水輪機(jī)原理課程設(shè)計.doc

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)一、課程設(shè)計的目的和任務(wù) 1、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(qiáng)理論知識的目的，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)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。 2、課程設(shè)計的任務(wù)： 通過所給的原始資料，根據(jù)要求明確水輪機(jī)的基本工作參數(shù)（包括水頭H、流量Q、轉(zhuǎn)速n、效率、出力P、吸出高度HS、轉(zhuǎn)輪直徑D、水輪機(jī)型號、機(jī)組臺數(shù)、裝置方式等）， 整理并繪制成不同形式的曲線，即獲得水輪機(jī)的特性曲線圖。二、 電站基本參數(shù)G水電站具有防洪，灌溉，發(fā)電，養(yǎng)殖等功能。水電站廠房為壩后式，水電站裝機(jī)容量為7MW，廠房所在平均地面高程440.0m。水位：正常蓄水位為470.00m.死水位:459.00m。距廠房下游100m處水位流量關(guān)系見下表格流量m3/s510152030406080水位m430.8430.95431.06431.15431.35431.50431.75431.95機(jī)組供水方式：采用單元供水。三、 水電站水頭范圍:Hmax=39M， Hmin=28M， Hav=33M水輪機(jī)的簡介 水輪機(jī)是一種將河流中蘊(yùn)藏的水能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的原動機(jī)，當(dāng)水流流過水輪機(jī)時，通過主軸帶動發(fā)電機(jī)，將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。與發(fā)電機(jī)連接成的整體稱為水輪發(fā)電機(jī)組，它是水電站的主要設(shè)備部分。水電站是借助水工建筑物和機(jī)電設(shè)備將水能轉(zhuǎn)換成為電能的企業(yè)，在未來，水能資源的開發(fā)和利用將成為資源開發(fā)利用的主導(dǎo)能源，所以，水輪機(jī)的設(shè)計開發(fā)對我國水能資源的開發(fā)起到很大的推進(jìn)作用。水輪機(jī)大致分為兩大類：反擊式水輪機(jī)和沖擊式水輪機(jī)；反擊式水輪機(jī)： 轉(zhuǎn)輪利用水流的壓力能和動能做工的水輪機(jī)稱為反擊式水輪機(jī)。其特征是：壓力水流充滿水輪機(jī)的整個流道，水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪葉片時，受葉片的作用面改變壓力、流速的大小和方向，同時水流在轉(zhuǎn)輪葉片正反面產(chǎn)生壓力差，對轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生反作用力，形成旋轉(zhuǎn)力矩使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。主要包括混流式、軸流式、斜流式和貫流式四種類型水輪機(jī)。沖擊式水輪機(jī)： 轉(zhuǎn)輪只利用水流動能作功的水輪機(jī)稱為沖擊式水輪機(jī)。其特征是：有壓水流先經(jīng)過噴嘴形成高速自由射流，將壓能轉(zhuǎn)換成動能，并沖擊轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。水流只沖擊部分轉(zhuǎn)輪，水流是不充滿水輪機(jī)的整個流道的，轉(zhuǎn)輪只是部分進(jìn)水，轉(zhuǎn)輪在大氣壓的作用下工作。所以葉片一般做成斗葉狀。主要包括水斗式（切擊式）、斜擊式和雙擊式。水輪機(jī)主要類型歸納如下：水輪機(jī)的設(shè)計步驟1.1.水輪機(jī)的選型根據(jù)原始資料：Hmax=39M，Hmin=28M，Hw=33M.；電站裝機(jī)容量為7MW。額定水頭Hr=0.9Hw=31.35M。根據(jù)水頭變化：最小工作水頭28m到最大工作水頭39m。在水輪機(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。初步法案如:表1-1 初步擬定法案表水輪機(jī)型號機(jī)組臺數(shù)單機(jī)容量（KW）HL2401700023500ZZ44017000235001.2 原型水輪機(jī)各方案主要參數(shù)的選擇一.HL240型水輪機(jī)1臺機(jī)組(方案一)1.計算轉(zhuǎn)輪直徑D1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，一般去95%-97%，此去95%。 查水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線可知，與出力限制線交點的單位流量為設(shè)計工況點單位流量，=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，并靠近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.計算轉(zhuǎn)速n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)的工作范圍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。又從原始資料中根據(jù)額定流量求得為水位為431.32m。7.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.計算軸向水推力 根據(jù)HL240轉(zhuǎn)輪技術(shù)資料提供的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)輪軸向推力系數(shù)K=0.34-0.4，轉(zhuǎn)輪直徑較小，止漏環(huán)間隙較大時取大值。本電站轉(zhuǎn)輪直徑較小，K去3.2。9、實際的水輪機(jī)額定水頭因不同的D1、與水能預(yù)算Hr有差異同理根據(jù)以上計算方法和過程可求得方案二（2 HL240）數(shù)據(jù)。二.ZZ440型水輪機(jī)1臺機(jī)組(方案三)1.計算轉(zhuǎn)輪直徑D1 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。在模型綜合特性曲線上查得相應(yīng)于，。時的模型效率=0.825，設(shè)額定工況原型水輪機(jī)的效率為=0.825+0.02=0.845根據(jù)轉(zhuǎn)輪公稱直徑系列，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.計算轉(zhuǎn)速n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)速修正值為根據(jù)水輪機(jī)設(shè)計選取標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速n=375r/min。4.計算水輪機(jī)的工作范圍5.額定工況下的流量單位流量額定下的單位流量6.計算最大允許吸出高度 在模型綜合特性曲線上，查得模型水輪機(jī)額定工況的的空化系數(shù)=0.44.，又由額定水頭查得=0.04。又從給定數(shù)據(jù)由額定流量確定高程為413.32m。則最大允許吸出搞度8.計算軸向水推力9、實際的水輪機(jī)額定水頭因不同的D1、與水能預(yù)算Hr有差異同理根據(jù)以上計算方法和過程可求得方案四（2 ZZ400）數(shù)據(jù)三.最優(yōu)方案的選定表1-2 四種方案數(shù)據(jù)HL240(17MW)HL240(23.5MW)ZZ440(17MW)ZZ440(23.5MW)比轉(zhuǎn)速 (r/min)220220440440額定功率 （kw）7368368473683684模型最優(yōu)單位比轉(zhuǎn)速 (r/min)7272115115模型額定工況單位流量 ()1.241.241.511.51 轉(zhuǎn)輪直徑 (m)21.371.81.25水輪機(jī)效率 0.910.9050.8720.867轉(zhuǎn)速 n (r/min)107300375500額定流量 ()27.713.327.3913.2吸出高度 (m)1.996 1.96 -5.53-5.52實際額定水頭 (m)31.6231.6831.432.3軸向水推力 (N)3.80.9616.141.83兩種機(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。根據(jù)以上分析，在制造供貨方面沒有問題時，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1、等效率曲線的計算于繪制由于水電站水頭較小，現(xiàn)取四個水頭，列表計算如下：繪制的等效率線詳見設(shè)計圖紙。表6 HL240型水輪機(jī)等效率曲線計算表（%）（%）P（mw）（%）（%）P（mw）878889909191908988870.850.880.920.9450.971.1251.1581.1921.2371.27288.5689.5690.5691.5692.5692.5691.5690.5689.5688.563.373.533.733.884.024.664.754.844.965.04878889909191908988870.8270.870.910.940.9781.1881.2231.251.2831.3287.5689.5690.5691.5692.5692.5691.5690.5689.5688.562.532.722.883.003.163.833.913.954.014.085%出力限制線上的點88.011.23789.574.9689.51.23591.063.92（%）（%）P（mw）（%）（%）P（mw）878889909191908988870.8370.8750.9220.9581.001.2071.2371.261.301.32588.5689.5690.5691.5692.5692.5691.5690.5689.5688.562.392.532.702.832.993.613.663.693.763.79878889