贯流式水轮机毕业设计.docx
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贯流式水轮机毕业设计
贯流式水轮机毕业设计
任务书、基本资料和指示书
河海大学水电学院动力系
二○○六年三月
贯流式水轮机毕业设计任务书
一、设计内容
根据原始资料，对指定电站、指定原始参数进行机电部分的初步设计，包括：
主机选型，调保计算及调速设备选择，辅助设备系统设计，电气一次部分设计,电站机组安装、布置等。
二、时间安排（供参考）
1、主机选型4.5周
2、调保计算及调速设备选择1.5周
3、辅机系统2周
4、电气部分2周
5、整理成果1周
6、评阅答辩l周
7、机动0.5周
总计12.5周
三、成果要求
1、设计说明书：
说明设计思想，方案比较及最终结果，并附有必要的图表。
2、设计计算书：
设计计算过程，计算公式，参数选取的依据，计算结果。
3、图纸：
主机成果图、安装布置图，油、水、气系统图、电气主结线图及专题部分1-2张，共5-6张（含CAD设计图），规格为1号图。
贯流式水轮机毕业设计资本资料
贵港水电站位于广西省东南部，在郁江中段。
电站建成后将向玉林地区及其贵港市和邻近横县等地供电，对该地区工农业发展有重要的意义。
贵港水电站位于郁江中段贵港市下游约6km处。
贵港水电站厂房为低水头河床式厂房，布置于主河槽的左岸边，为枢纽挡水建筑物之一部分。
1、本电站装机方案：
方案序号
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Hmax
米
13.3
13.3
13.3
H平均
米
8.5
8.5
8.5
Hmin
米
2.5
2.5
2.5
N装机
万千瓦
11.5
12.5
13.5
利用小时数
小时
5262
4995
4759
保证出力
万千瓦
3.62
3.61
3.61
2、本电站下游水位曲线
说明：
1）消力池底高程为24.50m;2）Q为闸孔下泄流量。
图1贵港枢纽工程上游⊿43.10正常水位调度运行曲线
（5台机组发电）
说明：
1）消力池底高程为24.50m;2）Q为闸孔下泄流量。
图1贵港枢纽工程上游⊿43.10正常水位调度运行曲线
（机组不发电）
说明：
1）消力池底高程为24.50m;2）Q为闸孔下泄流量。
图3贵港枢纽工程上游⊿43.10正常水位调度运行曲线
（3台机组发电）
下游特征洪水位如下：
千年一遇洪水位▽48.94
百年一遇洪水位▽48.16
3、运行环境
该地区年平均气温为21.5℃，极端最高气温为39.5℃，极端最低气温-3.4℃，年平均相对湿度78％。
4、电站运行发电要求
电站建成后在电网内承担基荷及部分峰荷，并考虑有调相任务。
拟装设6台20MW的灯泡式贯流式水轮发电机组，发电机电压6.3kV，功率因数0.90，电站总装机容量为120MW/133.33MVA，采用110kV及35kV两级电压接入系统。
110kV、35kV出线各为四周（110kV接贵港220kV变电所、南山110kV变电所、贵港110kV变电所和备用电共四回，35kV出线接氮肥厂、小江、石卡及备用共四回）。
35kV侧负荷较小，电站的电能主要从110kV送入系统。
建议电气接线形式：
（1）发电机电压接线，采用两组一变的扩大单元接线，六台机组共组成三个扩大单元，其中两个扩大单元采用双线卷变压器直接送电至110kV电压侧，另一扩大单元采用三线卷变压器分别送电到110kV、35kV侧系统。
（2）110kV采用单母线分段带简易旁路母线接线，二回进线、四回出线。
（3）35kV侧采单母线接线，一回进线、四回出线，另从35kV母线上引一回至近区变电，供厂用和近区用电。
参考资料
1.2大型灯泡机组统计方程
1.2.1若干大型灯泡机视组参数统计方程
按回归分析法，对表所列若干大型灯泡机组参数（即灯泡贯流式水轮机参数）进行幂回归计算，得到若干统计方程。
单机容量40MW大型灯泡视组比转速ns与额定水头Hr之间统计方程为：
（1-1）
单机容量Pr≥30MW统计方程为：
（1-2）
单机容量Pr≥20MW统计方程为：
（1-3）
单机容量Pr≥15MW统计方程为：
（1-4）
可根据单机容量大小，选用式（1-1）～式（1-4），其它容量灯泡机组可参考选用。
此外，考虑水轮机的其它参数与比转速之间的匹配问题，建立水轮机比转速ns与其单位转速n11、单位流量Q11之间的统计方程（系Pr≥15MW工况）：
（1-5）
（1-6）
建立水轮机比转速ns与水轮机装置空蚀系数σp之间的统计方程，根据表1-1数据的统计所得统计方程为：
（1-7）
由于表1-1统计数据较少，以上经验推断基本可满足工程设计的需要。
表1-1灯泡机组ns与σp之间的关系
1.3.2国外统计方程
（一）富士统计方程
日本国富士电机株式会社技术资料中介绍了其有关灯泡机组的统计方程：
（1-8）
（1-9）
式（1-9）出自JEC001（1992），参见图1-2、图1-3。
图1-2H—ns关系曲线
图1-3ns—σ关系曲线
（二）其它统计方程
（1-10）
而式（1-10）经演变则为
其中
（1-11）
2、灯泡机组运行性能设计
2.1灯泡机组协联关系与运行特点
灯泡机组，尤其是大中型灯泡机组结构上都具有桨叶随导叶协联动作的协联装置，协联范围一般为+10º～+45º。
若某水电站在Hmax＝18.5m、Q＝150m3/s的最大水头、最小流量工况下，其灯泡机组方案为6×38.4MW、D1=6.0m、nr=107.1r/min，此时工况点为n11＝149.4r/min、Q11=0.969m3/s，位于+15º～+20º协联工况区域内，水流进口无撞击，出口为法向或赂带正环量，水力损失小、效率高，而且也不会产生因偏离最优工况而形成的偏心低频涡带，减少产生水力振动的可能性。
由于灯泡机组自身的特点（能量指标高，单位流量Q11大），其转轮直径D1小，在同样的水头H和流量Q工况下，从单位流量Q11换算公式
可见，其Q11工况点必然向转轮模型综合特性曲线的最优工况区靠近，且位于协联工况范围之内，且极限工况最大水头Hmax，最小流量Qmin等都处在协联工况范围，基本上保证在工作水头下能协联运行，有效避免失去协联而引发的共振。
2.2结构设计计算
灯泡机组重量较大，仅依靠管形座的2～6支固定导叶及发电机部分的三条辅助支臂支承，固定在流道外壁的混凝土基础中，灯泡体承受着静水压力，水锤、水流脉动、旋转、冲击、水的正反向瞬间增大的推力等动水压力，本体自重，以及发电机在不同工况下的扭矩、热应力等多种负荷。
因此在结构设计中要特别注意结构的强度、应力、刚度、电机温度变化及派生等引起的变形、稳定及振动的固有频率计算。
要求设计中使用如SAP—5、ADINA或各厂家专用的计算程序等，对关键部件，如管形座在大型计算机上计算并绘制其变形图，以获得有价值的数据，并作为结构设计的依据，计算分为安装前、安装中及安装完毕、充水后、满负荷、甩负荷、飞速停机、发电机短路时等工况进行，使结构设计优化，将更有利于提高其运行稳定性。
图2-1法国奈尔皮克公司GZABN32转轮模型综合特性曲线
图2-2瑞士功尔寿公司GZ转轮模型综合特性曲线
图2-3奥地利钢联公司GZ转轮模型综合特性曲线
图2-4日本国富士电机株式会社GZ转轮模型综合特性曲线
图2-5日本国日立公司GZ转轮模型综合特性曲线
图2-6天发厂GZTEO7.30转轮综合特性曲线及飞逸特性曲线
[D1=300mm，轮叶数Z1=4，d/D1=0.4，导叶数Z0=16，H=4m（3-6）]
参考文献
一，水轮机刘大恺主编
二、水轮机调节沈祖诒主编
三、水力机组辅助设备范华秀主编
四、水电站电气部分季一峰主编
五、水电站动力设备设计手册络如蕴主编
六、水轮机设计手册哈尔滨大电机研究所主编
七、水电站的水轮机设备（苏）英洛仁夫主编
八、发电厂（下册）华中工学院主编
九、发电厂变电所电气设备湖南省电力学校主编
十，电力工程设计手册（第一册）西北、东北电力设计院主编
十一、电力工程设计手册（第二册）西北、东北电力设计院主编
十二、水电站机设计技术规程
十三、电力系统规划设计手册（影印摘编本）
十四、电力工程西安交通大学主编
十五、水力机械华东水利学院编中国戒严出版社1961年版
十六、水电站机电设计手册电工一次水利电力出版杜
十七、水电冲机电设计手册水力机械水利电力出版社
十八、水电站动力设备郑源、张强主编水利电力出版杜
十九、贯流式水电站沙锡林、陈新方水利电力出版社
贯流式水轮机毕业设计
指示书
第一节水轮机组选型设计
一，选型设计要求
根据给定的电站资料，选择水轮发电机及其附属设备。
设计过程为：
拟定几个可能的方案，对各初拟方案分别求出其动能经济性并进行综合比较，最后选出最佳方案。
二，选型设计的程序
基于径流式电站的运行特点，灯泡贯流式水轮机有其独特的选择方法和特点，通常灯泡贯流式水轮机的参数选择原则：
在相应的装机规模下，能获得最大的年发电量，以达到最佳的经济效益，以及确定设备的最佳运行方式。
水轮机选型主要是决定转轮型式、机组合数、转轮直径、机组转速、安装高程等参数。
这些参数的选择是否合理，将直接影响年发电量的大小和电站的实际效益。
由于各参数间相互影响、相互制约，其中任何一个参数的改变均会引起电量的变化。
以最大年发电量为条件，对每一种装机规模、各参数组合计算，以选择一种最优的参数组合。
在机型初定的情况下，可根据电站的流量—频率曲线、下游水位一流量关系曲线、水头一频率曲线等原始资料及水轮机模型综合特性曲线作出不同的台数组合，再根据给定的台数作出不同直径、转速和安装高程的组合，以表格的形式列出各参数和计算结果．并绘制成曲线，最后确定机组的最忧参数。
（一）按给定特征水头决定机组型号。
（二）拟定机组台数。
（三）确定水轮机的标准直径和标准转速。
（1）利用型谱表给定的最优参数和限制工况参数计算水轮机直径D1并选用标准值。
（2）利用最优工况的
和计算出的标准直径，计算水轮机转速n，井选用同步转速。
（3）按计算所得的标准直径D1，同步转速n，分别用给定的特征水头（Hmax，Hr，Hmin）在综合特性曲线上面出水轮机工作范围，初步选出较优方案进行详细计算。
（四）技术经济指标计算
（1）动能经济指标计算
1、在初拟方案中优选出3～4个待选方案。
2、利用综合特性曲线绘制各待选方案的运转特性曲线。
3、利用面积法求各方案运转特性曲线的平均效率。
4、按效率差值求出电能差最后折算成投资差（0.30元/kW·h）。
5、求最优方案的Hs值。
（2）机电设备投资和耗钢量。
1、机电部分包括：
水轮机、发电机、调速器、辅助设备、起重设备、开关设备、变压器，以及设备运输、安装费用等，对每一方案应算出其总设备造价，井折算成单位千瓦投资。
2、算出每一方案的总耗钢量和单位千瓦耗钢量。
以上关于设备的投资和耗钢量估算，单价可参考表一，计算方法可参阅参考资料十五附录Ⅲ，或参阅参考资料五，机电设备重量及价格亦可直查阅有关产品目录或样本。
方案比较时电气主结线可先统一按“发电机一变压器”单元结线。
高压按单母线结线。
电气部分自动化设备总价按发电机变压器及开关总价的10％计。
（3）水轮机运行性能比较
根据水电站在电力4系统中的运行方式，水轮机在计算水头下的效率值，汽蚀性能，运行管理方式进行综合分析。
三、各待选方案的综合比较
上述各项计算可自编程序，采用微型计算机进行。
表式参见表二～表五。
表一主要机电设备参考单价表
项目
参考价格
项目
参考价格
水轮机
2.5万元／吨
桥式起重机
1.2万元／吨
发电机
3.0万元／吨
变压器、开关设备
4.0万元肫
调速器
80万元/台
油压装置（不含油）
3.0万元／吨
表二水轮机方案比较综合表
方案
项目
I
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
最大水头Hmax（米）
最小水头Hmin（米）
平均水头Hp（米）
装机容量Ny（万千瓦）
水轮机型号
单机容量N（千瓦）
机组台数
转轮直径D1（米）
机组转速（转／分）
受阻容量（千瓦）
计算水头（米）
水轮机最高效率
水轮机平均效率
模型最高效率时的n
总投资（万元）
单位千瓦投资（元／千瓦）
总耗钢量（吨）
单位千瓦耗钢量（公斤/千瓦）
比较结果
表三水力机械投资估算表
方案
项目
I
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
水轮机单重（吨／台）
水轮机总重（吨）
水轮机单价（万元/吨）
水轮机总价（万元）
调速器单价（万元）
调速器总价（万元）
起重机重量（吨）
起重机单价（万元／吨）
起重机总价（万元）
辅助设备（包括主阀）投资（万元）
安装运输费（万元）
总投资（万元）
总耗钢量（吨）
单位千瓦投资（元／千瓦）
单位千瓦耗钢量（公斤／千瓦）
表四电气部分投资估算表
方案
项目
I
Ⅱ
Ⅲ
IV
发电机单重（吨／台）
发电机总量（吨）
发电机单价（万元/吨）
发电机总价（万元）
变压器、开关总价（万元）
自动化设备总价（万元）
设备安装运输费（万元）
总计（万元）
单位千瓦投资（元/千瓦）
单位千瓦耗钢量（公年／千瓦）
表五水轮机方案比较机电投资总表
方案
项目
I
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
水力机械部分
总投资（万元）
总耗钢量（吨）
单位千瓦投资（元／千瓦）
单位千瓦耗钢量（公斤／千瓦）
电气部分
总投资（万元）
总耗钢量（吨）
单位千瓦投资（元/千瓦）
单位千瓦耗钢量（吨／千瓦）
机电投资总计
总投资（万元）
总耗钢量（元/千瓦）
单位千瓦投资（元/千瓦）
单位千瓦耗钢量（吨/千瓦）
四、最优方案主要参数．（列表）
五、计算最优方案的进，出水流道
1、直轴引水室计算。
（画出单线图）
2、直锥式尾水管计算。
（画出单线图）
六，绘制厂房横剖面图
1、按主机及电机外形尺寸定出厂房主要尺寸。
2、按下游水位和Hs定出主厂房各层标高。
3、按发电机层标高求出水轮机主轴长度．
4、按主轴长度和起重机尺寸决定厂房高度。
5、初步绘制厂房横剖面图，（待以下各节其他部分设计完成后，再作修改，正式绘制）。
（一）厂房各层高程的确定。
（1）根据已选定的机型计算出水轮机动性吸出高度Hs的大小以及下游最低水位（一台机组满负荷情况下泄流量水位）。
确定水轮机的装置高程．根据已选定的直锥式尾水管型式尺寸，可定出水电站厂房水管底板高程．岩基上直锥式尾水管的底板厚度约为0.5米，较坏的地基底板厚度在3米以下．但直锥式尾水管出口顶部高程，应在下游最低水位以下至少0.75-1.0米。
（2）前缘长度的确定，厂房前缘挡长度应满足流道、吊车限制线、安装间平面尺寸、边墩结构厚度、左右两端墙结构厚度的要求
（3）上下游底宽的确定：
厂房上、下游方向底宽按流通长度和进出口闸门布置要求确定。
上部宽度除满足下部要求外还要满足启闭机布置、运行及进出口平台布置要求。
（4）安装高程的确定。
水轮机的安装高程是厂房的最基本的数据。
安装高程应满足各种工况下防止空蚀和尾水口淹没深度大于0.5m的要求。
在基本高程确定后，为获得较大的发电效益，可进行降低安装商程的方案比较，经济、技术论证后最终确定安装高程。
另外还应考虑河床下切的影响留有一定的余地。
（5）建基高程的确定，建基高程受流道和设备布量影响、通常在流道和设备布置外轮廓线，减底板厚波即为厂房各邻位的建基高程。
管道电缆层高程为流道顶高程外加流道顶板厚度。
（6）运行层高程的确定，有些电站厂房不设置运行层，高运行层的，其高程为管道电缆高程加5m左右。
（7）考虑吊车在吊起水轮机转轮时能在厂房内通行，不妨碍到其他机组运行以及人行，可以确定吊车粱上轨道的高程，再加上吊车的高度以及厂房梁架高度，可定出厂房顶的高程。
（二）厂房布置
1．设备布置
（I）流道及进出口设备布置。
灯泡式水轮发电机组过水流道外形由生产厂家根据试验确定并提供给设计部门，流道通常可分成进口段、中段和出口段，灯泡式水轮发电机组放置在流道中段内，其上游部分为进口段，下游部分为出口段。
流通进口段通常布置有拦污栅、检修闸门及其所属的启闭设备。
流道出口通常只布置工作门及其启闭设备。
（2）主、副厂房设备布置。
包括水轮机辅助设备及调速器、油压装置、起重设备、防飞速设备等。
第二节调节保证计算及调速设备选择设计
一、任务
选取导叶接力器分两段关闭，其中第二阶段时间延长约20～30s，使相应的ξ和β值不超过相应规程规定的数值，选取接力器，调速器和油压装置的尺寸和型号。
二、调保计算工况选择
应对设计水头和最高水头甩全负荷两种工况进行计算，应使两个ξ和β均不超过规程的值。
在电站布置型式为单机单管时，甩调节保证计算应在60％一l00％的负荷范围内进行计算，以降低甩负荷时的反向水推力。
为引水系统惯性时间常数，是造成调节系统不稳定的主要因素之一，Tw过大将恶化调节系统动态特性。
而
为机组惯性时间常数，它表示机组达到额定角速度
所需时间，其大小也就代表机组本身惯性大小。
Tw和Ta均需经计算比较后择优选择。
三、调保计算步骤
先对设计工况计算，给定Ts值，一般电站Ts可在4-8秒内选取，计算ξ和β；若超过允许值，则适当调整Ts，再计算，如满足要求，则计算最大水头甩全负荷；此时因为最大水头带全负荷时导叶开度比较小，故实际关闭时间将不是Ts，而是
或
+
式中：
和
——分别是在Hmax和HP带全负荷时的导叶开度；
，和
——分别是在Hmax和HP带全负荷时导叶接力器的直线关闭时间，如最大水头甩负荷时ξ和β值超过规定值，则还要调整Ts，并重新对设计工况进行计算，如满足要求，则计算结束。
四、调保计算公式
建议参考参考资料二，并应适当考虑水流惯性。
五、原始数据取得
1、∑LV应按从进水口至直锥式尾水管出口分段进行计算然后叠加。
其中钢管部分和直锥式尾水管部分的∑LV通常是全部计入的，而直轴引水室Zw有时取一部分（如一半），因为直轴引水室并不是全部串联在管路中，压力钢管流道可取经济流速约5米/秒左右，遂洞内流速约为3米／秒左右。
2、发电机GD2，可根据同型号发电机在手册中查得。
（参考资料五和七）或按下列公式近似计算：
GD2=（4.5-5.5）
li（吨米2）
其中：
Di—定子铁芯内径；Li—定于铁芯高度（单位均为米）。
六、调速设备选择计算：
参看参考资料二和六。
新的大中型电站一般应选用电调．选油压装置时先不考虑主阀等其他设备。
第三节辅助设备
一、水系统
1、技术供水
（1）确定哪些设备用水进行冷却、润滑、操作的，按参考资料三或参考资料所述的方法进行用水量估算，水温按25℃考虑。
（2）水源和供水方式
根据电站水头，按参考资料十二的规定，确定供水方式．如所采用的供水方式不符合规程规定，应通过技术经济比较进行论证。
供水设备选择，确定滤水器型式和个数；
采用水泵供水时，应首先确定设备配置方式，再根据水压水量要求选择水泵，并按参考资料十二的要求设置备用泵，校验吸水高、确定是否设置起动充水设施。
采用射流泵供水时，应按参考资料五所介绍的方法，确定射流泵的主要参数。
2、消火
用水灭火遗留问题较多、可靠性较差，发电机灭火方式时，采用CO2灭火介质作为贯流式发电机组灭火较为适宜。
（1）灯泡式发电机的特点
灯泡式发电机工作在水下灯泡体内，很难发现火灾，必须采用自动化灭火装置；灯泡机组密封性防止CO2泄漏更有利；灯泡机组长期工作在水下，善后处理困难，发电机绝缘不适合采用水作灭火介质。
（2）灯泡式发电机灭火装置设计筒况
灯泡式发电机灭火装置采用全充满CO2灭火系统，由储罐、输气管、喷头及报警启动设备组成。
CO2贮存在低压储罐内集中供气方式，经输气管送至发电机机房。
为维持CO2灭火浓度，保证灭火质量，每组设两套管路，一套是紧急灭火释放CO2，另一套是维持和补充CO2。
在机坑里装设烟雾信号和光敏元件作为传感器，设自动和手动设备，CO2设计用旦Ms可按下式计算：
Mc＝1.08Ms（kg）
式中：
Mc—理论储存量（kg）；
Ms—计算用量（kg）；
K1—面积折减系数，Kl＝0.2kg/m2；
K2—体积折减系数，K2＝0.7kg/m2；
A—折算面积（m2）；
Av—发电机灭火区侧面、底面、顶面总面积（含开口面积）（m2）；
Ao—开口总面积（m2）；
V—发电机灭火净空间容积（m3）。
3、技术和生活供水
灯泡机组运行水头低，应根据电站具体水温、水质条件，确定水源，改善机组的冷却润滑条件。
（1）清水电站供水方式
可从上游取水自流供水，而排水至集水井，由厂房渗漏排水泵排至下游，水头稍高的电站，甚至可以自流排水。
。
如广东白垢水电站运行水头较低（Hmax＝9.8m、Hr＝6.2m），采用上述供水方式。
（2）浑水电站供水方式
多泥沙河流，水源取水口应设置斜管式取水口，设置蜂窝式斜管沉淀池，并在取水口设置高压冲水管便于随时冲洗。
（3）分别供水方式
灯泡机组的轴承供水系统和发电机冷却供水系统分为两部分，互不联通。
发电机多采用密闭循环水冷却器冷却方式，用经软化的清洁水做为循环水，在冷却套夹层内热水与河水进行热交换，减少结垢现象和清洁水量。
技术供水仅供轴承冷却器、主轴密封及设备消防用水。
（4）蜂窝式斜管沉淀池设计计算
斜管的长度800～1000mm，可根据水力计算并结合斜管材料决定。
根据斜管内流态及颗粒在沉淀过程中水平流速的变化而推导出来颗粒沉降的轨迹而得出斜管长度的水力计算公式：
式中：
d—斜管断面内径或边距，25～35mm，大型水池50mm左右；
l—斜管长度（mm）；
u。
—设计采用的管内上升流速，一般采用3.0～4.0mm/s；
υo—设计采用的颗粒沉降速度（mm/s）；
θ—斜管水平倾角（º）；
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