水轮机课程设计报告.doc

课程设计报告题目：水轮机课程设计姓名： lj 学号： 班级： 201315912015 年 12 月 20 日目录目录1课程设计任务书11. 课程设计的目的和要求12. 基本参数13. 课程设计的任务1第一章 水轮机的选型设计31. 水轮机型号选择32. 型水轮机方案的参数计算42.1. 水轮机基本参数的计算42.2. 水轮机设计流量的计算52.3. 几何吸出高度Hs的计算62.4. 飞逸转速的计算62.5. 转轮轴向水推力Ft的计算62.6. 检验水轮机的工作范围63. 型水轮机方案的参数计算73.1. 水轮机基本参数的计算73.2. 水轮机设计流量的计算83.3. 几何吸出高度的计算83.4. 飞逸转速的计算83.5. 转轮轴向水推力的计算93.6. 检验水轮机的工作范围94. 初选方案的比较9第二章 水轮机运转特性曲线的绘制111. 水轮机模型特性曲线的数字化112. 等效率曲线的计算123. 机组出力限制线的计算144. 等吸出高度线的计算15第三章 蜗壳设计181. 蜗壳形式的选择182. 蜗壳主要参数的选择182.1. 断面形状的确定182.2. 蜗壳包角的确定182.3. 蜗壳进口断面平均流速183. 蜗壳的水力计算、断面图及单线图的绘制193.1. 确定进口断面尺寸193.2. 绘制蜗壳其余各断面处角连接线和193.3. 用图解法求出积分值的变化规律203.4. 绘制曲线213.5. 绘制蜗壳各节断面图与平面图23第四章 尾水管设计241. 尾水管形式的选择242. 尾水管尺寸确定242.1.选定尾水管的高度242.2.进口锥管的计算242.3.肘管段252.4.出口扩散段252.5. 尾水管尺寸列表26参考文献26附录271. 水轮机的运转综合特性曲线272. 蜗壳断面图283. 尾水管单线图29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： 140 MW电站装机台数： 6 台水轮机安装高程： 200.5 m最大工作水头： 39 m最小工作水头： 35 m设计工作水头： 37 m加权平均工作水头： 38 m3. 课程设计的任务根据给定的电站参数来进行反击式水轮机选型设计：（1）确定机型和装置形式；（2）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；（3）绘制水轮机的运转综合特性曲线；（4）确定蜗壳的型式及尺寸，绘制蜗壳单线图；（5）确定尾水管的型式及尺寸，绘制尾水管单线图。30第一章 水轮机的选型设计1. 水轮机型号选择(1)水轮机比转速之的选择水轮机的比转速包括了水轮机的转速、出力与水头三个基本工作参数，它综合地反映了水轮机的特征，正确的选择水轮机的比转速，可以保证所选择的水轮机在实际运行中有良好的能最指标与空化性能。根据已生产的水轮机转轮的参数，用数理统计法得出的关于水轮机比转速的统计曲线或经验公式，可以在已知水电站的水头时，用这些曲线或公式选择水轮机的比转速，参照水轮机（第三版），有如下关系：轴流式水轮机的比转速与使用水头关系：混流式水轮机的比转速与使用水头关系：因此，选择在左右的轴流式水轮机左右的混流式水轮机为宜。(2)水轮机型式的选择根据水电站的实际情况正确地选择水轮机的型式是水轮机造型设计的一个重要环节，虽然各类水轮机有明确的适用水头范围，他由干它们的适用范围存在看交叉水头段，因此，必须根据水电站的工作条件对可供选择的水轮机进行分析比较，才能选择出最适合的机型。适合本电站比转速的水轮机有混流式和轴流式两种，因此，必须要对这两种水轮机进行分析比较。轴流式与混流式的比较：1)轴流转桨式水轮机适用于水头与负荷变化较大的电站，能在较宽广的工况范围内稳定、高效率运行，平均效率高于混流式水轮机。2)在相同的水头下，轴流式的高于混流式，有利于减小机组的尺寸。3)轴流式水轮机的空化系数大，约为同水头段混流式水轮机的2倍，为保证空化性能需增加厂房的水下开挖量。4)当尾水管较长时，轴流式水轮机比混流式水轮机易产生紧急关机时的抬机现象。5)轴流式水轮机的轴向水推力系数约为混流式的24倍，推力轴承载荷大。另外，轴流转桨式水轮机的转轮及受油器等部件结构复杂、造价高。综合混流式与轴流式水轮机的各自特点，可以发现轴流式水轮机运行稳定，效率高，结构紧凑，而混流式水轮机空化系数小，造价低。为了得到最适合的记性还需要进一步计算分析。(3) 水轮机转轮型号的选择在水轮机型谱中，适合本电站比转速和水头的水轮机型号有，和。综合以上几点，初选出型号为，和的水轮机。2. 型水轮机方案的参数计算2.1. 水轮机基本参数的计算(1)转轮直径的计算水轮机额定功率：根据水轮机转轮型谱推荐的最大单位流量，为使单位流量有一定的余量，取的储备，则额定工况的单位流量，在模型综合特性曲线图上查的相应于，时的模型效率，设额定工况的原型水轮机的效率，则转轮直径为：根据转轮公称直径系列，选择公称直径 表1 反击式水轮机转轮标称直径系列 单位：253035(40)42506071(80)841001201401601802002252502753003303804104505005506006507007508008509009501000(2)计算水轮机效率水轮机最高效率：式中为模型水轮机最优工况下的效率。水轮机在额定工况时的最高效率(3) 计算转速根据水轮机转轮型谱推荐的最优单位转速，单位转速的修正值为： ，因此单位不需要修正，水轮机转速为：根，据水轮机标准同步转速选取。2.2. 水轮机设计流量的计算额定工况下的单位流量：水轮机设计流量：2.3. 几何吸出高度Hs的计算在模型综合特性曲线，根据，查得模型水轮机空化系数，又由，查得，则最大允许吸出高度：2.4. 飞逸转速的计算由模型水轮机飞逸特性曲线查出在最大倒也开度下的单位飞逸转速，故原型水轮机的飞逸转速为：2.5. 转轮轴向水推力Ft的计算转轮轴向水推力：2.6. 检验水轮机的工作范围(1) 所选水轮机的单位转速范围最小单位转速： 最大单位转速： 额定单位转速： 平均水头对应的单位： (2) 所选水轮机额定工况的单位流量额定工况的单位:3. 型水轮机方案的参数计算3.1. 水轮机基本参数的计算(1) 转轮直径的计算水轮机额定功率：机组单机容量 同步发电机效率，一般取，此处取取最优单位转速与功率限制线交点的单位流量为额定单位工况的单位流量则，对应的模型效率，取效率修正系数，则额定工况的原型水轮机的效率，则转轮直径为：根据转轮公称直径系列，选择公称直径(2)计算水轮机效率水轮机最高效率：式中为模型水轮机最优工况下的效率。效率修正系数：水轮机在额定工况时的效率(3) 计算转速根据水轮机转轮型谱推荐的最优单位转速，单位转速的修正值为： ，因此单位不需要修正，水轮机转速为：，根据水轮机标准同步转速选取。3.2. 水轮机设计流量的计算额定工况下的单位流量：水轮机设计流量：3.3. 几何吸出高度的计算在模型综合特性曲线，根据，查得模型水轮机空化系数，又由，查得，则最大允许吸出高度：3.4. 飞逸转速的计算由模型水轮机飞逸特性曲线查出在最大倒也开度下的单位飞逸转速，故原型水轮机的飞逸转速为：3.5. 转轮轴向水推力的计算转轮轴向水推力：3.6. 检验水轮机的工作范围(1) 所选水轮机的单位转速范围最小单位转速： 最大单位转速： 额定单位转速： 平均水头对应的单位： (2) 所选水轮机额定工况的单位流量额定工况的单位:同理，的数据也可按照的方法和过程查资料计算得出。4. 初选方案的比较为了方便比较分析，现将上述的三种方案的参数列表如下：表2. 三种初选方案的各项参数方案项目模型转轮参数推荐使用的水头范围最优单位流量最优单位转速最高效率限制工况单位流量空化系数原型转轮参数转轮直径额定转速飞逸转速645.3额定流量最高效率额定出力安装高程吸出高度轴向推力空化系数0.53三种方案的转轮直径相差不大，方案二与方案三的转轮直径相同较方案一小一些，有利于降低水轮机转轮的造价，方案二水轮机的型水轮机方包含了较多的高效率区域，运行效率较高，气蚀系数较小，有利于提高年发电量和减小电站厂房的开挖工程量；而ZZ440型水轮机方案的机组转速较高，有利于减少发电机尺寸降低发电机造价，但这种机型的水轮机及其调节系统的造价较高。根据以上分析，选择为最佳方案。装置方式：采用立轴安装第二章 水轮机运转特性曲线的绘制水轮机模型特性曲线的数字化和计算机自动绘制运转曲线的一个重要环节，人工采集和数字化仪采集方法都有各自的缺点，使得计算机自动绘制运转特性曲线的应用受到了极大的限制。因此研究既可以节省成本，又可以快速、高效的对以图形为载体的特性曲线进行数字化的方法是很有意义的。MATLAB（软件）作为高效率的数值计算和可视化软件，具有良好的图形处理能力，可以很方便的进行插值、绘图等复杂运算。MATLAB 无论在数学理论上，还是在算法设计上都是非常可靠的。下面将借助MATLAB实现水轮机模型特性曲线的数字化和计算机自动绘制运转曲线。1. 水轮机模型特性曲线的数字化采用计算机通过鼠标点击采集数据：先将模型曲线图扫描成电子图片存储在计算机中，然后通过鼠标可以跟踪图片容器中任何一点的坐标值。由于图片容器有自己的坐标系，与模型特性曲线图的坐标系不一致，所以需要给出两坐标系之间的对应关系。流量流量转速转速模型特性曲线图1. 图片坐标系与模型特性曲线坐标系关系示意图最外面的坐标系是图片像素点的坐标系，BAC 坐标系是模型特性曲线的坐标系，鼠标所能跟踪的坐标是图片像素点的坐标。通过鼠标跟踪点、点和点像素坐标，设 为，为，为（一般来说，所选坐标系都是平行的，误差可以忽略）。模型特性曲线的坐标点为，为，为，则通过鼠标跟踪得到的模型特性曲线坐标转换关系为：式中，为点在模型特性曲线中的坐标；， 为点图片像素坐标。将水轮机模型特性曲线按上面的方式采集后就得到一组三维坐标点（这些点的数据是离散化的），然后通过MATLAB的gridata函数可以插值求出任一点的效率和空化系数。采集到到水轮机模型特性曲线散点图与MATLAB绘制的水轮机模型特性曲线图如下图所示：图3. 水轮机模型综合特性曲线图图2. 水轮机模型综合特性曲线采集的数据散点图从上图可以看出MATLAB采集散点画出的转轮模型综合特性曲线图与水轮机附录中的转轮模型综合特性曲线图大致是一致的,说明通过MATLAB进行散点插值的效果较好。2. 等效率曲线的计算等效率线是运转特性曲线中重要的曲线图，它反映了水轮机在出力和水头下的运行效率，为水电站运行提供重要依据。用MATLAB 绘制等效率线的方法如下：（1）在最小水头和最大水头之间选取若干个水头。（2）求相应的模型水轮机单位转速，其中，和分别为水轮机标称直径和额定转速。，为k 维矢量。（3）在所采集的离散点中的水轮机效率最大值和最小值之间选取若干值。为单位流量，为m 维矢量，记为。（4）求由矢量和决定的各相交点的单位流量。通过采集到的离散点的单位流量，单位转速和效率值再插值得到这些相交点的单位流量。其中，为采集到的离散点的单位转速、单位流量和效率值；为MATLAB 中用来产生“格点”矩阵的函数；cubic 为指定的内插值算法三次立方插值。（5）效率修正。是修正后的效率值；是效率修正值。（6）求出各相交点的出力，这样，就得到了各相交点的出力、水头H 和效率值。然后再根据这些值由就可以画出水轮机运转等效率特性曲线图。其中，是MATLAB 中画等值线的函数。现取水电站4个水头，MATLAB计算结果如下表所示：表3. 等效率曲线计算表 项 目0.8689.9317.080.8589.9317.590.8489.9318.150.8489.9319.450.8990.9318.030.8890.9318.550.8890.9319.190.8890.9320.620.9591.9319.270.9391.9319.720.9291.9320.370.9291.9321.800.9892.9320.100.9692.9320.750.9692.9321.480.9692.9322.841.0493.9321.511.0193.9321.961.0193.9322.711.0193.9324.031.2293.9325.241.2193.9326.231.2193.9327.231.2193.9329.101.2592.9325.651.2492.9326.651.2492.9327.691.2492.9329.791.2791.9325.851.2791.9326.941.2691.9327.931.2691.9330.141.3090.9326.151.2990.9327.211.2990.9328.341.2990.9330.511.3289.9326.351.3289.9327.451.3389.9328.571.3289.9330.761.3688.9326.681.3588.9327.771.3588.9328.871.3588.9331.131.3787.9326.701.3787.9327.791.3787.9328.951.3787.9331.201.4185.4326.731.4185.4327.861.4185.4329.001.4185.4331.311.4482.9326.491.4482.9327.631.4482.9328.801.4482.9331.08在出力限制线线上（注:各水头对应的分别为90.5,90.6,90.1,89.5）1.2393.425.411.2393.526.541.2393.027.501.2489.428.84通过上表计算得到的数据，利用MATLAB绘制出的水轮机的等效率线如下图：图4. 原型水轮机等效率曲线3. 机组出力限制线的计算 (1) 发电机出力限制线当水头时水轮机出力受到发电机出力的限制，发电机的额定出力与水头无关，在一定的额功率因数下，它的额定出力为常数，因此在运转特性曲线上是一条的垂直线。 (2) 水轮机出力限制线 当时，水轮机的出力受出力限制线的限制，混流式水轮机的出力限制线，通常根据模型综合特性曲线上的出力限制线进行绘制，绘制方法一般是求出与和对应的水轮机出力和,将和在运转特性曲线图上连成一条斜线。计算的结果如表3。4. 等吸出高度线的计算等吸出高度线表达水轮机在各运行工况的最大允许吸出高度。等线是根据模型综合特性曲线的等线换算而求得的，计算与绘制等线的步骤如下：(1)计算各水头相应转速，在模型综合特性曲线上过各作水平线与各等线相交，记下各点的、值。(2)根据吸出高度计算式，计算各点，并计算各点出力。 (3)根据各工况点的、绘出各水头下的曲线。作出的曲线如下图：图5. 各水头下的曲线(4) 在曲线上取某值作水平线与各曲线相交，记下件交点的水头及出力，将这些点绘制到坐标系内并连成光滑曲线，即得某等吸出高度线。也可以参照等效率线的画法实现用MATLAB绘制出等吸出高度线。现取水电站4个水头，等吸出高度计算结果如下表所示：表4. 等吸出高度曲线计算表3972.080.201.229090.0228.570.7290.211.3286.886.8229.820.3390.221.3685.385.3230.08-0.0500.231.378484.0229.95-0.4400.241.398383.0230.02-0.8303774.00.201.2988.488.4227.421.1560.211.3286.986.9227.690.7860.221.358686.0228.020.4160.231.378585.0228.000.0460.241.388484.0227.98-0.3233576.080.201.2988.4588.4725.241.5520.211.3286.986.9225.441.2020.221.3586.486.4225.790.8520.231.3685.885.8225.850.5020.241.3885.186.1226.150.152利用MATLAB画出的原型水轮机的等吸出高度曲线如图：图6. 原型水轮机等吸出高度曲线结合等效率曲线、等吸出高度曲线和出力限制线绘制出的原型水轮机运转综合特性曲线如下图（手绘的原型水轮机运转综合特性曲线见附录）：图7. 原型水轮机运转综合特性曲线第三章 蜗壳设计1. 蜗壳形式的选择由于本水电站的设计水头高度小于40，因此采用混凝土蜗壳。2. 蜗壳主要参数的选择2.1. 断面形状的确定图8. 蜗壳断面示意图本电站设计水头为37,设计水头下最大流量为72.2，水轮机转轮直径，设计的水轮机为中型水轮机，由此选取平顶行断面的混凝土蜗壳，由水轮机设计手册的标准座环尺寸系列，选取座环的外直径，即，座环内直径即 。当时，选取，选取2.2. 蜗壳包角的确定本电站设计水头小于，混凝土蜗壳，选取表5. 混凝土蜗壳的包角水头蜗壳包角2.3. 蜗壳进口断面平均流速查取水力机械及工程设计中的混凝土蜗壳断面平均速度与水头的关系图，可得到当时，图9. 蜗壳进口断面平均流速与水头的关系3. 蜗壳的水力计算、断面图及单线图的绘制3.1. 确定进口断面尺寸按照公式计算确定蜗壳进口断面面积表6. 水轮机部分基本参数转轮直径额定水头额定流量相对高度座环外直径座环内直径蜗壳包角3.33772.20.3655.154.5270根据已选择的蜗壳进口断面形状，确定具体尺寸： 按照计算得到的蜗壳进口断面具体尺寸和蜗壳进口断面形状，即可绘制出进口断面。3.2. 绘制蜗壳其余各断面处角连接线和和两连接线采用抛物线轨迹，根据进口断面尺寸，可以确定抛物线中的常数。对于线 对于线 图10. 蜗壳断面角连接线对于其余各断面 从进口断面至座环支柱外径之间给定若干值，代入上式求出对应各断面的值，然后将各断面的顶点连接起来即可绘出抛物线和，如上图所示。3.3. 用图解法求出积分值的变化规律列表计算并作出各断面的的函数曲线表7. 的曲线计算表断面14.414.414.414.414.414.033.675.344.954.393.903.443.333.240.830.891.001.131.281.211.13断面23.253.253.253.253.252.962.664.784.423.983.563.133.052.970.680.730.820.911.040.970.90断面32.352.352.352.352.352.101.874.233.983.633.222.882.822.750.560.590.650.730.820.740.68断面41.711.711.711.711.711.591.453.683.523.252.992.712.682.640.460.490.530.570.630.590.55断面51.321.321.321.321.321.291.243.132.992.872.732.612.602.590.420.440.460.480.510.500.48用表中各断面的和数值作出的关系曲线:图11. 关系曲线3.4. 绘制曲线(1) 以进口断面为边界条件求出常数，由式，时得到：，其中是进口断面的曲线所围面积，为水轮机的最大流量，则(2) 求出各个中间断面的，计算出中间各个断面曲线所围面积和已求得的值代入求得各个中间断面的 (3) 求出中间各个断面的流量(4) 计算各个断面的平均流速 ，（各断面的面积）列表计算上述的，然后按照表中的数据绘出，的关系曲线。表8. 蜗壳部分参数计算表断面号15.3410.7924.786.6134.233.7243.681.8553.230.73根据上表计算的蜗壳数据，绘出，的关系曲线如下图：图12. 关系曲线图11. 面积积分示意图3.5. 绘制蜗壳各节断面图与平面图图13. 关系曲线(1) 在曲线上每隔找出对应于此处的断面如下表，再根据找到的就可以在图上利用和两线，找出各相应断面的轮廓尺寸。表8. 混凝土蜗壳断面轮廓尺寸角度04590135180225270半径2.03.313.934.364.735.065.35(2) 绘制蜗壳平面图（见附录）。第四章 尾水管设计1. 尾水管形式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。