混流式水轮机设计
水轮机课程设计(完整版)
课程设计说明书设计题目：水轮机选型学生姓名：学号：班级：完成日期：指导教师（签字）：44一、课程设计的目的和任务1、目的：通过水轮机的课程设计，将各种水轮机的性能参数整理并绘制成不同形式的曲线，它是与水轮机课程教学相辅助的一个理论学习的环节，也是课程教学中一个必不可少的环节。
通过水轮机课本章节的相关理论知识的学习后，再通过课程设计的环节以达到巩固和加强理论知识的目的，进一步培养学生独立思考、严谨工作的能力；此外，通过课程设计更进一步掌握造型、设计、参数等程序内容，提高了学生查阅资料和动手实践的能力。
2、课程设计的任务：通过所给的原始资料，根据要求明确水轮机的基本工作参数（包括水头H、流量Q、转速n、效率 、出力P、吸出高度H S、转轮直径D、水轮机型号、机组台数、装置方式等），整理并绘制成不同形式的曲线，即获得水轮机的特性曲线图。
二、电站基本参数（1）电站总装机容量： 900 MW（2）电站装机台数： 6台（3）电机容量： 150 MW（4）下游尾水位：▽80m（5）水轮机工作水头：最大工作水头(Hmax)： 81.5m最小工作水头(Hmin)： 45.5m设计工作水头(Hd)： 63.5m加全平均工作水头(Hw)： 57.8m(6) 机组运行特点：调峰（7）电站水质良好三、水轮机的简介水轮机是一种将河流中蕴藏的水能转换成旋转机械能的原动机，当水流流过水轮机时，通过主轴带动发电机，将旋转机械能转换成电能。
与发电机连接成的整体称为水轮发电机组，它是水电站的主要设备部分。
水电站是借助水工建筑物和机电设备将水能转换成为电能的企业，在未来，水能资源的开发和利用将成为资源开发利用的主导能源，所以，水轮机的设计开发对我国水能资源的开发起到很大的推进作用。
水轮机大致分为两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机；反击式水轮机：转轮利用水流的压力能和动能做工的水轮机称为反击式水轮机。
其特征是：压力水流充满水轮机的整个流道，水流流经转轮叶片时，受叶片的作用面改变压力、流速的大小和方向，同时水流在转轮叶片正反面产生压力差，对转轮产生反作用力，形成旋转力矩使转轮旋转。
混流式水轮机全流道模型CFD分析与研究
2018年2月机电技术混流式水轮机全流道模型CFD分析与研究*张慧珍（四川水利职业技术学院电力工程系，四川成都611231）摘要：为了在设计水轮机时，能够判断机组的内部流场分布规律，校核设计方案的合理性，以某小型混流式水轮机为设计案例，采用相似性原则完成了机组的结构设计和全流道流场模型的建立，并通过CFD分析得到了机组额定工况下的速度压力分布规律。
良好的水力特性结果表明，该机组的设计方案比较合理，性能达到了预期的目的；也说明采用CFD 技术对于水轮机的设计而言，是一种行之有效的方法。
关键词：混流式水轮机；全流道模型；CFD分析；相似性原则中图分类号：TV734.1；TP391.9文献标识码：A文章编号：1672-4801（2018）01-014-02DOI:10.19508/ki.1672-4801.2018.01.005小型混流式水轮机在设计中，其内部流场的水力特性，直接影响机组的效率、汽蚀以及发电稳定性[1]。
因此，如何确保混流式水轮机的内部水流顺畅，是设计中必须考虑的关键问题。
从目前的研究现状来看，验证机组流态特性最有效的方式是在机组投入生产前，先制作一个小型的模型机组，并在试验台开展模型试验[2]。
然而，该方法却存在着一个问题，即试验的费用较为昂贵，尤其是涉及到PIV试验，成本会进一步增加。
对于小型混流式水轮机而言，从经济性方面来考虑，模型试验并不适用。
对混流式水轮机全流道进行CFD分析，是一种行之有效的方法：通过计算机仿真，可以提前判断机组的流态特性，并根据结果作进一步的优化和改进，以达到确保机组性能的目标。
由于该方法成本较低，所以在小型混流式水轮机的设计中，适用性较为广泛。
鉴于此，本文在对于某小型混流式水轮机的设计中，对其全流道进行CFD分析，判断其水力特性等参数，从而达到验证设计合理性的目的。
1水轮机的设计及流道模型的构建本文对某电站的小型混流式水轮机进行设计和流态性能预测。
在设计中，先选择与该电站条件相似的电站机组作为参考。
小型混流式水轮机转轮优化设计及数值模拟
小型混流式水轮机转轮优化设计及数值模拟张洪渠，余波，陈柱(西华大学能源与环境学院，四川I成都610039)摘要：针对某小型混流式水轮发机电组长期受到转轮流道堵塞、出力受阻闻题，提出在基本不改变水轮机原性能参数的条件下．以加大叶片开121为优化目标的转轮流道优化方案，并对优化后的水轮机转轮流道进行数值模拟。
数值模拟及现场运行表明了该转轮优化设计方案的正确性。
关键词：水轮机；转轮；优化设计；数值模拟；水电站O pt i m i z at i on D瞄i和and N um eri cal Si m ul a t i on of Sm a l l Fra nci s T ur bi ne R unn erZ hang H on gqu，Y u B o，C he n Z h u(School of E n er g y a nd E nvi ronm e nt，X i hua U ni ve r s i t y，Che ngdu Si chuan610039)A bs t r a ct：The r u nne r of Fr an ci s t ur bi ne i n a sm al l hydropew er s t at i on i s of t e n bl oc ke d by debr i s．For sol vi ng t he pr obl em，t he r u nne r i s r e des i gne d t o i ncr ease bl a de op e ni ng under t he con di t i on of n o c h a ng e t he basi c per f or m ance and pa r am et er s of t u r bi ne．T h e r u nne r opt i m i zat i on i s als o nu m er i ca l l ysi m ul at ed．T he si m ul at i on a nd f ield oper at i on s ho w s t hat t he r u nne r r e desi g n i sr eas onable．K e y W ords：t ur bi ne；runne r,opt i m a l des i gn；num er i c al si m ul at i on；hydr opow e r s t at i on中图分类号：TK730．2文献标识码：A文章编号：0559-9342(2010)08-0065-03四川I某水电站安装有3台单机容量为1600kW 的卧式混流式水轮发电机组，电站额定水头91．4m，水轮机型号为H L l60娟U--60，单机额定流量2．3m3／s。
混流式水轮机的设计共44页文档
一.水轮机选型计算
1. 确定转轮型号； 2. 确定计算单位流量和计算单位
转速； 3. 计算转轮标称直径； 4. 额定转速和飞逸转速的确定； 5. 允许吸出高度的计算。
1. 确定转轮型号
根据给定的设计水头及水头变 化范围，利用水轮机的使用 综合图表、系列适用范围图 表或型谱特性参数表来确定 转轮型号
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
混流式水轮机设计
一． 水轮机选型计算； 二． 水轮机模型水力设计； 三． 水轮机结构设计。
nf
n11f
Hm ax D1
5. 允许吸出高度的计算
水轮机在不同工况下的空蚀系数是 不同的。因而为防止翼型空蚀的 发生，所允许的吸出高度也应该 是不同的。一般其值按下式计算
H S1 090K 0M H
二．模型水力设计 u 0
1. 模型转轮直径及设计水头的确定； 2. 轴面流道的绘制及过水断面面积的检查； 3. 轴面流线的绘制及轴面流速的计算； 4. 叶型骨线（轴面截线）的计算和加厚； 5. 转轮木模图的绘制及表面光滑性检查； 6. 转轮叶片的真实厚度及叶片开口。
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
水轮机选型设计
第一章 水轮发机主要参数设计第1节 水轮机台数及型号选择一.已知参数1．水库正常蓄水位：1684米；最低水位1678米；最高水位1686米； 2．尾水位最高尾水位1520米；正常尾水位1509米 ； 3．水头最大水头：174米；加权平均水头；167米；最小水头147米；二.水轮机型式的选择1.按我国水轮机型谱推荐的设计水头与比转速的关系()kW m Hr N s ·8.1382065.1582000202000=-=-=2.水轮机型式的选择水轮机类型及其适用水头范围、比转速范围见表1—1[1]表1—1 水轮机类型及其适用范围根据已知参数，本电站水轮机运行水头范围为：147m —174m ，比转速为：138.8（m·kW ）。
根据表1—1所列参数决定选用混流式水轮机。
三.电站装置方式的确定水轮机装置方式是指水轮机轴的装置方向和机组的连接方式。
水轮机轴的装置分为立式和卧式两种。
立式装置方式安装、拆卸方便，轴与轴承受力情况良好，发电机安装位置较高，不易受潮，管理维护方便，但是开挖量较大。
卧式装置方式不会产生很大的集中荷重，厂房的高度较低，但轴与轴承受力情况不好。
为了缩小厂房面积，高水头大中型电站一般采用立轴布置方式。
该电站最大水头为174m ，故采用立式布置方式。
机组连接方式采用直接连接。
四.初选水轮机转轮型号根据本电站水头变化范围H=147m —174m 选择合适的水轮机转轮：A378、A194、D10、D126和D46,其参数见表1—2[7]。
表1—2 初选水轮机转轮参数表五.拟定机组台数并确定单机容量总装机容量N =65MW ，保证出力：N b =30MW ，年利用小时数：4560h ，取同步发电机效率ηg =97％；通过试算HLA194、HLD46出力不满足要求，最终确定选用HLA378、HLD10和HLD126三个方案。
方案列表如下：表1—3 水轮机组选型及台数汇总表第2节 各方案参数的计算一.HLA378各参数的计算1.计算转轮直径水轮机额定出力为：()kW 3350597.032500===ggr N P η 取最优单位转速n 110=69（r/min ）与出力限制线交点的单位流量为设计工况点的单位流量Q 110=0.72(m 3/s)，对应的模型效率ηm =0.888，暂取效率修正值Δη=2％,则设计工况下原型机效率η=ηm +Δη=0.888+0.02=0.908。
水轮机原理及构造
水轮机原理及构造1、概述混流式水轮机工作原理：水流经压力钢管在开启蝶阀后进入蜗壳形成封闭的环流〔形成环流是为了使水流作用转轮时，使转轮各方向受力均匀，到达机组稳定运行的目的〕，在导叶开启后，水流径向进入转轮又轴向流出转轮〔所以称之为混流式水轮机〕，在这个过程中由水流和水轮机的相互作用，水流能量传给水轮机，水轮机开始旋转作功。
水轮机带动直流励磁的同步发电机转子旋转后，根据电磁感应原理〔问题〕，在三相定子绕阻中便感应出交流电势，带上外负荷后便输出电流。
注：电磁感应闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就产生感应电流，这种现象叫做电磁感应，产生的电流叫做感应电流。
①产生感应电流的必要条件是：a、电路要闭合；b、闭合电路中一部分导体做切割磁感线运动，缺一不可；假设是闭合电路的一部分导体，但不做切割磁感线运动则无感应电流，假设导体做切割磁感线运动但电路不闭合，导体上仍无感应电流则导体两端有感应电压。
②感应电流的方向跟磁场方向和导体切割磁感线运动方向有关三者互相垂直，改变磁场方向或改变导体切割磁感线方向都会改变感应电流的方向。
③在电磁感应现象中机械能转化为电能。
应用：发电机是根据电磁感应原理制成的，它使人们大规模获得电能成为现实。
①交流发电机主要由转子和定子两部分组成，另外还有滑环、电刷等。
②交流电的周期与频率周期和频率是用来表示交流电特点的两个物理量，周期是指交流发电机中线圈转动一周所用的时间，所以单位是“秒”；频率是指每秒钟内线圈转动的周数，它的单位是“赫”。
我国使用的交流电周期为0.02秒，频率是50赫，其意义是发电机线圈转一周用时0.02秒，即1秒内线圈转50周，因为线圈每转一周电流方向改变两次，所以，频率为50赫的交流电在1秒钟内方向改变100次。
2、水轮机的主要类型：水轮机基本类型有：还击式冲击式还击式：混流式〔HL〕、东风：HLA722C-LJ-192HL混流式水轮机设计序号为A722C为L立轴J金属蜗壳192转轮直径为192cm轴流式〔ZL〕：轴流转桨式〔ZZ〕轴流定桨式〔ZD〕、斜流式〔XL〕、贯流式〔GL〕：贯流转桨式〔GZ〕贯流定桨式〔GD〕特点：将位能〔势能〕、动能转换为压能，进行工作；转轮完全淹没在密闭的水体中。
Andritz公司瀑布沟混流式水轮机设计简介
关键 词 瀑 布 沟水 电站 混 流 式水轮 机
水 力设 计
机 械 设计
１ 引 言
瀑布 沟水 电站 采用 地下 厂房 ， 厂房 长 ２ ９ ４ ． １ ｍ， 宽３ ０ ． ７ ｍ， 安装 ６台机组 ， 每 台机 组都 单独 连接 有
水头 范 围（ ｍ）
ｌ ｌ ４． ３～ ｌ ８１ ． ７
美 国著 名经 济学 家、 趋势 学家在 “ 第三 次工 业革命 与 中 国 ・ 北 京论坛 ”上断 言 ： “ 随着 中 国企业 在新
能源应 用领 域 的不断 突破 ， 中 国极有 可 能成 为亚洲 的龙 头 ， 并 带领亚 洲及 世界进 入 下一个 伟大 的经 济 时 代， 从而 引领 第三 次 工业革 命” 。
峰荷 电源 。 三 台水轮 机最 初 的设 计 、 模 型试 验 、 供 货及 安
装 监管 合 同是 ２ ０ ０ ４ 年 ＧＥＨｙ ｄ ｒ ｏ 公 司获得 的 ， ２ ０ ０ ８
年 Ａｎ ｄ ｒ ｉ ｔ ｚ Ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ 公 司兼 并 了 Ｇ ＥＨ ｙ ｄ ｒ ｏ 公司， 并 获
得 了其 所有 的资产 、 知 识产权 及 专有 技术 ， 于是 该
合 同便 转 移至 Ａｎ ｄ ｒ ｉ ｔ ｚ公司 。
该 项 目由位 于 杭州 的 安德里 兹 技术 （ 中 国） 公 司负责 管理 ， 由位 于加 拿大蒙特 利尔 的 Ａｎ ｄ ｒ ｉ ｔ ｚ Ｈｙ —
ｄ ｒ ｏ Ｃ ａ ｎ ａ ｄ ａ 负 责 设计 。 Ａ ｎ ｄ ｒ ｉ ｔ ｚ公 司 的 ３台 水轮 机 的 最后 一 台 已在
控制 系统 ， 而不 采用 螺杆 和链 条 的机械 同步方 式 。
在工地 调整后 ， 证 明筒形 阀完 全能胜任 且安全
混流式水泵水轮机转轮全三维逆向设计方法研究
[
[
[
[
]
]
(15)
]
]
(16)
非叶片区(15)、(16) = ∫ Bπ ϕ Γ ( r ,θ , z ) cos( KBθ ) dθ π −B
π
s ϕΓ K (r , z ) =
B π B ϕ ( r ,θ , z ) sin( KBθ ) dθ π Γ π ∫− B ~ c ∇ 2ϕ qK = 2 q cos( KBf ) ~2 s ∇ ϕ qK = 2q sin( KBf )
(19)
rV θ V θbc = 2 + −ω r r
其中， V r 、 V θ 、 V z 为平均速度分量， Vrbc Vθbc V zbc 为相对流速的周期性分量。 1.2 数值方法 将上述方程及其边界条件从转轮流道轴面投影的物理座标上转换到贴体座标上进行求解。计算 步骤如下：
170
~ ~ ~
1）给定初始叶片及设计参数； 2）根据(8)～(12)式及相应的边界条件求出平均流动； 3）按(15)～(18)及其边界条件求出周期性脉动流动； 4）按 2） 、3）两步计算得到流动相加可得总的三维流动，根据给定的环量分布由叶片方程(19)得 新的叶片； 5）前后两次叶片对应各点之包角差达到一定精度，则得到给定环量分布的叶片，否则返回到 2)； 6）根据速度场计算压力场。
(17) (18)
与(13)式类似(14)式可写成：
c s c s 其中 ϕ qK 、 ϕ qK 与ϕΓ K 、 ϕ ΓK 类似。
对非叶片区(17)、(18)式右端项为 0。 1.1.4 叶片方程 根据叶片表面相对流速与叶片表面相切及相对流速的展开式可得叶片方程为：
(V r + Vrbc )
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A
3. 轴面流线的绘制及轴面流速 的计算
轴面流线的绘制 可先近似绘制中间流线，方法如下
而后进行修正
修正可列表进行
lm
r b l m
b r l m pj b r l m n
i r b
1
b b r l r l m i m pj b r l m pj
2. 确定计算单位流量和计算单 位转速
根据选定转轮的综合特性曲线确 定最优单位流量和最优单位转速， 一般120水头段
n110 (0.93 1.08)n11 j Q110 (0.69 0.91)n11 j
200水头段 n110 1.07 n11 j
Q110 1.04 n11 j
2
3
4
轴面流速的计算
Vm
由公式
l m Q b 2 r l m
绘制轴面流速沿各流线的分布曲线
4. 叶型骨线的计算和加厚
叶型骨线的计算
计算叶片包角
由骨线积分方程
r 2 Vu r Lmi r V r m i
连接各等角度截线，即得各轴面截线， 如下图
叶型骨线的加厚
计算最大厚度
max k D1
H max 2(mm ) Z
x
y
选取厚度变化规律
l
0 2.5 41 5.0 59 10 79 20 95 30 100 40 99 50 95 60 87 70 74 80 56 90 35 100
混流式水轮机设计
水轮机选型计算； 二． 水轮机模型水力设计； 三轮机选型计算
1.
2.
3. 4. 5.
确定转轮型号； 确定计算单位流量和计算单位 转速； 计算转轮标称直径； 额定转速和飞逸转速的确定； 允许吸出高度的计算。
1. 确定转轮型号
根据给定的设计水头及水头变 化范围，利用水轮机的使用 综合图表、系列适用范围图 表或型谱特性参数表来确定 转轮型号
一般包角在30～400之间，计算也可列表进行。
r 2 Vu r V r r Lmi m i
i
1 2
lm i
r 2 Vu r i V r r Lmi m i
3
绘制叶片包角沿流线的变化规律，并 反推等角度轴面截线
模型直径及设计水头应由实验台 参数确定，目前实验台的转轮标 称直径有250，350，460。但 为了计算方便，可取为1m；水 头可取为1m，4m，9m…
2. 轴面流道的绘制及过水断面 面积的检查
轴面流道的绘制:可根据所选择的 转轮型号的流道单线图绘制
过水断面面积通常采取做内切圆的 方法近似计算
max 0
可按圆锥面或圆柱面进行加厚
反推出轴面的背面截线
5. 转轮木模图的绘制及表面光 滑性检查
木模图的绘制
表面光滑性检查
水平面组； 和叶片出口边平行的面组； 圆柱面。
6. 转轮叶片的真实厚度及叶片 开口
真实厚度的求法； 相邻叶片开口的求法。
三．水轮机结构设计
二．模型水力设计
1. 2. 3. 4. 5. 6.
u
0
模型转轮直径及设计水头的确定； 轴面流道的绘制及过水断面面积的检查； 轴面流线的绘制及轴面流速的计算； 叶型骨线（轴面截线）的计算和加厚； 转轮木模图的绘制及表面光滑性检查； 转轮叶片的真实厚度及叶片开口。
1. 模型直径及设计水头的确 定
1. 2. 3. 4.
转动部件； 埋入部件； 导水部件； 轴承和密封。
1. 转动部件
机组布置方式； 转轮； 主轴。
2. 埋入部件
蜗壳； 座环； 尾水管和机坑里衬。
3. 导水部件
导叶； 导叶传动机构； 控制环和接力器； 顶盖和底环。
4. 轴承和密封
水导轴承； 主轴密封。
3. 计算转轮标称直径
由公式 D 1
N 9.81Q11 j H j 2
3
若计算出的直径不为标准直径系列 值，对于中小型机组应选取比计算 值稍大一级的标称直径；对于大中 型机组最好圆整到整数值。
4. 额定转速和飞逸转速
由公式 ne n11 j H j
D1
计算出转速，并和发电机同步转 速比较，取最接近的略大于计算 值的同步转速。
根据模型水轮机的飞逸特性 曲线，按下式即可计算出真 机的飞逸转速
nf
n11 f
H max D1
5. 允许吸出高度的计算
水轮机在不同工况下的空蚀系数是 不同的。因而为防止翼型空蚀的 发生，所允许的吸出高度也应该 是不同的。一般其值按下式计算
H S 10 K M H 900