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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目： J引水式水电站设计（水力机械）
学习中心：
层 次： 专科起点本科
专 业： 水利水电工程
年 级： 年 季
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2021 年02月04日
水电资源作为可再生清洁能源，是我国能源的重要的组成部分，在我国能源平衡和能源工业的可持续发展中占有重要地位。并且水电具有可再生、无污染、运行费用低的特点，便于进行电力调峰，有利于提高资源利用率和经济社会的综合效益。
我国水力资源丰富，根据流域梯级开发规划，适合建引水式开发水电站。本次设计主要通过对水轮发电机组主要参数（包括水轮机型式、机组台数、水轮机综合运转特性曲线的绘制、水轮机吸出高度几安装高程的确定和水轮机控制尺寸等）的设计，进而再对设计的参数进行选定，进一步进行调节保证计算及对调速设备的选择。最后完成了蜗壳型式及尺寸设计。
关键词：水电站；水力机械；蜗壳形式；设计
目 录
引 言
电力工业是整个国民经济的基础和支柱产业，水力发电是清洁、可再生、无污染、运行成本低、效益高、对生态影响最小的能源，在未来世界的发展中水电是最值得大力开发利用的清洁能源。我国蕴藏着极其丰富水力资源，全国水力资源蕴藏量为6.94亿千瓦，技术可开发容量为5.42亿千瓦，经济可开发容量4.02亿千瓦，蕴藏量和可开发容量均居世界首位。
到目前为止已开发不到15%，2009年装机容量为1.97亿千瓦，年发电量4654亿千瓦时，到2020年水电装机将达到3.2亿千瓦，届时开发率将达58%以上，到2030年，水电资源容量开发率接近极限水平（70%），总装机容量为3.8亿千瓦。按照国家计划，在“十五”期间，我国着重研究开发了500-700Mw的水电机组。除在建的长江三峡电站、向家坝水电站等一批大型电站外，在2010年前，我国建设了大型电站就有溪洛渡、水布娅、小湾、龙滩、拉西瓦和瀑布沟等一批大型或超大型电站。这些电站的水电机组的单机容量都在500-750Mw范围，水轮机的转轮直径在6-9m范围。由以上数据可以很明显的看出，水电装机容量增长迅速，对水力发电设备特别是水轮机的需求旺盛，市场潜力巨大。水轮机是一种把水流的能量转变为旋转机械能的动力机械，在电力工业中占有特殊的地位，水力发电机组无论在单机容量，还是在结构尺寸方面都朝着巨型化方向发展，这对水力发电设备制造业提出了巨大的挑战。由于水电资源开发环境条件的复杂性和水电设备的特殊性，需要满足性能要求的各种型号的水轮机。根据水轮机在能量转换过程中利用水流能量形式的不同可分为：反击式和冲击式。反击式水轮机又有混流式、轴流式、斜流式、贯流式水轮机等。冲击式水轮机又分为水斗式、斜击式和双击式。目前水轮发电机组向着系列化和标准化发展，形成了一个完整的体系，并且不断有新型水轮机研发出来。而各种水轮机又有相同型号不同的机型，其对应的叶轮和叶片的又会千差万别。如何选择水轮机成为变电站设计的重中之重。
1 基本资料
1.1 流域概况
g水库所在的t河流域地势东高西低，一般高程在200m左右，总流域面积14090km2。t河流域的多年平均径流量约46亿m3，流域内年雨量在700～900mm，上游较多，下游较少。年雨量约有50%集中在七、八两月，而往往又集中在几次暴雨中降落，因而，本流域洪水系由暴雨产生、次数繁多、陡涨速落、洪峰特大，加之t河沿岸堤防较薄弱，防洪安全泄量有限，故沿岸洪涝灾害严重。
1.2 水文与气象
t主要水文测站有四个，多年平均含沙量按0.38kg/m3。综合多年的径流量和洪水资料分析，设定g水库正常蓄水位为239.0m，下游正常尾水位高程190m。
t河整个流域内均属大陆性气候，由于北来冷气团与南来暖气团影响，故气候变化比较大，夏季炎热多雨，冬季严寒少雨，气候干燥。
1.3 经济水利与功能
国民经济各部门对g水库的要求：主要包括防洪、城市及工业用水、农田灌溉，发电等方面，对于论文不涉及的资料在此不做叙述。
1. 防洪方面
要求解决b市遇一千年一遇洪水时免受灾害，即下泻洪峰流量不得超过4，500秒立米；万年洪水时为保大坝，下泄流量不受限制。
2. 城市以及工业用水方面：（要求保证率为95%）
b市要求流量8.76秒立米，相应年水量2.16亿m3；l市需流量2秒立米，相应年水量0.63亿m3；a市要求流量3秒立米，相应年水量0.94亿m3。
3. 农田灌溉要求（要求保证率75%）
g水库负担灌溉下游水田3万公顷。水浇地1万公顷，下游取水灌溉。4. 发电要求：利用城市及工业用水。以及农田灌溉用水发展水电，电力主要输送至小市，在小市接入东北电力系统。输电电压按60kv或110kv考虑。
5. g水库水位-容积，面积关系见表1-1：
表1-1 g水库水位-容积表
库水位（m） | 190.4 | 200 | 210 | 220 | 230 | 240 | 250 | 260 | 270 |
容积 | 0 | 21 | 65 | 160 | 375 | 735 | 1，235 | 1，915 | 2，810 |
面积（ | 0 | 4.1 | 9.1 | 16.7 | 28.8 | 42.6 | 58.3 | 78.8 | 100.1 |
6. g水库坝址水位-流量关系详见表1-2：
表1-2 g水库坝址水位-流量关系表
水位（m） | 190 | 191 | 191.5 | 192 | 192.5 | 193 | 193.5 | 194 |
流量（m3/S） | 20 | 200 | 430 | 740 | 1150 | 1640 | 2140 | 2700 |
1.4 g水库坝址地址条件概述
坝基岩石在河谷及左岸位于下寒武系石桥统沙质岩之上，在右岸堤坝端由于断裂将岩层错动而使坝基之部分位于中寒系当什统及馒头统岩层之上。作为堤坝基岩之暗紫色云母质页岩，经试验和新鲜烟丝之物理力学性质尚属良好，岩石致密坚硬，抗压强度平均为620公斤/平方厘米，岩层抗风华能力弱，全风化之深度可达4-5米。在河谷中坝基及其附近未发现有断层，影响坝基稳定主要因素为岩石性质及其产状。岩层产状在河谷两岸及河谷转孔中见大部岩层倾角比较陡55-70度，倾向下游，个别地方角度比较缓，约为15-28度，右坝坝端发现有顺岩层之黏土夹层。
1.5 特征参数的拟定说明
g水库建成后，多年平均发电量已得出为7898.8kWh，装机容量3.16万kW，初步决定安装4台机组。
HL240水轮机模型转轮直径m；
=49.0m，==27.5m，==m。
2 水轮机选型和参数设计
2.1 水轮机台数及型号选择
2.1.1 水轮机选型的基本方法
目前世界上各国在设计水电站时选择水轮机的方法不尽相同，其主要方法可以概括为下面几种。
1．应用统计资料选择水轮机
这种方法以已建水电站的统计资料为基础，通过汇集、统计国内外已建水电站的水轮机的基本参数，再把它们按水轮机型式、应用水头、单机容量等参数进行分析归类。在此基础上，用数理统计法做出水轮机的比转速、单位参数与应用水头的关系曲线、、以及电站空化系数与比转速的关系曲线等，或者用数值逼近法得出关于这些参数的经验公式。当确定了水电站的水头与装机容量等基本参数后，可根据统计曲线或经验公式确定水轮机的型式与基本参数。按照选定的水轮机参数向水轮机生产厂提出制造任务书，由制造厂生产出符合用户要求的水轮机。这种方法在国外被广泛采用。
2．按水轮机系列型谱选择水轮机
在一些国家，对水轮机设备进行了系列化、通用化与标准化，制定了水轮机型谱，为每一水头段配置了一种或几种水轮机转轮，并通过模型试验获得了各型号水轮机的基本参数与模型综合特性曲线。这样，设计者就可以根据水轮机型谱与模型综合特性曲线选择水轮机的型号与参数。我国与原苏联都曾颁布过水轮机型谱。水轮机型谱可为水轮机的选型设计提供了便利，可使选型工作简化与标准化。但要注意不可局限于已制定的水轮机型谱，当型谱中的转轮性能不能满足设计电站的要求时，要通过认真分析研究提出新的水轮机方案，与生产厂家协商，设计、制造出符合要求的水轮机。同时，要不断发展、完善、更新水轮机型谱。
3．用套用法选择水轮机
这种方法是直接套用与拟建电站的基本参数（水头、装机容量）相近的已建电站的水轮机型号与参数。这种方法多用于小型水电站的设计，它可以使设计工作大为简化。但要注意必须合理套用，要对拟建电站与已建电站的参数进行详细地分析与比较，还要考虑不同年代水轮机的设计与制造水平的差异，现在设计的电站若直接套用几十年前建成的电站的水轮机，往往会使水轮机的参数偏低。因此，必要时对已建电站的水轮机参数作适当修正后再套用。
我国过去应用较多的方法是按照水轮机型谱选择水轮机。但随着水电开发的进展，旧的水轮机型谱已不能满足目前水电站设计的需要，设计者常采用不同的选型方法相互结合、相互验证，以保证水轮机选型的科学性与合理性。
4．用比转速法选择水轮机
在进行初步设计时，用比转速选择水轮机的主要参数也是较为常用的方法。由于比转速包括了水轮机的转速、出力、水头三个基本工作参数，因此它综合反映了水轮机的特征。尽管在表达的形式上比转速不是一个无量纲的参量，但它却具有无量纲数的特性。按比转速选择水轮机的优点是不受水轮机型谱中水头段对应的转轮的限制。
2.1.2 水轮机型号选择
根据原始资料，该水电站的水头范围为65-84.5m，查[《水电站机电设计手册—水力机械》表1-4]适合此水头范围水轮机的类型有斜流式和混流式。
又根据混流式水轮机的优点：
比转速范围广，适用水头范围广；
结构简单，价格低；
装有尾水管，可减少转轮出口水流损失；
因此，选择混流式水轮机。本文选用HL240。
2.1.3 水轮机台数选择
对于一个已确定总装机容量的电厂，选择装机台数是一个技术经济比较的问题。采用技术经济分析论证选择机组台数应考虑如下一些因素：
1．成本因素
机组台数的多少直接影响单机容量，而通常，水轮机、发电机、调速器及变压器的单位千瓦成本均随机组的单机容量增加而降低。除主要机电设备成本外，机组台数增加同时要求增加配套设备的套数，电气结线也变得复杂，厂房总的平面尺寸也需增加。因此对已给定的电厂总装机容量，其土建工程及动力厂房的成本也直接随机组数增加而增加。
工程设计时，应优先选用较少的机组数，亦即适当地采用较大的单机容量。当受到地质条件或厂房尺寸限制要求减小机组数而又不能加大机组尺寸时，有时可通过增加转轮的比速提高单机容量。
2．运行效率因素
当采用不同的机组数时，水电厂的运行平均效率是不同的。例如，较大单机尺寸的机组，由于水轮机中的水力摩擦损失及渗漏损失相对值较小，故其效率比较高。这对于预计经常满负荷运行的水电厂获得的功能效益特别显著。对变动负荷的水电厂，若采用过少的机组台数，虽单机效率高，但在部分负荷时，由于负荷不便于在机组间调节，因而不能避开低效率区。因此电厂的平均效率较低。
例如电厂仅安装一台50万kW的机组，满负荷效率为91%，在部分负荷时（25万kW），电厂效率仅为60%。但如果装置2台单机出力25万kW的机组，则可以一台机停机，而另一台机仍在满负荷下运行，从而保持电厂的运行效率接近91%的水平。这就说明，采用2台机可使电厂在满负荷及半负荷时均能达到最高效率运行。若装置4台单机容量12.5万kW的机组，则在100%、75%、25%的电厂负荷时均能达到最高效率。因此，较多的机组数能保持较高的电厂平均效率。
转桨式水轮机由于单机效率特性曲线较平缓，故机组台数增减对电厂平均效率影响不大。但轴流定桨式水轮机单机效率特性曲线陡峻，当出力变化时效率变化较剧烈，因此，适当增加机组台数可显著改善电厂的平均效率。
3. 运行维护的因素
机组台数较多，优点是运行方式机动灵活，事故停机时对电厂出力影响较小，对单机的检修比较容易安排，但对全厂的检修就较麻烦。同时运行操作也较多，开停机频繁，事故率也可能增加。较少机组数的电厂，对电厂的检修较易进行，因为每年需检修的机组不多。但对电力系统来说，检修备用容量要增大。
4. 其它因素
占电力系统总容量比重较大的骨干水电厂，确定机组台数时应考虑到系统总容量与该电厂单机容量的比例关系。因一般情况下，电力系统的事故备用容量不应小于该系统中最大的一台单机容量。根据这个原则可选择水电厂最大可能的单机容量。
大中型水电厂在电力系统中都有一定的重要性，为了电力系统运行稳定可靠，同时使电厂运行方式机动灵活，并考虑到在事故或停机检修时有可靠的厂用电，一般不宜采用单台机组。水电厂机组常采用扩大单元电气结线方式。为了满足电气主结线的要求，大多数情况下应选用偶数的台数。
为了制造、安装、运行维护备件供应的方便以及运行维护规程的统一，如无特殊要求，在一个电厂中应尽可能选用同型号机组。采用不同型号的机组来适应负荷变化的办法，经济上或管理上都是不合算的。对大型多机组电厂，后期机组也可采用新机型以提高水平。
综上所述，本文选择两台。
2.2 计算转轮直径
水轮机额定出力：
由型谱可知，与出力限制线交点的单位流量为设计工况点单位流量，则Q11r=1.123m3/s,对应的模型效率ηm=87.6%，暂取效率修正值 Δη=0.03，η=0.876+0.03=0.906。模型最高效率为924%。
2.3 计算原型水轮机的效率
Δη=ηmax-ηM0=0.945-0.906=0.039
η=ηm+Δη=0.76+0.039=0.915
2.4 同步转速的选择
此值介于125r/min和136.4 r/min之间，取n=125.0r/min，n=136.4r/min。
当n=125.0r/min
2.5 水轮机设计流量Qr的计算
Qr==1.123××=234.6/s
2.6 飞逸转速的计算
==146.7×=269.7r/min
设计工况的单位流量===1.25/s
2.7 计算水轮机的运行范围
2.7.1 水轮机水头计算方法
在水轮机选型设计中，水头是最重要的参数之一。因此，应对可能涉及的各种特征水头的数值及其相互关系进行必要的验算。在校核各种特殊水头时，可根
