水电站课程设计

院 系：专 业：水利水电工程姓 名：学 号：指 导： 说明书

水电学院 袁吉栋老师

目 录

第一章 基本资料·································· 1 第二章 机组台数与单机容量的选择·················· 2 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 水轮机型号、装置方式的确定················水轮机特性曲线的绘制······················蜗壳的设计································尾水管的设计······························发电机的选择······························调速设备的选择····························

2 9 11 12 14 16

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第一章 基本资料

某梯级开发电站，电站的主要任务是发电，并结合水库特性、地区要求可发挥水产养殖等综合效益。电站建成后投入东北主网，担任系统调峰、调相及少量的事故备用容量，同时兼向周边地区供电。该电站水库库容小不担任下游防洪任务。经比较分析，该电站坝型采用混凝土重力坝，厂房型式为引水式。经水工模型试验，采用消力戽消能型式。

经水能分析，该电站有关动能指标为： 水库调节性能 年调节 保证出力 4万kw 装机容量 16万kw 多年平均发电量 42000 kwh 最大工作水头 38.0 m 加权平均水头 36.0 m 设计水头 36.0 m 最小工作水头 34.0 m 平均尾水位 152.0 m 设计尾水位 150.0 m 发电机效率 96%-98%

第二章 机组台数与单机容量的选择

水电站总装机容量等于机组台数和单机容量的乘积，在总装机容量确

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定的情况下可以拟订出不同的机组台数方案，当机组台数不同时，则当单机容量不同，水轮机的转轮直径、转速也就不同。有时甚至水轮机的型号也会改变，从而影响水电站的工程投资、运行效率、运行条件以及产品供应。

在确定水电站机组台数和单机容量时，综合考虑下面的因素： （一） 机组台数与工程建设费用的关系；

（二） 机组台数与设备制造、运输、安装及枢纽布置的关系； （三） 机组台数与水电站运行效率的关系； （四） 机组台数与水电站维护的关系； （五） 机组台数与电气主接线的关系；

从而初步确定水电站采用4台机组，每台机组装机容量4万千瓦。

4万千瓦×4=16万千瓦

满足水电站要求。

第三章 水轮机型号、装置方式的确定

由基本资料，根据水电站的工作水头范围，在反击式水轮机系列型号谱表中查得HL240型水轮机和ZZ440型水轮机都可以使用。这样，将两种水轮机列入比较方案，并对其主要参数分别进行计算。 （一）HL240型水轮机的方案主要参数的计算 1、确定水轮机的转轮直径 由N=9.81HrQη和Q'1QN可得 （4-50） D19.81Q'1Hr3/2ηD12Hr'HL240型水轮机的最优转速n1072.0(r/min)，在HL240型水轮机主要综合

特性曲线上查得单位流量Q1'1240L/s 。

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由于转轮直径尚未确定，原型水轮机的效率η目前不能求出，初步假定原型水轮机在该工况点的效率为92%。 则由公式（4-50）可得到D1400004.07m 3/29.811.24036.092%转轮直径应该符合水轮机转轮的标准尺寸系列。通常是选用比计算值大的标准直径作为水轮机的标称直径。查表4-6，取与之接近而偏大的标准直径

D1410m。

2、效率修正值计算

可查得HL240型水轮机在最优工况下的最高效率92.0%，模型转轮

直径D1M0.46m，则原型水轮机的最高效率为

max1(1Mmax)5D1M D10.460.94694.6% 3.3 1(10.92)5考虑到制造工艺水平的情况取1%，由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型基本相似，故认为'0，则效率修正值

maxMmax'0.018

水轮机在工况（也即设计工况）点的效率应为

M0.9040.0180.922

与原来的假定基本符合。 3、确定水轮机的转速 计算水轮机转速的公式

nn'10H D1'其中n10为最优单位转速，即n'10n'10MΔn'1

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HL240模型水轮机的最优单位转速n'1072r/min，H采用设计水头， 则水轮机转速的计算值值为

nn'10Hr7236.0105.37（r/min） D14.10查表4-7，选用与之接近而偏大的发电机标准同步转速。取n107.1r/min。 4、确定水轮机的吸出高

根据选到的D14.10m, n107.1r/min和水轮机的设计水头Hr36.0m可计算出在设计工况点水轮机的最大单位流量Q'1max和相应的单位转速n'1r。 根据式（4-50）得 Q'1max n'1rN400003

（m/s） 1.033/223/229.81D1Hr9.814.1036.00.92nD1107.14.1073.2（r/min） Hr36.0由Q'1max和n'1r可在图4-4中查出对应的空蚀系数为0.20，从图3-16中可查得空蚀系数的修正值0.032，由此可求得水轮机的吸出高为

()Hr 900152(0.200.032)36.01.48(m) 10.0900 Hs10.0( 注：对于水电站站址处海拔高度，在初步计算时可采用水电站尾水的平均水位。) 5、工作范围的验算

在最大水头Hmax38.0m时，有

minn1nD1107.14.171.23r/min Hmax38.0在最小工作水头Hmin36.0m时，有

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minn1nD1107.14.173.19r/min Hmin36.0在HL240型水轮机的模型综合特性曲线图上，分别画出Q1max1240L/s，

max73.19r/min的直线，三线所包围的水轮机工作范min71.23r/min和n1n1围包含了该特性曲线的高效区.所以该设计是合理的。 (二) ZZ440型水轮机的方案主要参数的计算 1、转轮直径D1的计算

D1=

Nr9.81Q'1H123

对于Q1'值，可由附表水轮机主要参数查得该型水轮机在工况下的

3Q1'1.65ms,同时还查得汽蚀系数0.72。但在允许的吸出高Hs4m时，

则相应的装置汽蚀系数z为：

10.0z152Hs10.049009000.3840.72 H36所以，为满足对吸出高的，Q1'值可在ZZ440型综合特征曲线图上依

'工况点(n10115,0.384)查得1.08ms.同时亦可查该工况点上M87.5，

3由此可初步假定水轮机的效率为90.5. 将以上各之代入上式，便可求得：

D1408164.44m 329.811.08360.905选择标注直径D1=4.5m. 2、效率修正值计算

对轴流转浆式水轮机，叶片在不同转角时的最大效率max可用公式计算，即：

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max1(1Mmax)0.30.75D1MD110HM H已知D1M0.46m,HM3.5m,D14.5m,Hr36m代入上式，则得：

max0.46103.551(1Mmax)0.30.7(1Mmax) 10.6514.536 叶片在不同转角时的Mmax值可自图ZZ440型水轮机模型综合特性曲线查得，由此便可用上式求的相应于该角时的水轮机最高效率max，并将计算结果列于表3-2.

表3-2 ZZ440型水轮机效率修正值计算表

叶片转角() Mmax() max() -10 84.9 90.2 5.3 -5 88.0 92.2 4.2 3.2 0 88.8 92.7 3.9 2.9 +5 88.3 92.4 4.1 3.1 +10 87.2 91.7 4.5 3.5 +15 86.0 90.9 4.9 3.9 maxMmax() () 4.3 当选取制造工艺影响的效率修正值11和不考虑异形部件的影响时，便可计算得不同角时效率修正值为：

maxMmax1

将的计算结果亦同时列入表3-2中。

由附表水轮机主要参数查得在最优工况下模型的最高效率

Mmax，由此最优工况很接近于0的等转角线，故采用效率修正值

2.9，这样便可得出原型水轮机的最高效率max为：

max0.0.02991.9

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' 已知在工况(n10115,Q1'1.08)模型的效率为：M87.5，而该点

处于5与10两等角线之间，用内插法可求得该点的效率修正值为

3.39，由此可求得水轮机在工况下的效率为：

0.8750.033990.

与假定的效率90.5差1.19小于3，所以不用修正。 3、转速的计算

maxn1'1由于 'Mmaxn10M0.91910.0160.03 0.'所以不考虑n10的修正，由此求得水轮机的转速为：

n'n10HaD111536153.33rmin 4.5选用与之接近的标准同步转速n=166.7rmin 4、工作范围的验算

在选定的D14.50m,n166.7rmin的情况下，水轮机Q1'max为：

Q1'max4081639.814.523620.919

31.035ms 则水轮机的最大引用流量Qmax为：

QmaxQ1'maxD123Hr1.0354.5236125.75ms

各特征水头下相应的n1'值列表如下: 表3-3 项目 水头（m） 单位转速121.69 n(rmin) '1Hmax Hr Hmin 38 36 125.03 34 128.65 --完整版学习资料分享----

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在ZZ440型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出

Q'1max1.035m3/s,n'1min121.69r/min,n'1max128.65r/min的直线，三线所包围的

水轮机工作范围包含了该特性曲线的部分高效区.所以该设计是不合理的. 5、吸出高程Hs的计算

由水轮机的设计工况（n1'r125.03,Q1'max1.035）在ZZ440型水轮机模型综合特性曲线图上查得相应的汽蚀系数0.34;由设计水头Hr36.0m在汽蚀系数的修正曲线图上查得0.03，则可求得水轮机的吸出高为：

Hs10.0152()H10.0(0.340.03)363.49m4.0m6、安900900装高程

ZAHsxD11503.490.3964.5148.29m

（三）两种方案的比较

由上表可见,HL240型水轮机的转轮直径比ZZ440型的小,而且HL240型水轮机方案的工作范围包含了较多的高效率区域,运行效率较高气蚀系数较小,安装高程较高,有利于提高年发电量和减少电站厂房的开挖工程量.ZZ440型水轮机方案的机组转速较高,有利于减少发电机的尺寸,减低发电机的造价,但是,这种机型的水轮机调节系统的造价较高.根据以上分析,在制造供贷方面没有问题时,初步选定HL240型的方案比较有利. （四）装置方式的确定

在大型水电站中，其数轮发电机组的尺寸较大，安装高程也较低，因此其装置方式多采用竖轴式，这样使发电机的安装位置不容易受潮，机组的转动效率较高，而且水电站厂房的面积较小，设备布置较方便。

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第四章 水轮机运转特性曲线的绘制

水轮机运转特性曲线是针对原型水轮机绘制的,它直接的反映了原型水轮机在各种工况下的特性,水轮机运转特性曲线是在转轮直径和转速为常数时,以水头H为纵坐标和出力N为横坐标,绘制的几组等值线. 1、等效率线.的计算与绘制

在水轮机工作水头变化范围内取Hmax,Hr,Hmin三个H值,绘出对应每个H值的工作特性曲线,在该图上作出各效率的直线,与图中的各线相交,读出所有交点的H,N值并将点绘制在H～N图上,并连成光滑的曲线,这就是该效率的值的等效率曲线,同理也可以得出其他的等效率曲线。 2、出力线的绘制

水轮机最大出力受到发电机额定出力和水轮机5%出力贮备线的双重，在运转综合特性曲线图上，H≥Hr时的出力线为N=Hr的一段垂直直线，H3、等吸出高度线的计算与绘制

等吸出高度线可按下列方法步骤绘制：

1根据等效率曲线计算表中Q'1和N作不同水头下NfQ'1的辅助曲线；

2在相应的模型综合曲线上，作以各水头下n'1M为常数的平线，它与等气蚀系数线分别相交于许多点，记下各点的和Q'1值，并将其列入表中，表中值可由Hr在气蚀系数的修正曲线；

3由上述已知的Q'1可在NfQ'1辅助曲线上查的相应的N值，并记入表中；

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4由公式Hs10.0列入表中；

H计算出各值时相应的吸出高Hs，并900 5根据表中对应的Hs和N作个水头的NfQ'1的辅助曲线，如附图所示；

6在HsfN的辅助曲线上，作某一Hs（如Hs=-3m）为常数平线，它与该辅助曲线交于许多点，并可得出各交点上的H、N值在各点落在H-N坐标场里并连接成光滑曲线，即为吸出高（Hs=-3m）的等吸出高曲线，如附图。

第五章 蜗壳设计 一 蜗壳型式的选择

由于所设计的水电站水头小于40m,为了节约钢材,且梯形断面与圆形断面相等时，梯形断面可以沿轴向上下延伸,与圆形相比径向尺寸较小,可以减少厂房的面积和土建投资,所以本设计采用了混凝土蜗壳,并采用平顶梯形断面. 二 参数的选择 1 断面形式

因为,本设计采用了平顶梯形,所以n=0。当n=0时, γ= 10°～ 15°,

bb=1.5～1.7可达到2.0,本设计选用γ=12°, =1.6。 aa2 包角选择

从蜗壳的鼻端至蜗壳进口断面之间的夹角称为蜗壳包角,常用 来表示,对于混凝土蜗壳由于勘测流量较大,允许的流速较小,通常采用

=180°～270°,本设计采用 =270°.

3 进口平均流速的确定

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当蜗壳的断面形式及包角 确定后,蜗壳进口断面均流速 Vc是决定断面尺寸的主要参数,

三 蜗壳的水利计算与蜗壳单线图的绘制 (1)断面尺寸

mtgrFcab1(rarb)b2b1.6a2 根据公式，其中

FcQ1max125.072702，查《水电站设计手册》(水利机械卷)表18.76m3605360Vc12-15,可知Da=6.35m Db=5.5m

解得a=3.53m b=5.65m m1=4.15m b0=1.5m

(2) 确定中间断面顶角点的变化规律 kam13.534.151.73

Q1max,360Vc根据《水电站》可知中间断面面积Fi与包角 的关系为Fc所以 Ff()是直线,在进口断面做出若干个中间断面,结合已知数据可以求出每个断面的面积Fi. (3)蜗壳单线图的绘制

Ri(m) ai(m) mi(m) Max 1 6.335 3.160 3.67 225 15.28 2 5.975 2.800 3.26 180 12.22 3 5.565 2.390 2.78 135 9.17 4 5.065 1.0 2.20 90 6.11 5 4.415 1.200 1.44 45 3.06 6.71 3.53 4.15 270 18.76 i() Fi(m2) --完整版学习资料分享----

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第六章 尾水管的设计 一 尾水管型式的选择

对于大中型水轮机,为了减少尾水管的开挖深度,均采用弯肘形尾水管 二 尾水管尺寸设计

由《水电设计手册》查得HL240型水轮机转轮流道尺寸D2=1.078D1，尾水管尺寸采用推荐尺寸. 1 进口直锥段

进口直锥段是一段垂直的圆锥形扩散管,进口直径为D3高度为h3锥管段均设金属里衬,以防止旋转水流对管壁的破坏,对混流式水轮机,单边的扩散角 的最优值为7°～ 9°,本设计选用8°,进口直径D3=

D2=1.078D1=4.42m.

2 中间弯肘段(肘管)

肘管是一段90°转角的边截面弯管,其进口断面为圆形,出口断面为矩形,管内一般不设金属里衬。 3 出口扩散段

出口扩散段是一段水平放置,两侧平行,顶板上翘的矩形扩散管, 倾角一般取10°～ 15°,当出口断面宽度过大时,可按水工结构要求加设中间设墩,它的厚度取(0.10～0.15)B5。 4 尾水管尺寸的确定

推荐的尾水管尺寸表

h

L

B5

D4

h4

h6

L1

h5

肘管形式

适用范围

2.5 4.5 2.74 1.32 1.352 0.67 1.75 1.31 标准混凝混流式

D2D1 土肘管

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因为 D1=4.1m,所以可得 h=10.25m L=18.45m B5=11.234m D4 =5.543m h4=5.543m h6=2.747m L1=7.175m h5 =5.371m

混凝土标准肘管尺寸表

B4 L4 a R6 a1 R7 a2 R8 2.74 1.75 0.487 1.160 1.478 0.815 0.107 0.782 因为 h4=5.543m

所以可以按上表求出下列各值B4=11.234m L4 =7.175m a =1.997m R6 =4.756m a1=6.06m R7=3.342m a2=0.439m R8=3.206m . 三 绘制尾水管平面和剖面单线图 见附图

第七章 发电机的选择 （一）发电机型式的选择

水轮发电机的结构型式主要取决于水轮机的型式和转速，同时要兼顾厂房的布置要求，本设计水轮机的额定转速n=107.1r/min,故采用伞式水轮发电机.

（二）各参数的确定

由《机电设计手册》表3-11,对照本设计的具体情况选择型号为 SF45—56/900的水轮发电机,其主要参数及外形尺寸如下: SF45—56/900 型式—半伞式 额定容量—45MW 效率因数 —0.85 额定电压U—10500V 额定转速n=107.1r/min 飞逸转速nf—235r/min

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飞轮力矩GD2—11500t•m2 推力轴承负荷P—570t 转子重量GZ—250t 定子重量Gd—109t 总重量GF—500t 最大运输部件外形尺寸—8×3×2.6 最大运输部件重量—30t 定子铁芯的外径 —900cm 定子铁芯的内径 —842cm 定子铁芯的长度lt=135cm 定子机座高度h1—2590 上机架高度h2—838 推力轴承h3—870 励磁机高度h4—2070 永磁机及转速继电器高度h6—455

定子支撑面至下机架支承面距离距离h8—785 转子磁轭轴向高度h10—1980

发电机主轴高度h11—2035(副)7020(主) 定子支承面至发电机层楼高度h—3428 定子水平线至法蓝底面距离h12—6120 法蓝底面至发电机顶部高程H—9055 机座外径 —10170 风罩内径 —12800 转子外径 —8390 下机架最大跨度 —7760 （三）绘制发电机图 见附图

第八章调速设备选择 （一）调速器选择 1、调速功的计算

水轮机的调速功A为：

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A200~250QHmaxD1

式中Q为水轮机在最大水头Hmax38m下以额定出力Nr40816KW工作时的流量，可依下式求得：

QNr109.49m3/s

9.81HmaxA200~250109.49384.12.7~3.42105N•m30000N•m

2、判别

属大型调速器，则接力器、调速柜和油压装应分别进行计算和选择。 （二）接力器的选择 1、接力器直径计算

采用两个接力器来操作水轮机的导水机构，选用额定油压为2.5MPa，则接力器的直径ds得：

dsD1b0Hmax D1已知导叶数目Z024，为标准正曲率导叶，选取0.03；又导叶的相对高度

b0，由型普表查的为0.365，代入上式得： D1ds0.0314100.365380.473m473mm

由此，在表中选择与之接近而偏大的ds500mm的标准接力器。 2、接力器最大行程计算

接力器最大行程Smax为：Smax1.4~1.8a0man 导叶最大开度a0max可由模型的a0Mmax求得：

a0max=a0MmaxD0Z0M D0MZ0式中a0Mmax可由设计工况点n'1r73.19r/min,Q'1max1240L/s在模型综合特性

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曲线上查的为25mm；同时在图上查的D0M534mm,Z0M24：选用水轮机的

D01.17D11.174.14.7974797mm,Z024。将各值代入上式得：

a0Mmax=25479724225mm

53424当选用计算系数为1.8时，则

Smax1.8225405mm0.405m

3、接力器容积的计算

两个接力器的总容积Vs2d2sSmax20.520.4050.159m2

大型调速器的型号是以主配压阀的直径来表征的，主配压阀的直径d=1.130.1590.106m106mm 44.5由此在表中选择与之相邻而偏大的DTS—100型电气液压型调速器。 4、油压装置的选择

此处油压装置不考虑空放阀和进水阀的用油，则压力油罐的容积

Vk18~20Vs18~200.7582.86~3.118m3

在表中选择与之相邻而偏大的HYZ—4型分离式油压装置。

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