水电站课程设计1

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摘 要

本说明书共七个章节，主要介绍了大江水电站水轮机选型，水轮机运转综合特性曲线的绘制，蜗壳、尾水管的设计方案和工作原理以及调速设备和油压装置的选择。主要内容包括水电站水轮机、排水装置、油压装置所满足的设计方案及控制要求和设计所需求的相关辅助图和设计图。系统的阐明了水电站相关应用设备和辅助设备的设计方案的步骤和图形绘制的方法。

关键词：

水轮机、综合运转特性曲线图、蜗壳、尾水管、调速器、油压装置。

【abstract】

Curriculum project of hydrostation is a important course and practical process in curriculum provision of water-power engineering major . There are seven contents and specialized knowledge in the curriculum project , which make students not to adapt themselves quickly to complete the design . In this paper , characteristic of the curriculum project is analyzed , causes of inadaptation to the curriculum project in students are found , rational guarding method are proposed , and a example of applying the guarding method is given . The results show that using provided method to guard student design is a good method , when teaching mode and time chart are given , students are guarded from mode of thinking and methodology , and design step are discussed and given . After the curriculum project of hydrostation , the capability of students to solve practical engineering problems is improved , and the confidence to engage in design is strengthened .

【Keyword】

Curriculum project of hydrostation ; guarding method ; mode of thinking ; methodology; design step.

目 录

第一节 基本资料 ……………………………………………………4

1.1基本资料 1.2设计内容

第二节 机组台数与单机容量的选择 ……………………………………4

2.1 机组台数的选择 2.2 单位容量的选择

第 三 节 水轮机型号、装置方式、转轮直径、转速、及吸出高度与安

装高程的确定 ………………………………………………5

3.1 HL240型水轮机 3.2 ZZ440型水轮机 3.3 两种方案的比较分析

第四节 水轮机运转特性曲线的绘制 …………………………11

4.1 基本资料

4.2 等效率曲线的计算与绘制 4.3 出力限制线的绘制 4.4 等吸出高度线的绘制

第五节 蜗壳设计 …………………………………………………………13

5.1 蜗壳型式选择 5.2 主要参数确定

5.3 蜗壳的水力计算及单线图，断面图的绘制

第六节 尾水管设计 ………………………………………………………16

6.1 尾水管型式的选择

6.2 尺寸确定及绘制平面剖面单线图

第七节 调速设备的选择 ………………………………………………17

7.1 调速器的计算 7.2 接力器的选择 7.3 调速器的选择 7.4 油压装置的选择

参考资料 …………………………………………………………………18

注：本设计中，所有的辅助图都在1号AutoCAD（附图 水电站水轮机选型）中。

大江水电站水轮机选型设计

第一节 基本资料

1.1 基本资料

大江水电站，最大净水头Hmax=35.87m，最小净水头Hmin=24.72m，设计水头Hp=28.5m，电站总装机容量NHs> -4m。

装

=68000KW，尾水处海拔高程▽=24.0m，要求吸出高

1.2 设计内容

水轮机是水电站中最主要的动力设备之一，它关系到水电站助工程投资、安全运行、动能指标及经济效益等重大问题，正确地进行水轮机选择是水电站设计中的主要任务之一。本次设计的内容有：

(1) 确定机组台数与单机容量。 (2) 确定水轮机的型号与装置方式。 (3) 确定水轮机的转轮直径与转速。 (4) 确定水轮机的吸出高度与安装高程。 (5) 绘制水轮机运转特性曲线。 (6) 确定蜗壳、尾水管的型式与尺寸。 (7) 选择调速器与油压装置。

第二节 机组台数与单机容量的选择

水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。根据已确定的装机容量，就可以拟订可能的机组台数方案，当机组台数不同时，则单机容量不同，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。选择机组台数与单机容量时应遵守如下原则：

2.1 机组台数的选择

2.1.1机组台数与机电设备制造的关系

机组台数增多，单机容量减少，尺寸减小，制造及运输较易，这对制造能力和运输条件较差的地区有利的，但实际上说，用小机组时单位千瓦消耗的材料多，制造工作量大，所以最好选用较大容量的机组。 2.1.2机组台数与水电站投资的关系

当选用机组台数较多时，不仅机组本身单位千瓦的造价多，而且相应的阀门、管道、调速设备、辅助设备、电气设备的套数增加，电气结构较复杂，厂房平面尺寸增加，机

组安装，维护的工作量增加，因而水电站单位千瓦的投资将随台数的增加而增加，但采用小机组时，厂房的起重能力、安装场地、机坑开挖量都可以缩减，因而有减小一些水电站的投资，在大多数情况下，机组台数增多将增大投资。 2.2.3 机组台数与水电站运行效率的关系

当水电站在电力系统中担任基荷工作时，引用流量较固定，选择机组台数较少，可使水轮机在较长时间内以最大工况运行，使水电站保持较高的平均效率，当水电站担任系统尖峰负荷时，由于负荷经常变化，而且幅度较大，为使每台机组都可以高效率工作，需要更多的机组台数。

2.2.4 机组台数与水电站运行维护工作的关系

机组台数多，单机容量小。水电站运行方式就较灵活，易于调度，机组发生事故产生的影响小，检修较易安排，但运行、检修、维护的总工作量及年运行费用和事故率将随机组台数的增多而增大，故机组台数不宜太多。

上述各种因素互相联系而又相互对立的，不能同时一一满足，所以在选择机组台数时应针对具体情况，经技术经济比较确定。遵循上述原则，该水电站的装机容量为6.8万KW，由于1.5万KW

2.2 单位容量的选择

水轮机单机出力为

N6.8NTY1.77万KW (F—发电机效率：0.95~0.98，取0.96)

mF40.96

第三节 水轮机型号、装置方式、转轮直径、转速、

及吸出高度与安装高程的确定

根据该水电站的水头变化范围24.72m～35.87m，参照《水电站》教材附录中的附表2和附表1的水轮机系列型普表查出合适的机型有HL240型水轮机（适用范围25~45）和ZZ440型水轮机（适用范围20~40）两种。现将这两种水轮机作为初步方案，分别求出其有关参数，并进行比较分析。

3.1 HL240型水轮机

3.1.1 转轮直径D计算

'

HL240型水轮机的模型为：最有单位转速n1072r/min，模型最高效率

maxM0.92，模型转轮直径D1M0.46m。转轮直径

D1

NT

9.81Q1H

'

3/2

p



式中：NT——水轮机额定出力，NT1.77万KW；

Q1' ——采用最优单位转速与出力限制线交点处单位流量，Q1'1.24m3/s；

Hp——设计水头，Hp=28.5m；

 ——水轮机效率，设=0.91。 代入式中得

D1

17700

3.24m 3/2

9.811.2428.50.91

采用与其相近的标准转轮直径D13.3m。 3.1.2 转速计算

n1'H

转速 n

D1

'

式中： n1' ——单位转速采用最优单位转速n1072r/min；

H ——采用设计水头Hp=28.5m；

D1 ——采用选用的标准直径D1=3.3m。

代入式中，则

n

7228.5

116.5 r/min

3.3

采用与其接近的同步转速n125r/min，磁极对数P=16。

3.1.3 效率修正值的计算

《水电站》教材图3-6中查得HL240型水轮机在最优工况下最高效率为Mmax=92.0%，模型转轮直径D1M=0.46m，所以原型水轮机的最高效率可采用下式计算，即

ma=x1(1maxM)5 =1(10.92)=0.946

考虑到制造水平的差异，根据水轮机的标准直径，凭经验=1%，如果原型水轮机所使用的蜗壳和尾水管与模型试验时采用的型式不同，则意味着原型水轮机使用了异型部件。凭经验知，原型水轮机的实际效率要比计算值低，由于使用异型部件的原因，还要减去一个'值。在本设计中，取'=0，则效率修正值有下式计算

maxmin'

代入数据可得

0.9460.920.0100.016

当D1=3.3m，Hp=28.5m，n125r/min，Q1'1.24m3/s时，从水轮机HL240型模型转轮综合特性曲线上得M=0.904，所以水轮机在限制工况点(即设计工况点)的效率应

D1M

D10.46

3.3

为

M0.904+0.016=0.92 与原来的假设值相符。

因此选用结果D1=3.3m和n125r/min是正确的。

3.1.4 工作范围校核

'

在选定D1=3.3m和n125r/min后，水轮机的最大的Q1max及各特征水头相对应的n1'即可计算出来。

水轮机在Hp=28.5m、NT1.77万KW下工作时，其相应的最大单位流量Q1'即为

'

，故: Q1max

Q1'max

NT17700

1.19m3/s 23/23/2

9.81D1Hp9.813.328.50.92

则水轮机的最大引用流量为

QmaxQ1'maxD12HP1.193.3228.569.18m3/s

对n1'值：在设计水头Hp=28.5m时，

n1'

nD11253.3

77.3r/min

Hp28.5

在最大水头Hmax=35.87m时，

n1'max

nD11253.3

68.87r/min

Hmax35.87

在最小水头Hmin=24.72m时，

n1'min

nD11253.3

82.96r/min

Hmin24.72

在HL240型水轮机模型综合特性曲线图上，分别绘出Q1'max1190L/s，

n1'max68.87r/min和n1'min82.96r/min为常数的直线，由图可见，由这三根直线所围成的水轮机工作范围（图中阴影部分）基本上包含了该特性曲线的高效率区。所以对于HL240型水轮机方案，所选定的参数D1=3.3m和n125r/min是比较满意的，但是还需要和其他方案作前面的比较。 3.1.5 吸出高度Hs的计算

由水轮机的设计工况参数n1'77.3r/min，Q1'max1190L/s，在《水电站》教材图3-6上查得相应的气蚀系数=0.195，在《水电站》教材图2-8查得气蚀系数修正值为

=0.04，由此可求得水轮机的吸出高为

Hs10



()Hp 9002410(0.1950.04)28.53.28m>-4m

900

所以，HL240型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。

3.1.6 装置方式：采用立轴安装方式。 3.1.7 安装高程的确定：

由立轴混流式HL240水轮机

b

ZAHs0=24.0+3.28+0.365×3.3/2=27.88m (其中b00.365D1)

2

3.2 ZZ440型水轮机

3.2.1 转轮直径D计算 转轮直径D1的计算公式 D1

NT

/2

9.81Q1H3p

'

式中NT和Hp均同前.对于Q1'值,可由附录中附表1查得该型水轮机在限制工况下的

Q1'=1650L/s，同时还查得气蚀系数=0.72，但在允许的吸出高为-4m时,则相应的装置

气蚀系数为

10



24[HS]1040.040.44

在满足-4m吸出高度的前提下，Q1'值可在ZZ440型水轮机主要综合特性曲线图中查'

得初定的设计工况点（n10115rmin，0.44）处的单位流量Q1'为1205L/s，同时可查得该工况点的模型效率M=86.2％，并据此可以初步假定水轮机的效率为89.5％。

将以上的各参数值代入得 D1

17700

3.32m

9.811.20528.53/20.895

采用与其相近的标准转轮直径D13.3m。 3.2.2 转速n计算

水轮机的转速为

n

n1'Hp

D1



11528.5

186.04r/min

3.3

选用与之接近而偏大的同步转速n187.5r/min，磁极对数为P=16。

3.2.3 效率及单位参数修正

对于轴流转浆式水轮机，必须对其模型综合特性曲线图上的每个转角的效率进行修正。

当叶片转角为时的原型水轮机最大效率可用下式计算

D1MD1

HM

) Hp

max1(1Mmax)(0.30.710

已知D1M0.46、HM3.5m、D1=3.3m、H=28.5m，带入上式则得

max1(1Mmax)(0.30.75

0.46103.5

)10.683(1Mmax)

3.328.5

叶片在不同转角时的Mmax可由模型综合特性曲线查得，从而可求出相应的值的原型水轮机的最高效率max并将计算结果列于表3-1。

当选用效率的制造工艺影响修正值1%和不考虑异性部件的影响时，即可计算出不同转角时的效率修正值maxmin1%。其中计算结果如下表3-1

由在《水电站》教材附录中附表1查得ZZ440型水轮机最优工况的模型效率为由于最优工况接近于=0°等转角线，故可采用2.9%作为其修正值，max=89％。

从而可得原型最高效率为

max=0.89+0.026=0.916=91.6%

'已知在吸出高度-4m限制的工况点（n10115rmin，Q1'=1205L/s）处的模型效率

为M=86.2％,而该工况点处于=0°和+15°等转角之间，用内插法求得该点的效率修正值为=3.22%，由此可得该工况点的原型水轮机效率为

=0.862+0.0322=0.8942=89.42% (与上述假定的效率=92％相近。)

n1'max

1 由于：'

n10MMmax

0.916

10.01450.03 0.89

故单位转速可不作修正，同时，单位流量也可不作修正。

由此可见，以上选用D13.3m，n187.5r/min是正确的。 3.2.4 工作范围的检验计算

'

在选定D13.3m，n187.5r/min后，水轮机的Q1max及各特征水头相对应的n1'即可

计算出来。

'

在选定D1=3.3m和n125r/min后，水轮机的最大的Q1max及各特征水头相对应的n1'即可计算出来。

水轮机在Hp=28.5m、NT1.77万KW下工作时，其相应的最大单位流量Q1'即为

'

，故： Q1max

Q1'max

NT177003

1.22m/s， 23/23/2

9.81D1Hp9.813.328.50.894

则水轮机的最大引用流量为

QmaxQ1'maxD12HP1.223.3228.570.93m3/s

对n1'值：在设计水头Hp=28.5m时，

n1'

nD1187.53.3

115.9r/min

Hp28.5

在最大水头Hmax=35.87m时，

n1'max

nD1187.53.3

103.31r/min

Hmax35.87

在最小水头Hmin=24.72m时，

n1'min

nD1187.53.3

124.45r/min

Hmin24.72

在ZZ440型水轮机模型综合特性曲线图(图3-2)上分别绘出，Q1'max=1220L/s和

'

n1.31r/min，n1'min124.45r/min的直线，由图可见，由这三根直线所围成的水max103

轮机工作范围（图中阴影部分）基本上包含了该特性曲线的高效率区。所以对于ZZ440型水轮机方案，所选定的参数D13.3m，n187.5r/min是合理的。

3.2.5 吸出高度Hs的计算

'

由水轮机的设计工况参数n1115.9r/min，Q1'max=1220L/s，由《水电站》教材图

1-11可查得其气蚀系数约为=0.42，则可求出水轮机的吸出高度为

24

Hs10.0(0.420.04)28.53.14m>-4m

900

所以，ZZ440型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。

3.2.6 装置方式：采用立轴安装方式 3.2.7 安装高程的确定：

立轴轴流式水轮机

ZAHsxD1=24.0-3.14+0.3763.3=22.1m （其中x取0.376）

3.3 两种方案的比较分析

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：

从上列对照表来看，两种不同型号的水轮方案在同样水头下的同时工作满足额定出力的情况下，两者比较来看，HL240包含了较多的高效率区，气蚀系数小，安装高程较高等优点，这可以提高水电站的年发电量和减少厂房的开挖量；而ZZ440型方案的优点仅表现在水轮机的转速高，有利于减小发电机尺寸，降低发电造价，但这种机型的水轮机极其调节系统的造价较高。由此看，若在制造供货方面没有问题时，初步选用HL240型方案较为有利。在技术设计阶段，尚需要计算出个方案的动能指标和经济指标，进一步进行分析比较，以选出合理的方案。本设计就采用HL240型号的水轮机。

第四节 水轮机运转特性曲线的绘制

4.1 基本资料

转轮的型式HL240型，主要综合特性曲线由《水电站》教材图3-6，

转轮的直径D1=3.3m，额定转速n125r/min， 特征水头 Hmax=35.87m，Hp=28.5m，Hmin=24.72m，

水轮机的额定出力 NT=17700KW

尾水位高程 24.0 m 安装高程 27.88m

效率修正值为 maxmin=0.9460.920.010.016

4.2 等效率线的计算与绘制

由于水电站的水头变化范围较小，现取水轮机工作范围内3个水头，列表4-1分别进行计算。依据表4-1中的数据绘制对应每个H值的效率特性曲线f(N)，如图4-1（a）。在该图上作出某效率值的水平线，它与图中各等H线相交，绘制H～N坐标图，连成光滑曲线，既得出等效率线，如图4-1（b）。

4.3 出力限制线的绘制

出力限制线表示水轮机在不同水头下实际允许发出的最大出力。由于水轮机与发电机配套运行，所以水轮机最大出力受发电机额定出力和水轮机5%出力储备线的双重限制。

依据表4-2绘制出力限制线。

4.4 等吸出高度线的计算

取3个水头，计算数据列表4-3分别进行计算。 1、绘制Q1'fN辅助曲线，如图4-2（a）所示。

2、求出各水头下的n1'M值，并在相应的模型综合特性曲线上查出n1'M水平线与各等气蚀系数线的所有交点坐标，Q1'，值，填入下表。

3、在Q1'fN辅助曲线上查出相应于上述各Q1'的N值，填入下表。



()Hp计算出相应于上述各的Hs值，填入下表。 4、利用公式Hs109005、根据表中对应的Hs，N值，做出Hsf(N)曲线，如图4-3（b）所示。

6、在Hsf(N)图上任取Hs值，做水平线与曲线相交，记下各交点的Hs、N值，绘于H～N坐标图上，将各点连成光滑曲线即为等吸出高度线。

第五节 蜗壳设计

5.1 蜗壳型式选择

由于本水电站水头高度小于40m，所以采用混凝土蜗壳。

5.2 主要参数确定

5.2.1 断面形状的确定

由于水轮机为中型水轮机，考虑在蜗壳顶部布置调速接力器的方便选择平顶梯形断面，即

bb

1.50~1.75，选择1.6；由《水电站》教

aa

DaDb

材P表1-3座环直径与关系取，座环内直径，=5.0mD1.521.3，DDb=4.3m，141a

D1D1

即ra2.5m，rb2.15m。

当n0时，10o~15o选取15o；

5.2.2 蜗壳包角的选择

混凝土蜗壳0180o~270o，选取0270o 5.2.3蜗壳进口断面面积及尺寸

进口断面流速：

v1=acH=0.826528.5=4.41s 进口断面流量：

Q69.18

27051.89(m3/s) Q0T0

360360

确定蜗壳进口断面面积：

Q51.89

F1011.77(m2)

v14.41

5.3 蜗壳的水力计算及单线图，断面图的绘制

5.3.1 根据以选择的蜗壳断面形状，确定具体尺寸

m1tan

Fab(rarb)b0111

2



b11.6a

1

b1b0m1

b00.365D1

解上式得 a1=2.71m，b1=4.34m，m1=3.14m 。

5.3.2 中间断面尺寸

顶角的变化规律采用直线变化规律，则： nm

K210 ， K211.159

a1a1

进口断面的最大半径R1：

R1=raa1=2.5+2.71=5.21m

在R1至ra之间设不同的Ri，求出ai、mi，计算见表5-1。

根据表5-1绘制辅助曲线如图5-1(a)，根据需要，选定若干个i（每隔30°）由图5-1查出相应的Ri及其断面尺寸，如表5-2所示。便可绘制蜗壳平面单线图，如图5-1(b)。进口宽度取BR1D1=5.21+3.3=8.51m。

中间断面尺寸计算（表5-1）

2) 求积分si

Ri，列表计算如表5-2。

rb

r

3) 各断面的流量Q及其位置的计算：蜗壳常数K=

017.89，Q=KSi，S12.90

=

360

Q,列表计算如表5-3。 QT

Q、计算表（表5-3）

绘出蜗壳平面图，如图5-1(b)所示。

R~关系（表5-4）

第六节 尾水管设计

6.1 尾水管型式的选择

尾水管的形式很多，最常用的有直锥形、弯锥形和弯肘型三种型式，本设计中尾水管型式采用弯肘形。

弯肘形尾水管由进口直锥段、中间肘管段和出口扩散管三部分组成。

6.2 尺寸确定及绘制平面剖面单线图

查看《水电站》教材中尾水管的型式和尺寸部分有：

HL240型混流式水轮机水头H

h1h20.13D1=0.43m，锥管半角=8°。 1）锥管段

进口直径D3D2D42h3tan8o3.42m， 高度为h3=hh1h2h4=8.58-0.43-4.46=3.69m 。 2）弯管段

由混凝土标准肘管尺寸确定设计的肘管段，标准尺寸如下表6-1，设计肘管尺寸如表6-2。

3）扩散段

由尾水管尺寸表表6-3得知设计表如下表6-4，为了改善顶板的受力条件可加设中墩，加设中墩后尾水管出口净宽应保持不变，支墩宽度b=0

.1B5=0.8，R4b=3.2，

r0.2b=0.16，支墩头距水轮机轴线距离l≥1.4D1=4.62。

尾水管尺寸表（表6-3）

最终： 尾水管设计如图6-1 尾水管平面布置图。

第七节 调速设备的选择

8.1 调速器的计算

水轮机的调速功A为：

A(200~250)QHmaxD1

其中水轮机在工况点（Hmax35.87m，NT17700KW，Q56.54m3/s） A(200~250)56..873.3=12.3~15.34万KW>30000KW

属大型调速器，则接力器调速柜和油压装置应分别进行计算和选择。

8.2 接力器的选择

8.2.1 接力器直径的计算

由已知条件判断，采用两个接力器来操作水轮机的导水机构，查《水利机械》得选用额定油压为2.5Mpa，则每个接力器的dsD1

Hmaxb0

m。 D1

已知导叶数目Z024；为标准正曲率导叶，查《水力机械》表5-3得0.03；又

b0

0.365，带入上式得： 导叶的相对高度D1

ds0.033.0.36535.87=0.358m=358mm

选择与之接近而偏大的ds=375mm的标准接力器。 8.2.2 接力器最大行程的计算

Smax(1.4~1.8)a0max(mm)

a0ma导叶最大开度（mm）。可由模型的a0max求出，以下公式换算求得： x

DZ

a0maxa0Mmax00M

D0MZ0

式中:aomax可由设计工况点（n1'77.3r/min，Q1'max1190L/s）在模型综合特性曲线上查得

25mm，同时可得D0M=534mm，Z0M24，选用水轮机的

D01.17D1=1.17×3.3=3.86m=3860mm，Z024则

386024

a0max25181mm

53424

当选用计算系数为1.8时，则

Smax=1.8×181=326mm=0.326m

8.2.3 接力器容量的计算

两个接力器的总容积 

VsdsSmax0.3750.3750.3260.072m3

22

8.3 调速器的选择

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1.13

Vs

Tsvm

选Ts4s，vs4.5m/s，则：

d1.0.072

=0.071m=71mm 44.5

由此在表中选择与之相邻的DT-80型电气压型调速器

8.4 油压装置的选择

此处油压装置不考虑放空阀和进水阀的用油，则压力油罐的容积为

Vk(18~20)Vs=(18~20)×0.072=1.30 ~1.44m³

_

由此在表中选择与之相邻而偏大的YZ-1.6型分离式油压装置。 说明：根据以上计算的出的调速设备的选择为：

调速器型式选用DT-80型电气压型调速器； 油压装置型号选择YZ-1.6型分离式油压装置； 接力器选择ds=375mm的标准接力器。

参 考 文 献：

[1] 徐招才、刘申编，水电站（专科适用），中国水利水电出版社，2006。 [2] 季盛林、刘国柱编，水轮机，水利电力出版社，1986。 [3] 西安理工大学 金钟元编，水利机械（第二版），中国水利水电出版社，2004。 [4] 天津大学水利系主编，小型水电站（中册），水利电力出版社，1979。