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1、 Fujian College of Water Conservancy and Electric Power水轮机课程设计指导书福建水利电力职业技术学院机电教研室编2007.5目录笫一章 水轮发电机组的选择1笫一节 水能资料1笫二节 机组台数与机型的选择1第三节 水轮机主要参数的选择与计算2第四节 配套发电机的选择4第五节 机组方案的比较7第六节 水轮机运转综合特性曲线的绘制8第七节 蜗壳、尾水管外形尺寸的估算10第八节 电站动能经济指标的计算12第二章 进水阀与调速器设备的选择13第一节 进水阀的选择13第二节 调速设备的选择14笫一章 水轮发电机组的选择笫一节 水能资料根据设计任务书，列
2、出水能设计计算和规划给出的以下特征值：多年平均流量；水电站水库调节类型；水电站类型与厂房型式；水电站特征水头；水电站装机容量；水电站设计保证率；水电站保证出力；多年平均发电量；年利用小时数；电力系统设计水平年最大负荷；引水系统的引水方式；水电站下游水位与流量关系曲线。在得到上述资料后，需要对资料进行适当的校核；其中重点是校核水电站特征水头。笫二节 机组台数与机型的选择一、机组台数的选择：1台数与投资的关系台数多，单机容量小，小机组单位千瓦造价高，同时，相应的主阀、调速器、附属设备及电气设备的套数增加，投资亦增加。一般情况下，台数多对成本和投资不利。2台数对运行效率的影响机组台数多，可以灵活改变
3、机组运行方式，调整机组负荷，避开低效率区运行，以是电站保持较高的平均效率。机组类型不同，台数对电厂平均效率的影响就不同。轴流转浆式水轮机，由于单机的效率曲线平缓且高效区宽，台数多少对电厂的平均效率影响不明显；而混流式、轴流定浆式水轮机其效率曲线较陡，当出力变化时，效率变化较剧烈，适当增加台数可明显改善电厂运行的平均效率。3台数与运行维护的关系台数多，运行方式灵活机动，事故停机影响小，单机检修易于安排，但对全厂检修麻烦；同时，台数多，机组开、停机操作频繁，事故的次数可能增加。4台数与其他因素的关系41 台数与电网的关系对于区域电网的单机：装机容量较小15%系统最大负荷（不为主导电站）；装机容量较
4、大10%系统容量(系统事故备用容量)，因而，单机容量与台数选取不受限制。42台数与保证出力的关系根据设计规范要求，机组单机容量应以水轮机单机运行时其出力在机组的稳定运行区域范围内确定为原则。不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域如表1。综上所述，可以确定机组台数选择的原则：对中小型水电站，一般选择24台；保证在水头低于额定水头时，机组受阻容量尽量小；在可能的情况下尽量选用单机容量较大的水轮机，以降低设备造价。表11 不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域型式稳定运行负荷区域（%）型式稳定运行负荷区域（%）混流式40100冲击式25100轴流定浆式70100轴流转浆式30100贯流转浆式25100二、转
5、轮型号的选择转轮型号的选择主要根据电站水头变化范围(HminHmax)查相应的水轮机型谱参数表，以选择适用电站水头变化范围的水轮机型号为原则；若有多种型号可供选择，则需要列为备选方案，待进行参数计算比较后再确定。第三节 水轮机主要参数的选择与计算在确定了不同的备选方案后，应对所有的备选方案进行参数计算，为水轮机选择比较提供依据。参数计算的内容和步骤如下：1水轮机转轮直径D1式中，f发电机效率，通常中小型取0.930.96，大中型取0.960.98；Q11对混流式水轮机，取限制工况下的单位流量。对轴流转浆式水轮机，取最优工况与限制工况之间的单位流量；一般水头较高时取靠近下限值，水头较低时取靠近上
6、限值。取n110与Q11交点的效率，并加上13%修正值。D1（cm）根据计算结果，可适当取大一点，一般是取5的倍数关系的直径值。2原型水轮机最高效率与效率修正值式中1水轮机工艺误差引起的效率下降值，对大中型水轮机取12%，对中小型水轮机取24%；2水轮机异形部件引起的效率下降值，一般取13%（中小型水轮机通常不予考虑）3水轮机转速计算与选择式中 取与计算结果接近的标准同步转速，原则上取相近偏大值；若在两同步转速中间附近需作进一步比较。4检验水轮机实际工作范围水轮机计算点出力的校核计算Hr时的出力： ，要求NNr且接近。水轮机实际工作范围的校核分别求出求Hmax、HW、Hr、Hmin下对应的单位
7、转速，列表12，要求HW下对应的11Ma与11M0相近，Hmax、Hmin时对应的11Mmin、11Mmax在模型综合特性曲线图上，其范围应包含高效率区。若是有两同步转速，分别计算出各水头对应的单位转速，并检查两方案的运行区域后，选择较优的转速方案。表12各水头对应单位转速计算结果表转速方案HmaxHwHr Hminn1= r/minn2= r/min5水轮机最大允许吸出高度计算 K的取值方法：混流式转轮：用不锈钢时，K1.11.2；易空化部位有抗空化措施时，K 1.21.4；采用优质碳钢时，K 1.4。(对含砂量较大电站K适当取大些；多机组K取小些)Hs的选择：分别计算出在Hr、Nr和Hma
8、x、Nr时的Hs值，选偏小的Hs，以防止产生空化。E水轮机安装处的海拔高程，初设时可用最低尾水位Zxd计算出。6实际的水轮机额定水头(重算) 因不同的D1、与水能预算Hr有差异： 式中=M+ ，M以与Q11查模型曲线交点处值。7水轮机额定流量(重算) 式中Hr采用上述（6）中的计算结果。8水轮机安装高程式中：为电站的下游尾水位，单位m。水电站的下游尾水位是随电站的流量变化而变化的，它与机组运行方式、水库综合利用等有关。在实际工程中，一般是根据水电站的最低尾水位来计算。在初步设计阶段，对中小型水电站，若装机12台时，可按一台机组50%额定出力时相应的流量所对应的下游水位作为；若装机大于34台时，
9、可按一台机组满负荷时的流量所对应的下游尾水位作为。对于大中型水电站，下游水位需作方案比较和专题论证。9水轮机最大飞逸转速为该机型的单位飞逸转速，可通过相关设计资料查找得出。10水轮机轴向水推力、总轴向力可按下式近似计算原型水轮机的轴向水推力：式中：D1为转轮直径（m）；Hmax为最大水头（m）；K为转轮的轴向水推力系数（kN/m3），一般由经验统计方法得出，具体见表1-3和表1-4所示。表1-3 混流式水轮机的轴向水推力系数转轮型号HL310HL240HL230HL220HL200HL180HL160HL120HL110HL100K0.370.450.340.410.180.220.280.3
10、40.220.280.220.280.200.260.100.130.100.130.080.14表1-4 轴流式水轮机的轴向水推力系数转轮叶片数45678K0.850.870.900.930.95立轴水轮机总的轴向推力Fz包含除轴向水推力、转轮重量Wr和主轴重量Wz，初步设计时可按下式估算Fz= Ft + Wr +Wz水轮机转轮重量Wr计算式为混流式： （N） （若转论为分瓣转轮，需再增加10的重量）轴流式： （N），式中为轮毂比。主轴重量Wz计算式：Wz =（0.41.0）Wr 式中：比例系数按应用水头、主轴是否与发电机共用等因素选取，低水头或共用轴情况取下限系数。第四节 配套发电机的选择
11、一、配套水轮发电机选择方法对有现成配套的水轮发电机组，可查相关资料进行选择；若无现成配套的水轮发电机组，可通过计算方法选择水轮发电机组。配套的水轮发电机的选择原则如下：1Nf=Nrf2发电机rf=水轮机r3水轮机Rmax发电机Rf ；二、水轮发电机的型号表示方法1中、小型水轮发电机的型号表示 SF8000 16/3250 功率KW 定子铁芯外径mm 立式 磁极对数 SFW80010/1180 功率kw 定子铁芯外径mm 卧式 磁极对数 SFWG8000 16/3250 功率KW 定子铁芯外径mm 卧式贯流式 磁极对数2大型水轮发电机的型号表示 SF1528/5500 功率MW 定子铁芯外径mm
12、 立式 磁极对数三、水轮发电机外形尺寸参数计算（一）水轮发电机尺寸参数计算1极距式中，Sf发电机额定容量(KVA)；P 磁极对数；Kj系数，一般为810，容量大的取上限。由上式求出后，应校核发电机在飞逸状态下，转子的飞逸线速度Vf是否在转子的允许材料范围内。2定子铁芯内径： 3定子铁芯长度 式中，r额定转速 (r/min)，C系数，C=410-66.510-6，Sf 发电机容量，单位KVA 。4定子铁芯外径(机座号)当r166.7r/min (cm)当r166.7r/min (cm)计算出后，可参考有关资料选取标准的(即机座号)，确定水轮发电机型号。 (二)水轮发电机的外形尺寸估算水轮发电机的
13、外形尺寸主要有定子机座外径D1，风罩内径D2，转子外径D3等。1定子机座外径D1136.4r214r/min，D1=1.18214r300r/min， D1=1.202风罩内径D2Sf20000KVA D2=D1+2.0mSf20000KVA D2=D1+2.4m3转子外径D3D3=Di2式中单边空气间隙，初步估算时可不计。四、水轮发电机的重量估算水轮发电机的重量估算内容包括总重量（Gf）、转子重量（G）和飞轮力矩GD2的计算。1发电机总重量Gf式中 视在功率，系数，悬式发电机取810，2转子重量G3飞轮力矩GD2 (tm2)式中 系数，100r375r/min， =5.2。 第五节 机组方案的比较根据前述计算结果，将所有计算结果列表后进行比较，见表15。在实际工程设计过程中，还需要进行电站投资的比较（包含主机设备投资、土建投资以及电站总投资），本设计过程主要对机组的性能和技术参数进行比较，对投资部分不作比较。在进行方案的比较过程中，主要从以下几方面进行：1使用水头范围的比较：要求所选的水轮机的适用水头范围要符合水电站提出的要求；若电站水头高于所选水轮机的最大水头，则水轮机的各部件的强度将受工作水压的影响；若电站水头低于所选水轮机的最小水头，则水轮机在运行过程中容易出现因偏离额定工况过远，以
