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1、第一章 水轮机的选型设计1.1水轮机型号选定一、水轮机型式的选择根据原始资料，该水电站的水头范围为59.07-82.9m，电站总装机容量56万千瓦，拟选2、3、4、5台机组，平均水头为75.43m，最大水头为82.9m，最小水头为59.07m。水轮机的设计水头估算为按我国水轮机的型谱推荐的设计水头与比转速的关系，水轮机的比转速: m.KW根据原始资料，适合此水头范围的水轮机类型有斜流式和混流式。又根据混流式水轮机的优点：（1）比转速范围广，适用水头范围广，可适用30700m；（2）结构简单，价格低；（3）装有尾水管，可减少转轮出口水流损失。 故选择混流式水轮机。因此，选择在216m.kw左右的
2、混流式水轮机为宜。 根据表本电站水头变化范围(H=59.07-82.9m)查水电站机电设计手册水力机械1-4 适合此水头范围的有HL220-46。二、拟订机组台数并确定单机容量表1-1 机组台数比较表台数单机容量（万千瓦）228318.7414511.21.2 原型水轮机各方案主要参数的选择按电站建成后,在电力系统的作用和供电方式,初步拟定为2台,3台,4台,5台四种方案进行比较。基本参数， 模型效率：，推荐使用最优单位流量：，最优单位转速：，最优单位流量：。一、2台机组（方案一）1、计算转轮直径 装机容量22万千瓦，由水轮机325页可知：水轮机额定出力： 上式中： -发电机效率,取0.98
3、-机组的单机容量（KW） 由型谱可知，与出力限制线交点的单位流量为设计工况点单位流量，则Q11r=1.15m3/s,对应的模型效率m=89%，暂取效率修正值 =0.03，=0.89+0.03=0.92。则设计工况原型水轮机效率为92%。我国规定的转轮直径系列（见水轮机P9），计算值处于标准值6.5-7.0 m，并接近7.0m取直径D1=7.0 m2、 计算原型水轮机的效率 =max-M0=0.954-0.92=0.034限制工况原型水轮机效率=m+=0.89+0.034=0.9243、同步转速的选择 符合要求所以转速不用修正。转速介于发电机 同步转速83.3r/min和88.2r/min之间，
4、 需要对两个转速都进行修正。4、计算水轮机的运行范围水轮机设计流量当n=83.3r/min时，最大水头、最小水头和平均水头对应的单位转速当n=88.2r/min时，最大水头、最小水头和平均水头对应的单位转速综上所述，参数绘制在HL220综合曲线上以检验水轮机高效率运行区域的高低，选择高效率较高的88.2. 5、水轮机计算点出力的校核计算时的出力：符合要求6、 计算水轮机实际额定流量7、 计算最大允许吸出高度 在额定工况下，模型水轮机的空化系数根据该电站设计水头取K=1.08 （水轮机原理及运行P54表3-3）E=887.0m8、实际的水轮机额定水头 因不同的D1、与水能预算Hr有差异9、 计算
5、飞逸转速 由HL220模型水轮机飞逸特性曲线查得，在最大导叶开度下单位飞逸转速 10、 水轮机安装高程 m11、 计算轴向水推力 根据表4，HL220的转轮轴向水推力系数，转轮直径较小、止漏环间隙较大时取大值。本电站转轮直径较大，故取。 表4 混流式水轮机的轴向水推力系数表转轮型号HL310HL240HL230HL220HL200HL180HL160HL120HL110HL100K0.370.450.340.410.180.220.280.340.220.280.220.280.200.260.100.130.100.130.080.14水轮机转轮轴向水推力为：同理，方案二、方案三和方案四的数
6、据也可通过同样的方法和过程查资料计算得出，四种方案所得数据如表5所示：表5 四种方案数据表格HL220(2280MW)HL220(3186.7MW)HL220(4140MW)HL220(5112MW)比转速 (r/min)220220220220额定功率 （kw）285714.3190816.3142857.1114285.7模型最优单位比转速 (r/min)70707070模型额定工况单位流量 ()1.151.151.151.15转轮直径 (m)7.06.05.04.0水轮机效率 0.9240.9220.9200.918转速 n (r/min)88.2107125166.7出力 P (N)3
7、.112.291.591.01额定流量 ()478.1351.3243.95156.1吸出高度 (m)2.7 2.9 3.33.7单位飞逸转速 (r/min)133133133133飞逸转速 (r/min)173201.8242.2302.7实际额定水头 (m)83.865.168.679.8实际额定流量 ()478.1351.3244.0156.1轴向水推力 (N)0.938450.689470.478800.30643二、确定机组方案根据上面列举出来的四种方案数据分析，第四种方案出力比额定小，第一种方案实际额定水头比最高水头大，故首先排除。第二、第三种方案中，第二种方案效率和第三种差不多，
8、但第三种方案转速比第二种的高，最高效率、高效率区比方案二大。及其吸出高度比方案的大则其发电机尺寸小，重量轻，一方面可以减少设备的造价，另一方面有利于减小厂房的平面尺寸，降低厂房的土建投资。第三种方案的的额定水头也较接近设计的水头。比较大综上所述，最佳方案为第三种方案。三、水轮机运转特性曲线的绘制等效率曲线的计算与绘制现取水电站4个水头，列表计算，计算结果如表6所示。绘制的等效率线详见设计图纸。表6 HL220型水轮机等效率曲线计算表（%）（%）P（mw）（%）（%）P（mw）828688909191908886820.4580.5470.5780.6500.7200.9180.9310.992
9、1.0301.09085899193949493918985729097112125160160155170171828688909191908886820.4620.5480.6210.6820.7400.9180.9380.9981.0321.092858991939494918886826379911021121391371411431445%出力限制线上的点89.40.95092.416289.70.95192.7142（%）（%）P（mw）（%）（%）P（mw）828688909191908886820.4700.5700.6400.7120.7700.9080.9350.9981.
10、0291.0938589919394949391898560768799109128130136137139828688909191908886820.5900.7300.8200.9301.0001.02585899193949493918985 57 73 84 96 101 98 5%出力限制线上的点89.80.95292.813387.80.95390.898.2等吸出高度线的绘制（1）求出各水头下的值，并在相应的模型综合特性曲，并由此计算出、P，填入表7中线上查出水平线与各等气蚀系数线的所有交点坐标，读出、的值（2）利用公式计算出相应于上述各的值，填入计算结果如表7所示，绘制的等吸出
11、高度线详见设计图纸。 表7 HL220型水轮机等吸出高曲线计算表(%)(%)P(mw)(m)82.968.60.090.100.111.0151.0901.1400.8680.8190.7600.8980.8490.7901691711670.1070.1170.1278.879.7010.530.43-0.52-1.4875.4371.960.090.100.110.9751.1001.17008820.8100.7200.9120.8400.7501431491410.1080.1180.1288.158.909.661.20.34-0.537273.70.090.100.110.9301
12、.0651.1900.9000.8400.7200.9300.8700.7501301391340.1090.1100.1297.857.929.29 1.560.73-0.09 59.07 81.3 0.090.100.110.4500.5401.1000.7600.8000.7880.7900.8300.81840511020.1100.1200.1306.507.097.682.902.221.54从水轮机原理P53、54查图3-13得个水头下相应的，查表3-3得=1.15三、蜗壳计算 1、 蜗壳型式、断面形状和包角的确定由于本站应用水头为：59.07-82.9mS时，采用圆断面连接计算
13、如下：根据上式圆断面各数值如表1-12：表1-12 蜗壳圆形断面计算表断面号r0h2 13450.7404.051.272.1732.9138.4863.1236.96310.08623300.7084.051.272.1132.8217.9583.0386.8719.90933150.6764.051.272.0512.7277.4372.9516.7779.72843000.6444.051.271.9872.6316.9222.8626.6819.54352850.6114.051.271.9182.5296.3962.7696.5799.34862700.5794.051.271.84
14、92.4285.8952.6776.4789.15572550.5474.051.271.7782.3255.4062.5846.3758.95982400.5154.051.271.7032.2184.9202.4886.2688.75692250.4834.051.271.6262.1094.4482.3916.1598.550102100.4504.051.271.5411.9913.9642.2886.0418.329111950.4184.051.271.4551.8733.5082.1865.9238.109121800.3864.051.271.3631.7493.0592.08
15、15.7997.880131650.3544.051.271.2641.6182.6181.9725.6687.640141500.3364.051.041.2051.5412.3751.8485.5917.439当时，蜗壳各断面不能在D点与座环相接，采用圆形断面就不合适了。在这种情况下，蜗壳断面采用椭圆形断面。5、椭圆断面的计算 当 S时，采用椭圆断面连接计算如下：椭圆半径与圆同等面积 椭圆断面长半径中心距 外径 椭圆断面各数值列表如下：表1-13 蜗壳椭圆断面计算表断面号 151500.3221.8601.8791.9315.5417.472161350.2901.7501.6911.87
16、75.3237.200171200.2571.6261.4911.8175.0786.896181050.2251.5001.2911.7574.8366.59319900.1931.3691.0871.6964.5876.28320750.1611.2300.8781.6334.3315.96421600.1291.0810.6621.5684.0675.63622450.0970.9180.4381.5013.7945.29623300.0640.7260.1991.4303.5034.93324150.0320.497-0.0411.3583.2114.568表中，蜗壳剖面图见附录图一.
17、四、 尾水管计算 6.1 尾水管的选择图1-4 尾水管外形尺寸 尾水管是水轮机过流通道的一部分。尾水管的形状对不同比转速水轮机的性能存在不同程度的影响，尤其对高比转速水轮机影响更为明显。鉴于本水轮机属于大中型水轮机，则选择弯曲形尾水管。弯曲形尾水管由进口锥管段，肘管段和出口扩散段三部分组成。6.2尺寸确定6.2.1尾水管高度尾水管高度指从水轮机底环平面到尾水管底板的高度，是决定尾水管性能的主要参数。增加高度将提高尾水管效率，但将增加电站建设费用，减少高度不仅会降低水轮机效率，还会影响运行的稳定性。从水轮机P167查得：对于的混流水轮机取；对于的高水头混流式水轮机则可取。而 则所以取 。 6.2
18、.2进口直锥段进口直锥管是以垂直的圆锥形扩散管，为直锥管的进口直径。可近似取转轮出口直径，即，从水轮机P167查得：进口锥管的单边锥角对混流式水轮机可取，则取。6.2.3肘管段肘管是一个90变断面的弯管，其进口为圆断面，出口为矩形断面。参考水电站机电设计手册（水力机械）表2-17，当Vc=5.6m/s6m/s,水头低于200m时，可不设金属里衬，采用推荐的尾水管设计，此时，与有下列关系式：参考水电站机电设计手册（水力机械）表2-17得尾水管尺寸与D1的比值可以算出尾水管的各部分尺寸：表6-1 推荐的尾水管尺寸表（单位：m）肘管型式适用范围2.64.52.721.351.350.6751.821
19、.22混凝土肘管混流式（）由表得；计算得 ；6.2.4出口扩散段出口扩散段是一水平放置断面为矩形的扩散管，参考水电站机电设计手册（水力机械）,其出口宽度一般与肘管出宽度相等，其顶板向上倾斜，仰角a=1013，取a=12,底板一般呈水平。出口扩散一般为矩形断面，对混流式水轮机取，则取。因为，则允许在出口扩散段加单支墩，其他尺寸如下：；则取； ；水平长度L是机组中心到尾水管出口的距离。肘管型式一定时，L决定了水平扩散段的长度，增加L可使尾水管出口动能下降，提高效率。但太长了将增加沿程水力损失和增大厂房部分尺寸。通常取。6.2.5尺寸列表 参考表6-1，计算出尾水管各部分尺寸列于下表 表6-3 尾水
20、管尺寸计算表 项目（m）L尺寸55.16.75136.759.122.56.13.351.8913.65.890.366.3由上述尺寸绘制尾水管单线图（见附图3） 祥见设计图纸参考文献1张德虎主编能源动力类水动专业毕业设计与课程设计指南.北京：中国水利水电出版社。20102水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册-水力机械分册.北京:水力水电出版社,19893 水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册-电气一次分册.北京:水力水电出版社,19894武汉水利电力学院,华北水利水电学院,华东水利水电学院合编.水力机组辅助设备与自动化.北京:电力工业出版社,19815季一峰主编.水电站电气部分.北京:水利电力出版社,19936范华秀主编.水力机组辅助设备. 北京:水利电力出版社,1993 7骆如蕴主编.水电站动力设备设计手册.8哈尔滨大电机研究所编.水轮机设计手册(水轮发电机组设计手册第一部分).北京:机械工业出版社.9蔡燕生主编.水轮机调节(第2版).黄河水利出版社,200910西北电力设计院,东北电力设计院编.电力工程设计手册.上海:上海科学技术出版社.11 黄庆丰、金永琪主编水电站电气设备郑州：黄河水利出版社.2009附录一附录二附录三附录四附录五附录六附录七附录八
