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：电气工程
完成日期：2011.3
指导教师（签字）：
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：
η
23
1181.9r r
H 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：
g
g
r 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：
s
m 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
Hd
m H d 5.63H r ==
<5>转轮直径11D
m D 84.490
.0.5
6346.181.910612.01535
.13
11=⨯⨯⨯⨯=
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 ）
100
120 140 160 180 200 225 250 275 300 330 380 410 450 500 550
600
650
700
2、水轮机额定转速的确定
D
H n n w
0,11=
(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 ）
187.5 166.7 150 136.4 125 107 100 93.8 83.3 75 68.2
57.7
53
50
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
max ，真机与模型
因直径及水头不同的效率修正值
1为
1＝
max － 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
2和因加工质量引起的效率修正值
3。

因此，真机的效率为
＝
m ＋
1＋
2＋
3
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)5
35.0(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 d
4、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 m
n n n n ,11,,,1111111⋅⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛-=-=∆ηη m o m o p m
Q 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 ∆=0.0102
m 3/s 。

由于
03.000945.0,1111
<=∆o
n n ，
03.000944.0,1111
<=∆o
Q 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 /（7464.797464.0793
11
,11,1111,11,11s m Q Q Q r n n n m P m P
5、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 35.123
5.12d
11,353.19116
.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
.455125min
max ,11r H nD n =⨯=
=
<3>平均水头对应的单位转速：
min 208.828
.575125r H nD n w
w =⨯==
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 )(900
10H 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/9.81D
2
η5.1m ax
H
=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 55.2715
5
.81.4150n max
,11R r D
H 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：
)(10.5765.8154
36.04
F 22h t H D K
ma =⨯⨯⨯
==π
π
9.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。

则
）t （9.6496.5815.18)(
H KD W 6.102.12b max a =⨯⨯==t 10.机组安装高度的确定 混流式水轮机的安装高程：
20b H S w +
+∇=∇
由混流式水轮机系列型谱知HL260导叶的相对高度为0.28 又知D 1=5 m b 0=0.28*5=1.4
则水轮机的安装高程为
H= 80+(-2.8)+1.4/2 =77.9 (m)
根据上面的计算，所选择的水轮机的主要参数为： 水轮机型号：HL260/D74—LJ —500 转轮直径：D=5.0m 机组转速：n=125r/min 飞逸转速：min 55.271n R r = 允许吸出高度：Hs=-2.8m 轴向水推力：t 10.576F h = 水轮机质量：t 9.6496W = 水轮机安装高程：H=77.9m
五、水轮机运转特性曲线的绘制
水轮机在水电站运行中，转速n 是固定的额定转速，功率P 和水头变化时，流量、效率系数、空化系数随之变化，在转速不变的情况下，水轮机的各主要参数之间的关系可概括的表达在水轮机的运转特性曲线上。

1） 工作特性曲线
的绘制
在一定的水头H 下，效率和功率P 之间的关系
曲线，
称为工作特性曲线。

在给定的真机工作水头范围内（包括min H 、
d H 、max H 在内）选取若干个（一般为5~6个）水头值，对每一个水头可由式得到该水头下的P ＝f （11Q ）曲线。

真机的每一个水头对应着一个单位转速11n ，其对应的模型单位转速为1111m 11,n n n ∆-=。

在模型的综合特性曲线上对应于该单位转速的水平线上查出一系列m η及m 11,Q 的值，经过修正得到真机效率和单位流量11Q 。

修正的方法如前所述。

由于计算的数据很多，可以列表进行。

)
(9.81P 5.1211p KW H D Q η=
HL 水轮机工作特性曲线计算表（1）
转轮型号： HL260/D74—LJ--500 ；D 1= 5.0 m ； n= 125 r/min ；
Δη=0.0176；H min = 45.5 m ；H max = 81.5 m ；H d = 63.5 m ；Δn 11= 0.7464 r/min ；
)(9.81P 5.1211p KW H D Q η=
H i /m
H 1
H 2
H 3
-
45.50 51.00 57.80
92.656
87.518
82.208
91.910
86.771
81.462
工作特性曲线计算
ηm
ηp
Q 11 /m 3/s P /kw
Q 11 /m 3/s
P /kw
Q 11 /m 3/s
P /kw
0.820 0.8376 0.892 56218 0.776 58058 0.699 63098 0.840 0.8576 0.970 62647 0.847 64883 0.772 71351 0.850 0.8676 1.022 66733 0.891 69050 0.816 76298 0.860 0.8776 1.046 69108 0.939 73608 0.853 80676 0.870 0.8876 1.096 73248 0.976 77380 0.871 83317 0.880 0.8976 1.123 75875 1.023 82021 0.924 89383 0.890 0.9076 1.158 79131 1.068 86582 0.976 95465 0.900 0.9176 1.215 83932 1.093 89586 0.994 98297 0.910 0.9276 - - 1.136 94125 1.043 104267 0.920 0.9376 - - - - 1.072 108321 0.920 0.9376 - - - - 1.153 116506 0.910 0.9276 - - 1.211 100339 1.208 120761 0.900 0.9176 1.220 84263 1.248 102290 1.237 122327 0.890 0.9076 1.259 86009 1.273 103202 1.274 124613 0.880 0.8976 1.286 86886 1.291 103508 1.294 125175 0.870 0.8876 1.312 87655 1.320 104654 1.323 126555 0.860 0.8776 1.330 87857 1.336 104729 1.334 126169 0.850 0.8676 1.342 87639 1.364 105706 1.347 125947 0.840 0.8576 1.372 88566 1.386 106173 1.364 126067 0.820
0.8376
1.427 89968 1.414 105791 1.397 126105
HL 水轮机工作特性曲线计算表（2）
转轮型号： HL260/D74—LJ--500 ；D 1= 5.0 m ； n= 125 r/min ；
Δη=0.0176；H min = 45.5 m ；H max = 81.5 m ；H d = 63.5 m ；Δn 11= 0.7464 r/min ；
)(9.81P 5.1211p KW H D Q η=
H i /m
H 4
H 5
H 6
-
63.50 73.00 81.50
78.432
73.151
69.231
77.686
72.404
68.485
工作特性曲线计算
ηm
ηp
Q 11 /m 3/s P /kw
Q 11
/m 3/s
P /kw
Q 11 /m 3/s
P /kw
0.820 0.8376 0.675 70163 0.664 85074 0.666 100660 0.840 0.8576 0.729 77586 0.728 95501 0.723 111884 0.850 0.8676 0.762 82043 0.748 99269 0.764 119607 0.860 0.8776 0.802 87346 0.772 103635 0.776 122886 0.870 0.8876 0.852 93848 0.808 109704 0.810 129732 0.880 0.8976 0.877 97690 0.845 116020 0.847 137187 0.890 0.9076 0.925 104185 0.883 122588 0.900 147395 0.900 0.9176 0.953 108522 0.933 130957 0.933 154483 0.910 0.9276 0.991 114079 0.971 137776 1.025 171566 0.920 0.9376 1.024 119148 1.011 144998 - - 0.920 0.9376 1.128 131249 1.041 149301 - - 0.910 0.9276 1.166 134224 1.127 159911 1.028 172068 0.900 0.9176 1.218 138698 1.170 164222 1.110 183790 0.890 0.9076 1.251 140903 1.216 168819 1.177 192760 0.880 0.8976 1.282 142804 1.253 172039 1.206 195333 0.870 0.8876 1.305 143747 1.283 174196 1.236 197962 0.860 0.8776 1.336 145503 1.312 176126 1.272 201432 0.850 0.8676 1.355 145891 1.339 177702 1.318 206339 0.840 0.8576 1.377 146551 1.358 178147 1.325 205044 0.820
0.8376
1.423 147915 1.390 178092 1.390 210086
图1
2） 等效率线的绘制
将前述各水头H 下的工作特性曲线)(P f =η中的效率相等的点（H,P ）绘在H-P 坐标系中，并以光滑曲线相连即得等效率曲线const =η，各线的效率值间隔一般为1%。

这样就得到水轮机运转特性曲线中的等效率曲线族，如图2。

每一条等效曲线const =η的上、下方的转向点表示能得到该效率值的最高和最低水头，等效率曲线在该点与相应的水头线相切，为了求得该点，可作辅助
)(max H f =η如图3所示。

该曲线表示各水头下能得到的最高效率值，按指定的效
率从曲线查得相应的两个水头值，并在H-P 坐标系中作出相应的水平线，则所指定效率值的const =η曲线的上、下方应与分别该两水平线相切，这样即可近似的定出等效率曲线的转向点。

图2 )(max H f =η辅助曲线
3） 功率限制线的绘制
混流式水轮机的功率限制线在运转特性曲线图的最小水头Hmin 至额定水头Hr 范围内，根据转轮综合特性曲线的5%功率限制线上的参数换算定出，。

在等效率特性曲线图上应表示为一条斜的阴影线。

一般为简便起见，将Hmin 及Hr 所对应的P 值所决定的两点连成斜直线即可。

在额定水头Hr 至最大水头Hmax 范围内，则受发电机功率的限制，功率限制线如下图中的竖直阴影线表示，在功率限制线的左边是水轮机的允许工作。

图3 各水头下的Q-P 辅助曲线 4） 等吸出高度线的绘制
根据各水头得到对应的n11，m ，从综合特性曲线上查出σ值，计算出各对应点的Hs 值，即可做出各水头的Hs=f （P ）曲线，然后据此曲线绘制运转特性曲线的等吸出高度线，具体计算列表进行如下表。

图4 各水头下 )(f P 11Q =曲线
图5 各水头下的)P (f H s =曲线 等吸出高线计算表（1）
i123
- 45.50 51.00 57.80
92.656 87.518 82.208
91.910 86.771 81.462
σ
∆0.028 0.024 0.022
工作特性曲线计算σQ
11
/m3/
s
P
/MW
Hs/m
Q11
/m3/
s
P
/M
W
Hs/m
Q11
/m3/
s
P
/MW
Hs/m 0.180.800 45.5 0.447 0.730 50.0 -0.493 - - -1.764 0.170.840 50.0 0.902 0.768 56.5 0.017 - - -1.186 0.160.880 56.5 1.357 0.805 60.0 0.527 - - -0.608 0.150.937 60.5 1.812 0.846 65.5 1.037 - - -0.030 0.140.990 64.7 2.267 0.894 76.0 1.547 0.806 75.6 0.548 0.13 - - 2.722 0.997 80.0 2.057 0.890 87.0 1.126 0.13 - - 2.722 1.100 92.0 2.057 1.158 117.3 1.126 0.14 1.080 67.0 2.267 1.207 98.7 1.547 1.225 120.3 0.548 0.15 1.190 75.5 1.812 1.268
100.
7
1.037 1.282 125.7 -0.030 0.16 1.268 80.7 1.357 1.320
110.
2
0.527 1.330 128.2 -0.608 0.17 1.315 85.5 0.902 1.343
114.
2
0.017 1.350 129.0 -1.186 0.18 1.349 88.5 0.447 1.370
117.
4
-0.493 1.368 130.3 -1.764 等吸出高线计算表（2）
i123 - 63.50 73.00 81.50
78.432 73.151 69.231
77.686 72.404 68.485
σ
∆0.020 0.019 0.018
工作特性曲线计算σQ
11
/m3/
s
P
/MW
Hs/m
Q11
/m3/
s
P
/M
W
Hs/m
Q11
/m3/
s
P
/MW
Hs/m 0.18 - - -1.764 - - -2.789 - - -4.616 0.17 - - -1.186 - - -2.154 - - -3.886 0.16 - - -0.608 - - -1.519 - - -3.156 0.15 - - -0.030 - - -0.884 - - -2.426 0.140.806 75.6 0.548 - - -0.249 - - -1.696 0.130.890 87.0 1.126 - - 0.386 - - -0.966 0.13 1.158 117.3 1.126 1.142
130.
4
0.386 - - -0.966 0.14 1.225 120.3 0.548 1.218
137.
3
-0.249 - - -1.696 0.15 1.282 125.7 -0.030 1.275
142.
6
-0.884 1.115 160.0 -2.426 0.16 1.330 128.2 -0.608 1.320
146.
2
-1.519 1.208 172.3 -3.156 0.17 1.350 129.0 -1.186 1.342
148.
5
-2.154 1.288 175.0 -3.886 0.18 1.368 130.3 -1.764 1.360
150.
-2.789 1.320 179.4 -4.616
六、校核
真机最优效率为模型最优效率经修正得来，则
ηr,o =ηm,o +Δη=0.927+0.0176=0.9446
根据水轮机运转特性曲线，当水轮机额定出力P r = 153.06 MW 时，运行点偏离最优效率，但仍在高效工作区范围内：
额定水头： H r =68.25m 额定效率： ηr =92.76%
额定流量： Q r =291.12 m^3/s （Q 11,r =1.193 m^3/s ） 额定单位转速： min 5.675n ,11r r
课程设计新得：
通过水轮机的课程设计，不但提高了个人的独立思考能力和自己的动手操作能力，对以后走上工作岗位有极大的帮助。

在此次课程设计过程中，我深切地感受到理解课本上的设计原理，熟练使用相关软件的重要性，两者缺一不可，当然没有足够的耐性也是不行的，做课程设计是一个不断失败，不断提高的过程，在做课程设计的过程中常常需要不断反攻，在一定程度上提高了心理素质。