水轮机课程设计--水电站水轮机选型设计

课程设计说明书设计题目：大江水电站水轮机选型设计
《水轮机》课程设计任务书
1 课程设计的目的
课程设计的目的，是培养学生运用本课程及相关课程基本理论和技术解决实际问题，进一步提高运算、绘图和使用技术资料的能力，通过具体工程实例设计提高设计观念和分析解决工程问题的能力。

2 课程设计成果及要求
2.1 课程设计成果
（1）设计说明书一份，内容包括：
A、封面；
B、课程设计任务书；
C、中文摘要；
D、英文摘要；
E、目录；
F、正文；
G、谢辞；
H、参考文献；
I、附录（附录为可选内容）。

（2）设计图纸一张，内容为：
设计过程中的辅助图、蜗壳、尾水管单线图。

采用大米格纸或1号AutoCAD打印图纸，文字书写必须采用符合制图规范的长仿宋体。

2.2 设计成果要求
※请大家务必按以下要求完成设计成果，否则，审查时不予通过。

2.2.1 说明书内容要求
（1）摘要。

中文摘要在300字左右，外文摘要以250个左右实词为宜，关键词一般以3～5个为妥。

（2）目录。

按三级标题编写（即：1 ……、1.1 ……、1.1.1 ……），附录也应依次列入目录。

（3）量和单位。

量和单位必须采用中华人民共和国的国家标准GB3100～GB3102-93，它是以国际单位制（SI）为基础的。

非物理量的单位，可用汉字与符号构成组合形式的单位。

（4）正文标题层次。

全部标题层次应有条不紊，整齐清晰。

相同的层次应采用统一的表示体例，正文中各级标题下的内容应同各自的标题对应，不应有与标题无关的内容。

章节编号方法应采用分级阿拉伯数字编号方法，两级之间用下角圆点隔开，每一级的末尾不加标点。

分级阿拉伯数字的编号一般不超过四级。

各层标题均单独占行书写。

第一级标题居中书写；第二级标题序数顶格书写，后空一格接写标题，末尾不加标点；第三级和第四级标题均空两格书写序数，后空一格书写
标题。

第四级以下单独占行的标题顺序采用A.B.C.…和a.b.c.两层，标题均空两格书写序数，后空一格写标题。

正文中对总项包括的分项采用⑴、⑵、⑶…单独序号，对分项中的小项采用①、②、③…的序号或数字加半括号，括号后不再加其他标点。

（5）公式。

公式号以章分组编号，如（2•4）表示第2章的第4个公式。

公式应尽量采用公式编辑程序录入，选择默认格式，公式号右对齐，公式和编号之间不加虚线，公式调整至基本居中。

（6）表格。

每个表格应有表序和表题，表序以章分组编号。

表序和表题应写在表格上放正中，表序后空一格书写表题。

表格允许下页接写，表题可省略，表头应重复写，并在右上方写"续表××"。

（7）插图。

插图必须精心制作，线条粗细要合适，图面要整洁美观。

每幅插图应有图序和图题，图序以章分组编号，如（图2•4）表示第2章的第4个图，图序和图题应放在图位下方居中处。

图应在描图纸或在白纸上用墨线绘成，也可以用计算机绘图。

（8）参考文献。

一律放在文后，参考文献的书写格式要按国家标准GB7714－87规定。

参考文献按文中出现的先后统一用阿拉伯数字进行自然编号，序码宜用方括号括起。

书写格式为：
[序号]主要责任者．论文题目[J]．刊名，年，卷（期）：起止页码．
[序号]主要责任者．书名[M]．出版地：出版者，出版年，起止页码．
[序号]标准编号，标准名称[S]．
例如：
[1]曾维川，王金敏．AutoCAD2000绘图基础[M]．天津：天津大学出版社，2001．
2.2.2 排版打印格式
说明书可以打印或手写，并装订整齐。

手写说明书时，必须整洁，字体大小适中，符合格式要求，并采用河北工程大学课程设计专用纸。

打印说明书时，应满足以下要求：
（1）页面设置：A4纸，单面打印。

上3cm，下2.5cm，左2.5cm，右2cm，装订线0.5cm，选择“不对称页边距”，页眉1.8cm，页脚1.5cm。

（2）页眉设置：居中以小五号宋体字键入“河北工程大学课程设计”。

（3）页脚设置：插入页码，居中。

（4）正文文字：内容字型一律采用宋体，标题加黑，章节题目用小三号字，内容采用小四号字汉字宋体和四号Times New Roman英文。

（5）正文段落格式：行距固定值，20磅，段前、段后均为0行。

标题可适当加宽，设置为段前、段后均为0.5行。

设计图纸必须整洁，符合水利工程制图规范。

可采用大号米格纸或1号AutoCAD 打印图纸，文字书写必须采用符合制图规范的长仿宋体。

未尽事宜，按指导教师要求完成。

3 设计题目及基本资料
3.1 设计题目
大江水电站水轮机选型设计
3.2 基本资料
大江水电站，最大净水头H max=35.87m，最小净水头H min=24.72m，设计水头H p=28.5m，电站总装机容量N装=68000kW，尾水处海拔高程▽=24.0m，要求吸出高Hs>-4m.
3.3 设计内容
水轮机是水电站中最主要的动力设备之一，它关系到水电站助工程投资、安全运行、动能指标及经济效益等重大问题，正确地进行水轮机选择是水电站设计中的主要任务之一。

本次设计的内容有：
(1) 确定机组台数与单机容量。

(2) 确定水轮机的型号与装置方式
(3) 确定水轮机的转轮直径与转速。

(4) 确定水轮机的吸出高度与安装高程。

(5) 绘制水轮机运转特性曲线。

(6) 确定蜗壳、尾水管的型式与尺寸
(7) 选择调速器与油压装置。

摘要
本设计着重阐述了水轮机型号的选择和设计过程。

主要内容有：
通过已知所给水电站的数据，应用主要综合特性曲线初步拟订待选方案，通过初步分析比较淘汰明显不合理的方案，保留两个较好的方案精选，精选过程进行两个方案的动能经济比较，绘制运行特性曲线，进行机电设备的投资估算及土建工程比较，对代表年进行水轮机的平均效率及电能计算，最佳方案的确定，水轮机飞逸转速，轴向力的计算，导叶高程，导叶最大及最优开度的确定，并对最佳方案的蜗壳和尾水管进行计算与绘制。

关键词：水轮机；选型；工作曲线；效率
Abstract
This design elaborated emphatically the model selection of hydraulic turbine generator auxiliary equipment of the design process.
The primary includes:
Hydropower station data is given by the known,the primary synthesis property curve was used to choose the scheme of the turbine, after preliminary comparison, the obviously unreasonable plan was eliminated and two good selections were retained. The selection process includes the kinetic energy economy comparisons, the plan movement characteristic curve, the investment estimate of the electromechanical device and the civil engineering comparison. The average efficiency and power of turbine in represent years were calculated to get the best plan. Then the leisurely rotational speed, the axial force, the guide vane elevation, the most superior opening, and the optimal scheme of spiral and tail pipe calculation and rendering
Key words: hydraulic turbine; type selects; working curve ; efficiency.
目录
《水轮机》课程设计任务书 (1)
1 课程设计的目的 (1)
2 课程设计成果及要求 (1)
2.1 课程设计成果 (1)
2.2 设计成果要求 (1)
2.2.1 说明书内容要求 (1)
2.2.2 排版打印格式 (2)
3 设计题目及基本资料 (3)
3.1 设计题目 (3)
3.2 基本资料 (3)
3.3 设计内容 (3)
摘要 (4)
Abstract (5)
目录 (6)
第一节基本资料及设计内容 (8)
1.1、课程设计的目的 (8)
1.2 基本资料 (8)
1.3 设计内容 (8)
第二节机组台数与单机容量的选择 (8)
2.1 机组台数的选择 (9)
2.1.1机组台数与机电设备制造的关系 (9)
2.1.2机组台数与水电站投资的关系 (9)
2.2.3 机组台数与水电站运行效率的关系 (9)
2.2.4 机组台数与水电站运行维护工作的关系 (9)
2.2 单位容量的选择 (9)
第三节水轮机型号、装置方式、转轮直径、转速、及吸出高度与安装高程的确定 (10)
3.1 HL240型水轮机 (10)
3.1.1 转轮直径D计算 (10)
3.1.2 转速计算 (10)
3.1.3 效率修正值的计算 (11)
3.1.4 工作范围校核 (11)
3.1.5 吸出高度Hs的计算 (12)
3.1.6 装置方式： (12)
3.1.7 安装高程的确定： (12)
3.2 ZZ440型水轮机 (13)
3.2.1 转轮直径D计算 (13)
3.2.2 转速n计算 (13)
3.2.3 效率及单位参数修正 (13)
3.2.4 工作范围的检验计算 (14)
3.2.5 吸出高度Hs的计算 (15)
3.2.6 装置方式： (16)
3.2.7 安装高程的确定： (16)
3.3 两种方案的比较分析 (16)
第四节水轮机运转特性曲线的绘制 (17)
4.1 基本资料 (17)
4.2 等效率线的计算与绘制 (17)
4.3 出力限制线的绘制 (18)
4.4 等吸出高度线的计算 (18)
第五节蜗壳设计 (19)
5.1 蜗壳型式选择 (19)
5.2 主要参数确定 (19)
5.2.1 断面形状的确定 (19)
5.2.2 蜗壳包角的选择 (19)
5.2.3蜗壳进口断面面积及尺寸 (19)
5.3 蜗壳的水力计算及单线图，断面图的绘制 (20)
5.3.1 根据以选择的蜗壳断面形状，确定具体尺寸 (20)
5.3.2 中间断面尺寸 (20)
第六节尾水管设计 (21)
6.1 尾水管型式的选择 (21)
6.2 尺寸确定及绘制平面剖面单线图 (21)
第七节调速设备的选择 (22)
7.1 调速器的计算 (22)
7.2 接力器的选择 (23)
7.2.1 接力器直径的计算 (23)
7.2.2 接力器最大行程的计算 (23)
7.2.3 接力器容量的计算 (23)
7.3 调速器的选择 (23)
7.4 油压装置的选择 (24)
参考文献： (24)
第一节基本资料及设计内容
1.1、课程设计的目的
通过水轮机的课程设计，将各种水轮机的性能参数整理并绘制成不同形式的曲线，它是与水轮机课程教学相辅助的一个理论学习的环节，也是课程教学中一个必不可少的环节。

通过水轮机课本章节的相关理论知识的学习后，再通过课程设计的环节以达到巩固和加强理论知识的目的，进一步培养学生独立思考、严谨工作的能力；此外，通过课程设计更进一步掌握造型、设计、参数等程序内容，提高了学生查阅资料和动手实践的能力。

1.2 基本资料
大江水电站，最大净水头Hmax=35.87m，最小净水头Hmin=24.72m，设计水头Hp=28.5m，电站总装机容量N装=68000KW，尾水处海拔高程▽=24.0m，要求吸出高Hs> -4m。

发动机效率96%—98%。

1.3 设计内容
水轮机是水电站中最主要的动力设备之一，它关系到水电站助工程投资、安全运行、动能指标及经济效益等重大问题，正确地进行水轮机选择是水电站设计中的主要任务之一。

本次设计的内容有：
(1) 确定机组台数与单机容量。

(2) 确定水轮机的型号与装置方式。

(3) 确定水轮机的转轮直径与转速。

(4) 确定水轮机的吸出高度与安装高程。

(5) 绘制水轮机运转特性曲线。

(6) 确定蜗壳、尾水管的型式与尺寸。

(7) 选择调速器与油压装置。

第二节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，就可以拟订可能的机组台数方案，当机组台数不同时，则单机容量不同，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应。

选择机组台数与单机容量时应遵守如下原则：
2.1 机组台数的选择
2.1.1机组台数与机电设备制造的关系
机组台数增多，单机容量减少，尺寸减小，制造及运输较易，这对制造能力和运输条件较差的地区有利的，但实际上说，用小机组时单位千瓦消耗的材料多，制造工作量大，所以最好选用较大容量的机组。

2.1.2机组台数与水电站投资的关系
当选用机组台数较多时，不仅机组本身单位千瓦的造价多，而且相应的阀门、管道、调速设备、辅助设备、电气设备的套数增加，电气结构较复杂，厂房平面尺寸增加，机组安装，维护的工作量增加，因而水电站单位千瓦的投资将随台数的增加而增加，但采用小机组时，厂房的起重能力、安装场地、机坑开挖量都可以缩减，因而有减小一些水电站的投资，在大多数情况下，机组台数增多将增大投资。

2.2.3 机组台数与水电站运行效率的关系
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时，由于负荷经常变化，而且幅度较大，为使每台机组都可以高效率工作，需要更多的机组台数。

2.2.4 机组台数与水电站运行维护工作的关系
机组台数多，单机容量小。

水电站运行方式就较灵活，易于调度，机组发生事故产生的影响小，检修较易安排，但运行、检修、维护的总工作量及年运行费用和事故率将随机组台数的增多而增大，故机组台数不宜太多。

上述各种因素互相联系而又相互对立的，不能同时一一满足，所以在选择机组台数时应针对具体情况，经技术经济比较确定。

遵循上述原则，该水电站的装机容量为 6.8万KW ，由于1.5万KW<6.8万KW<25万KW ，该水电站为中型水电站。

且宜选用偶数机组台数：4台。

2.2 单位容量的选择
水轮机单机出力为
77.196
.048.6=⨯==F Y T m N N η万KW (F η—发电机效率：0.95~0.98，取0.96)
第三节 水轮机型号、装置方式、转轮直径、转速、
及吸出高度与安装高程的确定
根据该水电站的水头变化范围24.72m ～35.87m ，参照《水电站》教材附录中的附表2和附表1的水轮机系列型普表查出合适的机型有HL240型水轮机（适用范围25~45）和ZZ440型水轮机（适用范围20~40）两种。

现将这两种水轮机作为初步方案，分别求出其有关参数，并进行比较分析。

3.1 HL240型水轮机 3.1.1 转轮直径D 计算
HL240型水轮机的模型为：最有单位转速min /72'
10
r n =，模型最高效率92.0max =M η，模型转轮直径46.01=M D m 。

转轮直径
η
2
/3'1181.9p T
H Q N D = 式中：T N ——水轮机额定出力，77.1=T N 万KW ；
'1Q ——采用最优单位转速与出力限制线交点处单位流量，s m Q /24.13'1=； p H ——设计水头，p H =28.5m ；
η ——水轮机效率，设η=0.91。

代入式中得
m D 24.391
.05.2824.181.917700
2/31=⨯⨯⨯=
采用与其相近的标准转轮直径=1D 3.3m 。

3.1.2 转速计算
转速 1
'1D H
n n =
式中： '1n ——单位转速采用最优单位转速'
1072n =r/min ；
H ——采用设计水头p H =28.5m ；
1D ——采用选用的标准直径1D =3.3m 。

代入式中，则
=⨯=
3
.35
.2872n 116.5 r/min
采用与其接近的同步转速min /125r n =，磁极对数P=16。

3.1.3 效率修正值的计算
《水电站》教材图3-6中查得HL240型水轮机在最优工况下最高效率为max M η=92.0%，模型转轮直径1M D =0.46m ，所以原型水轮机的最高效率可采用下式计算，即
m ax η=51
1max )1(1D D M
M η-- =5
3
.346
.0)92.01(1-- =0.946
考虑到制造水平的差异，根据水轮机的标准直径，凭经验ε=1%，如果原型水轮机所使用的蜗壳和尾水管与模型试验时采用的型式不同，则意味着原型水轮机使用了异型部件。

凭经验知，原型水轮机的实际效率要比计算值低，由于使用异型部件的原因，还要减去一个'ε值。

在本设计中，取'ε=0，则效率修正值有下式计算
'min max εεηηη---=∆ 代入数据可得
=---=∆001.092.0946.0η0.016
当1D =3.3m ，p H =28.5m ，min /125r n =，s m Q /24.13'1=时，从水轮机HL240型模
型转轮综合特性曲线上得M η=0.904，所以水轮机在限制工况点(即设计工况点)的效率应为
=∆+=ηηηM 0.904+0.016=0.92 与原来的假设值相符。

因此选用结果1D =3.3m 和min /125r n =是正确的。

3.1.4 工作范围校核
在选定1D =3.3m 和min /125r n =后，水轮机的最大的'
1max Q 及各特征水头相对应的'
1n 即可计算出来。

水轮机在p H =28.5m 、77.1=T N 万KW 下工作时，其相应的最大单位流量'1Q 即为
'
1max
Q ，故: s m H D N Q p T /19.192
.05.283.381.91770081.93
2
/32/321'max 1=⨯⨯⨯==
η 则水轮机的最大引用流量为
s m H D Q Q P /18.695.283.319.13221'max 1max =⨯⨯==
对'1n 值：在设计水头p H =28.5m 时，
min /3.775
.283
.31251'1r H nD n p =⨯==
在最大水头H max =35.87m 时，
min /87.6887
.353
.3125max 1'max 1r H nD n =⨯==
在最小水头H min =24.72m 时，
min /96.8272
.243
.3125min 1'min 1r H nD n =⨯==
在HL240型水轮机模型综合特性曲线图上，分别绘出s L Q /1190'max 1=，
min /87.68'max 1r n =和m in /96.82'min 1r n =为常数的直线，由图可见，由这三根直线所围成
的水轮机工作范围（图中阴影部分）基本上包含了该特性曲线的高效率区。

所以对于HL240型水轮机方案，所选定的参数1D =3.3m 和min /125r n =是比较满意的，但是还需要和其他方案作前面的比较。

3.1.5 吸出高度Hs 的计算
由水轮机的设计工况参数min /3.77'1r n =，s L Q /1190'max 1=，在《水电站》教材图3-6上查得相应的气蚀系数σ=0.195，在《水电站》教材图2-8查得气蚀系数修正值为
σ∆=0.04，由此可求得水轮机的吸出高为
p s H H )(90010σσ∆+-∇
-=
=⨯+--=5.28)04.0195.0(900
2410 3.28m>-4m
所以，HL240型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。

3.1.6 装置方式： 采用立轴安装方式。

3.1.7 安装高程的确定：
由立轴混流式HL240水轮机
2
0b
H Z s A ++∇==24.0+3.28+0.365×3.3/2=27.88m (其中10365.0D b =)
3.2 ZZ440型水轮机 3.2.1 转轮直径D 计算 转轮直径1D 的计算公式 η
2/3'
1181.9p
T
H
Q N D =
式中T N 和p H 均同前.对于'1Q 值,可由附录中附表1查得该型水轮机在限制工况下的
'1Q =1650L/s ，同时还查得气蚀系数σ=0.72，但在允许的吸出高为-4m 时,则相应的装置气蚀系数为
44.004.05
.2849002410][90010=-+-=∆--∇-
=
σσH H S <0.72 在满足-4m 吸出高度的前提下，
'1Q 值可在ZZ440型水轮机主要综合特性曲线图中查得初定的设计工况点（'
10115min n r =，44.0=σ）处的单位流量'1Q 为s L /1205，同时可查得该工况点的模型效率M η=86.2％，并据此可以初步假定水轮机的效率为89.5％。

将以上的各参数值代入得
m D 32.3895
.05.28205.181.917700
2
/31=⨯⨯⨯=
采用与其相近的标准转轮直径=1D 3.3m 。

3.2.2 转速n 计算 水轮机的转速为
min /04.1863
.35
.281151
'1r D H n n p
=⨯=
=
选用与之接近而偏大的同步转速min /5.187r n =，磁极对数为P=16。

3.2.3 效率及单位参数修正
对于轴流转浆式水轮机，必须对其模型综合特性曲线图上的每个转角ϕ的效率进行修正。

当叶片转角为ϕ时的原型水轮机最大效率可用下式计算
)7.03.0)(1(110
5
1
1max max p
M
M M H H D D +--=ϕϕηη 已知10.46M D =、 3.5M H m =、1D =3.3m 、H=28.5m ，带入上式则得
)1(683.01)5
.285
.33.346.07.03.0)(1(1max 105
max max M M ϕϕϕηηη--=+--=
叶片在不同转角ϕ时的max M ϕη可由模型综合特性曲线查得，从而可求出相应的ϕ值的原型水轮机的最高效率max ϕη并将计算结果列于表3-1。

当选用效率的制造工艺影响修正值%1=ε和不考虑异性部件的影响时，即可计算出不同转角ϕ时的效率修正值%1min max --=∆ϕϕϕηηη。

其中计算结果如下表3-1
由在《水电站》教材附录中附表1查得ZZ440型水轮机最优工况的模型效率为max ϕη=89％。

由于最优工况接近于ϕ=0°等转角线，故可采用%9.2=∆ϕη作为其修正值，从而可得原型最高效率为
m ax η=0.89+0.026=0.916=91.6%
已知在吸出高度-4m 限制的工况点（'10115min n r =，'1Q =s L /1205）处的模型效率
为M η=86.2％,而该工况点处于ϕ=0°和+15°等转角之间，用内插法求得该点的效率修正值为ϕη∆=3.22%，由此可得该工况点的原型水轮机效率为
η=0.862+0.0322=0.8942=89.42% (与上述假定的效率η=92％相近。

)
由于：03.00145.0189.0916
.01max max '10'1<=-=-=
∆M M n n ηη 故单位转速可不作修正，同时，单位流量也可不作修正。

由此可见，以上选用m D 3.31=，min /5.187r n =是正确的。

3.2.4 工作范围的检验计算
在选定m D 3.31=，min /5.187r n =后，水轮机的'
1max Q 及各特征水头相对应的'1n 即可
计算出来。

在选定1D =3.3m 和min /125r n =后，水轮机的最大的'
1max Q 及各特征水头相对应的'1n 即可计算出来。

水轮机在p H =28.5m 、77.1=T N 万KW 下工作时，其相应的最大单位流量'1Q 即为
'
1max
Q ，故： s m H D N Q p T /22.1894
.05.283.381.917700
81.932
/32/321'max 1=⨯⨯⨯==
η， 则水轮机的最大引用流量为
s m H D Q Q P /93.705.283.322.13221'max 1max =⨯⨯==
对'1n 值：在设计水头p H =28.5m 时，
min /9.1155
.283
.35.1871'1r H nD n p =⨯==
在最大水头H max =35.87m 时，
min /31.10387
.353
.35.187max 1'max 1r H nD n =⨯==
在最小水头H min =24.72m 时，
min /45.12472
.243
.35.187min 1'min 1r H nD n =⨯==
在ZZ440型水轮机模型综合特性曲线图(图3-2)上分别绘出，'m ax 1Q =1220s L /和
min /31.103'max 1r n =，m in /45.124'min 1r n =的直线，由图可见，由这三根直线所围成的水
轮机工作范围（图中阴影部分）基本上包含了该特性曲线的高效率区。

所以对于ZZ440型水轮机方案，所选定的参数m D 3.31=，min /5.187r n =是合理的。

3.2.5 吸出高度Hs 的计算
由水轮机的设计工况参数min /9.115'1r n =，'m ax 1Q =1220s L /，由《水电站》教材图1-11可查得其气蚀系数约为σ=0.42，则可求出水轮机的吸出高度为 m H s 14.35.28)04.042.0(900
24
0.10-=⨯+--=>-4m
所以，ZZ440型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。

3.2.6 装置方式： 采用立轴安装方式 3.2.7 安装高程的确定：
立轴轴流式水轮机
1xD H Z s A ++∇==24.0-3.14+0.376⨯3.3=22.1m （其中x 取0.376） 3.3 两种方案的比较分析
为了便于分析比较，现将上述两种方案的有关参数列表如下：
表3-2 水轮机方案参数对照表
从上列对照表来看，两种不同型号的水轮方案在同样水头下的同时工作满足额定出力的情况下，两者比较来看，HL240包含了较多的高效率区，气蚀系数小，安装高程较高等优点，这可以提高水电站的年发电量和减少厂房的开挖量；而ZZ440型方案的优点仅表现在水轮机的转速高，有利于减小发电机尺寸，降低发电造价，但这种机型的水轮机极其调节系统的造价较高。

由此看，若在制造供货方面没有问题时，初步选用HL240型方案较为有利。

在技术设计阶段，尚需要计算出个方案的动能指标和经济指标，进一步进行分析比较，以选出合理的方案。

本设计就采用HL240型号的水轮机。

第四节 水轮机运转特性曲线的绘制
4.1 基本资料
转轮的型式HL240型，主要综合特性曲线由《水电站》教材图3-6， 转轮的直径1D =3.3m ，额定转速min /125r n =，
特征水头 H max =35.87m ，H p =28.5m ，H min =24.72m ， 水轮机的额定出力 T N =17700KW
尾水位高程 24.0 m 安装高程 27.88m
效率修正值为 εηηη--=∆min max ==--01.092.0946.00.016 4.2 等效率线的计算与绘制
由于水电站的水头变化范围较小，现取水轮机工作范围内3个水头，列表4-1分别进行计算。

依据表4-1中的数据绘制对应每个H 值的效率特性曲线)(N f =η，如图4-1（a ）。

在该图上作出某效率值的水平线，它与图中各等H 线相交，绘制H ～N 坐标图，连成光滑曲线，既得出等效率线，如图4-1（b ）。

4.3 出力限制线的绘制
出力限制线表示水轮机在不同水头下实际允许发出的最大出力。

由于水轮机与发电机配套运行，所以水轮机最大出力受发电机额定出力和水轮机5%出力储备线的双重限制。

依据表4-2绘制出力限制线。

4.4 等吸出高度线的计算
取3个水头，计算数据列表4-3分别进行计算。

1、绘制()'1Q f N =辅助曲线，如图4-2（a ）所示。

2、求出各水头下的'1M n 值，并在相应的模型综合特性曲线上查出'1M n 水平线与各等气蚀系数σ线的所有交点坐标，'1Q ，σ值，填入下表。

3、在()'1Q f N =辅助曲线上查出相应于上述各'1Q 的N 值，填入下表。

4、利用公式p s H H )(90010σσ∆+-∇
-=计算出相应于上述各σ的s H 值，填入下表。

5、根据表中对应的s H ，N 值，做出)(N f H s =曲线，如图4-3（b ）所示。

6、在)(N f H s =图上任取s H 值，做水平线与曲线相交，记下各交点的s H 、N 值，绘于H ～N 坐标图上，将各点连成光滑曲线即为等吸出高度线。

第五节 蜗壳设计
5.1 蜗壳型式选择
由于本水电站水头高度小于40m ，所以采用混凝土蜗壳。

5.2 主要参数确定 5.2.1 断面形状的确定
由于水轮机为中型水轮机，考虑在蜗壳顶部布置调速接力器的方便选择平顶梯形断面，即
当0n =时，o o 15~10=δ选取o 15=δ；
75.1~50.1=a
b ，选择6.1=a b
；由《水电站》教
材14P 表1-3座环直径与1
D 关系取，座环内直径52.11=D D a ，a D =5.0m ，3.11
=D D b
，b D =4.3m ，即m r a 5.2=，m r b 15.2=。

5.2.2 蜗壳包角的选择
混凝土蜗壳o o 270~1800=ϕ，选取o 2700=ϕ 5.2.3蜗壳进口断面面积及尺寸
进口断面流速：
1v =c a H =0.82655.28=4.41s m 进口断面流量：
)/(89.51270360
18
.69360300s m Q Q T =⨯=
=ϕ 确定蜗壳进口断面面积：
)(77.1141
.489
.512101m v Q F ==
=
5.3 蜗壳的水力计算及单线图，断面图的绘制 5.3.1 根据以选择的蜗壳断面形状，确定具体尺寸
⎪⎪⎪
⎪⎩⎪⎪⎪
⎪⎨⎧
=+==-+-=365.06.1)(2
tan 1
01011
101111
D b m b b a
b b r r m b a F b a δ 解上式得 1a =2.71m ，1b =4.34m ，1m =3.14m 。

5.3.2 中间断面尺寸
顶角的变化规律采用直线变化规律，则： 0112==a n K ， 159.11
12==a m
K
进口断面的最大半径1R ：
1R =1a r a +=2.5+2.71=5.21m
在1R 至a r 之间设不同的i R ，求出i a 、i m ，计算见表5-1。

根据表5-1绘制辅助曲线如图5-1(a)，根据需要，选定若干个i ϕ（每隔30°）由图5-1查出相应的i R 及其断面尺寸，如表5-2所示。

便可绘制蜗壳平面单线图，如图5-1(b)。

进口宽度取11D R B +==5.21+3.3=8.51m 。

2) 求积分dr r
s i b
R r i
⎰=，列表计算如表5-2。

3) 各断面的流量ϕQ 及其位置ϕ的计算：蜗壳常数K=
89.1790
.289.5110==S Q ，ϕQ =KS i ，ϕ=
ϕQ Q T
360
,列表计算如表5-3。

ϕQ 、ϕ计算表（表5-3）
绘出蜗壳平面图，如图5-1(b)所示。

第六节 尾水管设计
6.1 尾水管型式的选择
尾水管的形式很多，最常用的有直锥形、弯锥形和弯肘型三种型式，本设计中尾水管型式采用弯肘形。

弯肘形尾水管由进口直锥段、中间肘管段和出口扩散管三部分组成。

6.2 尺寸确定及绘制平面剖面单线图
查看《水电站》教材中尾水管的型式和尺寸部分有：
HL240型混流式水轮机水头H<200m 时，121)15.0~12.0(D h h =+ ，本设计取
12113.0D h h =+=0.43m ，锥管半角β=8°。

1）锥管段
进口直径m h D D D 42.38tan 23423=-==o ， 高度为3h =421h h h h ---=8.58-0.43-4.46=3.69m 。

2）弯管段
由混凝土标准肘管尺寸确定设计的肘管段，标准尺寸如下表6-1，设计肘管尺寸如表6-2。

3）扩散段
由尾水管尺寸表表6-3得知设计表如下表6-4，为了改善顶板的受力条件可加设中墩，加设中墩后尾水管出口净宽应保持不变，支墩宽度b =51.0B =0.8，b R 4==3.2，
b r 2.0==0.16，支墩头距水轮机轴线距离l ≥14.1D =4.62。

尾水管尺寸表（表6-3）
最终： 尾水管设计如图6-1 尾水管平面布置图。

第七节 调速设备的选择
7.1 调速器的计算
水轮机的调速功A 为：
1max )250~200(D H Q A =
其中水轮机在工况点（m H 87.35max =，KW N T 17700=，s m Q /54.563=） 3.387.3554.56)250~200(⨯⨯=A =12.3~15.34万KW>30000KW
属大型调速器，则接力器调速柜和油压装置应分别进行计算和选择。

7.2 接力器的选择 7.2.1 接力器直径的计算
由已知条件判断，采用两个接力器来操作水轮机的导水机构，查《水利机械》得选用额定油压为2.5Mpa ，则每个接力器的1
max 1
D b H D d s λ=m 。

已知导叶数目240=Z ；为标准正曲率导叶，查《水力机械》表5-3得03.0=λ；又
导叶的相对高度365.01
=D b ，带入上式得：
87.35365.03.303.0⨯⨯=s d =0.358m=358mm
选择与之接近而偏大的s d =375mm 的标准接力器。

7.2.2 接力器最大行程的计算
max 0max )8.1~4.1(a S =(mm)
max 0a 导叶最大开度（mm ）。

可由模型的max 0a 求出，以下公式换算求得：
000max 0max 0Z D Z
D a a M M M =
式中:max o a 可由设计工况点（min /3.77'1r n =，s L Q /1190'max 1=）在模型综合特性曲线上查得
25mm ，同时可得0M D =534mm ，240=M Z ，选用水轮机的
1017.1D D ==1.17×
3.3=3.86m=3860mm ，240=Z 则 mm a 18124
53424
386025max 0=⨯⨯⨯=
当选用计算系数为1.8时，则
max S =1.8×
181=326mm=0.326m 7.2.3 接力器容量的计算 两个接力器的总容积
072.0326.0375.0375.02
2
max =⨯⨯⨯=
=
π
π
S d V s s 3m
7.3 调速器的选择
大型调速器的型号是以主配压阀的直径来表征的，主配压阀的直径
m
s s v T V
d 13.1=
选s T s 4=，s m v s /5.4=，则：。