第一章 水轮机选型设计
水轮机选型是水电站设计中的一项重要任务。水轮机的型式与参数的选择是否合理，对于水电站的动能经济指标及运行稳定性、可靠性都有重要的影响。
水轮机选型过程中，一般是根据水电站的开发方式、动能参数、水工建筑物的布置等，并考虑国内外已经生产的水轮机的参数及制造厂的生产水平，拟选若干个方案进行技术经济的综合比较，最终确定水轮机的最佳型式与参数。 一 已知参数
1 电站规模：总装机容量：32.6MW 。
2 电站海拔：水轮机安装高程：▽=850m
3 水轮机工作水头：
max H =8.18m ，min H =8.3m ，r H =14.5m 。
二 机组台数的选择
对于一个确定了总装机容量的水电站，机组台数的多少将直接影响到电厂的动能经济指标与运行的灵活性、可靠性，还将影响到电厂建设的投资等。因此，确定机组台数时，必须考虑以下有关因素，经过充分的技术经济论证。
1机组台数对工程建设费用的影响。 2机组台数对电站运行效率的影响。 3机组台数对电厂运行维护的影响。 4机组台数对设备制造、运输及安装的影响。 5机组台数对电力系统的影响。 6机组台数对电厂主接线的影响。
综合以上几种因素，兼顾电站运行的可靠性和设备运输安装的因素，本电站选定机组为：4×8.15MW 。
三 水轮机型号选择
1 水轮机比转速s n 的选择
水轮机的比转速s n 包括了水轮机的转速、出力与水头三个基本工作参数，它综合地反映了水轮机的特征，正确的选择水轮机的比转速，可以保证所选择的水轮机在实际运行中有良好的能量指标与空化性能。
各类水轮机的比转速不仅与水轮机的型式与结构有关，也与设计、制造的水平以及通流部件的材质等因素有关。目前，世界各国根据各自的实际水平，划定了各类水轮机的比转速的界限与范围，并根据已生产的水轮机转轮的参数，用数理统计法得出了关于水轮机比转速
的统计曲线或经验公式。当已知水电站的水头时，可以用这些曲线或公式选择水轮机的比转速。
轴流式水轮机的比转速与使用水头关系
中国： s n =H
2300 （m ·KW ）
日本： s n =5020
20000
++H （m ·KW ）
原苏联： s n =
H
2500 （m ·KW ）
将设计水头r H =14.5m 代入上述各式 中国： s n =H
2300=
5
.142300=604 （m ·KW ）
日本： s n =502020000++H =5020
5.1420000
++=630 （m ·KW ）
原苏联： s n =
H
2500=
5
.142500=657 （m ·KW ）
以上计算可见，我国生产的水轮机转轮的参数较低。
本电站为一普通的中小型水电站，没有别的特殊的任务和要求（比如兼顾试验），不准备考虑使用进口机组，使用国产机组即可。故本电站选择比转速为600m ·KW 左右的水轮机。
2 水轮机型式的选择
根据水电站的实际情况正确地选择水轮机的型式是水轮机选型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，才能选择出最适合的机型。
适合本电站比转速的水轮机有贯流式和轴流式两种，因此，必须要对这两种水轮机进行分析比较。
贯流式与轴流式的比较：
（1） 贯流式的水流条件好，同样过流面积时，贯流式水流通过容易，单位流量大，无蜗壳和肘形尾水管，流道水力损失小，运行效率比轴流式高。
（2） 贯流式水轮机可布置在坝体或闸墩内，可以不要专门的厂房，土建工程量小且适于狭窄的地形条件。
（3） 贯流式水轮机为了满足安装高程的要求，需从引水室入口至尾水管全部开挖到相应的深度。而轴流式只需对尾水管部分进行深开挖，因此，贯流式的相应开挖量大。
（4） 灯泡贯流式水轮发电机组全部处于水下，要求有严密的封闭结构及良好的通风防潮措施，维护、检修较困难。
从水电站开挖量这一重要因素考虑，贯流式机组的相应开挖量大，而且贯流式机组技术要求较高，维护、检修较困难，故本电站选择使用轴流式机组。
3水轮机转轮型号的选择
在水轮机型谱中，适合本电站比转速的有ZZ600和ZZ560两种转轮可供选择，适合本电站使用水头的有ZZ560和ZZ460两种转轮可供选择，其中ZZ560模型效率较高。
由参考资料[1]第379~381页
ZZ600使用水头3~8m ，本电站设计工况下（取最优单位转速110n =135r /min ，水轮机限制吸出高度[s H ]=0.5m 时对应的装置空化系数z σ=0.60，110n 与等空化系数线
σ=z σ=0.60交点）比转速为
s n =65.311
n η11Q =65.3×135×80.075.1?=521 （m ·KW ）
ZZ560使用水头10~22m ，本电站设计工况下（取最优单位转速110n =130r /min 与等空化系数线σ=z σ=0.60交点）比转速为
s n =65.311
n η11Q =65.3×130×84.075.1?=527 （m ·KW ）
ZZ460使用水头15~30m ，本电站设计工况下（取最优单位转速110n =117r /与等空化系数线σ=z σ=0.50交点）比转速为
s n =65.311
n η11Q =65.3×117×81.058.1?=435 （m ·KW ）
经过分析比较，在设计工况下以ZZ560转轮的s n 与本电站的计算比转速最接近，且效率较高，故本电站决定选用ZZ560转轮。
四 水轮机基本参数的计算
１ 计算转轮直径1D 水轮机的额定出力 r P =
G
G
N η=
95
.08150
=8579 KW 取最优单位转速110n =130r /min 与等空化系数线σ=z σ=0.60交点的单位流量为设计工况点单位流量，则r Q 11=1.75s m /3
，对应的模型效率M η=0.841，暂取效率修正值
η?=3%，则设计工况原型水轮机效率η=M η+η?=0.841+0.03=0.871，水轮机转轮直径1
D 为
1D =
η
5
.11181.9r r r H Q P =871.05.1475.181.98579
5.1???=23.3 m
按我国规定的转轮直径系列，计算值处于标准值3.0m 和3.3m 之间，计算直径更加接近3.3m ，故可取转轮直径1D =3.3m 。
2 效率η的计算
m ax η=)1(10M η--5
1
1D D M
=)900.01(1--5
3
.346
.0=933.0 η?=m ax η0M η-=900.0933.0-=033.0
限制工况原型水轮机效率为
η=M η+η?=841.0+033.0=874.0
3 转速n 的计算 n =
1
110D H n a
=
3
.31
.16130?=12.158 min /r
其中a H =r H /9.0=1.16m 。（参考资料[2]第169页）
转速计算值介于发电机同步转速150min /r 和166.7min /r 之间，需要对两个转速都进行检验。
4 水轮机设计流量r Q 的计算 r Q =r Q 112
1
D r H =5.143.375.12??=57.72 s m /3
5 几何吸出高度s H 的计算
在设计工况下，模型水轮机的空化系数M σ=0.60，根据技术规范，对于转桨式水轮机，水轮机的空化安全系数取σK =1.1（参考资料[2]第67页），吸出高度为
s H =-?-900/10σK M σr H =5.1460.01.1900/85010??--=51.0-m
取s H =55.0-m 。 6 飞逸转速R n 的计算
由ZZ560水轮机模型飞逸特性曲线查得，在协联工况导叶开度0a =28.5mm ，?=-5°时有最大单位飞逸转速R n 11=370min /r ，故水轮机的飞逸转速为
R n =R
n 111
max D H =3
.38
.18370?
=16.486 min /r 7 转轮轴向水推力t F 的计算
ZZ560水轮机模型综合特性曲线图中未给出转轮轴向水推力系数t K 的值，但ZZ460水轮机模型综合特性曲线图中给出的转轮轴向水推力系数t K =0.69，ZZ600水轮机模型综合特性曲线图中给出的转轮轴向水推力系数t K =0.67。本电站取中间值t K =0.68。水轮机转轮轴向水推力为
t F =9810t
K 4
π2
1D max H =8.183.3414.368.098102????=61007.1?N
五 检验水轮机的工作范围 设计工况的单位流量r Q 11 r Q 11=
5.12181.9r r H D P η=5
.125
.143.3874.081.98579???=664.1 s m /3
当n =150min /r 时，最大、最小、平均水头所对应的单位转速 min 11n =
max
1H nD =
8
.183.3150?=16.114 min /r
a n 11=
a
H nD 1=
1
.163.3150?=37.123 min /r
m ax 11n =
min 1H nD =
3
.83.3150?=82.171 min /r
当n =166.7min /r 时，最大、最小、平均水头所对应的单位转速 min 11n =
max
1H nD =
8
.183
.37.166?=87.126 min /r
a n 11=
a
H nD 1=
1
.163
.37.166?=01.137 min /r
m ax 11n =
min
1H nD =
3
.83
.37.166?=95.190 min /r
把由上述参数绘制在ZZ560综合特性曲线图上，以检验水轮机运行区域的效率高低。可
以看出，单位转速的变化范围包含高效区第一个方案比第二个方案多，水轮机的平均效率较高。因此，选择工作范围较优的第一种方案。
六 水轮机综合特性曲线绘制
1 等效率曲线的绘制
（1） 对转轮叶片的每一个转角?求出一个效率修正值（表1-1）η?（?）。若各?角下模型水轮机的最高效率为0M η（?），原型水轮机各?角下最高效率为0T η（?），则
0T η（?）=[])7.03.0()(1110
1
10T
M
M
M H H D D +--?η η?（?）= 0T η（?）-0M η（?）
表1-1 转桨式水轮机效率修正值
（2） 在min H ～max H 间取若干水头，计算各水头对应的M n 11，其中
M n 11=
-H
nD 111n ?， 11n ?=M n 11（
10
max
-M ηη）
。 过各M n 11作水平线与水轮机模型综合特性曲线的各等?线相交，找出各交点的11Q 、
M η，其中M η由内插确定；一般情况下单位流量修正值较小，可不作修正。然后，计算个
点的原型水轮机效率与出力 T η=M η+η?（?） P =T Q H
D η115
.12
181.9
根据计算结果（表1-2）绘出各水头下的T η=)(P f 曲线（图1-1），同时绘出各水头下的11Q ～P 辅助曲线（辅助曲线图1-1）。
表1-2 转桨式水轮机等效率线计算表 单位：Q （L/s ）， P （KW ）
2 出力限制线的绘制
原型水轮机的出力限制线表示水轮机在不同水头下可以发出或允许发出的最大出力。 水轮机与发电机配套的情况下，水轮机的出力受发电机额定出力的限制，因此，实际的出力限制线以设计水头r H 分为两个部分。在max H 与r H 之间，水轮机的出力受发电机额定容量的限制，是一条P =r P 的垂直线；在r H ～min H 之间，对于转桨式水轮机，水轮机的出力限制线一般由模型综合特性曲线中通过额定工况点的等开度线换算得到。
在模型综合特性曲线图中确定为出力限制线的等开度线上取系列工况点，记下各个工况点的11Q 、11n 、M η，由相似换算公式（11n =
η
H nD 1，11Q =
η
H D
Q 2
1
，P =ηQH 81.9）（参
考资料[2]第41页）计算出各点对应的水头H 及出力P ，将这些点绘在H ～P 坐标系中，
连接各点即得到原型水轮机的出力限制线。
为了计算简便，一般是求出与min H 和r H 相对应的水轮机的出力m in P 、r P ，将A 点（r H 、r P ），B 点（min H 、m in P ）在图上连成一条斜线，此为H 由模型综合特性曲线图中0a =38.5mm 等开度线换算得： r H =14.5m ， r P =8579KW min H =8.3m ， m in P =T D Q H η21115 .1min 81.9=873.03.36.13.881.925.1???? =3568 KW 3 等吸出高度线的绘制 等吸出高度线表达水轮机在各运行工况的最大允许吸出高度s H 。等s H 线是根据模型综合特性曲线的等σ线换算而求得的，计算与绘制等s H 线的步骤如下： （1） 计算各水头相应转速M n 11，在模型综合特性曲线上过各M n 11作水平线与各等σ线相交，记下各点的σ、11Q 、M η值。 （2） 根据吸出高度计算式s H =-?-900/10σK M σH 计算各点s H ，并计算各点出力P 。 （3） 根据各工况点的s H 、P 绘出各水头下的s H =)(P f 曲线。 （4） 在s H =)(P f 曲线上取某s H 值（例s H =-0.55m ）作水平线与各s H =)(P f 曲线相交，记下各交点的水头H 及出力P ，将这些点（P 、H ）点到P —H 坐标系内并连成光滑曲线，即得某s H 的等吸出高度线。 等吸出高度线的计算数据见表1-3. 表1-3等吸出高度线计算表 第二章 蜗壳的选择计算 本电站设计水头r H =14.5m ，设计水头下最大流量0Q =72.6s m /3 ，水轮机座环外径 b D =5.15m ，座环内径a D =4.5m ，对蜗壳断面型式要求尽可能缩小机组段的宽度。 1 进口断面计算 （1）确定蜗壳的包角。根据该水轮机的计算水头r H =14.5m ，选择m ax ?=180°的混凝土蜗壳。 （2）计算进口断面的面积0F 0Q =Q ?360m ax ?=72.6×? ?360180=3.36s m /3 按设计水头r H =14.5m 从参考资料[]1图6-10中查得进口断面平均流速0V =3.3s m /，则 0F = 00V Q =3 .33.36=00.112m （3）作出进口断面的尺寸和形状，混凝土蜗壳的断面形状采用m>n 的“T ”形断面［参考资料[]1图6-11（b ）］。选择蜗壳进口断面的尺寸应尽可能缩小机组段的间距，选用 a n b -=1.6，a b =a n m b ++0=2.1，角度δ=30°,γ =19° 联立方程 a n b -=1.6 a n m b ++0=2.1 经过试算取a=2.40m ，解出b=5.04m ，m=2.52m ，n=1.20m ，以a 、b 、m 、n 、δ和γ的 数值作出进口断面尺寸如图2-1。 计算进口断面面积 图2-1 混凝土蜗壳计算图1 F )()(2 1 022b a r r b tg n tg m ab -++-=δγ 325.032.1)3020.11952.2(2 1 04.540.222?+?+?-?=tg tg 02.11=2 m %2.0%10000 .1102 .000.1100.1102.11=?=- 此面积大小能保证进口断面平均流速为3.29s m /，与设计要求的V=3.3s m /接近。 2 采用直线绘制蜗壳其余各断面顶角连接线 作出4个中间断面2、3、4、5并用直线AB 、CD 连接各断面。 3 用图解法求出积分 ?i b r r dr r r b ) (值S 的变化规律 列表计算并作出各断面的r b /=)(r f 的函数曲线（表2-1）。 表2-1 各断面的b/r=f(r)的函数曲线 用表2-1中各断面的r 和r b /数值作出r b /=)(r f 的关系曲线如图2-2中的曲线1、2、3、4、5所示。 4 绘制i ?=)(r f 曲线 （1）以进口断面为边界条件求出常数k ，由式 Q K i ?= 360??i b r r dr r r b ) (，当i ?=m ax ?时得：m ax ?=Q K i ?=360?× ?i b r r dr r r b ) (，其中?i b r r dr r r b )(是进口断面b/r=f(r)的曲线所围面 积S ，Q 为水轮机的最大流量，则 K= ??i b r r dr r r b Q ) (360max ?= 521 .23606 .72180????=4.14 图2-2 混凝土蜗壳计算图2 （2）求出各中间断面的i ?角，数出各中间断面r b /=)(r f 曲线所围面积S 和已求得的K 值代入下式求得对应各中间断面的i ?角 Q K i ?= 360??i b r r dr r r b )( （3）求出中间各断面的流量i Q i Q = ? 360i ?Q （4）计算各断面的平均流速 i V = i i F Q 式中i F ——各断面面积。 上式各i ?角、i Q 和i V 的数据可列表计算（表2-2） 表2-2 各φ角、Q 和V 的数据计算 按照表2-2中的数据可绘出i ?=)(r f 、 i Q =)(r f 、和i V =)(r f 的关系曲线（图2-3）。 5 绘制蜗壳各节断面图与平面图 （1）在i ?=)(r f 曲线上图2-3每隔30°找出对应此i ?处的断面i r 如下表（表2-3），有了i r 值就可以在图2-1上利用AB 和CD 两线，找出各相应断面的轮廓尺寸（图2-4）。 图2-3 混凝土蜗壳计算图 表2-3混凝土蜗壳断面轮廓尺寸 （2）绘制蜗壳平面图（图2-5）。 图2-4 蜗壳的断面尺寸 图2-5 蜗壳的平面图 第三章尾水管水力计算 尾水管是反击式水轮机所特有的部件，尾水管的性能直接影响到水轮机的效率和稳定性，一般水轮机中均选用经过试验和实践证明性能良好的尾水管。 尾水管有直锥形和弯肘形两种。除贯流式水轮机组外，大中型反击式水轮机均采用弯肘形尾水管，其型式一般不加里衬且不单独对尾水管进行设计，而是按照模拟水轮机所采用的标准尾水管放大选用，只有在特高比转速下才需要大高度尾水管，在无标准时方需单独设计。 为尽量降低水下开挖量和混凝土用量，本电站水轮机组选用弯肘形尾水管。 尾水管各部分尺寸的计算 1 尾水管的深度 对转桨式水轮机，取13.2D h ≥。 2 进口锥管的计算 对转桨式水轮机而言，进口锥管的锥角最优值通常取??=10~8β，此处我们折中取 ?=9β，而根据推荐的D D 001.13=，则 3h = βtan 234D D -=? ??-9tan 23 .3001.146.4=66.3m 3 肘管型式 肘管的形状十分复杂，它对整个尾水管的性能影响很大，一般推荐定型的标准肘管。标 准见参考资料[1]第168页表5-6. 4 水平长度 水平长度L 是机组中心线到尾水管出口的距离。肘管型式一定，长度L 决定了水平扩散段的长度。通常取L=4.51D . 5 出口扩散段 出口扩散段通常采用矩形断面，出口宽度一般与肘管出口宽度相等，顶角??=13~10α ，底板一般呈水平，少数情况下为了减少开挖而底板稍上台。 本电站取?=10α，底板水平，尾水管的水平段宽度B=（2.3～2.7）1D ，不加支墩。 则尾水管部分尺寸见下表3-1 表3-1 尾水管部分尺寸 m 总述 本电站设计水头为14.5m ，总装机容量32.6MW ，4台型号为ZZ560机组，单机容量为8.15MW ，转轮直径为3.3m ，采用立式混凝土蜗壳，其座环内径4.5m ，外径为5.15m ，蜗壳包角180°，尾水管采用弯肘形（不加内衬）。 参考文献 1 《水轮机》第三版，刘大恺，中国水利水电出版社。 2 《水轮机》，郑源等，中国水利水电出版社。 3 《水力机械及工程设计》，宋斌，重庆大学出版社。 4 《小型水电站机电设计手册》水力机械，湖北水利勘测设计院，水利出版。 5 《水电站机电设计手册》水力机械，水电站机电设计手册编写组，水利电力出版社。 辅助线1 图1-1 等效率曲线的绘制 图1-2 出力限制线 辅助线2 图1-3 等吸出高度线 图1-4 运转综合特性曲线 辅助线3 图2-1 蜗壳的断面尺寸 目录 第一章基本资料 (1) 第二章机组台数与单机容量的选择 (2) 第三章水轮机主要参数的选择与计算 (5) 第四章水轮机运转特性曲线的绘制 (10) 第五章蜗壳设计 (13) 第六章尾水管设计 (17) 第七章心得体会 (20) 参考文献 (20) 第一章基本资料 基本设计资料 黄河B水电站是紧接L水电站尾水的黄河上游的一个梯级水电站。水库正常蓄水位2452 m，电站总装机容量4200 MW，额定水头205 m。 经水能分析，该电站有关动能指标如表1所示： 表1 动能指标 第二章机组台数与单机容量的选择 水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。根据已确定的装机容量，就可以拟定可能的机组台数方案，选择机组台数与单机容量时应遵循如下原则： 机组台数与工程建设费用的关系 在水电站的装机容量基本已经定下来的情况下，机组台数增多，单机容量减小。通常小机组单位千瓦耗材多、造价高，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，整体设备费用高。另外，机组台数多，厂房所占的平面尺寸也会增大。一般情况下，台数多对成本和投资不利。因此，较少的机组台数有利于降低工程建设费用 机组台数与设备制造、运输、安装以及枢纽安装布置的关系 单机容量大，可能会在制造、安装和运输方面增加一定的难度。然而，有些大型或特大型水电站，由于受枢纽平面尺寸的限制，总希望单机容量制造得大些。 机组台数对水电站运行效率的影响 水轮机在额定出力或者接近额定出力时，运行效率较高。机组台数不同，水电站平均效率也不同。机组台数较少，平均效率越低。机组台数多，可以灵活改变机组运行方式，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。但机组台数多到一定程度，再增加台数对水电站运行效率增加的效果就不显着。当水电站在电力系统中担任基荷工作时，引用流量较固定，选择机组台数较少，可使水轮机在较长时间内以最大工况运行，使水电站保持较高的平均效率。当水电站担任系统尖峰负荷并且程度调频任务时，由于负荷经常变动，而且幅度较大，为使每台机组都可以在高效率区工作，则需要更多的机组台数。 另外，机组类型不同，高效率范围大小也不同，台数对电厂平均效率的影响就不同。对于高效率工作区较窄的，机组台数应适当多一些。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。 机组台数与水电站运行维护的关系 机组台数多，单机容量小，水电站运行方式较灵活机动，机组发生事故停机产生的影响小，单机轮换检修易于安排，难度也小。但台数多，机组开、停机操作频繁，操作运行次数随之增多，发生事故的几率也随之增高，对全厂检修很麻烦。同时，管理人员多，维护耗材多，运行费用也相应提高。故不能用过多的机组台数。 机组台数与其他因素的关系 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。 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。 表2 不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域 水轮机 水轮机+ 发电机：水轮发电机组 功能：发电 水泵+ 电动机：水泵抽水机组 功能：输水 水泵+ 水轮机：抽水蓄能机组。 功能：抽水蓄能 水轮发电机组：水轮机是将水能转变为旋转机械能，从而带动发电机发出电能的一种机械，是水电站动力设备之一。 第一节水轮机的工作参数 水轮发电机组装置原理图 定义：反映水轮机工作状况特性值的一些参数，称水轮机的基本参数。 由水能出力公式：N=9.81ηQH可知，基本参数：工作水头H(m)、流量Q(m3/s)、出力N(kw)、效率η，工作力矩M、机组转速n。 一、水头(head)：作用于水轮机的单位水体所具有的能量，或单位重量的水体所具有的势能，更简单的说就是上下游的水位差，也叫落差。142米 1. 毛水头(nominal productive head) H M=E U-E D=Z U - Z D 2. 反击式水轮机的工作水头 毛水头 - 水头损失=净水头 H G =E A - E B =H M - h I -A 3. 冲击式水轮机的水头 H G =Z U - Z Z - h I-A 其中Z U 和Z Z 分别为上游和水轮机喷嘴处的水位。 4. 特征水头(characteristic head) 表示水轮机的运行范围和运行工况的几个典型水头。 最大工作水头： H max =Z 正-Z 下min -h I-A 最小工作水头： H min =Z 死-Z 下max -h I-A 设计水头(计算水头) H r ：水轮机发额定出力时的最小水头。 平均水头： H av =Z 上av -Z 下av 二、流量(m 3/s)(flow quantity)：单位时间内通过水轮机的水量Q 。单机12.2m 3/s Q 随H 、N 的变化：H 、N 一定时， Q 也一定； 当H =H r 、N =N 额时，Q 为最大。 在H r 、n r 、N r 运行时，所需流量Q 最大，称为设计流量Q r 三、出力 (output and)：水轮机主轴输出的机械效率。N(KW)： 指水轮机轴传给发电机轴的功率。 水轮机的输入功率 (水流传给水轮机的能量),即水流效率，与a.作用于水轮机的有效水头；b.单位时间通过水轮机的水量，即流量Q ；c.水体容重γ成正比。其公式为：QH QH N w 8.9==γ γ指水体容重（即单位容积水所具有的重力，比重）： 水的比重=1000kg/m 3、G=9.8N/Kg γ=9800N/m 3 )(8.9)/(9800)/(9800)()/()/(33kw QH s J QH s m N QH m H s m Q m N N w ==?=??=γ 水轮机的输出功率：ηηQH N N w 8.9== 四、效率(efficiency )：输入水轮机的水能与水轮机主轴输出的机械能之比，又叫水轮机的机械效率、能量转换效率。η 信息学院 运行 PC→AR PC+1 RAM→BUS BUS→IR P1 PC→AR PC+1 RS→BUS BUS→DR1 ALU=0→BUS BUS→RD SW→BUS BUS→RD 00(直接)CLR RD→BUS BUS→DR2 DR1+DR2→ BUS→RD 01 01 01 01 02 20 212325 52 53 31 27 RS→RD RS→299 RRC 299→RD RS→299 RLC 299→RD 01 3032 54 55 36 67 70 IN MOV RRC SUC RLC RD→LED 01 STOP 01 26 24 ADC RS→BUS BUS→DR2 RD→BUS BUS→DR1 DR1→DR1 DR1+1→ BUS→DR1 DR1→DR1 DR1+DR2→ BUS→RD 56 57 60 61 RD→BUS BUS→DR1 RS→BUS BUS→DR1 RD→BUS BUS→DR1 35 0101 INC DR1+1→ BUS→RD 01 01 01 34 62 33 RD→BUS BUS→DR2 63 DR1^DR2→ BUS→RD 65 AND 66 PC→AR PC+1 PC→AR PC+1 PC→AR PC+1 20 RAM→BUS BUS→DR1 03 RAM→BUS BUS→AR 04 RAM→BUS BUS→DR1 06 RAM→BUS BUS→AR 05 RAM→BUS BUS→AR 07 40 RAM→BUS BUS→DR1 15 22 RI→DR2 16 DR1+DR2→ BUS→AR 17 DR1+DR2→ BUS→DR1 45 RAM→BUS BUS→DR1 46 PC→BUS BUS→DR2 47 DR1+DR2→ BUS→AR 50 DR1+DR2→ BUS→DR1 51 72 P2 RAM→BUS BUS→RD 40 RD→BUS BUS→RAM 41 DR1→BUS BUS→PC 4243 P3 DR1→BUS BUS→PC 6444 010101 BZC JMP STA LAD 10(变址) 01(间接)11(相对)COM 40 4040 01 01 44 01 Y N P4 PC→AR PC+1 PC→AR PC+1 SW→BUS BUS→DR1 DR1→RAM RAM→BUS BUS→DR1 DR1→LED 01 00 11 14 74 10 12 73 13 WRITE(01)READ(00)RUN(11) SW B 10 →B U S B U S→R D 1 DR DR1→DR1 37 71 SWA 图2-8复杂模型机微程序流程图 H L T A OUT 六、实验结果： （1）取in指令送IR： （2）采集从数据开关输入的数据07H并送R0： 水轮机 一、水轮机的基本参数 1)工作水头（H）:水轮机的工作水头就是指水轮机的进、出口单位 能量差，也就是上游水位与下游水位之差，用H表示，其单位为m。其大小表示水轮机利用水流单位能量的多少。 2)流量（Q）：在单位时间内流经水轮机的水量，称为流量，用Q表 示，其单位为m3/s。其大小表示水轮机利用水流能量的多少 3)出力（P）：具有一定水头和流量的水流通过水轮机便做功，而在 单位时间内所做的功率称为水轮机的出力，用P表示，其单位KW。 水轮机的出力为：P=9.81QH 4）效率（η）目前混流式水轮机的最高效率95% P=9.81QHη 5）比转速指工作水头H为1m、发出的功率P为1kw时水轮机所具有的转速，故称为比转速。 二、水轮机的类型与代号 我们根据水流能量的转换的特征不同，把水轮机分为两大类，及反击型和冲击型水轮机。 反击型水轮机，具有一定位能的水流主要以压能的形态，由水轮机转变为机械能。按其水流经过转轮的方向不同，反击型水轮机可分为以下几种类型： 反击型：轴流（定桨、转桨）水轮机、混流式水轮机、贯流式水轮机、斜流式水轮机 冲击型：水流不充满过流流道，而是在大气压力下工作，水流全部以动能形态由转轮变为机械能。按射流冲击水斗的方式不同，可分为如下几种类型： 冲击型：水斗式水轮机、斜击式水轮机、双击式水轮机 我国水轮机式的代号，有三部分组成，第一部分由水轮机型式及转轮型号组成,并由汉语拼音表示。 水轮机型式的代号 水轮机型式代号水轮机型式代号 混流式HL 轴流转桨式ZZ 斜流式XL 轴流定桨式ZD 双击式SJ 贯流转桨式GZ 斜击式XJ 贯流定桨式GD 冲击式CJ 以本电站为例：水轮机型号：HL(247)—LJ—235，表示混流式水轮机，转轮型号为247，立轴，金属蜗壳，转轮直径为235㎝。三、混流式水轮机 1定义：水流从径向流入转轮，在转轮中改变方向后从轴向流出的水轮机。其叶片固定，不能转动调节。 2 混流式水轮机 - 结构特点 混流式水轮机主要应用于20—450米的中水头电厂， 其结构紧凑，效率较高，能适应很宽的水头范围，是目前 世界各国广泛采用的水轮机型式之一。 计算机组成原理实验报告 题目复杂模型机设计实验 专业计算机科学与技术 姓名张蕾 学号 1310632 目录 一、实验目的 二、实验原理 1 数据格式 2 指令格式 三、实验内容 四、实验代码设计思想 1 机器程序设计 2 微代码设计 五、实验代码 六、实验接线图 七、实验总结 一、实验目的 （1）综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的计算机。 （2）加深对计算机各组成部件之间的相互关系以及指令系统设计方法的理解。 二、实验原理 CPU由运算器（ALU），微程序控制器（MC），通用寄存器（R0），指令寄存器（IR），程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成，通过写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能。 1.数据格式 模型机规定采用定点补码表示法表示数据，字长为8位，8 位全用来表示数据（最高位不表示符号），数值表示范围是： 0≤X≤2^8－1。 2.指令设计 该复杂模型机设计包含运算类指令、控制类指令、数据传输类指令三大类指令。 （1）运算类指令仅用到了算术运算，算术运算设计有 3 条运算类指令，分别为：ADD（两寄存器值加法）、INC（寄存器值自加1）、SUB（两寄存器值减法），所有运算类指令都为单字节，寻址方式采用寄存器直接寻址。 （2）控制转移类指令有三条HLT（停机）、JMP（无条件跳转到指定的指令地址）、BZC（判断寄存器内容是否为0，为0则跳转到指定的指令地址），用以控制程序的分支和转移，其中HLT为单字节指令，JMP 和BZC 为双字节指令。 （3）数据传送类指令有IN、OUT、LDI、LAD、STA 共5 条，用以完成寄存器和寄存器、寄存器和I/O、寄存器和存储器之间的数据交换，均为双字节指令。 3.指令格式 所有单字节指令具有相同的指令格式，如下图所示： 7654 32 10 OP-CODE RS RD 其中4位OP-CODE为操作码，2位RS为源寄存器，2位RD为目的寄存器，并规定： RS或RD 选定的寄存器 00 R0 01 R1 10 R2 11 R3 IN和OUT的指令格式为： 7654 32 10 7~0 OP-CODE RS RD P IO地址空间被分为4个区如表所示： A7A6 选定地址空间 00 IOY0 00~3F 01 IOY1 40~7F - - - 目录 第一章基本资料 (1) 第二章机组台数与单机容量的选择 (2) 第三章水轮机主要参数的选择与计算 (5) 第四章水轮机运转特性曲线的绘制 (10) 第五章蜗壳设计 (13) 第六章尾水管设计 (17) 第七章心得体会 (20) 参考文献 (20) 第一章基本资料 基本设计资料 黄河B水电站是紧接L水电站尾水的黄河上游的一个梯级水电站。水库正常蓄水位2452 m，电站总装机容量4200 MW，额定水头205 m。 经水能分析，该电站有关动能指标如表1所示： 表1 动能指标 第二章机组台数与单机容量的选择 水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。根据已确定的装机容量，就可以拟定可能的机组台数方案，选择机组台数与单机容量时应遵循如下原则： 2.1机组台数与工程建设费用的关系 在水电站的装机容量基本已经定下来的情况下，机组台数增多，单机容量减小。通常小机组单位千瓦耗材多、造价高，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，整体设备费用高。另外，机组台数多，厂房所占的平面尺寸也会增大。一般情况下，台数多对成本和投资不利。因此，较少的机组台数有利于降低工程建设费用 2.2机组台数与设备制造、运输、安装以及枢纽安装布置的关系 单机容量大，可能会在制造、安装和运输方面增加一定的难度。然而，有些大型或特大型水电站，由于受枢纽平面尺寸的限制，总希望单机容量制造得大些。 2.3机组台数对水电站运行效率的影响 水轮机在额定出力或者接近额定出力时，运行效率较高。机组台数不同，水电站平均效率也不同。机组台数较少，平均效率越低。机组台数多，可以灵活改变机组运行方式，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。但机组台数多到一定程度，再增加台数对水电站运行效率增加的效果就不显著。当水电站在电力系统中担任基荷工作时，引用流量较固定，选择机组台数较少，可使水轮机在较长时间内以最大工况运行，使水电站保持较高的平均效率。当水电站担任系统尖峰负荷并且程度调频任务时，由于负荷经常变动，而且幅度较大，为使每台机组都可以在高效率区工作，则需要更多的机组台数。 另外，机组类型不同，高效率范围大小也不同，台数对电厂平均效率的影响就不同。对于高效率工作区较窄的，机组台数应适当多一些。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。 2.4机组台数与水电站运行维护的关系 机组台数多，单机容量小，水电站运行方式较灵活机动，机组发生事故停机产生的影响小，单机轮换检修易于安排，难度也小。但台数多，机组开、停机操作频繁，操作运行次数随之增多，发生事故的几率也随之增高，对全厂检修很麻烦。同时，管理人员多，维护耗材多，运行费用也相应提高。故不能用过多的机组台数。 2.5机组台数与其他因素的关系 2.5.1机组台数与电网的关系 水轮机结构 一、简介 （一）、简介水轮机是水电厂将水轮转换为机械能的重要设备。 1、按能量方式转换的不同，它可分为反击式和冲击式两类。反击型利用水 流的压能和动能，冲击型利用水流动能。 2、反击式中又分为混流、轴流、斜流和贯流四种； 3、冲击式中又分为水斗、斜击和双击式三种。 1）、混流式：水流从四周沿径向进入转轮，近似轴向流出应用水头范围：30m~700m 特点：结构简单、运行稳定且效率高 2）、轴流式水流在导叶与转轮之间由径向运动转变为轴向流动应用水头：3~80m 特点：适用于中低水头，大流量水电站分类：轴流定桨、轴流转桨 3）、冲击式 转轮始终处于大气中，来自压力钢管的高压水流在进入水轮机之前已经转变为高速射流，冲击转轮叶片作功。 水头范围：300~1700m 适用于高水头，小流量机组。 （二）、水轮机主要类型归类 二、水轮机主要基本参数 1、水轮机主要基本参数 水头：Hg、H、Hmax、Hmin、Hr （设计水头） 流量：Q 转速:f=np/60 出力：N=9.81QH n（Kw） 效率：n 2、水轮机型式代号 混流式：HL 斜流式：XL 轴流转桨式：ZZ 轴流定桨式：ZD 冲击（水斗式）：CJ 双击式：SJ 斜击式：XJ 贯流转桨式：GZ 贯流定桨式：GD 对于可逆式，在其代号后增加N 3、混流式水轮机 型号：HL100—LJ—210 HL ：代表混流式水轮机 100：转轮型号（也称比转速） LJ:立式金属蜗壳 210：转轮直径（210 厘米） 4、轴流式水轮机 ZZ560—LH —1130 ZZ:轴流转桨式水轮机 560:转轮型号 LH :立式混凝土蜗壳1130:表示转轮直径为1130 厘米 5、冲击式水轮机 CJ47—W—170/2X15.0 CJ:冲击式 W :卧轴 170:转轮直径170cm 2: 2 个喷嘴 15.0:射流直径三、水轮机主要部件（一）、组成 引水部件、导水部件、工作部件、泄水部件 1、引水部件 组成:引水室（蜗壳）、座环作用：以较小的水力损失把水流均匀地、对称地引入导水部件，并在进入导叶前形成一定的环量。 2、导水部件 组成：导叶及其操作机构、顶盖、底环 作用：调节进入转轮的流量和形成转轮所需的环量 3、工作部件 2013届热能与动力工程专业毕业设计（论文） 毕业设计（论文） 题目ZZ560轴流式水轮机 结构设计 专业热能与动力工程 1 摘要 葛洲坝电站是我国代表性的低水头大流量、径流式水电站，兼具发电、改善航道等综合效益。本次设计主要是通过查阅相关设计手册，对葛洲坝电站型号为ZZ560-LH-1130的轴流转桨式水轮机结构进行设计，主要内容包括水轮机总体结构设计、导水机构及其传动系统设计，水轮机部分零部件，例如主轴，导叶等零件的设计。 通过使用CAD绘图，本次设计过程更加便捷，设计成果更加精确。关键词：葛洲坝水电站，轴流式水轮机，转轮设计，结构设计， ABSTRACT 2013届热能与动力工程专业毕业设计（论文） Gezhouba Dam power plant is China's representative low head and largeDischarge,runoff hydropower stations,power generation,wita comprehensive benefits improve navigation etc.This design is mainly through access to relevant design manual,design of the Kaplan turbine structure of Gezhouba Dam power plant model for ZZ560-LH-1130,The main contents include design of water mechanism and its transmission system overall structure design of hydraulic turbine,guide,some parts of hydraulic turbine,such as the spindle,the design of guide vane and other parts. Using the CAD,the process of design is more convenient and the result is more accurate. KEY WORDS:GeZhouBa hydropower station,Kaplan turbine, station,runner,Structural design. 3 水电站厂房课程设计计算书 1．蜗壳单线图的绘制 1.1 蜗壳的型式 根据给定的基本资料和设计依据，电站设计水头Hp=46.2m ，水轮机型号 ：HL220-LJ-225。可知采用金属蜗壳。又Hp=46.2m>40m ，满足《水电站》（第4版）P32页对于蜗壳型式选择的要求。 1.2 蜗壳主要参数的选择 金属蜗壳的断面形状为圆形，根据《水电站》（第4版）P35页可知：为了获得良好的水力性能及考虑到其结构和加工工艺条件的限制，一般取蜗壳的包角为0345?=。 通过计算得出最大引用流量m ax Q 值，计算如下： ○ 1水轮机额定出力：15000 156250.96 f r f N N KW η= = = 式中：60000150004 f KW N KW = =，0.96f η=。 ○ 2'31max 3 3 2222115625 1.11 1.159.819.81 2.2546.20.904 r p N Q m s D H η = = = 实验一寄存器实验 实验目的：了解模型机中各种寄存器结构、工作原理及其控制方法。 实验要求：利用CPTH 实验仪上的K16..K23 开关做为DBUS 的数据，其它开关做为控制信号，将数据写入寄存器，这些寄存器包括累加器A，工作寄存器W，数据寄存器组R0..R3，地址寄存器MAR，堆栈寄存器ST，输出寄存器OUT。 实验电路：寄存器的作用是用于保存数据的CPTH 用74HC574 来构成寄存器。74HC574 的功能如下： - 1 - 实验1：A，W 寄存器实验 原理图 寄存器A原理图 寄存器W 原理图连接线表： - 2 - - 3 - 系统清零和手动状态设定：K23-K16开关置零，按[RST]钮，按[TV/ME]键三次，进入"Hand......"手动状态。 在后面实验中实验模式为手动的操作方法不再详述． 将55H 写入A 寄存器 二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据 55H 置控制信号为： 按住STEP 脉冲键，CK 由高变低，这时寄存器A 的黄色选择指示灯亮，表明选择A 寄存器。放开STEP 键，CK 由低变高，产生一个上升沿，数据55H 被写入A 寄存器。 将66H 写入W 寄存器 二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据66H 置控制信号为： 按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器W 的黄色选择指示灯亮，表明选择W寄存器。放开STEP 键，CK 由低变高，产生一个上升沿，数据66H 被写入W 寄存器。 注意观察： １．数据是在放开STEP键后改变的，也就是CK的上升沿数据被打入。 ２．WEN，AEN为高时，即使CK有上升沿，寄存器的数据也不会改变。 实验2：R0，R1，R2，R3 寄存器实验 连接线表 - 4 - 水轮机课程设计 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，该水电站的水头范围为59.07-82.9m ，电站总装机容量56万千瓦，拟选2、3、4、5台机组，平均水头为75.43m ，最大水头为82.9m ，最小水头为59.07m 。 水轮机的设计水头估算为m H r 72= 按中国水轮机的型谱推荐的设计水头与比转速的关系， 水轮机的比转速s n : 2162072 2000202000=-=-=H n s m.KW 根据原始资料，适合此水头范围的水轮机类型有斜流式和混流式。 又根据混流式水轮机的优点： （1）比转速范围广，适用水头范围广，可适用30～700m ； （2）结构简单，价格低； （3）装有尾水管，可减少转轮出口水流损失。 故选择混流式水轮机。 因此，选择s n 在216m.kw 左右的混流式水轮机为宜。 根据表本电站水头变化范围(H=59.07-82.9m)查《水电站机电设计手册—水力机械》1-4] 适合此水头范围的有HL220-46。 二、拟订机组台数并确定单机容量 表1-1 机组台数比较表 1.2 原型水轮机各方案主要参数的选择 按电站建成后,在电力系统的作用和供电方式,初步拟定为2台,3台,4台,5台四种方案进行比较。 基本参数， 模型效率：89.0=M η，推荐使用最优单位流量： h m 315.1，最优单位转速：m in 7011r n r =，最优单位流量：s l Q r 115011=。 一、2台机组（方案一） 1、计算转轮直径 装机容量22万千瓦，由《水轮机》325页可知：水轮机额定出力： kw N P G G r 3.28571498 .0280000===η 上式中： G η-----发电机效率,取0.98 G N -----机组的单机容量（KW ） 水轮机的基本结构及其主要部件的作用 水轮机总体由引水、导水、工作和排水四大部分组成。 1、水轮机的引水部件： 主要指蜗壳及座环等，水流由蜗壳引进，经过座环后才进入导水机构。蜗壳的作用是使进入导叶以前的水流形成一定的旋转，并轴对称地、均匀地将水流引入导水机构；座环的作用是：承受整个机组及其上部混凝土的重量以及水轮机的轴向水推力；以最小的水力损失将水流引入导水机构；机组安装时以它为基准。所以，座环既是承重件，又是过流件，也是基准件。因此，要求座环必须有足够的强度、刚度和良好的水力性能。 2、水轮机的导水机构： 导水机构主要由操纵机构（推拉杆、接力器及其锁锭装置）、导叶传动机构（包括控制环、拐臂、连杆和连接板等）、执行机构（导叶及其轴套等）和支撑机构（顶盖、底环等）四大部分组成。其作用使进入转轮前的水流形成旋转，并可改变水流的入射角度，当发电机负荷发生变化时，用它来调节流量，正常与事故停机时，用它来截断水流。 导水机构的操纵机构 导水机构的操纵机构的作用是：在压力油的作用下，克服导叶的水力矩及传动机构的摩擦力矩，形成对导叶在各种开度下的操作力矩。导水机构的操纵机构分为直缸式和环形接力器两大类。 调速环或接力器锁锭装置 锁锭装置的作用是：当导叶全关闭后，锁锭投入，可阻止接力器活塞向开侧移动；一旦关侧油压消失，又可防止导叶被水冲开。 导水机构的传动机构 导水机构的传动机构的作用：是将操纵机构的操作力矩传递给导叶轴并使之发生转动。其型式主要有叉头式和耳柄式两种。太站为耳柄式，长站为叉头式。正常运行时应着重检查控制环、拐臂、连杆和连接板之间的连接销有无串出或脱落。剪断销及引线是否完好。 导水机构的执行机构 实践报告 计算机组成原理--模型机设计报告 作者姓名： 专业：计算机科学与技术 学号： 指导教师： 完成日期：年月号 ******学院 计算机工程系 摘要 “计算机组成原理”是计算机科学与技术系的一门核心专业基础课程，在计算机专业中起了很重要的作用。课程中分部分介绍了计算机的各个部件，我们有必要将它们组合起来以对计算机有一个整体的认识。这次课程设计通过对一个简单模型机的设计与实现，是我们对计算机的基本组成、部件的设计、部件间的连接有更深的理解。依次设计计算机的几个部件并进行连接使成为一个完整的模型机。通过运行和调试，使之正常工作。 关键词：运算器；控制器；存储器；输入输出接口；模型机 正文： 一、课设目的要求： 《计算机组成原理》是一门理论性、实践性均较强的专业基础课，要求学生具有一定的电路分析、指令系统编写能力、软件设计能力。通过计算机组成原理实践周，要突出《计算机组成原理》理论联系实际的特点，培养实践动手能力。 1.培养学生运用理论知识和技能，构建建立问题逻辑结构，锻炼学生分析解决实际 问题的能力。 2.培养学生使用PROTEUS软件分析和设计计算机内部器件的方法和技巧。 3.培养学生调查研究、查阅技术文献、资料、手册以及编写技术文献的能力。 4.通过实践设计，要求学生在指导教师的指导下，独立完成设计课题的全部内容， 包括： （1）通过调查研究和上机实习，掌握PROTEUS软件的设计和仿真调试技能。 （2）掌握计算机系统的组成结构及其工作原理。 （3）设计实现一个简单计算机的模型机，并能够使用PROTEUS软件进行电路仿真验证 二、课设内容： 利用所学的计算机结构和工作原理的知识，要求学生独立完成简单计算机的模型机设计，并用PROTEUS软件进行验证。在分析设计过程中，要求学生养成良好的习惯，学会分析实际问题，并利用所学的知识建立系统的逻辑结构，学会PROTEUS调试技巧和方法，通过逻辑设计和工程设计培养调试硬件电路的实际动手能力。要求学生掌握数字逻辑电路中故障的一般规律，以及排除故障的一般原则和方法；锻炼分析问题与解决问题的能力，在出现故障的情况下，独立分析故障现象，并排除故障。 三、课设设备： 计算机组成原理教学实验系统及电脑一台。 四、模型机组织结构： 组织结构分为运算器控制器存储器输入输出接口。 运算器是数据的加工部件，是CPU的重要组成部分。基本结构中必须有算数/逻辑运算单元、数据缓冲存储器、多路转换器和数据总线等逻辑构件。控制器是计算机的指挥中心,负责决定执行程序的顺序,给出执行指令时机器各部件需要的操作控制命令，由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器组成。存储器用来 水轮机的几种模型研究 河流发电是一种无需建坝获取电能的方式;河流水轮机和常规水轮机的主要区别在于低流速﹑低压力和需要很大的水流通道面积。河流动能用“水轮机”提取,转速慢，它是一种可将水流的部分动能转换为电能的水轮机。 1.河流水轮机的工作机理 一台转子功率系数为Cp,效率为的涡轮机,其额定功率为: 32 1Av C p p ρ= 因为水的流速不能降低到零,功率系数Cp 受到所谓贝兹极限(Bets limit)16/25=59%的限制。仅此而言,用于河流能的水轮机与风轮机的物理学原理是相同的。但是,在量与方向上却有很大的区别:虽然河水密度约比空气密度大816倍,然而河流的流速要低得多。同时,对于风轮机来说,流动空气的方向较为发散,而河流的流动方向相对集中，涡轮叶片相对较多。 2. 模型比较 2.1戈尔洛夫水轮机 戈尔洛夫螺旋形水轮机(图1)可稳定地单向转动,效率优于Darrieus 水轮机,可用于河流发电。这两种风力机平均风能利用系数较为相近，略为0.28。 2.2 Darrieus （H 型）与Gorlov 风力机 图 3 Darrieus （H) 图4 Gorlov(Hellical) H 型Darrieus风力机具有其优秀的空气动力和特别的扭矩设计，此款产品具有启动风速低和抗强风性好的特点，效率23.5%。Gorlov启动性能更好，效率达30%。这两种风力机可进一步设计用于水力发电。 2.3 WS系列 图 5芬兰 Windside 公司的小型 VAWT 系统 该风力机的风能转化效率为0.187，但有极强的风况适应能力，启动风速低, 可在风速低至 1 m/s 的状况下工作。曾创下在风速高达 60 m/s 的状况下也能继续发电的世界纪录，年发电量比水平轴风机的发电量增加50%，改进后，可用于水力发电。 2.4 涡轮机 图6 PacWind（美）公司的涡轮机图7 Gual industrie（法）公司的涡轮机 PacWind 公司的垂直轴风力发电机是一种全方位低风速发电机, 可以在任何有风的地方轻易地安装, 其 VAMT 外形如图6所示。这套系统从风轮类型上应归属于阻力型风力机, 但其通过增加叶片数目和改良设计, 使迎风面积显著大于阻风面积从而减小了迎风阻力, 增高了转化效率。 图7法国 Gual industrie 公司产品 StatoEolian 风力机是在垂直轴叶片的外围增加一圈导引叶片, 形成有加速功能的进流通道, 以增大转子叶片上的风速和转动扭矩, 整个系统比传统的水平轴风力发电机具有更好的低风启动性和运行安静的优点。它的启动风速约为 2 m/s, 风速在 40 m/s 时仍可工作, 有很宽的工作范围。使用该风力机发电量是传统水平轴的1.3倍。 课程设计报告 题目：能量转换机械创新综合设计——水轮机课程设计 姓名：xxx 学号：xxx 班级：xxx 2014年 6 月24 日 目录 目录 (1) 课程设计任务书 (2) 1. 课程设计的目的和要求 (2) 2. 基本参数 (2) 3. 课程设计的任务 (3) 第一章水轮机的选型设计 (3) 1.水轮机型号选择 (3) 已知参数 (3) 2. 水轮机基本参数的计算 (5) 一.转轮直径1D的计算 (5) 二.效率 的计算 (6) 三．转速n的计算。 (6) 4. 水轮机设计流量的计算 (7) 5. 几何吸出高度Hs的计算 (7) 6.飞逸转速nR的计算 (7) 7. 转轮轴向水推力Ft的计算 (7) 8. 检验水轮机的工作范围 (8) 第二章水轮机运转特性曲线的绘制 (9) 1.等效率曲线的计算 (10) 2. 机组出力限制线的计算 (12) 3.等吸出高度线的计算 (12) 第三章蜗壳设计 (14) 1.蜗壳型式的选择及参数 (14) 2.蜗壳进口断面的计算 (16) 3.椭圆断面的计算 (20) 第四章尾水管设计 (21) 第六章参考文献 (24) 第七章附录 (25) 1. 水轮机的运转综合特性曲线 (25) 2. 蜗壳断面图 (25) 3. 尾水管单线图 (25) 课程设计任务书 1. 课程设计的目的和要求 课程设计是水轮机课程教学计划中的一个重要环节，是培养学生综合运用所学理论知识解决工程实际问题的一次系统的基本训练。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，使学生学会查阅、收集、整理和分析相关文献资料；熟悉水轮机选型设计阶段的内容，针对给定任务能提出合理的设计方案并得出正确的计算结果。 2. 基本参数 电站总装机容量：3000 MW 电站装机台数：4台 水轮机安装高程：2241.5m 最大工作水头 H：220m max 最小工作水头 H：192.1m min 设计工作水头 H：205m r 加权平均工作水头 H：210.5 m a 评语：课中检查完成的题号及题数: 课后完成的题号与题数: 成绩：自评成绩： 实验报告 实验名称：__________ 简单模型机实验报告____________ 日期： _________________ 班级：学号：姓名： -、实验目的： 1掌握一个简单CPU的组成原理。 2、在掌握部件单元电路的基础上，进一步将其构造一台基本模型计算机。 3、为其定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试掌握整机概念。 二、实验内容： 本实验要实现一个简单的CPU并且在此CPU的基础上，继续构建一个简单的模型计算机。CPU由运算器（ALU、微程序控制器（MC、通用寄存器（R0，指令寄存器（IR）、程序计数器（PC和地址寄存器（AR组成，如图2-1-1所示。这个CPU在写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU必须和主存挂接后，才有实际的意义，所以还需要在该CPU的基础上增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。 图1-4-1基本CPU 构成原理图 除了程序计数器（PC ，其余部件在前面的实验中都已用到，在此不再讨论。系统 的程序计数器（PC 由两片74LS161和一片74LS245构成，其原理如图1-4-2所示。PC_B 为三态门的输出使能端，CLR 连接至CON 单元的总清端CLR 按下CLR 按钮，将使PC 清 零，LDPC 和T2相与后作为计数器的计数时钟，当LOAD 为低时，计数时钟到来后将CPU 内总线上的数据打入PG 图1-4-2程序计数器（PC ）原理图 本模型机和前面微程序控制器实验相比，新增加一条跳转指令 JMP 共有五条指令: OUT （输出）、JMP （无条件转移），HLT （停 机）， 其指令格式如下（高4位为操作码）： 助记符 机器指令码 说明 IN 0010 0000 IN — R0 ADD 0000 0000 R0 + R0 — R0 OUT 0011 0000 R0 — OUT JMP addr 1100 0000 ******** addr — PC HLT 0101 0000 停机 址码。微程序控制器实验的指令是通过手动给出的，现在要求 CPU 自动从存储器读取指 令并执行。根据以上要求，设计数据通路图，如图 1-4-3所示。 IN （输入）、ADD （二进制加法）、 其中JMP 为双字节指令，其余均为单字节指令, ******** 为addr 对应的二进制地 LDPC T2 CLR LOAD 水轮机课程设计 说明书 姓名： 学号： 学院：水利水电学院 班级： 指导老师： 目录 一、水轮机选型及参数计算 1.已知参数 (1) 2.水轮机型号选择 (1) 3.水轮机基本参数计算 (1) 二、水轮机运转特性曲线的绘制 1.等效率曲线的绘制 (3) 2.等吸出高度线绘制 (4) 3.出力限制线绘制 (5) 三、蜗壳设计 1.蜗壳型式及基本参数的选择 (6) 2.进口断面计算 (6) 3.圆断面计算 (7) 4.椭圆形断面计算 (8) 四、尾水管设计 1.尾水管形式的选择 (9) 2.尾水管高度的确定 (9) 3.尾水管各部分尺寸的计算 (9) 蜗壳平面图 (10) 蜗壳单线图 (11) 尾水管图 (12) 一、水轮机选型及参数计算 1.已知参数 装机容量580.00MW ；装机台数4台；单机容量145MW ； max H =84.5m ； min H =68.00m ； r H =73.00m ； a H =71.2m 水轮机安装高程?580.00m 2.水轮机型号选择 s n = H 2000 -20= 73 2000-20=214.08（m·kw） 可以选择HL220型水轮机 3.水轮机基本参数计算 （1）计算转轮直径1D 。水轮机额定出力： r P == G G N η14795998.0145000=KW 取最优单位转速=110n 71.0r/min 与出力限制线交点的单位流量为设计工况点单位流量，则14.1r 11=Q （s /m 3），对应的模型效率%89=M η暂取效率修正值 % 3=?η，则设计工况原型水轮机效率 92.003.089.0=+=?+=ηηηM ，水轮机转轮直径1D 为 m 80.492 .07314.181.9147959 81.95 .15 .111r 1=???= = η r r H Q P D 取标准值1D =5m 该方案水头高于40m,故应使用金属蜗壳，则使用水轮机型号为 HL220-LJ-500 （2）效率η 的计算 944.05 46.0)91.01(1） -1（-155110max =--==D D M M ηη 024.092.0944.0=-=?η 914.0024.089.0=+=η （3）转速n 的计算 实验七 基本模型机的设计与实现 一、实验目的 ⒈在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统地构造 一台基本模型计算机。 ⒉为其定义5条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试掌握整机 概念。 二、实验设备 Dais-CMH+/CMH 计算器组成原理教学实验系统一台，实验用扁平 线、导线若干。 三、实验原理 部件实验过程中，各部件单元的控制信号是以人为模拟产生为主，而 本次实验将能在微程序控制下自动产生各部件单元的控制信号，实现特 定指令的功能。这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完 成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全 部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。 本实验采用五条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、 STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），其指令格式如下 （前三位为操作码）： ==========================================================助记符 机器指令码 说 明 -------------------------------------------------- ------------- IN R0,SW 0010 0000 数据开关状态 →R0 ADD R0,[addr] 0100 0000 XXXXXXXX R0+[addr]→R0 STA [addr],R0 0110 0000 XXXXXXXX R0→[addr] OUT [addr],LED 1000 0000 XXXXXXXX [addr]→LED JMP addr 1010 0000 XXXXXXXX addr→PC ==========================================================其中IN为单字节(8位)，其余为双字节指令，XXXXXXXX为addr对 应的二进制地址码。 根据以上要求设计数据通路框图，如图7-10-1所示。系统涉及到的 微程序流程见图7-7-3，当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试 字段为P(1)测试。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指 令，因此P(1)的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的前3位 (IR7~IR5)作为测试条件，出现8路分支，占用8个固定微地址单元。 当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表7-10-1即为 将图7-10-2的微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码水轮机课程设计
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