水輪機畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)書

水輪機畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)書水輪機與發(fā)電機的選擇笫一節(jié)水能資料（本設(shè)計略）根據(jù)設(shè)計任務(wù)書，列出水能設(shè)計計算和規(guī)劃給出的以下特征值：多年平均流量；水電站水庫調(diào)節(jié)類型；水電站類型與廠房型式；水電站特征水頭；水電站裝機容量；水電站設(shè)計保證率；水電站保證出力；多年平均發(fā)電量；年利用小時數(shù)；電力系統(tǒng)設(shè)計水平年最大負荷；引水系統(tǒng)的引水方式；水電站下游水位與流量關(guān)系曲線。在得到上述資料后，需要對資料進行適當?shù)男：?；其中重點是校核水電站特征水頭。笫二節(jié)機組臺數(shù)與機型的選擇一、機組臺數(shù)的選擇臺數(shù)與投資的關(guān)系臺數(shù)多，單機容量小，小機組單位千瓦造價高，同時，相應(yīng)的主閥、調(diào)速器、附屬設(shè)備及電氣設(shè)備的套數(shù)增加，投資亦增加。一般情況下，臺數(shù)多對成本和投資不利。臺數(shù)對運行效率的影響機組臺數(shù)多，可以靈活改變機組運行方式，調(diào)整機組負荷，避開低效率區(qū)運行，以使電站保持較高的平均效率。機組類型不同，臺數(shù)對電廠平均效率的影響就不同。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機，由于單機的效率曲線平緩且高效區(qū)寬，臺數(shù)多少對電廠的平均效率影響不明顯；而混流式、軸流定槳式水輪機其效率曲線較陡，當出力變化時，效率變化較劇烈，適當增加臺數(shù)可明顯改善電廠運行的平均效率。3.臺數(shù)與運行維護的關(guān)系臺數(shù)多，運行方式靈活機動，事故停機影響小，單機檢修易于安排，但對全廠檢修麻煩；同時，臺數(shù)多，機組開、停機操作頻繁，事故的次數(shù)可能增加。臺數(shù)與其他因素的關(guān)系4.1臺數(shù)與電網(wǎng)的關(guān)系對于區(qū)域電網(wǎng)的單機：裝機容量較小才15%系統(tǒng)最大負荷（不為主導(dǎo)電站）；裝機容量較大才10%系統(tǒng)容量（系統(tǒng)事故備用容量），因而，單機容量與臺數(shù)選取不受限制。4.2臺數(shù)與保證出力的關(guān)系根據(jù)設(shè)計規(guī)范要求，機組單機容量應(yīng)以水輪機單機運行時其出力在機組的穩(wěn)定運行區(qū)域范圍內(nèi)確定為原則。不同型式的水輪機的穩(wěn)定運行負荷區(qū)域如表1。表1不同型式的水輪機的穩(wěn)定運行負荷區(qū)域型式穩(wěn)定運行負荷區(qū)域（%）型式穩(wěn)定運行負荷區(qū)域（%）混流式40?100沖擊式25?100軸流定槳式70?100軸流轉(zhuǎn)槳式30?100貫流轉(zhuǎn)槳式25?100綜上所述，可以確定機組臺數(shù)選擇的原則:

對中小型水電站，一般選擇2?4臺；保證在水頭低于額定水頭時，機組受阻容量盡量?。辉诳赡艿那闆r下盡量選用單機容量較大的水輪機，以降低設(shè)備造價。二、轉(zhuǎn)輪型號的選擇轉(zhuǎn)輪型號的選擇主要根據(jù)電站水頭變化范圍（%?H京，查相應(yīng)的水輪機型譜參數(shù)表，以選擇適用電站水頭變化范圍的水輪機型號為原則；若有多種型號可供選擇，則需要列為備選方案，待進行參數(shù)計算比較后再確定。第三節(jié)水輪機主要參數(shù)的選擇與計算在確定了不同的備選方案后，應(yīng)對所有的備選方案進行參數(shù)計算，為水輪機選擇比較提供依據(jù)。參數(shù)計算的內(nèi)容和步驟如下：水輪機轉(zhuǎn)輪直徑D1D='g1^l9.81211Hi.5門門式中，n一發(fā)電機效率，通常中小型取0.93?0.96，大中型取0.96?0.98；D]（cm）根據(jù)計算結(jié)果，2.原型水輪機效率與效率修正值3.水輪機轉(zhuǎn)速計算與選擇Qu-一對混流式水輪機，取限制工況下的單位流量。對軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機，取最優(yōu)工況與限制工況之間的單位流量；一般水頭較高時取靠近下限值，水頭較低時取靠近上限值。門一一取n110D]（cm）根據(jù)計算結(jié)果，2.原型水輪機效率與效率修正值3.水輪機轉(zhuǎn)速計算與選擇可適當取大一點，一般是取5的倍數(shù)關(guān)系的直徑值。（見課本P69-73）v'H

n=n-——a山D1式中：匕=^110M+Ani1若^1n若^1n110M,n=皿^-1<0.03Mmax則不用修正n，反之要修正n。最后n取與計算結(jié)果接近的標準同步轉(zhuǎn)速，原則上取相近偏大值；若在兩同步轉(zhuǎn)速中間附近需作進一步比較。4.檢驗水輪機實際工作范圍⑴水輪機計算點出力的校核計算Hr時的出力：N=9.81D2QH1.5n，要求N^Nr且接近。⑵水輪機實際工作范圍的校核111r'分別求在Hmax、Ha、Hr、Hmin下對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速，列表2，要求*下對應(yīng)的n11Ma與n11M0相近，Hmax、Hmin時對應(yīng)的n11Mm，n^mn11Mmax在模型綜合特性曲線圖上，其范圍應(yīng)包含高效率區(qū)。若是有兩同步轉(zhuǎn)速，分別計算出各水頭對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速，并檢查兩方案的運行區(qū)域后，選擇較優(yōu)的轉(zhuǎn)速方案。表2各水頭對應(yīng)單位轉(zhuǎn)速計算結(jié)果表轉(zhuǎn)速方案HmaxHaHrH.mmn1=r/minn2=r/min水輪機最大允許吸出高度計算（見課本P100-102）。如可選取下式：H=10一旦-KqHs900QMr式中：（1）K的取值方法：混流式轉(zhuǎn)輪：用不銹鋼時，K“W1.1?1.2；易空化部位有抗空化措施時，K“=1.2?1.4；采用優(yōu)質(zhì)碳鋼時，、N1.4。（對含砂量較大電站、適當取大些；多機組、取小些）'''（2）Hs的選擇：分別計算出在各種水頭下的Hj直，選偏小的Hs，以防止產(chǎn)生空化（見課本P100第17?18行中有文字論述）。''E――水輪機安裝處的海拔高程，初設(shè)時可用最低尾水位計算出。實際的水輪機額定水頭（重算）因不同的D「n與水能預(yù)算*有差異：P2Hr=扇率J”式中〃=〃"△〃，nM——以ni1r=nD『H與Q11查模型曲線交點處值。7.水輪機額定流量（重算）Q=Q11Dy耳式中Hr采用上述（6）中的計算結(jié)果。水輪機安裝高程Z=Z^+H、+b0式中：Z^為電站的下游尾水位，單位m。水電站的下游尾水位是隨電站的流量變化而變化的，它與機組運行方式、水庫綜合利用等有關(guān)。在實際工程中，一般是根據(jù)水電站的最低尾水位來計算。在初步設(shè)計階段，對中小型水電站，若裝機1?2臺時，可按一臺機組50%額定出力時相應(yīng)的流量所對應(yīng)的下游水位作為Z；若裝機大于3?4臺時，可按一臺機組滿負荷時的流量所對應(yīng)的下游尾水位作^zw。對于大中型水電站，下游水位需作方案比較和專題論證。水輪機最大飛逸轉(zhuǎn)速n=n'"maxRR.11D1式中：nRA1為該機型的單位飛逸轉(zhuǎn)速，可通過相關(guān)設(shè)計資料查找得出。水輪機軸向水推力、總軸向力（HL式見課本P155-157,ZZ式見課本P205-206）可按下式近似計算原型水輪機的軸向水推力：兀

弓=9.81x103K—D2Hmax（N）式中：D1為轉(zhuǎn)輪直徑（m）；Hmax為最大水頭（m）；K為轉(zhuǎn)輪的軸向水推力系數(shù)（kN/m3），一般由經(jīng)驗統(tǒng)計方法得出，具體見表W和表4所示。表3混流式水輪機的軸向水推力系數(shù)轉(zhuǎn)輪型號HL310HL240HL230HL220HL200HL180HL160HL120HL110HL100K0.37?0.450.34?0.410.18?0.220.28?0.340.22?0.280.22?0.280.20?0.260.10?0.130.10?0.130.08?0.14表4軸流式水輪機的軸向水推力系數(shù)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)45678K0.850.870.900.930.95立軸水輪機總的軸向推力Fz包含除軸向水推力、轉(zhuǎn)輪重量嗎和主軸重量吧，初步設(shè)計時可按下式估算ZrZFz=Ft+咯+g水輪機轉(zhuǎn)輪重量叱計算式為混流式：Wr=9.81x103xlo.5+0.025(10-D1Ud：(N)(若轉(zhuǎn)輪為分瓣轉(zhuǎn)輪，需再增加10%的重量)軸流式：Wr=9.81x103x1.4dhHo^D2.6(n),式中dh為輪轂比。主軸重量W5計算式：W5=(0.4?1.0)Wr式中：比例系數(shù)按應(yīng)用水頭、主軸是否與發(fā)電機共用等因素選取，低水頭或共用軸情況取下限系數(shù)。第四節(jié)配套發(fā)電機的選擇(詳查手冊)一、配套水輪發(fā)電機選擇方法對有現(xiàn)成配套的水輪發(fā)電機組，可查相關(guān)資料進行選擇；若無現(xiàn)成配套的水輪發(fā)電機組，可通過計算方法選擇水輪發(fā)電機組。配套的水輪發(fā)電機的選擇原則如下：Nf=Nr、發(fā)電機%=水輪機n「3.水輪機nRmax^發(fā)電機nRf；二、水輪發(fā)電機的型號表示方法中、小型水輪發(fā)電機的型號表示SF8000一16/3250|1功率KW|L定子鐵芯外徑mm1立式1磁極對數(shù)SFW800―10/1180|1功率kw|L定子鐵芯外徑mmL臥式1磁極對數(shù)SFWG8000―16/3250|1功率KW|1定子鐵芯外徑mmL臥式貫流式1磁極對數(shù)大型水輪發(fā)電機的型號表示SF1528/5500|匚功率MW|匚定子鐵芯外徑mm匚立式匚磁極對數(shù)三、水輪發(fā)電機外形尺寸參數(shù)計算（一）水輪發(fā)電機尺寸參數(shù)計算1.極距t：T=kj42^（cm）式中，Sf一發(fā)電機額定容量（KVA）；P——磁極對數(shù)；K,—系數(shù)，一般為8?10,容量大的取上限。由上式求出t后，應(yīng)校核發(fā)電機在飛逸狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子的飛逸線速度匕是否在轉(zhuǎn)子的允許材料范圍內(nèi)。2pT2.定子鐵芯內(nèi)徑D:D.=-^~（cm）S3.定子鐵芯長度七:lt=cDn2m）r式中，nr額定轉(zhuǎn)速（r/min），C—系數(shù)，C=4x10-6?6.5x10-6；'Sf——發(fā)電機容量，單位KVA。4.定子鐵芯外徑D^（機座號）當nr<166.7r/minD=D+1.2t(cm)當nr>166.7r/minD=D+t(cm)計算出Da后，可參考有關(guān)資料選取標準的Da（即機座號），確定水輪發(fā)電機型號。（二）水輪發(fā)電機的外形尺寸估算水輪發(fā)電機的外形尺寸主要有定子機座外徑D1，風罩內(nèi)徑D2，轉(zhuǎn)子外徑D3等。定子機座外徑D1136.4<nr<214r/min，D1=1.18D214<n<300r/min，D1=1.20D風罩內(nèi)徑D2Sf<20000KVAD2=D]+2.0mSf>20000KVAD2=D]+2.4m3.轉(zhuǎn)子外徑D3D3=Di—2V式中▽——單邊空氣間隙，初步估算時可不計。四、水輪發(fā)電機的重量估算水輪發(fā)電機重量估算內(nèi)容包括總重量（Gf）、轉(zhuǎn)子重量（G）和飛輪力矩GD2的計算。1.發(fā)電機總重量G:G=K3fSn1FFGVIn）NJ式中SN一視在功率，Kg一系數(shù)，懸式發(fā)電機取8?10，

2.轉(zhuǎn)子重量G：3.飛輪力矩GD2：GD2=K2D3.5氣2.轉(zhuǎn)子重量G：3.飛輪力矩GD2：GD2=K2D3.5氣（頃）式中，K—系數(shù)，1°°^55面皿%=5.2。第五節(jié)機組方案的比較根據(jù)前述計算結(jié)果，將所有計算結(jié)果列表后進行比較，見表5。在實際工程設(shè)計過程中，還需要進行電站投資的比較（包含主機設(shè)備投資、土建投資以及電站總投資），本設(shè)計過程主要對機組的性能和技術(shù)參數(shù)進行比較，對投資部分不作比較。在進行方案的比較過程中，主要從以下幾方面進行：使用水頭范圍的比較：要求所選的水輪機的適用水頭范圍要符合水電站提出的要求；若電站水頭高于所選水輪機的最大水頭，則水輪機的各部件的強度將受工作水壓的影響；若電站水頭低于所選水輪機的最小水頭，則水輪機在運行過程中容易出現(xiàn)因偏離額定工況過遠，以至水流狀態(tài)惡化，使得水輪機的工作效率下降的現(xiàn)象。模型轉(zhuǎn)輪各項指標參數(shù)的比較：對不同模型轉(zhuǎn)輪的相應(yīng)的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速、最優(yōu)單位流量、設(shè)計比轉(zhuǎn)速、模型最高效率、限制工況單位流量、限制工況空化系數(shù)以及模型曲線的曲率變化情況進行全面的比較；得出不同型式模型轉(zhuǎn)輪相應(yīng)的能量性能指標和空化性能指標的差異，并說明優(yōu)勢較大的模型轉(zhuǎn)輪型號。原型水輪機計算點的能量性能的比較：這需要比較三方面的參數(shù)指標，一是不同原型水輪機最高效率的比較，二是不同原型水輪機計算點效率和出力的比較，三是不同原型水輪機所包含的高效率區(qū)的比較；經(jīng)過三方面比較后，得出效率最好的水輪機的型號結(jié)論。原型水輪機轉(zhuǎn)速的比較：轉(zhuǎn)速高的水輪機，其發(fā)電機尺寸小，重量輕，一方面可以減少設(shè)備的造價，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。原型水輪機空化與空蝕性能的比較：一方面可以對計算點的空化系數(shù)進行比較，空化系數(shù)小的空化與空蝕性能更好；另一方面從吸出高度的大小進行比較，吸出高度較大的，廠房的開挖深度小，也有利于降低廠房的土建投資。綜合上述比較結(jié)果，可以選擇其中優(yōu)點占主導(dǎo)的方案作為推薦方案。然后再對該方案涉及的設(shè)備的供應(yīng)、廠家的制造加工水平、產(chǎn)品的技術(shù)先進性和應(yīng)用廣泛性，工程的投資、工期的各方面的因素進行綜合比較，最后得出綜合參數(shù)最佳的方案。表5機組方案比較表-...方案比較項目-方案一方案二方案三方案四單機容量X臺數(shù)水輪機型號適用水頭范圍H（m）模型最優(yōu)單位流量（m3/s）模型最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速（r/min）模型設(shè)計比轉(zhuǎn)速（mkw）模型最高效率（%）限制工況單位流量（m3/s）限制工況空化系數(shù)總裝機容量Ny(KW)轉(zhuǎn)輪直徑(cm)額定轉(zhuǎn)速nr(r/min)水輪機飛逸轉(zhuǎn)速nR(r/min)發(fā)電機飛逸轉(zhuǎn)速nRf(r/min)水輪機額定水頭Hr(m)水輪機額定流量Qr(m3/s)水輪機額定點效率n(%)水輪機額定出力Nr(KW)水輪機最高效率nmax(%)額定點單位轉(zhuǎn)速n11(r/min)額定點單位流量Q“(m3/s)額定點空蝕系數(shù)。水輪機吸出高度Hs(m)水輪機安裝高程Z(m)保證出力P保KW)年電能E(億KWh)年利用小時數(shù)h(h)y第六節(jié)水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線的繪制水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線既是水輪機選型設(shè)計時方案分析、比較的依據(jù)，也是水電站運行管理、擬定機組運行方式以及考察機組動力特性的主要依據(jù)，是在機組運行過程中檢查水輪機運行情況的依據(jù)之一。水輪機的運轉(zhuǎn)特性曲線采用以出力P為橫坐標，以水頭H為縱坐標，并采用在坐標圖上繪制門=fH,p)的等效率曲線、出力限制線和h=fH,p)的等吸出高曲線來綜合s表示水輪機的能量特性、空蝕特性和運行限制范圍。模型與原型等效率線參數(shù)的轉(zhuǎn)換公式如下：nD"11-ni1M~pH門=門+△門M△門=門一門-(△門+△門)maxMmax12P=KQ^式中：K=9.81x10-3D：H3/2，n11的單位為r/min，P的單位為MW。椐椐計算出來的機組轉(zhuǎn)速n(r/min)，轉(zhuǎn)輪直徑D^m)，對選定的5個特定水頭按第一式換算為n11作水平線與模型等效率線相交查得Qu和nM，然后依上述各式求得n與P，把計算數(shù)值列在如下表6中。表1-6水輪機等效率曲線計算表"m(%)H.=mH—mH=mH,=mH_=m1n,,=r/min2n=r/min3n=r/min4n=r/min5n=r/min11P=KC）一，n11N=KQ，n11N=KQ一，n11N=KQ一，n11N=K_Q，nQ1，(m3/s)1n(%)1Q1，(m3/s)2n(%)1Q1，(m3/s)3n(%)1Q1，(m3/s)4n(%)1Q1，(m3/s)5n(%)1??????5%出力限制線上的點???繪制水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線時應(yīng)注意：在水輪機運轉(zhuǎn)綜合運轉(zhuǎn)特性曲線上，額定水頭應(yīng)是水輪機實際的額定水頭，而不是水電站的額定水頭。同樣，計算各水頭下的吸出高度值填入下表1—7中。繪制出力限制線的斜線部分（水輪機出力限制線）時，可用兩種方法：（1）在H?P坐標內(nèi)，連接（Hr、Pr）、（Hmin、Pm.n）兩點，其連線即為水輪機出力限制線的斜線部分；11mmmm表1-7水輪機等吸出高度曲線計算表H(m)n'1(r/min)oQ1，(m3/s)N(MW)K°mK°mhHs(m)H1???n????????????（2）在等效率曲線計算表中，把5%出力限制欄中的H、P值繪在運轉(zhuǎn)特性曲線上，連接各點，即為出力限制線的斜線部分（水輪機的出力限制線）。斜線與垂直線的交點水頭即是實際的水輪機額定水頭。第七節(jié)蝸殼、尾水管外形尺寸的估算（見課本有關(guān)內(nèi)容）一、蝸殼蝸殼型式的選擇可用金屬蝸殼和砼蝸殼的兩種型式（方案比較），通常當水頭H>30m時，選用金屬蝸殼，當水頭H<30m時，選砼蝸殼。下面以金屬蝸殼為例。座環(huán)參數(shù)選擇可參考：水電站機電設(shè)計手冊一水力機械部分p127?128。其中，碟形邊高度Ah一般由結(jié)構(gòu)及焊接需要來決定。當不易確定時，可用式赫=r—rcos55。近似計算，或取M=0.5r。按等速度假設(shè)計算2.1蝸殼進口斷面的計算金屬蝸殼的進口斷面型式一般都作成圓形，為鋼板制作。（蝸殼是沿座環(huán)圓周焊接在上下碟形邊上，由于過流量的減小，蝸殼斷面也隨之減小，為使小斷面能和碟形邊相接，在某一包角后均采用橢圓斷面）QQ4進口斷面的面積：F=Vc=親0寸cc式中：Qmax，為水輪機的最大引用流量，m3/s；

8。，為蝸殼包角，對于金屬蝸殼一般取345°；匕為進口斷面的平均流速，由水輪機的設(shè)計水頭（m），查蝸殼進口斷面平均流速曲線（書上或手冊）查表得，m/s。PmaxRmax=。+PmaxRmax=。+2Pmax(m)從軸中心線到蝸殼外緣的半徑:式中：r——蝸殼座環(huán)外半徑，查有關(guān)資料的蝸殼座環(huán)尺寸系列表，可以得到座環(huán)尺寸，即r=D/2。2.2.對蝸殼中間的任一斷面設(shè)為從蝸殼鼻端起算至計算斷面處的包角，則該