水電站水輪機選型設計

1、 院 校 ：河北工程大學水電學院專業(yè)班級：水利水電建筑工程01班 姓 名 ： 蘇 華 學 號 ： 093520101 指導老師： 簡 新 平水電站水輪機的選型設計摘 要本說明書共七個章節(jié)，主要介紹了大江水電站水輪機選型，水輪機運轉綜合特性曲線的繪制，蝸殼、尾水管的設計方案和工作原理以及調速設備和油壓裝置的選擇。主要內容包括水電站水輪機、排水裝置、油壓裝置所滿足的設計方案及控制要求和設計所需求的相關輔助圖和設計圖。系統(tǒng)的闡明了水電站相關應用設備和輔助設備的設計方案的步驟和圖形繪制的方法。關鍵詞：水輪機、綜合運轉特性曲線圖、蝸殼、尾水管、調速器、油壓裝置?！綼bstract】Curriculum

2、project of hydrostation is a important course and practical process in curriculum provision of water-power engineering major . There are more contents and specialized knowledge in the curriculum project , which make students not to adapt themselves quickly to complete the design . In this paper , ch

3、aracteristic of the curriculum project is analyzed , causes of inadaptation to the curriculum project in students are found , rational guarding method are proposed , and a example of applying the guarding method is given . The results show that using provided method to guard student design is a good

4、 method , when teaching mode and time chart are given , students are guarded from mode of thinking and methodology , and design step are discussed and given . After the curriculum project of hydrostation , the capability of students to solve practical engineering problems is improved , and the confi

5、dence to engage in design is strengthened .【Keyword】Curriculum project of hydrostation ; guarding method ; mode of thinking ; methodology; design step.水電站水輪機選型設計第一節(jié) 基本資料 41.1基本資料1.2設計內容第二節(jié) 機組臺數(shù)與單機容量的選擇 42.1 機組臺數(shù)與機電設備制造的關系2.2 機組臺數(shù)與水電站投資的關系2.3 機組臺數(shù)與水電站運行效率的關系2.4 機組臺數(shù)與水電站運行維護工作的關系2.5 單位容量的選擇第 三 節(jié) 水輪機型號

6、、裝置方式、轉輪直徑、轉速、及吸出高度與安裝高程的確定 53.1 HL240型水輪機3.2 ZZ440型水輪機3.3 兩種方案的比較分析第四節(jié) 水輪機運轉特性曲線的繪制 134.1 基本資料4.2 等效率曲線的計算與繪制4.3 出力限制線的繪制4.4 等吸出高度線的繪制第五節(jié) 蝸殼設計 155.1 蝸殼型式選擇5.2 主要參數(shù)確定5.3 蝸殼的水力計算及單線圖，斷面圖的繪制第六節(jié) 尾水管設計 186.1 尾水管型式的選擇6.2 尺寸確定及繪制平面剖面單線圖第七節(jié) 調速設備的選擇 198.1 調速器的計算8.2 接力器的選擇8.3 調速器的選擇8.4 油壓裝置的選擇參考資料 21大江水電站水輪機

7、選型設計第一節(jié) 基本資料1.1基本資料大江水電站，最大凈水頭Hmax=35.87m，最小凈水頭Hmin=24.72m，設計水頭Hp=28.5m，電站總裝機容量N裝=68000KW，尾水處海拔高程=24.0m，要求吸出高 Hs> -4m。1.2設計內容水輪機是水電站中最主要的動力設備之一，它關系到水電站助工程投資、安全運行、動能指標及經濟效益等重大問題，正確地進行水輪機選擇是水電站設計中的主要任務之一。本次設計的內容有： (1) 確定機組臺數(shù)與單機容量。(2) 確定水輪機的型號與裝置方式。(3) 確定水輪機的轉輪直徑與轉速。(4) 確定水輪機的吸出高度與安裝高程。(5) 繪制水輪機運轉特性

8、曲線。(6) 確定蝸殼、尾水管的型式與尺寸。(7) 選擇調速器與油壓裝置。第二節(jié) 機組臺數(shù)與單機容量的選擇水電站的裝機容量等于機組臺數(shù)和單機容量的乘積。根據(jù)已確定的裝機容量，就可以擬訂可能的機組臺數(shù)方案，當機組臺數(shù)不同時，則單機容量不同，水輪機的轉輪直徑、轉速也就不同，有時甚至水輪機型號也會改變，從而影響水電站的工程投資、運行效率、運行條件以及產品供應。選擇機組臺數(shù)與單機容量時應遵守如下原則：2.1 機組臺數(shù)與機電設備制造的關系機組臺數(shù)增多，單機容量減少，尺寸減小，制造及運輸較易，這對制造能力和運輸條件較差的地區(qū)有利的，但實際上說，用小機組時單位千瓦消耗的材料多，制造工作量大，所以最好選用較大

9、容量的機組。2.2 機組臺數(shù)與水電站投資的關系 當選用機組臺數(shù)較多時，不僅機組本身單位千瓦的造價多，而且相應的閥門、管道、調速設備、輔助設備、電氣設備的套數(shù)增加，電氣結構較復雜，廠房平面尺寸增加，機組安裝，維護的工作量增加，因而水電站單位千瓦的投資將隨臺數(shù)的增加而增加，但采用小機組時，廠房的起重能力、安裝場地、機坑開挖量都可以縮減，因而有減小一些水電站的投資，在大多數(shù)情況下，機組臺數(shù)增多將增大投資。2.3 機組臺數(shù)與水電站運行效率的關系當水電站在電力系統(tǒng)中擔任基荷工作時，引用流量較固定，選擇機組臺數(shù)較少，可使水輪機在較長時間內以最大工況運行，使水電站保持較高的平均效率，當水電站擔任系統(tǒng)尖峰負荷

10、時，由于負荷經常變化，而且幅度較大，為使每臺機組都可以高效率工作，需要更多的機組臺數(shù)。2.4 機組臺數(shù)與水電站運行維護工作的關系機組臺數(shù)多，單機容量小。水電站運行方式就較靈活，易于調度，機組發(fā)生事故產生的影響小，檢修較易安排，但運行、檢修、維護的總工作量及年運行費用和事故率將隨機組臺數(shù)的增多而增大，故機組臺數(shù)不宜太多。上述各種因素互相聯(lián)系而又相互對立的，不能同時一一滿足，所以在選擇機組臺數(shù)時應針對具體情況，經技術經濟比較確定。遵循上述原則，該水電站的裝機容量為6.8萬kw，由于1.5萬kw<8.6萬kw<25萬kw，該水電站為中型水電站，并擔任系統(tǒng)調峰、調相及少量的事故備用容量，同

11、時兼向周邊地區(qū)供電。且宜選用偶數(shù)機組臺數(shù)（兩個合用一個變壓器，方便變電和配電）：4臺。2.5 單位容量的選擇:單機容量N=6.8÷4=1.7萬KW,水輪機額定出力: (：發(fā)電機效率：96%-98%,取96%)即 =N÷96=17000÷96=17708KW。第3節(jié) 水輪機型號、裝置方式、轉輪直徑、轉速、 及吸出高度與安裝高程的確定根據(jù)該水電站的水頭變化范圍24.72m35.87m，參照水電站表3-3和表3-4的水輪機系列型普表查出合適的機型有HL240型水輪機（適用范圍2545）和ZZ440型水輪機（適用范圍20-40）兩種。現(xiàn)將這兩種水輪機作為初步方案，分別求出

12、其有關參數(shù)，并進行比較分析。3.1 HL240型水輪機3.1.1 轉輪直徑D計算查水電站表3-6可得HL240型水輪機在限制工況下的單位流量，效率，由此可初步假定原型水輪機在該工況下的單位流量，效率 。上述的=1.24m³/s、=17708KW 、和Hr=28.5帶入 =3.22m選用與之接近而偏大的標稱直徑=3.3m.3.1.2 轉速計算式中： 由水電站表3-6查得在最優(yōu)工況下的=72.0，初步假定 n=116.5r/min上式中： 單位轉速采用最優(yōu)單位轉速 r/min H采用設計水頭，28.5m 采用選用的標準直徑=3.3m 采用與其接近的偏大的同步轉速n= 125r/min3.

13、1.3 效率修正值的計算由水利機械附表1查得HL240 在最優(yōu)工況下最高效率為92.0%模型轉輪直徑=0.46m所以原型水輪機的最高效率可采用下式計算，即 =1-（1-0.92）=0.946=94.6則效率修正值為-=94.6%-92%=2.6%，考慮到制造水平的情況，常在以求得的中再減一個修正值，取=1，'=0；則效率修正值為 -'=0.946-0.92-0.01=0.016=1.6%由此可得原型水輪機在限制工況下的效率為=+=90.4%+1.6%=92%（與上述假定相同）單位轉速的修正值按下式計算: =0.014<0.03由于0.03， 按規(guī)定單位轉速可不加修正，同時

14、，單位流量Q也可不加修正。由上可見，原假定的， ,是正確的，那么上述計算及選用結果=3.3m和n=125r/min也是正確的。3.1.4 工作范圍校核在選定=3.3m，n125r/min后，水輪機的最大的及各特征水頭相對應的即可計算出來水輪機在Hr=28.5、Nr=17708下工作時，其相應的最大單位流量即為，故: = =1.19<1.24則水輪機的最大引用流量為 =1.193.3²=69.18(m³/s)對值：在設計水頭=28.5m時 在最大水頭Hmax=35.87m時 =68.86(r/min) 在最小水頭Hmin=24.72m時 =83(r/min) 在HL24

15、0型水輪機模型綜合特性曲線圖（圖3-1)上分別繪出 =1.19m³/s，68.86r/min和=83(r/min) 為常數(shù)的直線，由圖可見，由這三根直線所圍成的水輪機工作范圍（圖中陰影部分）基本上包含了該特性曲線的高效率區(qū)。所以對于HL240型水輪機方案，所選定的參數(shù)=3.3m和轉速n=125r/min是比較滿意的，但是還需要和其他方案作前面的比較。3.1.5 吸出高度Hs的計算由水輪機的設計工況參數(shù)77.3r/min，1190，在圖3-1上查得相應的氣蝕系數(shù)0.195，在水電站圖226查得氣蝕系數(shù)修正值為 0.04由此可得水輪機的吸出高度10-（0.195+0.04）×2

16、8.53.28m>-4m3.1.6 裝置方式：采用立軸安裝方式3.1.7 安裝高程的確定 由立軸混流式HL240 =24+3.28+3.3×0.365/2=27.88m所以，HL240型水輪機方案的吸出高度滿足電站要求H. 3.2 ZZ440型水輪機3.2.1 轉輪直徑D計算式中N,H均同前.對于值,可由附表2查得該型水輪機在限制工況下的=1650L/S,同時還查得氣蝕系數(shù)=0.380.65但在允許的吸出高為-4m時,則相應的裝置水輪機的空蝕系數(shù)為 -=0.45在滿足-4m吸出高度的前提下，值可在ZZ440型水輪機主要綜合特性曲線中可查得選用工況點（，=0.45）處的單位流量為

17、1205。同時可查得該工況點的模型效率=86.2，并據(jù)此可以初步假定水輪機的效率為89.5。將以上的各參數(shù)值代入， =3.32m 基本符合標準直徑,故選用直徑=3.3m3.2.2 轉速n計算 水輪機的轉速為: n=190.87r/min 選用與之接近而偏大的同步轉速n=214.3r/min.3.2.3 效率及單位參數(shù)修正對于軸流轉漿式水輪機，必須對其模型綜合特性曲線圖上的每個轉角的效率進行修正。當葉片轉角為時的原型水輪機最大效率可用下式計算,根據(jù)表3-7知、，并已知=3.3m，=28.5m，帶入上式則得: =1-(1-)(0.3+0.7)=1-0.683(1-)葉片在不同轉角時的可由模型綜合特

18、性曲線查得，從而可求出相應的值的原型水輪機的最高效率。當選用效率的制造工藝影響修正值時，即可計算出不同轉角時的效率修正值 其中計算結果如下表(3-1):表3-1 ZZ440型水輪機效率修正值計算表葉角轉角（）-10-50+5+10+15（%）84.988.088.888.387.286.0（%）89.791.892.492.091.390.4（%）4.83.83.63.74.14.4（%）3.82.82.62.73.13.4由<<水利機械>>附表2查得ZZ440型水輪機最優(yōu)工況的模型效率為=89。由于最優(yōu)工況接近于等轉角線，故可采用=2.6%作為其修正值，-從而可得原型

19、最高效率為：=89%+2.6%=91.6已知在吸出高度-4m限制的工況點（，=1205m³/s）處的模型效率為=86.2,而該工況點處于和兩等角線之間，用內插法求得該點的效率修正值為=3.22%，由此可得該工況點的原型水輪機效率為： =86.2%+3.22%=89.42(與上述假定的效率=89.5相近。) 由于：-1=-1=0.0145<0.03故單位轉速可不作修正，同時，單位流量也可不作修正。由此可見，以上選用，n=214.3（r/min)是正確的。3.2.4 工作范圍的檢驗計算在選定=3.3m，n214.3/min后，水輪機的及各特征水頭相對應的即可計算出來水輪機在Hr、N

20、下工作時，其即為，故 =1.22則水輪機的最大引用流量為=1.2053.3²=70.07與特征水頭，Hr相對應的單位轉速 在設計水頭=28.5m =132.47(r/min) 在最大水頭Hmax=35.87m時 =118.08(r/min) 在最小水頭Hmin=24.72m時 =142.24 (r/min) 在ZZ440型水輪機模型綜合特性曲線圖(圖3-2)上分別繪出，=1220 L/s和=118.08r/min, =142.24r/min的直線，由圖可見，由這三根直線所圍成的水輪機工作范圍（圖中陰影部分）基本上包含了該特性曲線的高效率區(qū)。所以對于ZZ440型水輪機方案，所選定的參數(shù)

21、和n=241.3r/min是合理的。3.2.5 吸出高度Hs的計算 由水輪機的設計工況參數(shù)132.47r/min，1220，由圖3-2可查得其氣蝕系數(shù)約為=0.42，則可求出水輪機的吸出高度為 10-（0.42+0.04）×28.5-3.14m>-4m 所以，ZZ440型水輪機方案的吸出高度滿足電站要求。3.2.6 裝置方式：采用立軸安裝方式3.2.7 安裝高程的確定： 立軸軸流式水輪機=24-3.14+0.413.3=22.21m3.3 兩種方案的比較分析為了便于分析比較,現(xiàn)將上述兩種方案的有關參數(shù)列表如下:表3-2 水輪機方案參數(shù)對照表序號項目HL240ZZ4401模型轉輪

22、參數(shù)推薦使用的水頭范圍（m）254520402最優(yōu)單位轉速721153最優(yōu)單位流量11008004最高效率92895氣蝕系數(shù)0.1950.426原型水輪機參數(shù)工作水頭范圍（m）24.7235.8724.7235.877轉輪直徑3.33.38轉速125214.39最高效率94.691.610額定出力177081770811最大引用流量69.1870.0712吸出高度3.28-3.1413安裝高程ZA27.8822.21從上列對照表來看,兩種不同型號的水輪方案在同樣水頭下的同時工作滿足額定出力的情況下,兩者比較來看,HL240包含了較多的高效率區(qū),氣蝕系數(shù)小，安裝高程較高等優(yōu)點,這可以提高水電站的

23、年發(fā)電量和減少廠房的開挖量;而ZZ440型方案的優(yōu)點僅表現(xiàn)在水輪機的轉速高,有利于減小發(fā)電機尺寸，降低發(fā)電造價，但這種機型的水輪機極其調節(jié)系統(tǒng)的造價較高。由此看,若在制造供貨方面沒有問題時,初步選用HL240型方案較為有利.在技術設計階段,尚需要計算出個方案的動能指標和經濟指標,進一步進行分析比較,以選出合理的方案. 本設計就采用HL240型號的水輪機.第四節(jié) 水輪機運轉特性曲線的繪制4.1 基本資料 轉輪的型式 HL240型,主要綜合特性曲線圖3-6（水電站）; 轉輪的直徑和轉速 =3.3m,額定轉速n=125r/min; 特征水頭 =35.87m, =24.72m, =28.5m, 水輪機

24、的額定出力 =17708kw 設計尾水位 =24m 安裝高程 =27.88m效率修正值為 =0.946-0.92-0.01=0.016=1.6% 表4-1 HL240型水輪機等效率曲線計算表Hmax=35.87m =68.9(r/min)=22.95=28.5mN=16.25=24.72m=83(r/min)N=13.13(%)(%)(%)(%)(%)860.887.616.1850.79 86.611.482.50.8384.19.2870.8488.617.1860.8387.611.8850.9486.610.7880.8689.618870.8888.612.7860.9887.611

25、.3890.9190.618.9880.9289.613.4871.0288.611.9900.9491.619.8890.9690.614.1881.0689.612.5910.9892.620.8901.0091.614.9891.1090.613.1911.1692.624.7911.0692.615.9901.1591.613.8901.1992.643.64911.2292.618.4901.2491.614.9891.2391.643.88901.2591.618.6891.2790.615.1881.2790.644.80891.2890.618.8881.3189.615.48

26、71.3089.645.34881.3489.619.1871.3488.615.6861.3387.626.7871.3688.619.2861.3687.615.74.2 等效率線的計算與繪制 由于水電站的水頭變化范圍較小,現(xiàn)取水輪機工作范圍內3個水頭,列表4-1分別進行計算.依據(jù)表4-1中的數(shù)據(jù)繪制對應每個H值的效率特性曲線，如圖4-1(a)所示。在該圖上作出某效率值的水平線，它與圖中各等H線相交，繪制HN坐標圖，連成光滑曲線，既得出等效率線，如圖4-1（b）。4.3 出力限制線的繪制出力限制線表示水輪機在不同水頭下實際允許發(fā)出的最大出力。由于水輪機與發(fā)電機配套運行，所以水輪機最大出力受

27、發(fā)電機額定出力和水輪機5%出力儲備線的雙重限制。依據(jù)表4-2繪制出力限制線。表4-2 5%出力限制線上的點88.71.2490.325.6990.41.2492.0 18.589.81.2591.415.04.4 等吸出高度線的計算取3個水頭,計算數(shù)據(jù)列表4-3分別進行計算.1、繪制輔助曲線，如圖4-2(a)所示。2、求出各水頭下的值，并在相應的模型綜合特性曲線上查出水平線與各等氣蝕系數(shù)線的所有交點坐標，,值，填入下表。3、在輔助曲線上查出相應于上述各的N值，填入下表。4、利用公式計算出相應于上述各的值，填入下表。5、根據(jù)表中對應的，值，做出曲線，如圖4-2（b）所示。6、在圖上任取值，做水平

28、線與曲線相交，記下各交點的、N值，繪于HN坐標圖上，將各點連成光滑曲線即為等吸出高度線。表4-3 HL240水輪機等吸出高度線計算表H(m)N(MW)(m)35.87=0.0468.90.220.79160.269.330.440.211.9119.80.258.970.760.211.2926.20.258.970.760.221.3526.70.269.330.440.231.3726.90.2479.680.0528.5=0.0477.30.220.8111.30.267.412.320.210.8512.10.257.132.600.200.95140.246.842.890.201.

29、2918.80.246.842.890.211.3319.10.257.132.600.221.3519.30.267.412.3224.72=0.0483.00.220.9110.60.266.343.30.211.0312.40.256.183.550.211.2114.40.256.183.550.221.2614.80.266.433.30.231.3015.20.276.673.06第五節(jié) 蝸殼設計5.1 蝸殼型式選擇 由于本水電站水頭高度小于40m，所以采用混凝土蝸殼。5.2 主要參數(shù)確定5.2.1 斷面形狀的確定 由于水輪機為中型水輪機，由相關資料確定，考慮在蝸殼頂部布置調速接力

30、器的方便選擇平頂梯形斷面，即 當時，選?。贿x擇；由水利機械附錄二水輪機標準座環(huán)尺寸系列查?。夯炝魇剿啓C外徑=5.0m，內徑=4.3m，轉輪直徑=3.3m，設計水頭=28.5m，設計流量=68.62 m³/s。5.2.2 蝸殼包角的選擇 混凝土蝸殼，選取5.2.3 蝸殼進口斷面面積及尺寸進口斷面流速： =0.824=4.40(m/s)進口斷面流量: =51.47m³/s進口斷面面積: =11.70m²5.3 蝸殼的水力計算及單線圖，斷面圖的繪制5.3.1 根據(jù)以選擇的蝸殼斷面形狀，確定具體尺寸5.3.2 中間斷面尺寸頂角的變化規(guī)律采用拋物線軌跡，則： 1.55進口

31、斷面的最大半徑： =2.5+2.82=5.32m 在至之間設不同的，求出、，計算見表5-1。根據(jù)表5-1繪制輔助曲線5-1(a)，根據(jù)需要，選定若干個（每隔）由圖5-1查出相應的及其斷面尺寸，如表5-2所示。便可繪制蝸殼平面單線圖,如圖5-1(b)。進口寬度取=5.32+3.3=8.62m。表5-1 中間斷面尺寸相關計算中間斷面尺寸計算Ri5.324.824.323.823.322.822.52.15備注ai2.822.321.821.320.820.32ai=Ri-rami3.312.241.470.730.280.04mi=ai²/k2²bi4.513.442.671.

32、931.481.241.21.2bi=bo+miSi計算表1r5.324.824.323.823.322.822.52.15Sib4.514.514.514.514.262.391.21.23.07b/r0.85 0.94 1.04 1.18 1.28 0.85 0.48 0.56 2r4.824.323.823.322.822.52.15Sib3.44 3.44 3.44 3.44 2.39 1.20 1.20 2.19 b/r0.71 0.80 0.90 1.04 0.85 0.48 0.563r4.323.823.322.822.52.15Sib2.67 2.67 2.67 2.39 1

33、.20 1.20 1.52 b/r0.62 0.70 0.80 0.85 0.48 0.56 4r3.823.322.822.52.15Sib1.93 1.93 1.93 1.20 1.20 0.97 b/r0.51 0.58 0.68 0.48 0.56 5r3.322.822.52.15Sib1.48 1.48 1.20 1.20 0.59 b/r0.45 0.52 0.48 0.56 6r2.82 2.50 2.15 Sib1.24 1.20 1.20 0.33 b/r0.44 0.48 0.56 7r2.50 2.15 Sib1.20 1.20 0.18 b/r0.48 0.56 Q、

34、計算表編號RiSiQFiVi15.323.07 51.47 270.00 11.70 4.40 24.822.19 36.73 192.68 7.73 4.75 34.321.52 25.49 133.73 4.99 5.11 43.820.97 16.27 85.34 2.90 5.61 53.320.59 9.89 51.91 1.62 6.11 62.820.33 5.53 29.03 0.82 6.75 72.50.18 3.02 15.84 0.42 7.19 表5-2 R關系編號1234567角度（°）27022518013590450半徑R（m）5.325.054.634.343.883.192.15第六節(jié) 尾水管設計6.1 尾水管型式的選擇尾水管的形式很多，最常用的有直錐形、彎錐形和彎肘型三種型式，本設計中尾水管型式采用彎肘形。彎肘形尾水管由進口直錐段、中間肘管段和出口擴散管三部分組成。6.2 尺寸確定及繪制平面剖面單線圖 查看水電站機電設計手冊第一卷水力機械26頁查HL240的轉輪流道尺寸圖。1、進口直錐段，采用=3.43m，HL240取單邊擴散角2、肘管段：<6m³/s，可不設金屬里襯，采用推薦的尾水管尺寸，列表6-2。3、出口擴散段：底板水平，仰角，設支墩，支墩寬度采用