水电站水轮机选型设计参考说明书--毕业论文
目录
摘要 (4)
1 前言 (5)
2 橙树河水电站水轮机选型设计 (5)
2.1 选型设计概述 (5)
2.2 选型设计的一般原则 (5)
2.3 选型设计的内容 (6)
2.4 橙树河水电站原始参数 (6)
2.5 水轮机组台数的选择 (6)
2.6 水轮机的选型 (7)
2.7 水轮机的主要参数的计算 (8)
2.8 水轮机运转综合特性曲线的绘制 (19)
3 橙树河水电站金属蜗壳水力设计 (27)
3.1 概述 (27)
3.2 主要参数的选择 (27)
3.3 金属蜗壳水力设计计算 (27)
3.4 蜗壳各断面尺寸计算源程序 (32)
3.5 蜗壳各断面尺寸 (34)
4 橙树河水电站水轮机导水机构运动图的绘制 (35)
4.1导水机构的基本类型 (35)
4.2 径向式导水机构运动图的绘制 (36)
5 橙树河水电站尾水管水力设计 (41)
5.1 概述 (41)
5.2 尾水管的基本类型 (41)
5.3 尾水管水力单线图的绘制 (41)
6 橙树河水电站水轮机结构设计 (42)
6.1 概述 (42)
6.2 水轮机主轴 (42)
6.3 水轮机转轮 (43)
6.4 活动导叶 (44)
6.5 导叶传动机构 (45)
6.6 导水机构的环形部件 (45)
6.7 蜗壳结构 (46)
6.8 基础环结构 (47)
6.9 尾水管结构 (47)
6.10 水导轴承 (48)
6.11 密封装置 (48)
7 橙树河水电站水轮机导叶零件图的绘制 (50)
8 橙树河水电站水轮机导叶强度计算及校核 (50)
8.1 导叶强度计算基本思想 (50)
8.2 导叶强度计算过程 (51)
8.3 导叶材料强度校核 (58)
8.4 水轮机计算源程序 (59)
9 结论 (64)
总结与体会 (65)
谢辞 (65)
参考文献 (66)
摘要
本文系橙树河水电站水轮机选型及结构设计。对于选型设计，首先根据电站提供的原始参数分析并初步选择合理的模型转轮型号。然后通过对不同型号转轮的效率、强度、稳定性和经济性等各方因素进行比较，最终确定模型转轮型号为HL260/D74。最后根据模型转轮的相关资料计算与电站真机相对应的各参数，绘制水轮机运转综合特性曲线及导水机构运动图，设计蜗壳、尾水管水力单线图；对于结构设计，首先根据流道布置过流部件，选择合理的连接方式将各部件连成一个有机整体，然后选择、设计具体零件，并校核其强度，本设计中对导叶的强度进行了校核。
关键词：橙树河水电站；水轮机；选型设计；结构设计
Abstract
This paper refers to turbine type selection design and structure design for Chengshu River Hydropower Station. As to turbine type selection design, firstly, preliminary model runner types were selected through analysing original information offered by the plant .Then to determine the optimum model among the roughly chosen after weighing up the pros and cons of the different schemes in terms of the efficiency, intensity, stability, economic elements etc comprehensively. Here model type: HL260/D74 was of interest. Finally, applying the information related to the model, the correlative parameters of the prototype were calculated, for which the performance combined characteristic curve was plotted, the hydraulic neat lines of the spiral casing and draft tube were designed, and the distributor movement drawing was drawn. As to the structure design, firstly the layout of the water components, namely spiral casing, distributor, runner, and draft tube, was determined, and proper connection style among the components was to make the scheme an effective unity. At last the specific components were chosen among the standard series or redesigned, and their intensities should be checked up. The strength of the vane applied in the structure was checked.
Key words:Chengshu River Hydropower Station; Turbine; Type Selection Design; Structure Design
1 前言
本设计主要根据提供的水电站基本参数完成橙树河水电站水轮机选型及结构设计，以此锻炼综合运用专业知识与技能，发现、分析、解决问题的独立工作能力,初步进行科学研究及获取新知识的能力。水轮机选型设计是水电站设计中一项重要任务。这个问题解决得正确与否对水电站的投资、建设速度、发电量及电站的经济效益都有很大的影响。目前选型设计采用的方法有两种，一种是根据比转速进行选型计算，这种方法对技术要求较高，许多问题不易掌握；另一种则是本设计中所采用的根据型谱计算选择，这种方法是运用较多的一种。但在实际中也存在一些问题，如由于目前国内各厂家新开发和新引进的转轮很多，而型谱资料没有办法同步更新，这就会出现资料不够全面的问题。型谱计算选择主要是通过修正或其它一些方法将型谱中模型机的相关参数换算到真机上,从而得到真机参数。最后对所得到的设计结果进行分析，判断选型设计是否成功。
2 橙树河水电站水轮机选型设计
2.1 选型设计概述
在水电站的设计中，正确、合理地选择水轮机，对于充分利用水流能量，保证水电机组的安全运行、降低电站造价以及节省运行管理费用等有着直接的影响。根据电站的特定条件，选择技术上合理、经济上能获得最大效益的水轮机机型，成为水轮机选型设计的主要任务。水轮机选型还与制造、运输、安装、电站开发方式及电站在电力系统中承担的任务有关。对于大型水电站，为了获得优良的运行性能，通常根据特定的电站条件设计新型参数的水轮机，这是因为其装机容量大，新转轮带来的经济增值效益往往要比设计、制造新转轮附加成本要高很多，所以这样是十分有益的；对于中小型则采用通用机型，便于解决设备供应和工程投资问题，以提高电站的建设速度，提高效益。
2.2 选型设计的一般原则
1）所选机组的技术性应能适合电站的水力条件，在设计水头下能发出额定出力，平均效率较高；
2）所选水轮机运行稳定可靠，有良好的抗气蚀性能；
3）所选水轮机有较高的比转速，使机组尺寸小、转速高、造价低；
4）机组台数和单机容量合适，适应水电站枯水流量要求和上下游电站的配合；
5）机组制造、供货落实，满足运输条件要求，结构先进；
6）一个电站通常应选择同规格的机组，以利备品备件的通用，便于运行、维护和管理。
2.3 选型设计的内容
(1)根据水能资料，合理选择水轮机的台数；
(2)选择水轮机型号及装置方式；
(3)计算水轮机的标称直径及同步转速；
(4)计算水轮机最大吸出高度和安装高程；
(5)绘制水轮机运转综合特性曲线；
(6)确定蜗壳、尾水管的型号及主要尺寸。
2.4 橙树河水电站原始参数
设计水头m H r 5.54= 最小水头m H 17.45min =
最大水头m H 12.68max = 加权平均水头m H pj 37.57=
电站高程m 436=? 电站装机容量KW N pl 16000=
电站引用流量s m Q pl /363=
电站系径流式，距离负荷中心较远，在系统中主要承担基荷。
2.5 水轮机组台数的选择
水轮机装机容量确定后，可以装置不同的机组台数。机组台数不同，转轮直径和转速也就不同，甚至可以导致水轮机型号也不相同，从而使电站的投资、运行效率、运行条件、产品供货等各不相同。因此，机组台数的选择是一个技术经济比较问题。选择机组台数，有技术经济论证和数值计算两种途径，本文主要采用技术经济论证的方法选择机组台数。
用技术经济论证选择机组台数，一般应从以下因素进行考虑：
(1)台数与投资关系
台数越多投资成本越高。
(2)台数对运行效率的影响
机组台数少，单机效率高，但当负荷变化时调节性能差；台数多一些，可以改变开机方式，调整机组负荷，避开低效率区运行。
(3)台数与运行维护的关系
台数多，运行方式灵活机动，事故停机影响小，单机检修易于安排， 但对全
厂检修麻烦，同时开停机频繁。
(4)台数与其他因素的关系
机组台数的选择，涉及因素较多，应进行综合考虑。一般来说，台数不宜过多，对中小型电站为2~4台，大型水电站一般为4~8台。
综合考虑橙树河电站的上述各方面因素最终确定橙树河电站机组台数为两台。
2.6 水轮机的选型
水轮机的型式和型号的选择，是在已给定单机容量及各特征水头的条件下进行的。所给出的特征水头，将反映水轮机投入运行后的水头范围，以及这些水头出现的频率。水轮机的型谱，反映了某个相同水头段内类型上的重叠应用区，有的是混流式与水斗式的重叠区，有的是混流式与轴流式的重叠区。同类型而不同型号的水轮机，也有水头段的重叠区。
(1)重叠区内不同型式水轮机的比较
根据本次设计电站各水头特征可以初步确定机型为HL,ZL 或XL 。各类水轮机的结构特点可归纳如下：
1）当水电站的水头和功率变化幅度较小时，通常选用轴流转桨水轮机。这种水轮机具有双重调节机构，其效率变化较小，平均效率较高。
2）当水电站开挖不受限制时，采用轴流转桨式较好。这种水轮机虽然气蚀系数较大，但可以通过降低s H 来改善水轮机的气蚀性能，其比转速较高，有利于缩小机组和厂房尺寸。
3）当尾水管较长时，通常选用混流式水轮机而不选用轴流式水轮机。因为轴流式水轮机在甩负荷时，易产生抬机现象。
4）当推力轴承受限制时，通常采用混流式而不采用轴流式。因为轴流式水轮机的水推力系数较大，即轴向水推力大，因此机组的轴向负荷加大。
在橙树河电站水头的变幅为：%7.33%100)/(max =??H H ，变幅较大，另外综合考虑电站投资及其他各方面因素，最终确定橙树河水电站选用混流式水轮机。
(2)重叠区内相同型式不同型号水轮机的比较
由m H r 5.54=，查[1]P2可以选取转轮型号为：HL260/A244及HL260/D74。 对于HL260/A244型号转轮，推荐的使用水头范围为35～60m 。但橙树河电站的最大水头为68.12m ，超出推荐最大水头8.12m 。无论从结构和材料上都很难弥补超出的水头对水轮机强度的影响，因此在这里舍弃HL260/A244方案。
对于HL260/D74型号转轮，推荐的使用水头范围为50～80m ，能够满足橙树河电站水头要求。
(3)水轮机型号的选择
综合上面的考虑，最终确定橙树河电站的水轮机机型为：HL260/D74。
2.7 水轮机主要参数的计算
水轮机主要参数的计算指转轮直径1D ，额定转速n 及吸出高度s H 等的计算。这些参数的计算是以真机与模型机满足相似条件为前提的，利用相似理论将模型机的参数换算、修正得到真机的参数。
2.7.1 初选设计工况点
在设计时可视电站加权平均水头所对应的单位转速11n 就等于模型机的最优单位转速m o n ,11。则有 pj
m o H D n n 1
,11= 故 1,11D H n n pj
m
o = （2.1） 而在设计水头r H 下 111D H n n r r = 1111,11D H n D H n r
r
pj m o = 故 r pj
m o r H H n n ,1111= （2.2）
式中：r n 11—设计水头下的单位转速，m in r ；
m o n ,11—模型转轮的最优单位转速，m in r ；
pj H —加权平均水头，m ；
r H —设计水头，m 。
由原始参数知m H pj 37.57=，m Hr 5.54=，查[1]P2得，min 79,11r n m o =，故
min 05.815
.5437.5779,11011r H H n n r pj m r === 在模型转轮综合特性曲线上作m in 05.8111r n r =水平线交功率限制线于点A ,即为初选设计工况点。查[1]P19HL260/D74模型转轮综合特性曲线得到A 点的单位流量m Q r 311237.1=，即初选设计工况点为)05.81,237.1(),(1111=r r n Q
2.7.2 转轮直径的确定
水轮机轴功率公式为：
F F
N N η= (2.3)
式中：F N —发电机额定功率，KW 8000 ；
F η—发电机效率，对于中小型发电机取94.0~92.0，本设计中取94.0。计
算得 KW N 64.8510=
水轮机效率 %)3~2(+=mA ηη （2.4） 式中：mA η—初选设计工况点的效率，查[1]P19HL260/D74模型转轮综合特性曲线得到%90=mA η。此设计中取η为92％。
转轮直径的计算公式 η2311181.9r r H Q N
D = （2.5）
式中：N —水轮机的轴功率， KW 64.8510；
1D —转轮直径，m ；
r Q 11—初选设计工况点的单位流量，s m 3237.1；
r H —设计水头，m 5.54；
η－水轮机效率，92％。
计算得到 m D 33.11=
查[2]P15由表 1.3转轮公称直径1D 尺寸系列对转轮直径进行圆整，最终取m D 4.11=。
2.7.3 额定转速n 的确定
计算转速时，一般希望加权平均水头pj H 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。
将已确定的直径1D 代入式（2.1）计算得in m r n 4.427=。查[2]P15表1.4对转速进行圆整。由in m r n 4.427=处于标准转速428.6与375之间。
若取in m r n 6.428=则有 最小单位转速min 70.7212.684.16.428max
1
min 11r H nD n =?== 最大单位转速min 28.8917.454.16.428min 1
max 11r H nD n =?== 同理若取m r n 375=则有 最小单位转速min 61.6312.684.1375max
1
min 11r H nD n =?== 最大单位转速min 11.7817.454.1375min 1
11r H nD n mzx =?==
两标准转速下水轮机的运行范围如图2.1所示。 从此图中不难发现当标准转速in m r n 6.428=时，转轮的运行范围要优于标准转速in m r n 375=时的运行范围，故综合考虑后取标准转速in m r n 6.428=。
2.7.4 效率及单位参数的确定
2.7.4.1 效率换算及其修正
图2.1 设计水头下水轮机在不同转速下的工作范围示意图
对于混流式水轮机，按Moody 公式换算。即 1
1max,max )
1(1D D m m ηη--= （2.6） 式中：m ax η—真机最优效率； m m ax,η—模型机最优效率，由[1]P2查得927.0；
m D 1—模型机转轮直径，由[1]P2查得m 35.0；
1D —真机转轮直径，m 4.1。
计算得到945.0max =η
因此，真机与模型机因直径及水头不同而导致效率不同的修正值为：
m max,max 1ηηη-=? （2.7） 计算得 018.0927.0945.01=-=?η
本设计中真机与模型机的过流部件型式相同，那么因过流部件型式不同而引起的效率不同的修正值02=?η。
此外还存在因机械加工工艺质量而引起的效率修正值3η?。由[2]P19取
01.03-=?η
最后得到真机的效率修正值为：
008.0)01.0(0018.0321=-++=?-?+?=?ηηηη （2.8）
那么真机的最优效率为：
ηηη?+=m （2.9） 式中：m η—模型机最优效率，0.927；
η?—真机效率修正值，0.008。
计算得到935.0008.0927.0=+=?+=ηηηm
2.7.4.2 单位参数的修正 )1(,11,111111-=-=?m
m m n n n n ηη （2.10） )1(
,11,111111-=-=?m m m Q Q Q Q ηη （2.11） 上述修正值可在最优工况点进行选取。
上二式中：m n ,11—模型机最优单位转速，m in 79r ；
m Q ,11—模型机最优单位流量，查[1]P2得m 308.1；
η—真机最优效率，0.935；
m η—模型机最优效率，0.927。
计算得到 m in 34.011r n =?；s m Q 311016.0=? 由于%3%5.1%1007934.0,1111<=?=?m n n ；%3%5.1%10008
.1016.0,1111<=?=?m Q Q ， 故可忽略单位转速及单位流量的修正。
2.7.5 核对所选择的1D 及n
2.7.5.1 水轮机真实工况点
设计水头下水轮机的单位转速为： r r H nD n 1
11= （2.12）
式中：n —水轮机额定转速，m in 8.345r ；
1D —转轮直径，m 4.1；
r H —设计水头，m 5.54。
计算得：
r n 11＝m in 28.81r
将真机的单位转速反修正到模型机上，即 min 28.811111,11r n n n r rm =?-= 在模型综合特性曲线上作m in 28.8111r n =水平线，其与等效率曲线有若干交点。从功率限制线右边第一个交点向左取若干点并记入表2.1。 ηηK D H N
Q r r ==21231181.9 （2.13）
式中：N —水轮机的轴功率， KW 64.8510；
表2.1 设计水头下真机的单位流量与其对应的效率
(%)m η
89 90 91 92 92 91 90 89 (%)
ηηη?+=m 89.8 90.8 91.8 92.8 92.8 91.8 90.8 89.8 )(3s m Q Q = 0.963 0.994 1.026 1.063 1.154 1.202 1.237 1.267
1D —转轮直径，m 4.1；
r H —设计水头，m 5.54。
计算得到:
1.1=K
以表2.1中的单位流量11Q 为横坐标，效率η为纵坐标，绘制曲线)(11Q f =η，如图2.2所示。
由公式（2.13）知真实工况点一定在设计水头下)(11Q f =η关系曲线上，通过逐次逼近法（要求误差小于%1.0）找出其坐标。具体做法如下：
第一次逼近：
取918.01=η，由式 1.13得到s m K Q 3111198.1918.01.1)1(==
=η，由图 2.2查得s m Q 311198.1=时对应的919.02=η，计算得到： m K
Q 3111197.1919
.01.1)2(===η η/%Q 11/(m /393.092.592.091.591.090.590.089.50.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 图2.2 设计水头下效率与单位流量的关系曲线
比较
%1.0%08.0%100198
.1197.1198.1)1()2()1(111111<=?-=-Q Q Q 满足要求，故真实工况点，其在综合特性曲线上的位置如图2.3所示。
2.7.5.2 核对1D 及n
图2.1及图2.3可以说明所选择的参数m in 6.428,4.11r n m D ==是合理的。
2.7.6 确定水轮机导叶的最大可能开度k 0α 由于在本设计中31.435
.016.175.1;435.04.11000011=?====m
m m m D D D D D D D —（其中查[4]P133得m D 75.10=及查[1]P2得到—m D 0），真机与模型机的几何形状并不相似，
不能直接用相似换算。在此用真机与模型机的出流角相等来求导叶的最大开度。具体的求解方法见水轮机导水运动图的绘制。
真实工况点
图2.3 真实工况点在HL260/D74模型转轮综合特性曲线上的位置示意图
2.7.7 水轮机的设计流量r Q
设计流量的计算式为：r
r H N Q η81.9= （2.14） 式中:N —水轮机轴功率，KW 64.8510；
η—真实工况点的真机效率，0.918；
r H —设计水头，m 5.54。
计算得到s m Q r 334.17=。电站装机2台，总的设计流量为pl r Q m Q <=368.342满足要求。
2.7.8 水轮机的允许吸出高度s H
水轮机在不同的工况下的空蚀系数是不同的。应根据不同的水头下的轴功率N ，即根据相应的11n 和11Q 值，从综合特性曲线上查找出相应的空蚀参数σ，并按下式计算允许吸出高度值。 H k H s σσ-?-=900
10 （2.15） 或 H H s )(900
10σσ?+-?-= （2.16） 式中：?—水电站水轮机安装高度，m 436；
σ—各对应水头下的工况点的空蚀系数；
σ?—空蚀系数的修正值；
σk —空蚀安全系数。
本设计中分别计算出了设计水头和最大水头下的允许吸出高度s H 。
2.7.8.1 设计水头m H r 5.54=下所对应s H
在设计水头下查 [3]P157得到20.1~15.1=σK ，本设计中取15.1=σK 及查
[1]P19综合特性曲线得真实工况点对应的空蚀系数135.0=σ。计算得到 m H k H r s 05.15.54135.015.1900
43610900101=??--=-?-=σσ 2.7.8.2 最大水头m H 12.68max =下对应的吸出高度
与设计水头相似，通过确定最大水头下的真实工况点来计算允许吸出高度。
1) 确定最大水头下的真实工况点
最大水头对应的单位转速为：
表2.2 最大水头下真机的单位流量与其对应的效率 (%)m η 91 92 92 91 90 89 88 87 (%)ηηη?+=m 91.8 92.8 92.8 91.8 90.8 89.8 88.8 87.8 )(31111s m Q Q m = 1.117 1.046 1.01 0.963 0.916 0.875 0.84 0.805 max 1
11H nD n = （2.17）
式中：n —水轮机额定转速，m in 6.428r ；
1D —转轮直径，m 4.1；
max H —最大水头，m 12.68。
计算得：
11n ＝m in 7.72r
将真机的单位转速反修正到模型机上，即
m in 7.72111111r n n n m =?-=
作m in 7.7211r n =的水平线在模型转轮综合特性曲线上，与等效率线有交点，将各交点的坐标记录在表2.2中。
由公式：
ηηK
D H N
Q ==212
3max 1181.9 （2.18）
式中：N —水轮机的轴功率， KW 64.8510；
1D —转轮直径，m 4.1；
max H —最大水头，m 12.68。
计算得到:
7873.0=K
以表2.2中的单位11Q 数据为横坐标，效率η为纵坐标，绘制曲线)(11Q f =η如图2.4示。
与设计水头下的逐次逼近相似，最终得到最大水头下的真实工况点为：)8982.0,8758.0(),(11=ηQ 。
2) 最大水头下对应的允许吸出高度