水电站课程设计

1、水电站课程设计说明书院 系：水电学院专 业：水利水电工程姓 名：学 号：指 导：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第三章水轮机型号、装置方式的确定 2第四章水轮机特性曲线的绘制 9第五章蜗壳的设计11第六章尾水管的设计12第七章发电机的选择14第八章调速设备的选择16第一章 基本资料某梯级开发电站， 电站的主要任务是发电， 并结合水库特性、 地区要求可发挥水产养殖等综合效益。 电站建成后投入东北主网， 担任系统调峰、调相及少量的事故备用容量，同时兼向周边地区供电。该电站水库库容小不担任下游防洪任务。经比较分析，该电站坝型采用混凝土重力坝，厂房型式为引水式。经水工模型试验，采

2、用消力戽消能型式。经水能分析，该电站有关动能指标为：水库调节性能年调节保证出力4万 kw装机容量16万 kw多年平均发电量42000 kwh最大工作水头38.0 m加权平均水头36.0 m设计水头36.0 m最小工作水头34.0 m平均尾水位152.0 m设计尾水位150.0 m发电机效率96%-98%- 1 -第二章 机组台数与单机容量的选择水电站总装机容量等于机组台数和单机容量的乘积， 在总装机容量确定的情况下可以拟订出不同的机组台数方案，当机组台数不同时，则当单机容量不同，水轮机的转轮直径、转速也就不同。有时甚至水轮机的型号也会改变，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

3、应。在确定水电站机组台数和单机容量时，综合考虑下面的因素：（一） 机组台数与工程建设费用的关系；（二） 机组台数与设备制造、运输、安装及枢纽布置的关系；（三） 机组台数与水电站运行效率的关系；（四） 机组台数与水电站维护的关系；（五） 机组台数与电气主接线的关系；从而初步确定水电站采用4 台机组，每台机组装机容量4 万千瓦。4 万千瓦 4=16 万千瓦满足水电站要求。第三章 水轮机型号、装置方式的确定由基本资料，根据水电站的工作水头范围，在反击式水轮机系列型号谱表中查得 HL240 型水轮机和 ZZ440 型水轮机都可以使用。这样，将两种水轮机列入比较方案，并对其主要参数分别进行计算。（一）

4、HL240 型水轮机的方案主要参数的计算1、确定水轮机的转轮直径- 2 -由 N= 9.81H r Q和 Q1Q可得 D1N3/ 2 （ 4-50）2H. QHDr9 811r1HL240 型水轮机的最优转速 n1072.0(r / min) ，在 HL240 型水轮机主要综合特性曲线上查得单位流量 Q11240 L/s。由于转轮直径尚未确定， 原型水轮机的效率 目前不能求出， 初步假定原型水轮机在该工况点的效率为 92%。则由公式（ 4-50）可得到 D1400004.07 m9.81 1.240 36.03 / 292%转轮直径应该符合水轮机转轮的标准尺寸系列。 通常是选用比计算值大的标准

5、直径作为水轮机的标称直径。查表 4-6，取与之接近而偏大的标准直径 D1410 m。2、效率修正值计算可查得 HL240 型水轮机在最优工况下的最高效率92.0% ，模型转 轮 直 径D1M0.46 m ， 则 原 型 水 轮 机 的 最 高 效 率 为max1 (1 M max )5D1MD11 (1 0.92)5 0.46 0.946 94.6% 3.3考虑到制造工艺水平的情况取1% ，由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型基本相似，故认为0 ，则效率修正值maxM max0.018水轮机在限制工况（也即设计工况）点的效率应为M0.9040.0180.922与原来的假定基本符合。- 3

6、 -3、确定水轮机的转速计算水轮机转速的公式n10 HnD1其中 n10 为最优单位转速，即 n10n10 Mn1HL240 模型水轮机的最优单位转速n1072 r/min，H 采用设计水头，则水轮机转速的计算值值为n10 H r7236.0105.37 （r/min ）n4.10D1查表4-7，选用与之接近而偏大的发电机标准同步转速。取n107.1r/min 。4、确定水轮机的吸出高根据选到的 D14.10 m,n107.1 r/min和水轮机的设计水头H r36.0 m可计算出在设计工况点水轮机的最大单位流量Q 1m ax 和相应的单位转速 n1r 。根据式（ 4-50）得Q1maxN40

7、0001.03（m3/s）3/ 29.814.10236.03/ 29.81D12 H r0.92nD1107.1 4.1073.2 （r/min ）n1 r36.0H r由 Q1max 和 n1r 可在图 4-4 中查出对应的空蚀系数为0.20 ，从图 3-16中可查得空蚀系数的修正值0.032 ，由此可求得水轮机的吸出高为H s 10.0() H r900- 4 -10.01520.032)36.01.48(m)(0.20900( 注：对于水电站站址处海拔高度，在初步计算时可采用水电站尾水的平均水位。 )5、工作范围的验算在最大水头 H max38.0m 时，有n1minnD1107.14

8、.1H max71.23r / min38.0在最小工作水头 H min36.0m 时，有n1minnD1107.14.1 73.19r / minH min36.0在HL240型水轮机的模型综合特性曲线图上，分别画出Q1 max1240L/s ， n1 min71.23r/min 和 n1 max73.19r/min 的直线，三线所包围的水轮机工作范围包含了该特性曲线的高效区.所以该设计是合理的。(二) ZZ440 型水轮机的方案主要参数的计算1、转轮直径 D1 的计算N rD1=39.81Q1 H 1 2对于 Q1 值，可由附表水轮机主要参数查得该型水轮机在限制工况下的 Q11.65 m3

9、s , 同时还查得汽蚀系数0.72 。但在允许的吸出高H s4m 时，则相应的装置汽蚀系数z 为：10.0H s 10.01524900z9000.384 0.72H36所以，为满足对吸出高的限制，Q1 值可在 ZZ440 型综合特征曲线- 5 -图上依工况点 (n10115,0.384) 查得 1.08 m3s . 同时亦可查该工况点上 M 87.5 ，由此可初步假定水轮机的效率为90.5 .将以上各之代入上式，便可求得：D1408164.44m9.811.0830.90536 2选择标注直径 D1 =4.5m.2、效率修正值计算对轴流转浆式水轮机，叶片在不同转角时的最大效率max 可用公式

10、计算，即：max1 (1M max ) 0.30.75D1M10 HMD1H已知 D1M 0.46m, H M3.5m, D14.5m, H r36m 代入上式，则得：max1 (1M max ) 0.30.75 0.4610 3.510.651(1M max )4.536叶片在不同转角时的M max 值可自图 ZZ440型水轮机模型综合特性曲线查得， 由此便可用上式求的相应于该角时的水轮机最高效率 max ，并将计算结果列于表 3-2.表 3-2 ZZ440 型水轮机效率修正值计算表叶片转角( )-10-50+5+10+15M m ax ()84.988.088.888.387.286.0m

11、 ax ()90.292.292.792.491.790.9maxM max ()5.34.23.94.14.54.9- 6 -( )4.33.22.93.13.53.9当选取制造工艺影响的效率修正值11和不考虑异形部件的影响时，便可计算得不同角时效率修正值为：maxM max1将的计算结果亦同时列入表3-2 中。由附表水轮机主要参数查得在最优工况下模型的最高效率M max89 ，由此最优工况很接近于0 的等转角线，故采用效率修正值2.9 ，这样便可得出原型水轮机的最高效率m ax 为：max 0.890.029 91.9已知在限制工况(n10115, Q11.08) 模型的效率为： M 87

12、.5，而该点处于5 与10两等角线之间，用内插法可求得该点的效率修正值为3.39，由此可求得水轮机在限制工况下的效率为：0.8750.033990.89与假定的效率 90 .5差1.19小于 3，所以不用修正。3、转速的计算由于n1max10.9190.0160.03n101MM max0.89所以不考虑 n10 的修正，由此求得水轮机的转速为：n10H a115 36nD1153.33 r min4.5选用与之接近的标准同步转速n=166.7 r min4、工作范围的验算在选定的 D14.50m, n166.7 r min 的情况下，水轮机Q1 max 为：- 7 -40816Q1 max9

13、.814.5236320.9191.035 m3s则水轮机的最大引用流量Qmax 为：Qmax Q12max D1 Hr 1.035 4.52 36 125.75m3s各特征水头下相应的n1值列表如下 :表 3-3项目H m axH rH min水头（ m）383634单位转速121.69125.03128.65n1 ( r min )在 ZZ440型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出Q 1max 1.035m 3 / s , n1min121 .69r/min , n1 max128.65r/min的直线，三线所包围的水轮机工作范围包含了该特性曲线的部分高效区. 所以该设计是不合理的 .5、

14、吸出高程 H s 的计算由水轮机的设计工况（n1r125.03, Q1max1.035 ）在 ZZ440 型水轮机模型综合特性曲线图上查得相应的汽蚀系数0.34 ; 由设计水头H r 36.0m 在汽蚀系数的修正曲线图上查得0.03 ，则可求得水轮机的吸出高为：H s 10.0()H 10.0152363.49m4.0m(0.34 0.03)9009006、安装高程Z AH s xD1 1503.49 0.3964.5148.29 m- 8 -（三）两种方案的比较由上表可见 ,HL240 型水轮机的转轮直径比ZZ440 型的小 , 而且HL240 型水轮机方案的工作范围包含了较多的高效率区域,

15、 运行效率较高气蚀系数较小 , 安装高程较高 , 有利于提高年发电量和减少电站厂房的开挖工程量 .ZZ440 型水轮机方案的机组转速较高 , 有利于减少发电机的尺寸 , 减低发电机的造价 , 但是 , 这种机型的水轮机调节系统的造价较高 . 根据以上分析 , 在制造供贷方面没有问题时 , 初步选定HL240型的方案比较有利 .（四）装置方式的确定在大型水电站中，其数轮发电机组的尺寸较大， 安装高程也较低，因此其装置方式多采用竖轴式，这样使发电机的安装位置不容易受潮，机组的转动效率较高， 而且水电站厂房的面积较小，设备布置较方便。第四章水轮机运转特性曲线的绘制水轮机运转特性曲线是针对原型水轮机绘

16、制的 , 它直接的反映了原型水轮机在各种工况下的特性 , 水轮机运转特性曲线是在转轮直径和转速为常数时 , 以水头 H 为纵坐标和出力 N 为横坐标 , 绘制的几组等值线.1、等效率线 . 的计算与绘制在水轮机工作水头变化范围内取H max , H r , H min 三个 H 值, 绘出对- 9 -应每个 H 值的工作特性曲线 , 在该图上作出各效率的直线 , 与图中的各线相交 , 读出所有交点的 H,N 值并将点绘制在 HN图上 , 并连成光滑的曲线 , 这就是该效率的值的等效率曲线 , 同理也可以得出其他的等效率曲线。2、出力线的绘制水轮机最大出力受到发电机额定出力和水轮机 5%出力贮备

17、线的双重限制，在运转综合特性曲线图上， HHr 时的出力线为 N=Hr 的一段垂直直线， HHr时水轮机出力受 5%出力贮备线的限制 , 设计水头点与最低水头点的连线即为出力线 .3、等吸出高度线的计算与绘制等吸出高度线可按下列方法步骤绘制：1 根据等效率曲线计算表中Q1 和 N 作不同水头下Nf Q1 的辅助曲线；2 在相应的模型综合曲线上，作以各水头下n1M 为常数的平线，它与等气蚀系数线分别相交于许多点，记下各点的和 Q 1 值，并将其列入表中，表中值可由 H r在气蚀系数的修正曲线；3 由上述已知的 Q 1 可在 Nf Q1 辅助曲线上查的相应的N值，并记入表中；4由公式 H s10.

18、0H 计算出各值时相应的吸出高900H s ，并列入表中；5根据表中对应的H s 和 N作个水头的 Nf Q 1 的辅助曲线，如附图所示；-10-6 在 H s f N 的辅助曲线上，作某一 H s （如 H s）为常数平=-3m线，它与该辅助曲线交于许多点，并可得出各交点上的H、N 值在各点落在 H-N 坐标场里并连接成光滑曲线，即为吸出高（H s）的=-3m等吸出高曲线，如附图。第五章 蜗壳设计一 蜗壳型式的选择由于所设计的水电站水头小于 40m,为了节约钢材 , 且梯形断面与圆形断面相等时，梯形断面可以沿轴向上下延伸 , 与圆形相比径向尺寸较小 , 可以减少厂房的面积和土建投资 , 所以

19、本设计采用了混凝土蜗壳 , 并采用平顶梯形断面 .二 参数的选择1 断面形式因为 , 本设计采用了平顶梯形, 所以 n=0。当 n=0 时,= 10 15,b =1.5 1.7 可达到 2.0, 本设计选用 =12,b =1.6 。aa2 包角选择从蜗壳的鼻端至蜗壳进口断面之间的夹角称为蜗壳包角, 常用来表示 , 对于混凝土蜗壳由于勘测流量较大, 允许的流速较小 , 通常采用=180 270, 本设计采用=270.3 进口平均流速的确定当蜗壳的断面形式及包角确定后 , 蜗壳进口断面均流速Vc 是决定断面尺寸的主要参数,三 蜗壳的水利计算与蜗壳单线图的绘制-11-(1) 断面尺寸m12 tgrr

20、b )b根据公式Fc ab(ra其中b2，1.6aFcQ1 max125.0727018.76m2 ，查水电站设计手册 ( 水利机械360 Vc3605卷) 表 12-15, 可知 Da =6.35m Db =5.5m解得 a=3.53m b=5.65m m 1=4.15m b 0=1.5m(2) 确定中间断面顶角点的变化规律a3.531.73km14.15根据水电站可知中间断面面积Fi与包角的关系为FcQ1 max, 所以Ff ( ) 是直线 , 在进口断面做出若干个中间断面,360 Vc结合已知数据可以求出每个断面的面积Fi.(3) 蜗壳单线图的绘制Ri ( m)ai ( m)mi (m)

21、i ( )Fi ( m2 )Max123456.716.3355.9755.5655.0654.4153.533.1602.8002.3901.8901.2004.153.673.262.782.201.44270225180135904518.7615.2812.229.176.113.06第六章尾水管的设计-12-一尾水管型式的选择对于大中型水轮机, 为了减少尾水管的开挖深度, 均采用弯肘形尾水管二尾水管尺寸设计由水电设计手册查得 HL240 型水轮机转轮流道尺寸 D2 =1.078 D1 ，尾水管尺寸采用推荐尺寸 .1 进口直锥段进口直锥段是一段垂直的圆锥形扩散管, 进口直径为 D3 高

22、度为 h3锥管段均设金属里衬, 以防止旋转水流对管壁的破坏, 对混流式水轮机, 单边的扩散角 的最优值为 7 9, 本设计选用 8, 进口直径 D3 = D2 =1.078 D1 =4.42m.2 中间弯肘段 ( 肘管 )肘管是一段 90转角的边截面弯管 , 其进口断面为圆形 , 出口断面为矩形 , 管内一般不设金属里衬。3 出口扩散段出口扩散段是一段水平放置, 两侧平行 , 顶板上翘的矩形扩散管,倾角一般取10 15, 当出口断面宽度过大时, 可按水工结构要求加设中间设墩 , 它的厚度取 (0.10 0.15) B5 。4 尾水管尺寸的确定推荐的尾水管尺寸表hL54h4h6L15肘管形式适用

23、范围BDh2.54.52.741.321.3520.671.751.31标准混凝混流 式土肘管D2D1-13-因为D1 =4.1m, 所以可得 h=10.25m L=18.45mB=11.234m D45=5.543m h 4=5.543mh 6=2.747mL 1=7.175m h 5=5.371m混凝土标准肘管尺寸表B4L4aR6a1R7a2R82.741.750.4871.1601.4780.8150.1070.782因为 h 4=5.543m所以可以按上表求出下列各值B4=11.234m L 4 =7.175m a=1.997m R =4.756ma =6.06mR=3.342ma =

24、0.439m61728R=3.206m .三绘制尾水管平面和剖面单线图见附图第七章发电机的选择（一）发电机型式的选择水轮发电机的结构型式主要取决于水轮机的型式和转速， 同时要兼顾厂房的布置要求，本设计水轮机的额定转速 n=107.1r/min, 故采用伞式水轮发电机 .（二）各参数的确定由机电设计手册表3-11, 对照本设计的具体情况选择型号为SF4556/900 的水轮发电机 , 其主要参数及外形尺寸如下:SF4556/900型式半伞式额定容量 45MW-14-效率因数0.85额定电压 U10500V额定转速 n=107.1r/min飞逸转速 n f 235r/min飞轮力矩 GD21150

25、0t?m2推力轴承负荷P570t转子重量 GZ250t定子重量 Gd109t总 重 量GF500t最 大 运 输 部 件 外 形 尺 寸832.6最大运输部件重量 30t定子铁芯的外径900cm定子铁芯的内径842cm 定子铁芯的长度lt=135cm定子机座高度 h12590上机架高度 h2838推力轴承 h3870励磁机高度 h42070永磁机及转速继电器高度h6455定子支撑面至下机架支承面距离距离h8785转子磁轭轴向高度h101980发电机主轴高度h112035( 副)7020( 主)定子支承面至发电机层楼高度h3428定子水平线至法蓝底面距离h126120法蓝底面至发电机顶部高程H9055机座外径10170风罩内径12800转子外径8390下机架最大跨度7760（三）绘制发电机图见附图-15-第八章调速设备选择（一）调速器选择1、调速功的计算水轮机的调速功A 为：A200 250QH m ax D 1式中 Q 为水轮机在最大水头 H max38m 下以额定出力 N r40816 KW 工作时的流量，可依下式求得：QN r109.49 m3 / s9.81H maxA 200 250 109.