混流式水轮机设计

课程设计说明书设计题目：水轮机选型学生姓名：学号：班级：完成日期：指导教师（签字）：44一、课程设计的目的和任务1、目的：通过水轮机的课程设计，将各种水轮机的性能参数整理并绘制成不同形式的曲线，它是与水轮机课程教学相辅助的一个理论学习的环节，也是课程教学中一个必不可少的环节。

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；此外，通过课程设计更进一步掌握造型、设计、参数等程序内容，提高了学生查阅资料和动手实践的能力。

2、课程设计的任务：通过所给的原始资料，根据要求明确水轮机的基本工作参数（包括水头H、流量Q、转速n、效率 、出力P、吸出高度H S、转轮直径D、水轮机型号、机组台数、装置方式等），整理并绘制成不同形式的曲线，即获得水轮机的特性曲线图。

二、电站基本参数（1）电站总装机容量： 900 MW（2）电站装机台数： 6台（3）电机容量： 150 MW（4）下游尾水位：▽80m（5）水轮机工作水头：最大工作水头(Hmax)： 81.5m最小工作水头(Hmin)： 45.5m设计工作水头(Hd)： 63.5m加全平均工作水头(Hw)： 57.8m(6) 机组运行特点：调峰（7）电站水质良好三、水轮机的简介水轮机是一种将河流中蕴藏的水能转换成旋转机械能的原动机，当水流流过水轮机时，通过主轴带动发电机，将旋转机械能转换成电能。

与发电机连接成的整体称为水轮发电机组，它是水电站的主要设备部分。

水电站是借助水工建筑物和机电设备将水能转换成为电能的企业，在未来，水能资源的开发和利用将成为资源开发利用的主导能源，所以，水轮机的设计开发对我国水能资源的开发起到很大的推进作用。

水轮机大致分为两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机；反击式水轮机：转轮利用水流的压力能和动能做工的水轮机称为反击式水轮机。

其特征是：压力水流充满水轮机的整个流道，水流流经转轮叶片时，受叶片的作用面改变压力、流速的大小和方向，同时水流在转轮叶片正反面产生压力差，对转轮产生反作用力，形成旋转力矩使转轮旋转。

2018年2月机电技术混流式水轮机全流道模型CFD分析与研究*张慧珍（四川水利职业技术学院电力工程系，四川成都611231）摘要：为了在设计水轮机时，能够判断机组的内部流场分布规律，校核设计方案的合理性，以某小型混流式水轮机为设计案例，采用相似性原则完成了机组的结构设计和全流道流场模型的建立，并通过CFD分析得到了机组额定工况下的速度压力分布规律。

良好的水力特性结果表明，该机组的设计方案比较合理，性能达到了预期的目的；也说明采用CFD 技术对于水轮机的设计而言，是一种行之有效的方法。

关键词：混流式水轮机；全流道模型；CFD分析；相似性原则中图分类号：TV734.1；TP391.9文献标识码：A文章编号：1672-4801（2018）01-014-02DOI:10.19508/ki.1672-4801.2018.01.005小型混流式水轮机在设计中，其内部流场的水力特性，直接影响机组的效率、汽蚀以及发电稳定性[1]。

因此，如何确保混流式水轮机的内部水流顺畅，是设计中必须考虑的关键问题。

从目前的研究现状来看，验证机组流态特性最有效的方式是在机组投入生产前，先制作一个小型的模型机组，并在试验台开展模型试验[2]。

然而，该方法却存在着一个问题，即试验的费用较为昂贵，尤其是涉及到PIV试验，成本会进一步增加。

对于小型混流式水轮机而言，从经济性方面来考虑，模型试验并不适用。

对混流式水轮机全流道进行CFD分析，是一种行之有效的方法：通过计算机仿真，可以提前判断机组的流态特性，并根据结果作进一步的优化和改进，以达到确保机组性能的目标。

由于该方法成本较低，所以在小型混流式水轮机的设计中，适用性较为广泛。

鉴于此，本文在对于某小型混流式水轮机的设计中，对其全流道进行CFD分析，判断其水力特性等参数，从而达到验证设计合理性的目的。

1水轮机的设计及流道模型的构建本文对某电站的小型混流式水轮机进行设计和流态性能预测。

在设计中，先选择与该电站条件相似的电站机组作为参考。

小型混流式水轮机转轮优化设计及数值模拟张洪渠，余波，陈柱(西华大学能源与环境学院，四川I成都610039)摘要：针对某小型混流式水轮发机电组长期受到转轮流道堵塞、出力受阻闻题，提出在基本不改变水轮机原性能参数的条件下．以加大叶片开121为优化目标的转轮流道优化方案，并对优化后的水轮机转轮流道进行数值模拟。

数值模拟及现场运行表明了该转轮优化设计方案的正确性。

关键词：水轮机；转轮；优化设计；数值模拟；水电站O pt i m i z at i on D瞄i和and N um eri cal Si m ul a t i on of Sm a l l Fra nci s T ur bi ne R unn erZ hang H on gqu，Y u B o，C he n Z h u(School of E n er g y a nd E nvi ronm e nt，X i hua U ni ve r s i t y，Che ngdu Si chuan610039)A bs t r a ct：The r u nne r of Fr an ci s t ur bi ne i n a sm al l hydropew er s t at i on i s of t e n bl oc ke d by debr i s．For sol vi ng t he pr obl em，t he r u nne r i s r e des i gne d t o i ncr ease bl a de op e ni ng under t he con di t i on of n o c h a ng e t he basi c per f or m ance and pa r am et er s of t u r bi ne．T h e r u nne r opt i m i zat i on i s als o nu m er i ca l l ysi m ul at ed．T he si m ul at i on a nd f ield oper at i on s ho w s t hat t he r u nne r r e desi g n i sr eas onable．K e y W ords：t ur bi ne；runne r,opt i m a l des i gn；num er i c al si m ul at i on；hydr opow e r s t at i on中图分类号：TK730．2文献标识码：A文章编号：0559-9342(2010)08-0065-03四川I某水电站安装有3台单机容量为1600kW 的卧式混流式水轮发电机组，电站额定水头91．4m，水轮机型号为H L l60娟U--60，单机额定流量2．3m3／s。

第一章 水轮发机主要参数设计第1节 水轮机台数及型号选择一.已知参数1．水库正常蓄水位：1684米；最低水位1678米；最高水位1686米； 2．尾水位最高尾水位1520米；正常尾水位1509米 ； 3．水头最大水头：174米；加权平均水头；167米；最小水头147米；二.水轮机型式的选择1.按我国水轮机型谱推荐的设计水头与比转速的关系()kW m Hr N s ·8.1382065.1582000202000=-=-=2.水轮机型式的选择水轮机类型及其适用水头范围、比转速范围见表1—1[1]表1—1 水轮机类型及其适用范围根据已知参数，本电站水轮机运行水头范围为：147m —174m ，比转速为：138.8（m·kW ）。

根据表1—1所列参数决定选用混流式水轮机。

三.电站装置方式的确定水轮机装置方式是指水轮机轴的装置方向和机组的连接方式。

水轮机轴的装置分为立式和卧式两种。

立式装置方式安装、拆卸方便，轴与轴承受力情况良好，发电机安装位置较高，不易受潮，管理维护方便，但是开挖量较大。

卧式装置方式不会产生很大的集中荷重，厂房的高度较低，但轴与轴承受力情况不好。

为了缩小厂房面积，高水头大中型电站一般采用立轴布置方式。

该电站最大水头为174m ，故采用立式布置方式。

机组连接方式采用直接连接。

四.初选水轮机转轮型号根据本电站水头变化范围H=147m —174m 选择合适的水轮机转轮：A378、A194、D10、D126和D46,其参数见表1—2[7]。

表1—2 初选水轮机转轮参数表五.拟定机组台数并确定单机容量总装机容量N =65MW ，保证出力：N b =30MW ，年利用小时数：4560h ，取同步发电机效率ηg =97％；通过试算HLA194、HLD46出力不满足要求，最终确定选用HLA378、HLD10和HLD126三个方案。

方案列表如下：表1—3 水轮机组选型及台数汇总表第2节 各方案参数的计算一.HLA378各参数的计算1.计算转轮直径水轮机额定出力为：()kW 3350597.032500===ggr N P η 取最优单位转速n 110=69（r/min ）与出力限制线交点的单位流量为设计工况点的单位流量Q 110=0.72(m 3/s)，对应的模型效率ηm =0.888，暂取效率修正值Δη=2％,则设计工况下原型机效率η=ηm +Δη=0.888+0.02=0.908。

水轮机原理及构造1、概述混流式水轮机工作原理：水流经压力钢管在开启蝶阀后进入蜗壳形成封闭的环流〔形成环流是为了使水流作用转轮时，使转轮各方向受力均匀，到达机组稳定运行的目的〕，在导叶开启后，水流径向进入转轮又轴向流出转轮〔所以称之为混流式水轮机〕，在这个过程中由水流和水轮机的相互作用，水流能量传给水轮机，水轮机开始旋转作功。

水轮机带动直流励磁的同步发电机转子旋转后，根据电磁感应原理〔问题〕，在三相定子绕阻中便感应出交流电势，带上外负荷后便输出电流。

注：电磁感应闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就产生感应电流，这种现象叫做电磁感应，产生的电流叫做感应电流。

①产生感应电流的必要条件是：a、电路要闭合；b、闭合电路中一部分导体做切割磁感线运动，缺一不可；假设是闭合电路的一部分导体，但不做切割磁感线运动则无感应电流，假设导体做切割磁感线运动但电路不闭合，导体上仍无感应电流则导体两端有感应电压。

②感应电流的方向跟磁场方向和导体切割磁感线运动方向有关三者互相垂直，改变磁场方向或改变导体切割磁感线方向都会改变感应电流的方向。

③在电磁感应现象中机械能转化为电能。

应用：发电机是根据电磁感应原理制成的，它使人们大规模获得电能成为现实。

①交流发电机主要由转子和定子两部分组成，另外还有滑环、电刷等。

②交流电的周期与频率周期和频率是用来表示交流电特点的两个物理量，周期是指交流发电机中线圈转动一周所用的时间，所以单位是“秒”；频率是指每秒钟内线圈转动的周数，它的单位是“赫”。

我国使用的交流电周期为0.02秒，频率是50赫，其意义是发电机线圈转一周用时0.02秒，即1秒内线圈转50周，因为线圈每转一周电流方向改变两次，所以，频率为50赫的交流电在1秒钟内方向改变100次。

2、水轮机的主要类型：水轮机基本类型有：还击式冲击式还击式：混流式〔HL〕、东风：HLA722C-LJ-192HL混流式水轮机设计序号为A722C为L立轴J金属蜗壳192转轮直径为192cm轴流式〔ZL〕：轴流转桨式〔ZZ〕轴流定桨式〔ZD〕、斜流式〔XL〕、贯流式〔GL〕：贯流转桨式〔GZ〕贯流定桨式〔GD〕特点：将位能〔势能〕、动能转换为压能，进行工作；转轮完全淹没在密闭的水体中。

混流式水轮机的设计与选型方法混流式水轮机是一种常见的水轮机类型，广泛应用于水力发电站等场合。

它具有结构简单、效率高、运行稳定等优点，因此在项目建设中选用适合的混流式水轮机对电力的发电效率和运行安全性有重要的影响。

本文将介绍混流式水轮机的设计与选型方法。

一、混流式水轮机的基本结构与工作原理混流式水轮机由转轮、导叶、固定叶片、导水管等组成。

水从导水管中进入转轮的内部，经过导叶的引导后，进入转轮的混流通道，水的能量转化为转动转轮的动能，从而带动发电机发电。

二、混流式水轮机的设计要点1. 水轮机的转速根据水轮机的设计要求和实际工况，确定合适的转速是设计混流式水轮机的重要一步。

通常，转速的选择应该遵循以下原则：（1）保证水轮机的效率；（2）保证水轮机的运行平稳；（3）避免共振和临界转速。

2. 水轮机的喷口直径水轮机的喷口直径直接影响水轮机的水量和功率输出。

选择适当的喷口直径可保证水轮机高效率的运行。

喷口直径的选择需要考虑以下因素：（1）水头；（2）水轮机的效率；（3）水轮机的装置空间限制。

3. 水轮机的导叶角度导叶角度的选择直接影响水轮机的出力特性。

合适的导叶角度可使水轮机在不同负荷下保持高效率的运行。

导叶角度的选择需要考虑以下因素：（1）水轮机的设计工况；（2）水轮机的负荷变化范围。

4. 混流式水轮机的转轮形状混流式水轮机的转轮形状对水轮机的效率和运行特性有重要影响。

适当选择合适的转轮形状，可使水轮机的效率得到最大化。

转轮形状的选择需要考虑以下因素：（1）水流进入转轮的速度；（2）水轮机的出力转速。

5. 水轮机的材料选择水轮机常用的材料有钢、铸铁、不锈钢等。

在选择材料时，需要考虑以下因素：（1）水质的腐蚀性；（2）水流速度对材料的冲击力；（3）材料的成本。

三、混流式水轮机的选型方法混流式水轮机的选型需要考虑以下因素：1. 水头和水量根据水力资源的水头和水量确定所需的装机容量，再根据实际情况选择合适的混流式水轮机。

/trade/pay_success.htm?biz_order_id=213979720000462&out_trade_no=T200P213979720000462&dealing=T第一节混流式水轮机结构一、概述混流式水轮机是反击式水轮机的一种，其应用水头范围很广，从20~700m水头均可使用。

它结构简单，制造安装方便，运行可靠，且有较高的效率和较低的空蚀系数。

现以图2-1所示的混流式水轮机为例来介绍这种水轮机结构。

水轮机的进水部件是具有钢板里衬的蜗壳，座环支柱也称固定导叶1，在转轮四周布置着导水机构导叶2。

座环支柱具有坚固的上环a和下环b，蜗壳和上下环焊接在一起。

导叶轴颈用衬套（钢或尼龙材料）支承在底环3和固定于顶盖4的套筒5上。

底环固定于座环的下环上面。

顶盖用螺钉6与座环的上环连接。

导水的传动机构是由安置在导水叶上轴颈的转臂12，连杆13和控制环14组成。

导叶的开度0a（从导叶出口边端到相邻导叶背部的最短距离）的改变是通过导水机构的两个接力器16和控制环连接的推拉杆15传动控制环来实现的。

图2-1 HL200-LJ-550水轮机剖面图（高度单位：m，尺寸单位：mm）1—固定导叶；2—导叶；3—底环；4—顶盖；5—套筒；6—螺钉；7—主轴法兰；8—主轴；9—上冠；10—下环；11—叶片；12—转臂；13—连杆；14—控制环；15—推拉杆；16—接力器；17—导轴承；18—泄水锥；a19,b19—上，下迷宫环；a—坐环上环；b—坐环下环；20—连接螺栓由于混流式水轮机应用水头较高，导叶承受的弯曲载荷大，因此导叶的相对高度0b与轴流式水轮机比较起来做得短一些，以减小跨度。

此外，随着水头增高，相同功率下水轮机的过流量减小，这样有可能减小流道的过流载面。

0b一般随水头增加而减小。

导叶和水轮机顶盖4及底环3之间的间隙及相邻导叶在关机时的接合面都会有漏水现象。

一般采用橡胶的或金属制成的密封件，可使导水机构关闭时的漏水量最小。