2012水电站课程设计 西农水工 - 图文

第一章 基本资料 .............................................................. 3 第二章 水电站装机容量及组成（台数及单机容量）的选择计算 ..................... 4

2.1估算水电站出力引用 .................................................... 4 2.2水电站装机容量及组成（台数及单机容量）的选择计算 ...................... 4 第三章 水轮机型号的选择 ..................................................... 5

3.1 HL230型水轮机主要参数的选择计算 ..................................... 5

3.1.1．计算转轮直径公式 .............................................. 5

3.1.2．效率修正值??的计算 .......................................... 5 3.1.3．转速n的计算和选择 ............................................ 6 3.1.4．工作范围的检验计算 ............................................ 6 3.1.5．吸出高Hs的计算 .............................................. 8 3.2 A630型水轮机方案主要参数的计算 ...................................... 8 3.2.1．计算转轮直径公式 .............................................. 8

3.2.2．效率修正值??的计算 .......................................... 9 3.2.3．转速n的计算和选择 ............................................ 9 3.2.4．工作范围的检验计算 ........................................... 10 3.2.5．吸出高Hs的计算 ............................................. 11

第四章 蜗壳、尾水管的选择，计算 ........................................... 13 4.1 蜗壳选择，计算 ...................................................... 13

4.1.1蜗壳选择 ...................................................... 13 4.1.2蜗壳选择 ...................................................... 13 4.2尾水管的选择、计算 .................................................. 14 第五章 发电机及调速设备选择 ................................................ 15 5.1发电机选择 .............................................................. 15

5.2调速器选择 .......................................................... 15 第六章 水电站主厂房设计 ..................................................... 16 6.1主厂房各层高程确定 ...................................................... 16

6.1.1水轮机安装高程

Za ............................................. 16 ........................................... 16 ......................................... 16

6.1.2 尾水管底板高程

?WD6.1.3主厂房基础开挖高程6.1.4水轮机层地面高程6.1.5发电机装置高程

?k?SD .......................................... 16

?FZ

............................................ 17

6.1.6发电机层地面高程 ?FD ......................................... 17 6.1.7安装间高程

?A

................................................. 17

6.1.8桥吊轨道高程6.1.9厂房顶高程

?G ............................................... 17

?CD ................................................ 18

6.2主厂房长度确定 .......................................................... 16

6.2.1机组段长度L0的确定 ............................................ 18 6.2.2边机组段加长△L边 .............................................. 19 6.2.3安装间长度L安 ................................................. 19

6.3主厂房宽度确定 .......................................................... 20

第一章 基本资料

拟设计水电站参数资料及相关要求:

某一引水式水电站，经过水文水能计算，确定其各种技术参数及设计要求如下： 1．电站最大水头

Hmax?56m，设计水头和加权平均水头Hr?Hav?52.3m，最小水头

Hmin?48.6m；压力管道长度L=260米，管中最大流速为vmax?4m3/s；

33Q?3?5.14m/sQ?5.14m/s。 maxP?85%2．电站最大可引用流量；

3．拟选用水轮发电机组额定出力（单机容量）及台数

Nf?NP?80%?KQP?80%HrKW,Ny?(3?5)?NfKW,建议取3台；4．水电站站址海拔高程??1350.0m； 5．下游水位流量关系曲线（略）； 6．要求最大允许吸出高

Hs?0m。

第二章 水电站装机容量及组成（台数及单机容量）的选择计算

2.1估算水电站出力引用

式中系数K的取值，对大型水电站，K?8.0~8.5；中小型水电站，K?7.5?8.0；本次设计的水电站属于小型水电站，选择K?7.5。

N?KQH?7.5?5.14?52.3?2016.2kw

2.2水电站装机容量及组成（台数及单机容量）的选择计算

水电站装机容量=水电站全部机组额定出力的总和：水电站实际出力：2016.2kw。

拟选用水轮发电机组额定出力（单机容量）及台数：

Ny?nNf

Nf?2000KW,Ny?3?2000KW；

第三章 水轮机型号的选择

据该水电站的工作水头范围，在反击式水轮机系列型谱表中查得HL230型水轮机和A630水轮机都可使用，这就需要将两种水轮机都列入比较方案，并对其主要参数分别予以计算。

3.1 HL230型水轮机主要参数的选择计算

3.1.1．计算转轮直径公式

D1?

Nr

?9.81Q1HrHr?式中：水轮机额定出力Nr由发电机额定出力（机组出力）Nf和发电机效率换算得出：

Nr?Nf?f

?f—发电机效率，?f?0.96~0.98，对大中型发电机：对中小型发电机?f?0.90~0.96。

本次设计,水电站属于小型水电站，故?f?0.95。

所以： Nr=2000/0.95=2105kw

?可由附表查取，即水轮机在以额定出力工作时,选用限制工况下的Q1?值。水轮机单位流量Q1?是由5%出力限制线条件得到；HL230型水轮机最优单位转速对混流式水轮机，该Q1'n10?71r/min，Q1?=1.11m3/s。

Hr为水轮机的设计水头值，52.3m。

?应为原型水轮机在限制工况下的效率，但由于此时转轮直径D1尚未求得，??不能计算，故得不出确切的?值，计算时可先按经验初步选取，即从附表查出限制工况下的模型

水轮机效率值为85.2%，再加1～2%的裕量，由此可初步假设水轮机在该工况的效率为86.5％。先代入上式中试算，待求得转轮直径D1后再作校核。

将以上各值均代人上式得：

D1?2105?0.77m 3/29.81?1.11?52.3?0.865计算的出的D1值还需按规定的尺寸系列化整为相近的标准直径(参阅附表)，选用较计算值稍大的标准直径D1?0.84m。 3.1.2．效率修正值??的计算

由上式求得的转轮直径D1，和查附表求得模型水轮机在最优工况下的最高效率?Mmax，按以下公式可求得原型水轮机的最高工作效率?max：

由附图9可查得HL220型水轮机在最优工况下模型的最高效率0.907，模

径D1M?0.404m，则原型水轮机的最高效率?max可采用下式计算，即 ?max?1?(1??Mmax)5D1M0.404?1?(1?0.907)5?0.920?92.0% D10.84考虑到制造工艺水平的情况取?1?1%；由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型机基本相似，故认为?2?0；则效率修正值??为：

????max??Mmax??1?0.92?0.907?0.01?0.003 由此得水轮机限制工况的效率为：

???M????0.852?0.003?0.855

计算的水轮机限制工况效率与原来的假设效率相差0.01，因此可以认为两者是一致的。

3.1.3．转速n的计算和选择

按照水轮机相似率公式，水轮机的转速应为n??Hn1 (r/min )D1?应采用最优单位转速n10?，目的是使水轮机在加权平均水头下有最高的效率， 式中：n1?Havn10故水头H应取加权平均水头Hav，故上式可写为：n? (r/min )D1?—原型水轮机的最优单位转速，n10??n10?M??n1? 式中: n10 计算得出的转速n亦需按规定选用相近而偏大的发电机标准同步转速，从而可使发电机

具有较小的尺寸和重量。

由附表1查得在最优工况下的n10?M?71r/min，同时由于：

??max?n1??1??Mn10?Mmax0.92?1?0.007?0.03 0.907?可忽略不计，则以n10所以?n1?M?71r/min代入上式得：

n?7152.3?611.3r/min

0.84选用与之接近标准同步转速n?600r/min。

3.1.4．工作范围的检验计算

按照已选定的D1和n值，在主要综合特性曲线上给出水轮机的相似工作范围，并检验该工作范围是否包括了高效率区。

作法：以水轮机的最大水头Hmax，最小水头Hmin，以及选定的D1和n，计算出单位

?和n1max?；按设计水头Hr和选定的D1计算出水轮机在额定出力工作时的最大单转速的n1min?。然后在水轮机主要综合特性曲线图上分别作以n1min?，n1max?和Q1max?为常数的位流量Q1max直线，这些直线所包括的范围即给出了水轮机的相似工作范围，若此范围包括了主要综合特性曲线的高效率区时，则认为所选定的D1和n是满意的，否则必须适当调整D1和n的数值。

上述相似工作范围尚不足以反映水轮机的真实运行情况，精确地分析水轮机运行情况应根据其运转特性曲线来进行。故上述对D1和n的确定和评定还是初步的。

?max和各种特征水头下在选定的D1?0.84m，n?600r/min的情况下，水轮机的Q1?值分别为： 相应的n1 Q1?max?Nr21053??0.940?1.24m/s 23/223/29.81D1Hr?9.81?0.84?52.3?0.855则水轮机的最大引用流量Qmax为：

?maxD12Hr?0.940?0.842?52.3?4.8m3/s Qmax?Q1?值：在设计水头Hr?52.3m时 n??对n11rnD1HrnD1HmaxnD1?600?0.8452.3?70r/min

在最大水头Hmax?56时 n1?min??600?0.8456?67.3r/min

在最小水头Hmin?48.6时 nmax??Hmin?600?0.8448.6?72.3r/min

在HL220型水轮机的模型综合特性曲线图上，分别画出Q1?max?940L/s，

?min?67.3r/min和n1?max?72.3r/min的直线，如图所示。 n1

3.1.5．吸出高Hs的计算

?r用设计水头?r,Q1max?)下的?值进行计算，n1在方案比较阶段吸出高Hs可按设计工况(n1?r?Hr及选定的D1和n值按下式求得：n1nD1?r在主要综合特性曲线上作平线，与，用n1Hr?对应点的?即为设计工况下的?值。 Q1max0所以 Hs?10.????(???H) 900?r?70，Q1由水轮机的设计工况（n1?max?940）在HL230型水轮机的模型综合特性曲线

图上可查得相应的汽蚀系数??0.17；再由设计水头Hr?52.3m，在空蚀系数的修正曲线图（书中52页，图3-16）中可查得???0.021，于是可求得水轮机的吸出高为：

Hs?10.0?1350?(0.17?0.021)?52.3??1.5m?0 900

3.2 A630型水轮机方案主要参数的计算

3.2.1．计算转轮直径公式

D1?

Nr

?9.81Q1HrHr?式中：水轮机额定出力Nr由发电机额定出力（机组出力）Nf和发电机效率换算得出：

Nr?Nf?f

?f—发电机效率，?f?0.96~0.98，对大中型发电机：对中小型发电机?f?0.90~0.96。

本次设计,水电站属于小型水电站，故?f?0.95。

所以： Nr=2000/0.95=2105kw

?可由附表查取，即水轮机在以额定出力工作时,选用限制工况下的Q1?值。水轮机单位流量Q1?是由5%出力限制线条件得到；HL230型水轮机最优单位转速对混流式水轮机，该Q1'n10?72r/min，Q1?=0.95m3/s。

Hr为水轮机的设计水头值，52.3m。

?应为原型水轮机在限制工况下的效率，但由于此时转轮直径D1尚未求得，??不能计算，故得不出确切的?值，计算时可先按经验初步选取，即从附表查出限制工况下的模型

水轮机效率值为90%，再加1～2%的裕量，由此可初步假设水轮机在该工况的效率为91％。先代入上式中试算，待求得转轮直径D1后再作校核。

将以上各值均代人上式得：

D1?2105?0.81m 3/29.81?0.95?52.3?0.91计算的出的D1值还需按规定的尺寸系列化整为相近的标准直径(参阅附表)，选用较计算值稍大的标准直径D1?0.84m。

3.2.2．效率修正值??的计算

由上式求得的转轮直径D1，和查附表求得模型水轮机在最优工况下的最高效率?Mmax，按以下公式可求得原型水轮机的最高工作效率?max：

由附图9可查得HL220型水轮机在最优工况下模型的最高效率0.947，模径D1M?0.36m，则原型水轮机的最高效率?max可采用下式计算，即 ?max?1?(1??Mmax)5D1M0.36?1?(1?0.947)5?0.955?95.5% D10.84考虑到制造工艺水平的情况取?1?1%；由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型机基本相似，故认为?2?0；则效率修正值??为：

????max??Mmax??1?0.955?0.947?0.01?0.002 由此得水轮机限制工况的效率为： ???M????0.90?0.002?0.902

计算的水轮机限制工况效率与原来的假设效率相差0.008，因此可以认为两者是一样的。

3.2.3．转速n的计算和选择

按照水轮机相似率公式，水轮机的转速应为n??Hn1 (r/min )D1?应采用最优单位转速n10?，目的是使水轮机在加权平均水头下有最高的效率， 式中：n1故水头H应取加权平均水头Hav，故上式可写为：n??Havn10 (r/min )D1?—原型水轮机的最优单位转速，n10??n10?M??n1? 式中: n10 计算得出的转速n亦需按规定选用相近而偏大的发电机标准同步转速，从而可使发电机

具有较小的尺寸和重量。

由附表1查得在最优工况下的n10?M?72r/min，同时由于：

??max?n1??1??Mn10?Mmax0.955?1?0.004?0.03 0.947?可忽略不计，则以n10所以?n1?M?72r/min代入上式得：

n?7252.3?620r/min

0.84选用与之接近标准同步转速n?600r/min。 3.2.4．工作范围的检验计算

按照已选定的D1和n值，在主要综合特性曲线上给出水轮机的相似工作范围，并检验该工作范围是否包括了高效率区。

作法：以水轮机的最大水头Hmax，最小水头Hmin，以及选定的D1和n，计算出单位

?和n1max?；按设计水头Hr和选定的D1计算出水轮机在额定出力工作时的最大单转速的n1min?。然后在水轮机主要综合特性曲线图上分别作以n1min?，n1max?和Q1max?为常数的位流量Q1max直线，这些直线所包括的范围即给出了水轮机的相似工作范围，若此范围包括了主要综合特性曲线的高效率区时，则认为所选定的D1和n是满意的，否则必须适当调整D1和n的数值。

上述相似工作范围尚不足以反映水轮机的真实运行情况，精确地分析水轮机运行情况应根据其运转特性曲线来进行。故上述对D1和n的确定和评定还是初步的。

?max和各种特征水头下在选定的D1?0.84m，n?600r/min的情况下，水轮机的Q1?值分别为： 相应的n1 Q1?max?Nr2105??0.88?0.95m3/s 23/223/29.81D1Hr?9.81?0.84?52.3?0.91则水轮机的最大引用流量Qmax为：

?maxD12Hr?0.88?0.842?52.3?4.49m3/s Qmax?Q1?值：在设计水头Hr?52.3m时 n??对n11rnD1HrnD1HmaxnD1?600?0.8452.3?70r/min

在最大水头Hmax?56时 n1?min??600?0.8456?67.3r/min

在最小水头Hmin?48.6时 nmax??Hmin?600?0.8448.6?72.3r/min

在HL220型水轮机的模型综合特性曲线图上，分别画出Q1?max?880L/s，

?min?67.3r/min和n1?max?72.3r/min的直线，如图所示。 n1

3.2.5．吸出高Hs的计算

?r用设计水头?r,Q1max?)下的?值进行计算，n1在方案比较阶段吸出高Hs可按设计工况(n1?r?Hr及选定的D1和n值按下式求得：n1nD1?r在主要综合特性曲线上作平线，与，用n1Hr?对应点的?即为设计工况下的?值。 Q1max0所以 Hs?10.????(???H) 900?r?70，Q1由水轮机的设计工况（n1?max?940）在A630型水轮机的模型综合特性曲线

图上可查得相应的汽蚀系数??0.09；再由设计水头Hr?52.3m，在空蚀系数的修正曲线图（书中52页，图3-16）中可查得???0.021，于是可求得水轮机的吸出高为：

Hs?10.0?1350?(0.09?0.021)?52.3?2.7m?0 900

为了便于分析比较，现将上述两种方案的有关参数列表如下： 序号 项目 HL230 A630 1 模型转轮 推荐使用的水头范围（m） 最优单位转速（r/min） 最优单位流量（L/s） 限制工况单位流量（L/s） 最高效率（%） 设计工况汽蚀系数 35~65 ＜150 2 3 4 参 数 71 1110 72 770 950 5 6 7 8 9 10 11 12 13 原型转轮 参 数 90.7% 0.170 48.6~56 0.84 600 85.2% 2000 4.8 -1.5 94.7% 0.09 48.6~56 0.84 600 91% 2000 4.49 2.7 工作水头范围（m) 转轮直径D1（m） 转速（r/min） 最高效率（%） 额定出力（kW） 最大引用流量 吸出高

从表中可以看出，两种不同的机型方案在同样水头下同时满足额定出力的情况下，A630型方案与HL230型方案相比较，它具有效率高，汽蚀系数小等优点，初步选用A630型方案较为有利。

第四章 蜗壳、尾水管的选择，计算

4.1 蜗壳选择，计算

4.1.1蜗壳选择

本次设计设计水头56m,大于40m,选用金属蜗壳。 4.1.2蜗壳选择

蜗壳进口平均流速 vc?KHr

由金属蜗壳的流速系数与设计水头的关系，可以查出k=0.97,vc?0.9752.3?7.01,金属蜗壳的包角245°。

金属蜗壳的水力计算，蜗壳自进口到鼻端均认为是按标准的圆形由大到小的，对于进口断面

Qmax?04.49?3450Fc???0.614m2 00360vc360?7.01

水轮机座环的固定导叶外径1.66m,内径为1.4m,所以外半径ra?0.83m

从水轮机主轴中心到该断面的外缘半径为Rmax?ra?2pmax?0.83?2?0.442?1.714m其计算结果如下表：

a

0 30 60 75 90 120 150 165 180 210 240 255 270 300 330 345

b 0 0.13 0.18 0.20 0.22 0.26 0.29 0.30 0.31 0.34 0.36 0.38 0.39 0.41 0.43 0.44 c 0.83 1.0 1.19 1.24 1.28 1.35 1.41 1.44 1.46 1.51 1.56 1.59 1.61 1.65 1.69 1.71

由此便可绘制出蜗壳断面和平面的单线图。

4.2尾水管的选择、计算

尾水管采用4H系列标准肘管的尾水管中的Z6型。其直锥段，弯肘段和平直扩散段各部分的尺寸，根据所选水轮机型号及转轮直径D1，从附表中查出的数字分别乘以D1值即为实际尺寸，如下表：

肘形尾水管尺寸型号Z6D4h4B4L4h6aR6a1R7a2R81.352 1.352 2.740 1.750 0.670 0.487 1.160 1.478 0.815 0.107 0.782 实际1.136 1.136 2.302 1.470 0.563 0.409 0.974 1.242 0.685 0.090 0.657

第五章 发电机及调速设备选择

5.1发电机选择

根据单机容量，转速等条件根据附表 可选择TSL 260/52-10型发电机。

5.2调速器选择

水轮机的调速设备一般包括调速柜．主接力器和油压装置三部分。中小型调速器是将这三部分组合在一起成为一个整体设备，它以主接力器的工作容量（即调速功）为表征组成标准系列。因此在选择时只需要计算出机组的调速功即可．

中小型水轮机的调速功是指接力器活塞上的油压作用力与其行程的乘积(kg。m)，对反击式水轮机一般可采用以下经验公式进行计算

A?(20~25)QHmaxD1J?； 式中 A?调速功?kg?m,1kg?m?9.80665

Hmax?最大水头(m)，为56m；

Q?最大水头下额定出力时的流量(m3/S)，为4.3m3/s;

D1?水轮机转轮直径(m)，为0.84m。

代入可得：

A?(20~25)QHmaxD1?22?4.3?56?0.84?649kg?m

由计算所得的调速功A可在调速器系列型谱表（见下表 ）中选出调速器YT1000型。

表 调 速 器 性 能 表工作油压（公斤/厘米2）调 速 器 型 号YT－3000YT－1800YT－1000YT－600YT－300TT－300TT－150TT－75TT－3524接力器作用力F（公斤）2220855058804450270015402465114365032518725049803775229013051830967550275165950408031001880107014957914502251160615350175142430101800990600302接力器容量A（公斤·米）22265515908755302663001587537.520230013807604602302001376532.518194511706453901942201165527.5161590960530320158180954522.5140743517.5141115098507680580035202010678051253110177525001319750375

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