水泵水轮机结构设计开题报告

1、毕业设计（论文）开题报告题 目仙游电站水泵水轮机结构设计专业热能与动力工程班级 动09*班学 生 *指导教师 * 教授年2013年2013一、毕业设计的课题来源、类型毕业设计的题目来源：本人的设计课题是从学校提供的诸多课题中选择， 并根据自己将来的兴趣和将来工作所需选择了仙游电站水泵水轮机结构设 计这个题目，指导教师是廖伟丽。毕业设计的题目类型：工程设计。二、选题的目的和意义随着科学技术的发展，经济和人类社会的发展对电力的需求越来越多， 大 容量的火电和核电机组相继投产发电， 但是它们的调峰能力都比较弱。抽水蓄 能电站调峰填谷、调频调相、提高电网供电质量和电网灵活性与可靠性等优点 越趋明显，使

2、之成为获得电网最佳的经济效益和社会效益的优选电站之一。抽水蓄能电站利用兼具水泵和水轮机两种工作方式的蓄能机组，在电力负荷出现 低谷时吸收电网多余的电能作水泵运行抽水到上水库， 在电力负荷高峰时作水 轮机运行，将上水库的水放下发电。因此，研究抽水蓄能机组结构并找出合理 可靠的调节控制方法，对抽水蓄能电站的稳定、可靠和高效运行以及充分发挥 其经济效益有着极重要的意义。三、本课题在国内外的研究现状及发展趋势福建仙游抽水蓄能电站在风景秀丽的福建仙游西苑乡半岭村。位于巍峨笔 立直插云霄的福建第一山一-戴云山”南面，东面是金盘、玉兔起开处，亦是西 苑乡政府所在的彩霞常挂在顶，气魄雄伟的笔架“起云山”。西面

3、是仙游山三个 村所在的绿树成荫、重叠连峰的大山的屏障，距德化县城约35公里，北与戴云山红林地带，与木兰溪源头相接壤。南濒临仙游县度尾镇蒋隔水库，距县城 28公里。仙游抽水蓄能电站是福建省第一座抽水蓄能电站，福建省“十一五”规划的 重点项目。电站位于仙游县西苑乡境内，工程总投资约44.59亿元。电站工程 枢纽建筑物主要有上水库、输水系统、发电厂房、下水库和开关站等，电站安装4台单机容量为300兆瓦的立轴单级混流可逆式机组，总装机容量1200兆瓦，由中国水电顾问集团华东勘测设计研究院承担勘察设计。仙游抽水蓄能电站安装4台30万千瓦的自主化立轴单级可逆混流式机组，设计年抽水用电量 25.28亿千瓦时

4、，年发电量18.96亿千瓦时，年发电利用小时数为1580小时, 具有周调节能力。施工总工期约 66个月，首台机组预计将于2013年10月31日投入商业运行。目前仙游抽水蓄能电站进场公路工程、 通风兼安全洞工程、施工供电工程、施工控制网工程已经完工，建设征地和移 民安置工作即将完成，将建有集雨面积为 4.0km2的上水库和集雨面积为 17.2km2的下水库，上下池落差470多米进场交通洞工程施工进入扫尾阶段， 上水库、下水库、地下厂房和引水隧洞工程已于 2010元月全面开工建设。抽水蓄能电站在地区经济社会发展中的作用不可低估。尤其在电网运行安全、能源结构调整、电网品质提高等方面更具有不可替代的作

5、用。仙游抽水蓄能电站建成后，将服务于福建电网，承担系统内调峰、填谷、调相、紧急事故 备用和黑启动等任务。项目建成后，可以为福建电网运行提供安全保证， 缓解 福建省电网调峰压力；可以优化福建省能源结构，更好地满足福建电力和海西 建设快速增长的需求，促进电网与地方经济和谐发展；可以合理利用水能资源， 减少水电调峰弃水电量，降低火电机组的燃料消耗，提高核电运行的安全性， 有利于环境保护和电力行业的可持续发展；可以改善电网运行条件，降低运行 成本，提高电力行业服务质量；并为将来福建作为西电东送受端电网的安全稳 定运行起到保安电源的作用。1可逆式水泵水轮机1. 1水泵水轮机的型式抽水蓄能电站首先于188

6、2年在瑞士的苏黎世诞生至今已有100多年的历 史了，抽水蓄能电站的主要设备是抽水蓄能机组， 最早使用的蓄能机组是四机 式机组。 随着科学技术的发展和进步，出现了可以双向运行的水力机组，它 向一个方向旋转抽水向另一个方向旋转发电， 这样的机组称为可逆式水泵水轮 机，又称为两机式机组。分析国内外抽水蓄能电站的现状表明由于可逆式蓄能机组，具有结构简 单、造价低、土建工程量小等特点，从 1970年后建成的和当前正在施工建设 的所有抽水蓄能电站，在水头范4-600 m内，全部采用可逆式水泵水轮机组 45。 可逆式水泵水轮机的工作水头范围与反击式水轮机的工作水头范围一致，随着相应水头的不同可以做成混流可逆

7、式斜流、可逆式及贯流可逆式机组。其中混流可逆式水泵水轮机在可逆式水泵水轮机中应用最为广泛。例如，在我国已经投入使用的天荒坪抽水蓄能电站和广州抽水蓄能电站均采用300MW聿机混流h可逆式水泵水轮机组h1. 2可逆式水泵水轮机的发展随着新技术和新设计理念在抽水蓄能电站机组设计与制造中的广泛应用 可逆式水泵水轮机的发展趋势主要有：1高水头化 随着技术的发展，单级可逆式水泵水轮机的使用水头越来越高 目前单级可逆式机组的应用水头已超过常规水轮机。目前世界上单级可逆水泵水轮机水泵扬程最高的是日本的葛野川抽水蓄能电站，最大毛水头 751m水 泵工况最大扬程。778 m2大容量化采用更大的单机容量。水电机组所

8、需要的金属材料和机械加工 量并不随容量增高而成比例上升。相反随单机容量增大，机组台数减少 机电设备的成本就随之降低了。另外，机组台数少可以简化电站控制系统、降低费 用，在一定范围内单机容量的增大能带来直接的经济效益。3高转速化水泵水轮机的工作水头大小决定于转轮的线速度，为了达到此 线速度可以使用较大的转轮直径或较高的转速，现代的设计趋势是保持一定范 围的转轮直径而采用尽量高的比转速.可逆式水泵水轮机的比转速一般用水泵 工况最低扬程的比转速 nsp = nQ0.5max H 0.75来表示. 用比速系数 K= nspH0.75来衡量比转速水平和水泵水轮机的设计制造水平。我国广州一期电站蓄能机组比

9、速系数K值为 38478接近预测的单机可逆式水泵水轮机的比速 系数K的上限K= 4000处于较高水平。除了以上3种发展趋势外，可逆式水泵 水轮机还向着高性能化、高可靠性、变速机组等方向发展。3 存在问题1在高水头化过程中，高水头单级水泵水轮机的水力效率比中，低水头机组 降低 水泵水轮机过流部件所承受的水压增大，引水系统承受的压力增大 过渡 工况不稳定性增加，使水泵水轮机的汽蚀性能下降。虽然单级水泵水轮机水头 的发展成上升趋势，但由于受到结构强度的限制，水泵的最大扬程800m已经达到应用的上限。2提高比转速也会引起水泵水轮机的汽蚀特性恶化，从而要求在电站中有更 大的掩埋深度，增加电站设计的复杂性

10、和投资。例如 1980年建成的奥地利库 泰伊蓄能电站可逆式机组是一个典型的用增加掩埋深度来换取高转速的实例。 此机组的转速达到600r/min ,淹没深度48m,最大为78m。按发电水头398 m计算，比转速为128K,值为2-550,对于这一水头，此机组的比转速是相当 高的。3随着单机容量的增大，在施工建设中会遇到一系列的技术困难。例如，机 组中的部分大尺寸部件、转轮、顶盖、底环、座环等可能因尺寸过大而受到运 输条件的限制，不得不采用更多的分瓣结构或现场加工， 这就造成电站在建设 中的不便增加了建设困难。2水泵水轮机的研究现状1国外水泵水轮机的发展及研究现状国外水泵水轮机的研究起步早，目前国

11、外在水泵水轮机技术处于领先的公 司有日立公司、东芝公司、三菱集团、富士公司、阿尔斯通电力公司、伏依特 西门子水电公司、VA-Tech水电公司、GBK电公司等。从文献10-12看，目前 国外低水头混流式水泵水轮机技术成熟， 相关文献较少，高水头混流式水泵水 轮机技术是研究的热点，主要集中在 500-700 m高水头水泵水轮机的研究，涉 及的范围在水力性能。甘肃科学学报2012年第2期结构性能以及试验等方面。由于西欧国家蓄 能电站开发已接近饱和，而日本的水泵水轮机技术始于 20世纪80年代末，目 前技术正处于技术高峰期，并不断往高水头，大容量方向发展，所以可供参考 的相关文献也较多。在振动与应力问

12、题方面，吉田正博指出600-700 m水头400MWV级大容量水泵水轮机转轮设计技术的关键是振动问题，也就是说机组 的结构问题非常重要。在水力性能研究方面N akanmmTll,针对高水头高转速水泵水轮机转轮部分负荷下转轮压力脉动，空化性能恶化的问 题，借助CFW术，通过改变转轮出口形状和下环形线来改善压力脉动和空化 性能，取得满意结果。2国内可逆式水泵水轮机的研究现状我国对可逆式水泵水轮机的研究始于 20世纪70年代初。进入21世纪以 后 国家科研把可逆式水泵水轮机的研制工作提到重点日程上。从这段时期的 文献来看，研究范围广泛，涉及过渡过程的研究水泵水轮机的参数选择和优化 探讨，模型试验台的

13、建立及模型试验研究， 国外机组引进消化研究，水力性能 的模拟研究以及除转轮外的其他水力部件的研究。 于治观等计算了混流式水泵 水轮机泵工况起动过渡过程，用内特性法推导了考虑导叶漏水转矩泵工况起动 时的计算公式，对工程有重大的应用价值，另外对混流式水泵水轮机装置泵工 况断电过渡过程提出了解析计算的方法。林宵汉等针对抽水蓄能电站仿真中 Suter法描述水泵水轮机转轮特性时的小开度问题和多值问题，提出了水泵水轮机转轮特性描述新方法及其工程应用，纪兴英等，对混流式水泵水轮机三维 湍流数值分析对水泵工况计算结果进行了详细分析，并与模型试验结果进行了 对比，周嘉元等针对水轮机全特性图上的 S形特性从理论上

14、分析了其产生的原 因及对抽水蓄能电站运行的影响，并结合实际剖析了 S形特性对抽水蓄能电站 日常运行的影响和常用的解决方法等。3展望综上所述，我国抽水蓄能电站建设虽然起步较晚， 但由于后发效应，起点 却较高，近年建设的几座大型抽水蓄能电站技术已达到世界水平。例如天荒坪与广州抽水蓄能电站机组单机容量 300MW额定*速500r/min ,额定水头分别 为526m和500m,已达到单级可逆水泵水轮机的世界先进水平。虽然国内水 泵水轮机的研究取得了一些成绩，但是目前我国在研制抽水蓄能电站机组方面 与世界先进水平还有较大差距，大型抽水蓄能机组制造水平还较低。目前国内 只有3家已经具备了试验台和相关的技术

15、，哈电机东方电机和中国水利水电科 学研究院。大型抽水蓄能机组仍依赖国外厂家供应抽水蓄能机组国产化的成功仍有漫长的路要走，可喜的是，随着国内一些大型抽水蓄能电站的开工建设， 抽水蓄能机组国产化的步伐将大大加快机组制造技术水平可望迅速提高，届时必将促进我国抽水蓄能电站的建设。参考文献1中国电力百科全书.第2版 北京 中国电力出版社20012邱彬如.世界抽水蓄能电站新发展.北京 中国电力出版社20063朱书麟.水力发电工程.北京 中国水利学会19804梅祖彦.抽水蓄能技术.北京 清华大学出版社19885梅祖彦.抽水蓄能发电技术.北京机械工业出版社20006张克诚.抽水蓄能电站水能设计.北京 中国水利

16、水电出版社20077冈崎胜广（日本）栾锡广译.日本.葛野川抽水蓄能电站2号机投运.国外大 电机20018 邱彬如刘连希.抽水蓄能电站工程技术.北京中国电力出版社20089姜茜武杰.国外公司抽水蓄能机组技术述评.东方电机200410吉田正博 日本 栾锡广译.600-700m水头400MW大容量水泵水轮机.国 外大电机199411 Nakamn raT 日本 张亚梅译.高转速高水头可逆式水泵水轮机 研究.国外大电机199612木本欲 日本 吕彤丹译.高速水泵水轮机转轮叶片数的优化研究.国外大 电机200313于治观常近时.混流式水泵水轮机水泵工况起动过渡过程导叶漏水的计算.沈阳航空工业学院学报20

17、0014林宵汉陈乃祥李辉等.水泵水轮机转轮特性描述新方法及其工程应用 清华大学学报.自然科学版199915纪兴英 赵凌志 刘胜柱 等.混流式水泵水轮机三维湍流数值分析.大电 机技术200816周嘉元 郑慧娟.水泵水轮机的S形特性及对机组性能的影响.水电能源 科学2006四、本课题的主要研究内容。.根据给定的单台水轮机额定出力和水头等参数，进行水轮机转轮的选型计算，确定合适的水轮机型号、机组同步转速和转轮直径等参数， 并绘制水轮机 运转综合特性曲线；.按选型计算确定的水轮机型号和转轮直径等参数，确定水轮机的主要特征 尺寸，进行座环、蜗壳、转轮室、尾水管和机坑里衬等水轮机埋入部件的结构 设计；.进

18、行转轮的结构设计，选择合理的叶片枢轴密封方式，设计合理的桨叶操 作机构和操作油管结构；.根据水轮机的出力、转速等参数估算主轴直径，确定转轮与主轴的连接方 式；进行主轴轴身应力的强度校核计算， 根据校核结果修改并最终确定主轴的 结构；.进行导水机构设计，进行顶盖、底环、控制环、导叶及其传动机构、导叶 的立面和端面密封结构的设计，绘制导叶布置图，检查导叶传动与接力器移动 的均衡性，检查传动件在不同位置是否相碰，并根据检查结果修改；.根据水轮机的结构进行水轮机工作密封和检修密封装置设计；.根据机组的型式和电站的自然条件水导轴承设计；.根据水轮机的结构和电站的自然条件选择合适的补气方式；.进行水轮机其

19、它部分的结构设计。五、完成论文的条件和拟采用的手段。通过搜索相关的中外文资料，了解水泵水轮机结构设计的现状及其发展趋 势，撰写综述；阅读并翻译外文资料，借助相关文献完成开题报告。通过自主学习和指导老师的指点和引导下， 形成自己的设计思想，确定设 计方案，完成设计计算，绘制图纸。通过与课程建设和实验室建设结合的课题，使学生掌握机械CAD工程设计 的手段和方法，通过与企业实际相似的例子，巩固所学的基础理论和操作技能， 巩固运用工程软件解决实际问题的能力，使学生能更快的适应企业的需要。 必 要时到实验室进行测以及核对 。六、本课题的进度安排，各阶段预期达到的目标第1周：明确毕业设计任务；查阅相关资料，翻译外文文献，撰写开题报告； 进行水