水轮机课程设计Word格式.docx
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机组台数多，可以灵活改变机组运行方式，调整机组负荷，避开低效率区运行，以是电站保持较高的平均效率。
但机组台数多到一定程度，再增加台数对水电站运行效率增加的效果就不显着。
当水电站在电力系统中扌日任基荷工作时，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。
当水电站扌日任系统尖峰负荷并且程度调频任务时，由于负荷经常变动，而且幅度较大，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，机组类型不同，高效率范围大小也不同，台数对电厂平均效率的影响就不同。
对于高效率工作区较窄的，机组台数应适当多一些。
轴流转浆式水轮机，由于单机的效率曲线平缓且高效区宽，台数多少对电厂的平均效率影响不明显；
而混流式、轴流定浆式水轮机其效率曲线较陡，当出力变化时，效率变化较剧烈，适当增加台数可明显改善电厂运行的平均效率。
机组台数与水电站运行维护的关系
机组台数多，单机容量小，水电站运行方式较灵活机动，机组发生事故停机产生的影响小，单机轮换检修易于安排，难度也小。
但台数多，机组开、停机操作频繁，操作运行次数随之增多，发生事故的几率也随之増高，对全厂检修很麻烦。
同时，管理人员多，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。
机组台数与其他因素的关系
对于区域电网的单机：
装机容量较小》1熬系统最大负荷（不为主导电站）；
装机容量较大》10%系统容量（系统事故备用容量），因而，单机容量与台数选取不受限制。
根据设计规范要求，机组单机容量应以水轮机单机运行时其出力在机组的稳定运行区域范围内确定为原则。
不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域如表1。
表2不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域
型式
稳定运行负荷区域
（%）
混流式
40~100
冲击式
25~100
轴流定浆式
70~100
轴流转浆式
30-100
贯流转浆式
对采用扩大单元的电气主接线方式，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，采用单元接线方式，机组台数的奇、偶数就无所谓了。
上述各种因素互相影响，遵循上述原则，并且该水电站装机容量为20万kW,由于万kW<
20万kW<
25万kW,该水电站为中型水电站，并扌日任系统调峰、调相及少量的事故备用容量，同时兼向周边地区供电。
综上所述，确定机组台数选择的原则：
对大中型水电站，一般选择6-10台；
保证在水头低于额定水头时，机组受阻容量尽量小；
在可能的情况下尽量选用单机容量较大的水轮机，以降低设备造价。
第三章水轮机主要参数的选择与计算
根据水头的变化：
最小工作水头到最大工作水头220m。
同时：
三种类型水轮机。
现将这三种水轮机作为初选方案，分别求出其有关参数，并进行比较分析C
计算水轮机基本参数
方案一HL160（7X600MW）
水轮机额定功率
去最优单位转速n1IO=67.5r/nin与功率限制线交点的单位流量为额定工况的单位流量.则
<
21Ir=0.68m3/5对应的模型效率〃时=0・895。
去效率修正值△“=3%,则额定工况原型水轮机效率
JIp=+△〃=0.895+0.03=0.915o水轮机转轮直径£
>
为
按我国规定的转轮直径系列，且转轮直径取小了不能保证在额定水头下发出额定功率，取大了，不经济且无必要。
根据单机功率和转轮直径，该水轮机属大型机组，故取D1=6mo
已知:
D[M=0.46/77；
=°
・91
额定工况原型水轮机的效率为
水轮机转速的计算与选择
0946
三竺-1=0.020<
0.03符合，不需修正
0.^^1
（1）检验水轮机实际工作范围的校核
发电机同步转速的计算公式为
n为发电机同步转速，r/min；
p为发电机磁极对数。
磁极对数
3000/=.
则磁极对数取18、20。
分别求出Hinae叽、H’、丹丽下对应的单位转速，如表3所示：
表3各水头对应单位计算表
转速方案
检查两方案.在模型综合特性曲线图上，第一种方案包含高效率去，且原则上取相近偏大值。
所以
确定取第一种方案。
（2）水轮机计算点出力的校核
计算Hr时的出力：
符合要求
在额定工况下，模型水轮机的空化系数6,=0.065。
根据几个装有HL160转轮的电站调查，认为
HL160转轮的电站空化系数刁应大于为好，故空蚀安全系数取K二。
E=
因不同的口、n与水能预算Hr有差异
式中Hr采用上述（五）中的计算结果「
由HL160模型水轮机飞逸特性曲线查得，在最大导叶开度下单位飞逸转速
nnR=117r/nin,故水轮机的飞逸转速为
根据表4,HL160的转轮轴向水推力系数K（=0.20^0.26,转轮直径较小、止漏环间隙较大时取大值。
本电站转轮直径较大，但水中有一定含沙量，止漏环间隙应适当大一些，故取匕=0.203。
水轮机转轮轴向水推力为
表4混流式水轮机的轴向水推力系数表
转轮型号
HL31
HL24
HL23
HL22
HL20
HL18
HL16
HL12
HL11
HL100
K
〜
三种方案数据表格
HL160（7x600W）
HL120（7x600W）
HL110（10x420W）
t匕转速兀（r/min）
160
120
110
额定功率Pr（kw）
618557
432990
模型最优单位比转速n110（r/min）
模型额定工况单位流量Qlr
（m3/s）
转轮直径（m）
6
8
7
水轮机效率“
转速n（r/min）
出力P（N）
额定流量Q（（m'
/s）
吸出高度Hs（m）
单位飞逸转速叫圧（r/min）
127
93
飞逸转速5（r/min）
实际额定水头Hr（m）
实际额定流量Q（m'
轴向水推力斤（N）
根据上面列举出来的三种方案数据分析，第三种方案出力比额定小，且实际额定水头比最高水头大，故首先排除。
第一二种方案中，第一种方案效率比第二种高，且第一种方案转速比第二种的高，则其发电机尺寸小，重量轻，一方面可以减少设备的造价，另一方面有利于减小厂房的平面尺寸，降低厂房的土建投资。
第一种方案的出力也比第二种大。
综上所述，最佳方案为第一种方案。
第四章水轮机运转特性曲线的绘制
等效率曲线的计算与绘制
现取水电站4个水头，列表计算，计算结果如表6所示。
绘制的等效率线详见设计图纸。
〃=加+△%（%）
p
（mw）
+△%
82
365
346
84
409
388
86
449
430
88
491
469
90
545
515
706
662
733
687
748
701
757
704
754
707
5%H
B力限制线上的点
712
669
P
n=+△%
322
318
355
350
394
392
431
476
451
608
552
622
598
635
611
642
640
613
612
5%出力限制线上的点
607
586
等吸出高度线的绘制
（1）求出各水头下的九值，并在相应的模型综合特性曲线上查出“水平线与各等气蚀系数b线
的所有交点坐标，读出Q|、b的值，并由此计算出"
、P,填入表7中
F
（2）利用公式耳=10-册-K卫曲计算出相应于上述各b的/直填入表7中。
900
计算结果如表7所示，绘制的等吸出高度线详见设计图纸。
表7HL160型水轮机等吸出高曲线计算表
（m）
220
761
755
749
649
705
610
664
677
505
594
614
第五章蜗壳设计
蜗壳型式选择
由于本水电站水头高度范围为—220m,所以采用金属蜗壳。
主要参数
蜗壳进口断面的计算
金属蜗壳的进口断面型式一般都作成圆形，为钢板制作。
（蜗壳是沿座环圆周焊接在上下碟形边上，由于过流量的减小，蜗壳断面也随之减小，为使小断面能和碟形边相接，在某一包角后均采用椭圆断面）
蜗壳进口断面平均速度，根据《水轮机原理与运行》公式（6-5）得9
蜗壳的进口流量
久为蜗壳包角，对于金属蜗壳一般取345。
一360。
，式中取350。
蜗壳的进口断面面积
进口断面的半径
从轴中心线到蜗壳外缘的半径：
出——蜗壳座环外半径，由《混凝土蜗壳座环尺寸系列》（《水力机械》P162）查取座环的外径、内径分别为：
Da=9.85”？
；
Dh=8.2w；
Ra=4.925in；
Rh=4.\m；
k二175mm；
r=500mmo
则rD=7?
a+k=4.925+0.175=5.1m
则当0>
0d=106.1'
时，采用圆形断面》
定出各计算断面的角度®
按下列公式计算各断面的尺寸：
为了方便，计算可按表8的格式进行
断面
□
25©
/C
1
2
3
4
5
9
10
11
12
13
14
15
16
当©
<
0（宀）=106・1。
时，蜗壳各断面不能在D点与座环相接，采用圆形断面就不合适了。
在这种情况下，蜗壳断面采用椭圆形断面。
其中：
L=^F=L465a=55<
，
为了方便，计算可以按表9的格式进行
表9计算蜗壳椭圆形断面尺寸
A
18
19
21
22
23
24
绘制蜗壳的断面、单线图
祥见设计图纸
第六章尾水管设计
尾水管的选择
尾水管是水轮机过流通道的一部分。
尾水管的形状对不同比转速水轮机的性能存在不同程度的影响，尤其对高比转速水轮机影响更为明显。
鉴于本水轮机属于大中型水轮机，则选择弯曲形尾水管。
弯曲形尾水管由进口锥管段，肘管段和出口扩散段三部分组成。
尺寸确定
尾水管高度指从水轮机底环平面到尾水管底板的高度，是决定尾水管性能的主要参数。
增加高度将提高尾水管效率，但将増加电站建设费用，减少高度不仅会降低水轮机效率，还会影响运行的稳定性。
对于D,<
D2的混流水轮机取h>
2.6D,；
对于£
>
D2的高水头混流式水轮机则可取h>
2.20。
而—=0.96+0.00038ns=0.96+0.00038xl60=1.0208贝ljDI<
D,
■
所以取11=2.8/）,=16.8mo
进口直锥管是以垂直的圆锥形扩散管，6为直锥管的进口直径。
可近似取转轮出口直径，即
6=q=1.02080=6.12m,进口锥管的单边锥角0对混流式水轮机可取则取0=8。
。
肘管是一个90变断面的弯管，其进口为圆断面，出口为矩形断面。
参考《水电站机电设计手册》（水力机械）表2-17,当Vc二s6m/s,可不设金属里衬，采用推荐的尾水管设计，此时£
4=h4,0与Di有下列关系式：
参考《水电站机电设计手册》（水力机械）表2-17得
肘管型式
适用范围
混凝土肘
管
V0）
由表得
D4=h4=1.35D,=1.35x6=8.Im；
B5=16.32m；
L】=10.92m；
h5=7.32m；
h6=4.05m计算得
h3=7.03m；
hj=1.67m
参考《水轮机原理与运行》表9-1,计算出肘管尺寸表
表6-2肘管尺寸表
Z
360
720
1080
1440
1800
2160
2520
2880
3240
3600
3960
4320
4680
5040
5400
5760
6120
4411
4731
6480
6840
7200
出口扩散段是一水平放置断面为矩形的扩散管，参考《水电站机电设计手册》（水力机械）人32,其出口宽度一般与肘管出宽度相等，其顶板向上倾斜，仰角二1013。
取=12。
，底板一般呈水平。
出口扩散一般为矩形断面，对混流式水轮机取B=（2.7~3.3）0,则取B=2.7x6=16.2m。
因为B>
10~12m,则允许在出口扩散段加单支墩，其他尺寸如下：
b=（0；
R=（3~6）b；
r=（0.2~0.3）b；
1A1.4D]
则取b=（O.l~O.15）B=2.4m；
尺=（3~6）b=3x2.4=7.2m；
r=（0.2~O.3）b=0.2x7.2=1.44m；
1>
1.4Dj=2x6=12m
水平长度L是机组中心到尾水管出口的距离。
肘管型式一定时，L决定了水平扩散段的长度，增加L可使尾水管出口动能下降，提高效率。
但太长了将增加沿程水力损失和增大厂房部分尺寸。
通常取厶=4.5D]=4.5x6=27mo
参考表6-1,计算出尾水管各部分尺寸列于下表
表6-3尾水管尺寸计算表
项目
L
尺寸
27
由上述尺寸绘制尾水管单线图（见附图3）
第七章心得体会
经过开展课程设计，针对水轮机做专门的设计，把学习课本的相关知识集中体现在具体的设计实践当中，把理论知识和冻水实践结合在一起。
通过这接近3周的课程设计，是我明白了动手的重要性，往往书上的知识看懂了，但是具体要自己去做的时候却并不能做好，而旦水轮机设计要统筹兼顾，有时数据算好了，刚开始没事，但算着算着却发现就是算出来的结果与书本不符；
或者数据算出来都是合理的，但画图时却发现不能合理的画出图来，总是有地方不合理，或者是不能达到设计要求。
而设计中同时也要求自己要谨慎小心，往往就是因为一个数据，导致接下来一系列数据都是错的，如果这样的话就得从头开始计算，这样既费时又费力。
课程设计时也是我们学习巩固的大好时机，以前课本上没注意或者没懂的知识点，通过课程设计我们就能在实践中掌握这些知识点。
最后做好一个课程设计还需要有虚心请教的心态，当遇到不懂的地方，我们就要去虚心向老师或同学请教，同时也不要吝啬自己掌握的设计要点，与同学老师共同交流讨论，共同提高。
只有这样，我们才能做好符合要求的课程设计。
也才能得到锻炼。
总之，这次课程设计使我获益匪浅，让我从中学到了很多课本上没有的东西，为我以后的学习指明了方向。
[1]于波，肖惠民•水轮机原理与运行•北京：
中国电力出版社，2008
[2]郑源鞠小明•程云山•水轮机北京：
中国水利水电出版社，2007
【3】金钟元•水力机械（第二版）•北京：
中国水利水电出版社，1992
[4]哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册•北京:
机械工业出版社,1976
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