水轮机课程设计说明书.doc

四川大学
课程设计任务书

学院专业班
课程名称
题目

任务起止日期：年月日～年月日

学生姓名学号
指导教师年月日
教研室主任年月日审查
院长年月日批准

目录
第一章水轮机的选型设计...1
第二章水轮机运转特性曲线的绘制...11
第三章蜗壳设计...14
第四章尾水管设计...17
第四章 心得总结...19
参考文献...20

第一章 水轮机的选型设计
1.1水轮机型号选定
一、水轮机型式的选择
根据原始资料，电站装机容量7MW，平均水头为33m，最大水头为39m，最小水头为28m。
水轮机的额定水头为Hr=0.9Hw=31.35M
根据资料，适合此水头范围的水轮机类型有轴流式和混流式，又根据水轮机系列型普表中查出合适的机型有HL240型水轮机和ZZ440型水轮机两种。根据装机容量拟选两种型号的水轮机1,2台机组。
二、 初步拟订型号机组台数并拟定单机容量
根据以上分析初步拟定见表1-1
水轮机型号
机组台数
单机容量（KW）
ZZ440
1
7000
2
3500
HL240
1
7000
2
3500
表1-1初步拟定表

1.2原型水轮机各方案重要参数的选择
按电站建成后,在电力系统的作用和供电方式,初步拟定四种方案后进行比较。
一、ZZ440型水轮机1台机组（方案一）
1、计算转轮直径
装机容量7000千瓦，水轮机的额定功率为

上式中：——机组单机容量，kw
——同步发电机的效率，一般取95%-97%，此处取95%。
根据水轮机转轮型普推荐的最大单位流量=1.65，为使单位流量有一定的余量，取3%的储备，则额定工况的单位流量=1.650.97=1.6,，相应的模型效率=0.83，暂取效率修正值Δη=0.03，η=0.83+0.03=0.86。则设计工况原型水轮机效率为86%。

根据我国规定的转轮直径系列（见《水轮机》P9），选择转轮公称直径=3.3m。
2、计算原型水轮机的效率
水轮机最高效率

水轮机在额定工况（）是的最高效率

3、计算同步转速
根据水轮机转轮型普推荐的最优单位转速=115r/min，单位转速修正值为

符合规定，所以转速不用修正。所以

根据水轮机设计，选取标准同步转速n=375r/min。
4、计算水轮机的运营范围
水轮机设计流量

当n=375r/min时，最大水头、最小水头和平均水头相应的单位转速

5、计算水轮机实际额定流量
水轮机在额定工况（）的最高效率时单位流量为

所以水轮机的实际额定流量为

6、计算最大允许吸出高度
查得在额定工况下，模型水轮机的空化系数=0.44.
根据该电站额定水头取=0.04
又根据数据由额定流量拟定高程为=413.3m

7、实际的水轮机额定水头
因不同的D1、ｎ与水能预算Hr有差异

8、计算轴向水推力
根据ZZ440的转轮轴向水推力系数表，转轮直径较小、止漏环间隙较大时取大值，故取=0.9。所以水轮机转轮轴向水推力为：

二、HL240型水轮机1台机组(方案二)
1.计算转轮直径
水轮机的额定功率为

查水轮机的转轮综合特性曲线可知，与出力限制线交点的单位流量为设计工况点单位流量，=1.24/s，相应模型水轮机的效率为98%，暂取3%的修正值，这原型水轮机的效率为92%。

按我国规定的转轮直径系列（水力机械设计及工程设计，表1.3）,计算值处在1.8m-2.0m，取直径D1=2.0m。
2.计算原型水轮机的效率

额定工况原型水轮机的效率为

3.计算同步转速
根据水轮机转轮型普推荐的最优单位转速=72r/min，单位转速修正值为

单位不需要修正。水轮机转速为

根据水轮机设计选取同步转速214.3r/min。
4.计算水轮机的运营范围

5.计算水轮机实际额定流量

6.计算最大允许吸出高度
在额定工况下，模型水轮机的空化系数=0.2。查水轮机原理图3-13可得空化系数修正值=0.04。又根据数据由额定流量拟定高程为=431.3m

7.计算飞逸转速
由HL240模型水轮机飞逸特性曲线查得，在最大导叶开度下单位飞逸转速=160r/min。故水轮机的飞逸转速为

8、实际的水轮机额定水头
因不同的D1、ｎ与水能预算Hr有差异

9.计算轴向水推力
根据HL240的转轮轴向水推力系数表，转轮直径较小、止漏环间隙较大时取大值，故取K=3.2。所以水轮机转轮轴向水推力为

三、各方案重要参数
同理，方案三和方案四的数据也可通过同样的方法和过程查资料计算得出，四种方案所得数据如表1-2所示：

ZZ440
(17MW)
ZZ440
(23.5MW)
HL240
(17MW)
HL240
(23.5MW)
比转速
(r/min)
440
440
220
220
额定功率
（kw）
7368
3684
7368
3684
模型最优单位比转速(r/min)
115
115
72
72
模型额定工况单位流量
()
1.51
1.51
1.24
1.24
转轮直径(m)
1.8
1.25
2
1.37
水轮机效率
0.872
0.867
0.91
0.905
转速
n(r/min)
375
500
107
300
额定流量()
27.4
13.2
27.7
13.3
吸出高度(m)
-5.53
-5.52
1.99
1.96
实际额定水头(m)
31.4
32.3
31.6
31.7
实际额定流量
()
6.14
1.83
3.8
0.961
轴向水推力(N)
0.93845
0.68947
0.47880
0.30643
表1-2四种方案数据表格

1.3拟定机组方案
根据上面列举出来的四种方案数据分析，两种机型方案的水轮机转轮直径相近，但HL240型水轮机方案的工作范围包含了较多的高效率区域，运营效率较高，气蚀系数较小，安装高程较高，有助于提高年发电量和减小电站厂房的开挖工程量；而ZZ440型水轮机方案的机组转速较高，有助于减少发电机尺寸，减少发电机造价，但这种机型的水轮机及其调节系统的造价较高。所以根据分析，在制造供货方面没有问题时，初步选用HL240型方案为有利。而HL240中1台机组虽然效率比2太机组略高造价低，但是两台机组运营时更方便，也有助于水电站的运营。因此，最终应选的最优方案为2HL240。

第二章水轮机运转特性曲线的绘制
2.1等效率曲线的计算
现取水电站4个水头，列表计算结果如表2-1所示，绘制的等效率线详见图纸。

（%）

（%）
P
（mw）

（%）

（%）
P
（mw）
87
88
89
90
91
91
90
89
88
87
0.85
0.88
0.92
0.95
0.97
1.13
1.16
1.19
1.24
1.27
88.56
89.56
90.56
91.56
92.56
92.56
91.56
90.56
89.56
88.56
3.48
3.67
3.88
4.02
4.18
4.89
4.96
5.08
5.24
5.29
87
88
89
90
91
91
90
89
88
87
0.83
0.87
0.91
0.94
0.98
1.19
1.22
1.25
1.28
1.32

87.56
89.56
90.56
91.56
92.56
92.56
91.56
90.56
89.56
88.56
2.67
2.85
3.04
3.19
3.37
4.07
4.12
4.15
4.23
4.27
5%出力限制线上的点
88.01
1.24
89.57
5.18
89.8
1.24
91.36
4.11

（%）

（%）
P
（mw）

（%）

（%）
P
（mw）
87
88
89
90
91
91
90
89
88
87
0.84
0.88
0.92
0.96
1.00
1.21
1.24
1.26
1.30
1.33
88.56
89.56
90.56
91.56
92.56
92.56
91.56
90.56
89.56
88.56
2.51
2.64
2.84
2.99
3.20
3.79
3.84
3.88
3.94
3.97
87
88
89
90
91
91
90
89
88
87
0.89
0.93
0.98
1.02
1.07
1.22
1.26
1.27
1.32
1.34
88.56
89.56
90.56
91.56
92.56
92.56
91.56
90.56
89.56
88.56

2.36
2.49
2.62
2.76
2.97
3.18
3.26
3.29
3.36
3.37
5%出力限制线上的点
90.30
1.24
91.86
3.82
90.30
1.24
91.86
3.23
表2-1HL240型水轮机等效率曲线计算表
2.2功率限制线的计算
水轮机的功率限制线一般由模型综合特性曲线的5%功率限制线换算而得到的。需要计算的值已在等效率曲线计算表2-1中列出。
2.3等吸出高度线的计算
（1）求出各水头下的值，并在相应的模型综合特性曲，并由此计算出、P，填入表2-2中线上查出水平线与各等气蚀系数线的所有交点坐标，读出、、的值

(%)

(%)
P
(mw)

(m)
39
67.3
0.21
0.22
1.24
1.33
88.1
85.3
89.56
86.86
4.97
5.16
0.24
0.25
9.36
9.75
0.16
-0.23

33

73.11
0.21
0.20
0.20
0.21
0.22
0.85
0.98
1.22
1.31
1.36
87.5
91.1
90.1
87.0
85.5
89.06
92.66
91.56
88.56
87.06
2.64
3.17
3.90
4.05
4.12
0.25
0.24
0.24
0.25
0.27
8.22
7.89
7.89
8.22
8.88
1.30
1.63
1.63
1.30
0.65
31.35
75.01
0.21
0.20
0.20
0.21
0.22
0.83
0.95
1.28
1.33
1.36
87.1
90.0
88.5
86.9
85.7
88.56
91.56
90.06
88.46
87.26
2.37
2.82
3.71
3.79
3.83
0.25
0.24
0.24
0.25
0.26
7.84
7.52
7.52
7.84
8.15
1.68
2.01
2.01
1.68
1.37

28

79.41
0.21
0.20
0.20
0.21
0.22
0.86
0.96
1.27
1.32
1.34
86.5
88.7
89.1
87.5
87.0
88.06
90.26
90.56
89.06
88.56
2.07
2.38
3.14
3.22
3.24
0.26
0.25
0.25
0.26
0.27
7.14
6.86
6.86
7.14
7.42
2.38
2.66
2.66
2.38
2.11
（2）运用公式计算出相应于上述各的值，计算结果如表2-2所示，绘制的等吸出高度线详见设计图纸。
表2-2HL220型水轮机等吸出高曲线计算表
2.4水轮机运转特性曲线的绘制（见附图）
第三章蜗壳设计
3.1蜗壳型式、断面形状和包角的拟定
由于本站应用水头为小于40米，故采用混凝土蜗壳。
蜗壳断面为平顶“”形断面。选择平顶“”行断面，当时，选取，选择；角度在内选取，一般取。
混凝土蜗壳的包角一般在。取。
3.2座环尺寸的拟定
由《水轮机设计手册》标准座环尺寸系列查取：座环内直径Db=2.4；座环外直径Da=3m。
3.3蜗壳参数计算
根据《水电机原理与运营》图6-9，当水轮机额定水头=31.35时，蜗壳进口断面的平均流速
蜗壳包角，且根据表3-1设计水轮机具体数据，得进口断面流量为
表3-1如下：
转轮直径

额定水头

额定流量

导叶相对高度

导叶高度

外直径

内直径

1.4m
31.35m
13.3
0.256
0.358m
3.0m
2.4m
表3-1水轮机具体数据
进口断面面积
3.4根据选择的蜗壳断面形状，拟定具体尺寸
由已知：
顶角的变化规律采用直线变化规律，则：
0.85
进口断面的最大半径：
==1.2+0.84=2.04m
在至之间设不同的，求出、、、、，具体数据和计算数据如表3-2和3-3所示，并根据表格绘制辅助曲线。根据需要，选定若干个（每隔），并查出相应的及其断面尺寸，如表3-4所示。便可绘制蜗壳平面单线图。
进口宽度取。

1断面

1.34
2.04
0.66

1.34
1.84
0.73
1.34
1.64
0.82
1.34
1.40
0.96
2断面

0.93
1.84
0.50
0.93
1.64
0.56
0.93
1.44
0.64
0.93
1.32
0.70
3断面

0.63
1.64
0.38
0.63
1.44
0.43
0.63
1.26
0.51

4断面

0.44
1.44
0.30
0.44
1.24
0.35

5断面

0.36
1.24
0.29

0.36
1.20
0.30

表3-2各断面的的函数曲线

断面号

1
2.04
0.65
270.2
9.97
2.12
4.71
2
1.84
0.36
147.5
5.45
1.12
4.87
3
1.64
0.18
74.7
2.76
0.54
5.11
4
1.44
0.08
31.6
1.17
0.21
5.57
表3-3各的数据计算

编号
1
2
3
4
5
6
7
角度
270
225
180
135
90
45
0
半径R(m)
2.04
1.96
1.88
1.78
1.66
1.52
1.21
表3-4R～关系
3.5由上述尺寸绘制蜗壳单线图（见附图）

第四章尾水管设计
4.1尾水管的选择
尾水管是水轮机过流通道的一部分。尾水管的形状对不同比转速水轮机的性能存在不同限度的影响，特别对高比转速水轮机影响更为明显。本设计中尾水管型式采用由直锥段、弯肘段和扩散段三部分组成带有弯曲肘部的弯肘形尾水管。
4.2尺寸拟定
一、尾水管高度
尾水管高度指从水轮机底环平面到尾水管底板的高度，是决定尾水管性能的重要参数。增长高度将提高尾水管效率，但将增长电站建设费用，减少高度不仅会减少水轮机效率，还会影响运营的稳定性。
从《水轮机》P167查得：对于的混流水轮机取；对于的高水头混流式水轮机则可取。而则
所以取
二、进口直锥段
进口直锥管是以垂直的圆锥形扩散管，为直锥管的进口直径。可近似取转轮出口直径，即，从《水轮机》P167查得：进口锥管的单边锥角对混流式水轮机可取，则取
三、肘管段
肘管是一个90°变断面的弯管，其进口为圆断面，出口为矩形断面。参考《水电站机电设计手册》（水力机械）表2-17，当Vc=5.6m/s<6m/s,水头低于200m时，可不设金属里衬，采用推荐的尾水管设计，此时，与有下列关系式：且：
参考《水电站机电设计手册》（水力机械）表2-17得尾水管尺寸与D1的比值可以算出尾水管的各部分尺寸：

肘管型式
合用范围
2.6
4.5
2.72
1.35
1.35
0.68
1.82
1.22
混凝土肘管
混流式（）
表4-1推荐的尾水管尺寸表（单位：m）
由表得：
；

计算得：

四、出口扩散段
出口扩散段是一水平放置断面为矩形的扩散管，参考《水电站机电设计手册》（水力机械）,其出口宽度一般与肘管出宽度相等，其顶板向上倾斜，仰角a=10°~13°，取a=12°,底板一般呈水平。出口扩散一般为矩形断面，对混流式水轮机取，则取。
水平长度L是机组中心到尾水管出口的距离。肘管型式一定期，L决定了水平扩散段的长度，增长L可使尾水管出口动能下降，提高效率。但太长了将增长沿程水力损失和增大厂房部分尺寸。通常取。
五、尺寸列表
参考表4-1，计算出尾水管各部分尺寸列于下表4-2：
项目（m）

L

尺寸
1.4
1.4
1.9
3.6
1.9
2.6
6.3
1.7
0.9
3.8
1.6
0.1
表4-2尾水管尺寸计算表
4.3由上述尺寸绘制尾水管单线图（见附图）

第五章心得总结
通过这接近3周的课程设计，我们把学习课本的相关知识集中体现在具体的设计实践当中，把理论知识和冻水实践结合在一起。不仅提高了个人的独立思考能力和自己的动手操作能力，并且对我们以后走上工作岗位有极大的帮助。
这次的设计当中有许多的数据需要计算和整理，大大的提高了我们的计算能力，往往就是由于一个数据，导致接下来一系列数据都是错的，假如这样的话就得从头开始计算，这样既费时又费力。所以课程设计中，我们必须小心谨慎。不仅需要小心谨慎，我们还需要有虚心请教的心态，当碰到不懂的地方，我们就要去虚心向老师或同学请教，同时也不要吝啬自己掌握的设计要点，与同学老师共同交流讨论，共同提高。
总的来说，这次课程设计不仅让我们在知识上受益匪浅，并且让我们对处事态度方面有新的结识，让我从中学到了很多课本上没有的东西。

参考文献
[1]张德虎主编《能源动力类水动专业毕业设计与课程设计指南》.北京：中国水利水电出版社。2023
[2]水电站机电设计手册编写组.《水电站机电设计手册-水力机械分册》.北京:水力水电出版社,1989
[3]水电站机电设计手册编写组.《水电站机电设计手册-电气一次分册》.北京:水力水电出版社,1989
[4]武汉水利电力学院,华北水利水电学院,华东水利水电学院合编.《水力机组辅助设备与自动化》.北京:电力工业出版社,1981
[5]季一峰主编.《水电站电气部分》.北京:水利电力出版社,1993
[6]范华秀主编.水力机组辅助设备.北京:水利电力出版社,1993
[7]骆如蕴主编.《水电站动力设备设计手册》.
[8]哈尔滨大电机研究所编.《水轮机设计手册》(水轮发电机组设计手册第一部分).北京:机械工业出版社.
[9]蔡燕生主编.《水轮机调节(第2版).黄河水利出版社,2023
[10]西北电力设计院,东北电力设计院编.《电力工程设计手册》.上海:上海科学技术出版社.
[11]黄庆丰、金永琪主编《水电站电气设备》郑州：黄河水利出版社.2023