水轮机选型设计计算书.doc

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1、第一章 水轮机的选型设计第一节 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：（1） 比转速范围广，适用水头范围广；、（2） 结构简单，价格低；（3） 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）216332/3 4856.4第二节

2、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m=894%，暂取效率修正值 =0.03，=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

3、效率 =max-M0=0.955-0.924=0.031=m+=0.894+0.031=0.9253、 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。4、 水轮机设计流量Qr的计算 Qr=1.247=260.5/s5、 飞逸转速的计算 =150.4=276.5r/min6、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 =max-M0=0.954-0.

4、924=0.03=m+=0.894+0.03=0.9243、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/s5、飞逸转速的计算 =150.4=337.2r/min6、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 =max-M0=0.951-0.924=

5、0.027=m+=0.894+0.027=0.9213、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/s5、飞逸转速的计算 =150.4=419.0r/min6、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 =max-M0=0.953-0.924=0.029=m+=0.894

6、+0.029=0.9233、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/s5、飞逸转速的计算 =150.4=363.8r/min6、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、

7、计算原型水轮机的效率 =max-M0=0.951-0.924=0.027=m+=0.894+0.027=0.9213、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/s5、飞逸转速的计算 =150.4=460.8r/min6、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 =max-M0=0.

8、951-0.924=0.027=m+=0.894+0.027=0.9213、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/s5、飞逸转速的计算 =150.4=419.0r/min6、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

9、 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m=87.6%，暂取效率修正值 =0.03，=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 =max-M0=0.945-0.906=0.039=m+=0.76+0.039=0.9153、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/min4、水轮

10、机设计流量Qr的计算 Qr=1.123=234.6/s5、飞逸转速的计算 =146.7=269.7r/min设计工况的单位流量=1.25/s6、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 =max-M0=0.946-0.906=0.04=m+=0.76+0.04=0.9163、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/min4、水轮机设计流量Qr的

11、计算 Qr=1.123=283.8/s5、飞逸转速的计算 =146.7=245.2r/min设计工况的单位流量=1.03/s6、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 =max-M0=0.943-0.906=0.037=m+=0.876+0.037=0.9133、同步转速的选择 此值介于150r/min和166.7r/

12、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./s5、飞逸转速的计算 =146.7328.9r/min6、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 =max-M0=0.944-0.906=0.038=m+=0.876+0.038=0.9143、同步转速的选择 此值介于136.4r/min和150r/min之间，取n=150r/m

13、in4、水轮机设计流量Qr的计算 Qr=1.123=190.0./s5、飞逸转速的计算 =146.7=299.7r/min6、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 =max-M0=0.942-0.906=0.036=m+=0.876+0.036=0.9123、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

14、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/min4、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 =max-M0=0.940-0.906=0.034=m+=0.876+0.034=0.9103、同步转速的选择 此值介于187.5r/min和214.3r/min之间，=187.5r/min,

15、 =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/s5、飞逸转速的计算 =146.7=408.6r/min6、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25.0136.484.679.274.234.1166.784.879.774.343.3187.576.772.267.3214.387.882.576.93.8166.778.673.968.9187.5

16、88.483.177.553.0214.379.775.069.925093.087.581.63.3187.576.772.267.3214.387.782.576.9各方案列表如下(HL240/D41)台数直径转速25.012577.572.968.0136.484.679.674.25.5115.478.774.069.012585.380.274.834.115076.371.766.9166.784.879.774.44.515083.778.773.443.8166.778.673.968.9187.588.483.177.553.3187.576.772.267.3214.387

17、.782.576.9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，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Q11T=Pr/9.81D12H1.5=C，假定一个T，由此公式计算出一个Q11,再由Q11和对应水头的n11在

18、图上找到一点，并查出此点的m,将此m转换成原型效率T（按限制工况点效率误差计），将T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=84.5m0.9241.100.9050.9160.9241.10.8980.9150.8181.4350.9051.0550.811.450.921.040.9080.9760.8720.8250.8920.9930.8640

19、.830.831.370.9151.010.8551.330.9041.020.9081.0370.8780.8690.9221.0220.8820.866HL240/D41方案平均水头=73.5m最高水头=84.5m0.8211.2280.9150.8980.8421.1990.900.9130.9140.9150.8780.7720.9080.9210.8720.7770.8221.2190.9020.9050.8481.1840.9120.8950.9120.9150.8780.770.9140.9620.8920.7990.9060.9710.8820.8080.8701.0730.8

20、920.8500.9041.0340.8820.859二、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)4HL26083.3187.55HL2606.43.0214.32HL2401651253HL24032/34.1150三、反算设计水头 方案I： 方案II： 方案III： 方案: 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，

21、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：A 在水轮机工作水头范围（HminHmax）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m计算出原型水轮机的效率和出力P具体结果见附表3。然后对每个水头值作等效率曲线。B 在曲线=f（P）上过某效率值水平线与曲线相交，记下各点P，H值。C 将各点的H、P值绘在坐标图上，将各点连成光滑曲线，即为某的效率值。D 绘制出力限制线。在HrHmax之间，是一条P=Pr的直线。在HminHr之间出力限制线一般由模型综合特性曲线的95%出力限制线换算而

22、得。各方案的曲线见下图：2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1、2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,HL260/D74, Z=4台,D1=3.3m,G=210t,总重2104=840t,总价8402.5=2100万元；方案, HL260/D74,Z=5

23、台,D1=3.0m,G=160t,总重1605=800t,总价8002.5=2000万元； 方案,HL240/D41,Z=2台,D1=5.0m,G=570t,总重5702=1140t,总价11402.5=2850万元；方案,HL240/D41,Z=3台,D1=4.1m,G=345t,总重3453=1035t,总价10352.5=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 总价804=320万元方案 总价805=400万元方案 总价802=160万元方案 总价803=240万元C、 起重设备起重机的重量由跨度和转子重量(查表7-17),然后乘以单价得到投资。数据

24、及计算过程如下：方案 跨度:3.34.5=14.85m,起重机重:165T,投资1651.2=198万元； 方案 跨度:3.04.5=13.5m,起重机重:140T,投资：1401.2=168万元; 方案 跨度:5.04.5=22.5m,起重机重:305T,投资：3051.2=366万元; 方案 跨度:4.14.5=18.45m,起重机重:208T,投资:2081.2=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 Pg=8万KW k=3.99% 总价为：3.99%（2100+320）=96.56万元方案 Pg=6.

25、4万KW k=4.35%总价为：4.35%（2000+400）=100.4万元方案 Pg=16万KW k=2.9%总价为：2.9%（2850+160）=87.29万元 方案 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=%设备总价查原始资料汇编可得各方案的值，分别为：8 %，9.2 %，7.7 %， 7.9%故有：方案： 总价为：8%（2100+320+198+96.56）=214.45万元方案： 总价为：9.2%（2000+400+168+100.4）=245.45万元方案： 总价为7.7%（2850+160+3

26、66+87.29）=266.67万元方案 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810，伞式机组79； 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nn=187.5r/min,Pr=80000KW，则： 总重：G总=4GF=3568.45=2273.8t转子重:/2=284.23(t)总价为2273.836

27、821.35(万元)方案 nn =214.3r/min,Pr=64000KW，则： 总重：G总=5GF=5448.1=2240.64t转子重:/2=224.1(t)总价为2240.6436721.9(万元)方案 nn =125r/min,Pr=160000 KW，则： 总重：G总=2GF=21030.92=2061.84 t转子重:/2=515.5(t)总价为2061.8436306.21(万元) 方案nn =150r/min,Pr=320000/3 KW，则： 总重：G总=2GF=2710.29=2130.87t转子重:/2=355.15(t)总价为2130.8736392.6(万元)B、变

28、压器 查电气一次P217页可得： 方案 Z=4台 总重：1004=400t 总价为：4004=1600万元方案 Z=5台 总重：905=450t 总价为：4504=1800万元方案 Z=2台 总重：1402=280t 总价为：2804=1120万元方案 Z=3台 总重：1173=351t 总价为：3514=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 总价1004=400（万元）方案 总价1005=500（万元）方案 总价1002=200（万元）方案 总价1003=300（万元）D、 电气自动化设备根据设计任务书

29、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 总价为：10%（6821.35+1600400） =882.1万元方案 总价为：10%（6721.9+1800+500）=902.2万元方案 总价为：10%（6306.21+1120+200）=762.62万元方案 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%计算方案 总价为：8%（6821.35+1600+400+882.1） =776.276万元方案 总价为：8.2%（6721.9+1800

30、+500+902.2）=813.776万元方案 总价为：7.7%（6306.21+1120+200+762.62）=645.94万元方案 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水轮机单重（吨/台）210160570345水轮机总重（吨）84080011401035水轮机单价（万元/吨）2.52.52.52.5水轮机总价（万元）2100200028502587.5调速器单价（万元/台）80808080调速器总价（万元）320400160240起重机重量（吨）165140305208起重机单价（万元/吨）1.

31、21.21.21.2起重机总价（万元）198168366249.6变压器重量(吨)400450280351辅助设备投资（万元）96.56100.487.2998.96安装运输费（万元）214.45245.49266.67250.41总投资（万元）29292913.93729.963426.97总耗钢量（吨）1405139017851648单位千瓦投资（元/千瓦）91.5391.06116.56107.09千瓦耗钢量（公斤/千瓦）4.3914.3435.5785.15二、电气部分投资估算表方案发电机单重 （吨/台）568.45448.11030.92710.29发电机总重（吨）2273.8224

32、0.642061.842130.87 发电机单价（万元/吨）3333发电机总价（万元）6821.356721.96306.216392.6变压器、开关总价（万元）2000230013201704自动化设备总价（万元）882.1902.2762.62809.66设备安装运输费（万元）776.273813.776645.94706.59总投资（万元）9703.4510737.889034.779609.85单位千瓦投资（元/千瓦）303.23335.56282.34300.31三、方案总表项目最大水头Hmax(m)84.584.584.584.5最小水头Hmin(m)64646464平均水头Hp(

33、m)73.573.573.573.5装机容量Ny(万kw)32323232水轮机型号HL260HL260HL240HL240单机容量N(万kw)86.41632/3机组台数4523转轮直径D1(m)3.33.05.04.1机组转速(r/min)187.5214.3125150计算水头Hr(m)73.0172.3975.174水轮机最高效率95%95%94.9%94%水轮机平均效率%91.1720291.086390.8413591.8658模型最高效率时的n179797777总投资(万元)12632.4513651.7812764.7313036.82单位千瓦投资(万元/万KW)394.764

34、26.62398.9407.4比较结果方案单位千瓦投资最少,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一、 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：D1D2D3D4D5D6b0h1h2h3h41.01.0861.160.7720.4010.120.280.050.2790.5090.3093.33.5843.832.5481.3230.3960.9

35、240.1650.9211.681.02二、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：6584.5m140m,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211：表211名称Da (m)Db(m)K(m)r(m)座环参数5.24.40.1250.33、 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=(b

36、o+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 S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ixiiiRi13451.9708372.1013424.6958376.79717823301.9088112.0432814.6338116.67709233151.8456111.9843694.5706116.5549794300

37、1.7811281.9245414.5061286.43066852851.7152351.8637254.4402356.30396162701.6477851.8018424.3727856.17462772551.5785991.7387974.3035996.04239782401.5074651.6744834.2324655.90694892251.4341231.6087724.1591235.767895102101.3582461.5415174.0832465.624763111951.2794231.4725364.0044235.476959121801.1971131

38、.4016143.9221135.323727131651.110591.3284773.835595.164068椭圆断面断面号i2iAi1iiiRi11501.2557555.1432081.2664661.2528973.7470215.01348721351.125214.5466891.2273291.174683.5877564.81508531200.9914843.9694531.1872391.0936793.424614.61184941050.8541433.4122421.1460661.009343.2570554.403125900.7126562.8759571.1036490.9209043.084444.1880896750.5663572.3617271.059790.8272722.9059563.9657467600.4144131.8710151.0142380.726762.7205833.7348218450.2557721.4058270.