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水轮机课程设计

水轮机课程设计

说明书

姓名：

学号：

学院：

水利水电学院

班级：

指导老师：

目 录

一、水轮机选型及参数计算

1.已知参数………………………………………………………………………1

2.水轮机型号选择………………………………………………………………1

3.水轮机基本参数计算…………………………………………………………1

二、水轮机运转特性曲线的绘制

1.等效率曲线的绘制……………………………………………………………3

2.等吸出高度线绘制……………………………………………………………4

3.出力限制线绘制………………………………………………………………5

三、蜗壳设计

1.蜗壳型式及基本参数的选择…………………………………………………6

2.进口断面计算…………………………………………………………………6

3.圆断面计算……………………………………………………………………7

4.椭圆形断面计算………………………………………………………………8

四、尾水管设计

1.尾水管形式的选择……………………………………………………………9

2.尾水管高度的确定……………………………………………………………9

3.尾水管各部分尺寸的计算……………………………………………………9

蜗壳平面图…………………………………………………………………………10

蜗壳单线图…………………………………………………………………………11

尾水管图……………………………………………………………………………12

一、水轮机选型及参数计算

1.已知参数

装机容量 580.00MW；装机台数 4 台；单机容量 145MW；

H max =84.5m； H min =68.00m； H r =73.00m； H a =71.2m

水轮机安装高程 ∇ 580.00m

2.水轮机型号选择

ns = 2000 -20= 2000 -20=214.08（m·kw）

H73

可以选择 HL220 型水轮机

3.水轮机基本参数计算

（1）计算转轮直径 D1 。

水轮机额定出力：

ηG

= 145000 = 147959 KW

0.98

取最优单位转速 n110

= 71.0r/min 与出力限制线交点的单位流量为设计工

况点单位流量，则Q11r

= 1.14 （ m 3

/ s ），对应的模型效率ηM

= 89% 暂取效

率修正值 ∆η = 3% ，则设计工况原型水轮机效率

η = ηM + ∆η = 0.89 + 0.03 = 0.92 ，水轮机转轮直径 D1 为

D1 =

Pr

9.81Q11r H r.5η

=

147959

9.81 ⨯ 1.14 ⨯ 731.5 ⨯ 0.92

= 4.80m

取标准值 D1 =5m

该方案水头高于 40m,故应使用金属蜗壳，则使用水轮机型号为

HL220-LJ-500

η

（2）效率

的计算

ηmax = 1 -（1 - ηM 0）

D1M

D1

= 1 - （1 - 0.91）

0.46

5

= 0.944

∆η = 0.944 - 0.92 = 0.024

η = 0.89 + 0.024 = 0.914

（3）转速 n 的计算

1

n =

n110 H a

D1

=

71 ⨯

5

71.2

（

= 119.82 r/min）

转速计算值介于发电机同步转速 115.4 至 125（r/min）之间，但与 115.4 更接

近，故取水轮机的转速 n 为 115.4r/min

（4）水轮机设计流量Q r 的计算

Q r = Q11r D12 H r = 1.14 ⨯ 52 ⨯73 = 243.5m 3/s

（5）几何吸出高度 H s 的计算。

在设计工况下，模型水轮机的空化系数为

σ M = 0.133 ，取 ∆σ = 0.02 。

H s = 10 -

∇

900

-（σ M + ∆σ）H r = 10 -

580

900

- 0.135 ⨯ 73 = -0.5m

则取吸出高度 H s = -1m 。

（5）水轮机工作范围的检验

Q11r =

Pr

3

9.81D12H r / 2η

=

147959

9.81 ⨯ 0.92 ⨯ 52 ⨯ 731.5

=1.05 （m/s）

最大、最小水头所对应的单位转速

n11min =

n11max =

nD1

H max

nD1

H min

=

=

115.4 ⨯ 5

84.5

115 .4 ⨯ 5

68

（

= 62.76 r/min）

（

= 69.97 r/min）

平均水头对应的单位转速

n11a =

nD 1

H a

=

115.4 ⨯ 5

71.2

= 68.38（r/min）

在 HL220 型水轮机模型综合特性曲线图上，分别绘出Q11r = 1050L / s ，

n11min = 62.76r / min 和 n11max = 69.97r / min 为常数的直线，根据图可得，效

率在高效率区附近。

因此该方案可行。

二、水轮机运转特性曲线的绘制

2

H=68m

n=69.97r/min

H=71.2m

n=68.38r/min

H=73m

n=67.53r/min

H=84.5m

n=62.77r/min

P

P

P

P

0.82

0.844

0.63

73123.2

0.64

79588.25

0.65

83916.6

0.68

109331.2

0.84

0.864

0.67

79608.74

0.68

86566.37

0.69

91191.61

0.73

120151.5

0.86

0.884

0.73

88745.7

0.73

95082.74

0.73

98711.37

0.78

131352.9

0.88

0.904

0.78

96969.51

0.77

102561.8

0.77

106475.9

0.84

144657.3

0.9

0.924

0.86

109280.5

0.85

115722.4

0.85

120138.7

0.95

167220

0.9

0.924

1.11

141048.1

1.1

149758.4

1.09

154060.2

0.95

167220

0.88

0.904

1.17

145454.3

1.17

155840.7

1.16

160405.2

1.13

194598.5

0.86

0.884

1.22

148314.7

1.22

158905.4

1.22

164969.7

1.17

197029.3

0.84

0.864

1.26

149712

1.26

160402.4

1.26

166523.8

1.25

205738.9

0.82

0.844

1.3

150889.1

1.31

162907.2

1.31

169124.2

1.29

207407.7

1.等效率曲线的绘制

原型水轮机效率

η = ηM + ∆η

水轮机出力

P = 9.81D12H 1.5ηQ11

由附表 9（12 页）查出Q11 并计算出 P 得到下表

2.等吸出高度线绘制

3

P

H=84.5

n=62.77

0.1

0.89

0.914

0.86

10.14

149740.6

-0.78

0.11

0.9

0.924

0.97

10.985

170741.3

-1.625

0.12

0.88

0.909

1.03

11.83

177378.4

-2.47

0.13

0.885

0.909

1.1

12.675

190481

-3.315

0.14

0.872

0.896

1.15

13.52

196291.2

-4.16

H=73

n=67.53

0.1

0.894

0.918

0.84

8.76

117954.4

0.6

0.11

0.92

0.944

0.96

9.49

138623

-0.13

0.12

0.92

0.944

1.04

10.22

150174.9

-0.86

0.13

0.891

0.915

1.13

10.95

158158.2

-1.59

0.14

0.872

0.896

1.18

11.68

161726.8

-2.32

H=68

n=69.97

0.1

0.891

0.915

0.83

8.16

104441.1

1.2

0.11

0.92

0.944

0.95

8.84

123329.7

0.52

0.12

0.92

0.944

1.04

9.52

135013.6

-0.16

0.13

0.895

0.919

1.13

10.2

142812.5

-0.84

0.14

0.873

0.897

1.19

10.88

146795.1

-1.52

H s = 10 -

∇

900

-（σ M + ∆σ）H r

由附表 9（12 页）查出相关数据。

根据各工况点的 Hs 、P，绘出各水头下的 Hs=f（P）曲线。

4

η

Q

P

H=73

0.909

1.16

16.13

H=68

0.914

1.147

14.5

3.出力限制线绘制

求出与 H min 和 H r 相对应的水轮机出力 Pmin 、 Pr ，将点（ H r ， Pr ）、点（ Pmin 、

Hmin ）连成一条斜线，此线即为水轮机出力限制线。

5

三、蜗壳设计

1.蜗壳型式及基本参数的选择

本电站水头在 40m 以上，故选用金属蜗壳，包角选为 345°。

取α = 55︒ ，查表得蜗壳流速系数 K=0.87

取 D a = 1.55 ， D b = 1.33 ，计算得到 R a

= 3.325m ， ra = 3.875m

b0

D1

= 0.25 ，得 b0 = 1.25

h =

b0

2

+ ∆ ， ∆ 取 0.2，计算得 h=0.83m

2.进口断面计算

进口断面流量

Q 0 =

ϕ0

360

Q r =

345

360

⨯ 243.5 = 233.35

（ m 3 /s）

进口断面流速

v 0 = K H r = 0.87 ⨯73 = 7.43

进口断面面积

（m/s）

F =

Q 0

v 0

=

233. 35

7.43

= 31.4

（ m 2 ）

进口断面半径

ρ0 =

F0

π

=

31.4

3.1415

= 3.16

（m）

r0 =     + 0.15 = 4.03

查表得 D=7.75，K=0.15

7.75

2

进口断面中心距

（m）

a0 = r0 +

ρ0 - h 2 = 4.03 + 3.162 - 0.832 = 7.30

（m）

进口断面外径

R 0 = a0 + ρ0 = 7.3 + 3.16 = 10.46

（m）

6

rb

1

345

0.72

4.03

5.793

0.69

2.259253

2.978

8.869

3.09

7.01

10.1

2

330

0.69

4.03

5.541

0.69

2.202805

2.89

8.354

3.01

6.92

9.927

3

315

0.66

4.03

5.289

0.69

2.144872

2.801

7.846

2.92

6.83

9.753

4

300

0.63

4.03

5.038

0.69

2.08533

2.71

7.346

2.83

6.74

9.575

5

285

0.59

4.03

4.786

0.69

2.024037

2.618

6.853

2.75

6.65

9.394

6

270

0.56

4.03

4.534

0.69

1.960829

2.523

6.367

2.66

6.55

9.21

7

255

0.53

4.03

4.282

0.69

1.895514

2.427

5.889

2.56

6.46

9.022

8

240

0.5

4.03

4.03

0.69

1.827868

2.328

5.419

2.47

6.36

8.829

9

225

0.47

4.03

3.778

0.69

1.757619

2.226

4.957

2.38

6.26

8.632

10

210

0.44

4.03

3.526

0.69

1.684444

2.122

4.503

2.28

6.15

8.43

11

195

0.41

4.03

3.274

0.69

1.607941

2.014

4.057

2.18

6.04

8.223

12

180

0.38

4.03

3.023

0.69

1.527613

1.903

3.62

2.08

5.93

8.008

13

165

0.34

4.03

2.771

0.69

1.442818

1.787

3.192

1.97

5.82

7.787

14

150

0.31

4.03

2.519

0.69

1.352719

1.665

2.773

1.86

5.7

7.556

15

135

0.28

4.03

2.267

0.69

1.256175

1.537

2.364

1.75

5.57

7.315

16

120

0.25

4.03

2.015

0.69

1.151564

1.402

1.964

1.63

5.43

7.06

17

105

0.22

4.03

1.763

0.69

1.036448

1.255

1.576

1.5

5.29

6.79

18

90

0.19

4.03

1.511

0.69

0.906835

1.094

1.198

1.37

5.12

6.498

蜗壳系数

C =

ϕ0

2

0

2

0

=

7.3 -

345

2

2

= 480

蜗壳常数

K =

Q rC

360 ⨯ 2π

=

243. 5 ⨯ 480

720π

= 51.67

3.圆断面计算

ρ i =

x 2 + h 2

ai = r0 + x

Ri = ai + ρ i

ϕ  分别取不同值计算于下表ϕi

7

1

90

0.1875

1.353

5.9635

1.40147

1.29491

4.9048

6.3063

2

75

0.1563

1.216

4.8558

1.33322

1.0674

4.6272

5.9605

3

60

0.125

1.068

3.798

1.26146

0.8282

4.3354

5.5969

4

45

0.0938

0.907

2.7944

1.18524

0.57414

4.0255

5.2107

5

30

0.0625

0.722

1.8514

1.10313

0.30042

3.6915

4.7946

6

15

0.0313

0.495

0.9801

1.01284

-0.0005

3.3243

4.3372

4.椭圆形断面计算

当计算圆形断面半径 ρ＜s 时，蜗壳的圆形断面不能与座环蝶形边相切，须由

圆断面过渡到椭面断面。

圆断面计算中，当ϕ = 90 时， ρ = 1.37m＜s ，即 =

90 时，蜗壳形状已经是椭圆形，即应按椭圆断面计算。

椭圆短半径：

ρ 2 = 1.045A + 0.81L2 -1.345L

与圆的同等面积：

A = πρ 2 + d2ctgα

ρ =

c

（ ctg2α +

2R a

ϕi / c

+

1

sin α

d = ra - R a

椭圆断面长半径

ρ1 = L + ρ2 - ρctgα ,L

=

h

sinα

=

0.83

sin55︒

= 1.013m

椭圆断面中心距

a = R a + 1.22P2

椭圆断面外径

R = a + ρ1

蜗壳图绘制于 10、11 页

8

2.6

4.5

2.72

1.35

1.35

0.675

1.82

1.22

四、尾水管设计

1.尾水管形式的选择

大中型反击式水轮机组如采用直锥型尾水管，会带来大量的挖深，考虑综合考

虑经济性等因素，故本方案采用弯肘形尾水管。

2.尾水管高度的确定

根据 h ≥ 2.6D1

⇒

h = 2.6 ⨯ 5 = 13m

3. 尾水管各部分尺寸的计算

肘管类型：

标准混凝土肘管

适用范围：

混流式 D1＜D 2

D 4 = 1.35D1 = 1.35 ⨯ 5 = 6.75m

锥管段尺寸计算

取 β = 8︒

肘管的计算

D 3 = D 2 = 1.0208D1 = 5 ⨯ 1.0208 = 5.1m

h3 =

D 4 - D 3

2

ctgβ =

6.75 - 5.1

2

ctg 8︒ = 5.87m

出口扩散段

B5 = 2.720D1 = 13.60

b =（0.1 ~ 0.15） B 5

取 b = 0.12 B5 = 1.63 m

R=（3 ~ 6）b取 R = 5b = 8.16 m

r =（0.2 ~ 0.3）b取 r = 0.25b = 0.41 m

l ≥ 1.4D1

尾水管图绘制于 12 页

取 l = 2.0D1 = 10.0 m

9

10