水輪機課程設(shè)計

1、第一章 原始資料與設(shè)計任務(wù)1.1畢業(yè)設(shè)計(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))1.1.1工程基本概況HTS電站位于云南德宏傣族景頗族自治州盈江縣境內(nèi)的大盈江干流下游河段。電站廠房距盈江縣城42km，距昆明786km。本電站為引水式電站。主體建筑物由首部樞紐、有壓引水隧洞、鋼管道和廠區(qū)樞紐組成。電站引水道系統(tǒng)布置在大盈江左岸，引水道總長約280m，采用一管三機引水方式，由電站進水口、壓力引水隧洞、洞內(nèi)壓力管道組成，為有壓引水系統(tǒng)。其中壓力引水隧洞長202m，直徑為8.8m；壓力引水總鋼管長42m，直徑為8.8m； 支管42米（至蝶閥止），直徑按進水蝶閥直徑定。本電站裝機有如下方案：1.1.2 電站基本參

2、數(shù)1、 水位（1）上游水位,正常蓄水位 788m死水位 781m（2）廠房尾水位-流量關(guān)系表1-1 廠房尾水位-流量關(guān)系水位(m)738.27397405741741.5742742.5流量(m3/s)04.6562.1100175230330水位(m)743743.5744流量(m3/s)4005206002、 流量電站多年平均流量 213 m3/s3、 水頭最大靜水頭 54m額定水頭 46.5m最小水頭 40m4、 泥沙 0.47kgm35、 氣象年平均氣溫 19.4最高溫度 36.8最低氣溫 8年平均相對濕度 806、電站特性裝機容量 3×33MW保證出力 22.609MW多年

3、平均發(fā)電量 53198萬kW.h年利用小時數(shù) 5374 h第二章 水力發(fā)電機組的選型及相關(guān)設(shè)計2.1水輪機的方案選擇2.1.1水輪機類型的選擇表2-1 水輪機類型及適用范圍 由任務(wù)書電站基本參數(shù)可知本電站的水頭范圍為40至54米，結(jié)合型譜表初步選用HLA551、HLD74、HLA384三種轉(zhuǎn)輪。采用三臺機方案。模型參數(shù)如表2-2:表2-2 模型參數(shù)HLA384HLD74HLA551模型轉(zhuǎn)輪直徑D1(cm)303535.2推薦最大使用水頭(m)1258060最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速(r/min)77.77979.3最優(yōu)單位流量(m3/s)0.921.081.08最優(yōu)工況點效率%93.192.793.2限制單

4、位流量(m3/s)1.0171.2471.326限制工況點效率%90.489.489.6限制工況汽蝕系數(shù)0.10.1430.14續(xù)表2-2HLA384HLD74HLA551限制工況比轉(zhuǎn)速(m.kW)233261270.5單位飛逸轉(zhuǎn)速(r/min)137150.4147.2水輪機的額定出力 由于本機組屬于中型機組故發(fā)電機效率取97%2.1.2各方案的基本參數(shù)試算 1、方案一、3×HLA551（1）轉(zhuǎn)輪直徑取最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速=79.3r/min;與出力限制線的交點的單位流量作為設(shè)計工況單位流量,則=1.324/s,對應(yīng)模型的效率為0.9,暫取效率修正值0.02;原型水輪機在設(shè)計工況下的效率0

5、.9+0.02=0.92取標(biāo)準(zhǔn)值3m（2）原型水輪機的效率其中由模型綜合特性曲線查的0.932故效率修正值為效率修正采用等效率修正法，統(tǒng)一修正+2.4%（3）轉(zhuǎn)速n的計算與選擇以加權(quán)平均水頭作為標(biāo)準(zhǔn)水頭計算發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速此值介于發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速 166.7r/min與187.5 r/min之間,其運行區(qū)間比較如下當(dāng)取187.5 r/min時當(dāng)取166.7r/min 時圖2-1 HLA551發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速取187.5 r/min模型運行區(qū)間圖2-2 HLA551發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速取166.7 r/min模型運行區(qū)間由上圖所示的HLA551的模型曲線可知當(dāng)取166.7r/mi時運行區(qū)間已偏離最優(yōu)效率

6、區(qū),不利于機組穩(wěn)定高效的運行,綜上所述發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速取187.5 r/min（4）流量的計算由 ， 兩公式通過試算可得對應(yīng)水頭下的單位流量和模型效率，從而推算出實際工況下的流量及效率。1）額定水頭：設(shè)計工況點的模型轉(zhuǎn)速結(jié)合模型綜合特性曲線進行試算得當(dāng)模型效率為0.908時流量為 1.304恰在模型曲線故符合要求原型水輪機的單位流量2）最高水頭：模型轉(zhuǎn)速：結(jié)合模型綜合特性曲線進行試算得當(dāng)模型效率為0.926時流量為 1.022恰在模型曲線故符合要求原型水輪機最低流量為（5）比轉(zhuǎn)速的計算(6)吸出高度的計算1）計算，所對應(yīng)得單位轉(zhuǎn)速2） 確定各水頭所對應(yīng)的單位流量 最小水頭取對應(yīng)單位轉(zhuǎn)速與5%出力

7、限制線交點處流量為所取點單位流量，則最低水頭的單位流量為：3） 確定各點的空化系數(shù)由上述計算結(jié)果對應(yīng)模型綜合特性曲線找到相應(yīng)的工況點上分別查出、所對應(yīng)得模型空化系數(shù)，分別為0.125,0.113,0.099.查空化系數(shù)修正值與水頭的關(guān)系曲線可知。 4）水輪機安裝高程的確定水輪機的安裝高程在初步計算時取下游水位的平均海拔高程.因此電站采用三臺機的形式,故設(shè)計尾水位的水輪機過流量按1臺機的額定流量,結(jié)合任務(wù)書中水位-流量關(guān)系表由差值法得出尾水位高度是 E=m5） 吸出高度的計算（7）飛逸轉(zhuǎn)速的計算r/min（8）軸向水推力2、方案二、3×HLD74（1）轉(zhuǎn)輪直徑取最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速=79r/m

8、in;與出力限制線的交點的單位流量作為設(shè)計工況單位流量,則=1.247/s,對應(yīng)模型的效率為0.893 ,暫取效率修正值0.02;原型水輪機在設(shè)計工況下的效率0.893+0.02=0.913m計算值處于我國標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)輪直徑33.3m之間,因取3m時轉(zhuǎn)輪直徑較小無法保證設(shè)計水頭下發(fā)額定出力;而取3.3m又過大,且本機組為大型機組所以取非標(biāo)準(zhǔn)值3.1m（2）原型水輪機的效率其中由模型綜合特性曲線查的0.927故效率修正值為0.953-0.927=0.026效率修正采用等效率修正法，統(tǒng)一修正+2.6%（3）轉(zhuǎn)速n的計算與選擇以加權(quán)平均水頭作為標(biāo)準(zhǔn)水頭計算發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速r/min此值介于發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速

9、166.7187.5r/min之間,其運行區(qū)間比較如下當(dāng)取187.5r/min時r/minr/min當(dāng)取166.7r/min時r/minr/min圖2-3 HLD74發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速取187.5 r/min模型運行區(qū)間圖2-4 HLD74發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速取166.7r/min模型運行區(qū)間由上圖所示取187.5r/min時覆蓋最優(yōu)效率區(qū)面積較大且轉(zhuǎn)速越高尺寸越小發(fā)電機極對數(shù)越少,比較經(jīng)濟,故選取187.5r/min（4）流量的計算由 ， 兩公式通過試算可得對應(yīng)水頭下的單位流量和模型效率，從而推算出實際工況下的流量及效率。1）額定水頭：設(shè)計工況點的模型轉(zhuǎn)速r/min結(jié)合模型綜合特性曲線進行試算得當(dāng)模型

10、效率為0.91時流量為 1.215恰在模型曲線故符合要求原型水輪機的單位流量2）最高水頭：模型轉(zhuǎn)速：結(jié)合模型綜合特性曲線進行試算得當(dāng)模型效率為0.902時流量為 0.98恰在模型曲線故符合要求原型水輪機最低流量為（5）比轉(zhuǎn)速的計算(6)吸出高度的計算1）計算，所對應(yīng)得單位轉(zhuǎn)速4） 確定各水頭所對應(yīng)的單位流量最小水頭取對應(yīng)單位轉(zhuǎn)速與5%出力限制線交點處流量為所取點單位流量，則最低水頭的單位流量為：5） 確定各點的空化系數(shù)由上述計算結(jié)果對應(yīng)模型綜合特性曲線找到相應(yīng)的工況點上分別查出、所對應(yīng)得模型空化系數(shù)，分別為0.143,0.14,0.1.查空化系數(shù)修正值與水頭的關(guān)系曲線可知。 4）水輪機安裝高程

11、的確定水輪機的安裝高程在初步計算時取下游水位的平均海拔高程.因此電站采用三臺機的形式,故設(shè)計尾水位的水輪機過流量按1臺機的額定流量,結(jié)合任務(wù)書中水位-流量關(guān)系表由差值法得出尾水位高度是 E=m6） 吸出高度的計算（7）飛逸轉(zhuǎn)速的計算 r/min（8）軸向水推力3、方案三、3×HLA384（1）轉(zhuǎn)輪直徑取最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速=77.7r/min;與出力限制線的交點的單位流量作為設(shè)計工況單位流量,則=1.017/s,對應(yīng)模型的效率為0.902,暫取效率修正值0.02;原型水輪機在設(shè)計工況下的效率0.902+0.02=0.922計算值處于我國標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)輪直徑3.33.8m之間,因取3.3m時轉(zhuǎn)輪直徑較

12、小無法保證設(shè)計水頭下發(fā)額定出力;而取3.8m又過大,且本機組為大型機組所以取非標(biāo)準(zhǔn)值3.5m（2）原型水輪機的效率其中由模型綜合特性曲線查的0.931故效率修正值為0.958-0.931=0.027效率修正采用等效率修正法，統(tǒng)一修正+2.7%（3）轉(zhuǎn)速n的計算與選擇以加權(quán)平均水頭作為標(biāo)準(zhǔn)水頭計算發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 r/min此值介于發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速150 166.7 r/min之間,其運行區(qū)間比較如下當(dāng)取150 r/min 時r/min r/min當(dāng)取166.7 r/min 時 r/min r/min圖2-5 HLA384發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速取150r/min模型運行區(qū)間圖2-6 HLD74發(fā)電機同步

13、轉(zhuǎn)速取166.7r/min模型運行區(qū)間由上圖所示的HLA384的模型曲線可知當(dāng)取166.7 r/min時運行區(qū)間已偏離最優(yōu)效率區(qū),不利于機組穩(wěn)定高效的運行,綜上所述發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速取150 r/min（4）流量的計算由 ， 兩公式通過試算可得對應(yīng)水頭下的單位流量和模型效率，從而推算出實際工況下的流量及效率。1）額定水頭：設(shè)計工況點的模型轉(zhuǎn)速r/min結(jié)合模型綜合特性曲線進行試算得當(dāng)模型效率為0.93時流量為 0.932恰在模型曲線故符合要求原型水輪機的單位流量2）最高水頭：模型轉(zhuǎn)速：結(jié)合模型綜合特性曲線進行試算得當(dāng)模型效率為0.91時流量為 0.761恰在模型曲線故符合要求。原型水輪機最低流量為

14、。（5）比轉(zhuǎn)速的計算(6)吸出高度的計算1）計算，所對應(yīng)得單位轉(zhuǎn)速2）確定各水頭所對應(yīng)的單位流量 最小水頭取對應(yīng)單位轉(zhuǎn)速與5%出力限制線交點處流量為所取點單位流量，則最低水頭的單位流量為： 3） 確定各點的空化系數(shù)由上述計算結(jié)果對應(yīng)模型綜合特性曲線找到相應(yīng)的工況點上分別查出、所對應(yīng)得模型空化系數(shù)，分別為0.12,0.08,0.059.查空化系數(shù)修正值與水頭的關(guān)系曲線可知。 4）水輪機安裝高程的確定水輪機的安裝高程在初步計算時取下游水位的平均海拔高程.因此電站采用三臺機的形式,故設(shè)計尾水位的水輪機過流量按1臺機的額定流量,結(jié)合任務(wù)書中水位-流量關(guān)系表由差值法得出尾水位高度是 E=m5）吸出高度的

15、計算（7）飛逸轉(zhuǎn)速的計算 r/min（8）軸向水推力各方案基本參數(shù)列表:表2-3 各方案水輪機基本參數(shù)項目方案一方案二方案三水輪機型號HLA551HLD74HLA384水輪機額定出力（kw）340213402134021機組臺數(shù)333轉(zhuǎn)輪直徑（m）33.13.5同步轉(zhuǎn)速（r/min）187.5187.5150續(xù)表2-3項目方案一方案二方案三額定工況比轉(zhuǎn)速（m·kW）額定流量（）80.379.678.5額定工況點效率0.9560.9530.958吸出高度（m）2.531.63.057軸向水推力（N）各方案在模型圖上的運行區(qū)域如圖2-7至2-9所示：圖2-7 HLA551運行區(qū)域圖2-8

16、 HLD74運行區(qū)域圖2-9 HLA384運行區(qū)域2.1.3經(jīng)濟指標(biāo)1、水輪機重量估算水輪機總重K、b為與水頭有關(guān)的系數(shù);a為與轉(zhuǎn)輪直徑有關(guān)的系數(shù),由畢業(yè)設(shè)計與課程設(shè)計指南表2.7得K=8.1,b=0.16, （1）方案一：水輪機總重（2）方案二：水輪機總重（3）方案三：水輪機總重2、發(fā)電機重量方案比較時采用估算算法其中為估算系數(shù)由裝置形式?jīng)Q定,又因三個方案轉(zhuǎn)速都較高由水電站設(shè)計手冊水利機械分冊可知宜選用懸式布置,取8-9，為發(fā)電機額定容量，為發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速。（1）方案一：（2）方案二：（3）方案三：綜上所述將各方案估算重量列表如下:表2-4 各部分造價表項目參考價格水輪機3萬元/噸發(fā)電機3.

17、5萬元/噸3各方案預(yù)算投資表2-5 各方案經(jīng)濟指標(biāo)項目方案一方案二方案三水輪機重量(t)137.43147.5192.1發(fā)電機重量(t)251.25251.25291.54機組造價估算(萬元)1291.671321.881596.7差價(萬元)0+30.21+305.032.1.4最優(yōu)方案比較 1、最優(yōu)方案比較標(biāo)準(zhǔn) （1）技術(shù)指標(biāo)的比較1）轉(zhuǎn)速比較轉(zhuǎn)速作為機組的重要性能指標(biāo)，提高額定轉(zhuǎn)速，可以有效降低轉(zhuǎn)輪直徑，減小水輪機和發(fā)電機的尺寸，降低整個電站的投資成本。經(jīng)過真機參數(shù)對應(yīng)在模型綜合特性曲線上分析幾種型號均在良好的運行工況內(nèi)， HLD74、HLA551轉(zhuǎn)速均為187.5r/min，而HLA3

18、84轉(zhuǎn)速僅為150r/min不經(jīng)濟，其發(fā)電機投資最大。2）轉(zhuǎn)輪直徑比較HLA551的轉(zhuǎn)輪直徑為3m最小，制造最為簡單，相應(yīng)造價最小。HLA384直徑最大，制造難度比其他兩個轉(zhuǎn)輪略大，經(jīng)濟性不好。3）額定工況比轉(zhuǎn)速比較較高的比轉(zhuǎn)速的機組動能效益較高且機組和廠房土建投資都較低，HLD74、HLA551比轉(zhuǎn)速都為m·kW，HLA384比轉(zhuǎn)速為。因此HLA384不宜選用。4）轉(zhuǎn)輪運行特性比較在HLA551和HLD74兩個轉(zhuǎn)輪比較中不難看出，雖然兩者的額定轉(zhuǎn)速相等，但兩轉(zhuǎn)輪中HLD74的單位轉(zhuǎn)速稍低、額定工況效率兩者相似，轉(zhuǎn)輪直徑更大。且運行區(qū)間最優(yōu)效率區(qū)的范圍沒有HLA551大。因本電站裝機

19、規(guī)模較大，選用有較多成功運行經(jīng)驗的轉(zhuǎn)輪極為重要。HLA551轉(zhuǎn)輪多年來成功運行于多個中低水頭電站，運行經(jīng)驗較為豐富，為整個電站以后的運行維護管理打下了良好基礎(chǔ)。故本階段宜推薦選用的轉(zhuǎn)輪型號為HLA551。 (2)經(jīng)濟指標(biāo)的比較由表2-4所得結(jié)果可知HLA551經(jīng)濟指標(biāo)最好,機組造價最低.綜上所述，本電站宜推薦采用的轉(zhuǎn)輪型號為HLA5512.2運行特性曲線的繪制2.2.1等效率線繪制等效率曲線是指在某一效率值曲線上任意一點的運行工況,水輪機效率相等,計算表格如表2-6:2.2.2出力限制線的繪制機組出力限制線表示在不同水頭下水輪機能發(fā)出的最大出力.同時受發(fā)電機額定容量的限制.設(shè)計水頭將出力限制線

20、分為兩段 時,水輪機出力受發(fā)電機額定容量限制時,水輪機出力受最大過流能力限制,由模型曲線上5%出力限制線換算計算表格如表2-6:表2-6 等效率線出力限制線計算表0.420 0.024 0.444 0.380 3768.496 0.420 0.024 0.444 0.352 4375.388 0.500 0.024 0.524 0.422 4939.071 0.500 0.024 0.524 0.384 5633.178 0.560 0.024 0.584 0.465 6065.510 0.560 0.024 0.584 0.415 6785.032 0.620 0.024 0.644 0.5

21、10 7335.970 0.620 0.024 0.644 0.455 8203.293 0.660 0.024 0.684 0.551 8418.005 0.660 0.024 0.684 0.485 9287.285 0.700 0.024 0.724 0.593 9589.474 0.700 0.024 0.724 0.521 10560.081 0.740 0.024 0.764 0.645 11006.635 0.740 0.024 0.764 0.572 12234.334 0.780 0.024 0.804 0.702 12606.504 0.780 0.024 0.804 0.

22、622 14000.301 0.800 0.024 0.824 0.725 13343.407 0.800 0.024 0.824 0.650 14994.484 0.820 0.024 0.844 0.762 14364.778 0.820 0.024 0.844 0.682 16114.535 0.840 0.024 0.864 0.798 15399.908 0.840 0.024 0.864 0.718 17367.173 0.860 0.024 0.884 0.855 16881.844 0.860 0.024 0.884 0.764 18907.607 0.880 0.024 0.

23、904 0.975 19686.774 0.880 0.024 0.904 0.850 21511.877 0.900 0.024 0.924 1.071 22103.597 0.900 0.024 0.924 0.945 24445.264 0.910 0.024 0.934 1.105 23052.109 0.910 0.024 0.934 0.982 25677.297 0.920 0.024 0.944 1.145 24142.319 0.920 0.024 0.944 1.026 27115.043 0.920 0.024 0.944 1.240 26145.394 0.925 0.

24、024 0.949 1.054 28002.562 0.910 0.024 0.934 1.292 26953.235 0.925 0.024 0.949 1.192 31668.932 0.920 0.024 0.944 1.223 32321.343 5%出力限制線0.904 0.024 0.928 1.320 27360.461 0.901 0.024 0.925 1.338 34648.847 表2-7 等效率線出力限制線計算表0.420 0.024 0.444 0.339 4551.172 0.420 0.024 0.444 0.310 4822.218 0.500 0.024 0.

25、524 0.370 5862.375 0.500 0.024 0.524 0.350 6425.420 0.560 0.024 0.584 0.400 7063.393 0.560 0.024 0.584 0.380 7774.968 0.620 0.024 0.644 0.440 8567.993 0.620 0.024 0.644 0.415 9363.455 0.660 0.024 0.684 0.465 9617.221 0.660 0.024 0.684 0.440 10544.134 0.700 0.024 0.724 0.500 10945.841 0.700 0.024 0.7

26、24 0.476 12073.903 0.740 0.024 0.764 0.543 12543.934 0.740 0.024 0.764 0.516 13811.639 0.780 0.024 0.804 0.591 14367.595 0.780 0.024 0.804 0.663 18675.478 0.800 0.024 0.824 0.622 15497.376 0.800 0.024 0.824 0.600 17321.305 0.820 0.024 0.844 0.660 16843.291 0.820 0.024 0.844 0.639 18894.938 0.840 0.0

27、24 0.864 0.700 18287.416 0.840 0.024 0.864 0.683 20674.576 0.860 0.024 0.884 0.749 20020.487 0.860 0.024 0.884 0.746 23104.323 0.880 0.024 0.904 0.832 22742.192 0.880 0.024 0.904 0.818 25907.404 0.900 0.024 0.924 0.918 25648.101 0.900 0.024 0.924 0.892 28876.130 0.910 0.024 0.934 0.957 27027.095 0.9

28、10 0.024 0.934 0.931 30464.827 0.920 0.024 0.944 0.990 28258.412 0.920 0.024 0.944 0.978 32345.436 0.925 0.024 0.949 1.010 28981.986 0.925 0.024 0.949 1.000 33248.218 0.925 0.024 0.949 1.176 33745.362 0.925 0.024 0.949 1.150 38235.450 0.920 0.024 0.944 1.210 34538.059 0.920 0.024 0.944 1.188 39290.7

29、75 0.910 0.024 0.934 1.255 41066.979 0.900 0.024 0.924 1.305 42245.907 5%出力限制線0.900 0.024 0.924 1.330 37159.013 0.898 0.024 0.922 1.320 42639.000 2.2.3等吸出高度線的繪制表2-8 等吸出高度計算表0.060 0.696 0.780 0.804 5.457 12498.756 0.070 0.771 0.825 0.857 5.057 14758.313 0.080 0.890 0.874 0.906 4.657 18010.249 0.090 0.990 0.881 0.913 4.257 20188.659 0.100 1.170 0.927 0.959 3.857 25061.437 0.