1、畢業(yè)論文設(shè)計水電站水輪機的選型設(shè)計水利水電工程 水電站水輪機的選型設(shè)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(zhuǎn)綜合特性曲線的繪制，蝸殼、尾水管的設(shè)計方案和工作原理以及調(diào)速設(shè)備和油壓裝置的選擇。主要內(nèi)容包括水電站水輪機、排水裝置、油壓裝置所滿足的設(shè)計方案及控制要求和設(shè)計所需求的相關(guān)輔助圖和設(shè)計圖。系統(tǒng)的闡明了水電站相關(guān)應(yīng)用設(shè)備和輔助設(shè)備的設(shè)計方案的步驟和圖形繪制的方法。關(guān)鍵詞：水輪機、綜合運轉(zhuǎn)特性曲線圖、蝸殼、尾水管、調(diào)速器、油壓裝置。【abstract】curriculum project of hydrostation is a important course

2、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 , characteristic of the curriculum project is anal

3、yzed , 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 method , when teaching mode and time chart ar

4、e 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 confidence to engage in design is strengthened .【ke

5、yword】curriculum project of hydrostation ; guarding method ; mode of thinking ; methodology; design step.水電站水輪機選型設(shè)計第一節(jié) 基本資料 41.1基本資料1.2設(shè)計內(nèi)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(shè)備制造的關(guān)系2.2 機組臺數(shù)與水電站投資的關(guān)系2.3 機組臺數(shù)與水電站運行效率的關(guān)系2.4 機組臺數(shù)與水電站運行維護工作的關(guān)系2.5 單位容量的選擇第 三 節(jié) 水輪機型號、裝置方式、轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)速、及吸出高度與安裝高程的確定 53.1 hl240型水輪機3.2

6、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(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(diào)速設(shè)備的選擇 198.1 調(diào)速器的計算8.2 接力器的選擇8.3 調(diào)速器的選擇8.4 油壓裝置的選擇參考資料 21大江水電站水輪機選型設(shè)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

7、頭hmin=24.72m，設(shè)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(shè)計內(nèi)容水輪機是水電站中最主要的動力設(shè)備之一，它關(guān)系到水電站助工程投資、安全運行、動能指標(biāo)及經(jīng)濟效益等重大問題，正確地進行水輪機選擇是水電站設(shè)計中的主要任務(wù)之一。本次設(shè)計的內(nèi)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(zhuǎn)輪直徑與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)特性曲線。(6) 確定蝸殼、尾水管的型式與尺寸。(7) 選擇調(diào)速器與油壓裝置。第二節(jié) 機組臺數(shù)與單機容量

8、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(dāng)機組臺數(shù)不同時，則單機容量不同，水輪機的轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)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(chǎn)品供應(yīng)。選擇機組臺數(shù)與單機容量時應(yīng)遵守如下原則：2.1 機組臺數(shù)與機電設(shè)備制造的關(guān)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，所以最好選用較大容量的機組。2.2 機組臺數(shù)與水電站投資的關(guān)系 當(dāng)選用機組臺數(shù)較多時，不僅機組本身單位千瓦的造價多，

9、而且相應(yīng)的閥門、管道、調(diào)速設(shè)備、輔助設(shè)備、電氣設(shè)備的套數(shù)增加，電氣結(jié)構(gòu)較復(fù)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(guān)系當(dāng)水電站在電力系統(tǒng)中擔(dān)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(nèi)以最大工況運行，使水電站保持較高的平均效率，當(dāng)水電站擔(dān)任系統(tǒng)尖峰負(fù)荷時，由于負(fù)荷經(jīng)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

10、數(shù)與水電站運行維護工作的關(guān)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(diào)度，機組發(fā)生事故產(chǎn)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(yīng)針對具體情況，經(jīng)技術(shù)經(jīng)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kw8.6萬kw25萬kw，該水電站為中型水電站，并擔(dān)任系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)相及少量的事故備用容量，同時兼向周邊地區(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

11、量n=6.84=1.7萬kw,水輪機額定出力: (：發(fā)電機效率：96%-98%,取96%)即 =n96=1700096=17708kw。第3節(jié) 水輪機型號、裝置方式、轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)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?，F(xiàn)將這兩種水輪機作為初步方案，分別求出其有關(guān)參數(shù)，并進行比較分析。3.1 hl240型水輪機3.1.1 轉(zhuǎn)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

12、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=1.24m/s、=17708kw 、和hr=28.5帶入 =3.22m選用與之接近而偏大的標(biāo)稱直徑=3.3m.3.1.2 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速采用最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速 r/min h采用設(shè)計水頭，28.5m 采用選用的標(biāo)準(zhǔn)直徑=3.3m 采用與其接近的偏大的同步轉(zhuǎn)速n= 125r/min3.1.3 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(zhuǎn)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-

13、（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(zhuǎn)速的修正值按下式計算: =0.0140.03由于0.03， 按規(guī)定單位轉(zhuǎn)速可不加修正，同時，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(jié)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，

14、水輪機的最大的及各特征水頭相對應(yīng)的即可計算出來水輪機在hr=28.5、nr=17708下工作時，其相應(yīng)的最大單位流量即為，故: = =1.19-4m3.1.6 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+3.30.365/2=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(zhuǎn)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(yīng)的裝置水輪機的空蝕系數(shù)為 -=0.45在滿足-4

15、m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(biāo)準(zhǔn)直徑,故選用直徑=3.3m3.2.2 轉(zhuǎn)速n計算 水輪機的轉(zhuǎn)速為: n=190.87r/min 選用與之接近而偏大的同步轉(zhuǎn)速n=214.3r/min.3.2.3 效率及單位參數(shù)修正對于軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機，必須對其模型綜合特性曲線圖上的每個轉(zhuǎn)角的效率進行修正。當(dāng)葉片轉(zhuǎn)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，=28.5

16、m，帶入上式則得: =1-(1-)(0.3+0.7)=1-0.683(1-)葉片在不同轉(zhuǎn)角時的可由模型綜合特性曲線查得，從而可求出相應(yīng)的值的原型水輪機的最高效率。當(dāng)選用效率的制造工藝影響修正值時，即可計算出不同轉(zhuǎn)角時的效率修正值 其中計算結(jié)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(zhuǎn)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

17、優(yōu)工況接近于等轉(zhuǎn)角線，故可采用=2.6%作為其修正值，-從而可得原型最高效率為：=89%+2.6%=91.6已知在吸出高度-4m限制的工況點（，=1205m/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(nèi)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=0.0145-4m 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

18、 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(guān)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(zhuǎn)輪參數(shù)推薦使用的水頭范圍（m）254520402最優(yōu)單位轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪直徑3.33.38轉(zhuǎn)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

19、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(zhuǎn)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(diào)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(shù)設(shè)計階段,尚需要計算出個方案的動能指標(biāo)和經(jīng)濟指標(biāo),進一步進行分析比較,以選出合理的方案. 本設(shè)計就采用hl240型號的水輪機.第四節(jié) 水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線的繪制4.1 基本資料 轉(zhuǎn)輪的型式 hl240型,主要綜合特性曲線圖3-6（

20、水電站）; 轉(zhuǎn)輪的直徑和轉(zhuǎn)速 =3.3m,額定轉(zhuǎn)速n=125r/min; 特征水頭 =35.87m, =24.72m, =28.5m, 水輪機的額定出力 =17708kw 設(shè)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.

21、617.1860.8387.611.8850.9486.610.7880.8689.618870.8888.612.7860.9887.611.3890.9190.618.9880.9289.613.4871.0288.611.9900.9491.619.8890.9690.614.1881.0689.612.5910.9892.620.8901.0091.614.9891.1090.613.1911.1692.624.7911.0692.615.9901.1591.613.8901.1992.643.64911.2292.618.4901.2491.614.9891.2391.643.889

22、01.2591.618.6891.2790.615.1881.2790.644.80891.2890.618.8881.3189.615.4871.3089.645.34881.3489.619.1871.3488.615.6861.3387.626.7871.3688.619.2861.3687.615.74.2 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(nèi)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(yīng)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(biāo)圖，連成光滑曲線，既得出等效率線，如圖

23、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(yīng)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(biāo)，,值，填入下表。3、在輔助曲線上查出相應(yīng)于上述各的

24、n值，填入下表。4、利用公式計算出相應(yīng)于上述各的值，填入下表。5、根據(jù)表中對應(yīng)的，值，做出曲線，如圖4-2（b）所示。6、在圖上任取值，做水平線與曲線相交，記下各交點的、n值，繪于hn坐標(biāo)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

25、.8111.30.267.412.320.210.8512.10.257.132.600.200.95140.246.842.890.201.2918.80.246.842.890.211.3319.10.257.132.600.221.3519.30.267.412.3224.72=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(shè)計5.1 蝸殼型式選擇 由于本水電站水頭高度小于

26、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(guān)資料確定，考慮在蝸殼頂部布置調(diào)速接力器的方便選擇平頂梯形斷面，即 當(dāng)時，選??；選擇；由水利機械附錄二水輪機標(biāo)準(zhǔn)座環(huán)尺寸系列查?。夯炝魇剿啓C外徑=5.0m，內(nèi)徑=4.3m，轉(zhuǎn)輪直徑=3.3m，設(shè)計水頭=28.5m，設(shè)計流量=68.62 m/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: =51.47m/s進口斷面面積: =11.70m5.3 蝸殼的水力計算及單線圖，斷面圖的繪制5.3.1 根據(jù)

27、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進口斷面的最大半徑： =2.5+2.82=5.32m 在至之間設(shè)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(yīng)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(guān)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.

28、241.470.730.280.04mi=ai/k2bi4.513.442.671.931.481.241.21.2bi=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

29、.823.322.822.52.15sib2.67 2.67 2.67 2.39 1.20 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

30、.50 2.15 sib1.20 1.20 0.18 b/r0.48 0.56 q、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(guān)系編號1234567角度（）2702251801