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
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。
2.5.2机组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。
表2 不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域
2.5.3机组台数与电气主接线的关系
对采用扩大单元的电气主接线方式，机组台数为偶数为利。但由于大型机组主变压器受容量限制，采用单元接线方式，机组台数的奇、偶数就无所谓了。
上述各种因素互相影响，遵循上述原则，并且该水电站装机容量为20万kW，由于2.2万kW＜20万kW＜25万kW，该水电站为中型水电站，并担任系统调峰、调相及少量的事故备用容量，同时兼向周边地区供电。
综上所述，确定机组台数选择的原则：对大中型水电站，一般选择6—10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。
第三章水轮机主要参数的选择与计算
根据水头的变化：最小工作水头192.1m 到最大工作水头220m 。 同时： .7r/min 11920205
200020-2000n s =-=
=
H
在水轮机系列型谱表查出合适的机型中选取HL120(7×600MW),HL110(10×420MW)和HL160(7×600MW)三种类型水轮机。现将这三种水轮机作为初选方案，分别求出其有关参数，并进行比较分析。
3.1计算水轮机基本参数
方案一 HL160(7×600MW) 3.1.1计算转轮直径1D 水轮机额定功率 kW P P g
g
r 61855797
.0600000
==
=
η 去最优单位转速.5r/min 67n 110= 与功率限制线交点的单位流量为额定工况的单位流量，则
s Q /m 8.603r 11=对应的模型效率895.0=M η。去效率修正值%3=?η，则额定工况原型水轮机效率
915.003.0895.0=+=?+=ηηηM P 。水轮机转轮直径1D 为
m H Q P D r r r
88.5915
.020568.081.9618557
81.92
/32/3111=???=
=
η
按我国规定的转轮直径系列，且转轮直径取小了不能保证在额定水头下发出额定功率，取大了，不经济且无必要。根据单机功率和转轮直径，该水轮机属大型机组，故取1D =6m 。
3.1.2计算水轮机效率η
已知：m D M 46.01=；91.00=M η
46.906
6
.40)1.901(1)1(155
1100=--=--=P M M P D D ηη 36.001.9046.9000=-=-=?M P ηηη
额定工况原型水轮机的效率为
31.9036.0095.80=+=?+=ηηηM 3.1.3水轮机转速的计算与选择
min /.21636
.5
210.5671w 110r D H n n =?==
式中 1111M 110n n n ?+=
03.0020.0191
.0946.01n n 0011M 11<=-=-=?M P ηη 符合，不需修正 （1）检验水轮机实际工作范围的校核
发电机同步转速的计算公式为 p
3000
n =
n 为发电机同步转速，r/min ；p 为发电机磁极对数。 磁极对数
3000/163.2=18.38， 则磁极对数取18、20。
分别求出min r w max H H H H 、、、下对应的单位转速，如表3所示： 表3 各水头对应单位计算表
检查两方案，在模型综合特性曲线图上，第一种方案包含高效率去，且原则上取相近偏大值。所以确定取第一种方案。
（2）水轮机计算点出力的校核 计算r H 时的出力：
r P H >?=????==kw 106.5631.902058.6061.89Q 9.81D P 5.512.51r 112
1
η
符合要求
3.1.4计算水轮机额定流量s H
s /.5m 35020568.6032r 21r 11r =??==H D Q Q
3.1.5计算最大允许吸出高度s H
在额定工况下，模型水轮机的空化系数65.00=M σ。根据几个装有HL160转轮的电站调查，认为HL160转轮的电站空化系数P σ应大于0.1为好，故空蚀安全系数取K=1.6。 E=2241.5m .8m 13-20565.00.61-900
.52241-10-900-
10r s =??==H K E H M σ
3.1.6实际的水轮机额定水头 因不同的D 1、ｎ与水能预算Hr 有差异
.1m 19731.908.6061.896185571.893
/22
3
/21121r r =??
?
?????=???
? ??=ηQ D P H
3.1.7计算水轮机实际额定流量r Q
s /.7m 343.119768.6032r 21r 11r =??==H D Q Q
式中Hr 采用上述（五）中的计算结果。 3.1.8计算飞逸转速R n
由HL160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
为，故水轮机的飞逸转速m in /r 117n 11=R
min /r 3146
220
127n n 1
max 11=?
==D H R
R 3.1.9计算轴向水推力t F
根据表4，HL160的转轮轴向水推力系数6.20~0.20K t =，转轮直径较小、止漏环间隙较大时取大值。本电站转轮直径较大，但水中有一定含沙量，止漏环间隙应适当大一些，故取03.20K t =。水轮机转轮轴向水推力为
表4 混流式水轮机的轴向水推力系数表
N H D 72max 21t
t 10487.2122064
0.6803.2098104
9810K F ?=???
?==
3.1.10同理，方案二和方案三的数据也可通过同样的方法和过程查资料计算得出，三种方案所得数据如表5所示：
表5 三种方案数据表格
3.1.11确定机组方案
根据上面列举出来的三种方案数据分析，第三种方案出力比额定小，且实际额定水头比最高水头大，故首先排除。第一二种方案中，第一种方案效率比第二种高，且第一种方案转速比第二种的高，则其发电机尺寸小，重量轻，一方面可以减少设备的造价，另一方面有利于减小厂房的平面尺寸，降低厂房的土建投资。第一种方案的出力也比第二种大。综上所述，最佳方案为第一种方案。
第四章水轮机运转特性曲线的绘制
4.1等效率曲线的计算与绘制
现取水电站4个水头，列表计算，计算结果如表6所示。
绘制的等效率线详见设计图纸。
表6 HL160型水轮机等效率曲线计算表
4.2等吸出高度线的绘制
（1）求出各水头下的11n 值，并在相应的模型综合特性曲线上查出11n 水平线与各等气蚀系数σ线的所有交点坐标，读出M η、11Q 、σ的值，并由此计算出η、P ，填入表7中
（2）利用公式H K E
H M s σσ--
=900
10计算出相应于上述各σ的s H 值，填入表7中。 计算结果如表7所示，绘制的等吸出高度线详见设计图纸。 表7 HL160型水轮机等吸出高曲线计算表
第五章 蜗壳设计
5.1蜗壳型式选择
由于本水电站水头高度范围为192.1—220m ，所以采用金属蜗壳。 5.2主要参数
蜗壳进口断面的计算
金属蜗壳的进口断面型式一般都作成圆形，为钢板制作。(蜗壳是沿座环圆周焊接在上下碟形边上，由于过流量的减小，蜗壳断面也随之减小，为使小断面能和碟形边相接，在某一包角后均采用椭圆断面)
蜗壳进口断面平均速度,根据《水轮机原理与运行》公式（6-5）得9 s H v /m 25.19.1197.650r 0=?==α
蜗壳的进口流量
s Q Q /.2m 334.7343360
3503603
o
o r o o
o =?==? o ?为蜗壳包角，对于金属蜗壳一般取o o 360345—，式中取o 350
蜗壳的进口断面面积 2017.63625
.192
.334m v Q F O O ===
进口断面的半径