水电站水轮机选型设计1资料

院校：河北工程大学水电学院专业班级：水利水电建筑工程01班姓名：尹清振

学号： 113520115

指导老师：简新平

水电站水轮机的选型设计

摘要

本说明书共七个章节，主要介绍了大江水电站水轮机选型，水轮机运转综合特性曲线的绘制，蜗壳、尾水管的设计方案和工作原理以及调速设备和油压装置的选择。主要内容包括水电站水轮机、排水装置、油压装置所满足的设计方案及控制要求和设计所需求的相关辅助图和设计图。系统的阐明了水电站相关应用设备和辅助设备的设计方案的步骤和图形绘制的方法。

关键词：

水轮机、综合运转特性曲线图、蜗壳、尾水管、调速器、油压装置。

【abstract】

Curriculum project of hydrostation is a important course and practical process in curriculum provision of water-power engineering major . There are more contents and specialized knowledge in the curriculum project , which make students not to adapt themselves quickly to complete the design . In this paper , characteristic of the curriculum project is analyzed , causes of inadaptation to the curriculum project in students are found , rational guarding method are proposed , and a example of applying the guarding method is given . The results show that using provided method to guard student design is a good method , when teaching mode and time chart are given , students are guarded from mode of thinking and methodology , and design step are discussed and given . After the curriculum project of hydrostation , the capability of students to solve practical engineering problems is improved , and the confidence to engage in design is strengthened .

【Keyword】

Curriculum project of hydrostation ; guarding method ; mode of thinking ; methodology; design step.

水电站水轮机选型设计

第一节基本资料 (4)

1.1基本资料

1.2设计内容

第二节机组台数与单机容量的选择 (4)

2.1 机组台数与机电设备制造的关系

2.2 机组台数与水电站投资的关系

2.3 机组台数与水电站运行效率的关系

2.4 机组台数与水电站运行维护工作的关系

2.5 单位容量的选择

第三节水轮机型号、装置方式、转轮直径、转速、及吸出高度与安装高程的确定 (5)

3.1 HL240型水轮机

3.2 ZZ440型水轮机

3.3 两种方案的比较分析

第四节水轮机运转特性曲线的绘制 (13)

4.1 基本资料

4.2 等效率曲线的计算与绘制

4.3 出力限制线的绘制

4.4 等吸出高度线的绘制

第五节蜗壳设计 (15)

5.1 蜗壳型式选择

5.2 主要参数确定

5.3 蜗壳的水力计算及单线图，断面图的绘制

第六节尾水管设计 (18)

6.1 尾水管型式的选择

6.2 尺寸确定及绘制平面剖面单线图

第七节调速设备的选择 (19)

8.1 调速器的计算

8.2 接力器的选择

8.3 调速器的选择

8.4 油压装置的选择

参考资料 (21)

大江水电站水轮机选型设计

第一节基本资料

1.1基本资料

大江水电站，最大净水头H max=35.87m，最小净水头H min=24.72m，设计水头H p=28.5m，电站总装机容量N装=68000KW，尾水处海拔高程▽=24.0m，要求吸出高Hs> -4m。

1.2设计内容

水轮机是水电站中最主要的动力设备之一，它关系到水电站助工程投资、安全运行、动能指标及经济效益等重大问题，正确地进行水轮机选择是水电站设计中的主要任务之一。本次设计的内容有：

(1) 确定机组台数与单机容量。

(2) 确定水轮机的型号与装置方式。

(3) 确定水轮机的转轮直径与转速。

(4) 确定水轮机的吸出高度与安装高程。

(5) 绘制水轮机运转特性曲线。

(6) 确定蜗壳、尾水管的型式与尺寸。

(7) 选择调速器与油压装置。

第二节机组台数与单机容量的选择

水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。根据已确定的装机容量，就可以拟订可能的机组台数方案，当机组台数不同时，则单机容量不同，水轮机的转轮直径、转速也就不同，有时甚至水轮机型号也会改变，从而影响水电站的工程投资、运行效率、运行条件以及产品供应。选择机组台数与单机容量时应遵守如下原则：

2.1 机组台数与机电设备制造的关系

机组台数增多，单机容量减少，尺寸减小，制造及运输较易，这对制造能力和运输条件较差的地区有利的，但实际上说，用小机组时单位千瓦消耗的材料多，制造工作量大，所以最好选用较大容量的机组。

2.2 机组台数与水电站投资的关系

当选用机组台数较多时，不仅机组本身单位千瓦的造价多，而且相应的阀门、管道、调速设备、辅助设备、电气设备的套数增加，电气结构较复杂，厂房平面尺寸增加，机组安装，维护的工作量增加，因而水电站单位千瓦的投资将随台数的增加而增加，但采用小机组时，厂房的起重能力、安装场地、机坑开挖量

都可以缩减，因而有减小一些水电站的投资，在大多数情况下，机组台数增多将增大投资。

2.3 机组台数与水电站运行效率的关系

当水电站在电力系统中担任基荷工作时，引用流量较固定，选择机组台数较少，可使水轮机在较长时间内以最大工况运行，使水电站保持较高的平均效率，当水电站担任系统尖峰负荷时，由于负荷经常变化，而且幅度较大，为使每台机组都可以高效率工作，需要更多的机组台数。

2.4 机组台数与水电站运行维护工作的关系

机组台数多，单机容量小。水电站运行方式就较灵活，易于调度，机组发生事故产生的影响小，检修较易安排，但运行、检修、维护的总工作量及年运行费用和事故率将随机组台数的增多而增大，故机组台数不宜太多。

上述各种因素互相联系而又相互对立的，不能同时一一满足，所以在选择机组台数时应针对具体情况，经技术经济比较确定。遵循上述原则，该水电站的装机容量为6.8万kw ，由于1.5万kw<8.6万kw<25万kw ，该水电站为中型水电站，并担任系统调峰、调相及少量的事故备用容量，同时兼向周边地区供电。且宜选用偶数机组台数（两个合用一个变压器，方便变电和配电）：4台。

2.5 单位容量的选择:

单机容量N=6.8÷4=1.7万KW,

水轮机额定出力:F

F

r N N =η (F η：发电机效率：96%-98%,取96%)

即 r N =N÷96﹪=17000÷96﹪=17708KW 。

第三节 水轮机型号、装置方式、转轮直径、转速、 及吸出高度与安装高程的确定

根据该水电站的水头变化范围24.72m ～35.87m ，参照《水电站》表3-3和表3-4的水轮机系列型普表查出合适的机型有HL240型水轮机（适用范围25~45）和ZZ440型水轮机（适用范围20-40）两种。现将这两种水轮机作为初步方案，分别求出其有关参数，并进行比较分析。

3.1 HL240型水轮机 3.1.1 转轮直径D 计算

查《水电站》表3-6可得HL240型水轮机在限制工况下的单位流量

s m S L Q M 3'124.11240==，效率%4.90=M η，由此可初步假定原型水轮机在

该工况下的单位流量m Q Q M 3'1'124.1==，效率 %92=η。

上述的'1Q =1.24m 3/s 、r N =17708KW 、%92=η和Hr=28.5带入 1D =

5

.285.2824.192.081.917708

???=3.22m

选用与之接近而偏大的标称直径1D =3.3m.

3.1.2 转速计算 1

'10D H n n av

=

式中： '

1'10'10n n n M ?+=

由《水电站》表3-6查得在最优工况下的'10M n =72.0，初步假定

1010''m n n =

n=

3

.35

.2872=116.5r/min 上式中： '

1n ——单位转速采用最优单位转速 '1072n = r/min

H ——采用设计水头，Hr =28.5m

1D ——采用选用的标准直径1D =3.3m

采用与其接近的偏大的同步转速n= 125r/min

3.1.3 效率修正值的计算

由水利机械附表1查得HL240 在最优工况下最高效率为max M η＝92.0%模型转轮直径1M D =0.46m 所以原型水轮机的最高效率可采用下式计算，即

5

1

1max max )1(1D D M

M ηη--= =1-（1-0.92）5

3

.346

.0=0.946=94.6％ 则效率修正值为max ηη=?-min η=94.6%-92%=2.6%

，考虑到制造水平的情况，常

1D =

在以求得的?η中再减一个修正值，取ε=1％，ε'=0；

则效率修正值为 εηηη--=?min max -ε'=0.946-0.92-0.01=0.016=1.6% 由此可得原型水轮机在限制工况下的效率为

η=m η+η?=90.4%+1.6%=92%（与上述假定相同）

单位转速的修正值按下式计算:

192

.0946

.01''max max 101-=-=?M M ηηn n =0.014<0.03 由于'

1'10

n n ?＜0.03， 按规定单位转速可不加修正，同时，单位流量Q 也可不

加修正。

由上可见，原假定的%92=η，''11M Q Q = ,''

1010M n n =是正确的，那么上述

计算及选用结果1D =3.3m 和n=125r/min 也是正确的。

3.1.4 工作范围校核

在选定1D =3.3m ，n ＝125r/min 后，水轮机的最大的'1max Q 及各特征水头相对

应的'1n 即可计算出来

水轮机在Hr=28.5、Nr=17708下工作时，其相应的最大单位流量'1Q 即为

'

1max

Q ，故: max 1'Q =r r 11H H D 81.9η?N D r

=5

.285.2892.03.33.381.917708????

=1.19<1.24s

m

3

则水轮机的最大引用流量为

r H D D Q Q 11max max 1'?==1.19?3.325.28?=69.18(m 3/s) 对'1n 值：在设计水头r H =28.5m 时 m in)/(3.775

.283

.3125'11r H nD n r r =?==

在最大水头H max =35.87m 时 max 1'n =

max 1H nD =87

.353

.3125?=68.86(r/min)

在最小水头H min =24.72m 时 min 1'n =

min 1H nD =72

.243

.3125?=83(r/min) 在HL240型水轮机模型综合特性曲线图（图3-1)上分别绘出

max 1'Q =1.19m 3/s ，'

1max n =68.86r/min 和min 1'n =83(r/min) 为常数的直线，

由图可见，由这三根直线所围成的水轮机工作范围（图中阴影部分）基本上包含了该特性曲线的高效率区。所以对于HL240型水轮机方案，所选定的参数1D =3.3m 和转速n=125r/min 是比较满意的，但是还需要和其他方案作前面的比较。

3.1.5 吸出高度Hs 的计算

由水轮机的设计工况参数'1r n ＝77.3r/min ，'

1max Q ＝1190L s ，在图3-1上查得

相应的气蚀系数σ＝0.195，在《水电站》图2－26查得气蚀系数修正值为 σ?＝0.04 由此可得水轮机的吸出高度

10()900s H H σσ?

=-

-+?

＝10-900

24-（0.195+0.04）×28.5＝3.28m>-4m 3.1.6 装置方式：采用立轴安装方式 3.1.7 安装高程的确定 由立轴混流式HL240

2

b H Z s W A +

+?==24+3.28+3.3×0.365/2=27.88m 所以，HL240型水轮机方案的吸出高度满足电站要求H.

3.2 ZZ440型水轮机 3.2.1 转轮直径D 计算 η

r r r

r

H H Q N D '181.9=

式中N r

,H r

均同前.对于'1Q 值,可由附表2查得该型水轮机在限制工况下的

'1Q =1650L/S,同时还查得气蚀系数σ=0.38~0.65但在允许的吸出高为-4m 时,则相

应的装置水轮机的空蚀系数为

[]H H s -?-

=

90010σ-?σ=04.05

.2849002410-+-=0.45 在满足-4m 吸出高度的前提下，'

1Q 值可在ZZ440型水轮机主要综合特性曲

线中可查得选用工况点（'

10115min n r =，

σ=0.45）处的单位流量'1Q 为1205L S 。同时可查得该工况点的模型效率M η=86.2％，并据此可以初步假定水轮机的效率为89.5％。

将以上的'r 1r N Q η 、H 、 、各参数值代入，

=

5

.285.28895.0205.181.917708

???=3.32m

基本符合标准直径,故选用直径1D =3.3m

3.2.2 转速n 计算

水轮机的转速为:

n=1'10D H n av =3

.330

115?=190.87r/min

选用与之接近而偏大的同步转速n=214.3r/min.

3.2.3 效率及单位参数修正

对于轴流转浆式水轮机，必须对其模型综合特性曲线图上的每个转角?的效率进行修正。

1D =

当叶片转角为?时的原型水轮机最大效率可用下式计算,根据表3-7知

10.46M D =、 3.5M H m =，并已知1D =3.3m ，r H =28.5m ，带入上式则得:

max ?η=1-(1-max M ?η)(0.3+0.75

3

.346.010

5

.285

.3)=1-0.683(1-max M ?η) 叶片在不同转角?时的max M ?η可由模型综合特性曲线查得，从而可求出相应的?值的原型水轮机的最高效率max ?η。

当选用效率的制造工艺影响修正值1%ζ=时，即可计算出不同转角?时的效率修正值?η?

%1max max --=?M ???ηηη 其中计算结果如下表(3-1):

）

max M η=89％。由于最优工况接近于0o ?=等转角线，故可采用?η?=2.6%作为其

修正值，-从而可得原型最高效率为：

max ?η=89%+2.6%=91.6％

已知在吸出高度-4m 限制的工况点（'

10

115n =，'

1Q =1205m 3/s ）处的模型效

率为M η=86.2％,而该工况点处于?+=10?和?+=15?两等角线之间，用内插法求得该点的效率修正值为?η?=3.22%，由此可得该工况点的原型水轮机效率为：

η=86.2%+3.22%=89.42％(与上述假定的效率η=89.5％相近。)

max max 1(1)(0.3M ??ηη=--+

由于：'

1'10n n ?=89.0916.0-1=0.0145<0.03

故单位转速可不作修正，同时，单位流量也可不作修正。

由此可见，以上选用m D 3.31=，n=214.3（r/min)是正确的。

3.2.4 工作范围的检验计算

在选定1D =3.3m ，n ＝214.3/min 后，水轮机的'

1max Q 及各特征水头相对应的'

1n 即可计算出来水轮机在Hr 、N 下工作时'1max Q ，其'1Q 即为'

1max Q ，故

'

1max Q =

ηr r H H D D N

1181.9?=5

.285.28894.03.33.381.917708????=1.223m

则水轮机的最大引用流量为

r H D Q Q 21'1max ==1.205?3.325.28?=70.07s m /3

与特征水头max min ,H H ，Hr 相对应的单位转速

在设计水头r H =28.5m r r H nD n 11'=

=5

.283

.33.214?=132.47(r/min) 在最大水头H max =35.87m 时 max 1'n =

max 1H nD 87

.353

.33.214?=118.08(r/min)

在最小水头H min =24.72m 时 min 1'n =

min 1H nD =72

.243

.33.241?=142.24 (r/min) 在ZZ440型水轮机模型综合特性曲线图(图3-2)上分别绘出，'max 1Q =1220 L/s 和'min 1n =118.08r/min, 'max 1n =142.24r/min 的直线，由图可见，由这三根直线所围成的水轮机工作范围（图中阴影部分）基本上包含了该特性曲线的高效率区。所以

对于ZZ440型水轮机方案，所选定的参数m D 3.31=和n=241.3r/min 是合理的。

3.2.5 吸出高度Hs 的计算

由水轮机的设计工况参数'1r n ＝132.47r/min ，'

1max Q ＝1220L s ，由图3-2可

查得其气蚀系数约为σ=0.42，则可求出水轮机的吸出高度为

?

＝10-

900

24

-（0.42+0.04）×28.5＝-3.14m>-4m 所以，ZZ440型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。

3.2.6 装置方式：采用立轴安装方式 3.2.7 安装高程的确定：

立轴轴流式水轮机

1xD H Z s W A ++?==24-3.14+0.41?3.3=22.21m

3.3 两种方案的比较分析

为了便于分析比较,现将上述两种方案的有关参数列表如下:

表3-2 水轮机方案参数对照表

额定出力的情况下,两者比较来看,HL240包含了较多的高效率区,气蚀系数小，安装高程较高等优点,这可以提高水电站的年发电量和减少厂房的开挖量;而ZZ440

型方案的优点仅表现在水轮机的转速高,有利于减小发电机尺寸，降低发电造价，但这种机型的水轮机极其调节系统的造价较高。由此看,若在制造供货方面没有问题时,初步选用HL240型方案较为有利.在技术设计阶段,尚需要计算出个方案的动能指标和经济指标,进一步进行分析比较,以选出合理的方案. 本设计就采用HL240型号的水轮机.

第四节 水轮机运转特性曲线的绘制

4.1 基本资料

转轮的型式 HL240型,主要综合特性曲线图3-6（《水电站》）; 转轮的直径和转速 1D =3.3m,额定转速n=125r/min; 特征水头 max H =35.87m, min H =24.72m, r H =28.5m, 水轮机的额定出力 r N =17708kw

设计尾水位 ▽=24m

安装高程 A Z =27.88m

效率修正值为 εηηη--=?min max =0.946-0.92-0.01=0.016=1.6% 表4-1 HL240型水轮机等效率曲线计算表