【正文】 設計。 水電站總裝機容量： MWP 48? 。 水輪機工作水頭： mH ? ； mHpi ? ； mHr 130? ； mH ? 。 電站海拔高程 ： ?? 。 主要任務 ： 水力機組選型設計 ；水電站廠房布置設計；水力機組輔助設備系統(tǒng)選擇設計 。 在規(guī)定的時間內(nèi)，完成本題目，并提交以下成果： 畢業(yè)設計說明書一份，不少于 8 千字（格式必須按照學院要求，并按規(guī)定 順序裝訂）； 水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線圖（ A3）； 尾水管單線圖（ A3）； 發(fā)電機層平面布置圖（ A1）； 主廠房橫剖面圖（ A1）； 透平油系統(tǒng)圖（ A1）； 水系統(tǒng)圖（ A1）； 氣系統(tǒng)圖（ A1）； 7 西華大學畢業(yè)設計說明書 1 水 輪機選型設計 選型總概 水輪機選型是水電站設計中一項重要任務。水輪機的型式與參數(shù)的選擇是否合理，對于水電站的動能經(jīng)濟指標及運行穩(wěn)定性、可靠性都有重要的影響。水輪機選型過程中，根據(jù)水電站的開發(fā)方式、動能參數(shù)、水工建筑物的布置等，并考慮生產(chǎn)水輪機的參數(shù)及制造廠的生產(chǎn)水平，擬若干方案進行技術(shù)經(jīng)濟的綜合比較，最終確定水輪機的最佳形式與參數(shù)。 水輪機的選型和計算是根據(jù)水電站設計部門提供的原始資料及參數(shù) ，選擇合理的水輪機型號等。一般情況下，先根據(jù)水電站的類型、動能計算以及水工建筑物的布置等初選若干個方案，然后進行技術(shù)、經(jīng)濟比較，再根據(jù)水輪機 的生產(chǎn)情況和制造水平，最后確定所需的水輪機的型號和尺寸。 選型設計 原則 水輪機選型的一般性原則如下：所選水輪機應具有較高的能量特性；所選水輪機不僅應具有良好的空蝕性能，還應有較好的工作穩(wěn)定性，運行要靈活、平穩(wěn)、安全和可靠；所選水輪機的尺寸應較小，結(jié)構(gòu)要合理、先進，便于運輸、安裝、運行及檢修；轉(zhuǎn)輪選擇比較時，應盡可能選用比轉(zhuǎn)速高的水輪機，這樣轉(zhuǎn)速較高，相應機組尺寸小，并且使所選水輪機經(jīng)常處于最優(yōu)區(qū)運行。 選擇機型和裝置方式 的特點 按水頭要求對可選機型作技術(shù)、經(jīng)濟比較如下：選 HL 式要從它能量指標和效率等方面考慮，以及對水頭負荷的適應性和其制造工藝。 HL 式的應用范圍很廣，與 CJ式水輪機比較，具有 比轉(zhuǎn)速 sn 高 、 機組尺寸小 、 造價低 、各水頭可以 利用以及滿載時效率高等優(yōu)點 ； 其缺點是低負荷時效率低，維護和更換磨損零件不如沖擊式方便。此處，其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、運行可靠。 此外，混流式水輪機還有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點 ，這也可以體現(xiàn)在經(jīng)濟性方面 。 綜合而言，考慮混流式（ HL）式水輪機具有比轉(zhuǎn)速高、機組尺寸小、造價低 、各水頭可以 利用以及滿載時的效率高等優(yōu)點， 根據(jù)水頭 在 參考 文獻中 初步 選取機型為 HL180/A194 和 HL180/D06A如表 11： 8 西華大學畢業(yè)設計說明書 表 11 模型的部分參數(shù) 型號 推薦水頭（ m） 最優(yōu)工況效率（ %） 單位飛逸轉(zhuǎn)速（ r/min） 模型轉(zhuǎn)輪直徑（ cm） HL180/A194 110150 35 HL180/D06A 110150 40 大中型水輪機組的布置型式，除了貫流式水輪機是橫軸或斜軸布置外，大多數(shù)采用立軸布置。其主要原因是橫軸布置的臥式機組，巨大的蝸殼和轉(zhuǎn)動部分將在結(jié)構(gòu)上引起很大的附加力，使機組本體部分結(jié)構(gòu)變得復雜和笨重，支持部分、軸承部分設計增加困難，而且廠房面積和 開 挖 量 也相應增大。而立軸機組除了上面這些因素可以消除外，水輪機的裝拆檢修方便，軸和軸承受力情況改善、發(fā)電機安裝高程提高、不易受潮、管理維護方便等等。 進行選型計算 （ 1）初選額定工況點 11 110 pjr rHnnH? 式中： 110n —— 模型機的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速，由文獻 ［ 1］ 得， mimrn /07110 ? 代入數(shù)據(jù)，可得 , 11 / m inrnr? 在型譜上作 11rn 的水平線交 5%出力線于 A 點，此點即為初選設計工況點。讀出流 量 311 0. 74 3 /rQ m s? （ 2） 確定轉(zhuǎn)輪標稱直徑 1D ： 1 3 / 2119 .8 1 rrrPD QH ?? 式中： rP —— 水輪機額定出力， gr gPP ??； gP —— 單機容量 ， 2g PP? ； 9 西華大學畢業(yè)設計說明書 g? —— 發(fā)電機效率 ，取 g? =； ? —— 水輪機效率 ，初步計算時取 ； 代入式中： 1 ? 。 （ 3） 確定額定轉(zhuǎn)速 n ： 110 1pjHnn D? 式中： pjH 為加權(quán)平均水頭為 ； 代入式中： n=506r/min，取標準值 n=500r/min （ 4）效率修正系數(shù) ?? ： 根據(jù)公式： 1 2 3? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?， 001 m??? ??? 根據(jù) Moody公式： 150011 (1 ) mm DD??? ? ? 式中 ： 0? －真機最優(yōu)工況的效率 。 1?? —— 真型機與模型機 效率差值 。 mo? －模型機最優(yōu)工況的效率 。 2?? －異形部件引起的效率修正 , 按文獻 [2]取 0。 3?? －制造工藝引起的效率修正 , 取 1%。 1mD －模型機轉(zhuǎn)輪直徑 。 代入數(shù)據(jù)，可得 ?? =% （ 5）單位轉(zhuǎn)速修正系數(shù) 11n? ： 01 1 1 1 00( 1)mmnn ??? ? ?， 代入上面的計算數(shù)據(jù)，可得 11n? = 1111 0 nn? ?? 3% 因此 單位轉(zhuǎn)速可不修正。同理，可知單位效率也不用修正。 （ 1） 找出水輪機的真實工況點 B 10 西華大學畢業(yè)設計說明書 實際水輪機的轉(zhuǎn)速： 111 ( )rtrnDn H? 11 ( )= 11 ( ) 11r m r tn n n?? 代入數(shù)據(jù)可得， 11 ( ) / m inrmnr? 作 11 ( ) / m inrmnr? 線，交效率曲線，讀出與 η =const相交處的 m? 、 11Q 值 ，計算功率 ??11??， ??11??= ti? 1tiQ ， 并將數(shù)據(jù)列入表格。 表 12 rH 下的 11t 11()tN f Q? 曲線數(shù)據(jù)表 m? (%) 89 91 91 90 89 88 84 11Q (L/S) 513 573 723 746 765 782 835 ??11??(KW) 根據(jù) 表 12數(shù)據(jù)，作 出 11t 11()tN f Q? 曲線，如圖 11： 圖 11 11t 11()tN f Q? 曲線 11 西華大學畢業(yè)設計說明書 而，11 2 3/21t rNN DH? 代入數(shù)據(jù)，可得， 11 ? 在輔助曲線上有一個 11tQ 與之對應， 從而得到 11 11mtQ Q Q? ??,將 11mQ 的值返回到效率曲線上與 11nm 線相交于 B點，即為真實工況點。 工況點為：（ 11rQ ， ? ） =（ ， ）。 （ 2） 工作范圍的檢查 在最大水頭下水輪機實際轉(zhuǎn)速111m a x7 8 .3 / m intr nDnrH?? 在最小水頭下水輪機實際轉(zhuǎn)速111m in9 0 / m intr nDnrH?? 在文獻 [1]效率曲線圖上作出這 2條直線。 rQ rNQ H?? 式中： N—— 水輪機的軸功率， KW； Hr—— 設計水頭， m； ? —— 設計工況點 B點的真機效率。 代入數(shù)據(jù)，可得 Qr=179。/s fn 11 max1ff nHn D? 式中： 11fn —— 單位飛逸轉(zhuǎn)速， r/min； D1—— 水輪機的轉(zhuǎn)輪直徑， m； Hmax—— 最大水頭， m。 代入數(shù)據(jù)，可得， nf= 12 西華大學畢業(yè)設計說明書 1abrG KD H? 式中 :K —— ； b —— 與水頭有關(guān)的系數(shù)，取 a—— 與直徑 D有關(guān)的系數(shù)， 111 1 .9 7 65 ( 7 .5 ) 0 .1a D??? ? ? G—— 水輪機的質(zhì)量 ， t。 以上參數(shù)由 文獻 [2] 23P 表 110查得。 hF 21 max4hF K D H?? 式中： Fh—— 軸向水推力， t； D1—— 轉(zhuǎn)輪直徑， m； K —— 查 文獻 [1]得 ； 代入數(shù)據(jù)，可得， Fh= 水輪機導葉的開度 0a 是指從一個導葉工作面出口邊到相鄰導葉背面的最短距離。最大開度指水輪機在設計水頭下發(fā)額定功率時的水輪機導葉開度，或最小水頭下的單位轉(zhuǎn)速線與 5%出力限制線交點的導葉開度。 在模型與真機保持幾何基本相似時，有 000 m a x 0 m a x ,00mmmZDaa ZD?? 式中： 0 max 0 0a D Z、 、 —— 分別為真機的導葉最大開度、 導葉分布圓 直徑及導葉數(shù) ； 0 m ax 0 0m m ma D Z， 、 、 —— 分別為模型機的導葉最大開度、轉(zhuǎn)輪直徑及導葉數(shù)。 代入數(shù)據(jù)，可得 0maxa = 為了保證水輪機安全可靠運行，必須在底環(huán)上設置控制導葉開度的限位塊。限位塊位置根據(jù)最大可能開度安裝。 13 西華大學畢業(yè)設計說明書 最大可能開度 ： 0 0 m a 5 66ka a m?? sH 水輪機最大允許吸出高度計算公式： 1 0 9 0 0 ( )sHH??? ? ? ? ? ? 式中： ? —— 水輪機安裝 高程 ， ? =； ? —— 各對應水頭下的工況點的空蝕系數(shù)； ?? —— 空化系數(shù)修正值 ， 由 文獻 [3] 取 ； （ 1） 當 H 取 max ? 時，由（ 11mn ， 11mQ ） ，通過查 資料 [1]模型綜合特性曲線： 0. 05 62 , 0. 02??? ? ? 代入數(shù)據(jù)，可得 ?? (2) 當 H 取 130rHm? 時，由（ 11mn ， 11mQ ），通過查資料 [1]中模型綜合特性曲線： 0. 06 31 , 0. 02??? ? ? 代入數(shù)據(jù)，可得 ?? 結(jié)論：為安全起見，取 sH 較小者，即 ： ?? 按以上步驟，對 HL180/D06A 進行選型設計 確定最優(yōu)方案 經(jīng)過以上對 HL180/A194和 HL180/D06的計算，最后列出 這 兩 種型號水輪機的參數(shù)，如下表 13。 表 13 HL180/A194和 HL180/D06A參數(shù) 表 項目 HL180/A194 HL180/D06A 裝機臺數(shù) 2 2 單機容量 （ MW） 24 24 轉(zhuǎn)輪直徑 （ m） 額定轉(zhuǎn)速 ( /minr ) 500 500 14 西華大學畢業(yè)設計說明書 續(xù)表 對比表中各項數(shù)據(jù)，可以看出， HL180/A194 的效率明顯高于 HL180/D06A,而其他數(shù)據(jù)差別不大，所以最終選擇 HL180/A194。 繪制 水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線 經(jīng)過前面選定轉(zhuǎn)輪為 HL180/A194 后，可以繪制水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線，具體過程分以下幾步進行： =f(P)工作曲線 在 min max~HH之間取 3 至 5 個水頭值（包括 130rHm? ， max ? ，min ? ， ? ），繪制各水頭下的工作特性曲線η =f(P)，計算各水頭下的111minDn H? ，并在模型綜合特性曲線圖上作各水頭對應的 11mn const? 線，各直線與 const?? 線交點 11( , )mmQ? 值代入公式計算 32 21 1 1i i iP Q D H ?? KW。 式中： 11 11m? ， im? ? ?? ?? ， ??? 。 將讀取的數(shù)據(jù)繪制成如下列表格： （ 1） 當 H = rH =130m，由上面的公式 11mn ? ： 表 14H =130m下的 )(pf?? 曲線數(shù)據(jù)表 ?m ? 額定流量 ( 3/ms) 飛逸轉(zhuǎn)速（ /minr ） 軸向水推力 （ t） 水輪機重量（ t） 吸出高度（ m） 運行工況點效率（ %） 15 西華大學畢業(yè)設計說明書 續(xù)表 11Q P （ 2）當 H = maxH =，由上面的公式 11mn ? ： 表 15H = )(pf?? 曲線數(shù)據(jù)表 ?