水电站课程设计

该枢纽工程位西北某省A河上游干流上，其布置和工程参数如附件所示，
该水电站拟定主要设计参数
序号项目单位数值
1 最大水头m 125
2 最小水头m 86
3 多年平均水头m 92.5
4 设计水头m 88
5 总装机容量MW 360
（一）水轮机型号选型
1 根据该水电站的水头变化范围86~125m，在水轮机系列谱表3-3，表3-4中查出适合的机型有HL180和HL200两种。

2 主要参数选择
2.1 选取4台机组
2.2 转轮直径D1计算
单机容量：36万kw/4=9万kw
（一)HL180水轮机
2.2.1查文献HL180转轮综合特性曲线可知机组效率M=90%;g =96%
Nr=Ny/zg=360000/4*0.96=93750kw
查表3-6可得HL180型水轮机在限制工况下的单位流量'1M
Q =860L/s=0.86m ³/S ，效率m=89.5%，由此可
初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量'1
Q ='
1M
Q
=0.86m ³/S ，效率=92%。

上述的Q1’，和Nr=单机容量：36万kw/4=9万kw ；g=96%
Nr=Py/zg=360000/4*0.96=93750kw ，Hr=88m 带入式
η
r r 11'81.9r
H H Q N D =
可得=3.83m ，选用与之接近而偏大的
标称直径=3.9m 。

2.2.2转速n 计算
查表3-4可得HL180型水轮机在最优工况下单位转速10M
n'=67r/min,初步假定M
1010'n '
n =
，将已知的和av
H
=92.5m ，1
D =3.9m 代入式1
1
'
n n D H
=可得n=165.2r/min ，
选用与之接近而偏大的同步转速n=166.7r/min 。

（上式中'n 选用原型最优单位转速10
'n ，H 选用加权平均水头
Hav ）
2.2.3 效率级单位参数修正
ηηη1
D 1
D 10
'n ⎥
⎦
⎤
⎢⎣⎡--=-=∆)5/1()^(1)1(11Mmax Mmax max D D K K M ηηηη）（
M
101'n '
n ∆ 采用上述第一种方法的式（K 值为0.5~1）进行效率修正。

查表3-6可得HL180型水轮机在最优工况下的模型最高效率为max
M η
=92%，模型转轮直径为M
D 1=0.46m ，
根据上式，可求出原型效率max
η=95%,则效率修正值为η∆=95%-92%=3%，考虑到模型与原型水轮机在制造工艺质量上的差异，常在已求得的η∆值中再减去一个修正值ξ。

现取ξ=1.0%，则可得效率修正值为η∆=2%，由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为
ηηη∆+=max max M =92%+2%=94%
%5.91%2%5.89=+=∆+=ηηηM （与上述假定值相同）
单位转速的修正值按下式计算
)1/('n 'n max max 10-=∆M M ηη
则
=-=-=∆192.0/945.0)1/('n '
n max max 101M M
ηη 1.35% 由于 <3%，按规定单位转速可不加以修正，同时，单位流量'1
Q 也可不加修正。

由上可见，原假定的η=92%，M 1010'n '
n =
，'1Q ='1M Q 是正确的，
那么上述计算及选用的结果1
D =3.9m ，n=166.7r/min 也是正确的。

2.2.4 工作范围的检验
在选定1
D =3.9m ，n=166.7r/min 后，水轮机的max
1'Q 及各特
征水头相对应的1
'n 即可计算出来。

水轮机在r
r N H ，下工作时，其
max 11''Q Q 即为，故η
r r 1max 12^81.9r
'H H D N Q =
=
92
.0*88*88*3.9^2*9.8193750
=0.83<0.86m
³/s
则水轮机的最大引用流量为
Q max =
=115.14㎡/s 与特征水头Hmax ，Hmin 和Hr 相对应的单位转速为
min /r 15.581253.9
*7.166n 'n max 1min 1===
H D min /r 11.7086
3.9
*7.166n 'n min 1max 1===
H D
min /r 30.6988
3.9*7.166n 'n r 1r 1===
H D 在HL180型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出=850L/S ，=70.11r/min ，=58.15r/min 的直线。

由图
可知，由这三根直线所围成的水轮机工作范围（途中阴影部分）基本上包含了该特性曲线的高效率区。

所以对于HL180型水轮机方案，所选定的1
D =3.9m 和n=166.7r/min
是合理的。

2.2.5吸出高度Hs 计算
由水轮机的设计工况参数，n'1r =69.30r/min ，Q
max
1'Q max
1'
n min
1'n r
1max
1H ^2D 'Q
∆
m 472.088)02.0088.0(900
109710)(90010s
〈--=+--=∆+-∆-
=m H H
σσ‘1max =850L/S ，在图3-25上可查得相应的气蚀系数约为σ=0.088，并在图上2-26上查得气蚀系数的修正值约为σ∆=0.02，由此可求出水轮机吸出高度为
公式
为电站的海拔高程为1097m 。

σ为水轮机的气蚀系数为0.088。

Δσ为水轮机的气蚀系数修正值为0.02。

可见，HL180型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。

（二）HL200转轮
2.3.1 查文献HL200转轮综合特性曲线可知机组效率M=90%；g=96%
Pr=Py/zg=360000/4*0.96=93750kw
查表3-6 可得HL200型水轮机在限制工况下的单位流量'1M
Q =960L/s=0.96m ³/S ，效率m=89.5%，由此可
初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量'1
Q ='
1M
Q
=0.96m ³/S ，效率=92%。

上述的Q1’，和Nr=单机容量：36万kw/4=9万kw ；
g N =96%
Nr=Py/zg=360000/4*0.96=93750kw ，Hr=88m 带入式
ηηη
⎥
⎦
⎤
⎢⎣⎡--=-=∆)5/1()^(1)1(11Mmax Mmax max D D K K M ηηηη）（η
r r 11'81.9r
H H Q N D =
可得=3.51m ，选用与之接近而偏大的
标称直径=3.6m 。

2.3.2 转速n 计算
查表3-4可得HL200型
水轮机在最优工况下单位转速10M
n'=68r/min,初步假定
M
1010'n 'n =，将已知的和av
H =92.5m ，1
D =3.6m 代入式
1
1'n n D H
=
可得n=181.7r/min ，选用与之接近而偏大的同
步转速n=187.5r/min 。

采用上述第一种方法的式
（K 值为1）进行效率修正。

查表3-6可得HL200型水轮机在最优工况下的模型最高效率为max
M η
=92%，模型转轮直径为M
D
1=0.46m ，根据上式，可求出原型效率max
η=95%,则效率修正值为
η∆=95%-92%=3%，考虑到模型与原型水轮机在制造工艺质量上
的差异，常在已求得的η∆值中再减去一个修正值ξ。

现取ξ=1.0%，则可得效率修正值为η∆=2%，由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为
ηηη∆+=max max M =92%+2%=94%
1
D 1
D 10
'n 2.3.3效率级单位参数修正
%5.91%2%5.89=+=∆+=ηηηM （与上述假定值相同）
单位转速的修正值按下式计算
)1/('n 'n max max 10-=∆M M ηη
则
1.35%19
2.0/945.0)1/('n '
n max max 101=-=-=∆M M ηη
由于<3%，按规定单位转速可不加以修正，同时，单位流
量'1
Q 也可不加修正。

由此可得：原假定1
'Q =M
Q 1'， = 是正确的，那么上述计
算及选用的结果D1=3.6m ，转速n=182.0r/min 也是正确的。

2.3.4 工作范围的检验
在选定1
D =3.6m ，n=182.0r/min 后，水轮机的max
1'Q 及各特
征水头相对应的1
'n 即可计算出来。

水轮机在r
r N H ，下工作时，其
max 11''Q Q 即为，故0.96m3/s
<0.89=92
.0*88*88*3.6^2*9.8191836.73
2^81.9r 'r r 1max 1==
ηH H D N Q
则水轮机的最大引用流量为
Q max =
=108.20㎡/s 与特征水头Hmax ，Hmin 和Hr 相对应的单位转速为
min /r 37.60125
3.6
*5.187n 'n max 1min 1===
H D
M
101'n 'n ∆10'n M 10'n r
1max
1H ^2D 'Q
m H H 4m 72.088)02.0088.0(900
1097
10)(90010s 〈--=+--=∆+-∆-
=σσmin /r 79.7286
3.6
*5.187n 'n min 1max 1===
H D
min /r 96.7188
3.6*5.187n 'n r 1r 1===
H D 在HL200型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出=890L/S ，=72.79r/min ，=60.37r/min 的直线。

由图可知，由这三根直线所围成的水轮机工作范围（途中阴影部分）基本上包含了该特性曲线的高效率区。

所以对于HL200型水轮机方案，所选定的1D =3.6m 和n=182.0r/min 是合理的。

2.3.5 吸出高度Hs 计算
由水轮机的设计工况参数，r 1'n =71.96r/min ，
max 1'Q =890L/S ，在图3-25上可查得相应的气蚀系数
约为σ=0.088，并在图上2-26上查得气蚀系数的修正值约为σ∆=0.02，由此可求出水轮机吸出高度为
可见，HL200型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。

3 两种方案的比较分析
max
1'
Q max 1'n min 1'n
m
06.109722
.072.068.10972b 0s w =+-=++∇=∇H
4 水轮机安装高的确定
水轮机安装高程用符号∇表示。

立轴反击式水轮机安装高程是指导叶中心高程：
式中
w ∇是尾水位
s H 是吸出高度、
0b 是导叶高度
第二部分 发电机的选型 一、 发电机的外型尺寸。

n=182r/min>150r/min 故采用悬式发电
机。

1 主要尺寸估算 ⑴．极距：4
2p
S k
f j =τ （10~8=j
k
（Kj 为系数，一般取
值8~10） 查〈水电站〉表1—1得p=16）
cm 74.78)162(93750)10~8(4=⨯÷⨯=τ
(2).定子内径：cm p
D
i
46.80274.7814
.316
22=⨯⨯=
=
τπ
（3）.定子铁芯长度：cm n CD S l
e i t
29.1555
.18746.80210593750
262f =⨯⨯⨯==
- （4）.定子铁芯外径：因n=187.5r/min>166.7r/min
有cm D D
i a
95.89674.782.146.8022.1=⨯+=+=τ
2 平面尺寸估算
⑴定子机座外径：因n=187.5r/min>166.7r/min ，有
cm D D a 53.102214.11==
⑵风罩内径：因KVA S t
20000>cm D D 53.1222
20012=+= ⑶转子外径：cm D D
i 46.72240246.80223
=⨯-=-=δ
⑷下机架最大跨度：因KVA S
KAV t
10000010000<<
cm D D 5806054=+= （查表 m D 2.55=）
⑸推力轴承外径和励磁机外径：根据发电机容量查表得：
mm mm D mm mm D 3600~2600,4200~360076==
取cm D cm D 300,38076==
3 轴向尺寸的计算
⑴定子机座高度：
因n=187.5r/min cm l h t
78.31274.78229.15521=⨯+=+=τ ⑵上机架高度：cm D h
i 62.20046.80225.025.02=⨯== ⑶推力轴承高度、励磁机高度和永磁机高度：
查表得： mm
h mm h mm h mm h 900~600,1200~800,2400~2000,2000~15006543==== 取 cm h cm h cm h cm h 80,90,200,1506543====
⑷下机架高度：悬式非承载机架：cm D h i 30.9646.80212.012.07=⨯==
⑸定子支座支承面至下机架支承面或下挡风板之间的距离：
悬式非承载机架：cm D h i 37.12046.80215.015.08=⨯==
⑹下机架支承面至主轴法兰盘之间的距离：cm h mm h 120,1500~70099=∴=
⑺转子磁轭轴向高度：无风扇：
⑻发电机主轴高度：cm h h h h h h h h H 84.98498654321=+++++++=
⑼定子铁芯水平中心线至主轴法兰底盘之间的距离：
cm
mm l h t 29.2156029.155)600~500(10=+=+=cm
H h 01.101976.12738.0)9.0~7.0(11=⨯==cm
h h h 17.35946.010112=+=。