水轮机初步选型设计

目录绪论........................................................................................1第一章水轮机型号选择..............................................................3第一节选择机组台数、水轮机型号及装置方式.........................3第二节确定转轮直径、同步转速..............................................6第三节运转综合特性曲线的计算和绘制.................................14第四节计算水轮机最大吸出高度和安装高程..........................19第五节待选方案的综合比较...................................................26第二章蜗壳计算........................................................................31第一节形式、进口断面参数选择............................................31第二节蜗壳各断面参数计算...................................................35参考文献......................................................................................40总结..............................................................................................411绪论一、设计目的：水轮机课程设计是水轮机课程教学中的一个重要实践环节，在学完水轮机有关章节的理论知识后，经过课程设计的实践，以达到巩固和加深所学理论知识的目的，并培养学生独立思考、工作的能力。通过这一课程设计的实践，进一步掌握选型设计的内容、程序和步骤，应该考虑合比较的种种因素，培养查阅并利用资料、手册的能力。为今后的毕业设计打下基础。二、设计任务：根据所给的原始资料，对指定原始参数进行水轮机选型设计，包括：1.选择机组台数、水轮机型号及装置方式2.确定转轮直径、同步转速3.运转综合特性曲线的计算和绘制4.计算水轮机最大吸出高度和安装高程5.待选方案的综合比较6.蜗壳的水力计算(1)确定蜗壳各断面尺寸(2)绘制蜗壳平面单线图2三、设计成果：1.设计计算说明书：设计说明书需说明设计思想、方案比较及最终结果设计计算书应包括设计计算过程、计算公式、参数选取的依据和计算结果2.用坐标纸绘制出的图纸四、原始资料：电站名：CEH-1水电站该水电站为引水式开发的电站电力系统容量60万千瓦最大水头Hmax：320m设计水头Hr：290m最小水头Hmin：250m装机容量：12万千瓦年利用小时数：4360h下游平均尾水位：1729.0m下游最低尾水位：1726.0m下游最高尾水位：1733.0m3第一章水轮机型号选择第一节选择机组台数、水轮机型号及装置方式一、机组台数及水轮机型号确定：1.水轮机型号确定：由所给出的原始数据判断，水轮机的运行水头范围为：250m~320m，故可供选择的水轮机形式有混流式和冲击式两种。其中冲击式水轮机具有安装高程不受空化条件限制，只要强度允许即可使用在很高的水头条件下的特点，广泛应用于负荷变化大而水头变化不大的电站；而混流式水轮机具有结构紧凑、运行可靠、效率高，能适应很宽的水头范围等特点，技术十分成熟，是目前国际国内应用最广泛的水轮机机型，安装检修均具有强有力的技术保障，且由于本次设计的电站水头变化范围较宽，且负荷较为稳定，故决定采用混流式水轮机。按照原始资料中的最高水头查《混流式水轮机转轮型谱参数表》，经过初步比较判断选择五个型号的转轮，其详细参数见下表：4经过对个机型参数的初步比较，可以看出HLD54-40型、HLA543-50型及HLA179-40型模型水轮机在最优工况下的单位转速Mn110、单位流量MQ110、最高效率Mη以及限制工况点的单位流量限MQ11均比较高，可使原型机获得较高的转速和较大的通过流量，从而在相同出力的情况下缩小机组的尺寸，同时模型机的气蚀系数Mσ较小，有利于电站的稳定运行，故选取上述三个水轮机机型进行计算，其具体参数如下表所示：52.机组台数选择：由原始资料可知，电力系统的总容量为60万kW，CEH-1水电站的装机容量为12万kW，根据规定电站的单机容量不允许超过系统总容量的10%，否则在电站机组发生故障时，会将整个系统拖垮甚至瓦解，故电站设计单机容量不能超过6万kW，考虑到电站本身检修需要，需有电源来提供厂用电而不用从系统中调电，故一般情况下个电站均不采用一台机组的设计。故在满足处理要求的情况下，可采用2台、3台、4台机组的设计方案进行计算比较。若选用2台或4台机组可采用扩大单元接线方式，若选用3台机组则可采用一条单元接线、一条扩大单元接线的方式接入系统当中。分别对于HLD54型、HLA543型及HLA179型模型水轮机按照2台、3台和4台三个方案进行计算，并比较所得结果，最终确定所选择的台数。二、水轮及装置方式的确定：水轮机的装置方式可分为卧轴和立轴两种，其中卧轴布置方式布置简单，不需向下开挖但占地面积较大，一般用于小型电站或水头较低的贯流式6水电站。立轴布置方式具有占地面积小的特点，但需向下进行较大的土石开挖，增加土建投资成本。为缩小厂房面积，高水头大型电站一般均采用立轴布置方式。根据原始资料，本次设计电站的最大水头达320m，故应按照立轴方式布置机组。第二节转轮直径与机组同步转速确定分别对于HLD54型、HLA543型及HLA179型模型水轮机按照2台、3台和4台三个方案进行计算，求得转轮直径、机组同步转速，并根据计算结果最终确定机组台数。计算步骤如下：(1)根据电站的装机容量及所选定的机组台数，确定出单机的出力ffZNNη=其中fN为电站的装机容量Z为所选定的机组台数fη为发电机效率，%97~%96=fη(2)根据处理确定转轮直径2/311181.9rHQNDη=参[一]P328公式（9-42）7其中11Q为限制工况点上的单位流量rH为电站的设计水头(3)根据上部计算所得的直径，查表确定水轮机的标准直径(4)根据模型水轮机的最高效率及查得的标准直径计算原型水轮机的最高效率)1(1511maxmaxDDMMηη−−=其中maxMη为模型水轮机的最高效率mD1为模型水轮机的转轮直径(5)计算效率修正值maxmaxMηηη−=∆(6)校验单位参数是否需要进行修正1maxmax−Mηη(7)计算单位转速的修正值11n∆)1(maxmax11011−=∆Mnnηη(8)计算原型水轮机最优工况下的单位转速11110110nnnM∆+=参[一]P17参[一]P71公式（3-41）参[一]P73参[一]P72公式（3-48）8其中Mn110为模型水轮机最优工况下的单位转速(9)计算原型水轮机的转速1110DHnncp=其中cpH为加权平均水头cprHH)95.0~9.0(=（河床式取小值）(10)按照计算所得的原型水轮机转速，结合发电机的同步转速，查找接近并且偏大的同步转速，确定水轮机的标准转速。(11)计算原型水轮机的效率ηηη∆+=M(12)按照查得的标准直径1D验证水轮机的出力是否满足要求η2/3211181.9rHDQN=(13)按照查得的标准直径1D和标准转速计算出水轮机在最大水头、设计水头和最小水头下的单位转速11nHnDn111=参[一]P326公式（9-36）参[一]P326表（9-9）参[一]P305公式（9-9）参[一]P305公式（9-10）参[一]P52公式（3-16）9n为查得的水轮机标准转速(14)按照计算所得的单位转速在模型综合特性曲线上找到各方案所穿越的效率区，选择通过最高效率区域的方案各型水轮机的计算结果见下表：10HLD54型水轮机参数计算结果表：11HLA179型水轮机参数计算结果表：12HLA543型水轮机参数计算结果表13由计算表格及原型水轮机综合特性曲线可知，HLD54型、HLA179型、HLA543型水轮机通过高效率区的均为A方案，故取机组台数为2台。各型水轮机的标准直径1D均为2.25m，标准转速n均为500min/r，其具体参数如下表：14第三节机组运转综合特性曲线的计算和绘制在确定转轮型号、转轮直径1D以及标准转速n后，结合模型水轮机综合特性曲线，将水轮机的工作水头范围划分为若干个区域，从中选取5个特征水头进行列表计算，求出在各水头下，原形水轮机效率与出力之间的关系，并在坐标纸上以原型水轮机效率和出力为纵横坐标描出各点，最后用光滑的曲线将各点连接，得到)(Pf=η曲线。具体计算步骤如下：(1)计算效率修正值maxmaxMηηη−=∆(2)校验单位参数是否需要进行修正1maxmax−Mηη(3)计算单位转速的修正值11n∆)1(maxmax11011−=∆Mnnηη(4)计算各水头所对应的模型水轮机的单位转速Mn11参[一]P306公式（9-12）参[一]P73参[一]P72公式（3-48）1511111nHnDnM∆−=(5)计算单位流量的修正值11Q∆)1(maxmax11011−=∆MQQηη(6)按照各水头线与模型综合特性曲线的交点，查出模型水轮机的效率Mη与单位流量MQ11列表计算原型水轮机的效率Tη、单位流量TQ11及出力P。ηηη∆+=MT111111QQQMT∆+=THDQPη2/3211181.9=(7)找到各水头线与5%出力限制线的交点，查出对应的Mη和MQ11填入表格中，求出各水头下水轮机的限制流量及限制出力。各型水轮机等效率曲线计算结果如下表计算所得的出力P单位均为MW参[一]P307表(9-1）参[一]P73公式（3-49）参[一]P305公式（9-9）参[一]P305公式（9-10）16HLD54式水轮机等效率曲线计算表：17HLA179式水轮机等效率曲线计算表：18HLA543式水轮机等效率曲线计算表：19根据上表计算所得的数据，在坐标纸上以原型水轮机效率和出力为纵横坐标描出各点，最后用光滑的曲线将各点连接，得到)(Pf=η曲线。但因时间关系，无法将三条曲线全部完成，仅从草图中作粗略比较，决定仅对HLD54型和HLA179型水轮机进行精确描点作图和后续计算。图纸见附图一（HLD54等效率曲线）和附图二（HLA179等效率曲线）第四节水轮机最大吸出高度和安装高程的计算一、水轮机最大吸出高度的计算及等吸出高度曲线的绘制水轮机的吸出高度直接关系着水轮机的气蚀性能，因此需对水吸出高度进行计算并绘出反应吸出高度与水轮机出力之间关系的曲线。在确定转轮型号、转轮直径1D以及标准转速n后，结合模型水轮机综合特性曲线，将水轮机的工作水头范围划分为若干个区域，从中选取5个特征水头进行列表计算，求出在各水头下，原形水轮机出力P与吸出高度sH之间的关系，并在坐标纸上20以原型水轮机吸出高度sH和出力P为纵横坐标描出各点，最后用光滑的曲线将各点连接，得到)(PfHs=曲线。具体计算步骤如下：(1)计算效率修正值maxmaxMηηη−=∆(2)校验单位参数是否需要进行修正1maxmax−Mηη(3)计算单位转速的修正值11n∆)1(maxmax11011−=∆Mnnηη(4)计算各水头所对应的模型水轮机的单位转速Mn1111111nHnDnM∆−=(5)查参考资料确定水轮机气蚀系数的修正值σ∆02.0=∆σ参[一]P306公式（9-12）参[一]P73参[一]P72公式（3-48）参[一]P307表(9-1）参[一]P101图(4-22）21(6)计算原型水轮机的气蚀系数σσ∆+M(7)