺寸表（单位：m）肘管型式适用范围2.64.52.721.351.350.6751.821.22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扩散管，参考水电站机电设计手册（水力机械）,其出口宽度通常和肘管出宽度相等，其顶板向上倾斜，仰角a=1013，取a=12,底板通常呈水平。出口扩散通常为矩形断面，对混流式水轮机取，则取。因为，则许可在出口扩散段加单支墩，其它尺寸以下：；则取； ；水平长度L是机组中心到尾水管出口距离。肘管型式一定时，L决定了水平扩散段长度，增加L可使尾水管出口动能下降，提升效率。但太长了将增加沿程水力损失和增大厂房部分尺寸。通常取。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55.16.75136.759.122.56.13.351.8913.65.890.366.3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件1张德虎主编能源动力类水动专业毕业设计和课程设计指南.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,19893 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,19894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.水力机组辅助设备和自动化.北京:电力工业出版社,19815季一峰主编.水电站电气部分.北京:水利电力出版社,19936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.水轮机调整(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