水轮机课程设计(完整版)

课程设计说明书设计题目：水轮机选型学生姓名：学号：班级：完成日期：指导教师（签字）：44一、课程设计的目的和任务1、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。

2、课程设计的任务：通过所给的原始资料，根据要求明确水轮机的基本工作参数（包括水头H、流量Q、转速n、效率 、出力P、吸出高度H S、转轮直径D、水轮机型号、机组台数、装置方式等），整理并绘制成不同形式的曲线，即获得水轮机的特性曲线图。

二、电站基本参数（1）电站总装机容量： 900 MW（2）电站装机台数： 6台（3）电机容量： 150 MW（4）下游尾水位：▽80m（5）水轮机工作水头：最大工作水头(Hmax)： 81.5m最小工作水头(Hmin)： 45.5m设计工作水头(Hd)： 63.5m加全平均工作水头(Hw)： 57.8m(6) 机组运行特点：调峰（7）电站水质良好三、水轮机的简介水轮机是一种将河流中蕴藏的水能转换成旋转机械能的原动机，当水流流过水轮机时，通过主轴带动发电机，将旋转机械能转换成电能。

与发电机连接成的整体称为水轮发电机组，它是水电站的主要设备部分。

水电站是借助水工建筑物和机电设备将水能转换成为电能的企业，在未来，水能资源的开发和利用将成为资源开发利用的主导能源，所以，水轮机的设计开发对我国水能资源的开发起到很大的推进作用。

水轮机大致分为两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机；反击式水轮机：转轮利用水流的压力能和动能做工的水轮机称为反击式水轮机。

其特征是：压力水流充满水轮机的整个流道，水流流经转轮叶片时，受叶片的作用面改变压力、流速的大小和方向，同时水流在转轮叶片正反面产生压力差，对转轮产生反作用力，形成旋转力矩使转轮旋转。

主要包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种类型水轮机。

冲击式水轮机：转轮只利用水流动能作功的水轮机称为冲击式水轮机。

其特征是：有压水流先经过喷嘴形成高速自由射流，将压能转换成动能，并冲击转轮旋转。

水流只冲击部分转轮，水流是不充满水轮机的整个流道的，转轮只是部分进水，转轮在大气压的作用下工作。

所以叶片一般做成斗叶状。

主要包括水斗式（切击式）、斜击式和双击式。

水轮机主要类型归纳如下：{⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧)(双击式)(斜击式))(切击式(水斗式冲击式贯流转桨式)(贯流式)(斜流式轴流调桨式轴流定桨式轴流转桨式)(轴流式)(混流式反击式水轮机SJ XJ CJ GL XL ZL HL四、水轮机的设计步骤1)机组参数的选择根据资料数据要求，此水电站的总的装机容量为900 MW ，根据目前水电站的发展状况及未来趋势综合起来，周全考虑并选择机组的台数为6台，其每台的装机容量为 150 MW ,这样有利于更好地提高水轮机的效率，并且有利于水资源开发的经济经济性。

2）水轮机型号的选择根据设计要求的原始材料及水电站的特征水头：Hmax=81.5m ;Hw=57.8m; Hd=63.5m; Hmin=45.5m ,得到有效水头为45.5～81.5m ，根据水轮机机型谱，HL260/D74（25～80m 工作水头）是合适的机型。

根据水头和功率，确定采用立式、金属蜗壳。

所以采用的机型为HL260/D74—LJ 。

3）水轮机主要参数的选择设计水电站的机组台数为6台，型号为HL260，可以进一步确定水轮机的转轮直径D 1，转速n 应该满足在设计水头H R 下水轮机发出的额定出力，并在加权平均水头Hav 运行时效率最高，所选择的吸出高度Hr 能够保证水轮机不发生空蚀，又能减少水电站建设的开挖深度，节省人力、财力和物力。

1、转轮直径D 1的选择：η231181.9r rH Q P D =(m)Pr 为水轮机的额定功率，单位为KW ；Q 11 为单位流量，取最优单位转速0,11n 与5%出力限制线的交点所对应的单位流量max ，11Q ；η 为水轮机效率；r H 为电站额定水头。

<1>水轮机额定功率的计算：ggr P ηP =Pr 为发电机的额定效率;ηg 为发电机的效率（预设范围0.96—0.98，此设0.98）;Pg 为单台发电机的出力;则： P=150 MW / 0.98 = 153.0612 MW<2>水轮机的效率：ηηη∆+=m（η∆取0.02--0.03，推荐最大单位流量或者5%处理限制线） 由综合特性曲线查得模型转轮HL260—D74—500限制工况的单位参数为：s m /8.01Q 3o 11,=,s m /247.1Q 3max 11,=,min /79n o 11,r =,927.0m =η,故水轮机效率为η=0.894+0.03=0.924。

<3>流量：sm Q o /247.1Q 3max 11,,11==（根据水轮机型谱选择机型HL260型水轮机） <4>额定水头暂取为设计水头Hdm H d 5.63H r ==<5>转轮直径11Dm D 84.490.0.56346.181.910612.01535.1311=⨯⨯⨯⨯=根据水轮机转轮直径系列表查得，水轮机的转轮标准直径为5m 。

（见附表1） 附1.水轮机转轮标准直径系列：（单位：mm ）2、水轮机额定转速的确定DH n n w0,11=(r/min) =79*5.857÷ =120.12 r/min根据水轮机转轮标准转速系列表得该水轮机转速取125 r/min(见附表2) (其中：Hw 为平均水头; o n ,11为最优转速)附2.水轮机转轮标准转速系列 （单位： r/min ）3．效率修正根据模型最优工况下的效率o m ,η计算出真机的最高效率ηmax ，真机与模型因直径及水头不同的效率修正值∆η1为∆η1＝ηmax － ηm,max若真机与模型的某些通流部件，（如引水室、尾水管等）不相似，则还需要考虑异形部件对效率的修正值∆η2和因加工质量引起的效率修正值∆η3。

因此，真机的效率为η＝ηm ＋∆η1＋∆η2＋∆η3效率下降取负值，效率增加取正值。

模型的最优工况效率927.0,=o m η，按Moody 公式换算。

即9446.0)535.0(073.01)1(12.05,.=⨯-=--=p m o m o p D D ηη 效率修正值为：0176.0,,=-=∆o m o p ηηη则设计工况原型水轮机的效率为：9116.00176.0894.0=+=∆+=ηηηm d4、单位转速与单位流量的修正按上述计算出真机的效率后，即可按下列公式m o m o p mn n n n ,11,,,1111111⋅⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=-=∆ηη m o m o p mQ Q Q Q ,11,.,1111111⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=∆ηη 计算出单位转速和单位流量的修正值11n ∆和11Q ∆，计算时o m ,η、m n ,11和m Q ,11均取最优工况点之值，其它工况点均用此修正值进行等值修正。

计算求得单位转速的修正值11n ∆=0.7464r/min;单位流量的修正值11Q ∆=0.0102m 3/s 。

由于03.000945.0,1111<=∆on n ，03.000944.0,1111<=∆oQ Q ，故单元参数可不予以修正。

真机的单位转速p n ,11和单位流量p Q ,11为：⎪⎭⎪⎬⎫=+=∆+==+=∆+=)/(0902.10102.008.1）min /（7464.797464.079311,11,1111,11,11s m Q Q Q r n n n m P m P5、检查所选择的D 和n 的正确性按最大水头Ｈmax 求出相应的最小单位转速min ,11n ，按最小水头Hmin 求出相应的最大单位转速max ,11n ，在水轮机的综合特性曲线上分别作出对应于上述min ,11n 、max ,11n 为常数的两条直线。

若这两条直线之间包含了综合特性曲线的最优区，则可认为所选择的D 和n 是比较正确合理的。

否则，就应考虑适当修改所选择的直径D 和转速n 值。

<1>设计工况的单位流量：s m H D P d d r 35.1235.12d11,353.19116.05.63581.9100612.15381.9Q =⨯⨯⨯⨯==η <2>最大、最小水头对应的单位转速：min 231.695.815125min ,11r H nD n mac =⨯==min 656.925.455125minmax ,11r H nD n =⨯==<3>平均水头对应的单位转速：min 208.828.575125r H nD n ww =⨯==由上述参数可知，水轮机实际运行范围处于高效区范围内，平均水头的单位转速接近优化转速，故所选参数合理。

6.水轮机的吸出高度各个不同的水头下，应用公式 H )(90010H s σσ∆+-∇-= 最大水头下的吸出高度（H max = 81.5 m ）查阅HL260的综合特征曲线，最大水头与出力限制线的交点η=91.65%Q 11‘=P/9.81D2η5.1m axH=0.9259 m 3/s把Q 11‘ =0.9259 m 3/s 代入HL220的综合曲线得σ=0.13 ，02.0=∆σ 则吸出高度H s =10-80/900-(0.13+0.02)*81.5 =-2.314( m )由综合特性曲线可知，由于空化实验的数据不够多，空化系数值难以准确确定，为安全起见，实际吸出高度再减去0.5m,取为m .82H s -=。

7.水轮机飞逸转速的计算：由模型HL260/D74水轮机的飞逸转速曲线得，最大单位飞逸转速min.4150n R 11,r=，故水轮机的飞逸转速为:min 55.27155.81.4150n max,11R r DH n R =⨯== 8.水轮机轴向水推力的确定：根据模型转轮技术资料提供的数据，转轮轴向水推力系数K=0.36，则水轮机轴向推力为：)(10.5765.815436.04F 22h t H D Kma =⨯⨯⨯==ππ9.水轮机的质量估算:)(H KD W b max a t = K 为与水头有关的系数，a 为与直径D 有关的指数，b 为与水头有关的指数，查表得K=8.1,a=2.12,b=0.16。