畢業(yè)設(shè)計(jì)水電站的水輪機(jī)設(shè)計(jì)

1、目 錄1 前言42水電站的水輪機(jī)選型設(shè)計(jì) 52.1 水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)概述52.2 水輪機(jī)選型的任務(wù) 62.3水輪機(jī)選型的原則62.4水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的條件及主要參數(shù)72.5 確定電站裝機(jī)臺數(shù)及單機(jī)功率72.6 選擇機(jī)組類型及模型轉(zhuǎn)輪型號82.7 初選設(shè)計(jì)（額定）工況點(diǎn)112.8 確定轉(zhuǎn)輪直徑122.9 確定額定轉(zhuǎn)速n122.10 效率及單位參數(shù)的修正132.11 核對所選擇的真機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑142.12 確定水輪機(jī)導(dǎo)葉的最大開度、最大可能開度、最優(yōu)開度182.13 計(jì)算水輪機(jī)額定流量192.14 確定水輪機(jī)允許吸出高度202.15 計(jì)算水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速252.16 計(jì)算軸向水推力252.17 估算水

2、輪機(jī)的質(zhì)量262.18 繪制水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線263 水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)動圖的繪制353.1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的基本類型353.2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的作用 363.3 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求363.4 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)動圖繪制的目的373.5導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)動圖的繪制步驟374 水輪機(jī)金屬蝸殼水力設(shè)計(jì)414.1 蝸殼類型的選擇414.2 金屬蝸殼的水力設(shè)計(jì)計(jì)算415尾水管設(shè)計(jì) 495.1 尾水管概述 495.2 尾水管的基本類型495.3 彎肘形尾水管中的水流運(yùn)動496水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 506.1 概述 506.2 水輪機(jī)主軸的設(shè)計(jì)506.3 水輪機(jī)金屬蝸殼的設(shè)計(jì)516.4 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)526.5 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3、556.6 水輪機(jī)導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)586.7 水輪機(jī)的輔助裝置617 金屬蝸殼強(qiáng)度計(jì)算 637.1 金屬蝸殼受力分析 637.2 蝸殼強(qiáng)度計(jì)算 637.3 計(jì)算程序及結(jié)果 668 結(jié)論711 前 言水輪機(jī)是水電站的重要設(shè)備之一，它是靠自然界水能進(jìn)行工作的動力機(jī)械與其他動力機(jī)械相比，它具有效率高、成本低、環(huán)境衛(wèi)生等顯著特點(diǎn)。另外，水輪機(jī)的好壞直接影響到水電站的能量轉(zhuǎn)換效率，在水輪機(jī)生產(chǎn)制造前，我們必須首先根據(jù)給定電站的水力條件對水輪機(jī)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)、對其零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析以及對部分零部件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算及校核等。鑒于此，作為我們以后在水輪機(jī)制造廠或水電站工作的熱能與動力工程專業(yè)的學(xué)生，也就必須熟練掌握水輪

4、機(jī)的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)步驟，所以在學(xué)習(xí)各種專業(yè)課程后開始本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。畢業(yè)設(shè)計(jì)是本科教學(xué)計(jì)劃中最后一個綜合性、創(chuàng)造性的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，是對學(xué)生在校期間所學(xué)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識和實(shí)踐技能的全面總結(jié)，是對學(xué)生綜合能力和素質(zhì)的全面檢驗(yàn)，也是教學(xué)、工程實(shí)踐的重要結(jié)合點(diǎn)。它主要是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識和技能去分析和解決本專業(yè)范圍內(nèi)的工程技術(shù)問題，建立正確的設(shè)計(jì)思想，掌握水輪機(jī)設(shè)計(jì)的一般程序和方法，使學(xué)生在進(jìn)行了工程實(shí)踐能力的綜合訓(xùn)練后，在今后的工作崗位上具有應(yīng)用專業(yè)技術(shù)解決工程實(shí)際問題的能力。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)從水輪機(jī)的基本工作原理出發(fā)，系統(tǒng)地、較為全面地進(jìn)行了水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)、水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)分析、水輪機(jī)

5、部分零部件的強(qiáng)度計(jì)算及校核等。設(shè)計(jì)分為六部分:第一部分：水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)；第二部分：導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)動圖的繪制；第三部分：蝸殼的水力設(shè)計(jì)；第四部分：尾水管的設(shè)計(jì)；第五部分：蝸殼的強(qiáng)度計(jì)算；第六部分：繪制導(dǎo)葉加工圖。在設(shè)計(jì)過程中，著重闡述了水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的具體方法及方案選擇、水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩部分。2水電站的水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)2.1 水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)概述水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)是水電站設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要任務(wù)，其計(jì)算結(jié)果直接關(guān)系到水電站的機(jī)組能否長期運(yùn)行、投資的多少、經(jīng)濟(jì)效益的高低。它是根據(jù)水電站設(shè)計(jì)部門提供的原始資料及參數(shù)，選擇合理的水輪機(jī)型號和計(jì)算水輪機(jī)的各種性能參數(shù)。一般情況下，先根據(jù)水電站的類型、動能計(jì)算以及

6、水工建筑物的布置等初選若干個方案，然后進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，再根據(jù)水輪機(jī)的生產(chǎn)情況和制造水平，最后確定最佳的水輪機(jī)型號及尺寸。2.2 水輪機(jī)選型的任務(wù)水輪機(jī)選型的主要任務(wù)如下：(1)確定電站裝機(jī)臺數(shù)及單機(jī)功率(2)選擇機(jī)組類型及模型轉(zhuǎn)輪型號(3)確定機(jī)組的裝置方式(4)確定轉(zhuǎn)輪直徑、額定轉(zhuǎn)速、飛逸轉(zhuǎn)速(5)計(jì)算所有運(yùn)行水頭和功率下水輪機(jī)的效率和吸出高度值，繪制水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線。(6)軸向水推力的計(jì)算(7)調(diào)節(jié)保證計(jì)算（本設(shè)計(jì)不要求）(8)輔助設(shè)備的選擇(9)計(jì)算水輪機(jī)的外形尺寸，估算重量及其價格上述內(nèi)容為水電站水輪機(jī)初步設(shè)計(jì)的一部分，水電站初步設(shè)計(jì)還包括水輪機(jī)的通流部件的設(shè)計(jì)、如蝸殼、座環(huán)、

7、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、尾水管等的初步計(jì)算及初步繪制水輪機(jī)剖面圖等。2.3 水輪機(jī)選型的原則水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)計(jì)算是水電站設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要任務(wù)，其計(jì)算結(jié)果對水電站的投資、建設(shè)速度和發(fā)電量以及水電站的經(jīng)濟(jì)效益都有很大的影響。水輪機(jī)的選型并不是簡單地查閱產(chǎn)品目錄，從現(xiàn)代水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)計(jì)算來看，它是一門系統(tǒng)工程學(xué)，要在電站水能資源綜合利用、制造、運(yùn)輸、安裝、土建電力用戶、運(yùn)行方式等諸多技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素中尋求最佳方案。水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的一般原則如下：所選水輪機(jī)要具有較高的能量特性。不僅要選擇額定工況下較高的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號，而且還要根據(jù)水輪機(jī)的工作特性曲線，即及曲線，選擇平均效率最高的水輪機(jī)型號，使水輪機(jī)在負(fù)荷和水頭變化的情

8、況下具有最高的平均運(yùn)行效率。所選水輪機(jī)不僅要具有良好的空蝕性能，還要有較好的工作穩(wěn)定性能，運(yùn)行要靈活、平穩(wěn)、安全和可靠。所選水輪機(jī)的尺寸應(yīng)較小，結(jié)構(gòu)要合理、先進(jìn)，便于運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行及檢修。轉(zhuǎn)輪選擇比較時，應(yīng)盡可能選用較高的水輪機(jī)，這樣轉(zhuǎn)速較高，相應(yīng)的機(jī)組尺寸就小，并且使所選的水輪機(jī)經(jīng)常在最優(yōu)區(qū)運(yùn)行。選擇轉(zhuǎn)輪參數(shù)時應(yīng)該使值稍高于，而且值應(yīng)接近于值。2.4水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的條件及主要參數(shù)水輪機(jī)的選型是根據(jù)水電站設(shè)計(jì)部門提供的原始資料和數(shù)據(jù)，選擇合適的水輪機(jī)型號和計(jì)算水輪機(jī)的性能參數(shù)主要設(shè)計(jì)參數(shù)：總裝機(jī)容量 工作水頭 引用流量，吸出高度為1.64m，電站海拔高程 該電站離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，有季節(jié)性調(diào)節(jié)水

9、庫，在系統(tǒng)中擔(dān)任基荷。2.5 確定電站裝機(jī)臺數(shù)及單機(jī)功率 機(jī)組臺數(shù)的選擇對于一個確定了總裝機(jī)容量的水電站，機(jī)組臺數(shù)的多少直接影響到電廠的動能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與運(yùn)行的靈活性、可靠性，還影響到電廠建設(shè)的投資等。因此，確定機(jī)組的臺數(shù)時，必須考慮以下有關(guān)因素，并進(jìn)行充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證。(1)機(jī)組臺數(shù)對工程建設(shè)費(fèi)用的影響機(jī)組臺數(shù)多少直接影響單機(jī)容量的大小，單機(jī)容量不同時，機(jī)組的單位千瓦造價不同，一般情況下，小機(jī)組的單位千瓦造價高于大機(jī)組。一方面，小機(jī)組的單位千瓦金屬消耗高于大機(jī)組；另外，單位重量的加工費(fèi)也較大。除主要機(jī)電設(shè)備外，機(jī)組臺數(shù)的增加，要求增加配套設(shè)備的臺數(shù)，主副廠房的平面尺寸也需增加，因此，在同樣的裝

10、機(jī)容量下，水電站的土建工程及動力廠房成本也隨機(jī)組數(shù)的增加而增加。(2)機(jī)組臺數(shù)對電廠運(yùn)行維護(hù)的影響機(jī)組臺數(shù)較少時，其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行方式靈活，發(fā)生事故時對電站及所在系統(tǒng)的影響較小，檢修也容易安排。但臺數(shù)較多時，運(yùn)行人員增加，運(yùn)行用的材料、消耗品增加，因而運(yùn)行費(fèi)用較高。同時，較多的設(shè)備與較頻繁的開停機(jī)會使整個電站的事故發(fā)生率上升。(3)機(jī)組臺數(shù)對設(shè)備制造、運(yùn)輸及安裝的影響機(jī)組臺數(shù)增加時，水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量減小，則機(jī)組的尺寸小，制造、運(yùn)輸及現(xiàn)場安裝都較容易。反之，臺數(shù)減少則機(jī)組尺寸增大，機(jī)組的制造、運(yùn)輸和安裝的難度也相應(yīng)增大。因此，最大單機(jī)容量的選擇要考慮制造廠家的加工水平及設(shè)備的運(yùn)輸、安裝條件。

11、此外，從發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度方面考慮，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的直徑必須限制在轉(zhuǎn)子最大線速度的允許值之內(nèi)，機(jī)組的最大容量有時也會因此受到限制。(4)機(jī)組臺數(shù)對電力系統(tǒng)的影響對于占電力系統(tǒng)容量比重較大的水電廠及大型機(jī)組，發(fā)生事故時對電力系統(tǒng)的影響較大，考慮到電力系統(tǒng)中備用容量的設(shè)置及電力系統(tǒng)的安全性，在確定臺數(shù)時，單機(jī)容量不應(yīng)大于系統(tǒng)的備用容量，即使在容量較小的電網(wǎng)中，單機(jī)容量也不宜超過系統(tǒng)容量的1/3。(5)機(jī)組臺數(shù)對電廠主接線的影響由于水電廠水輪發(fā)電機(jī)組常采用擴(kuò)大單元主接線方式，故機(jī)組臺數(shù)多采用偶數(shù)。同時為了運(yùn)行方式的機(jī)動靈活及保證機(jī)組檢修時的廠用電可靠，一般都裝兩臺以上機(jī)組。以上與機(jī)組臺數(shù)有關(guān)的因素，許

12、多是相互關(guān)系又相互矛盾的，在選擇時應(yīng)針對主要因素，進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇出合理的機(jī)組臺數(shù)。 綜合本次的設(shè)計(jì)條件，所選的機(jī)組臺數(shù)為兩臺。即：Z=2。 確定機(jī)組的單機(jī)容量（功率）確定出電站的機(jī)組臺數(shù)后，就可以求單機(jī)容量。單機(jī)容量： Z 電站的裝機(jī)臺數(shù),Z=2。計(jì)算得： 。2.6 選擇機(jī)組類型及模型轉(zhuǎn)輪型號根據(jù)水電站的實(shí)際情況正確的選擇水輪機(jī)的型式是水輪機(jī)設(shè)計(jì)的一個重要環(huán)節(jié)。雖然各類水輪機(jī)有明確的適用水頭范圍，但由于它們的適用范圍存在著交叉水頭段，因此，必須根據(jù)水電站的具體條件對可供選擇的水輪機(jī)進(jìn)行分析比較，才能選擇出最合適的機(jī)型。 各類水輪機(jī)的適用范圍大中型水輪機(jī)的類型及使用的水頭范圍如表2.

13、1所示。表2.1 大中型水輪機(jī)的類型及使用水頭范圍表水 輪 機(jī) 型 式適用水頭范圍（m）比轉(zhuǎn)速范圍（m.kw）能量轉(zhuǎn)換方式水流方式反擊式貫流式<206001000斜流式40180150350混流式3070050300軸流式380200850在進(jìn)行水輪機(jī)選擇時，若同一水頭段有多種機(jī)型可供選擇時，則需要認(rèn)真分析各類水輪機(jī)的特性并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較以確定最適合機(jī)型。不同類型的水輪機(jī)具有不同的使用范圍與特點(diǎn)，根據(jù)本次設(shè)計(jì)的水頭特征，可初步確定機(jī)型為HL或者ZL式。兩類水輪機(jī)的特點(diǎn)可概括如下: HL和ZL式水輪機(jī)各自的特點(diǎn)HL式水輪機(jī)的特點(diǎn)是水流徑向流入轉(zhuǎn)輪，大致軸向流出。轉(zhuǎn)輪由葉片、上冠和下環(huán)組成

14、，葉片數(shù)較多，強(qiáng)度高，比轉(zhuǎn)速范圍廣，適用水頭范圍廣，適用水頭為30700m；結(jié)構(gòu)簡單，價格低，是目前使用最為廣泛的一種水輪機(jī)。ZL式水輪機(jī)的特點(diǎn)是水流軸向流入轉(zhuǎn)輪又軸向流出，從引水室來的水流在導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間的空間內(nèi)已由徑向轉(zhuǎn)為軸向。比轉(zhuǎn)速較高，具有較大的過流能力，常應(yīng)用在水頭為380m的水電站；ZZ式可協(xié)聯(lián)方式運(yùn)行，在水頭、負(fù)荷變化時可實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行。在水頭、負(fù)荷變化較小，或裝機(jī)臺數(shù)較多的電站，可以通過調(diào)整運(yùn)行機(jī)組臺數(shù)使水輪機(jī)在高效率區(qū)運(yùn)行。ZD式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，尤其在擔(dān)負(fù)基荷的低水頭電站較適用。 交界水頭段HL和ZL式這兩種水輪機(jī)型式的比較(1)ZZ式水輪機(jī)適用水頭與負(fù)荷變化較大的

15、電站，能在較寬廣的工況范圍內(nèi)穩(wěn)定、高效率運(yùn)行，平均效率高于HL式水輪機(jī)；(2)在相同的水頭下，ZL式的比轉(zhuǎn)速高于HL式，有利于減小機(jī)組的尺寸；(3)ZL式的空化系數(shù)大，約為同水頭段HL式的2倍，為保證空化性能需增加廠房的水下開挖量；(4)當(dāng)尾水管較長時，ZL式水輪機(jī)比HL式水輪機(jī)易產(chǎn)生緊急關(guān)機(jī)的抬機(jī)現(xiàn)象；(5)ZL式水輪機(jī)的軸向水推力系數(shù)約為HL式的24倍，推力軸承載荷大。(6)另外，ZZ式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪及受油器等部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高。綜上所述，結(jié)合本次的設(shè)計(jì)條件：該電站離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，有季節(jié)性調(diào)節(jié)水庫，在系統(tǒng)中擔(dān)任基荷。經(jīng)分析比較，最終確定所選水輪機(jī)機(jī)型為：HL式水輪機(jī)。 選擇水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪型號

16、水輪機(jī)型號的選擇主要是根據(jù)水電站的特征水頭，特別是其最大水頭選擇的。通常情況下，水輪機(jī)型號是根據(jù)水輪機(jī)的型譜性能參數(shù)進(jìn)行選擇的；若在交界的水頭范圍，也就是某一水頭范圍有2種及其以上的轉(zhuǎn)輪型號可選擇時，就需要進(jìn)行綜合分析比較后才能選出最佳的轉(zhuǎn)輪型號。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的特征水頭：，由1中小型混流式水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)表和其他資料，可確定本次設(shè)計(jì)所選水輪機(jī)的型號為：HL260/ D74（以下簡稱方案a）或者HLA616（以下簡稱方案b），其對應(yīng)的相關(guān)模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)如下表所示：表2.2 a HL260/D74模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)表轉(zhuǎn)輪型號推薦使用水頭H(m)模型轉(zhuǎn)輪直徑(cm)流道尺寸最優(yōu)工況(r/min)(

17、/s)(%)HL260/D74508035cm0.28141.1624791.0892.70.123表2.2 b HLA616模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)表轉(zhuǎn)輪型號推薦使用水頭H(m)模型轉(zhuǎn)輪直徑(cm)流道尺寸最優(yōu)工況(r/min)(/s)(%)HLA6167535cm0.28141.162480.11.0193.132.7 初選設(shè)計(jì)（額定）工況點(diǎn) 水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)工況點(diǎn)是指水輪機(jī)在額定水頭下發(fā)額定出力時的工況點(diǎn)，即（，）。 選擇設(shè)計(jì)單位轉(zhuǎn)速對于方案a：式中模型的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速,由參考資料1：。計(jì)算得： 。對于方案b：式中模型的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速,由相關(guān)資料：。計(jì)算得： 。 確定額定工況下的單位流量由1在HL2

18、60/D74模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線上作的水平線交5%功率限制線于A點(diǎn)，A點(diǎn)即為初選設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，見圖2.1。A點(diǎn)的單位流量即為初選設(shè)計(jì)工況點(diǎn)下的單位流量。對于方案a：，初選設(shè)計(jì)工況點(diǎn)為：（，1244L/S）；對于方案b：，初選設(shè)計(jì)工況點(diǎn)為：（，1244L/S）圖2.1 初選設(shè)計(jì)工況點(diǎn)2.8 確定轉(zhuǎn)輪直徑 水輪機(jī)的額定出力式中： Pg發(fā)電機(jī)額定功率,；g 發(fā)電機(jī)功率,一般可取0.96或0.98,本次設(shè)計(jì)取。計(jì)算得：。 轉(zhuǎn)輪直徑式中：；。 計(jì)算得 =0.895，。由2P15轉(zhuǎn)輪公稱直徑D1尺寸系列,取。2.9 確定額定轉(zhuǎn)速計(jì)算得：=413.1 。由2P15水輪發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速系列表，可以選擇 ；由2P1

19、5水輪發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速系列表，可以選擇 。2.10 效率及單位參數(shù)的修正 效率修正真機(jī)的效率修正：對于方案a： ,最后計(jì)算可得 ：.對于方案b： ,最后計(jì)算可得 ：. 單位參數(shù)修正2.11 核對所選擇的真機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑 確定水輪機(jī)的真實(shí)工況點(diǎn)(1)模型機(jī)的設(shè)計(jì)單位轉(zhuǎn)速n11r(m)為： 如圖所示 則B點(diǎn)在n11r(m)水平線上。在其上查找點(diǎn)(m,Q11m),計(jì)算N11t，并做輔助曲線如圖所示。而，在輔助線上有一個Q11tr與之對應(yīng)，從而得到Q11mr，將其返回圖中與線相交于B點(diǎn)，即為真是工況點(diǎn)。對于方案a，其計(jì)算表和輔助曲線如下，最終的真是工況點(diǎn)如圖2.4a。表2.3 a 輔助曲線計(jì)算數(shù)據(jù)表 0.9

20、0.910.920.920.910.9040.9140.9240.9240.91411.0351.0721.1561.2038.879.289.7210.4810.79對于方案b，其計(jì)算表和輔助曲線如下，最終的真是工況點(diǎn)如圖2.4b。表2.3 b 輔助曲線計(jì)算數(shù)據(jù)表m0.90.910.920.920.910.9t0.9030.9130.9230.9230.9130.903Q11t=Q11m0.8620.9220.9681.1041.151.193N11t7.6359678.2579218.7648829.99631210.3000110.56811 工作范圍的檢查最大水頭下，對應(yīng)一個，最小水頭

21、下下，對應(yīng)一個，下面分別求出和的大小。結(jié)論：如圖2.4a和2.4b，在圖中分別做出和的水平線，由圖可知：這兩條水平線之間包含了主要綜合特性曲線的最優(yōu)效率區(qū)，平均效率較高，水輪機(jī)真實(shí)的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)B在最有工況點(diǎn)的附近，比較兩種方案，方案b的搞笑取款而廣，且真是工況點(diǎn)b更接近最有工況點(diǎn)，故而綜合分析，最終選定方案b。該水輪機(jī)機(jī)型為：HLA616-LJ-160，其主要參數(shù)如下：轉(zhuǎn)輪直徑： 額定轉(zhuǎn)速：設(shè)計(jì)單位轉(zhuǎn)速： 設(shè)計(jì)單位流量圖2.3a:HLA616-LJ-160 水輪機(jī)真實(shí)工況點(diǎn)圖2.3b:HLA616-LJ-160 水輪機(jī)真實(shí)工況點(diǎn)2.12 確定水輪機(jī)導(dǎo)葉的最大開度、最大可能開度、最優(yōu)開度 計(jì)算原

22、型機(jī)的導(dǎo)葉分布直徑 計(jì)算模型機(jī)的導(dǎo)葉分布直徑計(jì)算得： 計(jì)算水輪機(jī)導(dǎo)葉的最大開度在模型機(jī)和真機(jī)保持幾何相似，即當(dāng)時，可按相似換算 計(jì)算水輪機(jī)導(dǎo)葉的最大可能開度 計(jì)算水輪機(jī)導(dǎo)葉的最優(yōu)開度2.13 計(jì)算水輪機(jī)額定流量 2.14 確定水輪機(jī)允許吸出高度水輪機(jī)允許吸出高度本次設(shè)計(jì)采用的水輪機(jī)吸出高度Hs計(jì)算公式為： 式中：水電站水輪機(jī)安裝海拔高度，m 空蝕安全系數(shù)。對HL，當(dāng)H=30250m時取1.151.20，這里取1.18各對應(yīng)水頭下的工況點(diǎn)的空蝕系數(shù)。在進(jìn)行各水頭下的工況點(diǎn)空蝕系數(shù)查找時，需要作輔助線。為此列表計(jì)算，并得出各水頭下的輔助線。且在各水頭下，為已知，從輔助曲線上即可找到該水頭下發(fā)出的額

23、定功率的工況點(diǎn)，從而得出其空蝕系數(shù)。列表計(jì)算時，包括了，六個水頭。 表2.4 各水頭下的輔助曲線計(jì)算表N11t1=11.4784.930.890.880.870.860.850.8930.8830.8730.8630.853Q11t1.2391.281.311.341.38N11t10.85 11.09 11.22 11.34 11.55 N11t2=10.7783.160.910.920.920.910.90.890.9130.9230.9230.9130.9030.893Q11t0.9440.991.111.1541.1961.24N11t8.45 8.96 10.05 10.34 10.

24、59 10.86 N11t3=10.3181.960.90.910.920.920.910.90.9030.9130.9230.9230.9130.903Q11t0.8620.9220.9681.1041.151.193N11t7.64 8.26 8.76 10.00 10.30 10.57 N11t4=10.1481.490.90.910.920.920.910.90.9030.9130.9230.9230.9130.903Q11t0.8520.9140.971.1071.151.19N11t7.55 8.19 8.78 10.02 10.30 10.54 N11t5=9.6880.260.

25、90.910.920.920.910.90.9030.9130.9230.9230.9130.903Q11t0.8340.8870.941.0961.1461.185N11t7.39 7.94 8.51 9.92 10.26 10.50 N11t6=9.6278.380.90.910.920.920.910.90.9030.9130.9230.9230.9130.903Q11t0.820.8560.91.081.1441.18N11t7.26 7.67 8.15 9.78 10.25 10.45 根據(jù)查出的數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上畫出曲線，見圖圖2.4.6：圖 輔助曲線 H=65.2m 圖 輔助曲線

26、H=68m 圖 輔助曲線 H=70m 圖 輔助曲線 H=70.82m 圖 輔助曲線 H=73m圖 輔助曲線 H=76.55m在各水頭下的曲線，再根據(jù)值查出對應(yīng)的單位流量，再將各水頭下單位流量的和對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速值查HLA616綜合效率特性曲線，依次得出各空蝕系數(shù)：0.09，0.083 ，0.074 ，0.072 ，0.069，0.068 。其吸出高度為：H=65.2m時，Hs=10-908/900-1.18*0.096*65.2=1.61mH=68m時，Hs=10-908/900-1.18*0.083*65.2=2.33mH=70m時，Hs=10-908/900-1.18*0.074*65.2=

27、2.97mH=70.82m時，Hs=10-908/900-1.18*0.072*65.2=3.89mH=73m時，Hs=10-908/900-1.18*0.069*65.2=3.05mH=76.55m時，Hs=10-908/900-1.18*0.068*65.2=2.85m最后求出水輪機(jī)的允許吸出高度為：確定水輪機(jī)的安裝高程對立式機(jī)組：2.15 計(jì)算水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速HL式及其他固定葉片式水輪機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為：2.16 計(jì)算軸向水推力2.17 估算水輪機(jī)的質(zhì)量水輪機(jī)的質(zhì)量（不包括調(diào)速器、油壓設(shè)備及其他輔助設(shè)備時）可按下式計(jì)算：2.18 繪制水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線在內(nèi)取4個水頭，并計(jì)算各個水

28、頭對應(yīng)的模型單位轉(zhuǎn)速，其計(jì)算公式為： 繪制各水頭H下， 關(guān)系曲線由HLA616模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線上，分別作的水平線，取該水平線與各等效率線的交點(diǎn)，讀出各點(diǎn)對應(yīng)的，并將數(shù)據(jù)記入表表2.5.6。表 的計(jì)算表 序號10.870.8730.7588.7520.880.8830.7949.2730.890.8930.8810.3940.90.9030.93811.2050.910.9130.96811.6860.920.9231.00012.270.920.9231.11413.5980.910.9131.15813.9890.90.9031.19714.29100.890.8931.23914.63

29、110.880.8831.2814.93120.870.8731.3115.12表 的計(jì)算表 序號10.870.8730.7349.0220.880.8830.7709.5730.890.8930.82010.3140.900.9030.90011.4450.910.9130.94412.1460.920.9230.99012.8770.920.9231.11014.4380.910.9131.15414.8490.90.9031.19615.21100.890.8931.24015.59110.880.8831.28015.92120.870.8731.31016.10表 的計(jì)算表 序號10

30、.870.8730.7209.2420.880.8830.7549.7930.890.8930.80410.5640.90.9030.86211.4550.910.9130.92212.3860.920.9230.96813.1470.920.9231.10414.9980.910.9131.15015.4490.90.9031.19315.84100.890.8931.23916.29110.880.8831.2816.62120.870.8731.3116.79表 的計(jì)算表 序號10.870.8730.7209.4120.880.8830.7529.9430.890.8930.80010.

31、6940.90.9030.85211.5250.910.9130.91412.4960.920.9230.97013.4070.920.9231.10715.2980.910.9131.15015.7190.90.9031.19016.08100.890.8931.23816.55110.880.8831.27816.89120.870.8731.30617.06表 的計(jì)算表 序號10.870.8730.7109.7120.880.8830.74410.2930.890.8930.78510.9840.90.9030.83411.8050.910.9130.88712.6860.920.923

32、0.94013.5970.920.9231.09615.8580.910.9131.14616.3990.90.9031.18516.76100.890.8931.23017.20110.880.8831.27017.57120.870.8731.30417.83表 的計(jì)算表 序號10.870.8730.7128.7520.880.8830.7409.2730.890.8930.78010.3940.900.9030.82012.4550.910.9130.85613.1560.920.9230.90013.9770.920.9231.08016.7780.910.9131.14417.579

33、0.900.9031.18017.92100.890.8931.22018.32110.880.8831.26018.71120.870.8731.29619.03依據(jù)表表2.5.6中的數(shù)據(jù)繪制各水頭下的關(guān)系曲線，在繪制此曲線時，有事其最高效率點(diǎn)不易找出。同時，在做等效率曲線時，其拐點(diǎn)不易找出，此時都應(yīng)借助輔助曲線易找出，此時都應(yīng)借助輔助曲線最終的曲線如圖2.6所示：表2.6 計(jì)算表0.93430.9230.9130.9130.923H73.390.7198.256.9161 圖2.5 圖2.6 各H下，關(guān)系曲線 繪制各水頭H下， 關(guān)系曲線在HLA616模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線上，分別作6個水頭對

34、應(yīng)的線，讀出該線與線的每個交點(diǎn)對應(yīng)的，值，然后根據(jù)公式：，分別代入不同的，計(jì)算出各個對應(yīng)的，根據(jù)公式：，分別代入不同的，計(jì)算出對應(yīng)的，數(shù)據(jù)記入表2.7，根據(jù)表2.7中的數(shù)據(jù)，繪制各個水頭下的關(guān)系曲線，見圖2.7。表2.7 各水頭下計(jì)算表H=65.2m0.080.0850.090.0951.11.1861.241.265P13.4614.2214.6314.86+0.10.1050.110.115Hs2.47 2.15 1.82 1.49 H=68m0.080.0850.090.0951.1881.221.261.286P15.1515.4315.7615.95+0.10.1050.110.11

35、5Hs2.191.851.511.17H=70m0.080.0850.090.0951.2151.2351.271.295P16.1216.2516.5516.73+0.10.1050.110.115Hs1.991.641.290.94H=70.82m0.080.0850.090.0951.2251.241.271.3P16.416.5516.8217.34+0.10.1050.110.115Hs1.911.561.20.85H=73m0.070.0750.080.0850.090.0951.071.1671.2351.251.281.306P15.516.517.2617.4117.6417

36、.83+0.090.0950.10.1050.110.115Hs2.422.061.691.330.960.6H=76.55m0.070.0750.080.0850.090.0951.0151.1551.2381.2651.2931.318P15.8517.6818.5318.7518.9419.24+0.090.0950.10.1050.110.115Hs2.101.721.340.950.570.19 圖2.7 各個水頭下的關(guān)系曲線 繪制水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線(1)繪制等效率曲線在圖2.6中分別令，這里=0.88，0. 90，0.91，0.92，0.93，0.934，作的水平線，每條水平線

37、與6個不同H下的曲線分別有交點(diǎn)，將各點(diǎn)投影到H-N坐標(biāo)圖上，再將各相等的點(diǎn)練成光滑的曲線，即為等效率曲線。(2)繪制等吸出高度線l 繪制等吸出高度線Hs=f(H，N)繪制輔助曲線，從表2.7中可直接得出，如圖2.8所示。 圖2.8 輔助曲線l 繪制Hs=f(N)曲線。 a在HLA616綜合特性曲線上作各水頭下的 =const水平線，交各=const線于若干點(diǎn)，將各點(diǎn)的及記入表2.7中。 b.根據(jù)，由查出N值，記入表2.7中，并計(jì)算Hs的值。 c根據(jù)表2.7中的Hs與N繪制各水頭下的Hs=f(N)曲線，如圖2.7所示。在圖2.7中，分別令，作的水平線與各H下，曲線的交點(diǎn)，將各點(diǎn)投影到H-N坐標(biāo)圖

38、上，再將各Hs相等的點(diǎn)練成光滑的曲線，即為吸出高度線，從而得到真機(jī)的等吸出高度線。(3)繪制功率限制線首先，根據(jù)公式計(jì)算出=14640KW，式中：為=84.93r/min)與HLA616模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線上的5%功率限制線的交點(diǎn)所對應(yīng)的流量=1.240，為該點(diǎn)對應(yīng)的與之和，算出后，在水輪機(jī)綜合特性曲線上找點(diǎn)A（，），,再根據(jù)前面算出的，找到點(diǎn)B。然后，通過B點(diǎn)作線的垂線，即為發(fā)電機(jī)的功率限制線。水輪機(jī)機(jī)型為：HLA616-LJ-160運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線繪制到此結(jié)束，見圖SLH-01。3 水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)動圖的繪制3.1導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的基本類型按照水流在水輪機(jī)導(dǎo)葉中的流動方向分為：(1)徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

39、：水流沿著垂直于水輪機(jī)軸線的平面徑向地流過導(dǎo)葉。此時由于導(dǎo)葉軸線均布在水輪機(jī)同心的圓柱面上，故又稱圓柱式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。其導(dǎo)葉傳動機(jī)構(gòu)為平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較簡單。(2)斜向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)：水流沿著以水輪機(jī)軸為中心線的圓錐面斜向地流過導(dǎo)葉。此時由于導(dǎo)葉軸線均布在水輪機(jī)同心的圓錐面上，故又稱為圓錐式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。這種導(dǎo)水機(jī)構(gòu)主要用于斜流式水輪機(jī)和燈泡式水輪機(jī)。其導(dǎo)葉傳動機(jī)構(gòu)不是平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)，致使機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。(3)軸向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)：水流沿著與水輪機(jī)同心的各個圓柱面軸向地流過導(dǎo)葉。此時由于導(dǎo)葉軸線位于半徑方向上，故又稱圓盤式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。這種導(dǎo)水機(jī)構(gòu)主要用于全貫流式水輪機(jī)，其功用和缺點(diǎn)與斜向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)較相似，且因?qū)~的排

40、擠使流速大為增加，造成較大的水力損失，性能不如斜向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)優(yōu)越。本次設(shè)計(jì)采用的是徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。3.2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的作用導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的作用是：形成或改變進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水流環(huán)量。協(xié)同引水室向轉(zhuǎn)輪均勻引水。按電力系統(tǒng)所需要的功率調(diào)節(jié)通過水輪機(jī)的過流量。導(dǎo)葉在關(guān)閉位置時能停止水輪機(jī)運(yùn)行，并在機(jī)組甩負(fù)荷時防止產(chǎn)生飛逸 。3.3 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，許多結(jié)構(gòu)尺寸和傳動關(guān)系必須取決于導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的傳動運(yùn)動關(guān)系，以達(dá)到以上設(shè)計(jì)要求。因此，水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)動關(guān)系圖是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的圖紙。在結(jié)構(gòu)上導(dǎo)水機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足以下要求：導(dǎo)水機(jī)構(gòu)過流部件應(yīng)與模型水輪機(jī)相應(yīng)部件保持幾何相似。即在所有工況下，水流應(yīng)

41、平滑繞流導(dǎo)葉，導(dǎo)葉尾部不應(yīng)形成旋渦。導(dǎo)葉的最大開度和最大可能開度要可靠，以保證水輪機(jī)有足夠的過流能力。在關(guān)閉狀態(tài)下，導(dǎo)葉與導(dǎo)葉之間的間隙（立面間隙），導(dǎo)葉上端面與頂蓋的間隙以及導(dǎo)葉下端面與底環(huán)的間隙（端面間隙）要合理，既能保證機(jī)組可靠地停機(jī)和水輪機(jī)的調(diào)相運(yùn)行，又能便于導(dǎo)葉的安裝及調(diào)整。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中應(yīng)有安全保護(hù)裝置，如設(shè)置剪斷銷、限位銷等，以防止導(dǎo)葉被異物卡住而引起主要傳動部件破壞。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)應(yīng)轉(zhuǎn)動靈活，各部件之間的摩擦面應(yīng)有良好的潤滑。導(dǎo)葉應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。對多泥沙河流中的水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，還應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇上采取適當(dāng)措施，以防止磨損破壞。3.4 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)動圖繪制的目的水輪機(jī)在進(jìn)行負(fù)荷

42、調(diào)節(jié)時，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)各運(yùn)動部件（導(dǎo)葉、連桿、拐臂、控制環(huán)、推拉桿、接力器等）所在位置與導(dǎo)葉開度之間的關(guān)系圖，稱為導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)動圖。繪制導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)動圖有以下目的：確定最大可能開度下所需的接力器行程，從而最終確定各傳動機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)；確定最大可能開度下的接力器行程Smax，繪制接力器行程S與導(dǎo)葉任意開度的關(guān)系曲線，并檢查導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)行時的均衡性（即各曲線是否連續(xù)光滑）確定不同導(dǎo)葉開度下的，值，并繪制=f(), =f()曲線。確定控制環(huán)大耳孔、小耳孔的相對位置及相應(yīng)的推拉桿位置，使得大耳孔在2個極限位置時，推拉桿的偏斜角度為最小。確定導(dǎo)葉限位塊的位置，檢查傳動件在不同位置下是否相撞，尤其是在剪斷銷（或其他保

43、護(hù)裝置）斷裂時是否會造成連桿與導(dǎo)葉臂相撞。限位塊一般位于底環(huán)上（為了減少水力損失及提高水輪機(jī)的抗空蝕能力，現(xiàn)在更多地把它設(shè)計(jì)在非過流部件上），其位置的確定是在導(dǎo)葉最大可能開度下推一個適當(dāng)?shù)木嚯x。a.對于大中型水輪機(jī)：=2030mm; b.對于小型水輪機(jī)：=010mm確定導(dǎo)葉關(guān)閉時，相鄰導(dǎo)葉間的密封位置及導(dǎo)葉端面密封條的分布圓直徑，或端面密封所需的最小平面尺寸。確定固定導(dǎo)葉的布置位置及進(jìn)、出口角，設(shè)計(jì)固定導(dǎo)葉的形狀。3.5 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)動圖的繪制步驟 確定真機(jī)基本結(jié)構(gòu)及布置導(dǎo)葉圖(1)確定真機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)：及真機(jī)導(dǎo)葉形狀尺寸。本次設(shè)計(jì)采用正曲率導(dǎo)葉，導(dǎo)葉形狀見附圖9。由3非對稱導(dǎo)葉葉形斷面尺寸

44、系列表可知：，及如圖9中所示的導(dǎo)葉葉形斷面尺寸見表3.1：（單位：mm）表3.1 導(dǎo)葉葉形斷面尺寸表 L=412真機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的裝配尺寸，由3導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配尺寸系列表得到以下參數(shù)，見表3.2。表3.2 真機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配尺寸=22°確定了以上參數(shù)后，即可根據(jù)實(shí)際情況選取合適的比例（本次設(shè)計(jì)選取的比例為：1：3），計(jì)算出對應(yīng)的各個參數(shù)值并繪制導(dǎo)葉斷面型線示意圖，見圖3.1。圖3.1 導(dǎo)葉斷面型線示意圖(2)計(jì)算真機(jī)導(dǎo)葉開度,包括最優(yōu)開度、最大開度及最大可能開度等值。對于大中型機(jī)組，由于可以較嚴(yán)格地保持模型與真機(jī)的幾何相似關(guān)系，即當(dāng)：，故開度系列可由導(dǎo)葉開度換算得到，即： 由選型計(jì)算中：步驟1

45、.11.5可知：對于中小型機(jī)組：由于簡化結(jié)構(gòu)的需要，常常使得D0/D1>1.16，Z0減少，使得模型與真機(jī)之間的幾何相似關(guān)系遭到破壞，此時就不能利用上述公式進(jìn)行導(dǎo)葉開度換算，為了使真機(jī)與模型機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)水流運(yùn)動保持運(yùn)動相似，只有使模型機(jī)與真機(jī)的導(dǎo)葉出流角相等。這里不再敘述。根據(jù)導(dǎo)葉形狀參數(shù)及繪圖比例（1：3），繪制4個相同的導(dǎo)葉，使其在D0圓 確定，值為連桿與控制環(huán)小耳孔所在圓周切線方向的夾角，為連桿與導(dǎo)葉轉(zhuǎn)臂夾角。確定與值的步驟為：將導(dǎo)葉置于全關(guān)狀態(tài)，此時要求=70° 80°，90°100°，否則可適當(dāng)調(diào)整拐臂與連桿的長度，在全關(guān)時，拐臂中心線與D

46、0圓周切線夾角為0=22°，從而可確定出初始位置。所選開度值為： ； ； ； ； ； 轉(zhuǎn)動導(dǎo)葉（傳動機(jī)構(gòu)隨之改變位置），讓相鄰導(dǎo)葉間的開度等于上述計(jì)算出的開度值，量取角度，并填入表3.3中。調(diào)整后：，連桿長。根據(jù)表3.3作出=f(),=f()、S=f()曲線及檢查光滑性，如圖3.2。表3.3 導(dǎo)葉運(yùn)動關(guān)系值圖3.2 及其光滑性檢查 確定大、小耳孔的相對位置及接力器行程S首先使導(dǎo)葉處于全關(guān)狀態(tài)，得到小耳孔中心全關(guān)位置點(diǎn)A，使導(dǎo)葉處于時，得到小耳孔中心最大可能開度的位置點(diǎn)B，的一半即是小耳孔的中間位置，將A，B兩點(diǎn)作射線與大耳孔圓的交點(diǎn)為，則的一半即是大耳孔的中間位置，大耳孔移動的弦長即

47、是接力器行程S。 確定限位塊的位置限位塊在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中的作用是為了減少水力損失及提高水輪機(jī)的抗空蝕能力，現(xiàn)在更多的是把它設(shè)計(jì)在非過流部件上，其位置的確定是在導(dǎo)葉最大可能開度下外推一個適當(dāng)?shù)木嚯x。對于大中型水輪機(jī)：=2030mm; b.對于小型水輪機(jī)：=010mm，本次設(shè)計(jì)取=30mm. 。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)動圖見圖SLH-02。4 水輪機(jī)金屬蝸殼水力設(shè)計(jì)4.1 蝸殼類型的選擇蝸殼的功用是將水流均勻引入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)并形成一定的速度環(huán)量。蝸殼分為混凝土蝸殼和金屬蝸殼兩種類型。其型式的選擇主要是根據(jù)水電站的水頭進(jìn)行的，最大水頭在40m以內(nèi)的機(jī)組，通常采用混凝土蝸殼，這類蝸殼的斷面形狀呈“T”或“”形，其包角為135°270°；當(dāng)水頭超過40m時，一般選用鋼板焊接蝸殼，端面形狀有圓形及橢圓形兩種，包角一般為345°360°。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的最大水頭為：=76.55m，所以采用金屬蝸殼。金屬蝸殼斷面