水輪機原理課程設計.doc

課程設計任務書學院 專業(yè) 班課程名稱 題 目 任務起止日期： 年 月 日 年 月 日學 生 姓 名 學 號 指 導 教 師 年 月 日教研室主任 年 月 日審查院 長 年 月 日批準一、課程設計的目的和任務 1、目的：通過水輪機的課程設計，將各種水輪機的性能參數(shù)整理并繪制成不同形式的曲線，它是與水輪機課程教學相輔助的一個理論學習的環(huán)節(jié)，也是課程教學中一個必不可少的環(huán)節(jié)。通過水輪機課本章節(jié)的相關理論知識的學習后，再通過課程設計的環(huán)節(jié)以達到鞏固和加強理論知識的目的，進一步培養(yǎng)學生獨立思考、嚴謹工作的能力；此外，通過課程設計更進一步掌握造型、設計、參數(shù)等程序內容，提高了學生查閱資料和動手實踐的能力。 2、課程設計的任務： 通過所給的原始資料，根據要求明確水輪機的基本工作參數(shù)（包括水頭H、流量Q、轉速n、效率、出力P、吸出高度HS、轉輪直徑D、水輪機型號、機組臺數(shù)、裝置方式等）， 整理并繪制成不同形式的曲線，即獲得水輪機的特性曲線圖。二、 電站基本參數(shù)G水電站具有防洪，灌溉，發(fā)電，養(yǎng)殖等功能。水電站廠房為壩后式，水電站裝機容量為7MW，廠房所在平均地面高程440.0m。水位：正常蓄水位為470.00m.死水位:459.00m。距廠房下游100m處水位流量關系見下表格流量m3/s510152030406080水位m430.8430.95431.06431.15431.35431.50431.75431.95機組供水方式：采用單元供水。三、 水電站水頭范圍:Hmax=39M， Hmin=28M， Hav=33M水輪機的簡介 水輪機是一種將河流中蘊藏的水能轉換成旋轉機械能的原動機，當水流流過水輪機時，通過主軸帶動發(fā)電機，將旋轉機械能轉換成電能。與發(fā)電機連接成的整體稱為水輪發(fā)電機組，它是水電站的主要設備部分。水電站是借助水工建筑物和機電設備將水能轉換成為電能的企業(yè)，在未來，水能資源的開發(fā)和利用將成為資源開發(fā)利用的主導能源，所以，水輪機的設計開發(fā)對我國水能資源的開發(fā)起到很大的推進作用。水輪機大致分為兩大類：反擊式水輪機和沖擊式水輪機；反擊式水輪機： 轉輪利用水流的壓力能和動能做工的水輪機稱為反擊式水輪機。其特征是：壓力水流充滿水輪機的整個流道，水流流經轉輪葉片時，受葉片的作用面改變壓力、流速的大小和方向，同時水流在轉輪葉片正反面產生壓力差，對轉輪產生反作用力，形成旋轉力矩使轉輪旋轉。主要包括混流式、軸流式、斜流式和貫流式四種類型水輪機。沖擊式水輪機： 轉輪只利用水流動能作功的水輪機稱為沖擊式水輪機。其特征是：有壓水流先經過噴嘴形成高速自由射流，將壓能轉換成動能，并沖擊轉輪旋轉。水流只沖擊部分轉輪，水流是不充滿水輪機的整個流道的，轉輪只是部分進水，轉輪在大氣壓的作用下工作。所以葉片一般做成斗葉狀。主要包括水斗式（切擊式）、斜擊式和雙擊式。水輪機主要類型歸納如下：水輪機的設計步驟1.1.水輪機的選型根據原始資料：Hmax=39M，Hmin=28M，Hw=33M.；電站裝機容量為7MW。額定水頭Hr=0.9Hw=31.35M。根據水頭變化：最小工作水頭28m到最大工作水頭39m。在水輪機系列型普表中查出合適的機型有HL240型水輪機和ZZ440型水輪機兩種。根據裝機容量擬選兩種型號的水輪機1,2臺機組。初步法案如:表1-1 初步擬定法案表水輪機型號機組臺數(shù)單機容量（KW）HL2401700023500ZZ44017000235001.2 原型水輪機各方案主要參數(shù)的選擇一.HL240型水輪機1臺機組(方案一)1.計算轉輪直徑D1水輪機的額定功率為 上式中：機組單機容量，kw 同步發(fā)電機的效率，一般去95%-97%，此去95%。 查水輪機的轉輪綜合特性曲線可知，與出力限制線交點的單位流量為設計工況點單位流量，=1.24 /s，對應模型水輪機的效率為98%，暫取3%的修正值，這原型水輪機的效率為92%。按我國規(guī)定的轉輪直徑系列（水力機械設計及工程設計，表1.3）,計算值處于1.8m-2.0m，并靠近2.0m，取直徑D1=2.0m。2.計算原型水輪機的效率 額定工況原型水輪機的效率為3.計算轉速n根據水輪機轉輪型普推薦的最優(yōu)單位轉速=72r/min，單位轉速修正值為單位不需要修正。水輪機轉速為根據水輪機設計選取同步轉速214.3r/min。4.計算水輪機的工作范圍5.計算水輪機實際額定流量6.計算最大允許吸出高度 在額定工況下，模型水輪機的空化系數(shù)=0.2。查水輪機原理圖3-13可得空化系數(shù)修正值=0.04。又從原始資料中根據額定流量求得為水位為431.32m。7.計算飛逸轉速 由HL240模型水輪機飛逸特性曲線查得，在最大導葉開度下單位飛逸轉速=160r/min。故水輪機的飛逸轉速為8.計算軸向水推力 根據HL240轉輪技術資料提供的數(shù)據，轉輪軸向推力系數(shù)K=0.34-0.4，轉輪直徑較小，止漏環(huán)間隙較大時取大值。本電站轉輪直徑較小，K去3.2。9、實際的水輪機額定水頭因不同的D1、與水能預算Hr有差異同理根據以上計算方法和過程可求得方案二（2 HL240）數(shù)據。二.ZZ440型水輪機1臺機組(方案三)1.計算轉輪直徑D1 根據水輪機轉輪型普推薦的最大單位流量=1.65，為使單位流量有一定的余量，取3%的儲備，則額定工況的單位流量=1.650.97=1.6。在模型綜合特性曲線上查得相應于，。時的模型效率=0.825，設額定工況原型水輪機的效率為=0.825+0.02=0.845根據轉輪公稱直徑系列，選擇轉輪公稱直徑=3.3m。2.計算原型水輪機的效率水輪機最高效率水輪機在額定工況（）是的最高效率3.計算轉速n根據水輪機轉輪型普推薦的最優(yōu)單位轉速=115r/min，單位轉速修正值為根據水輪機設計選取標準同步轉速n=375r/min。4.計算水輪機的工作范圍5.額定工況下的流量單位流量額定下的單位流量6.計算最大允許吸出高度 在模型綜合特性曲線上，查得模型水輪機額定工況的的空化系數(shù)=0.44.，又由額定水頭查得=0.04。又從給定數(shù)據由額定流量確定高程為413.32m。則最大允許吸出搞度8.計算軸向水推力9、實際的水輪機額定水頭因不同的D1、與水能預算Hr有差異同理根據以上計算方法和過程可求得方案四（2 ZZ400）數(shù)據三.最優(yōu)方案的選定表1-2 四種方案數(shù)據HL240(17MW)HL240(23.5MW)ZZ440(17MW)ZZ440(23.5MW)比轉速 (r/min)220220440440額定功率 （kw）7368368473683684模型最優(yōu)單位比轉速 (r/min)7272115115模型額定工況單位流量 ()1.241.241.511.51 轉輪直徑 (m)21.371.81.25水輪機效率 0.910.9050.8720.867轉速 n (r/min)107300375500額定流量 ()27.713.327.3913.2吸出高度 (m)1.996 1.96 -5.53-5.52實際額定水頭 (m)31.6231.6831.432.3軸向水推力 (N)3.80.9616.141.83兩種機型方案的水輪機轉輪直徑相近。但HL240型水輪機方案的工作范圍包含了較多的高效率區(qū)域，運行效率較高，氣蝕系數(shù)較小，安裝高程較高，有利于提高年發(fā)電量和減小電站廠房的開挖工程量；而ZZ440型水輪機方案的機組轉速較高，有利于減少發(fā)電機尺寸，降低發(fā)電機造價，但這種機型的水輪機及其調節(jié)系統(tǒng)的造價較高。根據以上分析，在制造供貨方面沒有問題時，初步選用HL240型方案為有利。而HL240中1臺機組雖然效率比2太機組略高造價低，但是兩臺機組運行時更方便，也有利于水電站的運行。因此，最終應選的最優(yōu)方案為2 HL240。第二章 水輪機運轉特性曲線的繪制1、等效率曲線的計算于繪制由于水電站水頭較小，現(xiàn)取四個水頭，列表計算如下：繪制的等效率線詳見設計圖紙。表6 HL240型水輪機等效率曲線計算表（%）（%）P（mw）（%）（%）P（mw）878889909191908988870.850.880.920.9450.971.1251.1581.1921.2371.27288.5689.5690.5691.5692.5692.5691.5690.5689.5688.563.373.533.733.884.024.664.754.844.965.04878889909191908988870.8270.870.910.940.9781.1881.2231.251.2831.3287.5689.5690.5691.5692.5692.5691.5690.5689.5688.562.532.722.883.003.163.833.913.954.014.085%出力限制線上的點88.011.23789.574.9689.51.23591.063.92（%）（%）P（mw）（%）（%）P（mw）878889909191908988870.8370.8750.9220.9581.001.2071.2371.261.301.32588.5689.5690.5691.5692.5692.5691.5690.5689.5688.562.392.532.702.832.993.613.663.693.763.79878889