長(zhǎng)沙理工大學(xué)水輪機(jī)設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)計(jì)算說明學(xué)院專業(yè)班課程名稱題 冃 任務(wù)起止h期：年 月 日 年 月 日學(xué)生姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師年月日教研室主任年月h審查院長(zhǎng)年月日批準(zhǔn)第一節(jié)水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)3第二節(jié)水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的繪制7第三節(jié)蝸殼設(shè)計(jì)10第四節(jié)尾水管設(shè)計(jì).13第五節(jié)心得總結(jié)17參考文獻(xiàn).18第一節(jié)水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)1.1水輪機(jī)型號(hào)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70mw,平均水頭為41m,最大水頭為47m,最小水頭為36m。水輪機(jī)的額定水頭為hr = 0.95/“ = 38.95(m)；水倫機(jī)安裝高程440.0m；ns =20 = 300(m.kw)。k根據(jù)資料，適合此水頭范圍的水輪機(jī)類型有軸流式和混流

2、式，乂根據(jù)水輪機(jī)系列型普表小查 出合適的機(jī)型冇hl260/a244型水輪、hl260/d74型水輪機(jī)和hl240/d41三種。根據(jù)裝機(jī)容 量擬選三種型號(hào)的水倫機(jī)2臺(tái)機(jī)組。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，初步擬定三種方案后進(jìn)行比較。一、hl260/a244型水輪機(jī)1臺(tái)機(jī)組(方案一)1.水輪機(jī)將基本參數(shù)計(jì)算(1) 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑卩。水輪機(jī)的額定出力為空=35000 = 36842(kw)%0.95取最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速/7ilo=8o(r/min)lj；ll力限制線的交點(diǎn)的單位流量作為設(shè)計(jì)工況單位流量,則2llr =1.275(m3/s),對(duì)應(yīng)的模型效率久=0

3、.865,暫取效率修止值 =0.03,則設(shè)計(jì)工況原型水輪機(jī)效率77 = % + = 0.865 + 0.03 = 0.895 ,故水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑為pr368429.81q嚴(yán)79.81x1.275 x 38.9515 x 0.895'縫）収 d, = 3.8(7h) o(2) 效率久的計(jì)算:認(rèn)=1-(1-%)牛= 1-(1-0.917)= 0.948效率修正值 = 皿-仏=0.031限制工況原型水輪機(jī)的效率為久=億 + = 0.865 + 0.031 = 0.896(3) 卩的校核計(jì)算：用乞=0.896對(duì)原先計(jì)算的卩進(jìn)行校核轉(zhuǎn)輪總徑卩仍以3. 8m為宜。368429.81 x 1.27

4、5x38.95*5 x 0.896= 3.67(m)(4)轉(zhuǎn)速斤的計(jì)算。由模型綜合特性曲線上查的如o=8o(i7min)n = 5ojh“ =dj 沖 34.8®取水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速n為136. 4r/min，此時(shí)水輪發(fā)電機(jī)組的磁極對(duì)數(shù)為22對(duì)。4.水倫機(jī)設(shè)計(jì)流量qr的計(jì)算= 1.19(m3/s)= p. 368421 ,r 9.8 irjtdhr15 9.81 x 0.896 x3.82x 38.9515qr = q何壓= 1.19x3.82x v38.95 = 107.6(m3 / s)5.幾何吸出高度hs的計(jì)算為使水輪機(jī)盡町能不發(fā)生空化，取/max. hr. h min三個(gè)水頭分別計(jì)

5、算水倫機(jī)的允許 吸出高度，以其最小值作為最人允許吸出高度。為此，進(jìn)行如下計(jì)算。(1) 計(jì)算h max、hr、h min所對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速5maxnd136.4x38v47= 75>6(r/min)hr nxxr =83.1(r/min)日斷：切喚二 86.4(r/min)(2) 確定各水頭所對(duì)應(yīng)的出力限制工況點(diǎn)的單位流量2,!hmin：取n1imaxaj；l|力限制線交點(diǎn)的單位流量，g1imax =1.288prmax lmin r o a2 r t9.81r/td hmax36842159.81xo.896x3.82x4715(3) 用(1).(2)中計(jì)算的對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)從模型綜合特性曲線上

6、分別查出/min. hr、hmax 所對(duì)應(yīng)的模型空化系數(shù)，分別為0.152、0.112、0. 103o分別用查到的空化系數(shù)計(jì)算hmin> hr、h max xj應(yīng)的吸出髙度e計(jì)算式：rv = 10(<tv/ +aa)h900查空化系數(shù)修正值曲線的水輪機(jī)水頭為45時(shí)，b=0.035440=10(0.035 + 0.152) x 36 = 2.78(m)m,n $900440hr:h =10(0.035 + 0.112)x 38.95 = 3.78(m)r v 900440h ：h =10 -(0.035 + 0.103) x47 = 3.02(m)max $900'7從三個(gè)吸

7、岀高度計(jì)算值屮取最小值2. 78m,最留一定的余量，取最人允許吸出高度hs=2mo6飛逸轉(zhuǎn)速樂的計(jì)算由hl260/a244水輪機(jī)的模型飛逸特性曲線上查得在最人導(dǎo)葉開度下單位飛逸轉(zhuǎn)速nnr = 158.7(" min),故水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速為nr = nnr=158.7x凹=286.3(r/min)3.87、實(shí)際的水輪機(jī)額泄水頭因不同的卩、77與水能預(yù)算/有差異36842p旳=(両局嚴(yán)=(9恥3宀.19心96嚴(yán)=釣琢)&轉(zhuǎn)輪軸向水推力片的計(jì)算k =034ft810k 存陽“9810x0.34 寸 x3&x47 = i.78x1°6(n)二、各方案主要參數(shù)同理，方

8、案二和方案三的數(shù)據(jù)也可通過同樣的方法和過程查資料計(jì)算得出，四種方案所得數(shù)據(jù)如表1-2所示:hl240/a244hl260/d74hl240/d41比轉(zhuǎn)速n5(m.kw)249247225模型最優(yōu)單位比轉(zhuǎn)速807977ni10(r/min)額定工況單位流量1. 191.070. 892llr(m3/s)轉(zhuǎn)輪直徑djm)3.83.954. 25水倫機(jī)效率770. 8960. 9250. 907轉(zhuǎn)速 /i(r/min)136.4125115.4額定流量107.6104.0106.32e/s)吸出高度h、(m)20. 52. 5實(shí)際額定水頭37.33& 73& 76wr(m)軸向水推力

9、ff(n)1. 78x1061.92x1062. 20x1061.3確定機(jī)組方案根據(jù)上面列舉出來的三種方案數(shù)據(jù)分析，第三種水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑過大，而比轉(zhuǎn)速離設(shè)計(jì) a?v=300(m.kw)相差最多，第二種的吸出高度為0. 5m,相比第一種為加，第一種利于提 高年發(fā)電量和減小電站廠房的開挖工程量。而且三種方案中第一種的軸向推動(dòng)力最小，比轉(zhuǎn) 速249最為接近。因此，最終選定的最優(yōu)方案為2x iil240/a244。第二節(jié)水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的繪制2.1等效率曲線的計(jì)算現(xiàn)収水電站4個(gè)水頭，列表計(jì)算結(jié)果如表2-1所示，繪制的等效率線詳見圖紙。表2-1hl240/a244型水輪機(jī)等效率曲線計(jì)算表h 喰=47(

10、m)= 136.3x3.8 =?w/min)九.茫3亀09（/価）>/41p = (9.81zv£j 5)0 = 45.67/2. .(mwp = (981研/5)© = 3720(mw)%(%)qu(m3 / s) =+仇(%)p(mw：%(%)qu(m3/s)(%)p(mw)840. 77287. 130. 66840. 80687. 126. 12860. 80889. 132. 83860. 84689. 128. 04880. 86191. 135. 77880. 92091. 131. 18890. 90292. 137.88890. 96692. 133

11、. 10900. 92693. 139.31901.00393. 134. 74911.00494. 143. 08911.04194. 136. 44911.07094. 145. 31911. 13594. 139. 73901. 11393. 147. 25901. 18493. 141.01891. 15492. 148.47891.21792. 141.70881.20191. 150. 27881.24891. 142. 29861.27789. 151.88861.30689. 143. 29841. 35587. 153. 82841. 36687. 144. 2685.61-

12、29088.751.5086.5l28689.642. 865%出力限制線上的點(diǎn)hr = 37.3(m)=36(m)136.4x3.8=1 = 84.9(r / min)v37.3=136.4x3.8 =r/v36p = (9.81012/；5)7/211 = 32.2777© (mw)p = (981zvh j 5)© = 30.6“©(mw)%(%)fin(m3 / s) = +%(%)p(mw：(%)q：i(m3 / s)(%)p(mw)840. 82987. 123. 30840. 84587. 122. 52860. 89889. 125.82860.

13、92089. 124. 54880. 99891. 129. 34881.02091. 128. 43891.03592. 130. 76891.05692. 129. 76901.06393. 131.94901.08493. 130. 88911. 09294. 133. 16911. 11494. 132. 08911. 16894. 135. 47911. 17294. 133. 75901. 21193. 136. 38901.21893. 134. 70891.24292. 136.91891.24892. 135. 17881.27291. 137. 39881.27791. 1

14、35. 60861. 31889. 137. 90861. 32289. 136. 04841. 37087. 138. 51841.37187. 136. 545%岀力限制線上的點(diǎn)8& 21.26991.339. 398& 41.26491.535. 392.2功率限制線的計(jì)算水倫機(jī)的功率限制線一般由模型綜介特性曲線的5%功率限制線換算而得到的。需要計(jì)算的值已在等效率illi線計(jì)算表2-1屮列出。2.3等吸出高度線的計(jì)算（1）求出各水頭下的®i值，并在相應(yīng)的模型綜合特性曲，并由此計(jì)算出、p,填入表2-2中線上查出®水平線與各等氣蝕系數(shù)b線的所有交點(diǎn)坐標(biāo)，讀

15、出7/燈、0】、的 值。（2）利用公式丹廠e叫90。一計(jì)算出相應(yīng)于上述“的乞值，計(jì)算結(jié)果如表2-2所示，繪制的等吸出高度線詳見設(shè)計(jì)圖紙。表2-2hl220/a244型水輪機(jī)等吸出髙曲線計(jì)算表h(m)5 (r/min)a2h (m3 / s)(%)n(%)p(mw)cr +act(cr +acr)fi比(m)0. 101.00091. 194.242. 390. 136. 113. 400. 111.05591.294.345. 370. 146. 582.930. 121. 10390. 393.446. 360. 157. 052.464775.60. 131. 1668& 791.

16、84& 480. 167. 521.990. 141.23087.290.350. 650. 177. 991.520. 151.28195.688.751. 130. 187. 461.050. 100. 9408& 591.632.030. 135. 334. 180. 111.02690. 793.836. 990. 145. 743. 770. 121.09692.495.538. 940. 156. 153. 364180.90. 131. 15490.493.540. 140. 166. 562.950. 141.2288& 391.441.750. 176

17、. 972.540. 151.28386.990.042.950. 187. 382. 130. 110. 98987.890.929.010. 145. 224. 290. 121.06690. 193.232. 060. 155. 603.9137.384.90. 131. 12391.894.934. 390. 165. 973. 540. 141.20090. 393.436. 170. 176. 343. 170. 151.25888. 291. 337. 060. 186. 712.800. 110. 96086.990.026.40. 155. 404. 110. 121.050

18、89.092. 129. 590. 165. 763. 753686.40. 131. 10891.094.031.870. 176. 123. 390. 141. 17490. 793. 733. 660. 186. 483. 030. 151.24588.891.935. 150. 196. 842.672.4水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的繪制(見附圖)第三節(jié)蝸殼設(shè)計(jì)3.1蝸殼型式、斷面形狀和包角的確定由于本水電站水頭大于30米，所以選擇金屬蝸売。蝸売包角/=345。3.2座環(huán)尺寸的確定由水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)座環(huán)尺寸系列查取:2dbrk5. 8m5. 0m700mm150mm3.3蝸殼參數(shù)及具體尺寸的

19、計(jì)算3. 31蝸殼包角=345。3. 32 蝸殼進(jìn)口斷面流量2o=欽=34560? 6 = 1 °3 12(n? /s)查水輪機(jī)原理p. 191頁，金屬蝸殼進(jìn)口流速系數(shù)與水頭的關(guān)系1111線根據(jù)設(shè)計(jì)水頭=37.3(m)?？傻胟=0. 98蝸殼進(jìn)口斷面的平均流速心阿=0.98 x v37-3 = 6.0(m / s)n if)3 1?進(jìn)m斷面面積 厲=也=17.98(m2)v()6.0進(jìn)口斷面半徑p()= 誓 =$=2.39(m)導(dǎo)葉高度z?0 = 1.197(m)進(jìn)口斷面中心距a0 = r()+ jpj -=3 05 + v2.392 -0.97852 = 5.24(m)式中：/?

20、= (). 1 x® + 久=0.9785(m), /?()+ = 2.9 + 0.15 = 3.05(m)2 2分界斷面半徑：s = = 2竺 =1.71(m)cost/ cos 55山進(jìn)口斷血尺寸求出蝸殼系數(shù)和蝸殼常數(shù)£j45勺-屁5.24 - v5.242-2.392= 592.8530進(jìn)口斷面外徑/? = a。+ qo = 5.29 + 2.39 = 7.68(m)® s=s)=(0+1 «43h-/r0 -h2 +2.86hr0) c=(3.05 + 1.43x 0.985-73.052 -0.9852 + 2.86 x 0.985 x 3.0

21、5) x 592.8530=202.0則當(dāng)= 202.0。時(shí)，采用圓斷面。4、圓斷面計(jì)算當(dāng)p>s時(shí),釆用圓斷面連接計(jì)算如下:p =如+加根據(jù)上式圓斷tfri各數(shù)值如表1-12：表3-1蝸殼圓形斷面計(jì)算表斷面號(hào)0%/c2瀘0 ch2hch2pi角&13450. 5823. 053. 5500. 9571.6102. 1924. 8052.4005.2427. 64223300. 5573.053. 3950. 9571. 5612. 1184. 4862. 3335. 1687. 50133150. 5313.053. 2410. 9571. 5112.0434. 1722.265

22、5. 0937. 35743000. 5063.053.0870. 9571.4591.9653.8622. 1955.0157.21152850. 4813.052.9320. 9571. 1051.8863. 5572. 1254. 9367. 06162700. 4553. 052. 7780. 9571.3491.8053.2572.0534. 8556. 90872550. 4303.052.6240. 9571. 2911.7212.9621.9804. 7716. 75182400. 4053. 052.4690. 9571. 2301.6342. 6711.9054. 6846

23、. 58992250. 3803. 052.3150. 9571. 1651.5452. 3861.8294. 5956. 423102100. 3543.052. 1610. 9571.0971.4512. 1061.7504. 5016. 251112020. 3413.052.0780. 9571.0591.3991.9591.7274. 4806. 192當(dāng)（p=s）= 202.0°時(shí)，蝸殼各斷面不能在d點(diǎn)與座環(huán)相接，采用圓形斷面就 不合適了。在這種情況下，蝸殼斷面采用橢圓形斷面。5、橢圓斷面的計(jì)算當(dāng)時(shí)，采用橢圓斷而連接計(jì)算如下: 橢圓半徑r, = v1.045a + 0.8

24、1l2 - 1.348l圓同等面積a =寂 + hlcos55°p =丄纟+sina ccjcot2a + 2r橢圓斷面長(zhǎng)半徑r = l + r cot 55 = l + 0.3/?7l =sma0.9785 sin 55°中心距af = r +1.221/?2外徑rj = at + r、橢圓斷mi各數(shù)值列表如下:人=r() =3.05 °處5 =2.37(m)tanatan 55表3-2蝸殼橢圓斷面計(jì)算表r,斷面號(hào)儁叭icpir2airl121950. 3291.6731.7171.7054. 4676. 172131800. 3041.5901.5821.66

25、54. 3015.966141650. 2781.5061.4441.6234. 1335. 757151500. 2531.4201.3051.5813. 9635. 544161350. 2281.3301. 1631.5393. 7905. 328171200. 2031.2381.0181.4953.6135. 109181050. 1771. 1420. 8711.4513.4334.88519900. 1521.0410. 7211.4063. 2504.65620750. 1270. 9350. 5671.3603. 0624.42221600. 1010. 8210.4101.

26、3132. 8704. 18322450. 0760. 6960. 2491.2652. 6743.93823300. 0510. 5530. 0841.2152.4733.688表中p 旦（icot2 a + 空l + 丄）,蝸殼剖而圖見附錄圖一. c vj 丨 csincr第四節(jié)尾水管設(shè)計(jì)4. 1尾水管的選擇圖4-1尾水管外形尺寸尾水管是水輪機(jī)過流通道的一部分。尾水管的形狀對(duì)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(duì)高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)影響更為明顯。木設(shè)計(jì)屮尾水管型式采用由肓錐段、彎 肘段和擴(kuò)散段三部分組成帯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)

27、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(huì)降低水輪機(jī)效率，還 會(huì)影響運(yùn)行的穩(wěn)定性。從水倫機(jī)p167杳得：對(duì)于<d2的混流水倫機(jī)取h > 2.6 ；對(duì)于d1 >d2的 高水頭混流式水輪機(jī)則可取h » 2.20 o而= 0.95 < 1則 0 <£>.d2 0.96 + 0.000380.96 + 0.00038x2492所以取 h = 2.6d = 9.88( m)二、進(jìn)口直錐段進(jìn)口直錐管是以垂直的闘錐形擴(kuò)散錚，d.錯(cuò)誤！未找到引用源。為直錐管的進(jìn)口直 徑。口j近似取

28、轉(zhuǎn)輪出口直徑，即d3 =z)2 =1.054620, =4.0(m),從水輪機(jī)p167查得：進(jìn)口錐管的單邊錐角0對(duì)混流式水輪機(jī)可取9°,則取0 = 8°三、肘管段d = d3 + 2(h -h jtg04 " l + 2tg0肘管是一個(gè)90。變斷而的彎管，其進(jìn)口為圓斷而，出口為矩形斷而。參考水電站機(jī) 電設(shè)計(jì)手冊(cè)(水力機(jī)械)表2-17,當(dāng)vc二6 (m/s)，水頭低于200m時(shí),可不設(shè)金屬里襯, 采用推薦的尾水管設(shè)計(jì)，此時(shí)錯(cuò)誤！未找到引用源。尸h“ b與d4冇下列關(guān)系式：k： h - h1 - h3 + h4參考水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)(水力機(jī)械)表2-17得尾水管尺寸與

29、d：的比值可以算出 尾水管的各部分尺寸：表41推薦的尾水管尺寸表(單位：m)h/dlidbjd、djdhjd人/卩2.64.52. 721.351.350. 68rjd、rj d.ljd、% 1臥肘管型式適用范圍0. 821. 161.821.22混凝土肘管混流式(d,<d2)由表得:d4 = h4 = 1.35d = 1.35x3.8 = 53(m)；b5 =10.3(ni)l = 6.9( m)h5 = 4.6(m)h6 = 2.6(m)r、=3.10(m)r2 = 4.42(m)計(jì)算得：h3 =4.02(m)h, =0.73(m)四、出口擴(kuò)散段出口擴(kuò)散段是一水平放置斷而為矩形的擴(kuò)散管，參考水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)(水力機(jī)械)片32,其岀口寬度一般與肘管岀寬度相等，其頂板向上傾斜，仰角 (i二10。13。，取(x二11°，底板一般呈水平。出口擴(kuò)散一般為矩形斷面，對(duì)混流式 水輪機(jī)取 b =(2.7 3.3)d1 ,則取 b = 2.7x3.8 =