水轮机课程设计

1、第一章 原始资料与设计任务1.1毕业设计(论文)使用的原始资料(数据)1.1.1工程基本概况HTS电站位于云南德宏傣族景颇族自治州盈江县境内的大盈江干流下游河段。电站厂房距盈江县城42km，距昆明786km。本电站为引水式电站。主体建筑物由首部枢纽、有压引水隧洞、钢管道和厂区枢纽组成。电站引水道系统布置在大盈江左岸，引水道总长约280m，采用一管三机引水方式，由电站进水口、压力引水隧洞、洞内压力管道组成，为有压引水系统。其中压力引水隧洞长202m，直径为8.8m；压力引水总钢管长42m，直径为8.8m； 支管42米（至蝶阀止），直径按进水蝶阀直径定。本电站装机有如下方案：1.1.2 电站基本参

2、数1、 水位（1）上游水位,正常蓄水位 788m死水位 781m（2）厂房尾水位-流量关系表1-1 厂房尾水位-流量关系水位(m)738.27397405741741.5742742.5流量(m3/s)04.6562.1100175230330水位(m)743743.5744流量(m3/s)4005206002、 流量电站多年平均流量 213 m3/s3、 水头最大静水头 54m额定水头 46.5m最小水头 40m4、 泥沙 0.47kgm35、 气象年平均气温 19.4最高温度 36.8最低气温 8年平均相对湿度 806、电站特性装机容量 333MW保证出力 22.609MW多年平均发电量

3、53198万kW.h年利用小时数 5374 h第二章 水力发电机组的选型及相关设计2.1水轮机的方案选择2.1.1水轮机类型的选择表2-1 水轮机类型及适用范围 由任务书电站基本参数可知本电站的水头范围为40至54米，结合型谱表初步选用HLA551、HLD74、HLA384三种转轮。采用三台机方案。模型参数如表2-2:表2-2 模型参数HLA384HLD74HLA551模型转轮直径D1(cm)303535.2推荐最大使用水头(m)1258060最优单位转速(r/min)77.77979.3最优单位流量(m3/s)0.921.081.08最优工况点效率%93.192.793.2限制单位流量(m3

4、/s)1.0171.2471.326限制工况点效率%90.489.489.6限制工况汽蚀系数0.10.1430.14续表2-2HLA384HLD74HLA551限制工况比转速(m.kW)233261270.5单位飞逸转速(r/min)137150.4147.2水轮机的额定出力 由于本机组属于中型机组故发电机效率取97%2.1.2各方案的基本参数试算 1、方案一、3HLA551（1）转轮直径取最优单位转速=79.3r/min;与出力限制线的交点的单位流量作为设计工况单位流量,则=1.324/s,对应模型的效率为0.9,暂取效率修正值0.02;原型水轮机在设计工况下的效率0.9+0.02=0.92

5、取标准值3m（2）原型水轮机的效率其中由模型综合特性曲线查的0.932故效率修正值为效率修正采用等效率修正法，统一修正+2.4%（3）转速n的计算与选择以加权平均水头作为标准水头计算发电机同步转速转速此值介于发电机同步转速 166.7r/min与187.5 r/min之间,其运行区间比较如下当取187.5 r/min时当取166.7r/min 时图2-1 HLA551发电机同步转速取187.5 r/min模型运行区间图2-2 HLA551发电机同步转速取166.7 r/min模型运行区间由上图所示的HLA551的模型曲线可知当取166.7r/mi时运行区间已偏离最优效率区,不利于机组稳定高效的

6、运行,综上所述发电机同步转速取187.5 r/min（4）流量的计算由 ， 两公式通过试算可得对应水头下的单位流量和模型效率，从而推算出实际工况下的流量及效率。1）额定水头：设计工况点的模型转速结合模型综合特性曲线进行试算得当模型效率为0.908时流量为 1.304恰在模型曲线故符合要求原型水轮机的单位流量2）最高水头：模型转速：结合模型综合特性曲线进行试算得当模型效率为0.926时流量为 1.022恰在模型曲线故符合要求原型水轮机最低流量为（5）比转速的计算(6)吸出高度的计算1）计算，所对应得单位转速2） 确定各水头所对应的单位流量 最小水头取对应单位转速与5%出力限制线交点处流量为所取点

7、单位流量，则最低水头的单位流量为：3） 确定各点的空化系数由上述计算结果对应模型综合特性曲线找到相应的工况点上分别查出、所对应得模型空化系数，分别为0.125,0.113,0.099.查空化系数修正值与水头的关系曲线可知。 4）水轮机安装高程的确定水轮机的安装高程在初步计算时取下游水位的平均海拔高程.因此电站采用三台机的形式,故设计尾水位的水轮机过流量按1台机的额定流量,结合任务书中水位-流量关系表由差值法得出尾水位高度是 E=m5） 吸出高度的计算（7）飞逸转速的计算r/min（8）轴向水推力2、方案二、3HLD74（1）转轮直径取最优单位转速=79r/min;与出力限制线的交点的单位流量作

8、为设计工况单位流量,则=1.247/s,对应模型的效率为0.893 ,暂取效率修正值0.02;原型水轮机在设计工况下的效率0.893+0.02=0.913m计算值处于我国标准转轮直径33.3m之间,因取3m时转轮直径较小无法保证设计水头下发额定出力;而取3.3m又过大,且本机组为大型机组所以取非标准值3.1m（2）原型水轮机的效率其中由模型综合特性曲线查的0.927故效率修正值为0.953-0.927=0.026效率修正采用等效率修正法，统一修正+2.6%（3）转速n的计算与选择以加权平均水头作为标准水头计算发电机同步转速转速r/min此值介于发电机同步转速166.7187.5r/min之间,

9、其运行区间比较如下当取187.5r/min时r/minr/min当取166.7r/min时r/minr/min图2-3 HLD74发电机同步转速取187.5 r/min模型运行区间图2-4 HLD74发电机同步转速取166.7r/min模型运行区间由上图所示取187.5r/min时覆盖最优效率区面积较大且转速越高尺寸越小发电机极对数越少,比较经济,故选取187.5r/min（4）流量的计算由 ， 两公式通过试算可得对应水头下的单位流量和模型效率，从而推算出实际工况下的流量及效率。1）额定水头：设计工况点的模型转速r/min结合模型综合特性曲线进行试算得当模型效率为0.91时流量为 1.215恰

10、在模型曲线故符合要求原型水轮机的单位流量2）最高水头：模型转速：结合模型综合特性曲线进行试算得当模型效率为0.902时流量为 0.98恰在模型曲线故符合要求原型水轮机最低流量为（5）比转速的计算(6)吸出高度的计算1）计算，所对应得单位转速4） 确定各水头所对应的单位流量最小水头取对应单位转速与5%出力限制线交点处流量为所取点单位流量，则最低水头的单位流量为：5） 确定各点的空化系数由上述计算结果对应模型综合特性曲线找到相应的工况点上分别查出、所对应得模型空化系数，分别为0.143,0.14,0.1.查空化系数修正值与水头的关系曲线可知。 4）水轮机安装高程的确定水轮机的安装高程在初步计算时取

11、下游水位的平均海拔高程.因此电站采用三台机的形式,故设计尾水位的水轮机过流量按1台机的额定流量,结合任务书中水位-流量关系表由差值法得出尾水位高度是 E=m6） 吸出高度的计算（7）飞逸转速的计算 r/min（8）轴向水推力3、方案三、3HLA384（1）转轮直径取最优单位转速=77.7r/min;与出力限制线的交点的单位流量作为设计工况单位流量,则=1.017/s,对应模型的效率为0.902,暂取效率修正值0.02;原型水轮机在设计工况下的效率0.902+0.02=0.922计算值处于我国标准转轮直径3.33.8m之间,因取3.3m时转轮直径较小无法保证设计水头下发额定出力;而取3.8m又过

12、大,且本机组为大型机组所以取非标准值3.5m（2）原型水轮机的效率其中由模型综合特性曲线查的0.931故效率修正值为0.958-0.931=0.027效率修正采用等效率修正法，统一修正+2.7%（3）转速n的计算与选择以加权平均水头作为标准水头计算发电机同步转速转速 r/min此值介于发电机同步转速150 166.7 r/min之间,其运行区间比较如下当取150 r/min 时r/min r/min当取166.7 r/min 时 r/min r/min图2-5 HLA384发电机同步转速取150r/min模型运行区间图2-6 HLD74发电机同步转速取166.7r/min模型运行区间由上图所示

13、的HLA384的模型曲线可知当取166.7 r/min时运行区间已偏离最优效率区,不利于机组稳定高效的运行,综上所述发电机同步转速取150 r/min（4）流量的计算由 ， 两公式通过试算可得对应水头下的单位流量和模型效率，从而推算出实际工况下的流量及效率。1）额定水头：设计工况点的模型转速r/min结合模型综合特性曲线进行试算得当模型效率为0.93时流量为 0.932恰在模型曲线故符合要求原型水轮机的单位流量2）最高水头：模型转速：结合模型综合特性曲线进行试算得当模型效率为0.91时流量为 0.761恰在模型曲线故符合要求。原型水轮机最低流量为。（5）比转速的计算(6)吸出高度的计算1）计算

14、，所对应得单位转速2）确定各水头所对应的单位流量 最小水头取对应单位转速与5%出力限制线交点处流量为所取点单位流量，则最低水头的单位流量为： 3） 确定各点的空化系数由上述计算结果对应模型综合特性曲线找到相应的工况点上分别查出、所对应得模型空化系数，分别为0.12,0.08,0.059.查空化系数修正值与水头的关系曲线可知。 4）水轮机安装高程的确定水轮机的安装高程在初步计算时取下游水位的平均海拔高程.因此电站采用三台机的形式,故设计尾水位的水轮机过流量按1台机的额定流量,结合任务书中水位-流量关系表由差值法得出尾水位高度是 E=m5）吸出高度的计算（7）飞逸转速的计算 r/min（8）轴向水

15、推力各方案基本参数列表:表2-3 各方案水轮机基本参数项目方案一方案二方案三水轮机型号HLA551HLD74HLA384水轮机额定出力（kw）340213402134021机组台数333转轮直径（m）33.13.5同步转速（r/min）187.5187.5150续表2-3项目方案一方案二方案三额定工况比转速（mkW）额定流量（）80.379.678.5额定工况点效率0.9560.9530.958吸出高度（m）2.531.63.057轴向水推力（N）各方案在模型图上的运行区域如图2-7至2-9所示：图2-7 HLA551运行区域图2-8 HLD74运行区域图2-9 HLA384运行区域2.1.3

16、经济指标1、水轮机重量估算水轮机总重K、b为与水头有关的系数;a为与转轮直径有关的系数,由毕业设计与课程设计指南表2.7得K=8.1,b=0.16, （1）方案一：水轮机总重（2）方案二：水轮机总重（3）方案三：水轮机总重2、发电机重量方案比较时采用估算算法其中为估算系数由装置形式决定,又因三个方案转速都较高由水电站设计手册水利机械分册可知宜选用悬式布置,取8-9，为发电机额定容量，为发电机额定转速。（1）方案一：（2）方案二：（3）方案三：综上所述将各方案估算重量列表如下:表2-4 各部分造价表项目参考价格水轮机3万元/吨发电机3.5万元/吨3各方案预算投资表2-5 各方案经济指标项目方案一

17、方案二方案三水轮机重量(t)137.43147.5192.1发电机重量(t)251.25251.25291.54机组造价估算(万元)1291.671321.881596.7差价(万元)0+30.21+305.032.1.4最优方案比较 1、最优方案比较标准 （1）技术指标的比较1）转速比较转速作为机组的重要性能指标，提高额定转速，可以有效降低转轮直径，减小水轮机和发电机的尺寸，降低整个电站的投资成本。经过真机参数对应在模型综合特性曲线上分析几种型号均在良好的运行工况内， HLD74、HLA551转速均为187.5r/min，而HLA384转速仅为150r/min不经济，其发电机投资最大。2）转

18、轮直径比较HLA551的转轮直径为3m最小，制造最为简单，相应造价最小。HLA384直径最大，制造难度比其他两个转轮略大，经济性不好。3）额定工况比转速比较较高的比转速的机组动能效益较高且机组和厂房土建投资都较低，HLD74、HLA551比转速都为mkW，HLA384比转速为。因此HLA384不宜选用。4）转轮运行特性比较在HLA551和HLD74两个转轮比较中不难看出，虽然两者的额定转速相等，但两转轮中HLD74的单位转速稍低、额定工况效率两者相似，转轮直径更大。且运行区间最优效率区的范围没有HLA551大。因本电站装机规模较大，选用有较多成功运行经验的转轮极为重要。HLA551转轮多年来成

19、功运行于多个中低水头电站，运行经验较为丰富，为整个电站以后的运行维护管理打下了良好基础。故本阶段宜推荐选用的转轮型号为HLA551。 (2)经济指标的比较由表2-4所得结果可知HLA551经济指标最好,机组造价最低.综上所述，本电站宜推荐采用的转轮型号为HLA5512.2运行特性曲线的绘制2.2.1等效率线绘制等效率曲线是指在某一效率值曲线上任意一点的运行工况,水轮机效率相等,计算表格如表2-6:2.2.2出力限制线的绘制机组出力限制线表示在不同水头下水轮机能发出的最大出力.同时受发电机额定容量的限制.设计水头将出力限制线分为两段 时,水轮机出力受发电机额定容量限制时,水轮机出力受最大过流能力

20、限制,由模型曲线上5%出力限制线换算计算表格如表2-6:表2-6 等效率线出力限制线计算表0.420 0.024 0.444 0.380 3768.496 0.420 0.024 0.444 0.352 4375.388 0.500 0.024 0.524 0.422 4939.071 0.500 0.024 0.524 0.384 5633.178 0.560 0.024 0.584 0.465 6065.510 0.560 0.024 0.584 0.415 6785.032 0.620 0.024 0.644 0.510 7335.970 0.620 0.024 0.644 0.455

21、8203.293 0.660 0.024 0.684 0.551 8418.005 0.660 0.024 0.684 0.485 9287.285 0.700 0.024 0.724 0.593 9589.474 0.700 0.024 0.724 0.521 10560.081 0.740 0.024 0.764 0.645 11006.635 0.740 0.024 0.764 0.572 12234.334 0.780 0.024 0.804 0.702 12606.504 0.780 0.024 0.804 0.622 14000.301 0.800 0.024 0.824 0.72

22、5 13343.407 0.800 0.024 0.824 0.650 14994.484 0.820 0.024 0.844 0.762 14364.778 0.820 0.024 0.844 0.682 16114.535 0.840 0.024 0.864 0.798 15399.908 0.840 0.024 0.864 0.718 17367.173 0.860 0.024 0.884 0.855 16881.844 0.860 0.024 0.884 0.764 18907.607 0.880 0.024 0.904 0.975 19686.774 0.880 0.024 0.90

23、4 0.850 21511.877 0.900 0.024 0.924 1.071 22103.597 0.900 0.024 0.924 0.945 24445.264 0.910 0.024 0.934 1.105 23052.109 0.910 0.024 0.934 0.982 25677.297 0.920 0.024 0.944 1.145 24142.319 0.920 0.024 0.944 1.026 27115.043 0.920 0.024 0.944 1.240 26145.394 0.925 0.024 0.949 1.054 28002.562 0.910 0.02

24、4 0.934 1.292 26953.235 0.925 0.024 0.949 1.192 31668.932 0.920 0.024 0.944 1.223 32321.343 5%出力限制线0.904 0.024 0.928 1.320 27360.461 0.901 0.024 0.925 1.338 34648.847 表2-7 等效率线出力限制线计算表0.420 0.024 0.444 0.339 4551.172 0.420 0.024 0.444 0.310 4822.218 0.500 0.024 0.524 0.370 5862.375 0.500 0.024 0.524

25、 0.350 6425.420 0.560 0.024 0.584 0.400 7063.393 0.560 0.024 0.584 0.380 7774.968 0.620 0.024 0.644 0.440 8567.993 0.620 0.024 0.644 0.415 9363.455 0.660 0.024 0.684 0.465 9617.221 0.660 0.024 0.684 0.440 10544.134 0.700 0.024 0.724 0.500 10945.841 0.700 0.024 0.724 0.476 12073.903 0.740 0.024 0.764

26、 0.543 12543.934 0.740 0.024 0.764 0.516 13811.639 0.780 0.024 0.804 0.591 14367.595 0.780 0.024 0.804 0.663 18675.478 0.800 0.024 0.824 0.622 15497.376 0.800 0.024 0.824 0.600 17321.305 0.820 0.024 0.844 0.660 16843.291 0.820 0.024 0.844 0.639 18894.938 0.840 0.024 0.864 0.700 18287.416 0.840 0.024

27、 0.864 0.683 20674.576 0.860 0.024 0.884 0.749 20020.487 0.860 0.024 0.884 0.746 23104.323 0.880 0.024 0.904 0.832 22742.192 0.880 0.024 0.904 0.818 25907.404 0.900 0.024 0.924 0.918 25648.101 0.900 0.024 0.924 0.892 28876.130 0.910 0.024 0.934 0.957 27027.095 0.910 0.024 0.934 0.931 30464.827 0.920

28、 0.024 0.944 0.990 28258.412 0.920 0.024 0.944 0.978 32345.436 0.925 0.024 0.949 1.010 28981.986 0.925 0.024 0.949 1.000 33248.218 0.925 0.024 0.949 1.176 33745.362 0.925 0.024 0.949 1.150 38235.450 0.920 0.024 0.944 1.210 34538.059 0.920 0.024 0.944 1.188 39290.775 0.910 0.024 0.934 1.255 41066.979

29、 0.900 0.024 0.924 1.305 42245.907 5%出力限制线0.900 0.024 0.924 1.330 37159.013 0.898 0.024 0.922 1.320 42639.000 2.2.3等吸出高度线的绘制表2-8 等吸出高度计算表0.060 0.696 0.780 0.804 5.457 12498.756 0.070 0.771 0.825 0.857 5.057 14758.313 0.080 0.890 0.874 0.906 4.657 18010.249 0.090 0.990 0.881 0.913 4.257 20188.659 0.100 1.170 0.927 0.959 3.857 25061.437 0.110