水轮机部分设计说明书.docx
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水轮机部分设计说明书
设计说明书
第一章水轮机部分
1.1概述
（1）水电站名称：
05水电站
（2）电站地理位置：
位于广西和贵州省交界的南盘江上。
（3）枢纽任务：
以发电为主，兼顾航运。
（4）水能开发方式：
堤坝式。
（5）水文气象资料
平均气温：
10.9℃，最低气温：
-7.0℃，多年平均风速5.4m/s，多年平均悬移质输沙量1580万吨；推移质输沙量72万吨；设计洪峰流量18550㎥/s，校核洪峰流量23450㎥/s。
（6）水能规划参数
电站总装机容量：
400MW设计保证率：
91%
最大水头：
Hmax=38.9m设计水头：
Hr=34.0m
平均水头：
Hav=35.0m最小水头：
Hmin=27.1m
1.2水轮机选型及机组台数的确定
1.2.1水轮机型号的选择
根据已知水电站的水头范围，查<<水轮机>>P370-371转轮型谱参数，再计算设计水头下的比转速，查<<水轮机>>P322图9-32水轮机最有效率和比转速之间的关系，故确定水轮机型号为ZZ440。
1.2.2转轮型谱参数
表1-1转轮参数表
适用水头范围（m）
转轮型号
叶片数Z1
轮毂比
B
导叶相对高度
最优单位转速n11（rpm）
推荐使用最大单位流量
Q11（l/s）
模型空化系数
20~36（40）
ZZ440
6
0.50
0.375
115
1650
0.38~0.65
1.2.3装机台数的确定
（1）机组台数多，单机容量小，小机组单位千瓦造价高，同时，相应的主阀，调速器附属设备及电气设备的套数增加，投资亦增加，一般情况下，台数多对成本和投资不利。
（2）本电站有调峰任务，对于变动负荷的水电站，若采用过少的机组台数，虽单机效率高，但在部分负荷时，由于负荷不便在机组间调节，因而不能避开低效率区，这会使电站的平均效率降低。
（3）当机组台数较多时，电站的运行人员增加，消耗品增加，因而，运行费用较高。
综上所述，最终决定选择装机台数为四台，五台或六台。
1.3初选方案
表1-2初选方案列表
初选方案
水轮机型号
装机台数（台）
单机容量（MW）
方案一
ZZ440
4
100
方案二
ZZ440
5
80
方案三
ZZ440
6
66.7
1.4各初选方案原型水轮机参数的计算
1.4.1各方案工作范围图的绘制
（1）方案一同步转速下各水头对应的单位转速计算结果列表如下：
表1-3
Hmin=27.1m
Hr=34.0m
Hav=35.0m
Hmax=38.9m
n=100r/min
124.86
111.47
109.87
104.22
绘制工作范围如附图1所示
（2）方案二同步转速下各水头对应的单位转速计算结果列表如下：
表1-4
Hmin=27.1m
Hr=34.0m
Hav=35.0m
Hmax=38.9m
n=115.4r/min
133
118.75
117.04
111.02
绘制工作范围如附图2所示
（3）方案三同步转速下各水头对应的单位转速计算结果列表如下：
表1-5
Hmin=27.1m
Hr=34.0m
Hav=35.0m
Hmax=38.9m
n=136.4r/min
131.0
116.96
115.28
109.35
绘制工作范围如附图3所示
1.4.2各方案机组技术参数
表1-6各方案机组技术参数表
方案一
方案二
方案三
单机容量×台数
100MW×4
80MW×5
66.7MW×6
水轮机型号
ZZ440
ZZ440
ZZ440
适用水头范围H（m）
20~36（40）
20~36（40）
20~36（40）
额定水头Hr（m）
34.0
34.0
34.0
转轮直径D1（m）
6.5
6
5
原型机最高效率（%）
0.93
0.93
0.93
限制工况效率（%）
0.876
0.876
0.876
同步转速n（r/min）
100
115.4
136.4
飞逸转速nR（r/min）
316.65
343.03
411.64
额定流量（m3/s）
362.15
285.48
237.61
额定单位转速n11r（r/min）
111.47
118.75
116.96
额定单位流量Qr（m3/s）
1.47
1.36
1.63
吸出高度Hs（m）
-16
-15.68
-21
安装高程▽（m）
379.665
379.78
375.05
总轴向力Fa（N）
13320310.41
11272761.9
7715552.18
1.5精选方案的确定及其参数的计算
1.5.1精选方案的确定
对以上三种方案从能量性能，空化性能等方面的比较，最终确定方案一，方案二为精选方案，精选方案的技术参数如表1-7所示。
表1-7精选方案的技术参数
精选方案
转轮型号
台数
单机容量（MW）
n（r/min）
Hs（m）
Qr（㎥/s）
D1（m）
方案一
ZZ440
4
100
87.6
100
-16
362.15
6.5
方案二
ZZ440
5
80
87.6
115.4
-15.68
285.48
6
1.5.2精选方案综合特性曲线的绘制
（1）方案一运转综合特性曲线的绘制
等效率线见附图4
出力限制线见附图4
等吸出高度线见附图5
运转综合特性曲线见附图6
（2）方案二运转综合特性曲线的绘制
等效率线见附图7
出力限制线见附图7
等吸出高度线见附图8
运转综合特性曲线见附图9
1.5.3精选方案发电机的选择
（1）方案一发电机的选择
发电机型式的选择
水轮发电机初步选择伞式
发电机冷却方式和励磁方式的确定
冷却方式选择空气冷却，励磁系统采用可控硅励磁系统。
发电机外形尺寸的估算
表1-8发电机主要尺寸单位：
cm
极距
定子内径Di
定子铁芯长度lt
定子铁芯外径Da
58.89
1144.39
179.66
1216.258
表1-9发电机水平尺寸单位：
cm
定子机座外径D1
风罩内径D2
转子外径D3
下机架最大跨度D4
推力轴承外径D6
励磁外径D7
1386.53
1626.53
1144.39
1020
430
380
表1-10发电机轴向尺寸单位：
cm
定子机座高度h1
上机架高度h2
推力轴承高度h3
下机架高度h7
转子磁轭轴向高度h10
发电机主轴高度h11
357.44
114.439
180
228.878
234.66
686.38
定子机座支撑面至下机架或挡风板之间的距离h8
机架支撑面至主轴法兰底面之间的距离h9
定子铁芯水平中心线至主轴法兰盘底面之间的距离h12
286.0975
100
399.08
表1-11发电机重量
发电机总重Gf（t）
发电机转子重量Gz（t）
发电机飞轮力矩GD2（t·m2）
891.544
445.772
47365.70
表1-12发电机技术参数表
型号
形式
励磁方式
额定容量
功率因数
额定电压（kv）
转速（rpm）
Sf（kvA）
Nf（kW）
额定转速
飞逸转速
SF100000-30/1216
全伞式
可控硅励磁
117647.049
100000
0.85
13.8
100
316.65
方案一发电机外形尺寸图如附图10所示
（2）方案二发电机的选择
发电机型式的选择
水轮发电机初步选择伞式
发电机冷却方式和励磁方式的确定
冷却方式选择空气冷却，励磁系统采用可控硅励磁系统。
发电机外形尺寸的估算
表1-13发电机主要尺寸单位：
cm
极距
定子内径Di
定子铁芯长度lt
定子铁芯外径Da
58.70
972.10
172.61
1042.54
表1-14发电机水平尺寸单位：
cm
定子机座外径D1
风罩内径D2
转子外径D3
下机架最大跨度D4
推力轴承外径D6
励磁外径D7
1188.50
1428.50
972.10
900
400
350
表1-15发电机轴向尺寸单位：
cm
定子机座高度h1
上机架高度h2
推力轴承高度h3
下机架高度h7
转子磁轭轴向高度h10
发电机主轴高度h11
350.01
97.210
180
194.42
227.61
631.82
定子机座支撑面至下机架或挡风板之间的距离h8
机架支撑面至主轴法兰底面之间的距离h9
定子铁芯水平中心线至主轴法兰盘底面之间的距离h12
242.5525
100
388.61
表1-16发电机重量
发电机总重Gf（t）
发电机转子重量Gz（t）
发电机飞轮力矩GD2（t·m2）
698.336
349.168
25707.367
表1-17发电机技术参数表
型号
形式
励磁方式
额定容量
功率因数
额定电压（kv）
转速（rpm）
Sf（kvA）
Nf（kW）
额定转速
飞逸转速
SF80000-26/1042
伞式
可控硅励磁
94117.6
80000
0.85
10.5
115.4
343.03
方案二发电机外形尺寸图如附图11所示
1.6最佳方案的确定
1.6.1水轮机平均效率的计算
方案一平均效率为91.33%
方案二平均效率为90.78%
1.6.2投资估算及综合比较
表1-18两精选方案的机电设备投资估算表
项目
方案一
方案二
装机台数（台）
4
5
水轮机单重（t/台）
557.73
469.73
水轮机总重（t）
2230.92
2349.65
水轮机单价（万元/t）
2.5
2.5
水轮机总价（万元）
5577.3
5874.125
调速器单价（万元/台）
80
80
调速器总价（万元）
320
400
发电机单重（t/台）
891.544
698.366
发电机总重（t）
3566.176
3491.83
发电机单价（万元/t）
3
3
发电机总价（万元）
10698.528
10475.49
总投资（万元）
16595.828
16749.615
1.6.3最佳方案的确定
综上，方案一的平均效率较高，且投资较小，因此，最终确定方案一为最佳方案。
表1-19最优方案技术参数表
装机容量（MW）
400
机组台数（台）
4
单机容量（MW）
100
水轮机型号
ZZ440
转轮直径（m）
6.5
机组转速（r/min）
100
额定流量（㎥/s）
362.15
吸出高度（m）
-16
导叶高度（m）
2.4375
1.7最佳方案蜗壳的水力设计及其绘制
1.7.1蜗壳的形式选择及相关参数计算
由于轴流式水轮机使用水头较低，当水头低于40米是一般采用混凝土蜗壳。
根据最佳方案转轮直径=6.5米查<<水电站机电设计手册——水力机械>>P128表2-15得出座环的尺寸参数如表1-20所示。
表1-20座环的尺寸参数
转轮直径（m）
Db（m）
Da（m）
K（m）
r（m）
6.5
8.55
9.8
0.1
0.6
1.7.2进口断面参数计算
表1-21进口断面参数表
Q0（㎥/s）
F0（㎡）
a（m）
b（m）
m（m）
n（m）
181.075
38.527
4.3
9.73
3.7425
2.85
1.7.3各断面参数的计算
（1）b/r=f（r）函数曲线计算表如表1-22所示。
表1-22各断面的b/r=f（r）参数表
1断面
（进口断面）
b
9.73
9.73
9.73
9.73
6.40
4.60
r
9.337
8.637
7.937
6.60
6.20
5.10
b/r
1.04
1.13
1.23
1.47
1.03
0.90
2断面
b
8.40
8.40
8.40
8.40
6.40
5.30
r
8.537
8.03
7.54
6.24
6.20
5.63
b/r
0.98
1.05
1.11
1.36
1.03
0.94
3断面
b
7.20
7.20
7.20
6.12
r
7.737
6.45
5.90
5.33
b/r
0.93
1.12
1.22
1.15
4断面
b
6.00
6.00
6.00
4.98
r
6.937
6.08
5.61
5.13
b/r
0.86
0.99
1.07
0.97
5断面
b
4.70
4.70
r
6.137
5.80
b/r
0.77
0.81
用表1-22中各断面的r和b/r的数值绘制出b/r的关系曲线如附图12所示，绘图比例1:
200。
（2）
=f（r）曲线计算
（3）计算各个断面的流量
（4）计算各断面的平均流速
上述各
角、
和
的计算结果列表如表1-23所示。
表1-23
=f（r）曲线计算表
断面号
=
（㎥/s）
（m2）
（m/s）
1
9.337
5.637
=180
181.075
37.08
4.88
2
8.537
4.348
=138
138.824
26.8
5.18
3
7.737
3.288
=106.3
106.935
18.32
5.84
4
6.937
2.264
=72.3
72.732
11.28
6.45
5
6.137
1.408
=44.9
44.866
5.68
7.90
按照表1-23当中的数据可绘制出
=f（r），
=f（r），
=f（r）的关系曲线如附图12所示，绘图比例1:
200。
（5）绘制蜗壳各节断面图与平面图
表1-24蜗壳各节断面的
角度
30°
60°
90°
120°
150°
180°
半径
5.3
6.537
7.40
8.33
8.83
9.337
绘制蜗壳的各节断面图与平面图如附图13所示
1.8最佳方案尾水管水力设计
1.8.1尾水管型式的选择
尾水管型式选择弯肘型尾水管
1.8.2尾水管部分尺寸及参数选择
（1）尾水管高度h
尾水管高度指的是从水轮机底环平面到尾水管底板的高程，是决定尾水管性能的主要参数。
对转桨式水轮机，h≥2.3，故h≥2.3×6.5=14.95m,取15m。
则h/=2.3。
查<<水电站机电设计手册——水力机械>>P129表2-17，选择选择推荐的尾水管尺寸如下表。
表1-25尾水管尺寸表
h/D1
L/D1
B5/D1
D4/D1
H4/D1
H6/D1
L1/D1
H5/D1
肘管型式
适用范围
2.3
4.5
2.42
1.2
1.2
0.6
1.62
1.27
标准混凝土肘管
轴流式
（2）进口锥管段的锥角选择β=8°。
（3）
表1-26直锥段尺寸表单位：
m
D3
D4
h3
β
6.32
7.8
5.34
8°
（4）
表1-27扩散段及肘管段的相关尺寸单位：
m
h
L
B5
D4
h4
h6
L1
h5
14.95
29.25
15.73
7.8
7.8
3.9
10.53
8.225
1.8.3计算肘管详细尺寸
表1-28肘管正视图单位：
m
D4
h4
h6
R1
R2
d1
d2
d3
7.8
7.8
3.9
4.707
6.716
2.816
8.153
1.108
表1-29肘管俯视图单位：
m
B5
R3
d4
d5
R4
15.715
4.521
10.53
0.621
8.537
绘制肘管正视图和俯视图如附图14所示
1.8.4绘制水平截面投影图
表1-30肘管水平截面绘图尺寸表单位：
m
Z
y1
x1
y2
x2
y3
x3
R1
R2
F
0.78
0.325
4.42
3.12
2.856
2.889
0.736
4.313
4.521
0.621
4.68
3.584
1.637
-2.689
5.299
0.823
4.194
5.942
4.397
0.497
7.02
3.9
0
0.261
4.098
1.084
3.839
4.106
4.024
0.124
绘制肘管水平截面投影图如附图15所示
1.8.5水平扩散段尺寸
表1-31水平扩散段尺寸单位：
m
L
B
b
R
r
l
33.75
18.13
1.813
9.065
0.54
10.5
绘制尾水管整体正视图和俯视图如附图16所示
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