金滩水电站初步设计

水电站设计基本资料水利枢纽工程具有防洪,灌溉,发电,养殖等功能.水电站厂房为坝后式,水电站装机容量为7MW,厂房所在平均地面高程440.0m.水位:正常蓄水位为470.00m.死水位:459.00m.距厂房下游100m处水位流量关系见下表格机组供水方式: 采用单元供水水电站水头范围:HMAX =39M, HMIN=28M, HAV=33M第一部分水轮机选型（1） 初选机型该水电站为坝后式水电站。

故设计水头H r =0.95* H av =0.95*33=31m,该水电站装机容量为7MW ，拟选顶两台机组，发电机效率设为96%，因此水轮机额定出力N r =7*103/2*96%= 3646kw特征水头 H max =39.0 m H min =28.0 m H av =33m H r =31 m根据该水电站的水头变化范围28~39m 。

在机组系列型谱表中查得合适的机型有HL240和ZZ440两种，现将这两种水轮机作为初选方案，分别计算出相关参数，并进行比较分析：1 HL240型水轮机方案的主要参数选择a 转轮直径D 1的计算HL240型水轮机在限制工况下的单位流量Q′1M =1.24 m 3/s,效率η=90.4％由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量Q′1= Q′1M =1.24 m 3/s ，效率η=91％，上述Q′1，η和N r =6300/0.96=6562.5 kw ，H r =37.5 m384.191.0313124.181.9364681.91=⨯⨯⨯⨯==ηr r rH QH N D选用与之接近而偏大的标称直径D 1=1.4 mb 转速n 的计算HL240水轮机在最优工况下单位转速n′10m =72 r/min ，初步假定n′10=n′10m ， 代入式min /2954.133721'10r D H n n av=⨯==选用与之接近而偏大的同步转速n=300 r/min 。

c 效率及单位参数修正HL240型水轮机在最优工况下模型最高效率ηMmax =92%，模型标称直径D 1M =0.46 m)00500511max 6.934.146.0921(1)1(1=--=--=D D M M Max ηη 则效率修正值 Δη=93.6%－92%=1.6%考虑到模型与原型水轮机在制造工艺质量上的差异，常在已求的Δη值上再减去一个修正值ξ，取ξ=1.0%则可得效率修正值Δη=0.6 %由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为%6.92%6.0%92max =+=∆+=ηηηM Max%0.91%6.0%4.90=+=∆+=ηηηM （与上述假定值相同）单位转速的修正值按下式计算)1(max max'10'1-=∆M M n n ηη则%32.01%92%6.921max max '10'1=-=-=∆M Mn n ηη由于Δ′n 1/ n′10M =0.32%<3.0%，按规定单位转速可不加修正，同时单位流量Q′1也可不加修正。

由上可见，原假定的η=91% ，Q′1= Q′1M ，n′1=n′10M 是正确的，那么上述计算及选用的结果D 1=1.4 m ，n=300 r/min 也是正确的。

d 工作范围的检验在选定D 1=1.4m ，n=300 r/min 后，水轮机的Q′1max 及各特征水头相对应的n′1即可计算出来。

水轮机在H r 下工作时，其Q′1即为Q′1max ，故s m H H D Q r r /24.1207.191.031314.181.9364681.9Nr 3221'max 1<=⨯⨯⨯⨯==η则水轮机最大引用流量为s m H D Q Q r /17.13314.1207.13221'max 1max =⨯⨯==与特征水头H max ，H min ，H r 相对应的单位转速为min /25.67394.1300max 1'min 1r H nD n =⨯==min /37.79284.1300min1'1r H nD n man =⨯==min /43.75314.13001'1r H nD n rr =⨯==在HL240型水轮机模型综合特性曲线上分别绘出Q′1max =1.207 m 3/s n′1max =79.37r/min n′1min =67.25 r/min 三条直线 由图可见，这三条直线所围成的水轮机工作范围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D 1=1.4 m 和n=300 r/min 是合理的。

e 吸出高度的计算由水轮机的设计工况参数，n′1r =75.43 r/min ，Q′1max =1.027m 3/s 。

在水轮机模型特性曲线上查得相应的气蚀系数σ=0.197，并在《水电站》P 49H r ～Δσ曲线上查得Δσ=0.032，由此可求出水轮机的吸出高度为m H H s 231.231)038.0197.0(90044010)(90010=⨯+--=∆+-∇-=σσf 水轮机安装高程计算根据下游水位和流量关系表格 （参见首页设计基本资料）在画图纸上画出下游水位和流量关系，确定水轮机安装高程的尾水位w∇，通常称为设计尾水位。

设计尾水位根据下面的表格水轮机过流量从下游水位与流量关系曲线中查取因为此次设计中选取2 台水轮机，额定流量是13.17m 3/s.取 额定流量的50%，从下游水位和流量关系曲线中查取设计尾水位为430.85m安装高程Z= ∇w + H s+b/2 =430.85+2.23+0.511/2=433.34m 2 ZZ440型水轮机方案的主要参数选择a 转轮直径D 1的计算ZZ440型水轮机在限制工况下的单位流量Q′1M =1.650 m 3/s ,效率η=81.0％由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量Q′1= Q′1M =1.650 m 3/s ，效率η=82.7％，则m H QH N D r r r256.1827.0313165.181.9364681.91=⨯⨯⨯⨯==η选用与之接近而偏大的标称直径D 1=1.4mb 转速n 的计算ZZ440水轮机在最优工况下单位转速n′10m =115r/min ，初步假定n′10=n′10m ，则min /87.4714.1331151'10r D H n n av=⨯==选用与之接近而偏大的同步转速n=500 r/min 。

c 效率及单位参数修正ZZ440型水轮机在最优工况下模型最高效率ηMmax =89.0%，模型标称直径D 1M =0.46 m)1(75.01/7.03.0)(1(1max 10511max M M M M Max H H D D ΦΦ--=+--=ηηη 叶片在不同的转角时m ax M Φη的值可以有模型综合特征曲线查得从而求出相应的Φ值的原型水轮机最高效率的m ax M Φη当选用效率考虑到制造工艺的修正值%1=ε，从而计算各种角度的修正值。

查表ZZ440型水轮机在最优工况下模型效率max M η=89%，由于最优工况接近于角度为0时的等转角线，因此采用η∆=1.8%做为其修正值。

由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为%8.90%8.1%0.89max =+=∆+=ηηηM Max%8.82%8.1%81=+=∆+=ηηηM （与上述假定值接近）)1(max max'10'1-=∆M M n n ηη则 %01.11%89%8.901max '10'1=-=-=∆M Max Mn n ηη由于Δn′1/ n ′10M =1.01%<3.0%，按规定单位转速可不加修正，同时单位流量Q′1也可不加修正。

由上可见，所以原假定的η=82.7% ，Q′1= Q′1M ，n′1∕n′10M 是正确的，那么上述计算及选用的结果D 1=1.4 m ，n=500 r/min 也是正确的。

d 工作范围的检验在选定D 1=1.4 m ，n=500 r/min 后，水轮机的Q′1max 及各特征水头相对应的n′1即可计算出来。

水轮机在H r 下工作时，其Q′1即为Q′1max ，故s m H H D Q r r /65.1327.1828.031314.181.9364681.9Nr 3221'max 1<=⨯⨯⨯⨯==η则水轮机最大引用流量为s m H D Q Q r /48.14314.1327.13221'max 1max =⨯⨯==与特征水头H max ，H min ，H r 相对应的单位转速为min /18.112394.1500max 1'min 1r H nD n =⨯==min /30.1322865.1500min1'1r H nD n man =⨯==min /67.125314.15001'1r H nD n rr =⨯==在ZZ440型水轮机模型综合特性曲线上分别绘出Q′1max =1.327 m 3/s n′1max =132.30r/min n′1min =112.18 r/min 三条直线 由图可见，这三条直线所围成的水轮机工作范围基本上包含了该特性曲线的高效率区所以对于ZZ440方案，所选定的参数D 1=1.4m 和n=500 r/min 是合理的。

e 吸出高度的计算由水轮机的设计工况参数，n′1r =125.67r/min ，Q′1max =1.327m 3/s 。

在水轮机模型特性曲线上查得相应的气蚀系数σ=0.48，并在《水电站》P 49H r ～Δσ曲线上查得Δσ=0.038，由此可求出水轮机的吸出高度为547.631)038.048.0(90044010)(90010-=⨯+--=∆+-∇-=H H s σσ(2) 比较分析通过比较,两种水轮机型号的直径相同,均为1.4m. 从模型图中可以看到，HL240型的包含的高效率范围要大于ZZ440型的水轮机，运行效率较高，气蚀系数较小 ，安装高程叫高，有利于提高年发电量和减少水电站厂房的开挖工程量，ZZ440型水轮机的机组转速大，有利于减少发电机尺寸，降低发电机组的造价，但水轮机本身造价很高！综合以上原因，决定选取HL240型水轮机为最优方案！（3）发电机型号选择水轮发电机按其轴线位置可分为立式和卧式布置两大类。

大型机组一般采取立式布置，卧式布置通常用于中小型机组及贯流式机组。

HL240型水轮机单机出力为3646KW ，那么发电机应与之配套，故发电机额定容量分别为3646KW,转速为300r/min1. 发电机计算 根据下式判断发电机型式：发电机示意图 a 极矩τ 42PS K f j=τ式中： S ƒ——发电机额定容量P ——磁极对数（查同步转速与磁极对数关系表） K j ——系数 一般为8～10，容量大，线速度高的取上限K j = 9 cm 07.33102364694=⨯⨯=τ b 定子内径i DτπpD i 2=cm D 6.21007.331021=⨯⨯=πc 定子铁芯外径当n ≥166.7rpm τ+=i a D Dcm D 67.24307.336.2101=+=d 通过下式判断发电机型式mm l t 1.1373006.210102364626=⨯⨯⨯=-035.00051.03001.1376.210<=⨯=n L D t i 故采用悬式发电机由上面计算可初步确定发电机型号为： TSL 325/36—20。