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：900 MW
电站装机台数：5 台
水轮机安装高程：580 m
H：320 m
最大工作水头
max
H：250 m
最小工作水头
min
H：290 m
设计工作水头
r
H：301 m
加权平均工作水头
a
目录
第一章水轮机的选型设计 (3)
1已知参数 (3)
2 水轮机型号选择 (3)
第三章蜗壳设计 (8)
1蜗壳形式，断面形状和包角的确定 (8)
2座环尺寸的确定 (8)
3蜗壳参数计算 (8)
4进口断面量 (8)
第四章尾水管设计 (10)
1尾水管高度 (10)
2进口直锥段 (10)
3肘管型式 (10)
4水平长度 (10)
第一章 水轮机的选型设计
1已知参数
电站总装机容量：900 MW
电站装机台数：5台
水轮机安装高程：580 m
最大工作水头max H ：320 m s n
最小工作水头min H ：250 m
设计工作水头r H ：290 m
加权平均工作水头a H ：301 m
2 水轮机型号选择
水轮机的比转速为：
m H n s 4.97202902000
202000
=-=-=
查表满足4.97=s n 且满足m H m 320250≤≤的水轮机型号为HL90
3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 180000
1836730.98G
g
P P KW η=== 取最优单位转速()m Q r 311270.0=，对应模型效率0.878M η=,取效率
修正系数3%η?=，则设计工况原型效率0.908m ηηη=+?=
故水轮机转轮直径为
:
1 4.5D m ==
取标准值1 4.5D m =
（2)效率η的计算
max 01(10.95m ηη=--=
效率修正值max 00.950.9170.023r m ηηη?=-=-=
限制工况原型水轮机的效率为：
0.8760.0290.911m ηηη=+?=+=
（3）1D 的校核计算
用0.911η=对原先计算的1D 进行校核
1 4.44D m ==
故转轮直径以1D =3.5m 为宜
（4）转速n 的计算
min 62110r n =
1
239.04min n r ==
介于n=214.3r/min 与n=250r/min 之间
取水轮机的转速n=250r/min
4水轮机设计流量r Q 的计算
3112 1.52 1.511836730.219.819.810.911 4.5290r
r r P
Q m s D H η===??
?
21110.21 4.572.4r r Q Q D ==?=
5几何吸出高度s H 的计算
为使水轮机尽量不发生空化，取min H ，r H ，max H 三个水头分别计算
水轮机允许的吸出高度，以其中最小值作为允许最大吸出高度。
（1）计算min H ，r H ，max H 所对应的单位转速11n
max H
：11min 62.9min n r ===
r H
：1163.2/min r n r ===
min H
：11max 71.2min n r ===
（2）确定各水头所对应的出力限制工况点的单位流量11Q
min H :取11max 71.2min n r =与出力限制线交点处的流量，
311max 0.248Q m s =
r H ：1163.2min r n r =，s m Q r 311265.0=
max H ：11min 62.9min n r =，311min 0.27Q m s =
（3）用（1），（2）中计算的对应工况点从模型综合特征曲线上
分别查出min H ，r H ，max H 所对应的模型空化系数分别为0.03
0.025,0.035
（4）计算min H ，r H ，max H 对应的吸出高度
H K E
H m s σσ--=90010
当250≥H 时1=σK
min H :580
1010.03250 1.8900s H m =--??=
r H ：580
1010.025290 2.07900s H m =--??=
max H ：580
1010.0353200.91900s H m =--??=-
从3个吸出高度计算值中取最小值-0.91m,再留一定的余量，取最大 吸出高度
6飞逸转速s n 的计算
由HL90水轮机的模型飞逸特征曲线查得在最大导叶开度下（240=a ） 单位飞逸转速1198min R n r =，故水轮机的飞逸转速为
11198389min 4.5R n n r ==?=
m H s 1-=
7转轮轴向水推力t F 的计算
HL90转轮轴向水推力系数1.0=t K
2
261max 981098100.1 4.532051044t t F K D H N π
π
==????=?
8.检验水轮机的工作范围
设计工况的单位流量
3112 1.52 1.511836730.219.819.810.911 4.5290r
r r P Q m s D H η===??
?：
当n=250r/min
max H
:11min 62.9min n r ===
r H
：1163.2/min r n r ===
min H
：11max 71.2min
n r ===
当n=214.3r/min
max H
:11min 53.9min n r ===
r H
:1155.6/min
r n r ===
min H
:11max 61/min
n r ===
第二章 水轮机运转特性曲线的绘制
1. 等效率曲线的计算
见附表1
2. 机组出力限制线的计算
以H min 所对应的点为A ，以Hr 所对应的点为B ，则A （P A ,H min ）B （P B ，H r ）。其分别对应出力限制点A 和出力限制点B 。用直线直接连接A 点，B 点即为原型水轮机的出力限制线
290r H =，228777r P =
min 250H =，min 171369
P =
3.等吸出高度线的计算
等吸出高度表达水轮机在各运行工况的最大允许吸出高度。等线是模型综合特性曲线的等σ线换算而求得的。计算与绘制等线的步骤如下：
（1） 计算各水头相应转速，在模型综合特性曲线上过各作水平线与各等σ线相交，记下
各点的σ、M η、Q 11值。
（2） 根据吸出高度计算公式=10-▽/ 900-计算各点的，并计算各点的出力P 。
（3） 根据各工况点的，P 绘出各水头下的=f(P)曲线。
（4） 在=f(P)曲线上取某的值（例=-0.35m ）作水平线与各=f(P)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，即得某的等高度吸出线
见附表2
第三章 蜗壳设计
1蜗壳形式，断面形状和包角的确定
由于本站应用水头为250~320。故采用焊接金属蜗壳，蜗壳断面为圆形， 当蜗壳尾部用圆断面不能和座环蝶形边相连是。采用椭圆形断面，包角 为345°
2座环尺寸的确定
采用带蝶形边座环，其锥角为55°
a D -取1.64m
b D -
去1.37m 1D =4.5m ∴m D a 74.5=m D b 795.4=1.0=k
2.872A a D r ==, 2.452B b D r ==
3蜗壳参数计算
蜗壳包角?=3450?
4进口断面量
30034572.469.4360360r Q Q m φ??===??
由m H r 290= 取K=0.6m ，蜗壳进口断面的平均流速s m H K v r 2.102906.00=?== 进口断面面积22000069.4 6.810.2
Q V m v πρ==== 0ρ（进口断面直径）=1.4m 导叶高度m b 6.00=
进口断面中心距00 4.65a R m =+= 010.10.752b h D m =+=,m k D R a 47.32
0=+= 进口断面外径00 5.05R a m ρ=+= 分界断面半径0.75 1.31cos cos55h S m α=
==?
由进口断面求蜗壳系数C 和蜗壳常数K
1568.2 C===
49.5
720
QC
K
π
==
(1)圆断面计算：
i
x
C
?
=
i
ρ=
i
a r x
=+
i i i
R aρ
=+
见附表3
(2)椭圆断面（
ρ
>
s）
椭圆短半径
L
L
A345
.1
81
.0
045
.12
2
-
+
=
ρ
等同圆面积
α
πρtan
2
2d
A+
=
)
sin
1
/
2
cot
(2
α
?
α
?
ρ+
+
=
C
R
C
i
a
i
a a
d r R
=-
椭圆断面上半径
α
ρ
ρ
ρcot
2
2
1
-
+
=L
sin
h
L
α
=
椭圆断面中心距
2
22
.1ρ
+
=
a
R
a
椭圆断面外径
1
ρ
+
=a
R
见附表4
第四章 尾水管设计
1尾水管高度
12.3 2.2 4.5=10.35h D m ==?
2进口直锥段
进口直锥管是以垂直的圆锥形扩散管为直锥管的进口直径。 可近似取转轮出口直径，即321 4.5D D D m ===，进口 锥管的单边锥角β对混流式水轮机可取β=11°
3肘管型式
512.4 2.4 4.5=10.91B D m ==?
411.2 1.2 4.5=5.4D D m ==?
411.2 1.2 4.5=5.4h D m ==?
111.62 1.62 4.5=7.29L D m ==?
511.27 1.27 4.5=5.715h D m ==?
4水平长度
水平长度14.520.25L D m ==
取：倾角α=12° B=2.71D =12.15m
b=0.1B=1.215,
R=4b=4.86
r=0.2b=0.243
1l 1.4=6.3D ≥