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　　河海大学热动2001级毕业设计计算书 孙伟华 水轮机的选型设计 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65-84.5m，查[《水电站机电设计手册—水力机械》表1-4]适合此水头范围水轮机的类型有斜流式和混流式。 又根据混流式水轮机的优点： 比转速范围广，适用水头范围广；、 结构简单，价格低； 装有尾水管，可减少转轮出口水流损失； 因此，选择混流式水轮机。 二．比转速的选择 水轮机的设计水头估算为 适合此水头范围的有HL260/D74和HL240/D41. [根据本电站水头变化范围(H=64-85m)查《水电站机电设计手册—水力机械》表1-4] 三．单机容量 台数 单机容量（万千瓦） 2 16 3 32/3 4 8 5 6.4 第二节 原型水轮机主要参数的选择 根据电站建成后,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。 首先进行HL260/D74水轮机的选择 一．二台 1、计算转轮直径 水轮机额定出力： 上式中： -----发电机效率,取0.98 -----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=1.247m3/s,对应的模型效率ηm=894%，暂取效率修正值 Δη=0.03，η=0.894+0.03=0.924。模型最高效率为924%。 按我国规定的转轮直径系列（见《水轮机》课本），计算值处于标准值4.5m和5m之间，且接近5m，暂取D1=5.0m。 2、计算原型水轮机的效率 Δη=ηmax-ηM0=0.955-0.924=0.031 η=ηm+Δη=0.894+0.031=0.925 同步转速的选择 此值介于125r/min和136.4 r/min之间，且接近136.4r/min，所以取n=136.4r/min。 水轮机设计流量Qr的计算 Qr==1.247××=260.5/s 飞逸转速的计算 ==150.4×=276.5r/min 6、计算水轮机的运行范围 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 二．三台 1、计算转轮直径 水轮机额定出力： 计算值处于标准值3.8m和4.1m之间，且接近4.1m，暂取D1=4.1m。 2、计算原型水轮机的效率 Δη=ηmax-ηM0=0.954-0.924=0.03 η=ηm+Δη=0.894+0.03=0.924 3、同步转速的选择 此值介于150r/min和166.7r/min之间，且接近166.7r/min，所以取n=166.7r/min。 4、水轮机设计流量Qr的计算 Qr==1.247××=175.1/s 5、飞逸转速的计算 ==150.4×=337.2r/min 6、计算水轮机的运行范围 设计工况的单位流量===1.22/s 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 三．四台 1、计算转轮直径 水轮机额定出力： 计算值处于标准值3.3m和3.8m之间，故取标准值=3.3m, =3.8m 当=3.3m时 2、计算原型水轮机的效率 Δη=ηmax-ηM0=0.951-0.924=0.027 η=ηm+Δη=0.894+0.027=0.921 3、同步转速的选择 此值介于187.5r/min和214.3r/min之间，=187.5r/min, =214.3r/min 当=187.5r/min时， 4、水轮机设计流量Qr的计算 Qr==1.247××=113.5/s 5、飞逸转速的计算 ==150.4×=419.0r/min 6、计算水轮机的运行范围 设计工况的单位流量===1.42/s 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 当=214.3r/min时， 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 当=3.8m时 2、计算原型水轮机的效率 Δη=ηmax-ηM0=0.953-0.924=0.029 η=ηm+Δη=0.894+0.029=0.923 3、同步转速的选择 此值介于166.7r/min和187.5r/min之间，=166.7r/min, =187.5r/min 当=166.7r/min时， 4、水轮机设计流量Qr的计算 Qr==1.247××=150.4/s 5、飞逸转速的计算 ==150.4×=363.8r/min 6、计算水轮机的运行范围 设计工况的单位流量===1.07/s 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 当=187.5r/min时， 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 四．五台 1、计算转轮直径 水轮机额定出力： 计算值处于标准值3.0m和3.3m之间，故取标准值=3.0m, =3.3m 当=3.0m时 2、计算原型水轮机的效率 Δη=ηmax-ηM0=0.951-0.924=0.027 η=ηm+Δη=0.894+0.027=0.921 3、同步转速的选择 此值介于214.3r/min和250r/min之间，=214.3r/min, =250r/min 当=214.3r/min时， 4、水轮机设计流量Qr的计算 Qr==1.247××=93.8/s 5、飞逸转速的计算 ==150.4×=460.8r/min 6、计算水轮机的运行范围 设计工况的单位流量===1.37/s 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 当=250r/min时， 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 当=3.3m时 2、计算原型水轮机的效率 Δη=ηmax-ηM0=0.951-0.924=0.027 η=ηm+Δη=0.894+0.027=0.921 3、同步转速的选择 此值介于187.5r/min和214.3r/min之间，=187.5r/min, =214.3r/min 当=187.5r/min时， 4、水轮机设计流量Qr的计算 Qr==1.247××=113.5/s 5、飞逸转速的计算 ==150.4×=419.0r/min 6、计算水轮机的运行范围 设计工况的单位流量===1.13/s 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 当=214.3r/min时， 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 当根据水头范围选择：HL240/D41时，n11=77r/min, 一．二台 1、计算转轮直径 水轮机额定出力： 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=1.123m3/s,对应的模型效率ηm=87.6%，暂取效率修正值 Δη=0.03，η=0.876+0.03=0.906。模型最高效率为924%。 计算值处于标准值5.0m和5.5m之间，取D1=5.0m, D1=5.5m。 当D1=5.0时 2、计算原型水轮机的效率 Δη=ηmax-ηM0=0.945-0.906=0.039 η=ηm+Δη=0.76+0.039=0.915 3、同步转速的选择 此值介于125r/min和136.4 r/min之间，取n=125.0r/min，n=136.4r/min。 当n=125.0r/min 4、水轮机设计流量Qr的计算 Qr==1.123××=234.6/s 5、飞逸转速的计算 ==146.7×=269.7r/min 设计工况的单位流量===1.25/s 6、计算水轮机的运行范围 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 当N=136.4时 计算水轮机的运行范围 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 当D1=5.5时 2、计算原型水轮机的效率 Δη=ηmax-ηM0=0.946-0.906=0.04 η=ηm+Δη=0.76+0.04=0.916 3、同步转速的选择 此值介于115.4r/min和120.0 r/min之间，取n=115.4r/min，n=120.0r/min。 当n=115.4r/min 4、水轮机设计流量Qr的计算 Qr==1.123××=283.8/s 5、飞逸转速的计算 ==146.7×=245.2r/min 设计工况的单位流量===1.03/s 6、计算水轮机的运行范围 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 当N=125.0r/min时 计算水轮机的运行范围 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 二．三台 1、计算转轮直径 水轮机额定出力： 计算值处于标准值4.1m和4.5m之间，暂取D1=4.1m, D1=4.5m。 当D1=4.1m时 2、计算原型水轮机的效率 Δη=ηmax-ηM0=0.943-0.906=0.037 η=ηm+Δη=0.876+0.037=0.913 3、同步转速的选择 此值介于150r/min和166.7r/min之间，取n=150r/min，n=166.7r/min。 当n=150r/min时 4、水轮机设计流量Qr的计算 Qr==1.123××=157.7./s 5、飞逸转速的计算 ==146.7×328.9r/min 6、计算水轮机的运行范围 设计工况的单位流量===1.24/s 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 当=166.7r/min时， 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 当D1=4.5m时 2、计算原型水轮机的效率 Δη=ηmax-ηM0=0.944-0.906=0.038 η=ηm+Δη=0.876+0.038=0.914 3、同步转速的选择 此值介于136.4r/min和150r/min之间，取n=150r/min 4、水轮机设计流量Qr的计算 Qr==1.123××=190.0./s 5、飞逸转速的计算 ==146.7×=299.7r/min 6、计算水轮机的运行范围 设计工况的单位流量===1.03/s 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 三．四台 1、计算转轮直径 水轮机额定出力： 计算值处于标准值3.3m和3.8m之间，故取标准值=3.8m 2、计算原型水轮机的效率 Δη=ηmax-ηM0=0.942-0.906=0.036 η=ηm+Δη=0.876+0.036=0.912 3、同步转速的选择 此值介于166.7r/min和187.5r/min之间，=166.7r/min, =187.5r/min 当=166.7r/min时， 水轮机设计流量Qr的计算 Qr==1.123××=135.5/s 飞逸转速的计算 ==146.7×=354.9r/min 4、计算水轮机的运行范围 设计工况的单位流量===1.08/s 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 当=187.5r/min时， 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 四．五台 1、计算转轮直径 水轮机额定出力： 计算值处于标准值3.3m和3.8m之间，故取标准值=3.3m 2、计算原型水轮机的效率 Δη=ηmax-ηM0=0.940-0.906=0.034 η=ηm+Δη=0.876+0.034=0.910 3、同步转速的选择 此值介于187.5r/min和214.3r/min之间，=187.5r/min, =214.3r/min 当=187.5r/min时， 4、水轮机设计流量Qr的计算 Qr==1.123××=102.2/s 5、飞逸转速的计算 ==146.7×=408.6r/min 6、计算水轮机的运行范围 设计工况的单位流量===1.15/s 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 当=214.3r/min时， 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 七．各方案列表如下(HL260/D74) 台数 直径 转速 2 5.0 136.4 84.6 79.2 74.2 3 4.1 166.7 84.8 79.7 74.3 4 3.3 187.5 76.7 72.2 67.3 214.3 87.8 82.5 76.9 3.8 166.7 78.6 73.9 68.9 187.5 88.4 83.1 77.5 5 3.0 214.3 79.7 75.0 69.9 250 93.0 87.5 81.6 3.3 187.5 76.7 72.2 67.3 214.3 87.7 82.5 76.9 各方案列表如下(HL240/D41) 台数 直径 转速 2 5.0 125 77.5 72.9 68.0 136.4 84.6 79.6 74.2 5.5 115.4 78.7 74.0 69.0 125 85.3 80.2 74.8 3 4.1 150 76.3 71.7 66.9 166.7 84.8 79.7 74.4 4.5 150 83.7 78.7 73.4 4 3.8 166.7 78.6 73.9 68.9 187.5 88.4 83.1 77.5 5 3.3 187.5 76.7 72.2 67.3 214.3 87.7 82.5 76.9 第三节 较优方案选择 说明：a、在最小水头下，水轮机不能发出额定出力，此时水轮机受到出力限制线的限制，所以不需要试算最小水头下的Q11 b、在最大水头和平均水头下的Q11值，所用的原型水轮机效率η计算出来的Q11。但是Q11和此水头对应的n11的交点的模型水轮机效率加上修正值并不一定等于η，这就需要试算。 C、在平均水头下，有些方案的Q11偏大，无法从特征曲线上找到。 设计工况单位流量： 试算法作发电机出力限制线，并换算到水轮机运转综合特性曲线上，同时也返算出设计水头。 由Q11ηT=Pr/9.81D12H1.5=C，假定一个ηT，由此公式计算出一个Q11’,再由Q11’和对应水头的n11在图上找到一点，并查出此点的ηm,将此ηm转换成原型效率ηT’（按限制工况点效率误差Δη计），将ηT’代入公式计算，重复前面的过程，直到两次单位流量相差值小于5%就认为可以了。 按上述方法求出发电机出力限制线并换算到水轮机运转综合特性曲线上。发电机出力限制线与水轮机出力限制线的交点，通过交点的值反求设计水头的值。 一、试算 各方案列表如下：HL260/D74 方案 平均水头=73.5m 最高水头=84.5m Ⅰ 0.924 1.10 0.905 0.916 Ⅱ 0.924 1.1 0.898 0.915 Ⅲ 0.818 1.435 0.905 1.055 Ⅳ 0.81 1.45 0.92 1.04 Ⅴ 0.908 0.976 0.872 0.825 Ⅵ 0.892 0.993 0.864 0.83 Ⅶ 0.83 1.37 0.915 1.01 Ⅷ 0.855 1.33 0.904 1.02 Ⅸ 0.908 1.037 0.878 0.869 Ⅹ 0.922 1.022 0.882 0.866 HL240/D41 方案 平均水头=73.5m 最高水头=84.5m Ⅰ 0.821 1.228 0.915 0.898 Ⅱ 0.842 1.199 0.90 0.913 Ⅲ 0.914 0.915 0.878 0.772 Ⅳ 0.908 0.921 0.872 0.777 Ⅴ 0.822 1.219 0.902 0.905 Ⅵ 0.848 1.184 0.912 0.895 Ⅶ 0.912 0.915 0.878 0.77 Ⅷ 0.914 0.962 0.892 0.799 Ⅸ 0.906 0.971 0.882 0.808 Ⅹ 0.870 1.073 0.892 0.850 Ⅺ 0.904 1.034 0.882 0.859 二、初选较优方案 根据前面拟定的各方案的工作范围是否包含高效区，或者包含高效区的面积大小；发电机出力限制线是否靠近水轮机出力限制线；设计水头与平均水头是否接近，平均水头对应的单位转速是否接近最优工况下的单位转速等原则来初选较优方案。所列较优方案如下： 方案 台数 水轮机型号 容量 （万千瓦） 直径（m） 转速(r/min) Ⅰ 4 HL260 8 3.3 187.5 Ⅱ 5 HL260 6.4 3.0 214.3 Ⅲ 2 HL240 16 5 125 Ⅳ 3 HL240 32/3 4.1 150 三、反算设计水头 方案I： 方案II： 方案III： 方案Ⅳ: 第四节 技术经济指标计算 一．动能经济指标 根据运转特性曲线，求各方案的平均效率 1．绘制转轮运转综合特性曲线 等效率曲线的绘制： 在水轮机工作水头范围（Hmin～Hmax）内取4个水头值，计算各水头对应的单位转速N11，以各N11值在模型综合特性曲线上作水平线与其等效率线相交得一系列交点，根据交点处的Q11和ηm计算出原型水轮机的效率η和出力P具体结果见附表3。然后对每个水头值作等效率曲线。 在曲线η=f（P）上过某效率值水平线与曲线相交，记下各点P，H值。 将各点的H、P值绘在坐标图上，将各点连成光滑曲线，即为某η的效率值。 绘制出力限制线。在Hr～Hmax之间，是一条P=Pr的直线。在Hmin～Hr之间出力限制线一般由模型综合特性曲线%出力限制线换算而得。各方案的曲线．根据所绘制的运转特性曲线计算各方案的平均效率 利用面积法求各方案的平均效率 式中η1、η2为特性曲线上相邻等效率线上的效率值，A为两相邻效率线之间的面积。具体结果见下表： 方案 I Ⅱ Ⅲ Ⅳ 水轮机平均效率 91.8658% 91.0863% 90.84135% 91.17202% 二．机电设备投资和耗钢量 （一）、水力机械部分 A 、水轮机 由前选型计算可知选择水轮机为HL260/D74转轮直径查《水利机械》P139图2-55,估算各种方案的水轮机的重量: 方案Ⅰ,HL260/D74, Z=4台,D1=3.3m,G=210t,总重2104=840t,总价840×2.5=2100万元； 方案Ⅱ, HL260/D74,Z=5台,D1=3.0m,G=160t,总重160×5=800t,总价800×2.5=2000万元； 方案Ⅲ,HL240/D41,Z=2台,D1=5.0m,G=570t,总重570×2=1140t,总价1140×2.5=2850万元； 方案Ⅳ,HL240/D41,Z=3台,D1=4.1m,G=345t,总重345×3=1035t,总价1035×2.5=2587.5万元； B.调速器 按一台80万元来考虑，故各方案总价估算如下： 方案Ⅰ 总价80×4=320万元 方案Ⅱ 总价80×5=400万元 方案Ⅲ 总价80×2=160万元 方案Ⅳ 总价80×3=240万元 C、 起重设备 起重机的重量由跨度和转子重量(查水力机械表7-17),然后乘以单价得到投资。数据及计算过程如下： 方案Ⅰ 跨度:3.3×4.5=14.85m, 起重机重:165T,投资165×1.2=198万元； 方案Ⅱ 跨度:3.0×4.5=13.5m, 起重机重:140T,投资：140×1.2=168万元; 方案Ⅲ 跨度:5.0×4.5=22.5m, 起重机重:305T,投资：305×1.2=366万元; 方案Ⅳ 跨度:4.1×4.5=18.45m, 起重机重:208T,投资:208×1.2=249.6万元; D、 辅助设备部分 辅助设备投资=k%×（水轮机+调速器） 查原始资料汇编59页可得各方案的k值：估算分别为： 方案Ⅰ Pg=8万KW k=3.99% 总价为：3.99%×（2100+320）=96.56万元 方案Ⅱ Pg=6.4万KW k=4.35% 总价为：4.35%×（2000+400）=100.4万元 方案Ⅲ Pg=16万KW k=2.9% 总价为：2.9%×（2850+160）=87.29万元 方案Ⅳ Pg=32/3万KW k=3.5% 总价为：3.5%×（2587.5+240）=98.96万元 E 、设备安装运行费 安装设备运输费=κ%×设备总价 查原始资料汇编可得各方案的κ值，分别为：8 %，9.2 %，7.7 %， 7.9%故有： 方案Ⅰ： 总价为：8%×（2100+320+198+96.56）=214.45万元 方案Ⅱ： 总价为：9.2%×（2000+400+168+100.4）=245.45万元 方案Ⅲ： 总价为7.7%×（2850+160+366+87.29）=266.67万元 方案Ⅳ 总价为7.9%×（2584.5+240+249.6+98.96）=250.91万元 （二）、电气部分 A 、水轮发电机 查 《电气一次》P183 （t）计算， 上式中： KG-----估算系数，悬式机组范围为8～10，伞式机组7～9； Nn-----容量（KVA）. 当发电机额定转速大于150r/min时，采用悬式机组KG =9。 所选方案发电机额定转速均大于150r/min时，采用悬式机组，取KG =9 估算各方案发电机的重量： 方案Ⅰnn=187.5r/min,Pr=80000KW，则： 总重：G总=4GF=3×568.45=2273.8t 转子重:/2=284.23(t) 总价为2273.8×3＝6821.35(万元) 方案Ⅱ nn =214.3r/min,Pr=64000KW，则： 总重：G总=5GF=5×448.1=2240.64t 转子重:/2=224.1(t) 总价为2240.64×3＝6721.9(万元) 方案Ⅲ nn =125r/min,Pr= KW，则： 总重：G总=2GF=2×1030.92=2061.84 t 转子重:/2=515.5(t) 总价为2061.84×3＝6306.21(万元) 方案Ⅳnn =150r/min,Pr=/3 KW，则： 总重：G总=2GF=2×710.29=2130.87t 转子重:/2=355.15(t) 总价为2130.87×3＝6392.6(万元) B、变压器 查《电气一次》P217页可得： 方案Ⅰ Z=4台 总重：100×4=400t 总价为：400×4=1600万元 方案Ⅱ Z=5台 总重：90×5=450t 总价为：450×4=1800万元 方案Ⅲ Z=2台 总重：140×2=280t 总价为：280×4=1120万元 方案Ⅳ Z=3台 总重：117×3=351t 总价为：351×4=1404万元 C、 开关设备 在初步设计时开关单价按100万元/台计算，每台机组设有1台开关，由此计算各方案开关设备投资如下： 方案Ⅰ 总价100×4=400（万元） 方案Ⅱ 总价100×5=500（万元） 方案Ⅲ 总价100×2=200（万元） 方案Ⅳ 总价100×3=300（万元） D、 电气自动化设备 根据设计任务书P2所述，估算时以发电机、变压器和开关设备总价的10%计算。计算结果如下： 方案Ⅰ 总价为：10%×（6821.35+1600 400） =882.1万元 方案Ⅱ 总价为：10%×（6721.9+1800+500）=902.2万元 方案Ⅲ 总价为：10%×（6306.21+1120+200）=762.62万元 方案Ⅳ 总价为：10%×（6392.6+1404+600）=809.66万元 E、电气部分运输费 根据设计任务书P2所述，估算时以发电机、变压器。开关设备总价和电气自动化设备的κ%计算 方案Ⅰ 总价为：8%×（6821.35+1600+400+882.1） =776.276万元 方案Ⅱ 总价为：8.2%×（6721.9+1800+500+902.2）=813.776万元 方案Ⅲ 总价为：7.7%×（6306.21+1120+200+762.62）=645.94万元 方案Ⅳ 总价为：7.9%×（6392.6+1404+300+809.66）=703.59万元 第五节 最优方案选择 一、水力机械投资估算表 方案 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 水轮机单重（吨/台） 210 160 570 345 水轮机总重（吨） 840 800 1140 1035 水轮机单价（万元/吨） 2.5 2.5 2.5 2.5 水轮机总价（万元） 2100 2000 2850 2587.5 调速器单价（万元/台） 80 80 80 80 调速器总价（万元） 320 400 160 240 起重机重量（吨） 165 140 305 208 起重机单价（万元/吨） 1.2 1.2 1.2 1.2 起重机总价（万元） 198 168 366 249.6 变压器重量(吨) 400 450 280 351 辅助设备投资（万元） 96.56 100.4 87.29 98.96 安装运输费（万元） 214.45 245.49 266.67 250.41 总投资（万元） 2929 2913.9 3729.96 3426.97 总耗钢量（吨） 1405 1390 1785 1648 单位千瓦投资（元/千瓦） 91.53 91.06 116.56 107.09 千瓦耗钢量（公斤/千瓦） 4.391 4.343 5.578 5.15 二、电气部分投资估算表 方案 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 发电机单重 （吨/台） 568.45 448.1 1030.92 710.29 发电机总重（吨） 2273.8 2240.64 2061.84 2130.87 发电机单价（万元/吨） 3 3 3 3 发电机总价（万元） 6821.35 6721.9 6306.21 6392.6 变压器、开关总价（万元） 2000 2300 1320 1704 自动化设备总价（万元） 882.1 902.2 762.62 809.66 设备安装运输费（万元） 776.273 813.776 645.94 706.59 总投资（万元） 9703.45 10737.88 9034.77 9609.85 单位千瓦投资（元/千瓦） 303.23 335.56 282.34 300.31 三、方案总表 项目 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 最大水头Hmax(m) 84.5 84.5 84.5 84.5 最小水头Hmin(m) 64 64 64 64 平均水头Hp(m) 73.5 73.5 73.5 73.5 装机容量Ny(万kw) 32 32 32 32 水轮机型号 HL260 HL260 HL240 HL240 单机容量N(万kw) 8 6.4 16 32/3 机组台数 4 5 2 3 转轮直径D1(m) 3.3 3.0 5.0 4.1 机组转速(r/min) 187.5 214.3 125 150 计算水头Hr(m) 73.01 72.39 75.1 74 水轮机最高效率 95% 95% 94.9% 94% 水轮机平均效率% 91.17202 91.0863 90.84135 91.8658 模型最高效率时的n1 79 79 77 77 总投资(万元) 12632.45 13651.78 12764.73 13036.82 单位千瓦投资(万元/万KW) 394.76 426.62 398.9 407.4 比较结果 方案Ⅰ单位千瓦投资最少,效率较高 三、最优方案的选择 由以上表可知，方案Ⅰ的投资最小，单位千瓦投资最小，耗钢量最低，平均效率最高，故采用方案Ⅰ作为最优方案。 四、最优方案吸出高度的计算 设计水头 设计水头对应的单位转速与出力限制线的较点的， 则 查原始资料P42得 第六节 最优方案的进出流水道计算 转轮的计算 如图所示，由《水电站动力设备设计手册》可查的HL260具体尺寸： D1 D2 D3 D4 D5 D6 b0 h1 h2 h3 h4 1.0 1.086 1.16 0.772 0.401 0.12 0.28 0.05 0.279 0.509 0.309 3.3 3.584 3.83 2.548 1.323 0.396 0.924 0.165 0.921 1.68 1.02 二、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：65～84.5m140m,故，采用钢板焊接蜗壳，蜗壳断面为圆形，当蜗壳尾部用圆断面不能和座环蝶形边相连接时，采用椭圆形断面，蜗壳的包角为345度。 2、 座环的确定与金属 连接的座环有两种：一种是带蝶形边座环；一种是无蝶形边座环。我们采用带蝶形边座环，其锥角为55度。其有关尺寸见下表2－11： 表2－11 名称 Da (m) Db(m) K(m) r(m) 座环参数 5.2 4.4 0.125 0.3 3、 蜗壳参数计算 蜗壳包角 进口断面流量 进口断面流速 进口断面面积 进口断面半径 进口断面中心 上式中 : h=(bo+0.2D)/2 (0.924+0.2*3.3)/2=0.792m =+K=2.287+0.125=2.41m 进口断面外径=+=4..55+2.28=6.83 由进口断面尺寸a求出蜗壳系数和蜗壳常数 4、圆断面计算 具体计算见附表 5、椭圆断面的计算 当 ρS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 列表计算（圆形断面） 断面号 φi xi ρi αi Ri 1 345 1. 2. 4. 6. 2 330 1. 2. 4. 6. 3 315 1. 1. 4. 6. 4 300 1. 1. 4. 6. 5 285 1. 1. 4. 6. 6 270 1. 1. 4. 6. 7 255 1. 1. 4. 6. 8 240 1. 1. 4. 5. 9 225 1. 1. 4. 5. 10 210 1. 1. 4. 5. 11 195 1. 1. 4. 5. 12 180 1. 1. 3. 5. 13 165 1.11059 1. 3.83559 5. 椭圆断面 断面号 φi ρ2i Ai ρ1i ρi αi Ri 1 150 1. 5. 1. 1. 3. 5. 2 135 1.12521 4. 1. 1.17468 3. 4. 3 120 0. 3. 1. 1. 3.42461 4. 4 105 0. 3. 1. 1.00934 3. 4.40312 5 90 0. 2. 1. 0. 3.08444 4. 6 75 0. 2. 1.05979 0. 2. 3. 7 60 0. 1. 1. 0.72676 2. 3. 8 45 0. 1. 0. 0. 2. 3.49372 9 30 0. 0. 0. 0. 2. 3. 10 15 -0.08651 0. 0. 0. 2. 2. 尾水管计算 尾水管的计算主要是根据模型的尾水管（水轮机P206页）按转轮的比例同等的放大 模型转轮直径,原型, D1 D3 D4 H H3 H4 h5 h6 L1 L B5 460 480 622 1200 477 622 569 311 802 2070 1264 3300 3443 4462 8436 3424 4462 4082 2231 5753.5 14850 9064 另外，取β=12o。 第七节 绘制厂房剖面图 水轮发电机外形尺寸估算(如图所示) 1、 确定主要尺寸 （1）极距τ（cm）和飞逸速度Vf的确定 查[电气一次]p178得： 上式中: P可从《水轮机》p326查得为16 K1为系数8.3～10.7，取9.3。 （2）定子铁芯内径的确定 （3）定子铁芯长度lt(cm)的计算 上式中：C-----发电机利用系数， 见水力机械P160表3-5取 (4) 定子铁芯外径 当时, 当 此处故 2、外形尺寸（查 《动力设备手册》P179） （一）、平面尺寸估算 （1）定子基座外径 因n=187.5r/min214r/min故有： （2）风罩内径 ,因n=187.5r/min214r/min （3） 转子直径 ,为单边空气间隙,初步估算时查忽略不计,即 （4）下机架最大跨度 因则： 查表《水力机械》表3-6 时 （5）轴承外径 查《水力机械》表3-7 故有：推力轴承外径 （二） 轴向尺寸 （1）定子机座高度 因n=187.5r/min214r/min故有： （2）上机架高度 悬式承载机架重，故有： （3）推力轴承高度 （4）下机架高度 悬式承载机架重，故有： （5）定子机架支撑面到下机架支撑面到挡风板距离 （6）下机架支撑面到大轴法兰距离 （7）发电机总高度H （8）发电机大轴高度 考虑采用可控硅装置，不用励磁机，故取大轴长7.8m （9）发电机大轴直径确定 查《水力机械》得： （kg·cm） 由M查《水力机械》P356页，得，发电机大轴直径为： 发电机轴径 二、 厂房各高程的确定 1 、确定安装高程 2 、 尾水管底板高程 3 、水轮机层高程确定 蜗壳进口断面半径 --金属蜗壳取1m 4 、 发电机层高程 发电机层高程大于万年一遇洪水位。 5 、 轨顶高程 式中—吊运设备时需跨越的固定设备或建筑物的高度，取0m —吊运部件与固定物之间的垂直安全距离,取0.5m —起吊设备的高度（发电机主轴高度）7.28m —吊车主钩至轨顶的最小距离，取2.21m 6、 房顶高程 三、 厂房宽度的确定 无主阀，所以综合考虑上、下部快体来计算厂房宽度。 1、上部快体 1）、上游侧宽度的确定 为上游辅助通道的宽度（1.2m）和其他设备安放的宽度（1.5m）之和 发电机风罩壁厚，一般取0.3-0.4m;--发电机风罩内径 2）、下游侧宽度的确定 为主通道的宽度，取 2、下部快体 1）、上游侧宽度的确定 2）、下游侧宽度的确定 主厂房总宽按上部快体来确定 结合桥吊的标称跨度，可取桥吊跨度为22m。《水力机械》p334 四、厂房长度 1、机组段长度由蜗壳、尾水管、发电机等设备在垂直水流方向上的尺寸决定，同时还应考虑机组附属设备及主要通道、吊物孔的布置及所需尺寸。机组段长度可按下式计算： 蜗壳层 尾水管层 发电机层 式中：δ3为发电机保护层厚度，δ3 =0.4m. L取最大尺寸即蜗壳方向上的长度 2、端机组断长度 主厂房的长度为 3、安装场长度 可以按检修一台机组的长度考虑，取 取厂房总长度为99m 第二章 调节保证计算及调速设备的选择 电站在运行过程中，常会由于各种事故，机组突然与系统解列，从而造成甩负荷。在甩负荷时，由于导叶迅速关闭，水轮机的流量会急剧变化，因此在水轮机过水系统内会产生水击，调节保证计算就是在初步设计阶段计算出上述过程中最大的转速上升及最大的压力上升值。调节保证计算一般应对两个工况进行，即计算设计水头和最大水头甩全负荷的压力上升和速率上升，并取其大者。 调节计算的标准： 压力变化计算标准：尾水管的线m. 转速变化计算标准 当机组容量占电力系统运行总容量的比重不大或担任基荷时，βmax55% βmax为机组甩全部负荷时的转速升高的允许值。 第一节 设计水头下甩全负荷 一、已知计算参数 压力钢管长约为110m，经济流速为5m/s，设计流量为120.1m3 /s。 二、管道特性系数 1 压力钢管段 蜗壳段 平均流速 取进口断面平均流速 则， 蜗壳只取一半，因为蜗壳并不是全部串联在管路中。 尾水管段 （1）直锥段： 直锥段平均面积： 平均流速：VB1=Q/SB1=120.1/12.449=9.624m/s 几何长度：LB1=h3=3.42m 则LB1 VB1=3.42× 9.62=32.9m3/s （2）肘管段 肘管段平均面积： 平均流速：VB2=Q/SB2=120.1/17.32=6.93m/s 由量测法得几何尺寸 则LB2 VB2=4.74×6.93=32.85m3/s 扩散段 平均面积： 平均流速：VB3=Q/SB3=120.1/29.6=4.06m/s 几何长度： 则LB3 VB3=7.86×4.06=31.9m3/s ∴尾水管LBVB=32.9+32.85+31.9 =97.65m3/s 水击传播速度 坝下埋的钢管 则管道特性系数： 压力引水系统的平均流速 水流惯性时间常数 上式中：=5~10s, 取 =6s. 阀门（导叶）的关闭时间,发生的水击称为间接水击 甩全负荷τ0=1，τ0=3.83 1.5 故水击发生在末相 三．水击压力升高计算 最大压力值： 对混流式水轮机，取修正系数K=1.2 则压力钢管末端压力升高为： 蜗壳末端最大压力升高为： 尾水管中最大压力降低为： 尾水管中最大真空度为： 由于HB (8~9)m,则满足压力升高要求。 近似取关闭开始时刻的尾水管进口速度的一半即。其中v0为进口初始流速。 四．转速上升计算 假定甩负荷后，导叶开始动作到最大转速时刻之间的水轮机出力随时间呈直线． 机组惯性时间常数?a： 计算有问题 2． 调节滞后时间常数： 式中Tq为接力器不动时间，取Tq=0.2s,bp为调速器永态转差系数，取bp=5%。 3．水锤压力影响系数 ???????.??水轮机飞逸特性影响系数 则甩负荷时机组的速率上升值： 由以上计算可知，本电站机组设计水头下甩全负荷时压力升高与转速升高均在允许范围内。 第二节 最大水头甩全负荷 最大水头下机组流量为106.7m3/s。 一．管道特性系数 1 压力钢管段 2 蜗壳段：LCVC=7.7*17.2=132.44m2/s — 蜗壳进口断面面积 尾水管段： 直锥段：LB1 VB1=m2/s； 肘管段：LB2 VB2=m2/s； 扩散段：LB3 VB3=m2/s 管道特性系数 压力引水系统的平均流速 水流惯性时间常数 二、水击压力升高计算 最大压力上升值： 取修正系数K=1.2， 1．压力钢管末端压力升高为： 2 蜗壳末端最大压力升高为： 3．尾水管中最大压力降低为： 尾水管中最大真空度为： 上式中：近似取关闭开始时刻的尾水管进口速度的一半即。 由于HB (8~9)m,则能满足水击压力的影响。 三．转速上升计算 由上面可知：机组惯性时间常数?a=8.64s,调节滞后时间常数?c=0.416. 1．水锤压力影响系数 ????? 2.水轮机飞逸特性影响系数 则甩负荷时机组的速率上升值： 由以上计算可知，本电站机组设计水头下甩全负荷时压力升高与转速升高均在允许范围内。 第三节 调速设备的选择 调节设备一般包括调速柜.接力器和油压装置。 调节功计算及接力器的选择 调节功能的估算（查〈〈水轮机调节〉〉P258）： 大型调速器的导叶接力器容量选择一般是按经验公式计算出接力器直径，然后选取与接近且偏大的系列直径。 取油压装置额定压力为25Kg/cm2，采用标准导水机构且用两个单缸接力器操作时，每个接力器的直径dc可近似按下式计算： ?由《水轮机调节》P259表8-3取为0.029。 ∴选取接力器直径为500mm。 由《水轮机.水泵急辅助设备》可知： 导叶的最大开度： ； 接力器最大行程： 双直缸接力器总容积： 二．调速器的选择 主配压阀直径： 见《水轮机调节》P260 选取主配压阀直径为200mm，比油管直径大一个等级。 由此可选取调速器为DST-100，双调电气液压型。 油压装置的选择 油压装置分为分离式和组合式，本电站选择分离式，即压力油箱与会油箱分开。额定压力为2.5MPa，压力槽容积分为两大部分：空气所占的部分，约为2/3，其余为油。 其压力油槽容积： 从〈水电站动力设备〉可查选取YS-8型分离式油压装置。 第三章 辅助设备 第一节 气系统 一．气系统用户 1.油压装置压力油槽充气，额定压力2.5 ×105Pa。 2.机组停机时制动装置用气，额定压力为7 ×105Pa. 3.机组作调相运行时转轮室压水用气，额定压力为7 ×105Pa. 4.检修维护时风动工具及吹污用气，额定压力为7 ×105Pa. 5.水轮机导轴承检修密封围带充气，额定压力为7 ×105Pa. 二．供气方式 电站压缩空气用户均布置在主厂房内，从供气可靠，经济， 合理和运行维护方便考虑，采用厂内压缩空气系统综合系统向各 个用户供气。 油压装置压油槽供气，为了提高其干燥度，空压机厚设气水 分离器和储气罐，采用二级压力供气方式。储气罐的高压空气经减压 后供给压油槽。 低压用户合用空压机，储气罐按各用户的要求来设置 三．设备选择 （一） 厂内高压压缩空气系统 1.空气压缩机生产率 空压机生产率根据油压装置容积和充气时间计算： 式中：、——压油槽容积和额定绝对压力； T——充气时间，一般取2～4小时，取T=3小时； 2 贮气罐容积计算 根据《水力机械》 可知 两台高压空压机，型号为CZ-20/30,一台工作，一台备用，为风冷式. 一个1.5m3高压气罐 （二）厂内低压压缩空气系统 1．制动用气量： （1）用气量计算： 式中：QZ——机组一次制动所需的总空气量（自由空气）m3； N——发电机额定出力; K——经验系数，一般取0.03～0.05,取0.04; （2）贮气罐容积： 式中：Z——同时制动台数；一般考虑一台。 ——制动前后储气罐允许压力，一般取，取0.15MPa 由《水电站机电设计手册》水力机械P523表10-18，选取贮气罐的容积为4m3 . （3） 空压机生产率计算： 式中： Qk——空压机生产率 （m3/min）; △T——贮气罐恢复气压时间 min ,取10～15min; 则 Qk=3.2/10=0.32 (m3/min) （4）.供气管道选择 通常按经验选取。供气干管，环管，支管 ２.机组调相用气量 （１）充气量计算： 充气容积包括转轮室空间.尾水管部分容积，以及可能与两部分空间连通的管道.腔体。 1) 导叶部分： 查《水电站机电设计手册》Ｐ147可得： D0导叶中心线) 底环部分： 其中, D2为转轮出口直径; h1为转轮除导叶外的高度,h1=0.921m 3).锥管部分： 由《水电站机电设计手册》水力机械P499可有： 压到尾水管进口边以下的高度 尾水管进口半径:r=1.725 m 压下的尾水位所在圆半径:R=1.93m 4).转轮部分: 由《水电站机电设计手册》水力机械P140图2-56可查得: 水轮机转轮重量 =28吨, 钢的密度r一般取7.8t/ ,则: 则总体积为: (2).转轮充气压力计算： 《水力机械》P500页 当地大气压 （） 尾水位与转轮室下压水位之差（㎝） 由水轮机转轮及尾水管示意图可知 =7.382m （3）贮气罐容积： 一般取0.6～0.9,取0.8 -贮气罐内压缩空气的热力学温度的比值（1.04） -总充气容积 -贮气罐计算压力 -压力下限 , 由《水电站机电设计手册》水力机械P523表10-18选用4个5m3的贮气罐. （4）空压机生产率计算： 式中：qL——压水后转轮室漏气量： 选△T=50min，则： 由《水电站机电设计手册》水力机械 P528表10-24选取低压空压机为：， （4）管道选择计算 在顶盖上设进气孔 选用标准直径，接入转轮室的支管 3．风动工具用气 (1)空压机与调相用气适用同一装置 现按风动工具连续工作的要求校核空压机的生产率 式中： 本电站考虑机组检修时，两台S-60型风砂轮和两台ZQ-6风钻同时工作。 风动工具总耗气量小于型空压机的生产率。故所选空压机满足要求。 （2）管道选择 按经验选取. 4.空气围带充气 轴承检修密封围带充气 充气压力通常采用0.7MPa，耗气量小，不需专用设备，从制动干管引出。 第二节 水系统 一．技术供水系统 （一）.用水量估算 1.空气冷却器用水量： 由《辅助设备》P99图4-8查得： 2.推力轴承和导轴承冷却器用水量： 由《辅助设备》P99图4-8查得： 3.推力轴承用水量： 由于推力轴承在推力轴承和导轴承总用水量的1/1.15 则 4.导轴承的用水量 5．水轮机橡胶导轴承润滑水量 《辅助设备》图3-10得 6.水冷式变压器用水量 变压器的用水量按变压器的容量每千伏安耗水0.001 m3/h 7.则系统总用水量为： 四台机组总用水量 （二）.水温 水温一般取为25度，本地温度年平均16度，最高气温为40.5度，在适当情况下可使用冷凝器 （三）.水压 1．冷却器进口水压一般不超过2×105Pa，压力降4-5mH2O,则取为1.8×105Pa， 压力降5mH2O。 2．水冷式变压器 进口处水压一般不超过（0.5-0.8）×105Pa，则取为0.6×105Pa。 （四）.水质 一般需要满足如下要求： 1.水中不含有悬浮物。 2.含沙粒径在0.025mm以下，含沙量在50g/l以下。 3.冷却水应是软水，暂时硬度不大于8。-12。。 4.要求PH植为中性，不含游离酸。 5.力求不含有机物，水生物及微生物。 6.含铁量不应大于0.1mg/l. 7.不含油分. 水轮机导轴承对水质的要求 1.含沙量及悬浮物必须控制在0.1g/l以下,泥沙粒径应小于0.01mm. 2润滑水中不允许含有油脂及其它对导轴承和主轴有腐蚀性杂质. (五).水源及供水方式 1.取上游水库作水源 以蜗壳取水为主,坝前取水作为备用水源. 2.供水方式 由于水电站平均水头在65-84.5m范围内,所以采用自流供水. 3.设备配置方式 采用单元供水. (六).技术供水系统及设备 1 取水口的布置 分为工作取水口和备用取水口 a．备用取水口 备用取水口布置在上游侧60m处.按2台机组技术供水,取水口流速为3m/s. b．工作取水口,每台机组设置一个单独的工作取水口,取水流速为23m/s. 2 取水口的个数 每台机组单独取水，备用取水共用。 （3）取水口直径 a．主用取水口的直径。出口流速按0.4 m/s b．备用取水口的直径 取水口直径按2台机组技术供水考虑。过栅流速按0.5m/s 3.排水管出口 机组冷却水排水管出口设置在最底尾水位以下. 4．滤水器 每个主用取水口设置一个滤水器，采用转动式滤水器。 水导轴承润滑水要求比较高，在工作和备用水管上，均设专用滤水器。 5．管道 技术供水管道采用钢管，水轮机导轴承润滑水在滤水器后的管段，采用镀锌钢管，防止铁锈进入导轴承。 （1）机组供水干管直径。取管内流速2m/s. 取标准系列 d=350㎜ (2)备用供水干管直径 取标准系列d=500mm. (3)至机组各冷却器支管管经，取管内流速为2.2m/s. 至推力轴承冷却器 取标准系列 125mm. 至空气冷却器 取标准系列 300mm。 至导轴承冷却器 取标准系列 50mm。 至水导轴润滑用水 取标准系列 100mm 二.消防和生活供水 1.发电机消防用水： 由《水电站动力设备设计手册》P349，选择1#喷头,压力为5×105 ,Q=31.5L/min 环管布置直径 每根环管上的喷头数量: l-定子端线圈的周围长度:l=∏Di =27.43 g-水喷雾浓度,建议用12-15l/min,取g=15l/min. 2.厂房消火用水： 据《水电站动力设备设计手册》P350要取：Q=2.5 L/s=9 m3/h 两个同时工作用水量Q总=2×9=18 m3/h 3.油库及变压器的水喷雾消防供水由于另设系统所以不予考虑. 4．生活供水： 可以从坝前取水，通过过滤供给生活用水. 5．消防供水采用自流供水方式，取水口设在坝前. 三 检修排水 （一）排水量计算 1．钢管段： 按照一台机组检修两台机组在额定负荷下运行时的尾水位来考虑 2.蜗壳段： 根据水力机械P387查表得 3．尾水管段： 根据水力机械P387查表得 扩散检修时排水总容积： （二）漏水量估算： 由《水电站辅助设备》P144式5-5可知： 1．上游闸门漏水量 L-闸门水封长度 q-闸门水封每米长的单位时间漏水量,取. 2．尾水闸门漏水量计算 3．闸门总漏水量 （三）检修排水泵的选择： 计算水泵流量： （1） 每小时需排除的水量 由《水电站辅助设备》P144式5-6可知： T=（4-6）h （2）每台水泵流量 由