1、 目 录1 前言42水电站的水轮机选型设计 52.1 水轮机的选型设计概述52.2 水轮机选型的任务 62.3水轮机选型的原则62.4水轮机选型设计的条件及主要参数72.5 确定电站装机台数及单机功率72.6 选择机组类型及模型转轮型号82.7 初选设计（额定）工况点112.8 确定转轮直径122.9 确定额定转速n122.10 效率及单位参数的修正132.11 核对所选择的真机转轮直径142.12 确定水轮机导叶的最大开度、最大可能开度、最优开度182.13 计算水轮机额定流量192.14 确定水轮机允许吸出高度202.15 计算水轮机的飞逸转速252.16 计算轴向水推力252.17 估算
2、水轮机的质量262.18 绘制水轮机运转综合特性曲线263 水轮机导水机构运动图的绘制353.1 导水机构的基本类型353.2 导水机构的作用 363.3 导水机构结构设计的基本要求363.4 导水机构运动图绘制的目的373.5导水机构运动图的绘制步骤374 水轮机金属蜗壳水力设计414.1 蜗壳类型的选择414.2 金属蜗壳的水力设计计算415尾水管设计 495.1 尾水管概述 495.2 尾水管的基本类型495.3 弯肘形尾水管中的水流运动496水轮机结构设计 506.1 概述 506.2 水轮机主轴的设计506.3 水轮机金属蜗壳的设计516.4 水轮机转轮的设计526.5 导水机构设计
3、 556.6 水轮机导轴承结构设计586.7 水轮机的辅助装置617 金属蜗壳强度计算 637.1 金属蜗壳受力分析 637.2 蜗壳强度计算 637.3 计算程序及结果 668 结论711 前 言水轮机是水电站的重要设备之一，它是靠自然界水能进行工作的动力机械与其他动力机械相比，它具有效率高、成本低、环境卫生等显著特点。另外，水轮机的好坏直接影响到水电站的能量转换效率，在水轮机生产制造前，我们必须首先根据给定电站的水力条件对水轮机进行选型设计、对其零件进行结构分析以及对部分零部件进行强度计算及校核等。鉴于此，作为我们以后在水轮机制造厂或水电站工作的热能与动力工程专业的学生，也就必须熟练掌握水
4、轮机的设计思想、设计方法以及设计步骤，所以在学习各种专业课程后开始本次毕业设计。毕业设计是本科教学计划中最后一个综合性、创造性的教学实践环节，是对学生在校期间所学基础理论、专业知识和实践技能的全面总结，是对学生综合能力和素质的全面检验，也是教学、工程实践的重要结合点。它主要是培养学生综合运用所学知识和技能去分析和解决本专业范围内的工程技术问题，建立正确的设计思想，掌握水轮机设计的一般程序和方法，使学生在进行了工程实践能力的综合训练后，在今后的工作岗位上具有应用专业技术解决工程实际问题的能力。本次毕业设计从水轮机的基本工作原理出发，系统地、较为全面地进行了水轮机的选型设计、水轮机的结构分析、水轮
5、机部分零部件的强度计算及校核等。设计分为六部分:第一部分：水轮机的选型设计；第二部分：导水机构运动图的绘制；第三部分：蜗壳的水力设计；第四部分：尾水管的设计；第五部分：蜗壳的强度计算；第六部分：绘制导叶加工图。在设计过程中，着重阐述了水轮机选型设计的具体方法及方案选择、水轮机的结构设计两部分。2水电站的水轮机选型设计2.1 水轮机的选型设计概述水轮机的选型设计是水电站设计中的一项重要任务，其计算结果直接关系到水电站的机组能否长期运行、投资的多少、经济效益的高低。它是根据水电站设计部门提供的原始资料及参数，选择合理的水轮机型号和计算水轮机的各种性能参数。一般情况下，先根据水电站的类型、动能计算以
6、及水工建筑物的布置等初选若干个方案，然后进行技术经济比较，再根据水轮机的生产情况和制造水平，最后确定最佳的水轮机型号及尺寸。2.2 水轮机选型的任务水轮机选型的主要任务如下：(1)确定电站装机台数及单机功率(2)选择机组类型及模型转轮型号(3)确定机组的装置方式(4)确定转轮直径、额定转速、飞逸转速(5)计算所有运行水头和功率下水轮机的效率和吸出高度值，绘制水轮机运转综合特性曲线。(6)轴向水推力的计算(7)调节保证计算（本设计不要求）(8)辅助设备的选择(9)计算水轮机的外形尺寸，估算重量及其价格上述内容为水电站水轮机初步设计的一部分，水电站初步设计还包括水轮机的通流部件的设计、如蜗壳、座环
7、、导水机构、尾水管等的初步计算及初步绘制水轮机剖面图等。2.3 水轮机选型的原则水轮机选型设计计算是水电站设计中的一项重要任务，其计算结果对水电站的投资、建设速度和发电量以及水电站的经济效益都有很大的影响。水轮机的选型并不是简单地查阅产品目录，从现代水轮机的选型设计计算来看，它是一门系统工程学，要在电站水能资源综合利用、制造、运输、安装、土建电力用户、运行方式等诸多技术经济因素中寻求最佳方案。水轮机选型设计的一般原则如下：所选水轮机要具有较高的能量特性。不仅要选择额定工况下较高的水轮机转轮型号，而且还要根据水轮机的工作特性曲线，即及曲线，选择平均效率最高的水轮机型号，使水轮机在负荷和水头变化的
8、情况下具有最高的平均运行效率。所选水轮机不仅要具有良好的空蚀性能，还要有较好的工作稳定性能，运行要灵活、平稳、安全和可靠。所选水轮机的尺寸应较小，结构要合理、先进，便于运输、安装、运行及检修。转轮选择比较时，应尽可能选用较高的水轮机，这样转速较高，相应的机组尺寸就小，并且使所选的水轮机经常在最优区运行。选择转轮参数时应该使值稍高于，而且值应接近于值。2.4水轮机选型设计的条件及主要参数水轮机的选型是根据水电站设计部门提供的原始资料和数据，选择合适的水轮机型号和计算水轮机的性能参数主要设计参数：总装机容量 工作水头 引用流量，吸出高度为1.64m，电站海拔高程 该电站离负荷中心较远，有季节性调节
9、水库，在系统中担任基荷。2.5 确定电站装机台数及单机功率2.5.1 机组台数的选择对于一个确定了总装机容量的水电站，机组台数的多少直接影响到电厂的动能经济指标与运行的灵活性、可靠性，还影响到电厂建设的投资等。因此，确定机组的台数时，必须考虑以下有关因素，并进行充分的技术经济论证。(1)机组台数对工程建设费用的影响机组台数多少直接影响单机容量的大小，单机容量不同时，机组的单位千瓦造价不同，一般情况下，小机组的单位千瓦造价高于大机组。一方面，小机组的单位千瓦金属消耗高于大机组；另外，单位重量的加工费也较大。除主要机电设备外，机组台数的增加，要求增加配套设备的台数，主副厂房的平面尺寸也需增加，因此
10、，在同样的装机容量下，水电站的土建工程及动力厂房成本也随机组数的增加而增加。(2)机组台数对电厂运行维护的影响机组台数较少时，其优点是运行方式灵活，发生事故时对电站及所在系统的影响较小，检修也容易安排。但台数较多时，运行人员增加，运行用的材料、消耗品增加，因而运行费用较高。同时，较多的设备与较频繁的开停机会使整个电站的事故发生率上升。(3)机组台数对设备制造、运输及安装的影响机组台数增加时，水轮机和发电机的单机容量减小，则机组的尺寸小，制造、运输及现场安装都较容易。反之，台数减少则机组尺寸增大，机组的制造、运输和安装的难度也相应增大。因此，最大单机容量的选择要考虑制造厂家的加工水平及设备的运输
11、、安装条件。此外，从发电机转子的机械强度方面考虑，发电机转子的直径必须限制在转子最大线速度的允许值之内，机组的最大容量有时也会因此受到限制。(4)机组台数对电力系统的影响对于占电力系统容量比重较大的水电厂及大型机组，发生事故时对电力系统的影响较大，考虑到电力系统中备用容量的设置及电力系统的安全性，在确定台数时，单机容量不应大于系统的备用容量，即使在容量较小的电网中，单机容量也不宜超过系统容量的1/3。(5)机组台数对电厂主接线的影响由于水电厂水轮发电机组常采用扩大单元主接线方式，故机组台数多采用偶数。同时为了运行方式的机动灵活及保证机组检修时的厂用电可靠，一般都装两台以上机组。以上与机组台数有
12、关的因素，许多是相互关系又相互矛盾的，在选择时应针对主要因素，进行综合技术经济比较，选择出合理的机组台数。 综合本次的设计条件，所选的机组台数为两台。即：Z=2。2.5.2 确定机组的单机容量（功率）确定出电站的机组台数后，就可以求单机容量。单机容量： Z 电站的装机台数,Z=2。计算得： 。2.6 选择机组类型及模型转轮型号根据水电站的实际情况正确的选择水轮机的型式是水轮机设计的一个重要环节。虽然各类水轮机有明确的适用水头范围，但由于它们的适用范围存在着交叉水头段，因此，必须根据水电站的具体条件对可供选择的水轮机进行分析比较，才能选择出最合适的机型。2.6.1 各类水轮机的适用范围大中型水轮
13、机的类型及使用的水头范围如表2.1所示。表2.1 大中型水轮机的类型及使用水头范围表水 轮 机 型 式适用水头范围（m）比转速范围（m.kw）能量转换方式水流方式反击式贯流式206001000斜流式40180150350混流式3070050300轴流式380200850在进行水轮机选择时，若同一水头段有多种机型可供选择时，则需要认真分析各类水轮机的特性并进行技术经济比较以确定最适合机型。不同类型的水轮机具有不同的使用范围与特点，根据本次设计的水头特征，可初步确定机型为HL或者ZL式。两类水轮机的特点可概括如下:2.6.2 HL和ZL式水轮机各自的特点HL式水轮机的特点是水流径向流入转轮，大致轴
14、向流出。转轮由叶片、上冠和下环组成，叶片数较多，强度高，比转速范围广，适用水头范围广，适用水头为30700m；结构简单，价格低，是目前使用最为广泛的一种水轮机。ZL式水轮机的特点是水流轴向流入转轮又轴向流出，从引水室来的水流在导叶与转轮之间的空间内已由径向转为轴向。比转速较高，具有较大的过流能力，常应用在水头为380m的水电站；ZZ式可协联方式运行，在水头、负荷变化时可实现高效率运行。在水头、负荷变化较小，或装机台数较多的电站，可以通过调整运行机组台数使水轮机在高效率区运行。ZD式水轮机结构简单，可靠性好，尤其在担负基荷的低水头电站较适用。2.6.3 交界水头段HL和ZL式这两种水轮机型式的比
15、较(1)ZZ式水轮机适用水头与负荷变化较大的电站，能在较宽广的工况范围内稳定、高效率运行，平均效率高于HL式水轮机；(2)在相同的水头下，ZL式的比转速高于HL式，有利于减小机组的尺寸；(3)ZL式的空化系数大，约为同水头段HL式的2倍，为保证空化性能需增加厂房的水下开挖量；(4)当尾水管较长时，ZL式水轮机比HL式水轮机易产生紧急关机的抬机现象；(5)ZL式水轮机的轴向水推力系数约为HL式的24倍，推力轴承载荷大。(6)另外，ZZ式水轮机的转轮及受油器等部件结构复杂、造价高。综上所述，结合本次的设计条件：该电站离负荷中心较远，有季节性调节水库，在系统中担任基荷。经分析比较，最终确定所选水轮机
16、机型为：HL式水轮机。2.6.4 选择水轮机的转轮型号水轮机型号的选择主要是根据水电站的特征水头，特别是其最大水头选择的。通常情况下，水轮机型号是根据水轮机的型谱性能参数进行选择的；若在交界的水头范围，也就是某一水头范围有2种及其以上的转轮型号可选择时，就需要进行综合分析比较后才能选出最佳的转轮型号。根据本次设计的特征水头：，由1中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表和其他资料，可确定本次设计所选水轮机的型号为：HL260/ D74（以下简称方案a）或者HLA616（以下简称方案b），其对应的相关模型转轮参数如下表所示：表2.2 a HL260/D74模型转轮主要参数表转轮型号推荐使用水头H(m
17、)模型转轮直径(cm)流道尺寸最优工况(r/min)(/s)(%)HL260/D74508035cm0.28141.1624791.0892.70.123表2.2 b HLA616模型转轮主要参数表转轮型号推荐使用水头H(m)模型转轮直径(cm)流道尺寸最优工况(r/min)(/s)(%)HLA6167535cm0.28141.162480.11.0193.132.7 初选设计（额定）工况点 水轮机的选型设计工况点是指水轮机在额定水头下发额定出力时的工况点，即（，）。2.7.1 选择设计单位转速对于方案a：式中模型的最优单位转速,由参考资料1：。计算得： 。对于方案b：式中模型的最优单位转速,
18、由相关资料：。计算得： 。2.7.2 确定额定工况下的单位流量由1在HL260/D74模型转轮综合特性曲线上作的水平线交5%功率限制线于A点，A点即为初选设计工况点，见图2.1。A点的单位流量即为初选设计工况点下的单位流量。对于方案a：，初选设计工况点为：（，1244L/S）；对于方案b：，初选设计工况点为：（，1244L/S）图2.1 初选设计工况点2.8 确定转轮直径2.8.1 水轮机的额定出力式中： Pg发电机额定功率,；g 发电机功率,一般可取0.96或0.98,本次设计取。计算得：。2.8.2 转轮直径式中：；。 计算得 =0.895，。由2P15转轮公称直径D1尺寸系列,取。2.9
19、 确定额定转速计算得：=413.1 。由2P15水轮发电机额定转速系列表，可以选择 ；由2P15水轮发电机额定转速系列表，可以选择 。2.10 效率及单位参数的修正2.10.1 效率修正真机的效率修正：对于方案a： ,最后计算可得 ：.对于方案b： ,最后计算可得 ：. 2.10.2 单位参数修正2.11 核对所选择的真机转轮直径2.11.1 确定水轮机的真实工况点(1)模型机的设计单位转速n11r(m)为： 如图所示 则B点在n11r(m)水平线上。在其上查找点(m,Q11m),计算N11t，并做辅助曲线如图所示。而，在辅助线上有一个Q11tr与之对应，从而得到Q11mr，将其返回图中与线相
20、交于B点，即为真是工况点。对于方案a，其计算表和辅助曲线如下，最终的真是工况点如图2.4a。表2.3 a 辅助曲线计算数据表 0.90.910.920.920.910.9040.9140.9240.9240.91411.0351.0721.1561.2038.879.289.7210.4810.79对于方案b，其计算表和辅助曲线如下，最终的真是工况点如图2.4b。表2.3 b 辅助曲线计算数据表m0.90.910.920.920.910.9t0.9030.9130.9230.9230.9130.903Q11t=Q11m0.8620.9220.9681.1041.151.193N11t7.635
21、9678.2579218.7648829.99631210.3000110.568112.11.2 工作范围的检查最大水头下，对应一个，最小水头下下，对应一个，下面分别求出和的大小。结论：如图2.4a和2.4b，在图中分别做出和的水平线，由图可知：这两条水平线之间包含了主要综合特性曲线的最优效率区，平均效率较高，水轮机真实的设计工况点B在最有工况点的附近，比较两种方案，方案b的搞笑取款而广，且真是工况点b更接近最有工况点，故而综合分析，最终选定方案b。该水轮机机型为：HLA616-LJ-160，其主要参数如下：转轮直径： 额定转速：设计单位转速： 设计单位流量图2.3a:HLA616-LJ-1
22、60 水轮机真实工况点图2.3b:HLA616-LJ-160 水轮机真实工况点2.12 确定水轮机导叶的最大开度、最大可能开度、最优开度2.12.1 计算原型机的导叶分布直径2.12.2 计算模型机的导叶分布直径计算得：2.12.3 计算水轮机导叶的最大开度在模型机和真机保持几何相似，即当时，可按相似换算2.12.4 计算水轮机导叶的最大可能开度2.12.5 计算水轮机导叶的最优开度2.13 计算水轮机额定流量 2.14 确定水轮机允许吸出高度2.14.1水轮机允许吸出高度本次设计采用的水轮机吸出高度Hs计算公式为： 式中：水电站水轮机安装海拔高度，m 空蚀安全系数。对HL，当H=30250m
23、时取1.151.20，这里取1.18各对应水头下的工况点的空蚀系数。在进行各水头下的工况点空蚀系数查找时，需要作辅助线。为此列表计算，并得出各水头下的辅助线。且在各水头下，为已知，从辅助曲线上即可找到该水头下发出的额定功率的工况点，从而得出其空蚀系数。列表计算时，包括了，六个水头。 表2.4 各水头下的辅助曲线计算表N11t1=11.4784.930.890.880.870.860.850.8930.8830.8730.8630.853Q11t1.2391.281.311.341.38N11t10.85 11.09 11.22 11.34 11.55 N11t2=10.7783.160.910
24、.920.920.910.90.890.9130.9230.9230.9130.9030.893Q11t0.9440.991.111.1541.1961.24N11t8.45 8.96 10.05 10.34 10.59 10.86 N11t3=10.3181.960.90.910.920.920.910.90.9030.9130.9230.9230.9130.903Q11t0.8620.9220.9681.1041.151.193N11t7.64 8.26 8.76 10.00 10.30 10.57 N11t4=10.1481.490.90.910.920.920.910.90.9030.
25、9130.9230.9230.9130.903Q11t0.8520.9140.971.1071.151.19N11t7.55 8.19 8.78 10.02 10.30 10.54 N11t5=9.6880.260.90.910.920.920.910.90.9030.9130.9230.9230.9130.903Q11t0.8340.8870.941.0961.1461.185N11t7.39 7.94 8.51 9.92 10.26 10.50 N11t6=9.6278.380.90.910.920.920.910.90.9030.9130.9230.9230.9130.903Q11t0.820.8560.91.081.1441.18N11t7.26 7.67 8.15 9.78 10.25 10.45 根据查出的数据，在坐标纸上画出曲线，见图2.4.1图2.4.6：图2.4.1 辅助曲线 H=65.2m 图2.4.2 辅助曲线 H=68m 图2.4.3 辅助曲线 H=70m 图2.4.4 辅助曲线 H=70.82m 图2.4.5 辅助曲线 H=73m图2.4.6 辅助曲线 H=76.55m在各水头下的曲线，再根据值查出对应的单位流量，再将各水头下单位流量的和对应的单位转速值查HLA61
