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摘要 (1)
前言 (2)
第一部分：水力机组选型设计和调节保证计算 (3)
1水轮机的选型设计 (3)
1.1水轮机选型设计概述 (3)
1.2水轮机选型设计的任务 (3)
1.3水轮机选型的原则 (3)
1.4水轮机选型设计的条件及主要参数 (3)
1.5水轮机台数及型号的选择 (4)
1.6初选工况点A (5)
1.8额定转速的确定 (6)
1.9 效率及单位参数的修正 (7)
1.10 核对所选择的真机转轮直径
D................................... 错误!未定义书签。
1
1.11 确定水轮机导叶的最大可能开度
a.......................... 错误!未定义书签。
ok
1.12计算水轮机额定流量
Q ............................................... 错误!未定义书签。
r
H ................................... 错误!未定义书签。
1.13确定水轮机的允许吸出高度
s
1.14计算水轮机的飞逸转速 (19)
1.15 计算水轮机轴向水推力∞
P ......................................... 错误!未定义书签。
1.16 估算水轮机的质量 (20)
1.17 绘制水轮机运转综合特性曲线 (20)
2水轮发电机的的初步选择计算 (24)
2.1水轮发电机的结构形式和冷却方式 (24)
2.2发电机主要尺寸的估算 (24)
2.3发电机外形尺寸估算 (25)
2.4水轮发电机的质量估算 (26)
3调节保证计算 (27)
3.1调节保证计算概述 (27)
3.2调节保证计算的标准 (27)
3.3计算基本数据 (27)
L . 错误!未定义
3.4计算设计水头、最大水头下额定出力时引水系统的∑i i V
书签。
T和关闭规律 (28)
3.5假定导叶的直线关闭时间
f
3.6水击压力上升计算 (28)
3.7最大转速上升计算 (29)
3.8调节系统设备的选择 (31)
第二部分：水电站厂房布置设计 (33)
4发电机层平面布置设计 (33)
4.1主厂房长度确定 (33)
4.2起重设备的选择 (34)
4.3主厂房的横剖面设计 (35)
第三部分：水力机械辅助设备系统选择设计 (38)
5油系统设计 (38)
5.1用油量的估算 (38)
5.2油系统设备的选择 (40)
5.3透平油系统设备明细表 (41)
5.4绘制透平油系统图与操作程序表 (42)
6压缩空气系统 (44)
6.1低压压缩空气系统 (44)
6.2低压空气系统设备选择 (48)
6.3高压压缩空气系统 (48)
6.4空气压缩系统所选设备明细表 (49)
6.5绘制气系统图 (50)
7水系统的设计 (51)
7.1技术供水系统 (51)
7.2消防供水系统 (52)
7.3排水系统的设计 (53)
7.4绘制排水系统图 (55)
结论 (56)
总结 (57)
致谢 (58)
参考文献和资料 (59)
本次毕业设计根据三角嘴水站的主要数据，对其进行三个部分的设计。第一部分：水利机组选型设计和调节保证计算,通过选型计算和运行工况分析绘制水轮机运转综合特性曲线图；第二部分：水电站厂房的布置设计，绘制发电机层平面布置图、主厂房横剖面图；第三部分：水力机组辅助设备系统选择设计，绘制透平油系统图、水系统图、气系统图。
关键词：三角嘴水电站;选型设计;厂房设计;辅助设备
Abstract
The graduation project based on primary data SanJiaoZui Hydropower, its three-part design. The first part: water conservation and regulation designed to ensure the selection is calculated by computing the appropriate selection and analysis of operating conditions drawn turbine operating characteristic curve integrated unit; Part II: hydropower plant layout design, drawing generator layer floor plan, the main plant cross-sectional view; part III: hydraulic unit auxiliary equipment systems choose design, drawing turbine oil system diagram, system diagram of water, gas system diagram.
Keywords: SanJiaoZui Hydropower, selection and design, plant design, auxiliary equipment.
水电站是一个把水利能源转化为电能的工厂。我国地域广大，河流纵横，水力资源十分丰富。“十二五规划”提出大力发展我国水电事业，因为水力发电不但符合我国的能源政策，符合环保要求，有利于减少环境污染，又能提供清洁廉价的能源。水电站发电的最大特点是全部设备必须连续不间断地运转，并且为了安全稳定可靠地供电，又要保证电能的周波和电压的质量，需要与电网并网运行。
本次毕业设计内容分为三部分。第一部分是水轮机的选型和调节保证计算，并通过选型计算和运行工况的分析绘制水轮机运转综合特性曲线。水轮机的选型设计是水电站设计中一项重要的任务，水电站水轮机的选择是根据水电站的开发方式，动能参数、水工建筑物等，并结合制造厂的生产水平，拟出若干个方案进行综合比较，最终选择最佳的型号。调节保证计算则是合理的选择导叶关闭时间和规律并进行水击压力和机组转速变化的计算，使压力变化值和转速变化值在允许的范围内，保证机组地强度、寿命及减少机组的振动，避免压力钢管爆炸的灾难性事故。第二部分是水电站厂房的布置设计。水电站厂房设计又称建筑设计，包括平面设计、剖面设计、立面设计。在厂房布置设计中首先是发电机的选型，通过发电机的相应尺寸为后面厂房的平面设计提供数据。在主要机电设备已经确定的条件下，选定合理的建筑方案，分析个方案在技术上、经济上的合理性，并绘制厂房的平面布置图、主厂房横剖面图。第三部分是水电站辅助设备系统选择设计，此次辅助设备的选择计算是对水电站的水系统、油系统、气系统的相关计算，保证机组安全、经济运行。
毕业设计是所学专业课知识的综合运用。通过设计来了解水电站基本知识和主要的基础设备。解决在做设计过程遇到的问题，培养学生综合运用所学知识和技能去分析和解决本专业范围内的工程技术问题，建立正确的设计思想，掌握水电站设计的基本程序和方法，使学生在工程实践具有应用专业技术解决工程实际问题的能力。
第一部分： 水力机组选型设计和调节保证计算
1水轮机的选型设计
1.1水轮机选型设计概述
水轮机的选型计算是根据水电站设计部门提供的原始参数，选择合理的水轮机的型号和计算水轮机的各项参数。是水电站设计中一项重要的工作，它直接关系到水电站机组能否长期稳定运行、投资多少。根据水电站的开发方式，动能参数、水工建筑物等，并结合制造厂的生产水平，拟出若干个方案进行综合比较，最终选择最佳的型号。 1.2水轮机选型设计的任务
（1）确定电站装机台数及单机功率 （2）选择机组类型及模型转轮型号 （3）确定机组的装置方式
（4）确定转轮直径、额定转速、飞逸转速
（5）计算所有运行水头和功率下水轮机的效率和吸出高度值，绘制水轮机运转综合特性曲线。
（6）轴向水推力的计算 （7）计算水轮机的品质 1.3水轮机选型的原则
（1）所选水轮机要具有较高的能量特性。不仅要选择额定工况下m ax η较高的水轮机转轮型号，而且还要根据水轮机的工作特性曲线，即N)f （=η及H)f （=η曲线，
选择平均效率η最高的水轮机型号，使水轮机在负荷和水头变化的情况下具有最高的平均运行效率。
（2）所选水轮机不仅要具有良好的空蚀性能，还要有较好的工作稳定性能，运行要灵活、平稳、安全和可靠。
（3）所选水轮机的尺寸应较小，结构要合理、先进，便于运输、安装、运行及检修。
（4）转轮选择比较时，应尽可能选用s n 较高的水轮机，这样转速较高，相应的机组尺寸就小，并且使所选的水轮机经常在最优区运行。选择转轮参数时应该使11n 值稍高于011n ，而且11Q 值应接近于max 11Q 值。 1.4水轮机选型设计的条件及主要参数
最大水头H max =178.3m 最小水头H min =144.6m 加权平均水头H pj =165.5m 额定水头H r =167.0m 总装机容量N =80MW 海拔高程
=395.5 m
坝后式地面厂房，采用单机饮水方式，电站离负荷中心较远，在系统中担任基荷。
1.5水轮机台数及型号的选择 1.5.1确定水轮机台数及单机功率
根据Z P P g pl ?=，其中pl P 为每台机组的额定功率，g P 为总装机容量，Z 为机组台数。选择情况如表1-1。
表1-1水轮机台数及单机功率
1.5.2选择机型及模型转轮
根据水轮机的类型及使用水头范围表，如图表1-2。
表1-2 大中型水轮机的类型及使用水头范围表
比转速： s n =2000/20Hr -
=135.7 m.kW
比较结果：选择混流式水轮机。
查阅《水轮机》附表1，选择水轮机型号HL160/D46，其模型转轮主要参数如表1-3。
表1-3 模型转轮主要参数
1.6初选工况点A
r
pj 10
r 1H H n n ，
，=
式中：10n ， —模型的最优单位转速
计算结果得：r 1n ， =67.2r/min
在模型转轮综合特性曲线上作1r n ，的水平线交5%功率限制线于A 点，A 点即为初选设计工况点，见图1-1。A 点的单位流量即为初选设计工况点下的单位流量。
11 n
11n 11r
图1-1模型转轮综合特性曲线
1.7转轮直径1D 的确定 1.7.1 水轮机的额定出力
F
F
N N η=
式中：N —水轮机额定功率，kW ；
F N —发电机额定功率；
F η—发电机功率,一般可取0.96或0.98,本次设计取96.0F =η。
1.7.2 转轮直径1D
η
2
31r 1H Q 81.9N D =
式中：N —水轮机额定功率，kW ； 1r Q —真机单位流量，m 3/s ；
η—水轮机的效率，由初设工况点A 的mA η加上修正值得到
%3~1mA mA ）（+=?+=ηηηη，
本次设计取η?=3%，m A η由HL160/D46模型综合特性曲线上A 点读出得
m A η=89.5%，计算结果如表1-4。
表1-4各种机组台数下的转轮直径
1.8额定转速的确定 额定转速n:
1
pj 110
D H n n =
式中: 110n —设计单位转速, r/min ； pj H — 加权平均水头, pj H =165.5m ； 1D —真机的转轮直径, m 。 计算结果如表1-5所示。
表1-5 额定转速n 的计算结果
查《水轮机》水轮发电机额定转速系列表，每个型号选择两个标准额定转速，
选取结果见表1-6。
表1-6 水轮发电机标准额定转速
1.9 效率及单位参数的修正 1.9.1 效率换算及其修正值η?
真机的效率修正：
321ηηηη?±?±?=?
参照相应规范，2η?=-0.01，3η?=0.01
η?=ηmax.t -ηmax.m
式中：ηmax.t ——真机的最优工况效率；
ηmax.m —模型机的最优工况效率，由中小型混流式水轮机模型运转主要参
数表查阅得ηmax.m
=91.6%。
51t
1m
max.m max.t D D 11）
（ηη--= 式中： D 1m 为模型转轮直径，D 1m 为40cm ；
D 1为真机的转轮直径。
1.9.2 单位参数的修正值1n ?及1Q ?
11111111''''''''t m m t m m n n n n Q Q Q Q ?=-=?=-=
10'?m n 式中:模型机最优工况下的单位转速。
上述修正值可在最优工况点进行选取，其他工况点采用等值修正处理。当，
%3Q Q
%3n n m
11m 11
1.10 核对所选择的真机转轮直径1D 1.10.1 确定水轮机的真实工况点B
实际水轮机的转速：
r
1
1tr H D n
n =
11,11,11
mr tr n n n =-?
式中：11n ?—单位转速修正值，取11n ?为0
B 点在mr n ，水平线上，在其上查找点），（，1m m Q η，计算功率1t N ，并作辅助 曲线）（1t 1t Q N =，即：
11,11,11,119.819.81()()
ti ti ti mi mi N Q Q Q ηηη==+?+?
而23
r 2
1t 1H D N
N =，在辅助曲线上有一个与m r 1Q ，之对应，从而得到11.tr mr 1Q Q Q ?-=，，将m r 1Q ，的值返回到模型综合特性曲线图上与m r 1n ，线相交于
B 点，即为真实工况点。
各种方案计算结果如下： 两台机组：
(1)HL160/D40：转轮直径D 1=1.9m ，转速428.6/min n r =
r/min 631679
.16.428H D n n r 11tr =?== 2
3232
3
r
2
1t 1167
9.1107.41H D N
N ??=
=
=5.13kW
表1-8 辅助曲线）（1t 1t Q f N =计算数据表
N/kW 543
图1-2 辅助曲线）（1t 1t Q f N =
(2)HL160/D40：转轮直径D 1=1.9m ，转速n=500r/min
r/min 5.731679
.1500H D n n r 11tr =?== 2
3232
3
r
2
1t 1167
9.1107.41H D N
N ??=
=
=5.13kW
表1-9 辅助曲线）（1t 1t Q f N =计算数据表
Q 11t
m/s
N/kW 543
0.20.30.40.5
图1-3 辅助曲线）（1t 1t Q f N =
三台机组：
(1)HL160/D40：转轮直径D 1=1.5m ，转速n=500r/min
r/min 581675
.1500H D n n r 11tr =?== 2
3232
3
r
2
1t 1167
5.1107.41H D N
N ??=
=
=5.72kW
表1-11 辅助曲线）（1t 1t Q f N =计算数据表
N/kW 543
图1-3 辅助曲线）（1t 1t Q f N =
(2)HL160/D40：转轮直径D 1=1.5m ，转速n=600r/min
r/min 6.691675
.1600H D n n r 11tr =?== 2
3232
3
r
2
1t 1167
5.1107.41H D N N ??=
=
=5.72kW
表1-12 辅助曲线）（
Q 11t
m/s
N/kW 543
0.20.30.40.5
3图1-4 辅助曲线）（1t 1t Q f N =
四台机组：
(1)HL160/D40：转轮直径D 1=1.3m ，转速n=600r/min
r/min 3.601673
.1600H D n n r 11tr =?== 2
3232
3
r
2
1t 1167
3.1107.41H D N N ??=
=
=5.71kW
表1.13 辅助曲线）（1t 1t Q f N =计算数据表
11t
N/kW 543
3图1-5辅助曲线）（1t 1t Q f N =
(2)HL160/D40：转轮直径D 1=1.3m ，转速n=750r/min
r/min 4.751673
.1750H D n n r 11tr =?== 2
3232
3
r
2
1t 1167
3.1107.41H D N N ??=
=
=5.71kW
表1-14 辅助曲线）（1t 1t Q f N =计算数据表
Q 11t
m/s
N/kW 543
0.2
0.30.40.5
图1-6辅助曲线）（1t 1t Q f N =
综上图所得真是工况点B 如表1-15
表1-15各转速下真是工况点B
1.10.2 工作范围的检查
最大水头max H 下，对应一个1min n ；最小水头下min H 下，对应一个1max n 。这2条直线之间应包含主要综合特性曲线的优效率区；同时，B 点应在最优工况点的附近，则可认为所选择的1D 和n 是合理的、正确的，否则应重新选择1D 和n 的值。
最大水头max H =178.3m ，max
11min H D n
n =
最小水头min H =144.6m ，min
1
1max
H D n
n ； 下面分别求出各种方法下的1min n 和1max n 大小，计算结果见表1-16。
1min 1max 机组台数
转轮直径1
D （cm ）
转速n
(/min)r
1min n (/min)r
1max n
(/min)r
2 1.9
428.6
60.9 67.7 500 71.1 79 3 1.5
500
56.2 62.4 600 67.4 74.8 4 1.3
600
58.4 64.8 750
68.1
81.1
各方案的工作范围及真实工况点B 如下图所示：
图1-7 D 1=1.9m ，额定转速=428.6r/min 图1-8 D 1=1.9m ，额定转速=500r/min
图1-9 D1=1.5m，额定转速=500/min 图1-10 D1=1.5m，额定转速
=600r/min
图1-11 D1=1.3m，额定转速=600r/min 图1-12 D1=1.3m,额定转速=750r/min 综上各种方案的工作范围和真实工况点B的检查，可得选用HL160/D40，转轮直径D1=1.9m，额定转速n=428.6r/min。
1.11 确定水轮机导叶的最大可能开度
ok
a
在模型机和真机保持几何相似时，有：
00
0max0max
00
()
m
m
m
D Z
a a mm
D Z
，
式中：D0，D0m—分别为真机，模型机的导叶分布直径；
Z0，Z0m—分别为真机，模型机的导叶数；查阅《水轮机》表8-1得Z0=16，由中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表得Z0m =20；
omax
a—B点的模型开度值，查阅HL160/D46模型转轮综合特性曲线得a0max=29.6mm；
计算结果得：a0max=176mm。
因此，导叶的最大可能开度：
ok
a=1.05 a0max
= 184mm
1.12计算水轮机额定流量r Q
r Q 的计算公式：
r
t r H 81.9N
Q η=
式中：N —水轮机的轴功率，kW ； r H —设计水头，m ；
t η—设计工况点B 的真机效率，t η =0.914； 计算结果得：r Q =27.8m 3/s 。 1.13确定水轮机的允许吸出高度s H
计算时可选择min H 、r H 、max H 等若干水头分别计算s H ，从中选择一个最小值作为允许吸出高度，本次设计计算min H ，max H 下的s H ，选择最小值作为水轮机的允许吸出高度。
水轮机允许吸出高度Hs 按下式计算：
H 900/10H s ）（σσ?+-?-=
式中： ?—水电站水轮机安装海拔高度，?=395.5m
σ—各对应水头下的工况点的空蚀系数；由《水轮机》查得，在HL160/D40模型转轮综合特性曲线上
)Q n 1m
1m
，（所对应的σ值； σ?—空蚀系数的修正值；由《水轮机》图3-7查的σ?=0.02。
在进行各水头的工况点空蚀系数查找时，需作辅助曲线）（1t 1t Q f N =，为此列表计算，结果见表2-17并得出各水头下的辅助曲线图1-13和图1-14。且在各水头
下，23
r 2
1t 1H D N
N =为已知，从辅助曲线上即可找到该水头下发出的额定功率的工况点，从而得出其空蚀系数。
表1-17各水头下的辅助曲线