水轮机选型毕业设计及solidworks建立转轮模型

毕业设计
水轮机选型毕业设计及solidworks建立转轮模型
任务书
设计原始资料
一、电站地理位置：位于华北地区。

电站所在地海拔高程约800 m 。

二、枢纽任务：发电为主。

三、总装机容量：P总=2500MW 保证出力：500MW
四、水轮机工作水头
最大水头Hmax=100m 平均水头Hav=90m
设计水头Hr=94m 最小水头Hmin80.0
任务与要求
一．水轮机部分
⒈水轮机型号选择。

⒉应用主要综合特性曲线初步拟订待选方案。

⒊通过初步分析比较淘汰明显不合理的方案，保留两个较好方案精选。

⒋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
5．确定最佳方案。

并对其进行如下计算：
⑴水轮机飞逸转速；
⑵轴向力；
⑶导叶高程，导叶最大及最优开度；
⑷蜗壳水力计算及单线图；
⑸尾水管型式选择及单线图和主要剖面图的绘制；
⑹对水轮机结构的特殊要求。

二、绘制水轮机的运转综合特性曲线；对发电机的型号进行选择；
三、进行蜗壳，尾水管的水力计算；
四、利用Solidworks建立转轮的几何模型。

五、计算书和说明书
⒈分别编写设计计算书和设计说明书各一分。

⒉计算书要求计算准确，层次清晰，公式和系数选择要求正确合理并标明依据。

⒊说明书要论证充分正确，结论清楚。

书写字迹工整。

，
⒋图纸要符合标准，要求选择一张用计算机绘制。

⒌说明书附英文标题与摘要。

摘要
本设计着重阐述了水轮机型号的选择，电机型号的选择，及利用Solidworks建立几何模型。

水轮机选型设计部分：依据原始资料初步确定机组的台数和机型，从而形成了四种设计方案，然后对四种方案的技术参数进行计算和比较，精选出两种方案作为备选方案；同过绘制两个方案的综合运转特性曲线和等吸出高度线，进行比较后确定一个方案作为设计的最终方案，然后，算出所确定方案的蜗壳和尾水管参数。

第三部分是确定电站发电机的型号，经过第一部分的数据计算发电机各个参数，由所计算的参数进行选型。

第四部分是利用Solidworks建立几何模型。

关键词：水轮机，蜗壳，尾水管，发电机，Solidworks,几何模型。

ABSTRACT
This design emphatically expounds the model selection of hydraulic turbine generator auxiliary equipment，and use Solid works to establish the geometric models of the runner. Selection and design of turbine parts ：the original basis for the initial units to determine the number and type of Taiwan, thus the four designs, and then the four programs of technical parameters were calculated and compared. namely, the two programs as options; Drawing off with two programs integrated operating characteristic curve and such a high level of absorption lines, After comparing a program to determine the final design of the program, and then calculated by determining program scroll and a scroll parameters.The third part is to determine the generator system.Calculation of various equipment and choose the generator. The fourth part is use Solid works to establish the geometric models of the runner.
Keywords: turbine, scroll, draft tube, generator, the geometric mode
目录
任务书 (1)
摘要 (3)
ABSTRACT (4)
第一章绪论 (7)
1.1 水轮机 (7)
1.2 发电机 (7)
1.3 Solidworks (8)
第二章水轮机选型 (10)
2.1概述 (10)
2.2水轮机型号及装机台数的选择 (10)
2.2.1水轮机型号的选择 (10)
2.2.2水轮机装机台数的选择 (10)
2.2.3初选方案的拟定 (11)
2.3 各初选方案原型水轮机参数的计算 (11)
2.3.1 方案一各技术参数的计算 (11)
2.3.2 方案二各技术参数的计算 (14)
2.3.3 方案三各技术参数的计算 (16)
2.3.4 方案四各技术参数的计算 (19)
2.3.5 各方案技术参数列表 (22)
2.4精选方案的确定及其参数的计算 (22)
2.4.1 精选方案的确定： (22)
2.4.2 精选方案综合特性曲线的绘制 (22)
2.4.3 投资估算 (30)
2.5 蜗壳的水力计算 (33)
2.5.1 蜗壳形式的确定 (33)
2.5.2 金属蜗壳设计 (33)
2.6尾水管的水力设计 (38)
2.6.1尾水管型式的选择 (38)
2.6.2 尾水管各部分尺寸的计算 (38)
2.6.3 尾水管单线图 (39)
第三章发电机的型号选择 (40)
3.1 发电机的计算参数 (40)
3.2选择发电机的型式及冷却方式 (40)
3.3发电机的主要尺寸 (40)
3.4发电机外形尺寸计算 (41)
3.4.1平面尺寸计算 (41)
3.4.2轴向尺寸计算 (42)
3.5发电机重量估算 (43)
3.6发电机计算结果 (43)
第四章利用solidworks建立转轮模型 (45)
4.1 solidworks介绍 (45)
4.2 利用solidworks建立风扇零件模型 (46)
4.2.1风扇下盖的建立 (46)
4.2.2 风扇上盖的建立 (48)
4.2.3 风扇叶片的建立 (48)
4.2.4 利用solidworks建立风扇装配体模型 (49)
4.3 利用solidworks建立水轮机轴流式转轮模型 (50)
4.3.1转轮叶片的建立 (50)
4.3.2 泄水锥的建立 (51)
4.3.3 利用solidworks建立轴流式转轮装配体模型 (51)
结论 (52)
参考文献 (53)
致谢 (54)
第一章绪论
1.1 水轮机
水轮机是一种把河流中蕴藏的能量转换为旋转机械能的原动机。

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。

水轮机是将水能转换为机械能的机械，它的基本部件即对量的转换有直接的影响的过流部件，是绝大多数水轮机普遍具有的部件。

近代水轮机一般都具有四个基本过流部分，它们分别为：引导并集中水流流入转轮的饮水部分称为引水部件；使流入转轮的水具有所需的速度和大小的导向部分称为导水部件；把引入水流的水能转换为转动机械能的能量转换部分称为工作部件（转轮）；将转轮流出的水引向下游并利用其余能的泄水部分称为泄水部分。

对不同类型的水轮机，上述四个重要部件在形式上都具有各自的特点。

水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。

冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。

冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类。

斜击式水轮机的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾角，只用于小型机组。

反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。

在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮；在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮；在斜流式水轮机中，水流径向进入导叶而以倾斜于主轴某一角度的方向流进转轮，或以倾斜于主轴的方向流进导叶和转轮；在贯流式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。

在反击式水轮机中，水流充满整个转轮流道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头下，转轮直径小于冲击式水轮机。

它们的最高效率也高于冲击式水轮机，但当负荷变化时，水轮机的效率受到不同程度的影响。

反击式水轮机都设有尾水管，其作用是：回收转轮出口处水流的动能；把水流排向下游；当转轮的安装位置高于下游水位时，将此位能转化为压力能予以回收。

对于低水头大流量的水轮机，转轮的出口动能相对较大，尾水管的回收性能对水轮机的效率有显著影响。

1.2 发电机
水轮发电机是指以水轮机为原动机将水能转化为电能的发电机。

水流经过水轮机时，将水能转换成机械能，水轮机的转轴又带动发电机的转子，将机械能转换成电能而输出。

是水电站生产电能的主要动力设备。

水轮发电机由水轮机驱动。

它的转子短粗，机组的起动、并网所需时间较短，运行调度灵活，除一般发电外，特别宜于作为调峰机组和事故备用机组。

水轮发电机组的最大容量已达80万千瓦。

水轮发电机按轴线位置可分为立式与卧式两类。

大中型机组一般采用立式布置，卧式布置通常用于小型机组和贯流式机组。

立式水轮发电机按导轴承支持方式又分为悬式和伞式两种。

伞式水轮发电机按导轴承位于上下机架的不同位置又分为普通伞式、半伞式和全伞式。

悬式水轮发电机的稳定性比伞式好，推力轴承小，损耗小，安装维护方便，但钢材耗量多。

伞式机组总高度低，可降低水电站厂房高度。

卧式水轮发电机一般用于转速大于375r/min的情况，以及一些小容量电站
水轮发电机由转子、定子、机架、推力轴承、导轴承、冷却器、制动器等主要部件组成。

定子主要由机座、铁芯和绕组等部件组成。

定子铁芯用冷轧硅钢片叠成，按制造和运输条件可做成整体和分瓣结构。

水轮发电机冷却方式一般采用密闭循环空气冷却。

特大容量机组倾向于以水作为冷却介质，直接冷却定子。

如同时冷却定子和转子则为双水内冷水轮发电机组。

水轮发电机如今的发展趋势主要为提高水轮发电机的单机容量向巨型机组发展，为了提高其可靠性和耐久性，在结构上采用不少新技术。

随着发电电动机容量增大转速增高，机组的推力负荷及起动转矩也在增加。

用了磁推力轴承后，推力负荷由于加上了与重力反方向的磁吸引力，从而减少了推力轴承的荷载,减小了轴面阻力损失,降低了轴承温度和提高了机组效率，起动阻力矩也减小。

1.3 Solidworks
SolidWorks为达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。

SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。

SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。

在石油、化工、冶金、矿山、电站等众多行业中，各类机械设备在进行油类介质的转输、增压、燃油喷射以及大型机械设备的润滑系统在进行稀油循环和输送润滑油的过程中，转轮、不可或缺的动力元件。

齿轮泵具有尺寸小，重量轻，自吸性能好，结构简单，工艺性好，使用时工作可靠，耐冲击性强，维护修理方便和价格便宜等优点，因此Solidworks得到了广泛的应用。

SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAM/CAE/PDM桌面集成系统，是由美国SolidWorks公司在总结和继承了大型机械CAD软件的基础上，在Windows的环境下实
现的第一个机械三维设计软件，于1995年11月研制成功，其技术基于先进的Parasolid 内核[34]。

SolidWorks之所以成为领先的、主流的三维CAD解决方案，主要是基于如下几方面的突出优点:
(1)友好高效的三维CAD系统
SolidWorks是微机平台上的高级三维CAD软件，运行于Windows环境中，它提供了强大的设计功能和易学易用的操作方法，使得整个产品成为百分之百可特征造型，百分之百参数化，百分之百可修改。

(2)协同工作性能
SolidWorks提供了技术先进的工具，设计者之间可以通过互联网协同合作，可通过eDrawings方便的共享CAD文件，可用3D Meeting通过互联网实时的协同工作，用户可通过3D Content Central在线资源库下载自己所需的零部件。

(3)全相关的数据管理
SolidWorks包括三部分:零部件设计、装配设计及二维绘图，三部分相互关联，工程师可以在设计的各个阶段修改，部分修改系统会自动的进行全局修改。

(4)良好的二次开发性和功能扩充性
SolidWorks具有很好的二次开发性能，其公司与世界许多著名的软件开发公司保持着良好的合作伙伴关系。

SolidWorks支持COM/OLE标准，具有良好的扩展性，软件开发人员可根据企业需求编制出相应的应用程序，这也正是本文选用SolidWorks作为开发平台的一个重要原因。

第二章 水轮机选型
2.1概述
（1）、 电站地理位置：位于华北地区。

电站所在地海拔高程约800 m 。

（2）、 枢纽任务：发电为主。

（3）、 总装机容量：P 总=2500MW 保证出力：500MW
（4）、 水轮机工作水头
最大水头Hmax=100m 平均水头Hav=90m
设计水头Hr=94m 最小水头Hmin80.0
2.2水轮机型号及装机台数的选择
2.2.1水轮机型号的选择
考虑到本电站的工作水头Hmax=100,Hr=94,Hmin=80。

查《水轮机》第157页知：在此水头范围内可以采用的水轮机类型有斜流式和混流式。

经斜流式水轮机和混流式水轮机的比较，查《水轮机》第313页知：符合此水头下的水轮机型号有:HL180/D06A 水头范围110～150m 、HL180/A194水头范围110～150m 、HL240/D41水头范围70～105m 、HL220/A153水头范围90～125四种。

把两种型号的型谱参数代入比转速公式（《水轮机》P162，6—6）式计算水轮机的比转速：
)(18620942000202000kw m H n r s ⋅=-=-=
查《水轮机》P313附表1比较其比转速基本符合HL180/D06A 和HL180/A194两个机型，故最终确定水轮机的型号为HL180/D06A 和HL180/A194型。

其基本参数如下表：
表2-1 两种型号水轮机的参数
2.2.2水轮机装机台数的选择
由于电站以发电为主平时电站主要担任基荷，枯水期担任峰荷或腰荷。

系统里的单机容量不能超过系统总容量的1/3，且对可靠性要求较高。

考虑到机组台数对工程建设费用的影响、机组台数对电厂运行效率的影响、机组台数对电厂运行维护的影响、机组台数对设备制造，运输及安装的影响、机组台数对对电力系统的影响和机组台数对电厂主接线的影响综合考虑并参照国内相似水电站取机组台数为5台或4台。

2.2.3初选方案的拟定
由水轮机型号方案和水轮机装机台数方案形成2*2个初选方案。

其基本参数见表2-2所示：
表2-2 方案的确定以及基本参数
2.3 各初选方案原型水轮机参数的计算
2.3.1 方案一各技术参数的计算
(1)转轮直径1D 的计算
水轮机额定出力：51020498
.0105003=⨯==g r P
P η（kw ）
式中，式中，
g
η——为发电机的效率，通常中小型取0.93～0.95，大中型取0.95～
0.98,因为本电站单机容量比较大，取98.0g =η。

查《水轮机》P324HL180/D06A 模型转轮综合特性曲线取最优单位转速
m in /r 5.68n 110=与出力限制线的交点的单位流量作为设计工况单位流量，则s m Q r /835.0311=，对应的模型效率88.0=m η，暂取效率修正值%2=∆η，则设计工况
原型水轮机效率9.002.088.0=+=∆+=ηηηm 。

查《水轮机》第105页式（6—13）可得水轮机转轮直径为：
)(71.89
.094835.081.9510204
81.95
.15
.1r 11r
1m H Q P D r =⨯⨯⨯=
=
η
(2) 效率η的计算
954.071
.84
.0)915.01(1)1(155
11max =⋅--=--=D D m mo r ηη
（最大模型效率
915
.00m =η查《水轮机》第324页附图8。

转轮直径4.0m 1=D 查《水
轮机》第313页附表1）
效率修正值： 039.0915.0954.00max =-=-=∆m r ηηη 限制工况原型水轮机的效率为：
919.0039.088.0r =+=∆+=ηηηm
1D 的校核计算：用934.0r =η对原先计算的1D 进行校核
)(62.8919
.094835.081.9510204
81.95.15
.1r 11r
1m H Q P D r
r =⨯⨯⨯=
=
η
按我国规定的准轮直径标准系列（《水轮机》P165）,计算值处于标准值8.5～9.5m
之间，考虑到%3%4.15.85.8-62.8<=， %3%2.40
.962
.8-0.9>= 。

所以选择水轮机直径
1D =8.5m 。

(3) 转速n 的计算
由模型综合特性曲线上查得m in /5.68110r n =
min
/5.765.890
5.681
110r D H n n av
=⨯=
=
查《水轮机》第166页表6—6可知：转速计算值介于75～79r/min 间，故取水轮机
的转速为：取水轮机的转速为：75min /r ，则磁极对数为：40。

(4)水轮机设计流量Q r 的计算 设计工况点的单位流量r 11Q 为：
s m H D P Q r r r /859.0919.0945.881.951020481.93
5
.125,12111=⨯⨯⨯=⋅⋅=
η
则)/(72.601945.8859.0322111s m H D Q Q r r r =⨯⨯=⋅⋅= (5)几何吸出高度s H 的计算 为使水轮机尽可能不发生空化，取
max
H 、r H min H 三个水头分别计算水轮机的允许
吸出高度，以其中的最小值作为最大允许吸出高度，为此进行如下计算。

①、计算min H 、r H 、max H
所对应的单位转速11n
max H ：min /75.63100
5.875max 1min 11r H D n n =⨯=
⋅=
r H ：min /75.65945.875111r H D n n r
r =⨯=
⋅=
min H ：min /27.7180
5.875min
1max 11r H D n n =⨯=
⋅=
②、确定个水头所对应的出力限制工况点的单位流量11Q
min H ：取ax m 11n 与出力限制线交点处单位流量，查《水轮机》第324页附图8，max 11Q =0.833s /m 3
r H ：r 11Q =0、836s m /3 max H ：s m H D P Q r /7983.0100
5.8919.081.9510204
81.935
.125.1max 21r min 11=⨯⨯⨯==
η ③、用①、②中计算的对应的工况点从模型综合特性曲线上分别查出min H 、r H 、
max H 所对应的模型空化系数，分别为0.054、0.054、0.047。

④、分别用查到的空化系数计算min H 、r H 、max H 对应的吸出高度。

查《水轮机》62P 知：H E H m s )(900/10σσ∆+--=
查《水轮机》61P 空化系数修正值曲线得水轮机水头为80～100时，02.0=∆σ
max H ： m 19.380)02.0054.0(900/80010=⨯+--=s H r H ：m 25.294)02.0053.0(900/80010=⨯+--=s H
min H ：m 4.2100)02.0047.0(900/80010=⨯+--=s H
从三个吸出高度计算值中取最小值2.25m ，再留一定的余量，取最大允许吸出高度
m H s 2=。

(6)飞逸转速R n 的计算
查《水轮机》313P
可知HL180/D06A 的单位飞逸转速为m in /6.128n 11r R =故水轮机的飞逸转速为：
min /3.1515.8100
6.1281
max 11r D H n n R
R =⨯
==
(7)转轮轴向水推力t F 的计算
水轮机轴向的水推力系数=t K 0.20～0.26。

本电站转轮直径较大，故=t K 0.23。

则水轮机转轮轴向水推力为：
=t K 9.81)(25,128033781005.84
1023.081.94
1023max 213N H D K t =⨯⨯⨯
⨯⨯=⋅⋅
⋅π
π
(8) 检验水轮机的工作范围，并绘制其工作范围图 设计工况的单位流量r Q 11=0.859m 3/s 最大、最小及设计水头所对应的单位转速：
min
/75.631005.875max 1min 11r H D n n =⨯=
⋅=
min
/27.7180
5.875min
1max 11r H D n n =⨯=⋅=
平均水头下的单位转速：
min /2.6790
5.875111r H D n n av
av =⨯=
⋅=
2.3.2 方案二各技术参数的计算
(1)转轮直径1D 的计算 水轮机额定出力：)(63775598
.0625
kw P
P g
r ==
=
η 式中，式中，g η——为发电机的效率，通常中小型取0.93～0.95，大中型取0.95～0.98,因为本电站单机容量比较大，取98.0g =η。

查《水轮机》P324HL180/D06A 模型转轮综合特性曲线取最优单位转速m in
/r 5.68n 110
=与出力限制线的交点的单位流量作为设计工况单位流量，则
s m Q r /835.0311=，对应的模型效率88.0=m η，暂取效率修正值%2=∆η，则设计工况
原型水轮机效率9.002.088.0=+=∆+=ηηηm 。

查《水轮机》第105页式（6—13）可得水轮机转轮直径为：
)(74.99
.094835.081.9637755
81.95
.15
.1r 11r
1m H Q P D r =⨯⨯⨯=
=
η
(2) 效率η的计算
956.074
.94
.0)915.01(1)1(155
11max =⋅--=--=D D m mo r ηη
（最大模型效率
915.00m =η查
《水轮机》第324页附图8。

转轮直径4.0m 1=D 查《水
轮机》第313页附表1）
效率修正值： 041.0915.0956.00max =-=-=∆m r ηηη 限制工况原型水轮机的效率为：
921.0041.088.0r =+=∆+=ηηηm
1D 的校核计算：用934.0r =η对原先计算的1D 进行校核
)(63.9921
.094835.081.9637755
81.95.15
.1r 11r
1m H Q P D r
r =⨯⨯⨯=
=
η
按我国规定的准轮直径标准系列（《水轮机》P 165）,计算值处于标准值9.5～10m 之
间，考虑到
%3%4.15.95.9-63.9<=， %3%7.310
63
.9-10>= 。

所以选择水轮机直径1D =9.5m 。

(3) 转速n 的计算
由模型综合特性曲线上查得m in /5.68110r n =
min /4.685
.990
5.681
110r D H n n av
=⨯=
=
查《水轮机》第166页表6—6可知：转速计算值介于68.2～71.4r/min ，故取水轮机的转速为：68.2min /r ，则磁极对数为：44。

(4)水轮机设计流量Q r 的计算 设计工况点的单位流量r 11Q 为：
s m H D P Q r r r /858.0921
.0945.81.963775581.93
5
.125,12111=⨯⨯⨯=⋅⋅=
η
则)/(76.750945.9858.0322111s m H D Q Q r r r =⨯⨯=⋅⋅= (5)几何吸出高度s H 的计算
为使水轮机尽可能不发生空化，取max H 、r H min H 三个水头分别计算水轮机的允许吸出高度，以其中的最小值作为最大允许吸出高度，为此进行如下计算。

①、计算min H 、r H 、max H 所对应的单位转速11n
max H ：min /79.64100
5.92.68max 1min 11r H D n n =⨯=
⋅=
r H ：min /83.66945
.92.68111r H D n n r
r =⨯=
⋅=
min H ：min /44.7280
5
.92.68min
1max 11r H D n n =⨯=
⋅=
②、确定个水头所对应的出力限制工况点的单位流量11Q
min H ：取ax m 11n 与出力限制线交点处单位流量，查《水轮机》第324页附图8，max 11Q =0.830s /m 3
r H ：r 11Q =0、835s m /3 max H ：s m H D P Q r /782.0100
5.9921.081.9637755
81.935
.125.1max 21r min 11=⨯⨯⨯==
η ③、用①、②中计算的对应的工况点从模型综合特性曲线上分别查出min H 、r H 、
max H 所对应的模型空化系数，分别为0.056、0.053、0.048。

④、分别用查到的空化系数计算min H 、r H 、max H 对应的吸出高度。

查《水轮机》62P 知：H E H m s )(900/10σσ∆+--=
查《水轮机》61P 空化系数修正值曲线得水轮机水头为80～100时，02.0=∆σ
max H ： m 03.380)02.0056.0(900/80010=⨯+--=s H
r H ：m 25.294)02.0053.0(900/80010=⨯+--=s H
min H ：m 31.2100)02.0048.0(900/80010=⨯+--=s H
从三个吸出高度计算值中取最小值2.25m ，再留一定的余量，取最大允许吸出高度
m H s 2=。

(6)飞逸转速R n 的计算
查《水轮机》313P 可知HL180/D06A 的单位飞逸转速为m in /6.128n 11r R =故水轮机的飞逸转速为：
min /4.1355
.9100
6.1281
max 11r D H n n R
R =⨯
== (7)转轮轴向水推力t F 的计算
水轮机轴向的水推力系数=t K 0.20～0.26。

本电站转轮直径较大，故=t K 0.23。

则水轮机转轮轴向水推力为：
=t K 9.81)(159931471005.94
1023.081.94
1023max 213N H D K t =⨯⨯⨯
⨯⨯=⋅⋅
⋅π
π
(8)检验水轮机的工作范围，并绘制其工作范围图 设计工况的单位流量r Q 11=0.858m 3/s 最大、最小及设计水头所对应的单位转速：
min /79.641005.92.68max 1min 11r H D n n =⨯=
⋅=
min /44.7280
5
.92.68min
1max 11r H D n n =⨯=⋅=
平均水头下的单位转速：
min /3.6890
5
.92.68111r H D n n av
av =⨯=
⋅=
2.3.3 方案三各技术参数的计算
(1)转轮直径1D 的计算
水轮机额定出力：51020498
.0105003
=⨯==g r P
P η（kw ）
式中，式中，g η——为发电机的效率，通常中小型取0.93～0.95，大中型取0.95～0.98,因为本电站单机容量比较大，取98.0g =η。

查《水轮机》P323HL180/A194模型转轮综合特性曲线取最优单位转速
m in
/r 5.70n 110
=与出力限制线的交点的单位流量作为设计工况单位流量，则
s m Q r /743.0311=，对应的模型效率9.0=m η，暂取效率修正值%2=∆η，则设计工况原
型水轮机效率92.002.09.0=+=∆+=ηηηm 。

查《水轮机》第105页式（6—13）可得水轮机转轮直径为：
)(12.992
.094743.081.9510204
81.95.15
.1r 11r
1m H Q P D r =⨯⨯⨯=
=
η
(2)效率η的计算
953.012
.935
.0)91.01(1)1(155
11max =⋅--=--=D D m mo r ηη （最大模型效率91.00m =η查《水轮机》第323页附图7。

转轮直径35.0m 1=D 查《水
轮机》第313页附表1）
效率修正值： 043.091.0953.00max =-=-=∆m r ηηη 限制工况原型水轮机的效率为：
943.0043.09.0r =+=∆+=ηηηm
1D 的校核计算：用934.0r =η对原先计算的1D 进行校核
)(02.9943
.094743.081.9510204
81.95
.15
.1r 11r
1m H Q P D r
r =⨯⨯⨯=
=
η 按我国规定的准轮直径标准系列（《水轮机》P 165）,计算值处于标准值9～9.5m 之间，由于特别接近9m ，故取1D =9m 。

(3)转速n 的计算
由模型综合特性曲线上查得m in /5.70110r n =
min /3.749
90
5.701
110r D H n n av
=⨯=
=
查《水轮机》第166页表6—6可知：转速计算值介于71.4～75r/min 间，故取水轮机的转速为：取水轮机的转速为：75min /r ，则磁极对数为：40。

(4)水轮机设计流量Q r 的计算 设计工况点的单位流量r 11Q 为：
s m H D P Q r r r /747.0943
.094981.9510204
81.935
.125,12111=⨯⨯⨯=⋅⋅=
η
则)/(64.586949747.0322111s m H D Q Q r r r =⨯⨯=⋅⋅= (5)几何吸出高度s H 的计算
为使水轮机尽可能不发生空化，取max H 、r H min H 三个水头分别计算水轮机的允许吸出高度，以其中的最小值作为最大允许吸出高度，为此进行如下计算。

①、计算min H 、r H 、max H 所对应的单位转速11n
max H ：min /5.67100
975max 1min 11r H D n n =⨯=
⋅=
r H ：min /6.6994975111r H D n n r
r =⨯=
⋅=
min H ：min /5.7580
975min
1max 11r H D n n =⨯=
⋅=
②、确定个水头所对应的出力限制工况点的单位流量11Q
min H ：取ax m 11n 与出力限制线交点处单位流量，查《水轮机》第323页附图7，max 11Q =0.743s /m 3
r H ：r 11Q =0、743s m /3 max H ：s m H D P Q r /681.0100
9943.081.951020481.93
5
.125.1max 21r min 11=⨯⨯⨯==
η ③、用①、②中计算的对应的工况点从模型综合特性曲线上分别查出min H 、r H 、
max H 所对应的模型空化系数，分别为0.069、0.072、0.064。

④、分别用查到的空化系数计算min H 、r H 、max H 对应的吸出高度。

查《水轮机》62P 知：H E H m s )(900/10σσ∆+--=
查《水轮机》61P 空化系数修正值曲线得水轮机水头为80～100时，02.0=∆σ
max H ： m 99.180)02.0069.0(900/80010=⨯+--=s H r H ：m 46.094)02.0072.0(900/80010=⨯+--=s H
min H ：m 71.0100)02.0064.0(900/80010=⨯+--=s H
从三个吸出高度计算值中取最小值0.46m ，再留一定的余量，取最大允许吸出高度m
H s 0=。

(6)飞逸转速R n 的计算
查《水轮机》313P 可知HL180/A194的单位飞逸转速为m in /8.127n 11r R =故水轮机的飞逸转速为：
min /1429
100
8.1271
max 11r D H n n R
R =⨯
== (7)转轮轴向水推力t F 的计算
水轮机轴向的水推力系数=t K 0.20～0.26。

本电站转轮直径较大，故=t K 0.23。

则水轮机转轮轴向水推力为：
=t K 9.81)(1435396010094
1023.081.94
1023max 213N H D K t =⨯⨯⨯
⨯⨯=⋅⋅
⋅π
π
(8) 检验水轮机的工作范围，并绘制其工作范围 设计工况的单位流量r Q 11=0.747m 3/s 最大、最小及设计水头所对应的单位转速：
min /5.67100975max 1min 11r H D n n =⨯=
⋅=
min /5.7580
975min
1max 11r H D n n =⨯=⋅=
平均水头下的单位转速：
min /2.7190
975111r H D n n av
av =⨯=
⋅=
2.3.4 方案四各技术参数的计算
(1)转轮直径1D 的计算 水轮机额定出力： )(63775598
.0625
kw P
P g
r ==
=
η 式中，式中，g η——为发电机的效率，通常中小型取0.93～0.95，大中型取0.95～0.98,因为本电站单机容量比较大，取98.0g =η。

查《水轮机》P323HL180/A194模型转轮综合特性曲线取最优单位转速
m in /r 5.70n 110=与出力限制线的交点的单位流量作为设计工况单位流量，则s m Q r /743.0311=，对应的模型效率9.0=m η，暂取效率修正值%2=∆η，则设计工况原
型水轮机效率92.002.09.0=+=∆+=ηηηm 。

查《水轮机》第105页式（6—13）可得水轮机转轮直径为：
)
(2.1092
.094743.081.9637755
81.95.15
.1r 11r
1m H Q P D r =⨯⨯⨯=
=
η
故转轮直径为标称直径10.2 (2)效率η的计算
954.02
.1035
.0)91.01(1)1(155
11max =⋅--=--=D D m mo r ηη
（最大模型效率91.00m =η查《水轮机》第323页附图7。

转轮直径35.0m 1=D 查《水
轮机》第313页附表1）
效率修正值： 044.091.0954.00max =-=-=∆m r ηηη
限制工况原型水轮机的效率为：
944.0044.09.0r =+=∆+=ηηηm
1D 的校核计算：用944.0r =η对原先计算的1D 进行校核
)(08.10944
.094743.081.9637755
81.95
.15
.1r 11r
1m H Q P D r
r =⨯⨯⨯=
=
η
计算值处于标准值10m ～10.2m 之间，转轮直径仍以为10,2为宜。

(3) 转速n 的计算
由模型综合特性曲线上查得m in /5.70110r n =
min /6.652
.1090
5.701
110r D H n n av
=⨯=
=
查《水轮机》第166页表6—6可知：转速计算值介于65.2～68.2/min 间，故取水轮机的转速为：取水轮机的转速为：65.2min /r ，则磁极对数为：46。

(4)水轮机设计流量Q r 的计算 设计工况点的单位流量r 11Q 为：
s m H D P Q r r r /726.0944
.0942.1081.9637755
81.935
.125,12111=⨯⨯⨯=⋅⋅=
η
则)/(32.732942.10726.0322111s m H D Q Q r r r =⨯⨯=⋅⋅= (5)几何吸出高度s H 的计算
为使水轮机尽可能不发生空化，取max H 、r H min H 三个水头分别计算水轮机的允许吸出高度，以其中的最小值作为最大允许吸出高度，为此进行如下计算。

①、计算min H 、r H 、max H 所对应的单位转速11n
max H ：min /5.66100
2
.102.65max 1min 11r H D n n =⨯=
⋅=
r H ：min /6.68942
.102.65111r H D n n r
r =⨯=
⋅=
min H ：min /4.7480
2
.102.65min
1max 11r H D n n =⨯=
⋅=
②、确定个水头所对应的出力限制工况点的单位流量11Q
min H ：取ax m 11n 与出力限制线交点处单位流量，查《水轮机》第323页附图7，max 11Q =0.743s /m 3
r H ：r 11Q =0、743s m /3
max H ：s m H D P Q r /662.0100
2.10944.081.963775581.93
5
.125.1max 21r min 11=⨯⨯⨯==
η ③、用①、②中计算的对应的工况点从模型综合特性曲线上分别查出min H 、r H 、
max H 所对应的模型空化系数，分别为0.069、0.072、0.065。

④分别用查到的空化系数计算min H 、r H 、max H 对应的吸出高度。

查《水轮机》62P 知：H E H m s )(900/10σσ∆+--=
查《水轮机》61P 空化系数修正值曲线得水轮机水头为80～100时，02.0=∆σ
max H ： m 99.180)02.0069.0(900/80010=⨯+--=s H r H ：m 46.094)02.0072.0(900/80010=⨯+--=s H
min H ：m 61.0100)02.0065.0(900/80010=⨯+--=s H
从三个吸出高度计算值中取最小值0.46m ，再留一定的余量，取最大允许吸出高度
m H s 0=。

(6)飞逸转速R n 的计算
查《水轮机》313P 可知HL180/A194的单位飞逸转速为m in /8.127n 11r R =故水轮机的飞逸转速为：
min /3.1252
.10100
8.1271
max 11r D H n n R
R =⨯
== (7)转轮轴向水推力t F 的计算
水轮机轴向的水推力系数=t K 0.20～0.26。

本电站转轮直径较大，故=t K 0.23。

则水轮机转轮轴向水推力为：
=t K 9.81)(10181002.104
1023.081.9410623max 213N H D K t ⨯=⨯⨯⨯
⨯⨯=⋅⋅
⋅π
π
(8)检验水轮机的工作范围，并绘制其工作范围 设计工况的单位流量r Q 11=0.756m 3/s 最大、最小及设计水头所对应的单位转速：
min
/5.661002
.102.65max 1min 11r H D n n =⨯=
⋅=
min /4.7480
2
.102.65min
1max 11r H D n n =⨯=⋅=
平均水头下的单位转速：
min /1.7090
2
.102.65111r H D n n av
av =⨯=
⋅=
2.3.5 各方案技术参数列表
表2-3 各初选方案参数列表
2.4精选方案的确定及其参数的计算
2.4.1 精选方案的确定：
对以上四种初选方案的参数进行比较：（1）在同样出力条件下，方案一和方案二的水轮机轴向水推力较小；（2）经济性指标中，方案一和方案二的的几何吸出高度在满足空化指标的前提下大于方案方案三和方案四，对以上四种初选方案的水轮机工作范围进行比较：方案一和方案二的高效率区较方案三和方案四为狭窄。

综上，考虑各方面的因素，选取方案三和方案四作为精选方案，其参数见下表所示：
表2-4 精选分案参数
2.4.2 精选方案综合特性曲线的绘制
一、方案三水轮机综合运转特性曲线的绘制 绘制等效率曲线的具体步骤为：
（1）在水轮机工作水头范围内(H min ~H max )内，取若干间隔均匀的水头（一般取4~5个），计算各水头所对应的单位转速n 11m , 以各n 11m 值在模型综合特性曲线上作水平线与其等效率线相交得一系列交点，根据交点处的Q 11、M η计算出原型水轮机的效率
η和出力P ，然后，作出各水头的η=f （P ）曲线。

（2）在曲线η=f （P ）上的以某效率（例如η=90%）作为水平线与各η=f （P ）曲线相交找出各点的H 、P 值。