水輪機(jī)課程設(shè)計說明書

1、.四川大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)院 專業(yè) 班課程名稱 題 目 任務(wù)起止日期： 年 月 日 年 月 日學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號 指 導(dǎo) 教 師 年 月 日教研室主任 年 月 日審查院 長 年 月 日批準(zhǔn). 目 錄第一章 水輪機(jī)的選型設(shè)計 .1第二章 水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的繪制 .11第三章 蝸殼設(shè)計 .14第四章 尾水管設(shè)計 .17第4章 心得總結(jié) .19參考文獻(xiàn) .20 第1章 水輪機(jī)的選型設(shè)計1.1 水輪機(jī)型號選定一、水輪機(jī)型式的選擇 根據(jù)原始資料，電站裝機(jī)容量7MW，平均水頭為33m，最大水頭為39m，最小水頭為28m。水輪機(jī)的額定水頭為Hr=0.9Hw=31.35M 根據(jù)資料，適合此水頭范圍的水輪

2、機(jī)類型有軸流式和混流式，又根據(jù)水輪機(jī)系列型普表中查出合適的機(jī)型有HL240型水輪機(jī)和ZZ440型水輪機(jī)兩種。根據(jù)裝機(jī)容量擬選兩種型號的水輪機(jī)1,2臺機(jī)組。 2、 初步擬訂型號機(jī)組臺數(shù)并確定單機(jī)容量 根據(jù)以上分析初步擬定見表1-1 水輪機(jī)型號機(jī)組臺數(shù)單機(jī)容量（KW）ZZ4401700023500HL2401700023500 表1-1 初步擬定表1.2 原型水輪機(jī)各方案主要參數(shù)的選擇 按電站建成后,在電力系統(tǒng)的作用和供電方式,初步擬定四種方案后進(jìn)行比較。一、ZZ440型水輪機(jī)1臺機(jī)組（方案一）1、計算轉(zhuǎn)輪直徑 裝機(jī)容量7000千瓦，水輪機(jī)的額定功率為 上式中：機(jī)組單機(jī)容量，kw 同步發(fā)電機(jī)的效率

3、，一般取95%-97%，此處取95%。 根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型普推薦的最大單位流量=1.65，為使單位流量有一定的 余量，取3%的儲備，則額定工況的單位流量=1.650.97=1.6,，對應(yīng)的模型效率=0.83，暫取效率修正值=0.03，=0.83+0.03=0.86。則設(shè)計工況原型水輪機(jī)效率為86%。根據(jù)我國規(guī)定的轉(zhuǎn)輪直徑系列（見水輪機(jī)P9），選擇轉(zhuǎn)輪公稱直徑=3.3m。2、計算原型水輪機(jī)的效率 水輪機(jī)最高效率 水輪機(jī)在額定工況（）是的最高效率 3、計算同步轉(zhuǎn)速 根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型普推薦的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速=115r/min，單位轉(zhuǎn)速修正值為 符合要求，所以轉(zhuǎn)速不用修正。所以 根據(jù)水輪機(jī)設(shè)計，選取標(biāo)準(zhǔn)同步

4、轉(zhuǎn)速n=375r/min。4、計算水輪機(jī)的運(yùn)行范圍水輪機(jī)設(shè)計流量當(dāng)n=375r/min時，最大水頭、最小水頭和平均水頭對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速 5、計算水輪機(jī)實際額定流量 水輪機(jī)在額定工況（）的最高效率時單位流量為 所以水輪機(jī)的實際額定流量為 6、 計算最大允許吸出高度 查得在額定工況下，模型水輪機(jī)的空化系數(shù)=0.44. 根據(jù)該電站額定水頭取=0.04 又根據(jù)數(shù)據(jù)由額定流量確定高程為=413.3m 7、實際的水輪機(jī)額定水頭 因不同的D1、與水能預(yù)算Hr有差異 8、計算軸向水推力根據(jù)ZZ440的轉(zhuǎn)輪軸向水推力系數(shù)表，轉(zhuǎn)輪直徑較小、止漏環(huán)間隙較大時取大值，故取=0.9。所以水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪軸向水推力為：二、HL2

5、40型水輪機(jī)1臺機(jī)組(方案二) 1.計算轉(zhuǎn)輪直徑 水輪機(jī)的額定功率為 查水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線可知，與出力限制線交點(diǎn)的單位流量為設(shè)計工況點(diǎn)單位流量，=1.24 /s，對應(yīng)模型水輪機(jī)的效率為98%，暫取3%的修正值，這原型水輪機(jī)的效率為92%。 按我國規(guī)定的轉(zhuǎn)輪直徑系列（水力機(jī)械設(shè)計及工程設(shè)計，表1.3）,計算值處于1.8m-2.0m， 取直徑D1=2.0m。2.計算原型水輪機(jī)的效率 額定工況原型水輪機(jī)的效率為3.計算同步轉(zhuǎn)速 根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型普推薦的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速=72r/min，單位轉(zhuǎn)速修正值為 單位不需要修正。水輪機(jī)轉(zhuǎn)速為 根據(jù)水輪機(jī)設(shè)計選取同步轉(zhuǎn)速214.3r/min。4.計算水輪機(jī)的運(yùn)

6、行范圍5.計算水輪機(jī)實際額定流量6.計算最大允許吸出高度 在額定工況下，模型水輪機(jī)的空化系數(shù)=0.2。查水輪機(jī)原理圖3-13可得空化系數(shù)修正值=0.04。又根據(jù)數(shù)據(jù)由額定流量確定高程為=431.3m7.計算飛逸轉(zhuǎn)速 由HL240模型水輪機(jī)飛逸特性曲線查得，在最大導(dǎo)葉開度下單位飛逸轉(zhuǎn)速=160r/min。故水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速為8、實際的水輪機(jī)額定水頭 因不同的D1、與水能預(yù)算Hr有差異 9.計算軸向水推力 根據(jù)HL240的轉(zhuǎn)輪軸向水推力系數(shù)表，轉(zhuǎn)輪直徑較小、止漏環(huán)間隙較大時取大值，故取K=3.2。所以水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪軸向水推力為三、各方案主要參數(shù) 同理，方案三和方案四的數(shù)據(jù)也可通過同樣的方法和過程查資料

7、計算得出，四種方案所得數(shù)據(jù)如表1-2所示： ZZ440 (17MW) ZZ440 (23.5MW) HL240 (17MW)HL240(23.5MW)比轉(zhuǎn)速 (r/min)440440220220額定功率 （kw）7368368473683684模型最優(yōu)單位比轉(zhuǎn)速 (r/min)1151157272模型額定工況單位流量 ()1.511.51 1.241.24轉(zhuǎn)輪直徑 (m)1.81.2521.37水輪機(jī)效率 0.8720.8670.910.905轉(zhuǎn)速 n (r/min)375500107300額定流量 ()27.413.227.713.3吸出高度 (m) -5.53-5.521.99 1.96

8、實際額定水頭 (m)31.432.331.631.7實際額定流量 ()6.141.833.80.961軸向水推力 (N)0.938450.689470.478800.30643 表1-2 四種方案數(shù)據(jù)表格1.3 確定機(jī)組方案 根據(jù)上面列舉出來的四種方案數(shù)據(jù)分析，兩種機(jī)型方案的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑相近，但HL240型水輪機(jī)方案的工作范圍包含了較多的高效率區(qū)域，運(yùn)行效率較高，氣蝕系數(shù)較小，安裝高程較高，有利于提高年發(fā)電量和減小電站廠房的開挖工程量；而ZZ440型水輪機(jī)方案的機(jī)組轉(zhuǎn)速較高，有利于減少發(fā)電機(jī)尺寸，降低發(fā)電機(jī)造價，但這種機(jī)型的水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)的造價較高。所以根據(jù)分析，在制造供貨方面沒有問題時

9、，初步選用HL240型方案為有利。而HL240中1臺機(jī)組雖然效率比2太機(jī)組略高造價低，但是兩臺機(jī)組運(yùn)行時更方便，也有利于水電站的運(yùn)行。因此，最終應(yīng)選的最優(yōu)方案為2 HL240。 第二章 水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的繪制 2.1 等效率曲線的計算 現(xiàn)取水電站4個水頭，列表計算結(jié)果如表2-1所示，繪制的等效率線詳見圖紙。 （%）（%）P（mw）（%）（%）P（mw）878889909191908988870.850.880.920.950.971.131.161.191.241.2788.5689.5690.5691.5692.5692.5691.5690.5689.5688.563.483.673.88

10、4.024.184.894.965.085.245.29878889909191908988870.830.870.910.940.981.191.221.251.281.3287.5689.5690.5691.5692.5692.5691.5690.5689.5688.562.672.853.043.193.374.074.124.154.234.275%出力限制線上的點(diǎn)88.011.2489.575.1889.81.2491.364.11（%）（%）P（mw）（%）（%）P（mw）878889909191908988870.840.880.920.961.001.211.241.261.3

11、01.3388.5689.5690.5691.5692.5692.5691.5690.5689.5688.562.512.642.842.993.203.793.843.883.943.97878889909191908988870.890.930.981.021.071.221.261.271.321.3488.5689.5690.5691.5692.5692.5691.5690.5689.5688.562.362.492.622.762.973.183.263.293.363.375%出力限制線上的點(diǎn)90.301.2491.863.8290.301.2491.863.23 表2-1 HL2

12、40型水輪機(jī)等效率曲線計算表2.2 功率限制線的計算 水輪機(jī)的功率限制線一般由模型綜合特性曲線的5%功率限制線換算而得到的。需要計算的值已在等效率曲線計算表2-1中列出。2.3 等吸出高度線的計算（1）求出各水頭下的值，并在相應(yīng)的模型綜合特性曲，并由此計算出、P，填入表2-2中線上查出水平線與各等氣蝕系數(shù)線的所有交點(diǎn)坐標(biāo)，讀出、的值 (%)(%)P(mw)(m)3967.3 0.21 0.221.241.3388.185.389.5686.864.975.160.240.259.369.75 0.16-0.233373.110.210.200.200.210.220.850.981.221.3

13、11.3687.591.190.187.085.589.0692.6691.5688.5687.062.643.173.904.054.120.250.240.240.250.278.227.897.898.228.881.301.631.631.300.6531.3575.010.210.200.200.210.220.830.951.281.331.3687.190.088.586.985.788.5691.5690.0688.4687.262.372.823.713.793.830.250.240.240.250.267.847.527.527.848.151.682.012.011.6

14、81.37 28 79.41 0.210.200.200.210.220.860.961.271.321.3486.588.789.187.587.088.0690.2690.5689.0688.562.072.383.143.223.24 0.26 0.25 0.25 0.26 0.277.146.866.867.147.422.382.662.662.382.11（2）利用公式計算出相應(yīng)于上述各的值，計算結(jié)果如表2-2所示，繪制的等吸出高度線詳見設(shè)計圖紙。 表2-2 HL220型水輪機(jī)等吸出高曲線計算表2.4 水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的繪制（見附圖）第三章 蝸殼設(shè)計3.1 蝸殼型式、斷面形狀和包

15、角的確定由于本站應(yīng)用水頭為小于40米，故采用混凝土蝸殼。蝸殼斷面為平頂“”形斷面。選擇平頂“”行斷面，當(dāng)時，選取，選擇；角度在內(nèi)選取，一般取?；炷廖仛さ陌且话阍?。取。3.2 座環(huán)尺寸的確定 由水輪機(jī)設(shè)計手冊標(biāo)準(zhǔn)座環(huán)尺寸系列查?。鹤h(huán)內(nèi)直徑Db=2.4；座環(huán)外直徑Da=3m。3.3 蝸殼參數(shù)計算 根據(jù)水電機(jī)原理與運(yùn)行圖6-9，當(dāng)水輪機(jī)額定水頭=31.35時，蝸殼進(jìn)口斷面的平均流速 蝸殼包角，且根據(jù)表3-1設(shè)計水輪機(jī)具體數(shù)據(jù)，得進(jìn)口斷面流量為 表3-1如下：轉(zhuǎn)輪直徑額定水頭額定流量導(dǎo)葉相對高度導(dǎo)葉高度外直徑內(nèi)直徑1.4m31.35m13.30.2560.358m3.0m2.4m表3-1 水輪機(jī)

16、具體數(shù)據(jù) 進(jìn)口斷面面積 3.4 根據(jù)選擇的蝸殼斷面形狀，確定具體尺寸 由已知： 頂角的變化規(guī)律采用直線變化規(guī)律，則： 0.85 進(jìn)口斷面的最大半徑： =1.2+0.84=2.04m 在至之間設(shè)不同的，求出、，具體數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)如表3-2和3-3所示，并根據(jù)表格繪制輔助曲線。根據(jù)需要，選定若干個（每隔），并查出相應(yīng)的及其斷面尺寸，如表3-4所示。便可繪制蝸殼平面單線圖。 進(jìn)口寬度取。1斷面1.342.040.661.341.840.731.341.640.821.341.400.962斷面0.931.840.500.931.640.560.931.440.640.931.320.703斷面0.6

17、31.640.380.631.440.430.631.260.514斷面0.441.440.300.441.240.355斷面0.361.240.290.361.200.30表3-2 各斷面的的函數(shù)曲線斷面號12.040.65 270.29.972.124.7121.840.36 147.55.451.124.8731.640.18 74.72.760.545.1141.440.08 31.61.170.215.57 表3-3 各的數(shù)據(jù)計算編號1234567角度27022518013590450半徑R(m)2.041.961.881.781.661.521.21 表3-4 R關(guān)系3.5 由上述

18、尺寸繪制蝸殼單線圖（見附圖） 第四章 尾水管設(shè)計4.1 尾水管的選擇 尾水管是水輪機(jī)過流通道的一部分。尾水管的形狀對不同比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)的性能存在不同程度的影響，尤其對高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)影響更為明顯。本設(shè)計中尾水管型式采用由直錐段、彎肘段和擴(kuò)散段三部分組成帶有彎曲肘部的彎肘形尾水管。4.2 尺寸確定一、尾水管高度 尾水管高度指從水輪機(jī)底環(huán)平面到尾水管底板的高度，是決定尾水管性能的主要參數(shù)。增加高度將提高尾水管效率，但將增加電站建設(shè)費(fèi)用，減少高度不僅會降低水輪機(jī)效率，還會影響運(yùn)行的穩(wěn)定性。從水輪機(jī)P167查得：對于的混流水輪機(jī)?。粚τ诘母咚^混流式水輪機(jī)則可取。而 則所以取 二、進(jìn)口直錐段 進(jìn)口直錐管是

19、以垂直的圓錐形擴(kuò)散管，為直錐管的進(jìn)口直徑?？山迫∞D(zhuǎn)輪出口直徑，即，從水輪機(jī)P167查得：進(jìn)口錐管的單邊錐角對混流式水輪機(jī)可取，則取三、肘管段 肘管是一個90變斷面的彎管，其進(jìn)口為圓斷面，出口為矩形斷面。參考水電站機(jī)電設(shè)計手冊（水力機(jī)械）表2-17，當(dāng)Vc=5.6m/s6m/s,水頭低于200m時，可不設(shè)金屬里襯，采用推薦的尾水管設(shè)計，此時，與有下列關(guān)系式： 且： 參考水電站機(jī)電設(shè)計手冊（水力機(jī)械）表2-17得尾水管尺寸與D1的比值可以算出尾水管的各部分尺寸：肘管型式適用范圍2.64.52.721.351.350.681.821.22混凝土肘管混流式（） 表4-1 推薦的尾水管尺寸表（單位：m

20、）由表得：； 計算得： 四、出口擴(kuò)散段 出口擴(kuò)散段是一水平放置斷面為矩形的擴(kuò)散管，參考水電站機(jī)電設(shè)計手冊（水力機(jī)械）,其出口寬度一般與肘管出寬度相等，其頂板向上傾斜，仰角a=1013，取a=12,底板一般呈水平。出口擴(kuò)散一般為矩形斷面，對混流式水輪機(jī)取，則取。水平長度L是機(jī)組中心到尾水管出口的距離。肘管型式一定時，L決定了水平擴(kuò)散段的長度，增加L可使尾水管出口動能下降，提高效率。但太長了將增加沿程水力損失和增大廠房部分尺寸。通常取。五、尺寸列表 參考表4-1，計算出尾水管各部分尺寸列于下表4-2：項目（m）L尺寸1.41.41.93.61.92.66.31.70.93.81.60.1 表4-2 尾水管尺寸計算表 4.3 由上述尺寸繪制尾水管單線圖（見附圖） 第五章 心得總結(jié)通過這接近3周的課程設(shè)計，我們把學(xué)習(xí)課本的相關(guān)知識集中體現(xiàn)在具體的設(shè)計實踐當(dāng)中，把理論知識和凍水實踐結(jié)合在一起。不但提高了個人的獨(dú)立思考能力和自己的動手操作能力，而且對我們以后走上工作崗位有極大的