水电站课程设计说明书

1、水 电 站课 程 设 计 说 明 书 指导老师： 简 新 平 专业班级： 水工专02班 姓 名： 郑 振 林 学 号： 05 摘 要本说明书共七个章节，主要介绍了大江水电站水轮机选型，水轮机运转综合特性曲线的绘制，蜗壳、尾水管的设计方案和工作原理以及调速设备和油压装置的选择。主要内容包括水电站水轮机、排水装置、油压装置所满足的设计方案及控制要求和设计所需求的相关辅助图和设计图。系统的阐明了水电站相关应用设备和辅助设备的设计方案的步骤和图形绘制的方法。关键词：水轮机、综合运转特性曲线图、蜗壳、尾水管、调速器、油压装置【abstract】Curriculum project of hydrosta

2、tion is a important course and practical process in curriculum provision of water-power engineering major.There are more contents and specialized knowledge in the curriculum project,which make students not to adapt themselves quickly to complete the design.In this paper,characteristic of the curricu

3、lum project is analyzed,causes of inadaptation to the curriculum project in students are found,rational guarding method are proposed,and a example of applying the guarding method is given.The results show that using provided method to guard student design is a good method,when teaching mode and time

4、 chart are given,students are guarded from mode of thinking and methodology,and design step are discussed and given.After the curriculum project of hydrostation,the capability of students to solve practical engineering problems is improved,and the confidence to engage in design is strengthened.【Keyw

5、ord】：curriculum project of hydrostation;guarding method;mode of thinking;methodology;design step.目 录第一节 设计题目及基本资料1第二节 机组台数与单机容量的选择1第三节 水轮机型2 第四节 水轮机运转特性曲线的绘制7 第五节 蜗壳设计9第六节 尾水管设计11第七节 调速设备与油压装置的选择13总 结15参考资料15第一节 设计题目及基本资料1.1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，进一步解决提高运算、绘图和使用技术资料的能力，通过具体工程实例

6、设计提高设计观念和分析解决工程问题的能力。1.2设计题目 大江水电站水轮机选型设计1.3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Hr=28.5m,电站总装机容量=68000kw，尾水处海拔高程为24.0m，要求吸出高度Hs>-4m。1.4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，正确的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）确定机组台数和单机容量。（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

7、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、尾水管的形式与尺寸。（7）选择调速器与油压装置。第二节 机组台数和单机容量的确定 根据我国水电站运行实际证明，中小型水电站机组台数宜选用24台，但根据该水电站装机容量大小和制造厂供给机组的可能性确定，建议选择4台机组。所以该水电站单机容量N为17000kw。第三节 水轮机选型2.1初选机型根据该水电站的水头变化范围，在机组系列型谱表中查得合适的机型有HL240和ZZ440两种， HL240型水轮机的适应水头范围为2545m，ZZ440型水轮机的适应水头范围为2036m，而且在中小型水电站中轴流式水轮机和直径大于1.0的混流式

8、水轮机一般采用立轴式机组。所以现将这两种水轮机作为初选方案，分别计算出相关参数，并进行比较分析：1 HL240型水轮机方案的主要参数选择a 转轮直径D的计算HL240型水轮机在限制工况下的单位流量Q1M=1.24 m3/s,效率=91由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量Q1= Q1M=1.24 m3/s，效率=91，上述Q1，和Nr=17000/0.96=17708 kw，Hr=28.5 m选用与之接近而偏大的标称直径D1=3.3 mb 转速n的计算HL240水轮机在最优工况下单位转速n10m=72 r/min，初步假定n10=n10m，代入式选用与之接近而偏大的同步转速n=125 r

9、/min。c 出力校核当D1=3.3m，Hr =28.5m，n=125 r/min，n1=77.27 r/min时在n1=77.27 r/min，Q1 =1.24 m3/s时，从水轮机HL240型模型转轮综合特性曲线上得=0.902，所以水轮机的效率为=0.902+0.008=0.91水轮机出力N=9.81 Q1D21Hr=9.81×1.24×3.3×3.3×28.5××0.91=18341kw若选用D1=3m时，水轮机出力不能达到额定出力，故选用3.3m，并有出力裕量1341kw。d 检查运行区域的效率当Hmax =35.87m时，

10、当Hmin =24.72m时，正好在最高效率区，可见附图。e 吸出高度的计算由水轮机的设计工况参数，n1r=72 r/min，Q1max=1.24m3/s。在水轮机HL240模型特性曲线上查得相应的气蚀系数=0.2，并在水电站P49Hr曲线上查得=0.042，由此可求出水轮机的吸出高度为2 ZZ440型水轮机方案的主要参数选择a 转轮直径D的计算ZZ440型水轮机在限制工况下的单位流量Q1M=1.650 m3/s ,最优工况的n10=115 r/min根据本水电站的具体条件Hs>-4m，则允许的气蚀系数值为=-0.042=0.490-0.042=0.448式中值由Hr=28.5查图3-9

11、得当计算工况点=0.448，n10 =115r/min时在ZZ440模型综合特性曲线上选取Q1= 1.2 m3/s=0.864,则水轮机效率假定值=0.885当 N=17708kw，Hr=28.5m时，水轮机转轮直径为D1=3.24m故选用标准转轮直径D1=3.3mb 效率修正值的计算由表4-4续表知，ZZ440型轴流转桨式水轮机D1M=0.46m,Hm=3.5m则在不同叶片转角时的最大效率为max=1-(1-Mmax)(0.3+0.7)=1-(1-Mmax)(0.3+0.7)=0.36+0.64Mmax取工艺质量的效率修正值为1%，则每个叶片转角效率修正的计算结果如下表表1 ZZ440型水轮

12、机效率修正值计算表叶片转角-10º-5º0º+5º+10º+15º（%）84.988.088.888.387.286.0max（%）90.392.392.892.591.891.0=max-5.44.34.04.24.65.0c 计算转速n叶片转角在最优工况（=0°）时模型效率为最高，且由上表得Mmax=0.888, max=0.925则=-1=2.1%<3%故单位转速不需修正，n1=n10=115 r/min=186 r/min采用与其接近的同步转速187.5 r/min，磁极对数p=16e 校核水轮机的额定出力当D

13、1=3.3m，Hr=28.5m,n=187.5 r/min,则n1=115.9 r/minn1=115.9r/min，=0.449在模型综合特性曲线上差的计算点的Q1=1.2m3/s，叶片转角=+8°，=0.863，其效率修正值有内插法得2.03%，则原型水轮机计算点的效率为=+=0.863+0.0203=0.883将上述各值代入下式得N=9.81 Q1HrD1=9.81×1.2×28.53/2×3.32×0.883=17223kw水轮机出力接近额定出力，基本满足要求。f 检验运行区域的效率因单位转速不进行修正，所以n1=n1m当Hmax =3

14、5.87m时，当Hmin =24.72m时，与Q1=1.2m3/s组成的四边形在ZZ440模型转轮综合特性曲线高效率曲的偏右方（见附图），则说明转速选择偏高。g 水轮机吸出高度的计算当Hr=28.5m, Q1=1.2m3/s，n1=115.9r/min时，=0.449，则此时水轮机的吸出高度为满足电站设计要求。通过比较,两种水轮机型号的直径相同,均为3.3m. 从模型图中可以看到，HL240型的包含的高效率范围要大于ZZ440型的水轮机，运行效率较高，气蚀系数较小 ，吸出高度较高，有利于减少土建的开挖工程量，ZZ440型水轮机的机组转速大，有利于减少发电机尺寸，降低发电机组的造价，但水轮机本身

15、造价很高！综合以上原因，决定选取HL240型水轮机为最优方案！第四节 水轮机运转特性曲线的绘制3.1 基本资料和数据 水轮机牌号HL240-LH-330 水头 最大水头Hmax=35.87m, 最小水头Hmin=24.72m, 设计水头Hr=28.5m 额定转速 n=125 r/min 水轮机额定出力 N=17708kw 发电机额定出力 Ng=17000kw 水轮机的海拔高程 =24.0m HL240式水轮机模型特性曲线见附图二3.2绘制水轮机的工作特性曲线 1) 效率修正计算： 水头H<150m,采用式（4-47）计算原型水轮机最高效率 max=1-(1-Mmax) =1-(1-0.9

16、1) =0.94 考虑原模型水轮机的工艺质量，取修正值2=2.5%，得效率修正值 =max-2=0.94-0.91-0.025=0.05=0.5% 则原型水轮机最高效率为max=+=0.91+0.05=0.915 2）单位转速修正： =-1=1.003-1=0.003=0.3%<3% 所以单位转速不需要修正，即n1=n1m 3）在水头范围内（24.7235.87），取4个水头，即Hmax=35.87m，H=31m，Hr=28.5m，Hmin=24.72m 4)列表计算见下表，即水轮机等效率曲线计算表表2水轮机等效率曲线计算表H=35.87 N=22969 Q1 H=31N= 18482Q

17、1H=28.5N= 16238Q1H=24.72N=13140 Q1MQ1NMQ1NQ1NQ1N870.83587.516782870.84587.513665860.84986.511925850.93185.510459.51880.8788.517685880.8888.514394870.89187.512660860.9886.511138.78890.90889.518666890.9389.515383880.92588.513293871.02587.511784.94900.9490.519540900.96890.516191890.97589.514170881.0628

18、8.512349.89910.97591.520491911.01791.517199901.01890.514960891.09189.512830.49911.14891.524127911.21891.520598911.06991.515883901.1590.513675.46901.290.524944901.24590.520824911.22391.518171901.23890.514721.92891.2389.525285891.2789.521008901.25990.518501891.2789.514935.58881.2788.525816881.388.5212

19、64891.28189.518617881.32188.515361.78871.387.526127871.32587.521428881.31888.518940871.33987.515395.15871.33787.5189965%出力限制线上的点88.81.2489.32543490.21.2490.720786911.249118323901.24690.21309.7955)按表计算结果，绘制各种水头下的工作特性曲线，即=f(n)，见图13.3绘制等效率曲线作max=f(H)曲线，见图2，求出某一等效率曲线的最小水头。3.4绘制等吸出高度曲线 1）按表3分别计算各水头的吸出高度：

20、 吸出高度的计算公式为 Hs=10-，式中气蚀系数修正值由Hr=28.5m查的=0.042。 2）利用表2计算结果，作每个水头下的N=f(Q1)辅助曲线。图3是每个水头下N=f(Q1)曲线。将各Q1值的出力从图3中查出来后填于表3中。表3等吸出高度计算表HnQN（ ）HHs3174.10.210.83213331.90.2527.8121.980.20.9515714.30.2427.5022.2980.21.29121044.80.2427.5022.2980.211.32621296.70.2527.8121.9828.577.30.210.86813860.60.2527.1822.62

21、60.20.96515801.90.2426.8972.9190.21.27820998.20.2426.8972.9190.211.32321444.10.2527.1822.6263） 按表3绘制出Hs=f(N)曲线，见图4。 4）绘制等吸出高度Hs曲线： 在图4Hs=f(N)曲线上，作Hs为常数的水平线，与Hs=f(N)曲线各交点的H、N值画在等效率曲线图上，把各Hs相等的点连接成光滑曲线，即为等吸出高度线。5）绘制机组出力限制线 当水头在设计水头以上时，出力受发电机限制，由水轮机额定出力N=17000kw做一条垂直线，即为发电机出力限制线。当水头小于设计水头时，根据表2计算结果，将出力

22、限制线上的Hr=28.5m和Hmin=24.72m对应的N值标在运转特性曲线上，连成一条斜线，即为水轮机出力限制线。第五节 蜗壳设计5.1 蜗壳水力计算 已知该大江水电站的混流式水轮机外径Da=5.0m，内径Db=4.3m，座环高度bo=1.24m，转轮直径D1=3.3m，设计水头Hr=28.5m，设计流量QT=72.09 m3/s。1) 断面形状及包角的选择。根据电站布置要求，蜗壳断面形状采用平顶梯形，=1.7，2=15°，包角0=210°。2) 进口断面面积及尺寸。进口断面流速V1=ac =0.823=4.39 m/s，进口断面流量Qo=QT0/360=42.05 m3

23、/s，进口断面面积F1=Qo/ V1=9.58 m2根据几何关系，进口断面面积应满足下式： F1=ab- m12tg2 /2 +(ra-rb) bo，且b/a=1.7 解得上式得：a1=2.50 m b1=4.25 m m1= b1-bo=3.01m3) 中间断面尺寸。顶角d的变化规律采用抛物线轨迹，则k2=a1/=1.441进口断面最大半径R1= ra+ a1=5 m (座环内半径rb=2.15，外半径ra=2.5)（1）在R1与ra之间设不同的Ri，求出ai与mi，计算见表4Ri54.543.532.52备注ai2.521.510.5ai=Ri-rami3.011.91.10.480.1m

24、i=（ai/ k2）2 (2) 求积分Si=dr，列表计算见表5 1r(m)54.543.532.52S12.6b(m)4.254.254.254.252.991.241.24b/r0.850.9441.0631.2140.9970.4960.622r(m)4.543.532.52S21.82b(m)3.173.173.172.991.241.24b/r0.7040.7930.9060.9970.4960.623r(m)43.532.52S31.2b(m)2.322.322.321.241.24b/r0.580.6630.7730.4960.624r(m)3.532.52S40.74b(m)1

25、.721.721.241.24b/r0.4910.5730.4960.625r(m)32.52S50.42b(m)1.361.241.24b/r0.4530.4960.626r(m)2.52S60.19b(m)1.241.24b/r0.4960.62 （3）各断面的流量Q及其位置的计算：蜗壳常数K=Qo/S1=42.05/2.6=16.2，Q=KSi，=360 Q/QT，列表计算如表6编号RSQ152.642.1221024.51.8229.484147341.219.4497.143.50.7411.98859.9530.426.8043462.50.193.07815.4 （4）绘制蜗壳平

26、面图。根据R关系，每隔30°查出相应半径R，列表如表7，并据此绘制蜗壳平面图。 表7 R 关系编号12345678角度2101801501209060300半径54.774.524.233.913.492.892 进口部分宽度可取B=R1+（0.951.1）D1。当蜗壳进口宽度较大时，为了改善顶板的受力条件，可在进口段加设中墩，支墩末端距机组中心线一般不小于1.3D1。 第六节 尾水管设计4.2尾水管的水力计算 （1）尾水管形式的选择 本设计中尾水管型式采用弯曲尾水管型。 （2）尺寸的确定 由水电站设计手册第一卷水力机械HL240的转轮流道尺寸图。1） 进口直锥段：采用D3=D2=1

27、.0783.3=3.56m ，HL240取单边扩散角2） 弯管段：因为Hp=28.5m<150m，所以可不设金属里衬，采用推荐的尾水管尺寸。3） 出口扩散段：底板水平，仰角取，设中墩，支墩宽度b=o.1B5=0.13.32.72=0.9m4） 尾水管的水平长度，取l=43.3=13.2m，尾水管高度h=2.6D1=2.63.3=8.58m5） 表计算：（h1+h2）=0.15D1=0.153.3=0.495mh3=(D4-D3)/(2tan80)=3.34m表8 混凝土推荐的尾水管尺寸表2.64.52.721.351.350.6751.821.22hlB5D4h4h6L1h58.58 14.858.9764.4554.4552.2286.0064.026表9 混凝土标准肘管尺寸表1.01.02.0150.360.861.100.60.180.584.54.59.0681.623.874.952.70.812.61(6)由上述尺寸绘制尾水管平面剖面和单线图（见图） 第七节 调速设备的与油压装置选择7.1调速器的计算水轮机的调速功A为：A=(200 250)