水轮机课程设计

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)

第三章水轮机主要参数的选择与计算 (5)

第四章水轮机运转特性曲线的绘制 (10)

第五章蜗壳设计 (13)

第六章尾水管设计 (17)

第七章心得体会 (20)

参考文献 (20)

第一章基本资料

基本设计资料

黄河B水电站是紧接L水电站尾水的黄河上游的一个梯级水电站。水库正常蓄水位2452 m，电站总装机容量4200 MW，额定水头205 m。

经水能分析，该电站有关动能指标如表1所示：

表1 动能指标

第二章机组台数与单机容量的选择

水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。根据已确定的装机容量，就可以拟定可能的机组台数方案，选择机组台数与单机容量时应遵循如下原则：

机组台数与工程建设费用的关系

在水电站的装机容量基本已经定下来的情况下，机组台数增多，单机容量减小。通常小机组单位千瓦耗材多、造价高，相应的主阀、调速器、附属设备及电气设备的套数增加，投资亦增加，整体设备费用高。另外，机组台数多，厂房所占的平面尺寸也会增大。一般情况下，台数多对成本和投资不利。因此，较少的机组台数有利于降低工程建设费用

机组台数与设备制造、运输、安装以及枢纽安装布置的关系

单机容量大，可能会在制造、安装和运输方面增加一定的难度。然而，有些大型或特大型水电站，由于受枢纽平面尺寸的限制，总希望单机容量制造得大些。

机组台数对水电站运行效率的影响

水轮机在额定出力或者接近额定出力时，运行效率较高。机组台数不同，水电站平均效率也不同。机组台数较少，平均效率越低。机组台数多，可以灵活改变机组运行方式，调整机组负荷，避开低效率区运行，以是电站保持较高的平均效率。但机组台数多到一定程度，再增加台数对水电站运行效率增加的效果就不显着。当水电站在电力系统中担任基荷工作时，引用流量较固定，选择机组台数较少，可使水轮机在较长时间内以最大工况运行，使水电站保持较高的平均效率。当水电站担任系统尖峰负荷并且程度调频任务时，由于负荷经常变动，而且幅度较大，为使每台机组都可以在高效率区工作，则需要更多的机组台数。

另外，机组类型不同，高效率范围大小也不同，台数对电厂平均效率的影响就不同。对于高效率工作区较窄的，机组台数应适当多一些。轴流转浆式水轮机，由于单机的效率曲线平缓且高效区宽，台数多少对电厂的平均效率影响不明显；而混流式、轴流定浆式水轮机其效率曲线较陡，当出力变化时，效率变化较剧烈，适当增加台数可明显改善电厂运行的平均效率。

机组台数与水电站运行维护的关系

机组台数多，单机容量小，水电站运行方式较灵活机动，机组发生事故停机产生的影响小，单机轮换检修易于安排，难度也小。但台数多，机组开、停机操作频繁，操作运行次数随之增多，发生事故的几率也随之增高，对全厂检修很麻烦。同时，管理人员多，维护耗材多，运行费用也相应提高。故不能用过多的机组台数。

机组台数与其他因素的关系

对于区域电网的单机：装机容量较小≯15%系统最大负荷（不为主导电站）；装机容量较大≯10%系统容量(系统事故备用容量)，因而，单机容量与台数选取不受限制。

根据设计规范要求，机组单机容量应以水轮机单机运行时其出力在机组的稳定运行区域范围内确定为原则。不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域如表1。

表2 不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域

对采用扩大单元的电气主接线方式，机组台数为偶数为利。但由于大型机组主变压器受容量限制，采用单元接线方式，机组台数的奇、偶数就无所谓了。

上述各种因素互相影响，遵循上述原则，并且该水电站装机容量为20万kW ，由于万kW ＜20万kW ＜25万kW ，该水电站为中型水电站，并担任系统调峰、调相及少量的事故备用容量，同时兼向周边地区供电。

综上所述，确定机组台数选择的原则：对大中型水电站，一般选择6—10台；保证在水头低于额定水头时，机组受阻容量尽量小；在可能的情况下尽量选用单机容量较大的水轮机，以降低设备造价。

第三章 水轮机主要参数的选择与计算

根据水头的变化：最小工作水头到最大工作水头220m 。 同时：

在水轮机系列型谱表查出合适的机型中选取HL120(7×600MW),HL110(10×420MW)和HL160(7×600MW)三种类型水轮机。现将这三种水轮机作为初选方案，分别求出其有关参数，并进行比较分析。

计算水轮机基本参数

方案一 HL160(7×600MW)

水轮机额定功率

去最优单位转速.5r/min 67n 110= 与功率限制线交点的单位流量为额定工况的单位流量，则

s Q /m 8.603r 11=对应的模型效率895.0=M η。去效率修正值%3=∆η，则额定工况原型水轮机效率

915.003.0895.0=+=∆+=ηηηM P 。水轮机转轮直径1D 为

按我国规定的转轮直径系列，且转轮直径取小了不能保证在额定水头下发出额定功率，取大了，不经济且无必要。根据单机功率和转轮直径，该水轮机属大型机组，故取1D =6m 。

已知：m D M 46.01=；91.00=M η

额定工况原型水轮机的效率为

水轮机转速的计算与选择

式中 1111M 110n n n ∆+=

03.0020.0191

.0946.01n n 0011M 11<=-=-=∆M P ηη 符合，不需修正 （1）检验水轮机实际工作范围的校核

发电机同步转速的计算公式为

n 为发电机同步转速，r/min ；p 为发电机磁极对数。 磁极对数 3000/=，

则磁极对数取18、20。

分别求出min r w max H H H H 、、、下对应的单位转速，如表3所示： 表3 各水头对应单位计算表

检查两方案，在模型综合特性曲线图上，第一种方案包含高效率去，且原则上取相近偏大值。所以确定取第一种方案。

（2）水轮机计算点出力的校核 计算r H 时的出力：

符合要求

在额定工况下，模型水轮机的空化系数65.00=M σ。根据几个装有HL160转轮的电站调查，认为HL160转轮的电站空化系数P σ应大于为好，故空蚀安全系数取K=。 E=

因不同的D 1、ｎ与水能预算Hr 有差异 式中Hr 采用上述（五）中的计算结果。

由HL160模型水轮机飞逸特性曲线查得，在最大导叶开度下单位飞逸转速

为，故水轮机的飞逸转速m in /r 117n 11=R

根据表4，HL160的转轮轴向水推力系数6.20~0.20K t =，转轮直径较小、止漏环间隙较大时取大值。本电站转轮直径较大，但水中有一定含沙量，止漏环间隙应适当大一些，故取03.20K t =。水轮机转轮轴向水推力为

表4 混流式水轮机的轴向水推力系数表