水轮机毕业设计

1 沟口一级水电站水轮机选型设计

1.1资料

沟口一级水电站位于重庆市石柱县沙子镇中益乡，总装机容量5000千瓦，设计引用流量12立方米/秒，保证出力237千瓦，多年平均发电量1752万千瓦时，年利用小时数3503时。水库正常蓄水位990米，正常库容74万立方米，死水位987米，死库容34万立方米，调节库容40万立方米，校核洪水位为994.4米。

沟口一级水电站主要参数：最大水头H max=49m，额定水头H r=45m，平均加权水头H pj=47m，最小水H min=41m，2x1600KW，引用流量2x4.2m3/s，海拔937m。

1.2水轮机型号确定

混流式水轮机具有结构紧凑、运行可靠、效率高，能适应很宽的水头范围等特点，技术十分成熟，是目前国际国内应用最广泛的水轮机机型，安装检修均具有强有力的技术保障，故决定采用混流式水轮机。由所给出的原始数据判断，水轮机的运行水头范围为：41 m~49m。根据运行水头范围初选转轮型号：HL260/A244和HLA551-35.2。

1.3水轮机主要参数计算

等。这些参数的计水轮机主要参数是指转轮直径D1，额定转速n及吸出高度H

s

算是以模型和真机满足相似条件为前提的，即利用相似理论，将模型机的参数换算、正为真机的参数。

1.3.1初选设计工况点

对已选定的水轮机型号，查出其模型综合特性曲线。在此曲线上，H pj对应的单位转速n1’可视为最有转速n10’，即

故而在设计水头H r下，有

故

作的水平线交5%出力限制线于A 点，此点即为初选设计工况点。A 点的单位流量'

1r

Q 为初选设计工况下单位流量。

图1.1 初选设计的工况点和真实工况点 表1.1 初选设计工况点转速和流量

1.3.2 转轮直径D 1的确定

转轮直径计算公式为：

D 1=

2

3‘1r 81.9N

r

H Q η

N=F

F

N η

式中：N F —发电机额定功率；

F η—发电机的效率，取值为：0.95

η为水轮机的效率，由初设工况点的mA η加上修正值得到：

%）3~1（mA mA +=?+=ηηηη

由以上公司可以算出D 1，可由标准直径系列进行调整。

表1.2 转轮直径D 1

1.3.3 额定转速的确定

计算转速时，一般希望加权平均水头H pj 的单位转速接近于最优单位转速，从而使水轮机大部分时间运转在高效区。

根据公式算出转速后，有标准额定转速系列表选取额定的转速。

表1.3 额定转速

1.3.4 效率及单位参数的修正

将模型最优的工况效率，换算成真机最优工况效率。即

因此，真机与模型机因直径水头及水头不同而导致效率不同的修正值为：

由于机械加工工艺质量也会引起效率修正值，它与水轮机的尺寸及加工工艺质量有关。

最后得到真机效率修正值：

即真机效率为：

单元参数的修正值及

由于，，所以，单元参数可不予修正。

表1.4 效率修正值

1.3.5核对所选择的D1及

（1）找出水轮机真实工况点B实际水轮机的转速：

由于转速不予以修正，故

如图1.1所示，B点在水平线上。在其上查找点（），计算功率，并作辅助线，如图所示，即

而，在辅助曲线上有一个与之对应，从而得到，将的值返回到图1.1上与线相交于B点，即为真实工况点。

表1.5 HL260/A244辅助曲线计算表

表1.6 HLA551-35.2辅助曲线计算表

图1.2 HL260/A244辅助曲线图1.3 HLA551-35.2辅助曲线根据辅助曲线找出真实工况点B的位置，并根据公式计算出模型综合特性曲线与之对应的转速，和转速区间。

表1.7 转速区间表

（2）工作范围的检查最大水头下，对应个；最小水头下，对应个。这2条直线之间应包含主要综合特性曲线的最优效率区；同时，B点应在最优工况点的附近，则可认为所选的和是合理的，正确的，否则应重新选择和的值。根据表1.7，绘制辅助图形，如图1.4所示。

转轮型号真机效率设计流量

图1.4 运行转速区间图

根据运行转速区间图可以看出转轮型号HL260和HLA551在额定转速为750r/min时最大转速和最小转速所包围的区间包含了模型综合特性曲线的最优效率区，而转轮型号HL260在额定转速为1000r/min时，最大转速和最小转速所包围的区间偏离了模型综合特性曲线的最优效率区，所以暂时排除转轮型号HL260额定转速1000r/min此方案。

1.3.6计算水轮机的设计流量

的计算式：

—设计工况点B的真机效率。

计算出的设计流量应满足，本次设计，而转轮型号HL260/A244所计算出的设计流量为4.234，超出了给定值，所以暂时排除转轮型号HL260/A244。

1.3.7确定水轮机的允许吸出高度

水轮机在不同工况下的空蚀系数σ是不同的。所以应该根据不同的水头下的轴功率N，即根据相应的和值，从综合特性曲线上查找出相应的空蚀参数σ，并按下列式子计算：

在进行各水头下的工况点空蚀系数查找时，需要作辅助曲线，如图1.5所示。为此列表计算，并得到各水头下的辅助曲线。且在各水头下，为已知，从辅助曲线上即可找到该水头下发出的额定功率的工况点，从而得出其空蚀系数。

图1.5 曲线

表1.9 HLA551各水头下的辅助曲线最后求出水轮机的允许吸出高度为：

=

1.3.8计算水轮机的飞逸转速

飞逸转速的计算式为：

式中为模型飞逸转速，取147.2r/min。

1.3.9计算水轮机轴向水推力

对于混流式水轮机：

=8.57tf

式中：1tf=9.81kN

k=0.43

1.3.10估算水轮机的质量

水轮机质量G可按以下式计算：

，b，k值由表1.10查出。

表1.10 混流式水轮机的，b，k值

计算出水轮机质量为：G=6.34t

1.3.11 水轮机综合特性曲线的绘制

列表计算：

表1.11 HLA551水轮机运转综合特性曲线计算表

2 HLA551水轮机蜗壳的水力设计

2.1 蜗壳类型及主要参数的选择

水轮机蜗壳水里设计的主要任务是：选这蜗壳形式，计算和选择蜗壳主要参数以及绘制蜗壳的水力单线图。

2.1.1 蜗壳类型的选择

蜗壳分位混凝土蜗壳和金属蜗壳2种类型。其形式的选择主要是根据水电站的水头进行的，最大水头40以内的机组，通常采用混凝土蜗壳，这类蜗壳的断面通常成“T”行或“Γ”，其包角为135°~270°；当水头超过40m时，一般选用钢板焊接蜗壳，断面形状有圆形及椭圆形2种，包角一般为345°~360°。若水头大于40m 仍要用混凝土蜗壳，需在蜗壳内加钢板里衬但会使得成本增加，甚至还会超过采用

金属蜗壳的成本，此时应进行技术经济比较才能决定采用哪种蜗壳型式。

2.1.2 主要参数的选择

（1）蜗壳包角的选择

蜗壳包角是指从蜗壳尾端到进口断面的角度，它是蜗壳的主要参数之一，反应了蜗壳包围导水机构的程度，它将会影响电站的投资及水轮机的效率。通常取座环特殊固定导叶出口边作为蜗壳包角的起始断面，取垂直于引水管道轴线的+X方向断面作为蜗壳的进口断面。

对于高水头的水电站，一般选取完全包角的金属蜗壳，包角=345°~360°，通常采用=345°，而砼蜗壳的包角在=135°~270°内选择。对低水头大流量的水电站，通常采用=180°的蜗壳，对厂房布置有特殊要求时，也可采用=135°的蜗壳，有时为了减小蜗壳的进口断面的宽度和便于进水管于蜗壳的链接，还可以采用=270°大包角蜗壳。

参考本次设计数据，最大的水头为49m，采用金属蜗壳，包角=345°。

（3）蜗壳进口流速的选择

蜗壳进口断面的平均流速于蜗壳尺寸及蜗壳水力损失等因素有关。若大，则蜗壳和导水机构的水力损失相应增大，反之亦然。在流量相同的条件下，越大，则断面尺寸可减小，而减小对电站的投资。即

式中：—流量系数。对金属蜗壳=0.7~0.9

计算出=5.37m/s

2.2 金属蜗壳的水力设计计算

对金属蜗壳进行水力计算，就是在给定设计水头，设计流量，导水机构高度及座环尺寸的条件下，确定蜗壳各断面形状和尺寸，并绘制出蜗壳单线图，列出蜗壳断面尺寸表，以便制造及作为蜗壳强度计算和水电站厂房设计的依据。

2.2.1 进口断面的计算

水流延四周均匀地向导水机构供水，蜗壳任意断面流量为：

式中：—流过任意断面的流量，；

—任意断面至蜗壳鼻端的包角，（°）

—水轮机设计流量，。

因此，蜗壳进口断面的流量为：

进口断面面积为：

进口断面半径：

蜗壳中心线到主轴中心线的距离为：

蜗壳断面的外圆半径：

2.2.2 蜗壳其余断面的计算

从圆形断面过度为椭圆断面的临界包角值

式中：C—蜗壳常数，有进口断面参数确定：

计算出进口断面参数：=110.86°

用计算机算出其余断面的参数，见表2.1。

表2.1 其余断面参数

与座环链接的蜗壳尺寸：

=0.8m =0.6m =0.85 =0.032m h=0.149m