水轮机原理课程设计最终修改版

课程设计说明书

系 热能与动力 专业 班 课程名称 水轮机原理与运行 题 目 水轮机组选型设计

任务起止日期： 年 月 日～ 年 月 日

学 生 姓 名 李宏冬 学 号[1**********]7 指 导 教 师 刘忠 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 课程设计的目的和任务„„„ 3 第二章 电站的基本参数„„„„„„ 3 第三章 水轮机的简介„„„„„„„ 4 第四章 水轮机设计步骤„„„„„„ 5

4.1 4.2 4.3

水轮机选型„„„„„„„„„„„„„„ 5 原型水轮机各方案主要参数的选择„„„„ 6 确定最优方案„„„„„„„„„„„„„ 10

第五章 水轮机运转特性曲线的绘制… 12

5.1 等效率曲线的计算与绘制„„„„„„„„12 5.2 HL240型水轮机等效率曲线计算表„„„„12 第六章 蜗壳设计„„„„„„„„„ 14

6.1 蜗壳型式、断面形状和包角的确定„„„„ 14 6.2 座环尺寸的确定„„„„„„„„„„„„ 14 6.3 蜗壳参数的计算„„„„„„„„„„„„ 15 6.4 根据选择的蜗壳断面形状，确定具体尺寸„ 15 第七章 尾水管设计„„„„„„„„ 17

7.1 尾水管的选择„„„„„„„„„„„„„„ 17

7.2 尺寸确定„„„„„„„„„„„„„„„„ 17

第八章 实习心得„„„„„„„„„„19

第一章 课程设计的目的和任务

1.1、目的：通过水轮机的课程设计，将各种水轮机的性能参数整理并

绘制成不同形式的曲线，它是与水轮机课程教学相辅助的一个理论学习的环节，也是课程教学中一个必不可少的环节。通过水轮机课本章节的相关理论知识的学习后，再通过课程设计的环节以达到巩固和加强理论知识的目的，进一步培养学生独立思考、严谨工作的能力；此外，通过课程设计更进一步掌握造型、设计、参数等程序内容，提高了学生查阅资料和动手实践的能力。 1. 2、课程设计的任务： 通过所给的原始资料，根据要求明确水轮机的基本工作参数（包括水头H、流量Q、转速n、效率、出力P、吸出高度HS、转轮直径D、水轮机型号、机组台数、装置方式等）， 整理并绘制成不同形式的曲线，即获得水轮机的特性曲线图。

第二章 电站基本参数

G水电站具有防洪，灌溉，发电，养殖等功能。水电站厂房为坝后式，水电站装机容量为7MW，厂房所在平均地面高程440.0m。

水位：正常蓄水位为470.00m.死水位:459.00m。 距厂房下游100m处水位流量关系见下表格

机组供水方式：采用单元供水。

水电站水头范围:Hmax=39M， Hmin=28M， Hav=33M

第三章水轮机的简介

水轮机是一种将河流中蕴藏的水能转换成旋转机械能的原动机，当水

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。与发电机连接成的整体称为水轮发电机组，它是水电站的主要设备部分。水电站是借助水工建筑物和机电设备将水能转换成为电能的企业，在未来，水能资源的开发和利用将成为资源开发利用的主导能源，所以，水轮机的设计开发对我国水能资源的开发起到很大的推进作用。水轮机大致分为两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机；

3.1反击式水轮机：

转轮利用水流的压力能和动能做工的水轮机称为反击式水轮机。其特征是：压力水流充满水轮机的整个流道，水流流经转轮叶片时，受叶片的作用面改变压力、流速的大小和方向，同时水流在转轮叶片正反面产生压力差，对转轮产生反作用力，形成旋转力矩使转轮旋转。主要包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种类型水轮机。

3.2冲击式水轮机：

转轮只利用水流动能作功的水轮机称为冲击式水轮机。其特征是：有压水流先经过喷嘴形成高速自由射流，将压能转换成动能，并冲击转轮旋转。水流只冲击部分转轮，水流是不充满水轮机的整个流道的，转轮只是部分进水，转轮在大气压的作用下工作。所以叶片一般做成斗叶状。主要包括水斗式（切击式）、斜击式和双击式。

水轮机主要类型归纳如下：

混流式(HL)

轴流转桨式

轴流式(ZL)轴流定桨式反击式轴流调桨式

斜流式水轮机(XL)



贯流转桨式(GL)贯流式水斗式(切击式)(CJ)

(XJ)冲击式斜击式

双击式(SJ)

第四章水轮机的设计步骤

4.1.水轮机的选型

根据原始资料：Hmax=39M，Hmin=28M，Hw=33M.；电站装机容量为7MW。

额定水头Hr=0.9Hw=31.35M。

根据水头变化：最小工作水头28m到最大工作水头39m。在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。 初步法案如:

4.2 原型水轮机各方案主要参数的选择

一.HL240型水轮机1台机组(方案一)

1.计算转轮直径D1

水轮机的额定功率为

7000

P7368(kw)

r

g0.95

上式中：pg——机组单机容量，kw

g——同步发电机的效率，一般去95%-97%，此去95%。

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，

pg

Q11=1.24 m3/s，对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%。

D11.94(m)

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）,计算值处于1.8m-2.0m，

并靠近2.0m，取直径D1=2.0m。

2.计算原型水轮机的效率

max

1(1M01(10.94 P0M00.9470.920.02

额定工况原型水轮机的效率为

M

3.计算转速n

根据水轮机转轮型普推荐的最优单位转速n110=72r/min，单位转速修正值为

nn110M1)n110M1)0.011n110M0.03n110M

单位不需要修正。水轮机转速为

n

D1

206.8r/min

2

根据水轮机设计选取同步转速214.3r/min。

4.计算水轮机的工作范围

n11min



68.6r/min

n11max

n11r



80.9r/min

nD76.5r/min

5.计算水轮机实际额定流量Q

r

QrQ11rD121.242227.7m3/s

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M=0.2。查水轮机原理图3-13可得空化系数修正值=0.04。又从原始资料中根据额定流量求得为水位为431.32m。



Hs10(r1.996m

900

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

n11R=160r/min。故水轮机的飞逸转速为

nRn11R

8.计算轴向水推力

1

160

499.6r/min 2

根据HL240转轮技术资料提供的数据，转轮轴向推力系数K=0.34-0.4，转轮直径较小，止漏环间隙较大时取大值。本电站转轮直径较小，K去3.2。

22

Ft9810KD1Hmax98100.322393.8105N

44

9、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

Hr(

pr73682/32/3

)()31.62m 2

9.81D1Q11r9.8141.240.91

同理根据以上计算方法和过程可求得方案二（2 HL240）数据。

二.ZZ440型水轮机1台机组(方案三)

1.计算转轮直径D1

根据水轮机转轮型普推荐的最大单位流量Q110=1.65m3/s，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Q11r=1.650.97=1.6m/s。在模型综合特性曲线上查得相应于Q11r，n110115r/min。时的模型效率M=0.825，设额定工况原型水轮机的效率为

P=0.825+0.02=0.845

3

D11.78m 根据转轮公称直径系列，选择转轮公称直径D1=3.3m。

2.计算原型水轮机的效率

水轮机最高效率

P0

1(1M0)(0.3

1(10.88)(0.30.7

0.913

水轮机在额定工况（20）是的最高效率

o

P

1(10.825)(0.30.70.872

3.计算转速n

根据水轮机转轮型普推荐的最优单位转速n110=115r/min，单位转速修正值为

nn110M

1)n110M1)0.021n110M0.03n110M

n

D1

367.18r/min

1.8

根据水轮机设计选取标准同步转速n=375r/min。

4.计算水轮机的工作范围

n11minn11max

nD3751.8



108.8r/min

nD

127.6r/min

n11r

nD3751.8120.6r/min

5.额定工况下的流量

单位流量

Q11r

pr73683

1.51m/s 21.521.2

9.81D1Hr9.811.831.350.872

额定下的单位流量

QrQ11rD121.511.8227.39m3/s

6.计算最大允许吸出高度

在模型综合特性曲线上，查得模型水轮机额定工况的的空化系数M=0.44.，又由额定水头查得=0.04。又从给定数据由额定流量确定高程为413.32m。则最大允许吸出搞度



Hs10(r5.53m

900

8.计算轴向水推力

Ft9810K

22(D1dh)Hmax98100.9(1.820.92)396.14105N44

9、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

Hr(

pr73682/32/3

)()31.4m 22

9.81D1Q11r9.811.81.240.872

同理根据以上计算方法和过程可求得方案四（2 ZZ400）数据

4.3.最优方案的选定

含了较多的高效率区域，运行效率较高，气蚀系数较小，安装高程较高，有利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，有利于减少发电机尺寸，降低发电机造价，但这种机型的水轮机及其调节系统的造价较高。根据以上分析，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，但是两台机组运行时更方便，也有利于水电站的运行。因此，最终应选的最优方案为2 HL240。

第五章 水轮机运转特性曲线的绘制

5.1、等效率曲线的计算与绘制

- 11 -

由于水电站水头较小，现取四个水头，列表计算如下： 绘制的等效率线详见设计图纸。 5.2 HL240型水轮机等效率曲线计算表

表6

- 12 -

第六章 蜗壳设计

6.1 蜗壳型式、断面形状和包角的确定

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n0时，1015选

o

取12，选择ba1.6；角度在20~30内选取，一般取30。



oo

oo

混凝土蜗壳的包角一般在270。取0=270o。

- 13 -

6.2 座环尺寸的确定

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。

6.3 蜗壳参数计算

根据《水电机原理与运行》图6-9，当水轮机额定水头Hr=31.35时，蜗壳进口断面的平均流速v0kHr4.7m/s

蜗壳包角0=270o，且根据表3-1设计水轮机具体数据，得进口断面流量为



Q0

0Qr

360



13.3270

9.98(m3/s)

360

表3-1如下：

表3-1 水轮机具体数据

进口断面面积 F0

Q0v0





9.98

2.12m2 4.7

6.4 根据选择的蜗壳断面形状，确定具体尺寸



1.6

bb0mm2tg

由已知：F0abb0(rarb)2.12

2

b0

D0.2561D11.4

- 14 -



a0.84



b1.34 m0.98

顶角的变化规律采用直线变化规律，则：

K1

a0a

0 K200.85 n0m0

进口断面的最大半径R1：

R1=raa=1.2+0.84=2.04m

在R1至ra之间设不同的Ri，求出ai、bi、mi、Fi、i，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i（每隔45），并查出相应的Ri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BR0D12.041.42.44m。

表3-2 各断面的

f(r)的函数曲线

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表3-3 各i角、Qi和Vi的数据计算

6.5 由上述尺寸绘制蜗壳单线图（见附图）

第七章 尾水管设计

7.1 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程度的影响，尤其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、

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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。

7.2 尺寸确定

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主要参数。增加高度将提高尾水管效率，但将增加电站建设费用，减少高度不仅会降低水轮机效率，还会影响运行的稳定性。

从《水轮机》P167查得：对于D1D2的混流水轮机取h2.6D1；对于D1D2的高水头混流式水轮机则可取h2.2D1。而

D1110.951 则D1D2 D20.960.00038ns0.960.00038240

所以取 h2.6D13.7m

二、进口直锥段

进口直锥管是以垂直的圆锥形扩散管，D3为直锥管的进口直径。可近似取转轮出口直径，即D3D21.0208D11.43m，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7o~9o，则取8o

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D4h4，与D4有下列关系式：

D32h-h1tgD4

12tg

尾水管的各部分尺寸：

且：

h-h1h3h4

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

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表4-1 推荐的尾水管尺寸表（单位：m）

由表得：

D4h41.35D11.351.41.9m；

B53.8m L12.6m h51.7m h60.9m

计算得：

h31.6m h10.1m

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

P械）其顶板向上倾斜，仰角=1013°，取=12°,132,其出口宽度一般与肘管出宽度相等，

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B2.7~3.3D1，则取

B3.8m。

水平长度L是机组中心到尾水管出口的距离。肘管型式一定时，L决定了水平扩散段的长度，增加L可使尾水管出口动能下降，提高效率。但太长了将增加沿程水力损失和增大厂房部分尺寸。通常取L4.5D16.3m。

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：

表4-2 尾水管尺寸计算表

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7.3 由上述尺寸绘制尾水管单线图（见附图）

第八章 设计心得

两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．

参考文献：

【1】 于波，肖惠民. 水轮机原理与运行. 北京：中国电力出版社，2008 【2】 金钟元. 水力机械（第二版）. 北京：中国水利水电出版社，1992 【3】哈尔滨大电机研究所. 水轮机设计手册.北京:机械工业出版社, 1976 【4】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.北京：

中国水利电力出版社，1993

【5】刘大凯主编。水轮机.第三版.北京水利电力出版社，1997

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