水电站课程设计Word文档格式.docx

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第七章发电机的选择·

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第八章调速设备的选择·

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第一章基本资料

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。

该电站水库库容小不担任下游防洪任务。

经比较分析，该电站坝型采用混凝土重力坝，厂房型式为引水式。

经水工模型试验，采用消力戽消能型式。

经水能分析，该电站有关动能指标为：

水库调节性能年调节

保证出力4万kw

装机容量16万kw

多年平均发电量42000kwh

最大工作水头38.0m

加权平均水头36.0m

设计水头36.0m

最小工作水头34.0m

平均尾水位152.0m

设计尾水位150.0m

发电机效率96%-98%

第二章机组台数与单机容量的选择

水电站总装机容量等于机组台数和单机容量的乘积，在总装机容量确定的情况下可以拟订出不同的机组台数方案，当机组台数不同时，则当单机容量不同，水轮机的转轮直径、转速也就不同。

有时甚至水轮机的型号也会改变，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。

在确定水电站机组台数和单机容量时，综合考虑下面的因素：

（一）机组台数与工程建设费用的关系；

（二）机组台数与设备制造、运输、安装及枢纽布置的关系；

（三）机组台数与水电站运行效率的关系；

（四）机组台数与水电站维护的关系；

（五）机组台数与电气主接线的关系；

从而初步确定水电站采用4台机组，每台机组装机容量4万千瓦。

4万千瓦×

4=16万千瓦

满足水电站要求。

第三章水轮机型号、装置方式的确定

由基本资料，根据水电站的工作水头范围，在反击式水轮机系列型号谱表中查得HL240型水轮机和ZZ440型水轮机都可以使用。

这样，将两种水轮机列入比较方案，并对其主要参数分别进行计算。

（一）HL240型水轮机的方案主要参数的计算

1、确定水轮机的转轮直径

由N=和可得（4-50）

HL240型水轮机的最优转速，在HL240型水轮机主要综合特性曲线上查得单位流量L/s。

由于转轮直径尚未确定，原型水轮机的效率η目前不能求出，初步假定原型水轮机在该工况点的效率为92%。

则由公式（4-50）可得到m

转轮直径应该符合水轮机转轮的标准尺寸系列。

通常是选用比计算值大的标准直径作为水轮机的标称直径。

查表4-6，取与之接近而偏大的标准直径m。

2、效率修正值计算

可查得HL240型水轮机在最优工况下的最高效率，模型转轮直径m，则原型水轮机的最高效率为

考虑到制造工艺水平的情况取，由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型基本相似，故认为，则效率修正值

水轮机在限制工况（也即设计工况）点的效率应为

与原来的假定基本符合。

3、确定水轮机的转速

计算水轮机转速的公式

其中为最优单位转速，即

HL240模型水轮机的最优单位转速r/min，H采用设计水头，则水轮机转速的计算值值为（r/min）

查表4-7，选用与之接近而偏大的发电机标准同步转速。

取r/min。

4、确定水轮机的吸出高

根据选到的m,r/min和水轮机的设计水头m可计算出在设计工况点水轮机的最大单位流量和相应的单位转速。

根据式（4-50）得

（m3/s）

（r/min）

由和可在图4-4中查出对应的空蚀系数为，从图3-16中可查得空蚀系数的修正值，由此可求得水轮机的吸出高为

（m）

（注：

对于水电站站址处海拔高度，在初步计算时可采用水电站尾水的平均水位。

）

5、工作范围的验算

在最大水头时，有

在最小工作水头时，有

在HL240型水轮机的模型综合特性曲线图上，分别画出，和的直线，三线所包围的水轮机工作范围包含了该特性曲线的高效区.所以该设计是合理的。

（二）ZZ440型水轮机的方案主要参数的计算

1、转轮直径的计算

=

对于值，可由附表水轮机主要参数查得该型水轮机在限制工况下的,同时还查得汽蚀系数。

但在允许的吸出高时，则相应的装置汽蚀系数为：

所以，为满足对吸出高的限制，值可在ZZ440型综合特征曲线图上依工况点查得1.08.同时亦可查该工况点上，由此可初步假定水轮机的效率为.

将以上各之代入上式，便可求得：

选择标注直径=4.5m.

对轴流转浆式水轮机，叶片在不同转角时的最大效率可用公式计算，即：

已知代入上式，则得：

叶片在不同转角时的值可自图ZZ440型水轮机模型综合特性曲线查得，由此便可用上式求的相应于该角时的水轮机最高效率，并将计算结果列于表3-2.

表3-2ZZ440型水轮机效率修正值计算表

叶片转角

-10

-5

+5

+10

+15

84.9

88.0

88.8

88.3

87.2

86.0

90.2

92.2

92.7

92.4

91.7

90.9

5.3

4.2

3.9

4.1

4.5

4.9

4.3

3.2

2.9

3.1

3.5

当选取制造工艺影响的效率修正值和不考虑异形部件的影响时，便可计算得不同角时效率修正值为：

将的计算结果亦同时列入表3-2中。

由附表水轮机主要参数查得在最优工况下模型的最高效率，由此最优工况很接近于的等转角线，故采用效率修正值，这样便可得出原型水轮机的最高效率为：

已知在限制工况模型的效率为：

，而该点处于与两等角线之间，用内插法可求得该点的效率修正值为，由此可求得水轮机在限制工况下的效率为：

与假定的效率差小于，所以不用修正。

3、转速的计算

由于

所以不考虑的修正，由此求得水轮机的转速为：

选用与之接近的标准同步转速n=166.7

4、工作范围的验算

在选定的的情况下，水轮机为：

则水轮机的最大引用流量为：

各特征水头下相应的值列表如下:

表3-3

项目

水头（m）

38

36

34

单位转速（）

121.69

125.03

128.65

在ZZ440型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出,,的直线，三线所包围的水轮机工作范围包含了该特性曲线的部分高效区.所以该设计是不合理的.

5、吸出高程的计算

由水轮机的设计工况（）在ZZ440型水轮机模型综合特性曲线图上查得相应的汽蚀系数;

由设计水头在汽蚀系数的修正曲线图上查得，则可求得水轮机的吸出高为：

6、安装高程

（三）两种方案的比较

由上表可见,HL240型水轮机的转轮直径比ZZ440型的小,而且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少电站厂房的开挖工程量.ZZ440型水轮机方案的机组转速较高,有利于减少发电机的尺寸,减低发电机的造价,但是,这种机型的水轮机调节系统的造价较高.根据以上分析,在制造供贷方面没有问题时,初步选定HL240型的方案比较有利.

（四）装置方式的确定

在大型水电站中，其数轮发电机组的尺寸较大，安装高程也较低，因此其装置方式多采用竖轴式，这样使发电机的安装位置不容易受潮，机组的转动效率较高，而且水电站厂房的面积较小，设备布置较方便。

第四章水轮机运转特性曲线的绘制

水轮机运转特性曲线是针对原型水轮机绘制的,它直接的反映了原型水轮机在各种工况下的特性,水轮机运转特性曲线是在转轮直径和转速为常数时,以水头H为纵坐标和出力N为横坐标,绘制的几组等值线.

1、等效率线.的计算与绘制

在水轮机工作水头变化范围内取,,三个H值,绘出对应每个H值的工作特性曲线,在该图上作出各效率的直线,与图中的各线相交,读出所有交点的H,N值并将点绘制在H～N图上,并连成光滑的曲线,这就是该效率的值的等效率曲线,同理也可以得出其他的等效率曲线。

2、出力线的绘制

水轮机最大出力受到发电机额定出力和水轮机5%出力贮备线的双重限制，在运转综合特性曲线图上，H≥Hr时的出力线为N=Hr的一段垂直直线，H<

Hr时水轮机出力受5%出力贮备线的限制,设计水头点与最低水头点的连线即为出力线.

3、等吸出高度线的计算与绘制

等吸出高度线可按下列方法步骤绘制：

1根据等效率曲线计算表中和作不同水头下的辅助曲线；

2在相应的模型综合曲线上，作以各水头下为常数的平线，它与等气蚀系数线分别相交于许多点，记下各点的和值，并将其列入表中，表中值可由在气蚀系数的修正曲线；

3由上述已知的可在辅助曲线上查的相应的N值，并记入表中；

4由公式计算出各值时相应的吸出高，并列入表中；

5根据表中对应的和N作个水头的的辅助曲线，如附图所示；

6在的辅助曲线上，作某一（如=-3m）为常数平线，它与该辅助曲线交于许多点，并可得出各交点上的H、N值在各点落在H-N坐标场里并连接成光滑曲线，即为吸出高（=-3m）的等吸出高曲线，如附图。

第五章蜗壳设计

一蜗壳型式的选择

由于所设计的水电站水头小于40m,为了节约钢材,且梯形断面与圆形断面相等时，梯形断面可以沿轴向上下延伸,与圆形相比径向尺寸较小,可以减少厂房的面积和土建投资,所以本设计采用了混凝土蜗壳,并采用平顶梯形断面.

二参数的选择

1断面形式

因为,本设计采用了平顶梯形,所以n=0。

当n=0时,γ=10°

～15°

=1.5～1.7可达到2.0,本设计选用γ=12°

=1.6。

2包角选择

从蜗壳的鼻端至蜗壳进口断面之间的夹角称为蜗壳包角,常用来表示,对于混凝土蜗壳由于勘测流量较大,允许的流速较小,通常采用=180°

～270°

本设计采用=270°

.

3进口平均流速的确定

当蜗壳的断面形式及包角确定后,蜗壳进口断面均流速是决定断面尺寸的主要参数,

三蜗壳的水利计算与蜗壳单线图的绘制

（1）断面尺寸

根据公式，其中，查《水电站设计手册》（水利机械卷）表12-15,可知=6.35m=5.5m

解得a=3.53mb=5.65mm1=4.15mb0=1.5m

（2）确定中间断面顶角点的变化规律

根据《水电站》可知中间断面面积Fi与包角的关系为,所以是直线,在进口断面做出若干个中间断面,结合已知数据可以求出每个断面的面积Fi.

（3）蜗壳单线图的绘制

1

2

3

4

5

6.71

6.335

5.975

5.565

5.065

4.415

3.53

3.160

2.800

2.390

1.890

1.200

4.15

3.67

3.26

2.78

2.20

1.44

270

225

180

135

90

45

18.76

15.