水轮机毕业设计说明书Word格式文档下载.doc
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6.4水轮机转轮的设计…………………………………………………60
6.5导水机构设计………………………………………………………62
6.6水轮机导轴承结构设计……………………………………………66
6.7水轮机的辅助装置…………………………………………………69
7金属蜗壳强度计算……………………………………………71
7.1金属蜗壳受力分析…………………………………………………71
7.2蜗壳强度计算………………………………………………………72
7.3计算程序及结果…………………………………………………74
8结论……………………………………………………………………78
总结与体会……………………………………………………………79
谢辞………………………………………………………………………79
参考文献………………………………………………………………80
摘要
本次毕业设计是根据东风水电站的水力参数和具体要求,确定了水轮机机型及型号(HL220/A153-LJ-180)。
通过选型计算以及相应的运行工况分析,绘制出水轮机运转综合特性曲线。
在满足选型设计要求后进行导水机构运动图的绘制,接着进行了水轮机的结构设计,包括水轮机蜗壳水力设计,尾水管设计并绘制出了蜗壳、尾水管水力单线图、水轮机总剖面图及导叶加工图,最后进行了蜗壳的强度计算。
关键词:
水轮机;
选型设计;
结构设计;
水力设计;
强度计算
Abstract
ThemainprocessofthisgraduationprojectisbasedonthehydraulicparameterandspecificrequestoftheDongFenghydropowerstation,selectsthehydraulicturbinetypeandthemodel(HL220/A153-LJ-180).Throughthetypeselectiondesigncalculationaswellasthecorrespondingoperatingsituationanalysis,designerdrawstheoperatingcombinedcharacteristiccurveofhydraulicturbineandcarriesoutthecorrespondingfeasibilityanalysisabouttheselectedrunner.Aftermeetingtherequestofthetypeselectiondesign,designergoesonguidemechanismmotiondiagramandthestructurehydraulicturbinedesign,includingthehydraulicdesignofthecasinganddesignofthedrafttube,thendrawstheirhydrauliclinechart,thehydraulicturbine’sgrosssectionaldrawingandtheguideblade’sworkingdrawing.Thefinaltaskofthedesignisthestrengthcalculationofthecasing.
Keywords:
hydraulicturbine;
typeselectiondesign;
structuredesign;
hydraulicdesign;
intensitycalculation
1前言
水轮机是水电站的重要设备之一,它是靠自然界水能进行工作的动力机械与其他动力机械相比,它具有效率高、成本低、环境卫生等显著特点。
另外,水轮机的好坏直接影响到水电站的能量转换效率,在水轮机生产制造前,我们必须首先根据给定电站的水力条件对水轮机进行选型设计、对其零件进行结构分析以及对部分零部件进行强度计算及校核等。
鉴于此,作为我们以后在水轮机制造厂或水电站工作的热能与动力工程专业的学生,也就必须熟练掌握水轮机的设计思想、设计方法以及设计步骤,所以在学习各种专业课程后开始本次毕业设计。
毕业设计是本科教学计划中最后一个综合性、创造性的教学实践环节,是对学生在校期间所学基础理论、专业知识和实践技能的全面总结,是对学生综合能力和素质的全面检验,也是教学、工程实践的重要结合点。
它主要是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,掌握水轮机设计的一般程序和方法,使学生在进行了工程实践能力的综合训练后,在今后的工作岗位上具有应用专业技术解决工程实际问题的能力。
本次毕业设计从水轮机的基本工作原理出发,系统地、较为全面地进行了水轮机的选型设计、水轮机的结构设计、水轮机部分部件的强度计算及校核等。
设计分为六部分:
第一部分:
水轮机的选型设计;
第二部分:
导水机构运动图的绘制;
第三部分:
蜗壳的水力设计;
第四部分:
尾水管设计;
第五部分:
水轮机机构设计;
第六部分:
金属蜗壳强度计算。
在设计过程中,着重阐述了水轮机选型设计的具体方法及方案选择、导水机构运动图的绘制和蜗壳的水力设计三部分。
2东风水电站的水轮机选型设计
2.1水轮机的选型设计概述
水轮机的选型设计是水电站设计中的一项重要任务,其计算结果直接关系到水电站的机组能否长期运行、投资的多少、经济效益的高低。
它是根据水电站设计部门提供的原始资料及参数,选择合理的水轮机型号和计算水轮机的各种性能参数。
一般情况下,先根据水电站的类型、动能计算以及水工建筑物的布置等初选若干个方案,然后进行技术经济比较,再根据水轮机的生产情况和制造水平,最后确定最佳的水轮机型号及尺寸。
2.2水轮机选型的任务
水轮机选型的主要任务如下:
(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)调节保证计算(本设计不要求)
(8)辅助设备的选择
(9)计算水轮机的外形尺寸,估算重量及其价格
上述内容为水电站水轮机初步设计的一部分,水电站初步设计还包括水轮机的通流部件的设计、如蜗壳、座环、导水机构、尾水管等的初步计算及初步绘制水轮机剖面图等。
2.3水轮机选型的原则
水轮机选型设计计算是水电站设计中的一项重要任务,其计算结果对水电站的投资、建设速度和发电量以及水电站的经济效益都有很大的影响。
水轮机的选型并不是简单地查阅产品目录,从现代水轮机的选型设计计算来看,它是一门系统工程学,要在电站水能资源综合利用、制造、运输、安装、土建电力用户、运行方式等诸多技术经济因素中寻求最佳方案。
水轮机选型设计的一般原则如下:
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,即及曲线,选择平均效率最高的水轮机型号,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
值稍高于,而且值应接近于值。
2.4水轮机选型设计的条件及主要参数
水轮机的选型是根据水电站设计部门提供的原始资料和数据,选择合适的水轮机型号和计算水轮机的性能参数
工作水头:
电站装机容量:
电站海拔高程:
电站引用流量:
该电站远离负荷中心,具有季调节水库,在系统中担任基荷;
2.5确定电站装机台数及单机功率
2.5.1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,还影响到电厂建设的投资等。
因此,确定机组的台数时,必须考虑以下有关因素,并进行充分的技术经济论证。
(1)机组台数对工程建设费用的影响
机组台数多少直接影响单机容量的大小,单机容量不同时,机组的单位千瓦造价不同,一般情况下,小机组的单位千瓦造价高于大机组。
一方面,小机组的单位千瓦金属消耗高于大机组;
另外,单位重量的加工费也较大。
除主要机电设备外,机组台数的增加,要求增加配套设备的台数,主副厂房的平面尺寸也需增加,因此,在同样的装机容量下,水电站的土建工程及动力厂房成本也随机组数的增加而增加。
(2)机组台数对电厂运行维护的影响
机组台数较少时,其优点是运行方式灵活,发生事故时对电站及所在系统的影响较小,检修也容易安排。
但台数较多时,运行人员增加,运行用的材料、消耗品增加,因而运行费用较高。
同时,较多的设备与较频繁的开停机会使整个电站的事故发生率上升。
(3)机组台数对设备制造、运输及安装的影响
机组台数增加时,水轮机和发电机的单机容量减小,则机组的尺寸小,制造、运输及现场安装都较容易。
反之,台数减少则机组尺寸增大,机组的制造、运输和安装的难度也相应增大。
因此,最大单机容量的选择要考虑制造厂家的加工水平及设备的运输、安装条件。
此外,从发电机转子的机械强度方面考虑,发电机转子的直径必须限制在转子最大线速度的允许值之内,机组的最大容量有时也会因此受到限制。
(4)机组台数对电力系统的影响
对于占电力系统容量比重较大的水电厂及大型机组,发生事故时对电力系统的影响较大,考虑到电力系统中备用容量的设置及电力系统的安全性,在确定台数时,单机容量不应大于系统的备用容量,即使在容量较小的电网中,单机容量也不宜超过系统容量的1/3。
(5)机组台数对电厂主接线的影响
由于水电厂水轮发电机组常采用扩大单元主接线方式,故机组台数多采用偶数。
同时为了运行方式的机动灵活及保证机组检修时的厂用电可靠,一般都装两台以上机组。
以上与机组台数有关的因素,许多是相互关系又相互矛盾的,在选择时应针对主要因素,进行综合技术经济比较,选择出合理的机组台数。
综合本次的设计条件,所选的机组台数为两台。
即:
Z=2。
2.5.2确定机组的单机容量(功率)
确定出电站的机组台数后,就可以求单机容量。
单机容量:
Z电站的装机台数,Z=2。
计算得:
。
2.6选择机组类型及模型转轮型号
根据水电站的实际情况正确的选择水轮机的型式是水轮机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,才能选择出最合适的机型。
2.6.1各类水轮机的适用范围
大中型水轮机的类型及使用的水头范围如表2.1所示。
表2.1大中型水轮机的类型及使用水头范围表
水轮机型式
适用水头范围
(m)
比转速范围
(m.kw)
能量转换方式
水流方式
反击式
贯流式
<
20
斜流式
40180
混流式
30700
50300
轴流式
380
在进行水轮机选择时,若同一水头段有多种机型可供选择时,则需要认真分析各类水轮机的特性并进行技术经济比较以确定最适合机型。
不同类型的水轮机具有不同的使用范围与特点,根据本次设计的水头特征,可初步确定机型为HL或者XL式。
两类水轮机的特点可概括如下:
2.6.2HL和XL式水轮机各自的特点
HL式水轮机的特点是水流径向流入转轮,大致轴向流出。
转轮由叶片、上冠和下环组成,叶片数较多,强度高,比转速范围广,适用水头范围广,适用水头为30700m;
结构简单,价格低,是目前使用最为广泛的一种水轮机。
XL式水轮机的特点是转轮可以转动,能够适应水头在较大幅度上的变化,机组效率曲线变化平缓。
由于斜流式转轮叶片分布在一个直径较大的圆球上,所以允许布置比轴流式更多的叶片数及其转动机构,因而提高了转桨式水轮机是水头使用范围。
一帮认为水头由50m到150m是它的发展范围。
由于叶片是倾斜安放的,一般为,因此叶片的转动机构不在同一平面内。
轴流式转轮在运行中会略有轴向(主要是向下)移动,而在斜流式水轮机中这些轴向位移必须加以限制,以免叶片和转轮相接触。
为此,设有主轴下沉的监视保护装置。
斜流式水轮机最大的单机出力已达215MW,是苏联为其捷亚电站生产的。
该机转轮直径为6.6m,设计水头78.5m。
日本新日向川水电站安装的斜流式机组,水头达113.4m,是目前应用水头最高的斜流式水轮机。
斜流式水轮机虽具有许多优点,但由于结构、制造工艺、成本及运行经验等方面的原因,不如混流式、轴流式和贯流式水轮机应用广泛。
目前以苏、日和瑞典等国家制造较多。
综上所述,结合本次的设计条件:
该电站离负荷中心较远,有季节性调节水库,在系统中担任基荷。
经分析比较后,最终确定所选水轮机机型为:
HL式水轮机。
2.6.3选择水轮机的转轮型号
水轮机型号的选择主要是根据水电站的特征水头,特别是其最大水头选择的。
通常情况下,水轮机型号是根据水轮机的型谱性能参数进行选择的;
若在交界的水头范围,也就是某一水头范围有2种及其以上的转轮型号可选择时,就需要进行综合分析比较后才能选出最佳的转轮型号。
根据本次设计的特征水头:
,,由[1]中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表,可确定本次设计所选水轮机的型号为:
HL260/A244,其对应的相关模型转轮参数如表2.2所示。
表2.2HL260/A244模型转轮主要参数表
转轮
型号
推荐使
用水头
H(m)
模型转
轮直径
(cm)
流道尺寸
最优工况
(r/min)
(/s)
(%)
HL240/
D41
70105
35
0.25
14
1.16
24
77
0.95
92.0
0.09
HL220/
A153
90125
46
0.225
71
0.955
91.5
0.07
0.075
2.7初选设计(额定)工况点
水轮机的选型设计工况点是指水轮机在额定水头下发额定出力时的工况点,即(,)。
2.7.1选择设计单位转速
式中:
模型的最优单位转速。
计算结果如表2.3所示。
表2.3设计单位转速计算结果
水轮机型号
HL240/D41
HL220/A153
(r/min)
78.09
72.00
2.7.2确定额定工况下的单位流量
在模型转轮综合特性曲线上作的水平线交5%功率限制线于A点,A点即为初选设计工况点,见图2.1。
A点的单位流量即为初选设计工况点下的单位流量,计算结果如表2.4所示。
图2.1初选设计工况点
表2.4额定工况下的单位流量计算结果
(/s)
1.12
1.075
2.8确定转轮直径
2.8.1水轮机的额定出力
水轮机额定功率,KW;
发电机额定功率,;
发电机功率,一般可取0.96或0.98,本次设计取。
。
2.8.2转轮直径
转轮直径,m;
,/s。
为水轮机的效率,由初设工况点A的加上修正值得到
另外,也可根据水轮机的型号近似的取值,即HL水轮机=0.890.90,ZZ水轮机=0.850.87。
由于本次设计为HL水轮机,所以本次设计取=0.90,计算结果如表2.5所示。
表2.5转轮直径的计算结果
(cm)
165.11
168.53
查《水力机械及工程设计》书15页表1.3转轮公称直径尺寸系列表,结果如表2.6所示。
表2.6转轮公称直径
160和180
2.9确定额定转速n
额定转速n:
式中:
设计单位转速,;
加权平均水头,=89.47m;
真机的转轮直径,m。
计算结果如表2.7所示。
表2.7额定转速n的计算结果
n(r/min)
455.21
419.74
由[2]查水轮发电机额定转速系列表,每个型号有两个标准额定转速可以选择,选取结果见表2.8。
表2.8水轮发电机标准额定转速
428.6和500
375和428.6
2.10效率及单位参数的修正
2.10.1效率修正
真机的效率修正:
2.10.2单位参数的修正值及
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,时,单位参数可不予修正。
最终计算结果见表2.9。
表2.9效率及单位参数的修正
转轮直径(cm)
效率修正值
单位参数修正值
是否修正
HL240
/D41
2.1%
0.87
1.13%
10.78
否
2.23%
0.93
1.21%
11.44
1.20%
HL220
/A153
1.88%
0.73
1.03%
9.76
1.02%
2.03%
0.78
1.10%
10.54
2.11核对所选择的真机转轮直径
2.11.1确定水轮机的真实工况点B
实际水轮机的转速:
B点在水平线上,在其上查找点,计算功率,并作辅助曲线,即:
而,在辅助曲线上有一个与之对应,从而得到,将的值返回到模型综合特性曲线图上与线相交于B点,即为真实工况点。
各种方案计算结果如下:
(1)HL240/D41:
转轮直径,转速
表2.10辅助曲线计算数据表
0.82
0.83
0.84
0.85
0.86
0.88
0.841
0.851
0.861
0.871
0.881
0.891
0.901
1.245
1.223
1.198
1.170
1.146
1.121
0.991
10.27
10.21
10.12
10.00
9.90
9.80
8.76
图2.2辅助曲线
(2)HL240/D41:
表2.11辅助曲线计算数据表
1.256
1.233
1.213
1.194
1.173
1.156
1.128
10.36
10.29
10.25
10.20
10.14
10.10
9.97
图2.3辅助曲线
(3)HL240/
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