水輪機(jī)課程設(shè)計(jì)

1、第一章 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，該水電站的水頭范圍為59.07-82.9m，電站總裝機(jī)容量56萬千瓦，擬選2、3、4、5臺(tái)機(jī)組，平均水頭為75.43m，最大水頭為82.9m，最小水頭為59.07m。水輪機(jī)的設(shè)計(jì)水頭估算為按我國水輪機(jī)的型譜推薦的設(shè)計(jì)水頭與比轉(zhuǎn)速的關(guān)系，水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速: m.kw根據(jù)原始資料，適合此水頭范圍的水輪機(jī)類型有斜流式和混流式。又根據(jù)混流式水輪機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：（1）比轉(zhuǎn)速范圍廣，適用水頭范圍廣，可適用30700m；（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低；（3）裝有尾水管，可減少轉(zhuǎn)輪出口水流損失。 故選擇混流式水輪機(jī)。因此，選擇在216m.kw左右的

2、混流式水輪機(jī)為宜。 根據(jù)表本電站水頭變化范圍(h=59.07-82.9m)查水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)水力機(jī)械1-4 適合此水頭范圍的有hl220-46。二、擬訂機(jī)組臺(tái)數(shù)并確定單機(jī)容量表1-1 機(jī)組臺(tái)數(shù)比較表臺(tái)數(shù)單機(jī)容量（萬千瓦）228318.7414511.21.2 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,初步擬定為2臺(tái),3臺(tái),4臺(tái),5臺(tái)四種方案進(jìn)行比較?；緟?shù)， 模型效率：，推薦使用最優(yōu)單位流量：，最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速：，最優(yōu)單位流量：。一、2臺(tái)機(jī)組（方案一）1、計(jì)算轉(zhuǎn)輪直徑 裝機(jī)容量22萬千瓦，由水輪機(jī)325頁可知：水輪機(jī)額定出力： 上式中： -發(fā)電機(jī)效率,取0.98

3、-機(jī)組的單機(jī)容量（kw） 由型譜可知，與出力限制線交點(diǎn)的單位流量為設(shè)計(jì)工況點(diǎn)單位流量，則q11r=1.15m3/s,對(duì)應(yīng)的模型效率m=89%，暫取效率修正值 =0.03，=0.89+0.03=0.92。則設(shè)計(jì)工況原型水輪機(jī)效率為92%。我國規(guī)定的轉(zhuǎn)輪直徑系列（見水輪機(jī)p9），計(jì)算值處于標(biāo)準(zhǔn)值6.5-7.0 m，并接近7.0m取直徑d1=7.0 m2、 計(jì)算原型水輪機(jī)的效率 =max-m0=0.954-0.92=0.034限制工況原型水輪機(jī)效率=m+=0.89+0.034=0.9243、同步轉(zhuǎn)速的選擇 符合要求所以轉(zhuǎn)速不用修正。轉(zhuǎn)速介于發(fā)電機(jī) 同步轉(zhuǎn)速83.3r/min和88.2r/min之間，

4、 需要對(duì)兩個(gè)轉(zhuǎn)速都進(jìn)行修正。4、計(jì)算水輪機(jī)的運(yùn)行范圍水輪機(jī)設(shè)計(jì)流量當(dāng)n=83.3r/min時(shí)，最大水頭、最小水頭和平均水頭對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速當(dāng)n=88.2r/min時(shí)，最大水頭、最小水頭和平均水頭對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速綜上所述，參數(shù)繪制在hl220綜合曲線上以檢驗(yàn)水輪機(jī)高效率運(yùn)行區(qū)域的高低，選擇高效率較高的88.2. 5、水輪機(jī)計(jì)算點(diǎn)出力的校核計(jì)算時(shí)的出力：符合要求6、 計(jì)算水輪機(jī)實(shí)際額定流量7、 計(jì)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)根據(jù)該電站設(shè)計(jì)水頭取k=1.08 （水輪機(jī)原理及運(yùn)行p54表3-3）e=887.0m8、實(shí)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9、 計(jì)算

5、飛逸轉(zhuǎn)速 由hl220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 10、 水輪機(jī)安裝高程 m11、 計(jì)算軸向水推力 根據(jù)表4，hl220的轉(zhuǎn)輪軸向水推力系數(shù)，轉(zhuǎn)輪直徑較小、止漏環(huán)間隙較大時(shí)取大值。本電站轉(zhuǎn)輪直徑較大，故取。 表4 混流式水輪機(jī)的軸向水推力系數(shù)表轉(zhuǎn)輪型號(hào)hl310hl240hl230hl220hl200hl180hl160hl120hl110hl100k0.370.450.340.410.180.220.280.340.220.280.220.280.200.260.100.130.100.130.080.14水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪軸向水推力為：同理，方案二、方案三和方案四的數(shù)

6、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5所示：表5 四種方案數(shù)據(jù)表格hl220(2280mw)hl220(3186.7mw)hl220(4140mw)hl220(5112mw)比轉(zhuǎn)速 (r/min)220220220220額定功率 （kw）285714.3190816.3142857.1114285.7模型最優(yōu)單位比轉(zhuǎn)速 (r/min)70707070模型額定工況單位流量 ()1.151.151.151.15轉(zhuǎn)輪直徑 (m)7.06.05.04.0水輪機(jī)效率 0.9240.9220.9200.918轉(zhuǎn)速 n (r/min)88.2107125166.7出力 p (n)3

7、.112.291.591.01額定流量 ()478.1351.3243.95156.1吸出高度 (m)2.7 2.9 3.33.7單位飛逸轉(zhuǎn)速 (r/min)133133133133飛逸轉(zhuǎn)速 (r/min)173201.8242.2302.7實(shí)際額定水頭 (m)83.865.168.679.8實(shí)際額定流量 ()478.1351.3244.0156.1軸向水推力 (n)0.938450.689470.478800.30643二、確定機(jī)組方案根據(jù)上面列舉出來的四種方案數(shù)據(jù)分析，第四種方案出力比額定小，第一種方案實(shí)際額定水頭比最高水頭大，故首先排除。第二、第三種方案中，第二種方案效率和第三種差不多，

8、但第三種方案轉(zhuǎn)速比第二種的高，最高效率、高效率區(qū)比方案二大。及其吸出高度比方案的大則其發(fā)電機(jī)尺寸小，重量輕，一方面可以減少設(shè)備的造價(jià)，另一方面有利于減小廠房的平面尺寸，降低廠房的土建投資。第三種方案的的額定水頭也較接近設(shè)計(jì)的水頭。比較大綜上所述，最佳方案為第三種方案。三、水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的繪制等效率曲線的計(jì)算與繪制現(xiàn)取水電站4個(gè)水頭，列表計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表6所示。繪制的等效率線詳見設(shè)計(jì)圖紙。表6 hl220型水輪機(jī)等效率曲線計(jì)算表（%）（%）p（mw）（%）（%）p（mw）828688909191908886820.4580.5470.5780.6500.7200.9180.9310.992

9、1.0301.09085899193949493918985729097112125160160155170171828688909191908886820.4620.5480.6210.6820.7400.9180.9380.9981.0321.092858991939494918886826379911021121391371411431445%出力限制線上的點(diǎn)89.40.95092.416289.70.95192.7142（%）（%）p（mw）（%）（%）p（mw）828688909191908886820.4700.5700.6400.7120.7700.9080.9350.9981.

10、0291.0938589919394949391898560768799109128130136137139828688909191908886820.5900.7300.8200.9301.0001.02585899193949493918985 57 73 84 96 101 98 5%出力限制線上的點(diǎn)89.80.95292.813387.80.95390.898.2等吸出高度線的繪制（1）求出各水頭下的值，并在相應(yīng)的模型綜合特性曲，并由此計(jì)算出、p，填入表7中線上查出水平線與各等氣蝕系數(shù)線的所有交點(diǎn)坐標(biāo)，讀出、的值（2）利用公式計(jì)算出相應(yīng)于上述各的值，填入計(jì)算結(jié)果如表7所示，繪制的等吸出

11、高度線詳見設(shè)計(jì)圖紙。 表7 hl220型水輪機(jī)等吸出高曲線計(jì)算表(%)(%)p(mw)(m)82.968.60.090.100.111.0151.0901.1400.8680.8190.7600.8980.8490.7901691711670.1070.1170.1278.879.7010.530.43-0.52-1.4875.4371.960.090.100.110.9751.1001.17008820.8100.7200.9120.8400.7501431491410.1080.1180.1288.158.909.661.20.34-0.537273.70.090.100.110.9301

12、.0651.1900.9000.8400.7200.9300.8700.7501301391340.1090.1100.1297.857.929.29 1.560.73-0.09 59.07 81.3 0.090.100.110.4500.5401.1000.7600.8000.7880.7900.8300.81840511020.1100.1200.1306.507.097.682.902.221.54從水輪機(jī)原理p53、54查圖3-13得個(gè)水頭下相應(yīng)的，查表3-3得=1.15三、蝸殼計(jì)算 1、 蝸殼型式、斷面形狀和包角的確定由于本站應(yīng)用水頭為：59.07-82.9ms時(shí)，采用圓斷面連接計(jì)算

13、如下：根據(jù)上式圓斷面各數(shù)值如表1-12：表1-12 蝸殼圓形斷面計(jì)算表斷面號(hào)r0h2 13450.7404.051.272.1732.9138.4863.1236.96310.08623300.7084.051.272.1132.8217.9583.0386.8719.90933150.6764.051.272.0512.7277.4372.9516.7779.72843000.6444.051.271.9872.6316.9222.8626.6819.54352850.6114.051.271.9182.5296.3962.7696.5799.34862700.5794.051.271.84

14、92.4285.8952.6776.4789.15572550.5474.051.271.7782.3255.4062.5846.3758.95982400.5154.051.271.7032.2184.9202.4886.2688.75692250.4834.051.271.6262.1094.4482.3916.1598.550102100.4504.051.271.5411.9913.9642.2886.0418.329111950.4184.051.271.4551.8733.5082.1865.9238.109121800.3864.051.271.3631.7493.0592.08

15、15.7997.880131650.3544.051.271.2641.6182.6181.9725.6687.640141500.3364.051.041.2051.5412.3751.8485.5917.439當(dāng)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) s時(shí)，采用橢圓斷面連接計(jì)算如下：橢圓半徑與圓同等面積 橢圓斷面長(zhǎng)半徑中心距 外徑 橢圓斷面各數(shù)值列表如下：表1-13 蝸殼橢圓斷面計(jì)算表斷面號(hào) 151500.3221.8601.8791.9315.5417.472161350.2901.7501.6911.87

16、75.3237.200171200.2571.6261.4911.8175.0786.896181050.2251.5001.2911.7574.8366.59319900.1931.3691.0871.6964.5876.28320750.1611.2300.8781.6334.3315.96421600.1291.0810.6621.5684.0675.63622450.0970.9180.4381.5013.7945.29623300.0640.7260.1991.4303.5034.93324150.0320.497-0.0411.3583.2114.568表中，蝸殼剖面圖見附錄圖一.

17、4、 尾水管計(jì)算 6.1 尾水管的選擇圖1-4 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。鑒于本水輪機(jī)屬于大中型水輪機(jī)，則選擇彎曲形尾水管。彎曲形尾水管由進(jìn)口錐管段，肘管段和出口擴(kuò)散段三部分組成。6.2尺寸確定6.2.1尾水管高度尾水管高度指從水輪機(jī)底環(huán)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。從水輪機(jī)p167查得：對(duì)于的混流水輪機(jī)??；對(duì)于的高水頭混流式水輪機(jī)則可取。而 則所以取 。 6.2

18、.2進(jìn)口直錐段進(jìn)口直錐管是以垂直的圓錐形擴(kuò)散管，為直錐管的進(jìn)口直徑?？山迫∞D(zhuǎn)輪出口直徑，即，從水輪機(jī)p167查得：進(jìn)口錐管的單邊錐角對(duì)混流式水輪機(jī)可取，則取。6.2.3肘管段肘管是一個(gè)90變斷面的彎管，其進(jìn)口為圓斷面，出口為矩形斷面。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=5.6m/s6m/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)，與有下列關(guān)系式：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d1的比值可以算出尾水管的各部分尺寸：表6-1 推薦的尾水管尺寸表（單位：m）肘管型式適用范圍2.64.52.721.351.350.6751.821.22混凝土肘管混流式（）由表得；計(jì)算得 ；6.2.4出口擴(kuò)散段出口擴(kuò)散段是一水平放置斷面為矩形的擴(kuò)散管，參考水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)（水力機(jī)械）,其出口寬度一般與肘管出寬度相等，其頂板向上傾斜，仰角a=1013，取a=12,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，則取。因?yàn)?，則允許在出口擴(kuò)散段加單支墩，其他尺寸如下：；則?。?；水平長(zhǎng)度l是機(jī)組中心到尾水管出口的距離。肘管型式一定時(shí)，l決定了水平擴(kuò)散段的長(zhǎng)度，增加l可使尾水管