水电站主辅机选型设计

AbstractPAGE74PAGEIII摘要水电站主辅机选型设计是对一个电站的水轮机发电机组及其辅助设备的计算及型号的选择，调节保证计算则是为机组安全运行提供保证。本设计是根据HTS水电站的原始资料，在水电站设计要求及设计规范的基础上，进行主辅机选型、调保计算、部分配套设备、厂房布置的设计和计算。关键词：HTS水电站主辅机选型调保计算配套设备厂房布置

AbstractSelectionofmainandauxiliaryhydropowerdesignisthechoiceofapowerplant'sturbinegeneratorsetandauxiliaryequipmentandmodelcalculations,adjustmentstoensurethatthecalculationistoprovideaguaranteeforthesafeoperationoftheunit.ThedesignisbasedonoriginaldataHTShydropowerinthedesignrequirementsanddesignspecificationsonthebasisofhydropower,carriedthemainauxiliaryselection,guarantycalculation,someequipment,plantlayoutdesignandcalculation.Keywords:HTSstationmainandauxiliaryselectionguarantycalculation,equipmentplantlayout目录目录摘要 IAbstract II目录 III第一章原始资料与设计任务 11.1毕业设计(论文)使用的原始资料(数据) 11.1.1工程基本概况 11.1.2电站基本参数 1第二章水力发电机组的选型及相关设计 32.1水轮机的方案选择 32.1.1水轮机类型的选择 32.1.2各方案的基本参数试算 42.1.3经济指标 182.1.4最优方案比较 202.2运行特性曲线的绘制 212.2.1等效率线绘制 212.2.2出力限制线的绘制 212.2.3等吸出高度线的绘制 242.3蜗壳、尾水管、导水机构的设计计算 262.3.1蜗壳的计算 262.3.2尾水管的计算 282.3.3导水机构的计算 292.3.4进出口流道单线图 302.4发电机型号选择及主要参数 312.4.1发电机的参数计算 312.4.2发电机型式及冷却方式 312.4.3发电机主要尺寸 312.4.4发电机外形尺寸的计算 332.4.5发电机轴向尺寸计算 332.4.6发电机重量估算 352.5进水阀的类型及选择 352.5.1进水阀的类型、作用及使用范围 352.5.2进水阀直径计算 35第三章调保计算及调速器与油压装置选择 373.1调节保证计算 373.1.1调节保证计算的目的、任务及标准 373.1.2电站基本参数 373.1.3额定水头下的调保计算 383.1.4最高水头下的调保计算 443.2调速器形式及工作容量选择 493.2.1调速器形式的选择 493.2.2调速器工作容量选择 493.2.3导叶接力器其他参数计算 503.2.4主配压阀直径 503.2.5油压装置的选择 51第四章辅助设备设计计算 524.1油系统部分设计 524.1.1用油量的计算 524.1.2油系统设备选择 554.1.3油系统图 574.2气系统部分设计 574.2.1各种用气额定压力 574.2.2供气方式 574.2.3设备选择计算 574.2.4厂内低压压缩空气系统 584.2.5气系统图 604.3水系统设计 604.3.1技术供水系统 604.3.2排水系统 634.3.3水系统图 65第五章厂房设计 665.2主厂房机组段长度的确定 665.2.1厂房计算基本参数 665.2.2机组段长度（机组间距） 665.2.3装配场长度 675.2.4边机组段加长长度 685.2.5确定厂房长度 685.2主厂房宽度的确定 685.2.1主厂房宽度 685.2.2确定厂房宽度 695.3主厂房起重设备的选择 705.3.1形式和台数的选择 705.4主厂房各层高程的确定 705.4.1机组的安装高程的确定 715.4.2尾水管底板的高程 715.4.3水轮机层地面高程 715.4.4发电机层地面高程 715.4.5吊车轨道顶的高度 725.4.6厂房顶面的高程 725.5厂房布置图 72结语 73参考文献 74致谢 75第一章原始资料与设计任务PAGE75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米本电站装机有如下方案：1.1.2电站基本参数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)738.2739740．5741741.5742742.5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213m33、水头最大静水头54m额定水头46.5m最小水头40m4、泥沙0.47kg／m35、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80％

6、电站特性装机容量3×33MW保证出力22.609MW多年平均发电量53198万kW.h年利用小时数5374h第二章水力发电机组的选型及相关设计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/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、3×HLA551（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187.5r/min之间,其运行区间比较如下当取187.5r/min时当取166.7r/min时图2-1HLA551发电机同步转速取187.5r/min模型运行区间图2-2HLA551发电机同步转速取166.7r/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运行,综上所述发电机同步转速取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：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=m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、3×HLD74（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3~3.3m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166.7~187.5r/min之间,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2-3HLD74发电机同步转速取187.5r/min模型运行区间图2-4HLD74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：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=m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、3×HLA384（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3.3~3.8m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150~166.7r/min之间,其运行区间比较如下当取150r/min时r/minr/min当取166.7r/min时r/minr/min图2-5HLA384发电机同步转速取150r/min模型运行区间图2-6HLD74发电机同步转速取166.7r/min模型运行区间由上图所示的HLA384的模型曲线可知当取166.7r/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150r/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，，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：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（m·kW）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2-7HLA551运行区域图2-8HLD74运行区域图2-9HLA384运行区域2.1.3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m·kW，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①时,水轮机出力受发电机额定容量限制②时,水轮机出力受最大过流能力限制,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0.4200.0240.4440.3803768.4960.4200.0240.4440.3524375.3880.5000.0240.5240.4224939.0710.5000.0240.5240.3845633.1780.5600.0240.5840.4656065.5100.5600.0240.5840.4156785.0320.6200.0240.6440.5107335.9700.6200.0240.6440.4558203.2930.6600.0240.6840.5518418.0050.6600.0240.6840.4859287.2850.7000.0240.7240.5939589.4740.7000.0240.7240.52110560.0810.7400.0240.7640.64511006.6350.7400.0240.7640.57212234.3340.7800.0240.8040.70212606.5040.7800.0240.8040.62214000.3010.8000.0240.8240.72513343.4070.8000.0240.8240.65014994.4840.8200.0240.8440.76214364.7780.8200.0240.8440.68216114.5350.8400.0240.8640.79815399.9080.8400.0240.8640.71817367.1730.8600.0240.8840.85516881.8440.8600.0240.8840.76418907.6070.8800.0240.9040.97519686.7740.8800.0240.9040.85021511.8770.9000.0240.9241.07122103.5970.9000.0240.9240.94524445.2640.9100.0240.9341.10523052.1090.9100.0240.9340.98225677.2970.9200.0240.9441.14524142.3190.9200.0240.9441.02627115.0430.9200.0240.9441.24026145.3940.9250.0240.9491.05428002.5620.9100.0240.9341.29226953.2350.9250.0240.9491.19231668.9320.9200.0240.9441.22332321.3435%出力限制线0.9040.0240.9281.32027360.4610.9010.0240.9251.33834648.847表2-7等效率线出力限制线计算表0.4200.0240.4440.3394551.1720.4200.0240.4440.3104822.2180.5000.0240.5240.3705862.3750.5000.0240.5240.3506425.4200.5600.0240.5840.4007063.3930.5600.0240.5840.3807774.9680.6200.0240.6440.4408567.9930.6200.0240.6440.4159363.4550.6600.0240.6840.4659617.2210.6600.0240.6840.44010544.1340.7000.0240.7240.50010945.8410.7000.0240.7240.47612073.9030.7400.0240.7640.54312543.9340.7400.0240.7640.51613811.6390.7800.0240.8040.59114367.5950.7800.0240.8040.66318675.4780.8000.0240.8240.62215497.3760.8000.0240.8240.60017321.3050.8200.0240.8440.66016843.2910.8200.0240.8440.63918894.9380.8400.0240.8640.70018287.4160.8400.0240.8640.68320674.5760.8600.0240.8840.74920020.4870.8600.0240.8840.74623104.3230.8800.0240.9040.83222742.1920.8800.0240.9040.81825907.4040.9000.0240.9240.91825648.1010.9000.0240.9240.89228876.1300.9100.0240.9340.95727027.0950.9100.0240.9340.93130464.8270.9200.0240.9440.99028258.4120.9200.0240.9440.97832345.4360.9250.0240.9491.01028981.9860.9250.0240.9491.00033248.2180.9250.0240.9491.17633745.3620.9250.0240.9491.15038235.4500.9200.0240.9441.21034538.0590.9200.0240.9441.18839290.7750.9100.0240.9341.25541066.9790.9000.0240.9241.30542245.9075%出力限制线0.9000.0240.9241.33037159.0130.8980.0240.9221.32042639.0002.2.3等吸出高度线的绘制表2-8等吸出高度计算表0.0600.6960.7800.8045.45712498.7560.0700.7710.8250.8575.05714758.3130.0800.8900.8740.9064.65718010.2490.0900.9900.8810.9134.25720188.6590.1001.1700.9270.9593.85725061.4370.1101.2500.9180.9503.45726523.7620.1201.3000.9100.9423.05727352.4200.0600.6450.7980.8224.99214843.0270.0700.7300.8420.8744.52717861.8010.0800.8350.8760.9084.06221225.7610.0900.9440.9000.9323.59724630.8190.1001.1920.9250.9573.13231935.8990.1101.2900.9190.9512.66734344.8140.1201.3330.9000.9322.20234780.595续表2-80.0600.6540.8180.8424.96716650.6200.0700.7380.8580.8904.47819860.3510.0800.8400.8820.9143.98823214.8590.0900.9350.9050.9373.49926490.5980.1001.1620.9260.9583.00933659.8520.1101.2700.9100.9422.52036173.8880.1201.3200.9010.9332.03037238.8390.0600.6950.8420.8664.69521086.5170.0700.8100.9791.0114.15528690.5140.0800.8900.8990.9313.61529029.6530.0900.9400.9120.9443.07531088.6600.1001.0400.9270.9592.53534942.5100.1101.1500.9250.9571.99538557.7720.1201.2500.9110.9431.45541297.5100.1301.2800.9060.9380.91542064.426运行特性曲线见附图一。2.3蜗壳、尾水管、导水机构的设计计算2.3.1蜗壳的计算1、蜗壳形式及应用水头当水头在40m以上时宜选用钢板焊接蜗壳,故本电站采用金属蜗壳,其包角=345度2、座环及其尺寸座环由上环下环及固定导叶组成,与金属蜗壳相连的座环分为带蝶形边何不带蝶形边两类.因为不带蝶形边的座环其上下环入口处不为圆滑过渡会造成一定的水力损失，但为保证与模型相似保证计算准确性，故采用箱式座环。座环尺寸由《水电站机电设计手册,水利机械》表2-16得:;;;蜗壳进口端面参数计算为保证和模型几何相似，蜗壳部分由几何相似计算。结合HLA551-35.2流道单线图，由相似理论可得：（1）断面半径（2）断面中心距（3）断面外径m（4）蜗壳系数（5）蜗壳常数4、蜗壳细部尺寸（1）模型蜗壳尺寸，如图2-和表2-：表2-9模型蜗壳尺寸单位（mm）尺寸617.9367.9599.9573.2446.354360.93图2-9蜗壳模型图（2）原型蜗壳尺寸，计算过程：，其中为模型尺寸计算结果如表2-10：表2-10原型蜗壳尺寸单位（m）尺寸5.273.145.114.883.953.082.3.2尾水管的计算1、尾水管形式尾水管是水轮机的重要过流部件,其尺寸和形式对水轮机稳定高效的运行有很大的影响.尾水管分为直锥形和弯肘形两类.大中型反击式水轮机中除贯流机组外都采用弯肘形.故本电站采用弯肘形尾水管.其由进口椎管\肘管和扩散段三部分组成.锥管段预设金属里衬,由《水电站机电设计手册》P128页,因此电站平均流速大于6m/s故肘管段加装金属里衬.又出口尺寸较大故加设支墩.2、尾水管主要尺寸由A551模型流道单线图图2-10模型尾水管侧视图图2-11模型尾水管俯视图（1）尾水管高度尾水管高度h是水轮机底平面到尾水管底板的高度,决定了尾水管的水力性能.增加高度会提高尾水管性能但造价增加.（2）尾水管长度（3）出口宽度（4）由模型相似理论结合A551流道单线图可得尾水管细部尺寸如下锥管进口直径:椎管高度:转轮出口直径:肘管进口直径:肘管高度:肘管长度:肘管出口高度:扩散段出口距水平面高度:扩散段出口高度:顶板仰角由设计手册查的角度=10-13度,取13度2.3.3导水机构的计算倒水机构形式及导叶叶形因本电站为混流式机组故导水机构采用径向式布置,导叶选取正曲率叶型2、导叶数由《水轮机》P218页表8-1查得，当转轮直径为3m时导叶数=24导叶开度导叶开度表征在水轮机流量调节过程中导叶位置的一个参数，其值为导叶出口边与相邻导叶体之间的最短距离。导叶处于径向位置时有最大径向开度值,其中——导叶在径向位时，尾部所处的圆周直径；——导叶轴线所在的圆周直径；——导叶数——导叶轴线至尾部长度又因本电站采用标准化导叶有，而且。将其代入上式得最大径向导叶开度近似公式导叶轴线分布圆直径及导叶弦长L由经验公式；其中小型水轮机一般选用较大的比值，对于较大型的机组一般采用1.16故本电站采用1.174。=1.174=3.52m叶栅密度和翼弦长度导叶相对开度导叶在任意位置开度与最大径向开度的比值称为相对开度为无因次量，对几何相似的水轮机值相同，在已知模型导叶开度以下式计算真机开度2.3.4进出口流道单线图如附图二。2.4发电机型号选择及主要参数2.4.1发电机的参数计算发电机出力：=33MW发电机功率因数：0.85水轮机转轮直径：=300cm同步转速：187.5r/min额定水头：46.5m水轮机型号：HLA551－LJ－300机组台数：3台2.4.2发电机型式及冷却方式由上述参数结合《水电机电设计手册》确定发电机形式及冷却方式如下：型式:立式悬型冷却方式:密闭式空气冷却下机架类型:悬式非承重机架上机架类型:悬式承重机架上机架布置方式:露出地面发电机励磁方式：静止可控硅励磁2.4.3发电机主要尺寸图2-12发电机结构图1、发电机额定容量2、极距cm其中发电机额定容量；p为磁极对数，由标准同步转速表知同步转速为187.5r/min时磁极对数为16；由容量和线速度决定，取93、定子内径cm4、定子铁心长度cm5、定子铁心外径无统一的机座号，由于本电站没有容量和转速相似的发电机故按下式估算166.7r/min，>166.7r/min，故定子铁心外径cm2.4.4发电机外形尺寸的计算1、定子基座外径由《水电站机电设计手册》P160可知，转速为187.5r/min时cm故发电机型号为SF33-32/5942、风罩内径由《水电站机电设计手册》P161可知，发电机额定容量为时cm3、转子外径其中忽略不计cm4、下机架最大跨度由《水电站机电设计手册》P161可知，，其中由《水电站机电设计手册》表3-6得；故5、推力轴承外径和励磁机外径由《水电站机电设计手册》表3-7由差值法算得2.4.5发电机轴向尺寸计算1、定子机座高度由《水电站机电设计手册》P162可知，转速为187.5r/min时cm2、上机架高度对于悬式非承载机架3、推力轴承高度由《水电站机电设计手册》P163表3-8得推力轴承高度。4、下机架高度由于本发电机为悬式非承载机架由《水电站机电设计手册》P162可知下机架高度。5、定子支座支撑面值下机架支撑面距离对于悬式非承载机架6、下机架支撑面至主轴法兰底面距离7、转子磁轭轴向高度因本机组采用风冷带风扇，故转子磁轭轴向高度8、发电机主轴高度其中H为发电机总高度：发电机主轴高度9、定子铁芯中心线至主轴法兰底面距离2.4.6发电机重量估算1、发电机总重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82、发电机转子重式中系数取0.53、发电机飞轮力矩为经验系数由《水电站机电设计手册》P164表3-10知其值为5.2。2.5进水阀的类型及选择2.5.1进水阀的类型、作用及使用范围1、停机检查或检修水轮机时，在静水中关闭阀门，截断水流2、机组长时间停机时截断水流，减少导叶漏水造成间隙汽蚀，同时避免机组长期运行后因导叶漏水造成不能停机3、事故时，在动水中紧急关闭阀门截断水流。由《水电站机电设计手册》P175表4-1可知。水头为46.5m时宜选用蝴蝶阀。2.5.2进水阀直径计算蝴蝶阀在全开时，实际过流面积因有活门会减少，故应使阀的过流净面积等于或大于蜗壳进口断面积。蝴蝶阀直径其中，为蜗壳进口断面直径为与水头有关的系数为电站最大水头由《水电站机电设计手册》P176表4-2查蝶阀标准直径故本电站进水阀直径为5.3m。型号：DF530-80阀轴的布置方式：卧式操作机构型式和操作方式：接力器油压操作阀门公称直径：DN5300mm阀门的设计压力：1.0MPa旁通阀直径：DN500mm第三章调保计算及调速器与油压装置选择第三章调保计算及调速器与油压装置选择3.1调节保证计算3.1.1调节保证计算的目的、任务及标准1、调保计算的目的是在机组甩负荷时计算出出最大转速上升值和最大压力上升值以保证过水系统的强度,避免因甩负荷时压力上升过高使压力钢管破裂。2、一般情况下调节保证计算只进行设计水头和最大水头工况下的甩全负荷时压力上升和速度上升.因本电站为大中型电站,要并入电力系统,故突增负荷的调保计算可不进行。3、我国调节保证计算的标准:（1）当机组容量占电力系统较大比重或担负调频任务,甩全负荷最大转速上升宜小于45%;当机组占电力系统不大或不担负调频任务时,应小于55%。（2）甩全负荷时,有压过水系统允许的最大压力上升率不能超过50~30%。（3）尾水管内最大真空度不宜大于8m水柱。（4）压力输水管不应出现负压脱硫现象。3.1.2电站基本参数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米电站装机容量3×33MW,水头参数：Hmax=54m,Hr=46.5m,Hmin=40m,Hav=48.95m水轮机参数：HLA551-LJ-300,nr=187.5r/min,Qr=80.3m3/s3.1.3额定水头下的调保计算1、压力引水段（1）压力管道长度Li=202m直径Di=8.8m面积Fi=60.82流量Qi=3×80.3=240.9流速（2）压力引水总管长度Li=42m直径Di=8.8m面积Fi=60.82流量Qi=3×80.3=240.9流速（3）引水支管长度Li=42m直径Di=5.3m面积Fi=22.06流量Qi=80.3流速（4）压力饮水段总值2、金属蜗壳段进口断面流速蜗壳段由2.3.1蜗壳计算结果可知，其中：K=26.35=345度3、尾水管段（1）直锥段直锥段平均面积直锥段平均流速直锥段几何长度综上有（2）肘管段肘管段平均面积肘管段平均流速几何长度（3）扩散段扩散段平均面积扩散段平均流速扩算段几何长度（4）尾水管管道特性4、完整流道特性系数5、水击压力升高计算本机组关闭时间较长，引水管短，为末相水击。设定接力器导叶关闭时间分别为5s、6s、7s进行比较试算：（1）关闭时间为5s时不满足要求（2）关闭时间为6s时1）出压力水管末端：2）蜗壳末端最大水锤压力上升相对值为：3）尾水管在导叶或阀门之后，水锤压力变化现象与压力管道相反，其进口处压力下降相对值为：4）为保证输水管不出现负压脱流情况，进行校核计算其中取尾水管直锥段平均流速综上所述符合要求。（3）关闭时间为7s时1）出压力水管末端：2）蜗壳末端最大水锤压力上升相对值为：3）尾水管在导叶或阀门之后，水锤压力变化现象与压力管道相反，其进口处压力下降相对值为：4）为保证输水管不出现负压脱流情况，进行校核计算其中取尾水管直锥段平均流速综上所述符合要求。6、转速升高计算（1）关闭时间为5s时有上述结果可知不符合条件，故不进行接下来的讨论。（2）关闭时间为6s时根据特性曲线查得。机组惯性时间常数调节迟滞时间为接力器不动时间取0.2，为永态转差系数，介于0.02~0.06之间取0.4。水击修正系数由模型飞逸特性曲线，时故。由此：故满足要求（3）关闭时间为7s时故满足要求综上诉述接力器导叶关闭时间设定为6s。3.1.4最高水头下的调保计算1、最高水头下额定流量的计算结合模型综合特性曲线及公式进行试算得当效率为0.926时流量为1.022恰在模型曲线故符合要求原型水轮机的单位流量2、进水流道水力特性计算（1）压力管道长度Li=202m直径Di=8.8m面积Fi=60.82流量Qi=3×67.59=202.77流速（2）压力引水总管长度Li=42m直径Di=8.8m面积Fi=60.82流量Qi=3×67.59=202.77流速（3）引水支管长度Li=42m直径Di=5.3m面积Fi=22.06流量Qi=67.59流速（4）压力引水段总值3、金属蜗壳段进口断面流速蜗壳段其中=345度4、尾水管段（1）直锥段直锥段平均面积直锥段平均流速直锥段几何长度综上有（2）肘管段肘管段平均面积肘管段平均流速几何长度（3）扩散段扩散段平均面积扩散段平均流速扩算段几何长度（4）尾水管管道特性5、完整流道特性系数6、水击压力升高计算本机组关闭时间较长，引水管短，为末相水击。设定接力器导叶关闭时间为。由模型综合特性曲线可知，最高水头下导叶开度为。出压力水管末端：蜗壳末端最大水锤压力上升相对值为：尾水管在导叶或阀门之后，水锤压力变化现象与压力管道相反，其进口处压力下降相对值为：为保证输水管不出现负压脱流情况，进行校核计算取尾水管直锥段平均流速综上所述符合要求。8、转速升高计算根据特性曲线差得。机组惯性时间常数调节迟滞时间为接力器不动时间，为永态转差系数，介于0.02~0.06之间水击修正系数由模型飞逸特性曲线，时故。由此：故满足要求3.2调速器形式及工作容量选择3.2.1调速器形式的选择随着技术发展，微机调速器得到广泛使用，本电站装机容量较大，电力系统对其电能要求较高故采用微机调速器。3.2.2调速器工作容量选择1、中、小型调速器接力器工作容量的计算选择中、小型调速器接力器工作容量A的计算：式中：Q为最大水头下机组发出额定出力时的流量，为最大水头，则计算结果为：由于容量>3500，所以要根据主配压阀直径选择调速器的型号。2、据主配压阀直径选择调速器1）、导叶接力器的容积计算大中型调速器的导叶接力器容量选择一般是按经验公式计算出接力器直径再选取合适的主配压阀直径。目前调速器的主配压阀直径已形成系列，有200、250、300、350mm等规格。油压装置的额定油压为4.0MPa,式中─计算系数由《水电站机电设计手册》P254表6-4得：=0.03。则接力器直径为：由《毕业设计与课程设计指南》P38查导叶接力器直径系列选取接力器直径300mm。3.2.3导叶接力器其他参数计算由《毕业设计与课程设计指南》P38：导叶的最大开度：接力器最大行程：由《毕业设计与课程设计指南》P38当转轮直径小于5m时，取较小的系数，式子中。双直缸接力器总容积：3.2.4主配压阀直径其中v为管路中流速，油压装置工作压力为4.0Mp，一般取取4m/s由《毕业设计与课程设计指南》P38,选取主配压阀直径为80mm由此可选取调速器为WT-80-4.0。3.2.5油压装置的选择油压装置有分离式和组合式两种。分离式油压装置的压力油罐与回油箱分开；组合式油压装置的压力油罐直接装在回油箱上面的框架上。前者容量范围较大，适合大中型水轮机；后者结构紧凑，但容量较小，仅适用于中小型水轮机。本电站机组水轮机属于中型水轮机，故采用分离式油压装置。油压装置额定油压4.0MPa，压力油槽分为两部分，压力油1/3,其余空气。压力油槽容积：式中--压力油罐总容积；--水轮机进水阀接力器总容积，1.61；--双直缸接力器总容积。根据计算的压力油槽容积选择油压装置型号为YZ-6第四章辅助设备设计计算第四章辅助设备设计计算4.1油系统部分设计水电厂油系统主要分为透平油系统和绝缘油系统。透平油系统主要作用是润滑用油和液压操作用油以及运动部件的散热用油。绝缘油系统主要的作用是绝缘、消弧和散热。4.1.1用油量的计算设备用油量应以制造厂提供的资料为主，在未获得所需资料迁前，应按经验公式，统计曲线或参考容量和尺寸相近的同型机组进行估算。变压器和电抗器等电气设备的用油可在产品目录中查询，故计算透平油系统的用油量。1、水轮机调节系统用油量（1）油压装置的用油量参由《毕业设计与课程设计指南》P57表4-5可知，暂时按每台机组及配套设备用油量估算。本电站选用的油压装置型号为YZ-6，压力油箱的容量近似为2.1，回油箱为4，油压装置的用油量总和为6.1。（2）导水机构接力器用油量(按两个接力器的总容积)导水机构接力器用油量按下式计算：其中，为接力器直径为接力器最大行程一般一台机组调节系统总用油量2、机组轴承充油量计算机组轴承包括发电机推力轴承和导轴承及油润滑的水导轴承，其充油量按推力轴承和导轴承单位千瓦损耗来计算，其计算公式：式中q—轴承损耗单位千瓦所需油量，,查《水电站机电设计手册——水力机械》P462表9-4得。—推力轴承损耗；参考《水电站机电设计手册——水力机械》P353图8-3和公式8-3其中，F为推力轴承负荷（转动部分重量加水推力）因为转子重140t，水轮机重137.74t，水推力所以F为438.4t。A——系数取推力轴承扇形瓦上的单位压力位为42kg/m，由图8-3得A=3.2—导轴承损耗（kW），按下式计算：其中S为轴与导瓦接触面积，计算得0.325为水轮机直径，由《水力发电机组辅助设备》P125由《水力发电机组辅助设备》图5-14得为400mm，由《水力发电机组辅助设备》表5-2得为415mm。h为轴瓦高度，。为主轴圆周速度。为轴瓦间隙，一般取0.2mm。为油的的动力粘度系数，对于HU-30的透平油则：机组轴承充油量总和：=4.023、管道充油量管道充油量应根据管网的大小和长短确定，初步估算时可按上述总油量的5%计算。4、系统用油量计算运行用油量。对于透平油系指一台机组的调速系统用油量、机组轴承用油量和管道充油量之和，即事故备用油。它为一台最大机组用油量的110%，即：补充备有油式中—一年中需补充油量的百分数，对于混流式取5%-10%。系统总用油量为式中—机组的台数4.1.2油系统设备选择1、储油设备选择储油设备包括净油槽、运行油槽、中间油槽，事故排油池。（1）净油槽储备净油以便机组或电气设备换油时使用，容积为一台机组充油量的110%。再加上全部设备45天的补充用油量，对于混流式水轮机一年添油为机组用油量的5%-10%。一台机组的充油量为12.6，所以净油槽的容量为12.6，对于一台机组选用一个12.35的净油槽。（2）运行油槽当机组检修时排油和净油用。容积为最大机组充油量的100%，但考虑兼作接受新油，并与净油槽互用，其容量宜与净油槽相同。为了提高污油净化效果，通常设置两个，每个为其容量的1/2.对于该电站每台机组设置2个运行油槽，每个的容量为6.3。（3）重力加油箱对于混流机组，漏油少加油次数少，不专设重力加油箱采取移动添加油罐。（4）事故排油池其作用为接受事故排油，一般设置在油库底层，其容积为油槽容积之和，取26。2、油泵和油净化设备的选择（1）压力滤油机和真空滤油机的选择压力滤油机和真空滤油机的生产率是按8h内能净化最大一台机组的的用油量来确定。即式中—最大一台机组的充油量，—滤清时间，规定为考虑到压力滤油机要更换滤纸所需时间，所以在计算时将其额定生产率减少30%。本电站为大中型水电站，一般只选择一台移动式压力滤油机，并考虑透平油和绝缘油共用。由《水电站机电设计手册》表9-15至表9-17和图9-3至图9-5。选用型号为LY-50的压力滤油机和一台型号为ZLY-50的真空滤油机。（2）油泵的选择油泵生产率按4h内充满一台机组的用油量来确定Q=V1/t=11.22/4=2.85m3/h（t—充油时间,一般取4—8h取4h）油泵的扬程应能客服设备之间高程差和管路损失，由于齿轮油泵结构简单，工作可靠，维护方便，价格便宜，故多采用ZCY型和KCB型齿轮油泵，则由《水电站机电设计手册》P466表9-8选取：油泵型号为KCB-3.3/3.3-1。（3）主管路，管径选择由《水电站机电设计手册》水力机械部分P470表9-19查得：定子内径为5.41m＞5m,故推力轴承油槽供油管直径为50mm、推力轴承油槽排油管直径80mm：导轴承油槽供油管直径及导轴承油槽排油管直径均为40mm；油压装置为YZ-6，故油压装置供油管与排油管直径均为40mm。电站容量3*33000kW，故总油管供油管50mm，排油管80mm。（4）管材的选择油系统管道采用无缝钢管，与净化设备相连的管道选用耐油胶管。4.1.3油系统图油系统图见附图三。4.2气系统部分设计4.2.1各种用气额定压力由《毕业设计与课程设计指南》得1.油压装置压力油槽充气，额定压力4.0MPa。2.机组制动装置用气，额定压力为0.7MPa.3.机组作调相运行时转轮室压水用气，额定压力为0.7MPa.4.检修维护时风动工具及吹污用气，额定压力为0.7MPa.5.水轮机导轴承检修密封围带充气，额定压力为0.7MPa.4.2.2供气方式电站压缩空气装置均安装在主厂房内，从供气可靠性，经济性，合理性和易于维护考虑，采用厂内压缩空气系统综合系统向各个用户供气。中压气部分油压装置压油槽供气，为了提高其干燥度，空压机后设气水分离器和储气罐，低压气部分后也设气水分离器和储气罐。4.2.3设备选择计算1、厂内压缩空气系统油压装置的压力油罐为水轮机调速系统和控制系统的操作能源，由高压气和油共同使用。为保证设备安全供气压力要与油压装置额定压力一致。采用二级压力供气以提高压力空气干燥度。（1）空气压缩机选择空压机生产率根据油压装置容积和充气时间计算：式中：为压油槽容积，由3.2.5油压装置为YZ-6由《水电站机电设计手册》查得压力油罐中空气容积为6.5，为油压装置额定工作压力为4.0MPa为压油槽中空气所占容积比例系数取0.65为漏气系数取1.2T——充气时间，一般取2～4小时，取T=3小时；由《水电站机电设计手册》P509，本电站中压气部分选用两台高压空压机，每台的生产率为0.55。由《水电站机电设计手册》P527表10-23选取空压机型号为V1/40-I,一台工作，一台备用，为风冷式，一个3m3高压气罐。4.2.4厂内低压压缩空气系统本电站低压气系统的气压为0.7MPa。1、制动用气用气量计算：其中中：QZ为机组一次制动所需的总空气量（自由空气）m3； N为发电机额定出力; K为经验系数，一般取0.03～0.05,取0.04;贮气罐容积：其中，Z为同时制动台数；一般考虑一台。为制动前后储气罐允许压力，一般取，取0.15MPa由《水电站机电设计手册》水力机械P523表10-18，本电站为3台机组，选取3个贮气罐，容积为1。空压机生产率计算： 其中：Qk为空压机生产率（m3/min）;△T为贮气罐恢复气压时间（min）,取10min;则：Qk=1.36*2/10=0.272(m3/min)2、机组调相用气量因本电站不考虑调相功能，故本章节省略。3、维护检修用气机组检修用气用于风铲、风砂轮、风砂枪等风动工具。由《水电站机电设计手册》水力机械P528表10-24选取低压空压机为2V-6/8两台，一台工作，供风动工具及吹抽气；一台备用。现按风动工具连续工作的要求校核空压机的生产率：式中：为某种风动工具的耗气量；，此为四台；