水电站课程设计之水轮机选型设计.docx

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1、河北工程大学水电站课程设计之水轮机选型设计学校：河北工程大学系别：水利水电工程班级：07 水工本5班姓名：学号：指导教师：1/17河北工程大学第一章：根本资料根本设计资料某梯级开发电站，电站的主要任务是发电，并结合水库特性、地区要求可发挥水产养殖等综合效益。电站建成后投入东北主网，担当系统调峰、调相及少量的事故备用容量，同时兼向周边地区供电。该电站水库库容小不担当下游防洪任务。经比较分析，该电站坝型承受混凝土重力坝，厂房型式为河床式。经水工模型试验，承受消力戽消能型式。经水能分析，该电站有关动能指标为：水库调整性能日调整保证出力4 万kw装机容量16 万 kw多年平均发电量44350 kwh最

2、大工作水头39.0 m加权平均水头37.0 m设计水头37.0 m最小工作水头35.0 m平均尾水位202.0 m设计尾水位200.5 m发电机效率98.0%其次章：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。依据已确定的装机容量，就可以拟订可能的机组台数方案，选择机组台数与单机容量时应遵守如下原则：1、机组台数与工程建设费用的关系在水电站的装机容量根本已经定下来的状况下，机组台数增多，单机容量减小。通常大2/17河北工程大学机组单位千瓦耗材少，整体设备费用低；另外，机组台数少，厂房所占的平面尺寸也会减小。因此，较少的机组台数有利于降低工程建设费用。2、机组台数与设备

3、制造、运输、安装以及枢纽安装布置的关系单机容量大，可能会在制造、安装和运输方面增加确定的难度。然而，有些大型或特大型水电站，由于受枢纽平面尺寸的限制，总期望单击容量制造得大些。3、机组台数与水电站运行效率的关系水轮机在额定出力或者接近额定出力时，运行效率较高。机组台数不同，水电站平均效率也不同。机组台数越少，平均效率越低。但是机组台数多到确定程度，再增加台数对水电站运行效率增加的效果就不显著。当水电站在电力系统中担当基荷工作时，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。当水电站担当系统尖峰负荷并且程度调频任务时，由于负荷常常变动，而且幅

4、度较大，为使每台机组都可以在高效率区工作，则需要更多的机组台数。另外，机型不同，高效率范围大小也不同。对于高效率工作区教窄的，机组台数应适当多一些。4、组台数与水电站运行维护的关系机组台数多，单机容量小，水电站运行方式就较灵敏，机组发生事故产生的影响小，机组轮换检修较易安排，难度也小。但因操作运行次数随之增多，发生事故的机率也随之增高，同时治理人员多，维护耗材多，运行费用也相应提高。故不能用过多的机组台数。5、机组台数与电气主接线的关系对承受扩大单元的电器主接线方式，机组台数为偶数为利。但由于大型机组主变压器受容量限制，承受单元接线方式，机组台数的单、偶数就无所谓了。上述各种因素相互影响，遵循

5、上述原则，并且该水电站装机容量为 16 万 kw，由于 2.2 万 kw16 万 kw25 万 kw，该水电站为中型水电站，并担当系统调峰、调相及少量的事故备用容量，同时兼向周边地区供电。综上所述宜选用偶数机组台数：4 台单机容量选择：单机容量 N=16 万4=4 万 KW,水轮机额定出力 N =N98=4000098=40816KW第三章：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确实定依据水头变化：最小工作水头 35m 到最大工作水头 39m。在水轮机系列型普表中查出适宜的机型有 HL240 型水轮机和 ZZ440 型水轮机两种。现将这两种水轮机作为初步方案，分别求出其有关

6、参数，并进展比较分析。1、HL240 型水轮机方案主要参数计算1.1 确定水轮机的转轮直径 D 由公式：N9.81Q” Hr1r3/17H hrD =1河北工程大学在本例中，额定出力是：N =N98=4000098=40816KW。又从水电站教材图4-4，表10/174-2 中查得: Q” =1240L/s , h= 92.0%。并且已经知道Hr=37.0m 带入公式求得： D=4.0311.2 、 效率修正值计算由图 4-4 查得 HL240 在最优工况下最高效率为 hhM max192.0%。模型转轮直径D=0.46m，则原型水轮机的最高效率 max 可以承受公式：1Mhmax= 1 -

7、(1 -h)D51MD1M max计算。h max =0.948=94.8%考虑到制造水平的差异，依据水轮机的标称直径，凭阅历取 =1% ，假设水轮机所使用蜗壳和尾水管与模型试验时承受的型式不同，则意味着原型水轮机适应了异型部件。在此处，认为水轮机所承受的蜗壳和尾水管与水轮机的相像，故取 e/ =0。则效率修正值由下式计算：Dh =h-h- e - e / =0.948-0.92-0.01-0=0.018=1.8%maxmin1.3 、 转速 n 计算n”10 M= 72 r minn”10= n”10 Mn /10Hrn=108.67 r/minD1式中：n ” 单位转速承受最优单位转速 n

8、”= 72r/min110H承受设计水头， Hr = 37.0mD 承受选用的标准直径D11=4.03m承受与其接近的同步转速 n= 115.4r/min1.4 、确定水轮机的吸出高Q”1max=N9.81D 2 H 3 / 2h=1240 L s1rQmac= Q”D2Hr1max1HrnD=12250 L sn” =1r1 =76.5 r/minDs 0.032 =202.0m由此可得水轮机的吸出高度H= 10 -s- (s + Ds )H900=1.381.5 、装置方式：承受立轴安装方式1.6 、安装高程确实定：立轴混流式水轮机Z= + H+ b/ 2 =200.5+1.38+1.5/

9、2=202.63msws0所以，HL220 型水轮机方案的吸出高度满足电站要求2、ZZ440 型水轮机2.1 转轮直径 D 计算由表 4-1 查得 ZZ440 型水轮机在限制工况下的单位流量Q” = 1650 L S = 1.65 m3 s ，同时可查得该工况下的的气蚀系数 s = 0.72 。但允许的吸出高度为1Hs= -4m 时，其相应的气蚀系数=0.34-4m所以，ZZ440 型水轮机方案的吸出高度满足电站要求2.6 装置方式：承受立轴安装方式2.7 安装高程确实定：由 2-35 立轴混流式水轮机Z= + Hsws+ xD1=200.5+-3.25+0.3964.46=199.02m3、

10、两种方案的比较分析两种方案的相关数据比较见下表序号工程推举使用的水头范围m最优单位转速HL240ZZ4401254520362n”10(r min)721153模型转轮参数最优单位流量Q” (L S )10124016504最高效率h(%)M max92895空蚀系数s0.1950.346工作水头范围m34.0 39.034.0 39.07转轮直径 D (m)14.14.58转速n(r min)115.4166.79原型水轮机参数最高效率h(% )max94.891.1010额定出力 N (kw)r4081640816最大引用流量11Q(m3 s)max123.9124.012吸出高度 H(m

11、)S1.38-3.25两种机型方案的水轮机转轮直径相近。但 HL240 型水轮机方案的工作范围包含了较多的高效率区域，运行效率较高，气蚀系数较小，安装高程较高，有利于提高年发电量和减小电站厂房的开挖工程量；而 ZZ440 型水轮机方案的机组转速较高，有利于削减发电机尺寸，降低发电机造价，但这种机型的水轮机及其调整系统的造价较高。依据以上分析，在制造供货方面没有问题时，初步选用 HL240 型方案为有利。第四章 水轮机运转特性曲线的绘制1、等效率曲线的计算于绘制由于水电站水头较小，现取三个水头，列表计算如下：H= 39.0maxH= Hr=37mHav=35mminn /1= nDHmax= 7

12、5.76n /1= nDH=77.78rn/1= nDH=79.98minN = 9.81Q / D 2 H 3 / 2h11N = 9.81Q / D 2 H 3 / 2h11N = 9.81Q / D 2 H 3 / 2h11N = 40.16Q / D 2h11N = 37.11Q / D 2h11N = 34.15Q / D 2h11hQ”1h(%) =N (MW )hQ ”1mhNhQ”1h(%)(m3 s)hm+ DhmmN(%)(m3 s)(%)(m3 s)HL240 型水轮机等效率曲线计算表870.8688.830.7870.8988.829.3850.8588.825.288

13、0.9089.832.5880.9389.831.0860.9189.827.3.890.9490.834.3890.9890.833.0870.9490.828.5900.9891.836.1901.0291.834.7880.9891.830.1911.0392.838.4911.0892.837.2891.0392.831.9911.2292.845.5911.2292.842.0901.0792.833.5901.2591.846.1901.2691.842.9901.2691.839.5891.2790.846.3891.2890.843.1891.2890.839.7881.318

14、9.847.3881.3389.844.3881.3389.840.8871.3388.847.4871.3788.645.1871.3488.841.15%出力限制线上的点89.61.2691.246.1901.2691.842.990.31.2492.139.02、等吸出高度线的绘制2.1 、绘制Q” = f (N )关心曲线12.2 、求出各水头下的n”1M值，并在相应的模型综合特性曲线上查出n”1M水平线与各等气蚀系数s 线的全部交点坐标， Q” ,s 值，填入下表。12.3 、在Q” = f (N )关心曲线上查出相应于上述各Q ” 的 N 值，填入下表。112.4 、利用公式 HS

15、= 10 - (s + s )H 计算出相应于上述各s 的 H900s值，填入下表。2.5 、依据表中对应的 H ， N 值，做出 H= f (N )曲线。H (m)n” (r min)1sQ” (m3 s)1N (MW )s+D s(s + Ds )HHs37.077.780.200.9732.50.238.511.27sS0.220.8228.90.259.750.030.210.8429.80.249.360.4239.075.760.211.3347.40.249.360.420.221.3648.10.259.750.030.231.3748.20.249.360.420.220.8

16、226.90.259.250.530.210.8728.40.248.880.900.201.2938.70.238.511.270.211.3344.30.248.880.900.221.3644.80.259.250.530.220.8625.50.258.751.030.210.9328.00.248.41.3835.079.980.211.2939.80.248.41.380.221.3140.20.258.751.030.231.3340.50.269.10.68第五章 蜗壳设计1、 蜗壳型式选择由于本水电站水头高度小于 40m，所以承受混凝土蜗壳。2、 主要参数确定2.1 、断面外

17、形确实定由于水轮机为中型水轮机，由相关资料确定，选择平顶矩形断面。当n = 0 时， g = 10o15o 选取g = 12o b a = 1.51.7, 选择b a = 1.6由水力机械水轮机标准座环尺寸系列查取：座环外直径 Da= 6.35m ,即 Ra= 3.175m ，座环内直径 Db= 5.5m ，即 Rb= 2.75m2.2 、蜗壳包角的选择混凝土蜗壳j0= 180o - 270o ，选取j0= 270o2.3 、蜗壳进口断面平均流速选择从图 2-8 中由 Hr=37m,查取VC= 4.83 m s3、 蜗壳的水力计算及单线图，断面图的绘制3.1 、确定进口断面尺寸QQj按公式 2

18、-8 F =0 =max0 计算确定蜗壳进口断面面积0VcQQj3600Vc123.9 270oF =0 =max0 = 19.24m20V3600Vcc360o 4.833.2 、依据以选择的蜗壳断面外形，确定具体尺寸ba= 1.6b = 5.81b = b + ma = 3.631om = 4.31ab -tangm2 = 19.24m223.3 、划分中连续面并计算中连续面尺寸R6.816.215.615.014.413.813.21ia3.633.032.431.831.230.630.03im4.323.612.892.181.460.750.036ib5.825.114.393.6

19、82.962.251.536iF19.1414.109.786.233.411.360.046i2701981378848190.7i3.4、绘制f= f (R)的关系曲线。河北工程大学3.5、所需要的包角j ，在图上查的该ji平面单线图。处的蜗壳断面面积及相应的外半径 Ri由此可绘出蜗壳11/17河北工程大学第六章 尾水管设计1、尾水管型式的选择本设计中尾水管型式承受弯肘型2、尺寸确定及绘制平面剖面但线图由水电站设计手册第一卷水力机械 HL240 的转轮番道尺寸图。2.1、进口直锥段，承受 D= D32= 1.078 4.1 = 4.4198m ，HL240 取单边集中角q = 8o2。2、

20、肘管段：VC= 4.83 m s 6 m s ，可不设金属里衬，承受推举的尾水管尺寸。2.3 、出口集中段：底板水平，仰角a = 10o13o ，取13o ，设中墩，b = (0.10.5)B55承受b5= 0.1B5= 0.1 4.1 2.72 = 1.122.4 、 尾 水 管 的 水 平 长 度 ， l = (3.54.5)D1, 取 l = 4 4.1 = 16.4m ， 尾 水 管 高 度h = 2.6D1= 2.6 4.1 = 10.66m 由(D1 30000 N m属大型调速器，则接力器调速柜和油压装置应分别进展计算和选择。2、接力器的选择2.1 、接力器直径的计算由条件推断,

21、承受两个接力器来操作水轮机的导水机构，选用额定油压为 2.5Mpa，15/17河北工程大学16/17则每个接力器的ds= l D1b HDmax1 zo= 24 ，查得l = 0.029 ，b = 0.365D10.365 39d= 0.029 4.1s= 0.449m选择与之接近而偏大的ds= 500m m 的标准接力器。1.8)a0max2.2 、接力器最大行程的计算Smax= (1.4ao max= aoM maxD zO 0 MDZ0 M0a0 max可以由设计工况点 n”1r=76.5 r/min， Q”1max=1240 L s 在模拟特性曲线上查得 26.5。同时可得D=534m

22、m Z0 Mam= 24 D0 和 Z0 分别为水轮机导叶轴心园的直径和水轮机的导叶数目选用水轮机的 D0= 1.15D1= 1.15 4100 = 4715mm ， z0= 24 , 查得aaMax=26.4,则ao max= aoM maxD z0 M =235mmODZ0 M0中选用计算系数为 1.6 时，则2.3 、接力器容量的计算两个接力器的总容积Smax= 1.6 235 = 376mm = 0.376mpV=d 2 SS2smax= p 0.52 0.376 = 0.15m223、调速器的选择大型调速器的型号是以主配压阀的直径来表征的，主配压阀的直径Vs T VSmd = 1.1

23、3选T = 4s,Vsm= 5 ms 则：0.154 5d = 1.13= 0.097m = 97mm由此在表中选择与之相邻而偏大的 DT-100 型电气压型调速器4、油压装置的选择此处油压装置不考虑放空阀和进水阀的用油，则压力油罐的容积为20)V = (18s20) 0.15 = 2.73.0m2V= (18k由此在表中选择与之相邻而偏大的 YZ-4 型分别式油压装置。说明：依据以上计算的出的调速设备的选择为调速器型式选用 DT-100 型电气压型调速器油压装置型号选择 YZ-4 型分别式油压装置接力器选择d500m 的标准接力器s参考资料1. 水电站机电设计手册第一卷 水力机械水电站机电设计手册编写组2. 水电站第三版3. 水力机械其次版河海大学陕西机电学院刘启钊 主编金钟元编