水輪機(jī)課程設(shè)計223頁

1、目錄第一章 課程設(shè)計任務(wù)及目的1一、所需收集的資料及圖表1二、課程設(shè)計基本任務(wù)1三、課程設(shè)計目的1第二章 水能計算2一、水能計算21、水電站水文資料22、水能計算相關(guān)公式23、水能計算所得曲線3第三章 裝機(jī)方案的比較與確定6一、確定機(jī)組臺數(shù)需要考慮因素6二、裝機(jī)方案的選擇71、總裝機(jī)容量的確定72、水輪機(jī)組裝機(jī)方案擬定7三、裝機(jī)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較7第四章 水輪機(jī)機(jī)型的選擇9一、水電站的特征水頭9二、水輪機(jī)型號的確定9三、水輪機(jī)裝置形式選擇10第五章 水輪機(jī)基本參數(shù)的計算11一、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑的計算11二、效率r的計算11三、轉(zhuǎn)速n的計算11四、水輪機(jī)設(shè)計流量Qr的計算12五、幾何吸出高度Hs的

2、計算121、計算Hmax，Hr，Hmin所對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速n11122、確定各水頭所對應(yīng)的出力限制工況點的單位流量Q11123、用（1）（2）中計算的對應(yīng)工況點從模型綜合特性曲線上分別查出Hmax，Hr，Hmin所對應(yīng)的模型汽蝕系數(shù)134、分別用查到的汽蝕系數(shù)計算Hmax，Hr，Hmin對應(yīng)的吸出高度135、飛逸轉(zhuǎn)速nR的計算136、檢驗水輪機(jī)的工作范圍13第六章 機(jī)組的運轉(zhuǎn)特性曲線14一、等效率線的繪制14二、出力限制線的繪制16三、等吸出高度線的繪制17四、水輪機(jī)運轉(zhuǎn)綜合特性曲線18第七章課程設(shè)計總結(jié)19參考文獻(xiàn)19附錄20第一章 課程設(shè)計任務(wù)及目的一、所需收集的資料及圖表1) 中小型混流式

3、水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)表。2) 水輪機(jī)模型綜合特性曲線。3) 發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速表。4) 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑尺寸系列表5) 汽蝕系數(shù)修正值與水頭H關(guān)系曲線6) 各型號水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪飛逸特性曲線二、課程設(shè)計基本任務(wù)1) 水能計算并繪制相關(guān)曲線2) 擬定四個水輪發(fā)電機(jī)組裝機(jī)方案，并從兩個方面（即技術(shù)方面與經(jīng)濟(jì)方面）進(jìn)行分析，擇優(yōu)選取方案。3) 選擇水輪機(jī)型號4) 通過所給的原始資料，根據(jù)要求計算水輪機(jī)的基本工作參數(shù)5) 繪制對應(yīng)機(jī)組的運轉(zhuǎn)特性曲線三、課程設(shè)計目的 通過水輪機(jī)的課程設(shè)計，將各種水輪機(jī)的性能參數(shù)整理并繪制成不同形式的曲線，它是與水輪機(jī)課程教學(xué)相輔助的一個理論學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)，也是課程教學(xué)中一個必不可

4、少的環(huán)節(jié)。通過水輪機(jī)課本章節(jié)的相關(guān)理論知識的學(xué)習(xí)后，再通過課程設(shè)計的環(huán)節(jié)以達(dá)到鞏固和加強理論知識的目的，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、嚴(yán)謹(jǐn)工作的能力；此外，通過課程設(shè)計更進(jìn)一步掌握造型、設(shè)計、參數(shù)等程序內(nèi)容，提高了學(xué)生查閱資料和動手實踐的能力。第二章 水能計算一、水能計算該課程設(shè)計水電站為一引水式水電站，電站海拔高程=1773m。1、水電站水文資料表2-1 電站水文資料2、水能計算相關(guān)公式頻率： 小于等于相應(yīng)流量累計天數(shù)。凈水頭： 壓力前池水位高程，尾水水位高程，(m)水頭損失。增加裝機(jī)容量： 出力系數(shù)，組流量最大值，組流量最少值。出力：出力系數(shù)：假定水輪機(jī)效率為，發(fā)電機(jī)效率為 ，則出力系數(shù)為發(fā)電量

5、： 小于等于相應(yīng)流量累計天數(shù)。累計發(fā)電量： 年裝機(jī)利用小時數(shù)t： 3、水能計算所得曲線圖2-1裝機(jī)容量與年利用小時數(shù)關(guān)系曲線圖2-2流量頻率關(guān)系曲線圖2-3裝機(jī)容量與流量關(guān)系曲線圖2-4累計發(fā)電量與流量關(guān)系曲線圖2-5流量與尾水位關(guān)系曲線圖2-6流量與水頭關(guān)系曲線注：水能計算表見附表一第三章 裝機(jī)方案的比較與確定一、確定機(jī)組臺數(shù)需要考慮因素1、機(jī)組臺數(shù)與機(jī)電設(shè)備制造的關(guān)系在水電站的裝機(jī)容量基本已經(jīng)定下來的情況下，機(jī)組臺數(shù)增多，單機(jī)容量減少。機(jī)組臺數(shù)增多時，機(jī)組單機(jī)容量減小，尺寸減小，因而制造及運輸都比較容易，這對于制造能力和運輸條件較差的地區(qū)是有利的。而實際上選用小機(jī)組時，單位千瓦消耗的材料多

6、，制造工作量大，故一般都希望選用較大容量的機(jī)組。所以，要綜合考慮各個因素。2、機(jī)組臺數(shù)與水電站投資的關(guān)系當(dāng)選用機(jī)組臺數(shù)較多時，不僅機(jī)組本身單位千瓦的造價高，而且隨著機(jī)組臺數(shù)的增加，相應(yīng)的閥門、管道、調(diào)速設(shè)備、輔助設(shè)備和電氣設(shè)備的套數(shù)就要增加，電氣結(jié)線也較復(fù)雜，廠房平面尺寸也需增大，機(jī)組安裝維護(hù)的工作量也要增加，因此從這些方面來看水電站單位千瓦的投資將隨臺數(shù)的增加而增加。但另一方面采用小機(jī)組時，廠房的起重能力、安裝場地、機(jī)坑開挖量都可縮減，因而又可減少一些水電站的投資。在大多數(shù)情況下，機(jī)組臺數(shù)增多將增大投資。3、機(jī)組臺數(shù)與水電站運行效率的關(guān)系水輪機(jī)在額定出力或者接近額定出力時，運行效率較高。機(jī)組

7、數(shù)目不同時，水電站水輪機(jī)的平均效率也不同。機(jī)組臺數(shù)較少，平均效率越低。機(jī)組臺數(shù)多，可以靈活改變機(jī)組運行方式，調(diào)整機(jī)組負(fù)荷，避開低效率區(qū)運行，使水電站保持有較高的平均效率，但當(dāng)臺數(shù)增加到一定程度再增多時，對水電站的平均運行效率就不會游顯著的影響了。4、機(jī)組臺數(shù)與水電站運行維護(hù)工作的關(guān)系機(jī)組臺數(shù)多，單機(jī)容量小，水電站運行方式就比較靈活，機(jī)組發(fā)生事故后所產(chǎn)生的影響小，檢修也較容易安排。但因運行操作次數(shù)隨之增加，發(fā)生事故的幾率增高了，同時管理人員增多，運行費用也提高了，因此不宜選用過多的機(jī)組臺數(shù)。二、裝機(jī)方案的選擇1、總裝機(jī)容量的確定依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)1相關(guān)介紹，并根據(jù)此水電站為小型水電站，所以取年利用小時

8、數(shù)為3800h,根據(jù)圖2-1 年利用小時數(shù)與裝機(jī)容量關(guān)系曲線查得總裝機(jī)容量為30000Kw。2、水輪機(jī)組裝機(jī)方案擬定將水輪機(jī)組方案擬定為以下四種： 方案一：2×15000kw方案二：3×10000 kw 方案三：4×7500 kw方案四：2×12000kw+1×6000kw三、裝機(jī)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較技術(shù)比較：根據(jù)我國現(xiàn)水輪機(jī)方面制造水平，各方案在技術(shù)方面差別不大，故各忽略。經(jīng)濟(jì)比較：表 3-1 裝機(jī)方案計算成果表參數(shù)方案一方案二方案三方案四臺數(shù)×單機(jī)容量（kw）2×150003×100004×75002&

9、#215;12000+1×6000最小單機(jī)容量（kw）150001000075006000最小單機(jī)容量對應(yīng)額定流量（m³/s）22.215119各裝機(jī)方案可以利用流量最少值（m³/s）14.49.757.155.85年不可發(fā)電量（萬kw.h）429274.86204123裝機(jī)總投資(萬元) 9000120001500013000年不可發(fā)電量費用（萬）15095.97143注：1、裝機(jī)總投資中取4000元/Kw 2、各裝機(jī)方案可以利用流量最小值取最小單機(jī)容量對應(yīng)流量的65% 3、每千瓦時電為0.35元最小單機(jī)容量對應(yīng)額定流量由各個方案中最小單機(jī)容量在圖2-3裝機(jī)容量

10、與流量關(guān)系曲線查得。年不可發(fā)電量對應(yīng)各流量對應(yīng)各流量段對應(yīng)天數(shù)發(fā)電量累計量，具體數(shù)值于附表一 水能計算表綜合比較：方案三建設(shè)初期總投資過于大，可能因為資金無法籌集使項目不能開展，方案一年不可發(fā)電量與其他方案比較大，每年小發(fā)的電太多，致使效益不好，故這兩個方案可以淘汰；方案二與方案四比較，方案四綜合投資比方案二大很多，方案二比方案四年不可發(fā)電量產(chǎn)生費用每年多40萬左右，從減少建設(shè)初綜合總投資和電站設(shè)計、安裝以及電氣設(shè)備選擇等各方面方便考慮，我最終選擇方案二3×10000 kw為此水電站的最優(yōu)裝機(jī)方案。第四章 水輪機(jī)機(jī)型的選擇一、水電站的特征水頭由水能計算表可知相應(yīng)特征水頭如表4-1所示

11、表4-1 水電站特征水頭表特征水頭最大水頭Hmax設(shè)計水頭Hr最少水頭Hmin水頭數(shù)值（m）81.579.777.5設(shè)計水頭視為與加權(quán)平均水頭相同，計算公式： 對應(yīng)水頭天數(shù)二、水輪機(jī)型號的確定 根據(jù)我國水輪機(jī)型譜中推薦的設(shè)計水頭與比轉(zhuǎn)速關(guān)系，水輪機(jī)的ns為 因此選擇ns在204左右的水輪機(jī)為宜。圖4-1中小型混流式水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)表 由圖4-1中小型混流式水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)表可知，在水輪機(jī)型譜中，本電站水頭在5080m水頭段與70105m水頭段。兩個水頭段種可選擇的轉(zhuǎn)輪型號有：HL260,HL240兩種型號。在設(shè)計工況下，三種轉(zhuǎn)輪的比轉(zhuǎn)速分別為：261,239，比較三種轉(zhuǎn)輪，以HL2

12、40轉(zhuǎn)輪的比轉(zhuǎn)速與本電站的計算比轉(zhuǎn)速最接近，空化系數(shù)較小，故決定用HL240轉(zhuǎn)輪。具體參數(shù)如表4-2所示。表4-2HL240型水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)表轉(zhuǎn)輪型號D1Mb0最優(yōu)工況限制工況(m)n110(r/min)Q110(m3/s)h(%)n(r/min)Q11(m3/s)hM(%)sMHL2400.350.25770.95922251.12387.60.106三、水輪機(jī)裝置形式選擇水輪機(jī)軸的裝置方式可分為立軸和臥軸兩種，其中臥軸布置方式布置簡單，不需向下開挖但占地面積較大，一般用于小型電站或水頭較低的貫流式水電站。立軸布置方式具有占地面積小的特點，但需向下進(jìn)行較大的土石開挖，增加土建投資成本

13、。為縮小廠房面積，高水頭大型電站一般均采用立軸布置方式。同時裝機(jī)容量超過2500kw時，采取立軸方式布置機(jī)組。本次課程設(shè)計機(jī)組單機(jī)裝機(jī)容量為10000kw，故綜合考慮，本電站水輪機(jī)采用立式裝置直接連接形式。第五章 水輪機(jī)基本參數(shù)的計算一、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑的計算水輪機(jī)的額定出力為 取最優(yōu)轉(zhuǎn)速n110=77r/min與出力限制線的交點的單位流量作為設(shè)計工況的單位流量，則Q11r=0.95m3/s，對應(yīng)的模型效率m=0.88，暫取效率修正值=2%，則設(shè)計工況原型水輪機(jī)效率=m+=0.88+0.02=0.90,故水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑為 表5-1 轉(zhuǎn)輪直徑D1尺寸系列 單位cm25303542506071841

14、001201401601802002252753003303804104505005506006507007508008509009501000根據(jù)表5-1 我國規(guī)定的轉(zhuǎn)輪直徑系列數(shù)值。計算值介于120cm140cm之間，考慮到120cm偏小，難以保證設(shè)計水頭下發(fā)出額定出力；故取140cm較合理。二、效率r的計算效率修正值=rmax-m0=0.9390.92=0.019限制工況原型水輪機(jī)的效率為r=m+=0.876+0.019=0.895|r|=|0.8950.9|=0.005<=0.005所以上述水輪機(jī)D的計算合理，維持D=140cm。三、轉(zhuǎn)速n的計算由模型綜合特性曲線上查得=77r/

15、min由表5-2 標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速表可知轉(zhuǎn)速計算值介于同步轉(zhuǎn)速428.6500之間，故取水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速n為500r/min表5-2 發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速表磁極對數(shù)p（對）3456789101214同步轉(zhuǎn)速n（r/min）1000750600500428.6375333.3300250214.3磁極對數(shù)p（對）16182022242628303234同步轉(zhuǎn)速n（r/min）187.5166.7150136.4125115.4107.110093.888.2磁極對數(shù)p（對）36384042444648505254同步轉(zhuǎn)速n（r/min）83.3797571.468.265.262.56057.755.5四

16、、水輪機(jī)設(shè)計流量Qr的計算設(shè)計工況點的單位流量Q11r為=Qr=0.851×1.402×=14.89（m³/s）五、幾何吸出高度Hs的計算 為使水輪機(jī)不發(fā)生汽蝕，取Hmax、Hr、Hmin三個水頭分別計算水輪機(jī)的允許吸出高度，以其中的最小值作為最大允許吸出高度。為此，進(jìn)行如下計算。1、計算Hmax，Hr，Hmin所對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速n11Hmax：Hr：Hmin：2、確定各水頭所對應(yīng)的出力限制工況點的單位流量Q11Hmin：取n11max與出力限制線交點處單位流量，Q11max=1.18m3/sHr：Q11r=0.851/sHmax ：=0.823 m3/s3、用（1

17、）（2）中計算的對應(yīng)工況點從模型綜合特性曲線上分別查出Hmax，Hr，Hmin所對應(yīng)的模型汽蝕系數(shù)Hmax，Hr，Hmin所對應(yīng)的模型汽蝕系數(shù)分別為0.097，0.085，0.087。4、分別用查到的汽蝕系數(shù)計算Hmax，Hr，Hmin對應(yīng)的吸出高度計算式： Hs=10.0/900(M+)H圖5-1設(shè)計水頭與空化系數(shù)修正值關(guān)系曲線查空化系數(shù)修正值曲線得水輪機(jī)水頭為79.7m時對應(yīng)的=0.02Hmax：Hs=101773/900(0.097+0.02)×81.5=-1.51mHr：Hs=101773/900(0.085+0.02)×79.7=-0.34mHmin：Hs=101

18、773/900(0.087+0.02)×77.5=-0.26m從三個吸出高度計算值中取最小值-0.34m，再留一定的余量，取最大允許吸出高度Hs=-1m。5、飛逸轉(zhuǎn)速nR的計算由HL240轉(zhuǎn)輪的模型水輪機(jī)參數(shù)表查得在最大導(dǎo)葉開度下n11R=142.5r/min,故水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速為6、檢驗水輪機(jī)的工作范圍設(shè)計工況的單位流量： Q11r=0.851（m³/s）最大水頭、最小水頭所對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速：平均水頭下的單位轉(zhuǎn)速根據(jù)上述參數(shù)繪出的水輪機(jī)實際工作范圍如下圖所示圖5-1 HL240-LJ-500水輪機(jī)工作范圍圖由水輪機(jī)的工作范圍圖可知，水輪機(jī)的實際運行范圍稍微偏離最高區(qū)，但仍處

19、于高效區(qū)范圍內(nèi)，與其他可能選擇的參數(shù)相比，本方案是最優(yōu)的。第六章 機(jī)組的運轉(zhuǎn)特性曲線水輪機(jī)在水電站中運行時，是在固定的額定轉(zhuǎn)速n下工作的，但功率和水頭變化時，流量、效率和空化系數(shù)隨著發(fā)生變化。在水輪機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，其各主要工作參數(shù)之間的關(guān)系，概括地表達(dá)在水輪機(jī)綜合運轉(zhuǎn)特性曲線上。各水輪機(jī)運轉(zhuǎn)綜合特性曲線一般是由其模型綜合特性曲線換算而來。由水輪機(jī)相似定律知，當(dāng)水輪機(jī)D1、n為常數(shù)時，具有下列關(guān)系存在： ; 根據(jù)上述關(guān)系式，可以把以為坐標(biāo)系的模型綜合特性曲線換算為以PH為坐標(biāo)系的原型水輪機(jī)運轉(zhuǎn)綜合特性曲線上。一、等效率線的繪制1等效率線的繪制原理混流式水輪機(jī)的效率修正采用等值修正法，即原型水

20、輪機(jī)所有工況點的效率換算均采用同一修正值。即=max-M0這樣，混流式水輪機(jī)模型綜合特性曲線同一等效率線上的點換算到原型水輪機(jī)的運轉(zhuǎn)綜合特性曲線上，仍是同一等效率線上的點。2等效率線的繪制過程（1）在水輪機(jī)的工作水頭范圍77.5m81.5m之間取若干個水頭值，分別計算出各水頭對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速n11。（2）在圖6-1所示模型綜合特性曲線上以各n11值作水平線與模型的等效率線相交于一系列點，將各點的M換算成T,同時計算出各點的出力P。表6-1 等效率線繪制計算表注： （r/min）因為n11<3%n11M ，所以忽略n11。（3）把各點繪到PH坐標(biāo)中并連成光滑的曲線即原型水輪機(jī)的等效率線，見圖

21、6-2。圖6-2 等效率線二、出力限制線的繪制出力限制線表示水輪機(jī)在不同水頭下可以發(fā)出或允許發(fā)出的最大出力，在水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)配套的情況下，水輪機(jī)的出力受水輪機(jī)額定出力的限制。因此，實際的出力線以設(shè)計水頭為分界分為兩部分。在Hr與Hmax之間，水輪機(jī)出力受發(fā)電機(jī)的出力限制，是一條垂直的直線。在Hmin與Hr之間，水輪機(jī)的出力限制線一般為模型綜合特性曲線的95出力限制線換算而來。為方便計算，通常是計算出Hr，Hmin對應(yīng)最大允許出力Pr和Pmin然后將兩點連接起來得到H<Hr時的出力限制線。詳細(xì)計算見表61圖6-3出力限制線三、等吸出高度線的繪制等吸出高度線表達(dá)水輪機(jī)在各運行工況時的最大允許吸出高度Hs,等Hs線是根據(jù)模型特性曲線的等線換算而來得來的，計算與繪制等Hs線的步驟如下：1、計算各水頭相應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速n11M,在模型綜合特性曲線圖6-1上過n11M作水平線與各等線相交，記下各點的、Q11、m值。2、根據(jù)吸出高度計算公式計算各點的HS，并計算出各點的出力P。3、根據(jù)各工況點的（Hs，P）值繪制出各水頭下的Hs=f(p)曲線。4、在Hs=f（p）曲線圖上取某Hs值作水平線與各Hs=f(p)曲線相交，記下各交點的（H,P