河北工程大学毕业设计(论文)
第一部分 水轮机选型设计及装机初选方案的拟定
绪论
第一节 水轮机
水轮机是一种把河流中蕴藏的能量转换为旋转机械能的原动机。水流流过水轮机时，通过主轴带动发电机将旋转机械能转换成电能。
水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。
冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类。斜击式水轮机的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾角，只用于小型机组。
反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮；在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮；在斜流式水轮机中，水流径向进入导叶而以倾斜于主轴某一角度的方向流进转轮，或以倾斜于主轴的方向流进导叶和转轮；在贯流式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。
轴流式、贯流式和斜流式水轮机按其结构还可分为定桨式和转桨式。定桨式的转轮叶片是固定的；转桨式的转轮叶片可以在运行中绕叶片轴转动，以适应水头和负荷的变化。
各种类型的反击式水轮机都设有进水装置，大、中型立轴反击式水轮机的进水装置一般由蜗壳、固定导叶和活动导叶组成。蜗壳的作用是把水流均匀分布到转轮周围。当水头在40米以下时，水轮机的蜗壳常用钢筋混凝土在现场浇注而成；水头高于40米时，则常采用拼焊或整铸的金属蜗壳。
在反击式水轮机中，水流充满整个转轮流道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头下，转轮直径小于冲击式水轮机。它们的最高效率也高于冲击式水轮机，但当负荷变化时，水轮机的效率受到不同程度的影响。
反击式水轮机都设有尾水管，其作用是：回收转轮出口处水流的动能；把水流排向下游；当转轮的安装位置高于下游水位时，将此位能转化为压力能予以回收。对于低水头大流量的水轮机，转轮的出口动能相对较大，尾水管的回收性能对水轮机的效率有显著影响。
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第一章 初选方案的拟定
1.1机组型式的确定
本水电站的工作水头： 最大水头Hmax=150m
平均水头Hav=130m
最小水头Hmin=110m 设计水头Hr=120m
根据水轮机类型及应用水头范围，可知，符合本水电站的水轮机类型有混流式和斜流式水轮机。
斜流式水轮机的结构复杂，加工工艺要求和造价均较高；混流式水轮机结构简单，运行稳定且效率高，因而其应用广泛，所以选择混流式水轮机作为本水电站的水轮机机型。
1.2机组台数确定
在选择机组台数时，应从下面这几个方面的因素确定： ⑴ 成本。 ⑵ 运行效率。 ⑶ 运行维护。 ⑷ 电厂主接线。 ⑸ 电力系统。
⑹ 设备制造、运输及安装。
1.3初选方案的选定
按我国水轮机型谱推荐的设计水头与比转速的关系，水轮机的ns为： ns?20002000?20??20?163（m·kw） （1-1） Hr120因此，以选择比转速在170(m·kw)左右的水轮机为宜。
在水轮机型谱中，本水电站水头段只有HL180/A194和HL180/D06A符合。其中HL180/A194最优工况比转速与ns较为接近，因此，初步拟定3种方案：
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表1-2 初选方案拟定 方案 机组台数（台） I 4 II 5 60 HL180/A194 III 6 50 HL180/A194 单机容量（万·千瓦） 75 转轮型号 HL180/A194 1.4精选方案的确定 1.4.1 方案Ⅰ的选择计算
（1）转轮直径D1的计算： 水轮机额定出力:
Pr?PG?g?750000?765306（kw） （1-2） 0.98查《水电站设计手册》表1-4，得HL180水轮机的最优单位转速n110 = 69 r/min。取
最优单位转速n110与出力限制线交点的单位流量为设计工况点的单位流量， 则Q11r = 0.745m3/s，对应的模型效率?M= 0.90。暂取效率修正值△?= 3%，则设计工况下原型水轮机效率η= ηM+△η= 0.90 + 0.03 = 0.93
水轮机转轮直径D1为：
D1?Pr765306??9.3（m）（1-3） 1.59.81Q11rHr?r?g9.81?0.745?1201.5?0.93?0.98按我国规定的转轮直径系列，计算值处于标准值9m和9.5m之间，本机组属于大型机组，故取非标准值D1 = 9.3m。
（2）效率?的计算：
查《水轮机》附表6，得HL180型水轮机模型参数：转轮直径D1M = 0.35m，最优工况下的最高效率ηM0 = 0.926。则可求出原型效率为：
?max?1?(1??M0)5D1m0.35?1?(1?0.926)5?0.962 （1-4）
9.3D1????max??m0?0.962?0.926?0.036 （1-5）
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故限制工况原型水轮机效率为：
???m????0.90?0.036?0.936 （1-6）
（3）同步转速的选择：
n?n110Hav70?130??85.8 （r/min） （1-7）
9.3D1查《水轮机》表6－6发电机标准同步转速，此计算值介于83.3与88.2（r/min）之
间，且接近88.2 r/min，故取n=88.2 r/min
（4）水轮机设计流量错误！未找到引用源。的计算
设计工况点的单位流量为：
Q11r?Pr765306??0.73（m3/s） （1-8） 21.521.59.81?TD1Hr?r9.81?0.936?9.3?120Qr?Q11rD12Hr?0.73?9.32?120?691（m3/s） （1-9）
（5）计算水轮机的运行范围
最大、最小和设计水头所对应的单位转速：
n11minnD188.2?9.3???66.9（r/min） （1-10）
Hmax150? n11max88.2?9.3nD1??78.2（r/min） （1-11） Hmin110n11r88.2?9.3nD1?74.8（r/min） （1-12） ??120Hr（6）几何吸出高度的计算
为使水轮机尽可能不发生空化，取Hmin，Hr，Hmax三个水头分别计算水轮机的允许吸出高度，以其中的最小值作为最大允许吸出高度。
用（5）中计算的对应工况点从模型综合特性曲线上分别查得Hmin，Hr，Hmax所对应的模型空化系数分别为0.075，0.068，0.069。
?Hs?10??(????)H 900 σ——模型空化系数
Δσ——空化系数修正值，查《水轮机》图3-7得：Δσ=0.02。
930?(0.075?0.02)?110??1.48（m） （1-13） Hmin：Hs=10?900930?(0.068?0.02)?120??1.59（m） （1-14）Hr：Hs=10? 900
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Hmax：Hs=10?930?(0.069?0.02)?150??4.38（m） （1-15） 900从三个吸出高度计算值中取最小值-4.38m,再留一定的余量，取最大允许吸出高度为Hs=-4.5m
1.4.2 方案II的选择计算
(1)转轮直径D1的计算： 水轮机额定出力：
600000??612244 Pr?（kw） （1-16） ?g0.98水轮机转轮直径D1为：
PGD1?Pr612244??8.4（m）（1-17） 1.51.59.81Q11rHr?r?g9.81?0.745?120?0.93?0.98按我国规定的转轮直径系列，计算值处于标准值8m和8.5m之间，计算直径更接近8.5m，故取转轮直径D1 = 8.5m。
（2）效率?的计算：
查《水轮机》附表6，得HL180型水轮机模型参数：转轮直径D1M = 0.35m，最优工况下的最高效率?M0 = 0.926。则可求出原型效率为：
?max?1?(1??M0)5D1m0.35?1?(1?0.926)5?0.96 （1-18）
8.5D1????max??m0?0.96?0.926?0.034 （1-19）
故限制工况原型水轮机效率为：
???m????0.90?0.034?0.934 （1-20）
（3）同步转速的选择：
n110Hav69?130?92.5 （r/min） （1-21） n??8.5D1查《水轮机》表6－6发电机标准同步转速，此计算值介于93.8与100（r/min）之间，且接近93.8 r/min，故取n=93.8 r/min。
（4）水轮机设计流量错误！未找到引用源。的计算
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