水电站课程设计之水轮机选型设计.doc

河北工程大学
水电站课程设计之水轮机选型设计

学校：河北工程大学
系别：水利水电工程
班级：07水工本（5）班
姓名：李啸云
学号：070290515
指导老师：袁吉栋

第一章：基本资料

基本设计资料
某梯级开发电站，电站的主要任务是发电，并结合水库特性、地区要求可发挥水产养殖等综合效益。电站建成后投入东北主网，担任系统调峰、调相及少量的事故备用容量，同时兼向周边地区供电。该电站水库库容小不担任下游防洪任务。经比较分析，该电站坝型采用混凝土重力坝，厂房型式为河床式。经水工模型试验，采用消力戽消能型式。
经水能分析，该电站有关动能指标为：
水库调节性能 日调节
保证出力 4万kw
装机容量 16万kw
多年平均发电量 44350 kwh
最大工作水头 39.0 m
加权平均水头 37.0 m
设计水头 37.0 m
最小工作水头 35.0 m
平均尾水位 202.0 m
设计尾水位 200.5 m
发电机效率 98.0%
第二章：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，选择机组台数与单机容量时应遵守如下原则：
1、机组台数与工程建设费用的关系
在水电站的装机容量基本已经定下来的情况下，机组台数增多，单机容量减小。通常大机组单位千瓦耗材少，整体设备费用低；另外，机组台数少厂房所占的平面尺寸也会减小。因此，较少的机组台数有利于降低工程建设费用。
2、机组台数与设备制造、运输、安装以及枢纽安装布置的关系
单机容量大，可能会在制造、安装和运输方面增加一定的难度。然而，有些大型或特大型水电站，由于受枢纽平面尺寸的限制，总希望单击容量制造得大些。
3、机组台数与水电站运行效率的关系
水轮机在额定出力或者接近额定出力时，运行效率较高。机组台数不同，水电站平均效率也不同。机组台数越少，平均效率越低。但是机组台数多到一定程度，再增加台数对水电站运行效率增加的效果就不显著。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并且程度调频任务时，由于负荷经常变动，而且幅度较大，为使每台机组都可以在高效率区工作，则需要更多的机组台数。
另外，机型不同，高效率范围大小也不同。对于高效率工作区教窄的，机组台数应适当多一些。
4、组台数与水电站运行维护的关系
机组台数多，单机容量小，水电站运行方式就较灵活，机组发生事故产生的影响小，机组轮换检修较易安排，难度也小。但因操作运行次数随之增多，发生事故的机率也随之增高，同时管理人员多，维护耗材多，运行费用也相应提高。故不能用过多的机组台数。
5、机组台数与电气主接线的关系
对采用扩大单元的电器主接线方式，机组台数为偶数为利。但由于大型机组主变压器受容量限制，采用单元接线方式，机组台数的单、偶数就无所谓了。
上述各种因素互相影响，遵循上述原则，并且该水电站装机容量为16万kw，由于2.2万kw<16万kw<25万kw，该水电站为中型水电站，并担任系统调峰、调相及少量的事故备用容量，同时兼向周边地区供电。
综上所述宜选用偶数机组台数：4台
单机容量选择：单机容量N=16万÷4=4万KW,
水轮机额定出力Nґ=N÷98﹪=40000÷98﹪=40816KW

第三章：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
根据水头变化：最小工作水头35m到最大工作水头39m。在水轮机系列型普表中查出合适的机型有HL240型水轮机和ZZ440型水轮机两种。现将这两种水轮机作为初步方案，分别求出其有关参数，并进行比较分析。
1、 HL240型水轮机方案主要参数计算
1.1确定水轮机的转轮直径D
由公式：
在本例中，额定出力是：Nґ=N÷98﹪=40000÷98﹪=40816KW。又从水电站教材图4-4，表4-2中查得: =1240L/s , 。并且已经知道Hr=37.0m 带入公式求得：=4.03
1.2、 效率修正值计算
由图4-4查得HL240 在最优工况下最高效率为＝92.0%。模型转轮直径=0.46m，则原型水轮机的最高效率可以采用公式：

计算。
=0.948=94.8%
考虑到制造水平的差异，根据水轮机的标称直径，凭经验取ε=1% ，如果水轮机所使用蜗壳和尾水管与模型实验时采用的型式不同，则意味着原型水轮机适应了异型部件。在此处，认为水轮机所采用的蜗壳和尾水管与水轮机的相似，故取=0。则效率修正值由下式计算：
-=0.948-0.92-0.01-0=0.018=1.8%

1.3、 转速n计算

n==108.67 r/min
式中： ——单位转速采用最优单位转速 r/min
H——采用设计水头，37.0m
——采用选用的标准直径=4.03m

采用与其接近的同步转速n= 115.4r/min
1.4、确定水轮机的吸出高
==1240
=12250
==76.5 r/min
＝0.032
=202.0m

由此可得水轮机的吸出高度

=1.38
1.5、装置方式：采用立轴安装方式
1.6、安装高程的确定：立轴混流式水轮机
=200.5+1.38+1.5/2=202.63m
所以，HL220型水轮机方案的吸出高度满足电站要求
2、ZZ440型水轮机
2.1 转轮直径D计算
由表4-1查得ZZ440型水轮机在限制工况下的单位流量，同时可查得该工况下的的气蚀系数。但允许的吸出高度时，其相应的气蚀系数为
σ=0.34<0.72
式中为气蚀系数修正值，由图3-16查得0.032
在满足-4m吸出高度的前提下，从图中可查得选用工况点（，）处的单位流量为1020。同时可查得该工况点的模型效率，并据此假定水轮机的效率为。
将以上的各参数值代入，
所以=4.46m
选用与之相近的标称直径
2.2效率修正值的计算
叶片在不同转角时的最大效率可以用公式
计算。已经知道：、，=4.46m，H=37m带入上式得
=1-0.65(1-)

叶片在不同转角时的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时，即可计算出不同转角时的效率修正值。其中计算结果如下表:

叶角转角（）
-10
-5
0
+5
+10
+15
（%）
84.9
88.0
88.8
88.3
87.2
86.0
（%）
89.7
91.8
92.4
92.0
91.3
90.4
（%）
4.8
3.8
3.6
3.7
4.1
4.4
（%）
3.8
2.8
2.6
2.7
3.3
3.4
由上表查得ZZ440型水轮机最优工况的模型效率为。由于最优工况接近于等转角线，故可采用作为其修正值，从而可得原型最高效率为：
已知在吸出高度-4m限制的工况点（，）处的模型效率为,而该工况点处于和等转角之间，用内插法求得该点的效率修正值为%，由此可得该工况点的原型水轮机效率为：
(与上述假定相近。)
由于：
故单位转速可不作修正，同时，单位流量也可不作修正。
由此可见，以上选用的 n=125r/min是正确的
2.3 转速n计算
n==156.84 r/min
采用与其接近的同步转速n= 166.7r/min
2.5 吸出高度Hs的计算
在标称直径=4.46，转速n= 166.7r/min的情况下：
1020
=122.22 r/min
在新的设计工况点下，又图4-7可以查得相应的空蚀系数σ=0.32，所以吸出高程为

=－3.25>-4m
所以，ZZ440型水轮机方案的吸出高度满足电站要求
2.6 装置方式：采用立轴安装方式
2.7 安装高程的确定：由2-35立轴混流式水轮机
=200.5+（-3.25）+0.396×4.46=199.02m
3、两种方案的比较分析
两种方案的相关数据比较见下表
序号
项目
HL240
ZZ440
1
模型转轮参数
推荐使用的水头范围（m）
2545
2036
2
最优单位转速
72
115
3
最优单位流量
1240
1650
4
最高效率
92
89
5
空蚀系数
0.195
0.34
6
原型水轮机参数
工作水头范围（m）
34.039.0
34.039.0
7
转轮直径
4.1
4.5
8
转速
115.4
166.7
9
最高效率
94.8
91.10
10
额定出力
40816
40816
11
最大引用流量
123.9
124.0
12
吸出高度
1.38
-3.25

两种机型方案的水轮机转轮直径相近。但HL240型水轮机方案的工作范围包含了较多的高效率区域，运行效率较高，气蚀系数较小，安装高程较高，有利于提高年发电量和减小电站厂房的开挖工程量；而ZZ440型水轮机方案的机组转速较高有利于减少发电机尺寸，降低发电机造价，但这种机型的水轮机及其调节系统的造价较高。根据以上分析，在制造供货方面没有问题时，初步选用HL240型方案为有利。

第四章 水轮机运转特性曲线的绘制
1、等效率曲线的计算于绘制
由于水电站水头较小，现取三个水头，列表计算如下：
HL240型水轮机等效率曲线计算表

75.76

37m
=77.78

=35m
=79.98

(%)

(%)

(%)

87
0.86
88.8
30.7
87
0.89
88.8
29.3
85
0.85
88.8
25.2
88
0.90
89.8
32.5
88
0.93
89.8
31.0
86
0.91
89.8
27.3.
89
0.94
90.8
34.3
89
0.98
90.8
33.0
87
0.94
90.8
28.5
90
0.98
91.8
36.1
90
1.02
91.8
34.7
88
0.98
91.8
30.1
91
1.03
92.8
38.4
91
1.08
92.8
37.2
89
1.03
92.8
31.9
91
1.22
92.8

45.5
91
1.22
92.8
42.0
90
1.07
92.8
33.5
90
1.25
91.8
46.1
90
1.26
91.8
42.9
90
1.26
91.8
39.5
89
1.27
90.8
46.3
89
1.28
90.8
43.1
89
1.28
90.8
39.7
88
1.31
89.8
47.3
88
1.33
89.8
44.3
88
1.33
89.8
40.8
87
1.33
88.8
47.4
87
1.37
88.6
45.1
87
1.34
88.8
41.1
5%出力限制线上的点
89.6
1.26
91.2
46.1
90
1.26
91.8
42.9
90.3
1.24
92.1
39.0
2、等吸出高度线的绘制
2.1、绘制辅助曲线
2.2、求出各水头下的值，并在相应的模型综合特性曲线上查出水平线与各等气蚀系数线的所有交点坐标，,值，填入下表。
2.3、在辅助曲线上查出相应于上述各的N值，填入下表。
2.4、利用公式计算出相应于上述各的值，填入下表。
2.5、根据表中对应的，值，做出曲线。

39.0
75.76
0.22
0.82
289
0.25
9.75
0.03
0.21
0.84
29.8
0.24
9.36
0.42
0.21
1.33
47.4
0.24
9.36
0.42
0.22
1.36
48.1
0.25
9.75
0.03
0.23
1.37
48.2
0.24
9.36
0.42
37.0
77.78
0.22
0.82
26.9
0.25
9.25
0.53
0.21
0.87
28.4
0.24
8.88
0.90
0.20
0.97
32.5
0.23
8.51
1.27
0.20
1.29
38.7
0.23
8.51
1.27
0.21
1.33
44.3
0.24
8.88
0.90
0.22
1.36
44.8
0.25
9.25
0.53
35.0
79.98
0.22
0.86
25.5
0.25
8.75
1.03
0.21
0.93
28.0
0.24
8.4
1.38
0.21
1.29
39.8
0.24
8.4
1.38
0.22
1.31
40.2
0.25
8.75
1.03
0.23
1.33
40.5
0.26
9.1
0.68

第五章 蜗壳设计
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。
2、 主要参数确定

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，选择平顶矩形断面。
当时，选取选择
由《水力机械》水轮机标准座环尺寸系列查取：座环外直径,即，座环内直径，即
2.2、蜗壳包角的选择
混凝土蜗壳，选取
2.3、蜗壳进口断面平均流速选择
从图2-8中由=37m,查取
3、 蜗壳的水力计算及单线图，断面图的绘制

3.1、确定进口断面尺寸
按公式2-8计算确定蜗壳进口断面面积

3.2、根据以选择的蜗壳断面形状，确定具体尺寸

3.3、划分中间断面并计算
中间断面尺寸

Ri
6.81
6.21
5.61
5.01
4.41
3.81
3.21
ai
3.63
3.03
2.43
1.83
1.23
0.63
0.03
mi
4.32
3.61
2.89
2.18
1.46
0.75
0.036
bi
5.82
5.11
4.39
3.68
2.96
2.25
1.536
Fi
19.14
14.10
9.78
6.23
3.41
1.36
0.046
φi
270
198
137
88
48
19
0.7
3.4、绘制的关系曲线。

3.5、所需要的包角，在图上查的该处的蜗壳断面面积及相应的外半径由此可绘出蜗壳平面单线图。

第六章 尾水管设计
1、尾水管型式的选择
本设计中尾水管型式采用弯肘型
2、尺寸确定及绘制平面剖面但线图
由水电站设计手册第一卷水力机械HL240的转轮流道尺寸图。
2.1、进口直锥段，采用，HL240取单边扩散角
2。2、肘管段：，可不设金属里衬，采用推荐的尾水管尺寸。
2.3、出口扩散段：底板水平，仰角，取，设中墩，
采用
2.4、尾水管的水平长度，,取，尾水管高度由,最低不得小于
2.5、表计算：，取
可得：
混凝土推荐的尾水管尺寸表

2.6
4.5
2.72
1.35
1.35
0.675
1.82
1.22

10.66
18.45
11.15
5.54
5.54
2.77
7.46
5.00

混凝土标准肘管尺寸表

1.0
1.0
2.015
0.36
0.86
1.095
0.6
0.18
0.58

5.54
5.54
11.16
1.99
4.76
6.07
3.32
1.00
3.21

2.6、由上述尺寸绘制尾水管平面剖面和单线图（见附图5）。

第七章 发电机选择
1、 型式的选择
由于n=115.4，所以选用伞式水轮发电机
利用发电机参数（见《设计手册》）及外形尺寸表选用SF45-48/854定子铁
芯组要尺寸为：
额定容量： 转子重量：
外径 内径
长度 定子机座高度
上机架高度 励磁机高度
定子支撑面至下机架支撑间距离
下机架支撑面至主轴法底面之间的距离
转子磁轭轴向高度
定子水平中心线至法兰底面距离
法兰盘底面至发电机顶部高度
机座外径 风罩内径
转子外径 下机架最大跨度
水轮机基坑直径
2、 发电机尺寸图

第八章 调速设备的选择
1、调速器的计算
水轮机的调速功A为：
其中
水轮机在工况点（）
工作时的效率可由附图查得92.0%

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。
2、接力器的选择
2.1、接力器直径的计算
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，选用额定油压为2.5Mpa，则每个接力器的
已知，查得，

选择与之接近而偏大的m的标准接力器。
2.2、接力器最大行程的计算

可以由设计工况点（=76.5 r/min，=1240）在模拟特性曲线上查得26.5。同时可得=534mm = 24 （D0和Z0分别为水轮机导叶轴心园的直径和水轮机的导叶数目）选用水轮机的，, 查得=26.4,则 =235mm
当选用计算系数为1.6时，则

2.3、接力器容量的计算
两个接力器的总容积

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

选则：

由此在表中选择与之相邻而偏大的DT-100型电气压型调速器
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

由此在表中选择与之相邻而偏大的YZ-4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-100型电气压型调速器
油压装置型号选择YZ-4型分离式油压装置
接力器选择的标准接力器
参考资料
1.水电站机电设计手册第一卷 《水力机械》 水电站机电设计手册编写组
2.水电站（第三版） 河海大学 刘启钊 主编
3.水力机械（第二版） 陕西机电学院 金钟元 编
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