水輪機(jī)原理課程設(shè)計(jì)

1、 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)院 專(zhuān)業(yè) 班課程名稱(chēng) 題 目 任務(wù)起止日期： 年 月 日 年 月 日學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號(hào) 指 導(dǎo) 教 師 年 月 日教研室主任 年 月 日審查院 長(zhǎng) 年 月 日批準(zhǔn)一、課程設(shè)計(jì)的目的和任務(wù) 1、目的：通過(guò)水輪機(jī)的課程設(shè)計(jì)，將各種水輪機(jī)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(jī)課程教學(xué)相輔助的一個(gè)理論學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)，也是課程教學(xué)中一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。通過(guò)水輪機(jī)課本章節(jié)的相關(guān)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)后，再通過(guò)課程設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)以達(dá)到鞏固和加強(qiáng)理論知識(shí)的目的，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、嚴(yán)謹(jǐn)工作的能力；此外，通過(guò)課程設(shè)計(jì)更進(jìn)一步掌握造型、設(shè)計(jì)、參數(shù)等程序內(nèi)容，提高了學(xué)生查閱資料和動(dòng)手實(shí)踐的能力

2、。 2、課程設(shè)計(jì)的任務(wù)： 通過(guò)所給的原始資料，根據(jù)要求明確水輪機(jī)的基本工作參數(shù)（包括水頭h、流量q、轉(zhuǎn)速n、效率、出力p、吸出高度hs、轉(zhuǎn)輪直徑d、水輪機(jī)型號(hào)、機(jī)組臺(tái)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(jī)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(jī)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(guān)系見(jiàn)下表格流量m3/s510152030406080水位m430.8430.95431.06431.15431.35431.50431

3、.75431.95機(jī)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(jī)的簡(jiǎn)介 水輪機(jī)是一種將河流中蘊(yùn)藏的水能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的原動(dòng)機(jī)，當(dāng)水流流過(guò)水輪機(jī)時(shí)，通過(guò)主軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。與發(fā)電機(jī)連接成的整體稱(chēng)為水輪發(fā)電機(jī)組，它是水電站的主要設(shè)備部分。水電站是借助水工建筑物和機(jī)電設(shè)備將水能轉(zhuǎn)換成為電能的企業(yè)，在未來(lái)，水能資源的開(kāi)發(fā)和利用將成為資源開(kāi)發(fā)利用的主導(dǎo)能源，所以，水輪機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)對(duì)我國(guó)水能資源的開(kāi)發(fā)起到很大的推進(jìn)作用。水輪機(jī)大致分為兩大類(lèi)：反擊式水輪機(jī)和沖擊式水輪機(jī)；反擊式水輪機(jī)： 轉(zhuǎn)輪利用水流的壓力能和動(dòng)能做工的水輪

4、機(jī)稱(chēng)為反擊式水輪機(jī)。其特征是：壓力水流充滿(mǎn)水輪機(jī)的整個(gè)流道，水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪葉片時(shí)，受葉片的作用面改變壓力、流速的大小和方向，同時(shí)水流在轉(zhuǎn)輪葉片正反面產(chǎn)生壓力差，對(duì)轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生反作用力，形成旋轉(zhuǎn)力矩使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。主要包括混流式、軸流式、斜流式和貫流式四種類(lèi)型水輪機(jī)。沖擊式水輪機(jī)： 轉(zhuǎn)輪只利用水流動(dòng)能作功的水輪機(jī)稱(chēng)為沖擊式水輪機(jī)。其特征是：有壓水流先經(jīng)過(guò)噴嘴形成高速自由射流，將壓能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，并沖擊轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。水流只沖擊部分轉(zhuǎn)輪，水流是不充滿(mǎn)水輪機(jī)的整個(gè)流道的，轉(zhuǎn)輪只是部分進(jìn)水，轉(zhuǎn)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(jī)主要類(lèi)型歸納如下：水輪機(jī)的設(shè)計(jì)步

5、驟1.1.水輪機(jī)的選型根據(jù)原始資料：hmax=39m，hmin=28m，hw=33m.；電站裝機(jī)容量為7mw。額定水頭hr=0.9hw=31.35m。根據(jù)水頭變化：最小工作水頭28m到最大工作水頭39m。在水輪機(jī)系列型普表中查出合適的機(jī)型有hl240型水輪機(jī)和zz440型水輪機(jī)兩種。根據(jù)裝機(jī)容量擬選兩種型號(hào)的水輪機(jī)1,2臺(tái)機(jī)組。初步法案如:表1-1 初步擬定法案表水輪機(jī)型號(hào)機(jī)組臺(tái)數(shù)單機(jī)容量（kw）hl2401700023500zz44017000235001.2 原型水輪機(jī)各方案主要參數(shù)的選擇一.hl240型水輪機(jī)1臺(tái)機(jī)組(方案一)1.計(jì)算轉(zhuǎn)輪直徑d1水輪機(jī)的額定功率為 上式中：機(jī)組單機(jī)容量，

6、kw 同步發(fā)電機(jī)的效率，一般去95%-97%，此去95%。 查水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線可知，與出力限制線交點(diǎn)的單位流量為設(shè)計(jì)工況點(diǎn)單位流量，=1.24 /s，對(duì)應(yīng)模型水輪機(jī)的效率為98%，暫取3%的修正值，這原型水輪機(jī)的效率為92%。按我國(guó)規(guī)定的轉(zhuǎn)輪直徑系列（水力機(jī)械設(shè)計(jì)及工程設(shè)計(jì)，表1.3）,計(jì)算值處于1.8m-2.0m，并靠近2.0m，取直徑d1=2.0m。2.計(jì)算原型水輪機(jī)的效率 額定工況原型水輪機(jī)的效率為3.計(jì)算轉(zhuǎn)速n根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型普推薦的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速=72r/min，單位轉(zhuǎn)速修正值為單位不需要修正。水輪機(jī)轉(zhuǎn)速為根據(jù)水輪機(jī)設(shè)計(jì)選取同步轉(zhuǎn)速214.3r/min。4.計(jì)算水輪機(jī)的工作范圍

7、5.計(jì)算水輪機(jī)實(shí)際額定流量6.計(jì)算最大允許吸出高度 在額定工況下，模型水輪機(jī)的空化系數(shù)=0.2。查水輪機(jī)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(jù)額定流量求得為水位為431.32m。7.計(jì)算飛逸轉(zhuǎn)速 由hl240模型水輪機(jī)飛逸特性曲線查得，在最大導(dǎo)葉開(kāi)度下單位飛逸轉(zhuǎn)速=160r/min。故水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速為8.計(jì)算軸向水推力 根據(jù)hl240轉(zhuǎn)輪技術(shù)資料提供的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)輪軸向推力系數(shù)k=0.34-0.4，轉(zhuǎn)輪直徑較小，止漏環(huán)間隙較大時(shí)取大值。本電站轉(zhuǎn)輪直徑較小，k去3.2。9、實(shí)際的水輪機(jī)額定水頭因不同的d1、與水能預(yù)算hr有差異同理根據(jù)以上計(jì)算方法和過(guò)程可求得方案二（2 hl

8、240）數(shù)據(jù)。二.zz440型水輪機(jī)1臺(tái)機(jī)組(方案三)1.計(jì)算轉(zhuǎn)輪直徑d1 根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)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(chǔ)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(yīng)于，。時(shí)的模型效率=0.825，設(shè)額定工況原型水輪機(jī)的效率為=0.825+0.02=0.845根據(jù)轉(zhuǎn)輪公稱(chēng)直徑系列，選擇轉(zhuǎn)輪公稱(chēng)直徑=3.3m。2.計(jì)算原型水輪機(jī)的效率水輪機(jī)最高效率水輪機(jī)在額定工況（）是的最高效率3.計(jì)算轉(zhuǎn)速n根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型普推薦的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速=115r/min，單位轉(zhuǎn)速修正值為根據(jù)水輪機(jī)設(shè)計(jì)選取標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速n=375r/min。4.計(jì)算

9、水輪機(jī)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(jì)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(jī)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(jù)由額定流量確定高程為413.32m。則最大允許吸出搞度8.計(jì)算軸向水推力9、實(shí)際的水輪機(jī)額定水頭因不同的d1、與水能預(yù)算hr有差異同理根據(jù)以上計(jì)算方法和過(guò)程可求得方案四（2 zz400）數(shù)據(jù)三.最優(yōu)方案的選定表1-2 四種方案數(shù)據(jù)hl240(17mw)hl240(23.5mw)zz440(17mw)zz440(23.5mw)比轉(zhuǎn)速 (r/min)220220440440額定功率 （kw）7368368

10、473683684模型最優(yōu)單位比轉(zhuǎn)速 (r/min)7272115115模型額定工況單位流量 ()1.241.241.511.51 轉(zhuǎn)輪直徑 (m)21.371.81.25水輪機(jī)效率 0.910.9050.8720.867轉(zhuǎn)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(shí)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(jī)型方案的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑相近。但hl240型水輪機(jī)方案的工作范圍包含了較多的高效率區(qū)域，運(yùn)行效率較高，氣蝕系數(shù)較小

11、，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(kāi)挖工程量；而zz440型水輪機(jī)方案的機(jī)組轉(zhuǎn)速較高，有利于減少發(fā)電機(jī)尺寸，降低發(fā)電機(jī)造價(jià)，但這種機(jī)型的水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)的造價(jià)較高。根據(jù)以上分析，在制造供貨方面沒(méi)有問(wèn)題時(shí)，初步選用hl240型方案為有利。而hl240中1臺(tái)機(jī)組雖然效率比2太機(jī)組略高造價(jià)低，但是兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)更方便，也有利于水電站的運(yùn)行。因此，最終應(yīng)選的最優(yōu)方案為2 hl240。第二章 水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的繪制1、等效率曲線的計(jì)算于繪制由于水電站水頭較小，現(xiàn)取四個(gè)水頭，列表計(jì)算如下：繪制的等效率線詳見(jiàn)設(shè)計(jì)圖紙。表6 hl240型水輪機(jī)等效率曲線計(jì)算表（%）（%）p（mw）（%）（

12、%）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(diǎn)88.011.23789.574.9689.51.23591.063.92（%）（%）p（mw）（%）（%）p（mw）878889909191908988870.8370.8750.9220.9581.001.2071.2371.261.301.32588.5689.5690.5691.5692.5692.5691.5690.5689.5688.562.392.532.702.832.993.613.663.693.763.79