课程设计说明书设计题目：大江水电站水轮机选型设计
学生姓名：蒋进玮
学号：110280429
学院：水电学院
班级：热动1104班
指导教师：王利英
《水轮机》课程设计任务书
1 课程设计的目的
课程设计的目的，是培养学生运用本课程及相关课程基本理论和技术解决实际问题，进一步提高运算、绘图和使用技术资料的能力，通过具体工程实例设计提高设计观念和分析解决工程问题的能力。
2 课程设计成果及要求
2.1 课程设计成果
（1）设计说明书一份，内容包括：
A、封面；
B、课程设计任务书；
C、中文摘要；
D、英文摘要；
E、目录；
F、正文；
G、谢辞；
H、参考文献；
I、附录（附录为可选内容）。
（2）设计图纸一张，内容为：
设计过程中的辅助图、蜗壳、尾水管单线图。采用大米格纸或1号AutoCAD打印图纸，文字书写必须采用符合制图规范的长仿宋体。
2.2 设计成果要求
※请大家务必按以下要求完成设计成果，否则，审查时不予通过。
2.2.1 说明书内容要求
（1）摘要。中文摘要在300字左右，外文摘要以250个左右实词为宜，关键词一般以3～5个为妥。
（2）目录。按三级标题编写（即：1 ……、1.1 ……、1.1.1 ……），附录也应依次列入目录。
（3）量和单位。量和单位必须采用中华人民共和国的国家标准GB3100～GB3102-93，它是以国际单位制（SI）为基础的。非物理量的单位，可用汉字与符号构成组合形式的单位。
（4）正文标题层次。全部标题层次应有条不紊，整齐清晰。相同的层次应采用统一的表示体例，正文中各级标题下的内容应同各自的标题对应，不应有与标题无关的内容。
章节编号方法应采用分级阿拉伯数字编号方法，两级之间用下角圆点隔开，每一级的末尾不加标点。分级阿拉伯数字的编号一般不超过四级。
各层标题均单独占行书写。第一级标题居中书写；第二级标题序数顶格书写，后空一格接写标题，末尾不加标点；第三级和第四级标题均空两格书写序数，后空一格书写
标题。第四级以下单独占行的标题顺序采用A.B.C.…和a.b.c.两层，标题均空两格书写序数，后空一格写标题。正文中对总项包括的分项采用⑴、⑵、⑶…单独序号，对分项中的小项采用①、②、③…的序号或数字加半括号，括号后不再加其他标点。
（5）公式。公式号以章分组编号，如（2?4）表示第2章的第4个公式。公式应尽量采用公式编辑程序录入，选择默认格式，公式号右对齐，公式和编号之间不加虚线，公式调整至基本居中。
（6）表格。每个表格应有表序和表题，表序以章分组编号。表序和表题应写在表格上放正中，表序后空一格书写表题。表格允许下页接写，表题可省略，表头应重复写，并在右上方写"续表××"。
（7）插图。插图必须精心制作，线条粗细要合适，图面要整洁美观。每幅插图应有图序和图题，图序以章分组编号，如（图2?4）表示第2章的第4个图，图序和图题应放在图位下方居中处。图应在描图纸或在白纸上用墨线绘成，也可以用计算机绘图。
（8）参考文献。一律放在文后，参考文献的书写格式要按国家标准GB7714－87规定。参考文献按文中出现的先后统一用阿拉伯数字进行自然编号，序码宜用方括号括起。书写格式为：
[序号]主要责任者．论文题目[J]．刊名，年，卷（期）：起止页码．
[序号]主要责任者．书名[M]．出版地：出版者，出版年，起止页码．
[序号]标准编号，标准名称[S]．
例如：
[1]曾维川，王金敏．AutoCAD2000绘图基础[M]．天津：天津大学出版社，2001．
2.2.2 排版打印格式
说明书可以打印或手写，并装订整齐。手写说明书时，必须整洁，字体大小适中，符合格式要求，并采用河北工程大学课程设计专用纸。
打印说明书时，应满足以下要求：
（1）页面设置：A4纸，单面打印。上3cm，下2.5cm，左2.5cm，右2cm，装订线0.5cm，选择“不对称页边距”，页眉1.8cm，页脚1.5cm。
（2）页眉设置：居中以小五号宋体字键入“河北工程大学课程设计”。
（3）页脚设置：插入页码，居中。
（4）正文文字：内容字型一律采用宋体，标题加黑，章节题目用小三号字，内容采用小四号字汉字宋体和四号Times New Roman英文。
（5）正文段落格式：行距固定值，20磅，段前、段后均为0行。标题可适当加宽，设置为段前、段后均为0.5行。
设计图纸必须整洁，符合水利工程制图规范。可采用大号米格纸或1号AutoCAD 打印图纸，文字书写必须采用符合制图规范的长仿宋体。
未尽事宜，按指导教师要求完成。
3 设计题目及基本资料
3.1 设计题目
大江水电站水轮机选型设计
3.2 基本资料
大江水电站，最大净水头H max=35.87m，最小净水头H min=24.72m，设计水头H p=28.5m，电站总装机容量N装=68000kW，尾水处海拔高程▽=24.0m，要求吸出高Hs>-4m.
3.3 设计内容
水轮机是水电站中最主要的动力设备之一，它关系到水电站助工程投资、安全运行、动能指标及经济效益等重大问题，正确地进行水轮机选择是水电站设计中的主要任务之一。本次设计的内容有：
(1) 确定机组台数与单机容量。
(2) 确定水轮机的型号与装置方式
(3) 确定水轮机的转轮直径与转速。
(4) 确定水轮机的吸出高度与安装高程。
(5) 绘制水轮机运转特性曲线。
(6) 确定蜗壳、尾水管的型式与尺寸
(7) 选择调速器与油压装置。
摘要
本设计着重阐述了水轮机型号的选择和设计过程。
主要内容有：
通过已知所给水电站的数据，应用主要综合特性曲线初步拟订待选方案，通过初步分析比较淘汰明显不合理的方案，保留两个较好的方案精选，精选过程进行两个方案的动能经济比较，绘制运行特性曲线，进行机电设备的投资估算及土建工程比较，对代表年进行水轮机的平均效率及电能计算，最佳方案的确定，水轮机飞逸转速，轴向力的计算，导叶高程，导叶最大及最优开度的确定，并对最佳方案的蜗壳和尾水管进行计算与绘制。
关键词：水轮机；选型；工作曲线；效率
Abstract
This design elaborated emphatically the model selection of hydraulic turbine generator auxiliary equipment of the design process.
The primary includes:
Hydropower station data is given by the known,the primary synthesis property curve was used to choose the scheme of the turbine, after preliminary comparison, the obviously unreasonable plan was eliminated and two good selections were retained. The selection process includes the kinetic energy economy comparisons, the plan movement characteristic curve, the investment estimate of the electromechanical device and the civil engineering comparison. The average efficiency and power of turbine in represent years were calculated to get the best plan. Then the leisurely rotational speed, the axial force, the guide vane elevation, the most superior opening, and the optimal scheme of spiral and tail pipe calculation and rendering
Key words: hydraulic turbine; type selects; working curve ; efficiency.
目录
《水轮机》课程设计任务书 (1)
1 课程设计的目的 (1)
2 课程设计成果及要求 (1)
2.1 课程设计成果 (1)
2.2 设计成果要求 (1)
2.2.1 说明书内容要求 (1)
2.2.2 排版打印格式 (2)
3 设计题目及基本资料 (3)
3.1 设计题目 (3)
3.2 基本资料 (3)
3.3 设计内容 (3)
摘要 (4)
Abstract (5)
目录 (6)
第一节基本资料及设计内容 (8)
1.1、课程设计的目的 (8)
1.2 基本资料 (8)
1.3 设计内容 (8)
第二节机组台数与单机容量的选择 (8)
2.1 机组台数的选择 (9)
2.1.1机组台数与机电设备制造的关系 (9)
2.1.2机组台数与水电站投资的关系 (9)
2.2.3 机组台数与水电站运行效率的关系 (9)
2.2.4 机组台数与水电站运行维护工作的关系 (9)
2.2 单位容量的选择 (9)
第三节水轮机型号、装置方式、转轮直径、转速、及吸出高度与安装高程的确定 (10)
3.1 HL240型水轮机 (10)
3.1.1 转轮直径D计算 (10)
3.1.2 转速计算 (10)
3.1.3 效率修正值的计算 (11)
3.1.4 工作范围校核 (11)
3.1.5 吸出高度Hs的计算 (12)
3.1.6 装置方式： (12)
3.1.7 安装高程的确定： (12)
3.2 ZZ440型水轮机 (13)
3.2.1 转轮直径D计算 (13)
3.2.2 转速n计算 (13)
3.2.3 效率及单位参数修正 (13)
3.2.4 工作范围的检验计算 (14)
3.2.5 吸出高度Hs的计算 (15)
3.2.6 装置方式： (16)
3.2.7 安装高程的确定： (16)
3.3 两种方案的比较分析 (16)
第四节水轮机运转特性曲线的绘制 (17)
4.1 基本资料 (17)
4.2 等效率线的计算与绘制 (17)
4.3 出力限制线的绘制 (18)
4.4 等吸出高度线的计算 (18)
第五节蜗壳设计 (19)
5.1 蜗壳型式选择 (19)
5.2 主要参数确定 (19)
5.2.1 断面形状的确定 (19)
5.2.2 蜗壳包角的选择 (19)
5.2.3蜗壳进口断面面积及尺寸 (19)
5.3 蜗壳的水力计算及单线图，断面图的绘制 (20)
5.3.1 根据以选择的蜗壳断面形状，确定具体尺寸 (20)
5.3.2 中间断面尺寸 (20)
第六节尾水管设计 (21)
6.1 尾水管型式的选择 (21)
6.2 尺寸确定及绘制平面剖面单线图 (21)
第七节调速设备的选择 (22)
7.1 调速器的计算 (22)
7.2 接力器的选择 (23)
7.2.1 接力器直径的计算 (23)
7.2.2 接力器最大行程的计算 (23)
7.2.3 接力器容量的计算 (23)
7.3 调速器的选择 (23)
7.4 油压装置的选择 (24)
参考文献： (24)
第一节基本资料及设计内容
1.1、课程设计的目的
通过水轮机的课程设计，将各种水轮机的性能参数整理并绘制成不同形式的曲线，它是与水轮机课程教学相辅助的一个理论学习的环节，也是课程教学中一个必不可少的环节。通过水轮机课本章节的相关理论知识的学习后，再通过课程设计的环节以达到巩固和加强理论知识的目的，进一步培养学生独立思考、严谨工作的能力；此外，通过课程设计更进一步掌握造型、设计、参数等程序内容，提高了学生查阅资料和动手实践的能力。
1.2 基本资料
大江水电站，最大净水头Hmax=35.87m，最小净水头Hmin=24.72m，设计水头Hp=28.5m，电站总装机容量N装=68000KW，尾水处海拔高程▽=24.0m，要求吸出高Hs> -4m。发动机效率96%—98%。
1.3 设计内容
水轮机是水电站中最主要的动力设备之一，它关系到水电站助工程投资、安全运行、动能指标及经济效益等重大问题，正确地进行水轮机选择是水电站设计中的主要任务之一。本次设计的内容有：
(1) 确定机组台数与单机容量。
(2) 确定水轮机的型号与装置方式。
(3) 确定水轮机的转轮直径与转速。
(4) 确定水轮机的吸出高度与安装高程。
(5) 绘制水轮机运转特性曲线。
(6) 确定蜗壳、尾水管的型式与尺寸。
(7) 选择调速器与油压装置。
第二节机组台数与单机容量的选择
水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。根据已确定的装机容量，就可以拟订可能的机组台数方案，当机组台数不同时，则单机容量不同，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。选择机组台数与单机容量时应遵守如下原则：
2.1 机组台数的选择
2.1.1机组台数与机电设备制造的关系
机组台数增多，单机容量减少，尺寸减小，制造及运输较易，这对制造能力和运输条件较差的地区有利的，但实际上说，用小机组时单位千瓦消耗的材料多，制造工作量大，所以最好选用较大容量的机组。 2.1.2机组台数与水电站投资的关系
当选用机组台数较多时，不仅机组本身单位千瓦的造价多，而且相应的阀门、管道、调速设备、辅助设备、电气设备的套数增加，电气结构较复杂，厂房平面尺寸增加，机组安装，维护的工作量增加，因而水电站单位千瓦的投资将随台数的增加而增加，但采用小机组时，厂房的起重能力、安装场地、机坑开挖量都可以缩减，因而有减小一些水电站的投资，在大多数情况下，机组台数增多将增大投资。 2.2.3 机组台数与水电站运行效率的关系
当水电站在电力系统中担任基荷工作时，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，当水电站担任系统尖峰负荷时，由于负荷经常变化，而且幅度较大，为使每台机组都可以高效率工作，需要更多的机组台数。
2.2.4 机组台数与水电站运行维护工作的关系
机组台数多，单机容量小。水电站运行方式就较灵活，易于调度，机组发生事故产生的影响小，检修较易安排，但运行、检修、维护的总工作量及年运行费用和事故率将随机组台数的增多而增大，故机组台数不宜太多。
上述各种因素互相联系而又相互对立的，不能同时一一满足，所以在选择机组台数时应针对具体情况，经技术经济比较确定。遵循上述原则，该水电站的装机容量为 6.8万KW ，由于1.5万KW<6.8万KW<25万KW ，该水电站为中型水电站。且宜选用偶数机组台数：4台。 2.2 单位容量的选择
水轮机单机出力为
77.196
.048.6=?==F Y T m N N η万KW (F η—发电机效率：0.95~0.98，取0.96)
第三节 水轮机型号、装置方式、转轮直径、转速、
及吸出高度与安装高程的确定
根据该水电站的水头变化范围24.72m ～35.87m ，参照《水电站》教材附录中的附表2和附表1的水轮机系列型普表查出合适的机型有HL240型水轮机（适用范围25~45）和ZZ440型水轮机（适用范围20~40）两种。现将这两种水轮机作为初步方案，分别求出其有关参数，并进行比较分析。 3.1 HL240型水轮机 3.1.1 转轮直径D 计算
HL240型水轮机的模型为：最有单位转速min /72'
10r n =，模型最高效率
92.0max =M η，模型转轮直径46.01=M D m 。转轮直径
η
2
/3'
1181.9p
T
H
Q N D =
式中：T N ——水轮机额定出力，77.1=T N 万KW ；
'1Q ——采用最优单位转速与出力限制线交点处单位流量，s m Q /24.13'1=； p H ——设计水头，p H =28.5m ；
η ——水轮机效率，设η=0.91。 代入式中得
m D 24.391
.05.2824.181.917700
2/31=???=
采用与其相近的标准转轮直径=1D 3.3m 。 3.1.2 转速计算
转速 1
'1D H
n n =
式中： '1n ——单位转速采用最优单位转速'
1072n =r/min ；
H ——采用设计水头p H =28.5m ；
1D ——采用选用的标准直径1D =3.3m 。
代入式中，则
=?=
3
.35
.2872n 116.5 r/min
采用与其接近的同步转速min /125r n =，磁极对数P=16。 3.1.3 效率修正值的计算
《水电站》教材图3-6中查得HL240型水轮机在最优工况下最高效率为max M η=92.0%，模型转轮直径1M D =0.46m ，所以原型水轮机的最高效率可采用下式计算，即
m a x η=511max )1(1D D M
M η-- =5
3
.346
.0)92.01(1-- =0.946
考虑到制造水平的差异，根据水轮机的标准直径，凭经验ε=1%，如果原型水轮机所使用的蜗壳和尾水管与模型试验时采用的型式不同，则意味着原型水轮机使用了异型部件。凭经验知，原型水轮机的实际效率要比计算值低，由于使用异型部件的原因，还要减去一个'ε值。在本设计中，取'ε=0，则效率修正值有下式计算
'min max εεηηη---=?
代入数据可得
=---=?001.092.0946.0η0.016
当1D =3.3m ，p H =28.5m ，min /125r n =，s m Q /24.13'1=时，从水轮机HL240型模型转轮综合特性曲线上得M η=0.904，所以水轮机在限制工况点(即设计工况点)的效率应为
=?+=ηηηM 0.904+0.016=0.92 与原来的假设值相符。
因此选用结果1D =3.3m 和min /125r n =是正确的。 3.1.4 工作范围校核
在选定1D =3.3m 和min /125r n =后，水轮机的最大的'
1max Q 及各特征水头相对应的'
1n 即可计算出来。
水轮机在p H =28.5m 、77.1=T N 万KW 下工作时，其相应的最大单位流量'1Q 即为'
1max
Q ，故: s m H D N Q p T /19.192
.05.283.381.91770081.93
2
/32/321'max 1=???==
η 则水轮机的最大引用流量为
s m H D Q Q P /18.695.283.319.13221'max 1max =??==
对'1n 值：在设计水头p H =28.5m 时，
m i n
/3.775
.283
.31251'1r H nD n p =?==
在最大水头H max =35.87m 时，
m i n
/87.6887
.353
.3125max 1'max 1r H nD n =?==
在最小水头H min =24.72m 时，
m i n
/96.8272
.243
.3125min 1'min 1r H nD n =?==
在HL240型水轮机模型综合特性曲线图上，分别绘出s L Q /1190'max 1=，
min /87.68'max 1r n =和min /96.82'min 1r n =为常数的直线，由图可见，由这三根直线所围成的水轮机工作范围（图中阴影部分）基本上包含了该特性曲线的高效率区。所以对于HL240型水轮机方案，所选定的参数1D =3.3m 和min /125r n =是比较满意的，但是还需要和其他方案作前面的比较。 3.1.5 吸出高度Hs 的计算
由水轮机的设计工况参数min /3.77'1r n =，s L Q /1190'max 1=，在《水电站》教材图3-6上查得相应的气蚀系数σ=0.195，在《水电站》教材图2-8查得气蚀系数修正值为
σ?=0.04，由此可求得水轮机的吸出高为
p s H H )(90010σσ?+-?
-=
=?+--=5.28)04.0195.0(900
2410 3.28m>-4m
所以，HL240型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。 3.1.6 装置方式： 采用立轴安装方式。 3.1.7 安装高程的确定：
由立轴混流式HL240水轮机
2
0b
H Z s A ++?==24.0+3.28+0.365×3.3/2=27.88m (其中10365.0D b =)
3.2 ZZ440型水轮机 3.2.1 转轮直径D 计算 转轮直径1D 的计算公式 η
2/3'
1181.9p
T
H
Q N D =
式中T N 和p H 均同前.对于'1Q 值,可由附录中附表1查得该型水轮机在限制工况下的
'1Q =1650L/s ，同时还查得气蚀系数σ=0.72，但在允许的吸出高为-4m 时,则相应的装置气蚀系数为
44.004.05
.2849002410][90010=-+-=?--?-
=
σσH H S <0.72 在满足-4m 吸出高度的前提下，'1Q 值可在ZZ440型水轮机主要综合特性曲线图中查得初定的设计工况点（'
10115min n r =，44.0=σ）处的单位流量'1Q 为s L /1205，同时可查得该工况点的模型效率M η=86.2％，并据此可以初步假定水轮机的效率为89.5％。
将以上的各参数值代入得 m D 32.3895
.05.28205.181.917700
2/31=???=
采用与其相近的标准转轮直径=1D 3.3m 。 3.2.2 转速n 计算 水轮机的转速为
min /04.1863
.35
.281151
'1r D H n n p
=?=
=
选用与之接近而偏大的同步转速min /5.187r n =，磁极对数为P=16。 3.2.3 效率及单位参数修正
对于轴流转浆式水轮机，必须对其模型综合特性曲线图上的每个转角?的效率进行修正。
当叶片转角为?时的原型水轮机最大效率可用下式计算
)7.03.0)(1(110
5
1
1max max p
M
M M H H D D +--=??ηη 已知10.46M D =、 3.5M H m =、1D =3.3m 、H=28.5m ，带入上式则得
)1(683.01)5
.285
.33.346.07.03.0)(1(1max 105
max max M M ???ηηη--=+--=
叶片在不同转角?时的max M ?η可由模型综合特性曲线查得，从而可求出相应的?值的原型水轮机的最高效率max ?η并将计算结果列于表3-1。
当选用效率的制造工艺影响修正值%1=ε和不考虑异性部件的影响时，即可计算出不同转角?时的效率修正值%1min max --=????ηηη。其中计算结果如下表3-1
表3-1 ZZ440型水轮机效率修正值计算表（%）
项目
叶片转角
-10° -5° 0° +5° +10° +15° max M ?η 84.9 88.0 88.8 88.3 87.2 86.0 max ?η
89.7 91.8 92.4 92.0 91.3 90.4 max max M ??ηη-
4.8 3.8 3.6 3.7 4.1 4.4 ?η?
3.8
2.8
2.6
2.7
3.1
3.4
由在《水电站》教材附录中附表1查得ZZ440型水轮机最优工况的模型效率为max ?η=89％。
由于最优工况接近于?=0°等转角线，故可采用%9.2=??η作为其修正值，从而可得原型最高效率为
max η=0.89+0.026=0.916=91.6%
已知在吸出高度-4m 限制的工况点（'10115min n r =，'1Q =s L /1205）处的模型效率
为M η=86.2％,而该工况点处于?=0°和+15°等转角之间，用内插法求得该点的效率修正值为?η?=3.22%，由此可得该工况点的原型水轮机效率为
η=0.862+0.0322=0.8942=89.42% (与上述假定的效率η=92％相近。)
由于：03.00145.0189
.0916
.01max
max
'10'1<=-=-=
?M M n n ηη 故单位转速可不作修正，同时，单位流量也可不作修正。 由此可见，以上选用m D 3.31=，min /5.187r n =是正确的。 3.2.4 工作范围的检验计算
在选定m D 3.31=，min /5.187r n =后，水轮机的'
1max Q 及各特征水头相对应的'1n 即可
计算出来。
在选定1D =3.3m 和min /125r n =后，水轮机的最大的'
1max Q 及各特征水头相对应的'1n 即可计算出来。
水轮机在p H =28.5m 、77.1=T N 万KW 下工作时，其相应的最大单位流量'1Q 即为
'
1max
Q ，故： s m H D N Q p T /22.1894
.05.283.381.917700
81.932
/32/321'max 1=???==
η， 则水轮机的最大引用流量为
s m H D Q Q P /93.705.283.322.13221'max 1max =??==
对'1n 值：在设计水头p H =28.5m 时，
m i n
/9.1155
.283
.35.1871'1r H nD n p =?==
在最大水头H max =35.87m 时，
m i n
/31.10387
.353
.35.187max 1'max 1r H nD n =?==
在最小水头H min =24.72m 时，
m i n
/45.12472
.243
.35.187min 1'min 1r H nD n =?==
在ZZ440型水轮机模型综合特性曲线图(图3-2)上分别绘出，'max 1Q =1220s L /和
min /31.103
'
max 1r n =，min /45.124'min 1r n =的直线，由图可见，由这三根直线所围成的水轮机工作范围（图中阴影部分）基本上包含了该特性曲线的高效率区。所以对于ZZ440型水轮机方案，所选定的参数m D 3.31=，min /5.187r n =是合理的。 3.2.5 吸出高度Hs 的计算
由水轮机的设计工况参数min /9.115'
1r n =，'max 1Q =1220s L /，由《水电站》教材图
1-11可查得其气蚀系数约为σ=0.42，则可求出水轮机的吸出高度为
m H s 14.35.28)04.042.0(900
24
0.10-=?+--=>-4m
所以，ZZ440型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。
3.2.6 装置方式： 采用立轴安装方式 3.2.7 安装高程的确定：
立轴轴流式水轮机
1xD H Z s A ++?==24.0-3.14+0.376?3.3=22.1m （其中x 取0.376） 3.3 两种方案的比较分析
为了便于分析比较，现将上述两种方案的有关参数列表如下：
表3-2 水轮机方案参数对照表
序号 项目
HL240 ZZ440 1 模型转轮参数
推荐使用的水头范围（m ）
25～45 20～36 2 最优单位转速'
10(min)n r
72 115 3 最优单位流量)/('10s L Q
1100 800 4 最高效率max (%)M η
92 89 5 气蚀系数σ 0.195 0.42 6 原型水轮机参数 工作水头范围（m ） 24.72～35.87
24.72～35.87
7 转轮直径1()D m 3.3 3.3 8 转速(min)n r 125 187.5 9 最高效率()max %η 94.6 91.6 10 额定出力)(KW N T 17700 17700 11 最大引用流量3max ()Q m s
69.18
70.93
12 吸出高度s H （m ） 3.28 22.1 13
安装高程Z A （m ）
27.88
28.38
从上列对照表来看，两种不同型号的水轮方案在同样水头下的同时工作满足额定出力的情况下，两者比较来看，HL240包含了较多的高效率区，气蚀系数小，安装高程较高等优点，这可以提高水电站的年发电量和减少厂房的开挖量；而ZZ440型方案的优点仅表现在水轮机的转速高，有利于减小发电机尺寸，降低发电造价，但这种机型的水轮机极其调节系统的造价较高。由此看，若在制造供货方面没有问题时，初步选用HL240型方案较为有利。在技术设计阶段，尚需要计算出个方案的动能指标和经济指标，进一步进行分析比较，以选出合理的方案。本设计就采用HL240型号的水轮机。
第四节 水轮机运转特性曲线的绘制
4.1 基本资料
转轮的型式HL240型，主要综合特性曲线由《水电站》教材图3-6， 转轮的直径1D =3.3m ，额定转速min /125r n =，
特征水头 H max =35.87m ，H p =28.5m ，H min =24.72m ， 水轮机的额定出力 T N =17700KW
尾水位高程 24.0 m 安装高程 27.88m
效率修正值为 εηηη--=?min max ==--01.092.0946.00.016 4.2 等效率线的计算与绘制
由于水电站的水头变化范围较小，现取水轮机工作范围内3个水头，列表4-1分别进行计算。依据表4-1中的数据绘制对应每个H 值的效率特性曲线)(N f =η，如图4-1（a ）。在该图上作出某效率值的水平线，它与图中各等H 线相交，绘制H ～N 坐标图，连成光滑曲线，既得出等效率线，如图4-1（b ）。
表4-1 HL240型水轮机等效率曲线计算表
m H 87.35max = min
/87.6887
.353
.3125max 1'max 1r H nD n =?==)
(95.22)81.9(21'12/321MW Q Q H D N ηη== m
H p 5.28=min
/3.7787
.353.3125max 1'max
1r H nD n =?==)
(25.16)81.9(21'12/321MW Q Q H D N ηη== m
H 72.24min =min
/96.8287
.353.3125max 1'max
1r H nD n =?==)
(13.13)81.9(21'12/321MW Q Q H D N ηη== M η
(%) '1Q
(s m /3) (%)ηηη?+=M
N (MW) M η
(%) '1Q (s m /3) (%)
ηηη?+=M
N (MW) M η
(%) '1Q
(s m /3)
(%)ηηη?+
=M
N
(MW) 86 0.80 87.6 16.1 85 0.79 86.6 11.4 82.5 0.83 84.1 9.2 87 0.84 88.6 17.1 86 0.83 87.6 11.8 85 0.94 86.6 10.7 88 0.91 89.6 18.0 87 0.88 88.6 12.7 86 0.98 87.6 11.3 89 0.94 90.6 18.9 88 0.92 89.6 13.4 87 1.02 88.6 11.9 90 0.98 91.6 19.8 89 0.96 90.6 14.1 88 1.06 89.6 12.5 91 1.16 92.6 20.8 90 1.00 91.6 14.9 89 1.10 90.6 13.1 91 1.19 92.6 24.7 91 1.06 92.6 15.9 90 1.15 91.6 13.8 90 1.24 91.6 25.0 91 1.22 92.6 18.4 90 1.24 91.6 14.9 89
1.23
90.6
25.6
90
1.25
91.6
18.6
89
1.27
90.6
15.1
88 1.27 89.6 26.1 89 1.28 90.6 18.8 88 1.31 89.6 15.4 87 1.30 88.6 26.4 88 1.34 89.6 19.1 87 1.34 88.6 15.6 86
1.33
87.6
26.7
87
1.36
88.6
19.2
86
1.36
87.6
15.7
4.3 出力限制线的绘制
出力限制线表示水轮机在不同水头下实际允许发出的最大出力。由于水轮机与发电机配套运行，所以水轮机最大出力受发电机额定出力和水轮机5%出力储备线的双重限制。
依据表4-2绘制出力限制线。
表4-2 5%出力限制线上的点
88.7
1.24
90.3
25.69
90.4
1.24
92.0
18.5
89.8
1.25
91.4
15.0
4.4 等吸出高度线的计算
取3个水头，计算数据列表4-3分别进行计算。 1、绘制()'1Q f N =辅助曲线，如图4-2（a ）所示。
2、求出各水头下的'1M n 值，并在相应的模型综合特性曲线上查出'1M n 水平线与各等气蚀系数σ线的所有交点坐标，'1Q ，σ值，填入下表。
3、在()'1Q f N =辅助曲线上查出相应于上述各'1Q 的N 值，填入下表。
4、利用公式p s H H )(90010σσ?+-?
-=计算出相应于上述各σ的s H 值，填入下表。 5、根据表中对应的s H ，N 值，做出)(N f H s =曲线，如图4-3（b ）所示。
6、在)(N f H s =图上任取s H 值，做水平线与曲线相交，记下各交点的s H 、N 值，绘于H ～N 坐标图上，将各点连成光滑曲线即为等吸出高度线。
表4-3 HL240水轮机等吸出高度线计算表
H(m)
'1
n (/min)r
σ '1Q (s m /3) N (MW)
σσ?+ H )(σσ?+ s H
(m) 35.87 69.87
0.22
0.79 16.00 0.26 9.33 0.44 0.21 0.91 19.80 0.25 8.97 0.76 0.21 1.29 26.20 0.25 8.97 0.76 0.22 1.35 26.70 0.26 9.33 0.44 0.23 1.37 26.90 0.27 9.68 0.05 28.5 77.3
0.22 0.81 11.30 0.26 7.41 2.32 0.21 0.85 12.10 0.25 7.13 2.60 0.20 0.95 14.00 0.24 6.84 2.89 0.20 1.29 18.80 0.24 6.84 2.89 0.21 1.33 19.10 0.25 7.13 2.60 0.22 1.35 19.30 0.26 7.41 2.32 24.72 82.96
0.22 0.91 10.60 0.26 6.43 3.30 0.21
1.03
12.40
0.25
6.18
3.55
0.21 1.21 14.40 0.25 6.18 3.55 0.22 1.26 14.80 0.26 6.43 3.30 0.23 1.30 15.20
0.27
6.67 3.06
第五节 蜗壳设计
5.1 蜗壳型式选择
由于本水电站水头高度小于40m ，所以采用混凝土蜗壳。 5.2 主要参数确定 5.2.1 断面形状的确定
由于水轮机为中型水轮机，考虑在蜗壳顶部布置调速接力器的方便选择平顶梯形断面，即
当0n =时，o o 15~10=δ选取o 15=δ；
75.1~50.1=a
b ，选择6.1=a b
；由《水电站》教
材14P 表1-3座环直径与1D 关系取，座环内直径52.11=D D a ，a
D =5.0m ，3.11
=D D b
，b D =4.3m ，即m r a 5.2=，m r b 15.2=。
5.2.2 蜗壳包角的选择
混凝土蜗壳o o 270~1800=?，选取o 2700=? 5.2.3蜗壳进口断面面积及尺寸
进口断面流速：
1v =c a H =0.82655.28=4.41s m 进口断面流量：
)/(89.51270360
18
.69360300s m Q Q T =?=
=? 确定蜗壳进口断面面积：
)(77.1141
.489
.512101m v Q F ===
水轮机的选型设计 水轮机选型时水电站设计的一项重要任务。水轮机的型式与参数的选择是否合理，对于水电站的功能经济指标及运行稳定性，可靠性都有重要影响。 水轮机选型过程中，一般是根据水电站的开发方式，功能参数，水工建筑物的布置等，并考虑国内外已生产的水轮机的参数及制造厂的生产水平，拟选若干个方案进行技术经济的综合比较，最终确定水轮机的最佳型式与参数。 一：水轮机选型的内容，要求和所需资料 1：水轮机选择的内容 （1）确定单机容量及机组台数。 （2）确定机型和装置型式。 （3）确定水轮机的功率，转轮直径，同步转速，吸出高度及安装高程，轴向水推力，飞逸转速等参数。对于冲击式水轮机，还包括确定射流直径与喷嘴数等。（4）绘制水轮机的运转综合特性曲线。 （5）估算水轮机的外形尺寸，重量及价格。 wertyp9 ed\结合水轮机在结构、材质、运行等方面的要求，向制造厂提出制造任务书。 2.水轮机选择的基本要求 水轮机选择必须要考虑水电站的特点，包括水能、水文地质、工程地质以及电力系统构成、枢纽布置等方面对水轮机的要求。在几个可能的方案中详细地进行以下几方面比较，从中选择出技术经济综合指标最优的方案。 （1）保证在设计水头下水轮机能发生额定出力，在低于设计水头时机组的受阻容量尽可能小。 （2）根据水电站水头的变化，及电站的运行方式，选择适合的水轮机型式及参数，使电站运行中平均效率尽可能高。 （3）水轮机性能及结构要能够适应电站水质的要求，运行稳定、灵活、可靠，有良好的抗空化性能。在多泥沙河流上的电站，水轮机的参数及过流部件的材质要保证水轮机具有良好的抗磨损，抗空蚀性能。 （4）机组的结构先进、合理，易损部件应能互换并易于更换，便于操作及安装维护。 （5）机组制造供货应落实，提出的技术要求要符合制造厂的设计、试验与制造水平。 （6）机组的最大部件及最重要部件要考虑运输方式及运输可行性。 3.水轮机选型所需要的原始技术材料 水轮机的型式与参数的选择是否合理、是否与水电站建成后的实际情况相吻合，在很大程度上取决于对原始资料的调查、汇集和校核。根据初步设计的深度和广度的要求，通常应具备下述的基本技术资料： （1）枢纽资料：包括河流的水能总体规划，流域的水文地质，水能开发方式，水库的调节性能，水利枢纽布置，电站类型及厂房条件，上下游综合利用的要求，工程的施工方式和规划等情况。还应包括严格分析与核准的水能基本参数，诸如电站的最大水头Hmax、最小水头Hmin,加权平均水头Ha，设计水头Hr，各种特征流量Qmin、Qmax、Qa,典型年（设计水平年，丰水年，枯水年）的水头、流量过程。此外还应有电站的总装机容量，保证出力以及水电站下游水位流量关系曲线。 （2）电力系统资料：包括电力系统负荷组成，设计水平年负荷图，典型日负荷
水轮机原理及水力设计 第一章 1、水轮机是一种将河流种蕴藏的水能转换成旋转机械能的原动机，水流流过水轮机时，通过主轴带动发电机或 者发电机的转子将旋转的机械能转换成电能。 2、反击式水轮机转轮区内的水流在通过转轮叶片通道时，始终是连续充满整个转轮的有压流动，当水 流通过水轮机后其动能和势能大部分被转换成转轮的旋转机械能。 3、反击式水轮机包括：混流式水轮机：水流从四周沿径向进入转轮，然后近似的以轴向流出转轮，应用 水头范围较广，约为20~700m,水头较高。 轴流式水轮机：水流在导叶和转轮之间由径向流动变为轴向流动，而在转轮 区 水流保持轴向流动，其应用水头约为3~80m,适用水头较低，根据其转轮叶片在运行中能否转动，可以分为轴流定浆式和轴流转浆式两种。 斜流式水轮机：斜流式水轮机具有较宽的高效率区，适用水头在轴流式与混流式水轮机之间，约为40~200m。 贯流式水轮机：根据其发电装置形式不同，分为全贯流式和半贯流式两类。 4、冲击式水轮机的转轮始终处于大气中，来自压力钢管的高压水流在进入水轮机之前已转变成高速自由射流， 该射流冲击水轮机的部分轮叶，并在轮叶的约束下发生流速大小和方向的急剧改变，从而将其动能大部分传递给轮叶，驱动轮叶旋转。 5、冲击式水轮机按射流冲击转轮方式的不同分为：水斗式水轮机、斜击式水轮机、双击式水轮机三种。 6、水头H :水轮机的水头（亦称工作水头），是指水轮机进口和出口截面处单位重量的水流能量差，单位为 m。 7、各种水头：（1）最大水头：H max，是允许水轮机运行的最大净水头。它对水轮机结构的强度设计有决性影 响。 （2）最小水头H mim，是保证水轮机安全、稳定运行的最小净水头。 （3）加权平均水头H a：是在一定期间内（视水库调节性能而定）， 所有可能出现的水轮机水头的加权平均值，是水轮机在其附近运 行时间最长的净水头。 （4）设计水头H r：是水轮机发出额定出力时所需要的最小净水头。 &流量：水轮机的流量是指单位时间内通过水轮机某一过流断面的水流体积，常用符号Q表示，常用单 位为m/s。在设计水头下，水轮机以额定转速、额定出力时所对应的水流量常委设计流量。 9、出力P:水轮机出力是水轮机轴端输出的功率，常用符号P表示，常用单位为KW。 P 10、水流的出力：P n= QH=9.81QH（KW）水轮机的效率：t二一由于水轮机在总做中存在能量耗损 P n 所以水轮机的出力P总是小于水流的出力P n，其效率总是小于1. 水轮机的出力P=P n t=9.81OH t（KW）或者是P=M，也2卫其中「是水轮机的旋转速度， 60 rad/s； M是水轮机主轴输出的旋转力矩，N.m ；n是水轮机转速，r/min。 11、水轮机型号：①HL220 —LJ—250,表示转轮型号为220的混流式水轮机，立轴，金属蜗壳，转轮直 径为250cm。 ②ZZ560- LH- 500,表示转轮型号为560的轴流转浆式水轮机，立轴，混凝土蜗壳，转轮 直径为500cm ③GD60—W—300,表示型号为600的贯流定浆式水轮机，卧轴、灯泡式引水，转轮直 径为300cm ④2CJ-20W—120/2 X 10，表示转轮型号为20的水斗式水轮机，一根轴上装有两个转轮，卧轴，转轮直径 为120cm,每个转轮有两个喷嘴，射流直径为20cm 11、水轮机的装置形式：指水轮机主轴的不知形式与引水室形式相结合的总体。 ①反击式水轮机的装置形式：大型机组采用立轴布置形式，水轮机轴与发电机轴直接连接；中高水头混
目录 第一章基本资料 (1) 第二章机组台数与单机容量的选择 (2) 第三章水轮机主要参数的选择与计算 (5) 第四章水轮机运转特性曲线的绘制 (10) 第五章蜗壳设计 (13) 第六章尾水管设计 (17) 第七章心得体会 (20) 参考文献 (20) 第一章基本资料 基本设计资料 黄河B水电站是紧接L水电站尾水的黄河上游的一个梯级水电站。水库正常蓄水位2452 m，电站总装机容量4200 MW，额定水头205 m。 经水能分析，该电站有关动能指标如表1所示： 表1 动能指标 第二章机组台数与单机容量的选择 水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。根据已确定的装机容量，就可以拟定可能的机组台数方案，选择机组台数与单机容量时应遵循如下原则： 机组台数与工程建设费用的关系 在水电站的装机容量基本已经定下来的情况下，机组台数增多，单机容量减小。通常小机组单位千瓦耗材多、造价高，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，整体设备费用高。另外，机组台数多，厂房所占的平面尺寸也会增大。一般情况下，台数多对成本和投资不利。因此，较少的机组台数有利于降低工程建设费用
机组台数与设备制造、运输、安装以及枢纽安装布置的关系 单机容量大，可能会在制造、安装和运输方面增加一定的难度。然而，有些大型或特大型水电站，由于受枢纽平面尺寸的限制，总希望单机容量制造得大些。 机组台数对水电站运行效率的影响 水轮机在额定出力或者接近额定出力时，运行效率较高。机组台数不同，水电站平均效率也不同。机组台数较少，平均效率越低。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担任基荷工作时，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。当水电站担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增高，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≯15%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
一、水轮机选型计算的依据及其基本要求.....................................................................1 1 水轮机选型时需由水电勘测设计院提供下列原始数据.................................1 2 水轮机选型计算应满足下述基本要求......................................................1 二、反击式水轮机基本参数的选择计算..................................................................1 1 根据最大水头及水头变化范围初步选定水轮机的型号.................................1 2 按已选定的水轮机型号的主要综合特性曲线来计算转轮参数.................................1 3 效率修正..........................................................................................4 4 检查所选水轮机工作范围的合理性.........................................................4 5 飞逸转速计算....................................................................................5 6 轴向推力计算....................................................................................5 三、水斗式水轮机基本参数的选择计算......................................................10 1 水轮机流量.......................................................................................10 2 射流直径d 0.......................................................................................10 3 确定D1/d 0.......................................................................................10 4 水轮机转速n ....................................................................................10 5 功率与效率................................................................................................11 6 飞逸转速..........................................................................................12 7 水轮机的水平中心线至尾水位距离A ......................................................12 8 喷嘴数Z 0的确定....................................................................................12 9 水斗数目Z1的确定.................................................................................12 10 水斗和喷嘴的尺寸与射流直径的关系...................................................13 11 引水管、导水肘管及其曲率半径.........................................................13 12 转轮室的尺寸..............................................................................14 A 水机流量..........................................................................................17 B 射流直径.............................................................................................17 C 水斗宽度的选择..........................................................................................17 D D/B 的选择.............................................................................................17 E 水轮机转速的选择.......................................................................................17 F 单位流量的计算..........................................................................................17 G 水轮机效率................................................................................................18 H 飞逸转速................................................................................................18 I 转轮重量的计算..........................................................................................18 四、调速器的选择.............................................................................................20 1 反击式水轮机的调速功计算公式.....................................................................20 2 冲击式水轮机的调速功计算公式.....................................................................20 五、阀门型号、大小的选择.................................................................................21 1 球阀的选择................................................................................................21 2 蝴蝶阀的选择 (22) 目 录
水轮发电机基本常识 水轮发电机组的用途。 水轮发电机组是将具有一定高度的水头和流量的水的动能和势能转换为机械能并最终转换成电能的装置。水轮发电机设备是一种集合了多种学科和技术的工业产品，其中包括流体力学、工程力学、材料力学等多学科和机械、冶金、电子、计算机、自动控制等多门技术产物。水力发电站及其主要的设备——水轮发电机组是现代工业和现代生活的一项重要设备。发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中有广泛的用途。 水力发电站 水力发电是大自然赐给人类的一种清洁能源，就像风能、太阳能一样，是可以再生、取之不尽，用之不绝，无污染的能源。水力发电站运行费用低，便于电力调峰。尽管水力发电站造价较高，水电建设成本高于火电建设成本约40％，然而由于能满足较高的环保要求，考虑到火电厂燃料的燃烧在脱硫、脱硝、脱尘等方面所需资金约占投资的 1／3，水、火电建设成本也就相差不多了。至于运行成本，水电明显优于火电：在中国，水电为0．04-0．09元／kwh，而火电为0．19元／kwh(火电燃料的购买和运输费用就占去50％一70％)。除了上述经济效益，开发水电还具有防洪、航运、供水、灌溉、旅游等综合效益。 因此，自1888年美国人建成世界上第一座水电站以来，各国都很重视水电站的兴建。发达国家的可用水电资源在20世纪60年代即已基本开发完。到80年代,世界最大水电站──长江三峡水电站的设计装机容量为1260万千瓦（机组容量70万千瓦）。 水力发电站规模分类：按照中国水利部部颁标准分为： 1、大型水力发电站：容量大于250MW为大型水力发电站。 2、中性水力发电站：装机容量50～250MW的为中型水力发电站。 3、小型水力发电站: 装机容量小于50000kW的为小型水力发电站。 4、微型水利发电站：装机容量100KW以下的为微型水力发电站 小型水电站枢纽工程主要由哪几部分组成？ 主要由挡水建筑物(坝)、泄洪建筑物(溢洪道或闸)、引水建筑物(引水渠或隧洞，包括调压井)及电站厂房(包括尾水渠、升压站) 四大部分组成。 水轮发电机的工作原理 水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。 早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形——水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。 水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机（impules turbine）和反击式水轮机（(reaction water turbine) 两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。 冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类。斜击式水轮机的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾角，只用于小型机组。 反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，
.水轮机型号选择 水电站水头变化：上游最大—下游最小=校核洪水位—下游正常尾水位 上游最小—下游最大=死水位—校核洪水位 在水轮机系列型谱表3-3和3-4，查出合适的机型有HL240 水轮机HL240型水轮机方案的主要参数选择 （1）转轮直径1D 计算 查水轮机型谱表可得HL240型水轮机在限制工况下的单位流量10'Q =1240L/S=1.243m /s,效率m η=90.4%，由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量'1m Q =' 1Q =1.243m /s ，效率η=90.4%，水轮机的额定出力 r N =AQH=8.5×37×(447—404.6）=13334.8kw （其中A 一般取6.5-8.5，Q 为发电流量，H 为上游正常高水位-下游正常尾水位） 由于采用坝后式，H r =0.95H v a =0.95× 244.5812.1+=26.923 （H av =28.34m) ,上述的'1Q 、η和r N =13334.8KW 、r H =26.923m 代入式1D = η r r r H H Q N 1'81.9=2.95m 选用与之接近而偏大的标称直径1D =2.95m （2）转速n 的计算 查水轮机型谱表可得HL240水轮机在最优工况下单位转速' 10n =72.0r/min ，初步假定 '10m n ='10n =72.0r/min,将已知的'10n 和av H =28.34m ，1D =2.95m 代入式n=av H D 1 '1n = 2.9528.3472?=129.93r/min ，选用与之接近而偏大的同步转速n=214.3r/min. （3）效率及单位参数修正 HL240型水轮机在 最优工况下的模型最高效率为max M η=92.0%，模型转轮直径为1M D =0.46m ，可得原型效率： max η=95.0% 则效率修正值为η =95.0%-92.0%=3.0%. 考虑到模型与原型水轮机在制造工艺质量上的差异，常在已求得的η?值中再减去一个修正值ξ。先取ξ=1.0%，则可得效率修正值为η?=2.0%，由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为： max η=max M η+η?=92.0%+2.0%=94.0%
水轮发电机基本知识介绍 一. 关于发电机电磁设计 水轮发电机电磁设计的任务是按给定的容量、电压、相数、频率、功率因数、转速等额定值和其他技术要求来确定发电机的有效部分尺寸、电磁负荷、绕组数据及性能参数等。 水轮发电机电气参数的选择，主要依据电力系统对电站电气参数和主接线的要求，同时根据《水轮发电机基本技术条件》、《导体和电器设备选择设计技术规定》等相关规范来选择，当然也要根据具体电站的要求。 在电磁设计过程中考核的几个主要参数：磁密，定、转子线圈温升，短路比，主要电抗，效率，飞轮力矩。 二. 电磁设计需要输入的基本技术数据 （一）额定容量、有功功率、无功功率和功率因数的关系 Φ--发电机输出电流在时间相位上滞后于电压的相位角 额定容量S=√3U N I N =22Q P 有功功率P=√3U N I N cos φ=S ·cos φ 无功功率Q=√3U N I N sin φ=S ·sin φ cos φ= S P （二）发电机的电磁计算需要具备以下基本的额定数据： 功率/容量，功率因数，电压，转速（极数），频率，相数，飞轮力矩（转运惯量） 1. 额定容量（视在功率）或者额定功率（有功功率）
S=φ cos P （kV A / MV A ） P=水轮机额定出力×发电机效率 （kW / MW ） 发电机的容量大小更直接反映发电机的发电能力。有功功率结合功率因数才能完整反映发电机的输出功率能力。 2. 额定功率因数cos φ 发电机有功功率一定时，cos φ的减小，可以提高电力系统稳定运行的功率极限，提高发电机的稳定运行水平；同时由于增大了发电机的容量，发电机造价也增加。相反，提高额定功率因数，可以提高发电机有效材料的利用率，并可提高发电机的效率。近年来由于电力系统容量的增加，系统装设同步调相机和电力电容器来改善其功率因数，以及远距离超高压输电系统使线路对地电容增大，发电机采用快速励磁系统提高稳定性，使发电机额定功率因数有可能提高。 取值：0.8，0.85，0.875，0.9，国内大容量多取0.85~0.9，国外发达国家多取0.9~0.95。 灯泡式水轮发电机由于受结构尺寸限制，功率因数较一般水轮发电机的取值高，以减小气隙长度，提高通风冷却效果。 (1) 一般水轮发电机 GB/T7894-2009 水轮发电机基本技术条件：
- - - 目录 第一章基本资料 (1) 第二章机组台数与单机容量的选择 (2) 第三章水轮机主要参数的选择与计算 (5) 第四章水轮机运转特性曲线的绘制 (10) 第五章蜗壳设计 (13) 第六章尾水管设计 (17) 第七章心得体会 (20) 参考文献 (20)
第一章基本资料 基本设计资料 黄河B水电站是紧接L水电站尾水的黄河上游的一个梯级水电站。水库正常蓄水位2452 m，电站总装机容量4200 MW，额定水头205 m。 经水能分析，该电站有关动能指标如表1所示： 表1 动能指标
第二章机组台数与单机容量的选择 水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。根据已确定的装机容量，就可以拟定可能的机组台数方案，选择机组台数与单机容量时应遵循如下原则： 2.1机组台数与工程建设费用的关系 在水电站的装机容量基本已经定下来的情况下，机组台数增多，单机容量减小。通常小机组单位千瓦耗材多、造价高，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，整体设备费用高。另外，机组台数多，厂房所占的平面尺寸也会增大。一般情况下，台数多对成本和投资不利。因此，较少的机组台数有利于降低工程建设费用
2.2机组台数与设备制造、运输、安装以及枢纽安装布置的关系 单机容量大，可能会在制造、安装和运输方面增加一定的难度。然而，有些大型或特大型水电站，由于受枢纽平面尺寸的限制，总希望单机容量制造得大些。 2.3机组台数对水电站运行效率的影响 水轮机在额定出力或者接近额定出力时，运行效率较高。机组台数不同，水电站平均效率也不同。机组台数较少，平均效率越低。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著。当水电站在电力系统中担任基荷工作时，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。当水电站担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。 2.4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增高，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。 2.5机组台数与其他因素的关系 2.5.1机组台数与电网的关系
2013届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 毕业设计（论文） 题目ZZ560轴流式水轮机 结构设计 专业热能与动力工程 1
摘要 葛洲坝电站是我国代表性的低水头大流量、径流式水电站，兼具发电、改善航道等综合效益。本次设计主要是通过查阅相关设计手册，对葛洲坝电站型号为ZZ560-LH-1130的轴流转桨式水轮机结构进行设计，主要内容包括水轮机总体结构设计、导水机构及其传动系统设计，水轮机部分零部件，例如主轴，导叶等零件的设计。 通过使用CAD绘图，本次设计过程更加便捷，设计成果更加精确。关键词：葛洲坝水电站，轴流式水轮机，转轮设计，结构设计， ABSTRACT
2013届热能与动力工程专业毕业设计（论文） Gezhouba Dam power plant is China's representative low head and largeDischarge,runoff hydropower stations,power generation,wita comprehensive benefits improve navigation etc.This design is mainly through access to relevant design manual,design of the Kaplan turbine structure of Gezhouba Dam power plant model for ZZ560-LH-1130,The main contents include design of water mechanism and its transmission system overall structure design of hydraulic turbine,guide,some parts of hydraulic turbine,such as the spindle,the design of guide vane and other parts. Using the CAD,the process of design is more convenient and the result is more accurate. KEY WORDS:GeZhouBa hydropower station,Kaplan turbine, station,runner,Structural design. 3
水电站厂房课程设计计算书 1．蜗壳单线图的绘制 1.1 蜗壳的型式 根据给定的基本资料和设计依据，电站设计水头Hp=46.2m ，水轮机型号 ：HL220-LJ-225。可知采用金属蜗壳。又Hp=46.2m>40m ，满足《水电站》（第4版）P32页对于蜗壳型式选择的要求。 1.2 蜗壳主要参数的选择 金属蜗壳的断面形状为圆形，根据《水电站》（第4版）P35页可知：为了获得良好的水力性能及考虑到其结构和加工工艺条件的限制，一般取蜗壳的包角为0345?=。 通过计算得出最大引用流量m ax Q 值，计算如下： ○ 1水轮机额定出力：15000 156250.96 f r f N N KW η= = = 式中：60000150004 f KW N KW = =，0.96f η=。 ○ 2'31max 3 3 2222115625 1.11 1.159.819.81 2.2546.20.904 r p N Q m s D H η = = =
第1章 概论 （一） 单项选择题 1．水轮机的工作水头是（ ）。 （A ）水电站上、下游水位差 （B ）水轮机进口断面和出口断面单位重量水流的能量差 2．水轮机的效率是（ ）。 （A ）水轮发电机出力与水流出力之比 （B ）水轮机出力与水流出力之比 3．反击式水轮机是靠（ ）做功的。 （A ）水流的动能 （B ）水流的动能与势能 4. 冲击式水轮机转轮是（ ）。 （A ）整周进水的 （B ）部分圆周进水的 5．喷嘴是（ ）水轮机的部件。 （A ）反击式 （B ）冲击式 （二）填空题 1．水电站中通过 把水能转变成旋转机械能，再通过 把旋转机械能转变成电能。 2．水轮机分为 和 两大类。 3．轴流式水轮机分为 和 两种。 4．水轮机主轴的布置形式有 和 两种。 5．冲击式水轮机有 、 和 三种。 （三）计算题 1．某水轮机的水头为18.6m ，流量为1130m 3/s ，水轮机的出力为180MW ，若发电机效率97.0=g η，求水轮机的效率和机组的出力g P 。 2．某水轮机蜗壳进口压力表的读数为a P 310650?，压力表中心高程为887m ，压力表所在钢管内径D = 6.0m ，电站下游水位为884m ，水轮机流量Q = 290 m 3/s ，若水轮机的效率%92=η，求水轮机的工作水头与出力。 第2章 水轮机的工作原理 （一） 单项选择题 1．水轮机中水流的绝对速度在轴面上的投影是（ ）。 （A ）轴向分量z v （B ）轴面分量m v 2．水轮机中水流的轴面分量m v 与相对速度的轴面分量m w （ ）。 （A ）相等 （B ）不相等 3．水轮机输出有效功率的必要条件是（ ）。 （A ）进口环量必须大于0 （B ）进口环量必须大于出口环量 4．无撞击进口是指水流的（ ）与叶片进口骨线的切线方向一致。 （A ）绝对速度 （B ）相对速度 5．法向出口是指（ ）。 （A ）出口水流的绝对速度是轴向的 （B ）出口水流的绝对速度与圆周方向垂直 （二）填空题 1．水轮机转轮中的水流运动是 和 的合成。 2．水轮机轴面上所观察到的水流速度分量是 和 。
水轮机课程设计
第一章 水轮机的选型设计 1.1水轮机型号选定 一、水轮机型式的选择 根据原始资料，该水电站的水头范围为59.07-82.9m ，电站总装机容量56万千瓦，拟选2、3、4、5台机组，平均水头为75.43m ，最大水头为82.9m ，最小水头为59.07m 。 水轮机的设计水头估算为m H r 72= 按中国水轮机的型谱推荐的设计水头与比转速的关系， 水轮机的比转速s n : 2162072 2000202000=-=-=H n s m.KW 根据原始资料，适合此水头范围的水轮机类型有斜流式和混流式。 又根据混流式水轮机的优点： （1）比转速范围广，适用水头范围广，可适用30～700m ； （2）结构简单，价格低； （3）装有尾水管，可减少转轮出口水流损失。 故选择混流式水轮机。 因此，选择s n 在216m.kw 左右的混流式水轮机为宜。 根据表本电站水头变化范围(H=59.07-82.9m)查《水电站机电设计手册—水力机械》1-4]
适合此水头范围的有HL220-46。 二、拟订机组台数并确定单机容量 表1-1 机组台数比较表 1.2 原型水轮机各方案主要参数的选择 按电站建成后,在电力系统的作用和供电方式,初步拟定为2台,3台,4台,5台四种方案进行比较。 基本参数， 模型效率：89.0=M η，推荐使用最优单位流量： h m 315.1，最优单位转速：m in 7011r n r =，最优单位流量：s l Q r 115011=。 一、2台机组（方案一） 1、计算转轮直径 装机容量22万千瓦，由《水轮机》325页可知：水轮机额定出力： kw N P G G r 3.28571498 .0280000===η 上式中： G η-----发电机效率,取0.98 G N -----机组的单机容量（KW ）
班级： 08G43 专业：水电站动力设备与管理作者：陈圣锦 学号：2008550243019
目录 ◆水轮机课程设计的目的和任务 ◆水轮机的简介 ◆水轮机设计的原始资料 ◆水轮机设计的要求 ◆水轮机的设计步骤 1）机组台数的选择 2）水轮机型号的选择 3）水轮机主要参数的选择 4）机组安装高度的确定 ◆水轮机设计的参数校核 ◆心得体会 附：水轮机运转特性曲线图
一、课程设计的目的和任务 a、目的：通过水轮机的课程设计，将各种水轮机的性能参数整理并绘制成不同形式的曲线，它是与水轮机课程教学相辅助的一个理论学习的环节，也是课程教学中一个必不可少的环节。通过水轮机课本章节的相关理论知识的学习后，再通过课程设计的环节以达到巩固和加强理论知识的目的，进一步培养学生独立思考、严谨工作的能力；此外，通过课程设计更进一步掌握造型、设计、参数等程序内容，提高了学生查阅资料和动手实践的能力。 b、课程设计的任务：通过所给的原始资料，根据要求明确水轮机的基本工作参数（包括水头H、流量Q、转速n、效率 、出力P、吸出高度H S、转轮直径D、水轮机型号、机组台数、装置方式等），整理并绘制成不同形式的曲线，即获得水轮机的特性曲线图。 二、水轮机的简介 水轮机是一种将河流中蕴藏的水能转换成旋转机械能的原动机，当水流流过水轮机时，通过主轴带动发电机，将旋转机械能转换成电能。与发电机连接成的整体称为水轮发电机组，它是水电站的主要设备部分。水电站是借助水工建筑物和机电设备设备将水能转换成为电能的企业，在未来，水能资源的开发和利用将成为资源开发利用的主导能源，所以，水轮机的设计开发对我国水能资源的开发起到很大的推进作用。水轮机大致分为两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机；反击式水轮机。转轮利用水流的压力能和动能做工的水轮机称为反击式水轮机。其特征是：压力水流充满水轮机的整个流道，水流流经转轮叶片时，受叶片
第六章水轮机选型设计 由于各开发河段的水力资源和开发利用的情况不同，水电站的工作水头和引用流量范围也不同，为了使水电站经济安全和高效率的运行，就必须有很多类型和型式的水轮机来适应各种水电站的要求。 水轮机由于它自身能量特性、汽蚀特性和强度条件的限制，每种水轮机适用的水头和流量范围比较窄，要作出很多系列和品种（尺寸）的水轮机，设计、制造任务繁重，生产费用和成本也大。因此有必要使水轮机生产系列化、标准化和通用化，尽可能减少水轮机系列，控制系列品种，以便加速生产、降低成本。在水电站设计中按自己的运行条件和要求选择合适的水轮机。 一、水轮机选型设计的任务及内容 1．任务 水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益，因此根据H、N的范围选择水轮机是水电站中主要设计任务之一，使水电站充分利用水能，安全可靠运行。每一种型号水轮机规定了适用水头范围。水头上限是根据该型水轮机的强度和汽蚀条件限制的，原则上不允许超过；下限主要是考虑到使水轮机的运行效率不至于过低。 2．内容 (1) 确定机组台数及单机容量 (2) 选择水轮机型式（型号）及装置方式 (3) 确定水轮机的额定功率、转轮直径D1、同步转速n、吸出高度H s、安装高程Z a 、飞逸转速、轴向水推力；冲锤式水轮机，还包括喷嘴数目Z0、射流直径d0等。 (4) 绘制水轮机运转特性曲线 (5) 估算水轮机的外形尺寸、重量及价格、蜗壳、尾水管的形式、尺寸、调速器及油压装置选择 (6) 根据选定水轮机型式和参数，结合水轮机在结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向厂家提出制造任务书，最终由双方共同商定机组的技术条件，作为进一步设计的依据。 二、选型设计 1．水轮机选型设计一般有三种基本方法 (1) 水轮机系列型谱方法: 中小型水电站水轮机选多此种方法或套用法。
水轮机训练（一） 一、选择题 1．水轮机的效率η（） (A)>1; (B)<1; (C)=1; (D)≤1。 2．水轮机是实现（）转换的主要部件。 （A）水能；（B）电能；（C）动能；（D）机械能。 3．水斗式水轮机属于（）水头水轮机。 （A）低；（B）高； (C)中；（D）中高。 4．可逆式水力机组主要作用是（） （A）调频；（B）调相；（C）生产季节性电能；（D）削峰添谷。 5．目前水头大于700m时，惟一可采用的一种机型是（）。 （A）混流式水轮机；（B）轴流转浆式水轮机；（C）斜流式水轮机；（D）水斗式水轮机。6．水斗式水轮机与混流式水轮机相比较，其特点是（）。 （A）适用高水头，打流量；（B）平均效率高；（C）应用水头范围窄；（D）结构简单，工程造价低。 7．水斗试水轮机喷管相当于反击型水轮机的（）。 （A）导水机构；（B）导叶操作机构；（C）导叶；（D）泻水锥。 8．反击式水轮机能量转换主要是（）。 （A）水流动能的转换；（B）水流势能的转换；（C）水流压力的转换；（D）水头损失和压力的转换。 9．属于水轮机排水部分的是（）。 （A）尾水管；（B）导轴承；（C）止漏装置；（D）蜗壳。 10．水轮机的设计水头是（）。 （A）水轮机正常运行水头；（B）水轮机发出额定出力的最低水头；（C）水轮机发出最大出力的最低水头；（D）保证水轮机安全、稳定运行的最低工作水头。 11．ZD510-LH-180属于（）水轮机。 （A）轴流转桨式；（B）轴流定桨式；（C）混流式；（D）斜流式。 12．SF表示（）。 （A）水轮发电机；（B）气轮发电机；（C）立式发电机；（D）卧式发电机。 13．不属于反击式水轮机的是（）。
课程设计报告 题目：能量转换机械创新综合设计——水轮机课程设计 姓名：xxx 学号：xxx 班级：xxx 2014年 6 月24 日
目录 目录 (1) 课程设计任务书 (2) 1. 课程设计的目的和要求 (2) 2. 基本参数 (2) 3. 课程设计的任务 (3) 第一章水轮机的选型设计 (3) 1.水轮机型号选择 (3) 已知参数 (3) 2. 水轮机基本参数的计算 (5) 一.转轮直径1D的计算 (5) 二.效率 的计算 (6) 三．转速n的计算。 (6) 4. 水轮机设计流量的计算 (7) 5. 几何吸出高度Hs的计算 (7) 6.飞逸转速nR的计算 (7) 7. 转轮轴向水推力Ft的计算 (7) 8. 检验水轮机的工作范围 (8) 第二章水轮机运转特性曲线的绘制 (9) 1.等效率曲线的计算 (10) 2. 机组出力限制线的计算 (12) 3.等吸出高度线的计算 (12) 第三章蜗壳设计 (14) 1.蜗壳型式的选择及参数 (14) 2.蜗壳进口断面的计算 (16) 3.椭圆断面的计算 (20) 第四章尾水管设计 (21) 第六章参考文献 (24) 第七章附录 (25) 1. 水轮机的运转综合特性曲线 (25) 2. 蜗壳断面图 (25) 3. 尾水管单线图 (25)
课程设计任务书 1. 课程设计的目的和要求 课程设计是水轮机课程教学计划中的一个重要环节，是培养学生综合运用所学理论知识解决工程实际问题的一次系统的基本训练。通过水轮机课本章节的相关理论知识的学习后，再通过课程设计的环节以达到巩固和加强理论知识的目的，进一步培养学生独立思考、严谨工作的能力，使学生学会查阅、收集、整理和分析相关文献资料；熟悉水轮机选型设计阶段的内容，针对给定任务能提出合理的设计方案并得出正确的计算结果。 2. 基本参数 电站总装机容量：3000 MW 电站装机台数：4台 水轮机安装高程：2241.5m 最大工作水头 H：220m max 最小工作水头 H：192.1m min 设计工作水头 H：205m r 加权平均工作水头 H：210.5 m a