目 录
第一节 设计题目及基本资料………………………1
第二节 机组台数与单机容量的选择………………1
第三节 水轮机型…………………………………2
第四节 水轮机运转特性曲线的绘制………………7
第五节 蜗壳设计…………………………………9
第六节 尾水管设计………………………………11
第七节 调速设备与油压装置的选择……………13
总 结……………………………………………15
参考资料……………………………………………15 第一节 设计题目及基本资料 1.1课程设计的目的
课程设计的目的，是培养学生运用本课程及相关课程基本理论和技术解决实际问题，进一步解决提高运算、绘图和使用技术资料的能力，通过具体工程实例设计提高设计观念和分析解决工程问题的能力。 1.2设计题目
大江水电站水轮机选型设计 1.3基本资料
大江水电站，最大净水头Hmax=35.87m, 最小净水头Hmin=24.72m, 设计水头Hr=28.5m,电站总装机容量 =68000kw，尾水处海拔高程为24.0m，要求吸出高度Hs>-4m。 1.4设计内容
水轮机是水电站中最主要的动力设备之一，它关系到水电站助工程投资、安全运行、动能指标及经济效益等重大问题，正确的进行水轮机选择是水电站设计中的主要任务之一。本次设计的内容有：
（1）确定机组台数和单机容量。 （2）确定水轮机的型号与装置方式。 （3）确定水轮机的转轮直径与转速。 （4）确定水轮机的吸出高度与安装高程。 （5）绘制水轮机运转特性曲线。
（6）确定蜗壳、尾水管的形式与尺寸。 （7）选择调速器与油压装置。
第二节 机组台数和单机容量的确定
根据我国水电站运行实际证明，中小型水电站机组台数宜选用2~4台，但根据该水电站装机容量大小和制造厂供给机组的可能性确定，建议选择4台机组。
所以该水电站单机容量N为17000kw。
第三节 水轮机选型 2.1初选机型
根据该水电站的水头变化范围，在机组系列型谱表中查得合适的机型有HL240和ZZ440两种， HL240型水轮机的适应水头范围为25~45m，ZZ440型水轮机的适应水头范围为20~36m，而且在中小型水电站中轴流式水轮机和直径大于1.0的混流式水轮机一般采用立轴式机组。所以现将这两种水轮机作为初选方案，分别计算出相关参数，并进行比较分析： 1 HL240型水轮机方案的主要参数选择 a 转轮直径D 的计算
HL240型水轮机在限制工况下的单位流量Q′1M=1.24 m3/s,效率η=91％
由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量Q′1= Q′1M=1.24 m3/s，效率η=91％，上述Q′1，η和Nr=17000/0.96=17708 kw，Hr=28.5 m 选用与之接近而偏大的标称直径D1=3.3 m
b 转速n的计算
HL240水轮机在最优工况下单位转速n′10m=72 r/min，初步假定n′10=n′10m，代入式 选用与之接近而偏大的同步转速n=125 r/min。
c 出力校核
当D1=3.3m，Hr =28.5m，n=125 r/min，n1’=77.27 r/min时
在n′1=77.27 r/min，Q′1 =1.24 m3/s时，从水轮机HL240型模型转轮综合特性曲线上得 =0.902，所以水轮机的效率为 =0.902+0.008=0.91
水轮机出力N=9.81 Q′1D21Hr =9.81×1.24×3.3×3.3×28.5× ×0.91=18341kw
若选用D1=3m时，水轮机出力不能达到额定出力，故选用3.3m，并有出力裕量1341kw。
d 检查运行区域的效率 当Hmax =35.87m时， 当Hmin =24.72m时，
正好在最高效率区，可见附图。
e 吸出高度的计算
由水轮机的设计工况参数，n’1r=72 r/min，Q’1max=1.24m3/s。在水轮机HL240模型特性曲线上查得相应的气蚀系数 =0.2，并在《水电站》P49Hr～Δ 曲线上查得Δ =0.042，由此可求出水轮机的吸出高度为
2 ZZ440型水轮机方案的主要参数选择
a 转轮直径D 的计算
ZZ440型水轮机在限制工况下的单位流量Q′1M=1.650 m3/s ,最优工况的n′10=115 r/min 根据本水电站的具体条件Hs>-4m，则允许的气蚀系数值为
= Δ = -0.042=0.490-0.042=0.448
式中Δ 值由Hr=28.5查图3-9得
当计算工况点 =0.448，n′10 =115r/min时在ZZ440模型综合特性曲线上选取Q′1= 1.2 m3/s =0.864,则水轮机效率假定值 =0.885
当 N=17708kw，Hr=28.5m时，水轮机转轮直径为D1= =3.24m 故选用标准转轮直径D1=3.3m
b 效率修正值的计算
由表4-4续表知，ZZ440型轴流转桨式水轮机D1M=0.46m,Hm=3.5m则在不同叶片转角时的最大效率为
max=1-(1- Mmax)(0.3+0.7 )=1-(1- Mmax)(0.3+0.7 )=0.36+0.64 Mmax
取工艺质量的效率修正值为1%，则每个叶片转角效率修正的计算结果如下表 表1 ZZ440型水轮机效率修正值计算表
c 计算转速n
叶片转角在最优工况（ =0°）时模型效率为最高，且由上表得 Mmax=0.888, max=0.925 则 = -1=2.1%
故单位转速不需修正，n’1=n’10=115 r/min
= =186 r/min
采用与其接近的同步转速187.5 r/min，磁极对数p=16 e 校核水轮机的额定出力
当D1=3.3m，Hr=28.5m,n=187.5 r/min,则n1’= = =115.9 r/min
n1‘=115.9r/min， =0.449在模型综合特性曲线上差的计算点的Q′1=1.2m3/s，
叶片转角 =+8°， =0.863，其效率修正值 有内插法得2.03%，则原型水轮机计算点的效率为 = + =0.863+0.0203=0.883 将上述各值代入下式得
N=9.81 Q′1Hr D1’ =9.81×1.2×28.53/2×3.32×0.883=17223kw 水轮机出力接近额定出力，基本满足要求。 f 检验运行区域的效率
因单位转速不进行修正，所以n′1=n′1m 当Hmax =35.87m时， 当Hmin =24.72m时，
与Q′1=1.2m3/s组成的四边形在ZZ440模型转轮综合特性曲线高效率曲的偏右方（见附图），则说明转速选择偏高。
g 水轮机吸出高度的计算
当Hr=28.5m, Q′1=1.2m3/s，n1‘=115.9r/min时， =0.449，则此时水轮机的吸出高度为 满足电站设计要求。
通过比较,两种水轮机型号的直径相同,均为3.3m. 从模型图中可以看到，HL240型的包含的高效率范围要大于ZZ440型的水轮机，运行效率较高，气蚀系数较小 ，吸出高度较高，有利于减少土建的开挖工程量，ZZ440型水轮机的机组转速大，有利于减少发电机尺寸，降低
发电机组的造价，但水轮机本身造价很高！综合以上原因，决定选取HL240型水轮机为最优方案！
第四节 水轮机运转特性曲线的绘制
3.1 基本资料和数据
水轮机牌号HL240-LH-330
水头 最大水头Hmax=35.87m, 最小水头Hmin=24.72m, 设计水头Hr=28.5m 额定转速 n=125 r/min 水轮机额定出力 N=17708kw 发电机额定出力 Ng=17000kw 水轮机的海拔高程 =24.0m
HL240式水轮机模型特性曲线见附图二
3.2绘制水轮机的工作特性曲线 1) 效率修正计算：
水头H
考虑原模型水轮机的工艺质量，取修正值 2=2.5%，得效率修正值 Δ = max- - 2=0.94-0.91-0.025=0.05=0.5%
则原型水轮机最高效率为 max= +Δ =0.91+0.05=0.915
2）单位转速修正：
= -1=1.003-1=0.003=0.3%
所以单位转速不需要修正，即n′1=n′1m
3）在水头范围内（24.72~35.87），取4个水头，即Hmax=35.87m，H=31m，Hr=28.5m，Hmin=24.72m
4)列表计算见下表，即水轮机等效率曲线计算表 表2
水轮机等效率曲线计算表
H=28.5
N= 16238Q1’
H=24.72
N=13140 Q1’
ηM 87 88 89
Q1’ N ηM 0.835 87.5 16782 87 0.87 88.5 17685 88 0.908 89.5 18666 89
Q1’ N η Q1’ N η Q1’ N 0.845 87.5 13665 86 0.849 86.5 11925 85 0.931 85.5 10459.51 0.88 88.5 14394 87 0.891 87.5 12660 86 0.98 86.5 11138.78 0.93 89.5 15383 88 0.925 88.5 13293 87 1.025 87.5 11784.94
H=35.87
N=22969 Q1’ H=31
N= 18482Q1’
90 0.94 90.5 19540 90 0.968 90.5 16191 89 0.975 89.5 14170 88 1.062 88.5 12349.89 91 0.975 91.5 20491 91 1.017 91.5 17199 90 1.018 90.5 14960 89 1.091 89.5 12830.49 91 1.148 91.5 24127 91 1.218 91.5 20598 91 1.069 91.5 15883 90 1.15 90.5 13675.46
90 1.2 89 88 87
1.23 1.27 1.3
90.5 24944 90 1.245 90.5 20824 91 1.223 91.5 18171 90 1.238 90.5 14721.92 89.5 25285 89 88.5 25816 88 87.5 26127 87
1.27 89.5 21008 90 1.259 90.5 18501 89 1.27 89.5 14935.58
1.3 88.5 21264 89 1.281 89.5 18617 88 1.321 88.5 15361.78 1.325 87.5 21428 88 1.318 88.5 18940 87 1.339 87.5 15395.15 87 1.337 87.5 18996
5%出力限制线上的点
5)按表计算结果，绘制各种水头下的工作特性曲线，即η=f(n)，见图1
3.3绘制等效率曲线
作ηmax=f(H)曲线，见图2，求出某一等效率曲线的最小水头。 3.4绘制等吸出高度曲线
1）按表3分别计算各水头的吸出高度：
吸出高度的计算公式为 Hs=10- ，式中气蚀系数修正值 由Hr=28.5m查的 =0.042。
88.8 1.24 89.3 25434 90.2 1.24 90.7 20786 91 1.24 91 18323 90 1.246 90.2 1309.795
2）利用表2计算结果，作每个水头下的N=f(Q1’)辅助曲线。图3是每个水头下N=f(Q1’)曲线。将各Q1’值的出力从图3中查出来后填于表3中。 表3
等吸出高度计算表 H
n
σ 0.21 0.2 0.2 0.21 0.21 0.2 0.2 0.21
Q 0.832 0.95 1.291 1.326 0.868 0.965 1.278 1.323
N
13331.9 15714.3 21044.8 21296.7 13860.6 15801.9 20998.2 21444.1
0.252 0.242 0.242 0.252 0.252 0.242 0.242 0.252
（ ）H 7.812 7.502 7.502 7.812 7.182 6.897 6.897 7.182
Hs 1.98 2.298 2.298 1.98 2.626 2.919 2.919 2.626
31 74.1
28.5 77.3
3）按表3绘制出Hs=f(N)曲线，见图4。 4）绘制等吸出高度Hs曲线：
在图4Hs=f(N)曲线上，作Hs为常数的水平线，与Hs=f(N)曲线各交点的H、N值画在等效率曲线图上，把各Hs相等的点连接成光滑曲线，即为等吸出高度线。
5）绘制机组出力限制线
当水头在设计水头以上时，出力受发电机限制，由水轮机额定出力N=17000kw做一条垂直线，即为发电机出力限制线。当水头小于设计水头时，根据表2计算结果，将出力限制线上的Hr=28.5m和Hmin=24.72m对应的N值标在运转特性曲线上，连成一条斜线，即为水轮机出力限制线。 第五节 蜗壳设计 5.1 蜗壳水力计算
已知该大江水电站的混流式水轮机外径Da=5.0m，内径Db=4.3m，座环高度bo=1.24m，转轮直径D1=3.3m，设计水头Hr=28.5m，设计流量QT=72.09 m3/s。
1) 断面形状及包角的选择。根据电站布置要求，蜗壳断面形状采用平顶梯形， =1.7，δ2=15°，包角φ0=210°。
2) 进口断面面积及尺寸。进口断面流速V1=ac =0.823 =4.39 m/s，进口断面流量Qo=QT φ0/360=42.05 m3/s，进口断面面积F1=Qo/ V1=9.58 m2 根据几何关系，进口断面面积应满足下式： F1=ab- m12tgδ2 /2 +(ra-rb) bo，且b/a=1.7
解得上式得：a1=2.50 m b1=4.25 m m1= b1-bo=3.01m
3) 中间断面尺寸。顶角d的变化规律采用抛物线轨迹，则k2=a1/ =1.441 进口断面最大半径R1= ra+ a1=5 m (座环内半径rb=2.15，外半径ra=2.5) （1）在R1与ra之间设不同的Ri，求出ai与mi，计算见表4
Ri 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 备注
ai
2.5
2
1.5 1
0.5 0.1
mi 3.01 1.9 1.1 0.48
(2) 求积分Si= dr，列表计算见表5
ai=Ri-ra
mi=（ai/ k2）2
（3）各断面的流量Q及其位置 的计算：蜗壳常数K=Qo/S1=42.05/2.6=16.2，Q =KSi， =360 Q /QT，列表计算如表6
编号 1 2
3 4 5 6
R 5 4.5 4 3.5 3 2.5
S 2.6 1.82 1.2 0.74 0.42 0.19
Q 42.12 29.484 19.44 11.988 6.804 3.078
210 147 97.1 59.9 34 15.4
（4）绘制蜗壳平面图。根据R~ 关系，每隔30°查出相应半径R，列表如表7，并据此绘制蜗壳平面图。
善顶板的受力条件，可在进口段加设中墩，支墩末端距机组中心线一般不小于1.3D1。
第六节 尾水管设计 4.2尾水管的水力计算
（1）尾水管形式的选择
本设计中尾水管型式采用弯曲尾水管型。 （2）尺寸的确定
由水电站设计手册第一卷水力机械HL240的转轮流道尺寸图。 1）进口直锥段：采用D3=D2=1.078 3.3=3.56m ，HL240取单边扩散角
2）弯管段：因为Hp=28.5m
表8 混凝土推荐的尾水管尺寸表
表9 混凝土标准肘管尺寸表
(6)由上述尺寸绘制尾水管平面剖面和单线图（见图）
第七节 调速设备的与油压装置选择 7.1调速器的计算 水轮机的调速功A为： A=(200 ~250)Q 其中
水轮机在工况点（Hmax=35.87m，Nr=17708kw），工作时的效率可由附图查得92.0%，所以得
Q= =54.7 m3/s，即A=（1.2~1.5） 105 Nm >30000 Nm
属大型调速器，则接力器调速柜和油压装置应分别进行计算和选择。
7.2接力器的选择
7.2.1接力器直径的计算
由已知条件判断,采用两个接力器来操作水轮机的导水机构，选用额定油压为2.5Mpa，则每个接力器的
已知 ，查得 ，b/D1=0.365 ds=0.029 3.3 =0.346m
选择与之接近而偏大的 m的标准接力器。 7.2.2接力器最大行程的计算
可由设计工况点（ ）在模型综合特性曲线上查得24.3，同时可得 =534mm， ，选用水轮机的 ， , 查得 26.4,则
当选用计算系数为1.6时，则 7.2.3接力器容量的计算 两个接力器的总容积
7.3调速器的选择
大型调速器的型号是以主配压阀的直径来表征的，主配压阀的直径 选 则：
由此在表中选择与之相邻而偏大的DT-100型电气压型调速器 7.4油压装置的选择
此处油压装置不考虑放空阀和进水阀的用油，则压力油罐的容积为 Vk=(18 ~20)VS=(18 ~20) 0.15=2.7 ~3.0 m2
由此在表中选择与之相邻而偏大的YZ-4型分离式油压装置。 说明：根据以上计算的出的调速设备的选择为 调速器型式选用DT-100型电气压型调速器 油压装置型号选择YZ-4型分离式油压装置 接力器选择ds=500mm的标准接力器。
总结
通过本次课程设计，深入了解水电站辅助设备的工作原理，并能够根据相关资料拟定合理的设计方案并完成了水轮机的选型，综合运转特性曲线的绘制以及蜗壳和尾水管的设计。这不仅加深了我的理论知识，还让我学到了一定的理论联系实际的设计思想及其他方面的知
识，如CAD绘图、word排版编辑等。我认为通过此类的课程设计有助于培养我们专业知识的分析能力和解决工程问题的能力，为我们今后走上工作岗位打下必要的方法和必要的基础。
参考资料
1.水轮机（专科适用） 河北水利专科学校 顾锡元 主编 2.水电站（专科适用） 浙江水利水电专科学校 刘启钊 长春水利电力高等专科学校 刘 申 合编
目 录
第一节 设计题目及基本资料………………………1
第二节 机组台数与单机容量的选择………………1
第三节 水轮机型…………………………………2
第四节 水轮机运转特性曲线的绘制………………7
第五节 蜗壳设计…………………………………9
第六节 尾水管设计………………………………11
第七节 调速设备与油压装置的选择……………13
总 结……………………………………………15
参考资料……………………………………………15 第一节 设计题目及基本资料 1.1课程设计的目的
课程设计的目的，是培养学生运用本课程及相关课程基本理论和技术解决实际问题，进一步解决提高运算、绘图和使用技术资料的能力，通过具体工程实例设计提高设计观念和分析解决工程问题的能力。 1.2设计题目
大江水电站水轮机选型设计 1.3基本资料
大江水电站，最大净水头Hmax=35.87m, 最小净水头Hmin=24.72m, 设计水头Hr=28.5m,电站总装机容量 =68000kw，尾水处海拔高程为24.0m，要求吸出高度Hs>-4m。 1.4设计内容
水轮机是水电站中最主要的动力设备之一，它关系到水电站助工程投资、安全运行、动能指标及经济效益等重大问题，正确的进行水轮机选择是水电站设计中的主要任务之一。本次设计的内容有：
（1）确定机组台数和单机容量。 （2）确定水轮机的型号与装置方式。 （3）确定水轮机的转轮直径与转速。 （4）确定水轮机的吸出高度与安装高程。 （5）绘制水轮机运转特性曲线。
（6）确定蜗壳、尾水管的形式与尺寸。 （7）选择调速器与油压装置。
第二节 机组台数和单机容量的确定
根据我国水电站运行实际证明，中小型水电站机组台数宜选用2~4台，但根据该水电站装机容量大小和制造厂供给机组的可能性确定，建议选择4台机组。
所以该水电站单机容量N为17000kw。
第三节 水轮机选型 2.1初选机型
根据该水电站的水头变化范围，在机组系列型谱表中查得合适的机型有HL240和ZZ440两种， HL240型水轮机的适应水头范围为25~45m，ZZ440型水轮机的适应水头范围为20~36m，而且在中小型水电站中轴流式水轮机和直径大于1.0的混流式水轮机一般采用立轴式机组。所以现将这两种水轮机作为初选方案，分别计算出相关参数，并进行比较分析： 1 HL240型水轮机方案的主要参数选择 a 转轮直径D 的计算
HL240型水轮机在限制工况下的单位流量Q′1M=1.24 m3/s,效率η=91％
由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量Q′1= Q′1M=1.24 m3/s，效率η=91％，上述Q′1，η和Nr=17000/0.96=17708 kw，Hr=28.5 m 选用与之接近而偏大的标称直径D1=3.3 m
b 转速n的计算
HL240水轮机在最优工况下单位转速n′10m=72 r/min，初步假定n′10=n′10m，代入式 选用与之接近而偏大的同步转速n=125 r/min。
c 出力校核
当D1=3.3m，Hr =28.5m，n=125 r/min，n1’=77.27 r/min时
在n′1=77.27 r/min，Q′1 =1.24 m3/s时，从水轮机HL240型模型转轮综合特性曲线上得 =0.902，所以水轮机的效率为 =0.902+0.008=0.91
水轮机出力N=9.81 Q′1D21Hr =9.81×1.24×3.3×3.3×28.5× ×0.91=18341kw
若选用D1=3m时，水轮机出力不能达到额定出力，故选用3.3m，并有出力裕量1341kw。
d 检查运行区域的效率 当Hmax =35.87m时， 当Hmin =24.72m时，
正好在最高效率区，可见附图。
e 吸出高度的计算
由水轮机的设计工况参数，n’1r=72 r/min，Q’1max=1.24m3/s。在水轮机HL240模型特性曲线上查得相应的气蚀系数 =0.2，并在《水电站》P49Hr～Δ 曲线上查得Δ =0.042，由此可求出水轮机的吸出高度为
2 ZZ440型水轮机方案的主要参数选择
a 转轮直径D 的计算
ZZ440型水轮机在限制工况下的单位流量Q′1M=1.650 m3/s ,最优工况的n′10=115 r/min 根据本水电站的具体条件Hs>-4m，则允许的气蚀系数值为
= Δ = -0.042=0.490-0.042=0.448
式中Δ 值由Hr=28.5查图3-9得
当计算工况点 =0.448，n′10 =115r/min时在ZZ440模型综合特性曲线上选取Q′1= 1.2 m3/s =0.864,则水轮机效率假定值 =0.885
当 N=17708kw，Hr=28.5m时，水轮机转轮直径为D1= =3.24m 故选用标准转轮直径D1=3.3m
b 效率修正值的计算
由表4-4续表知，ZZ440型轴流转桨式水轮机D1M=0.46m,Hm=3.5m则在不同叶片转角时的最大效率为
max=1-(1- Mmax)(0.3+0.7 )=1-(1- Mmax)(0.3+0.7 )=0.36+0.64 Mmax
取工艺质量的效率修正值为1%，则每个叶片转角效率修正的计算结果如下表 表1 ZZ440型水轮机效率修正值计算表
c 计算转速n
叶片转角在最优工况（ =0°）时模型效率为最高，且由上表得 Mmax=0.888, max=0.925 则 = -1=2.1%
故单位转速不需修正，n’1=n’10=115 r/min
= =186 r/min
采用与其接近的同步转速187.5 r/min，磁极对数p=16 e 校核水轮机的额定出力
当D1=3.3m，Hr=28.5m,n=187.5 r/min,则n1’= = =115.9 r/min
n1‘=115.9r/min， =0.449在模型综合特性曲线上差的计算点的Q′1=1.2m3/s，
叶片转角 =+8°， =0.863，其效率修正值 有内插法得2.03%，则原型水轮机计算点的效率为 = + =0.863+0.0203=0.883 将上述各值代入下式得
N=9.81 Q′1Hr D1’ =9.81×1.2×28.53/2×3.32×0.883=17223kw 水轮机出力接近额定出力，基本满足要求。 f 检验运行区域的效率
因单位转速不进行修正，所以n′1=n′1m 当Hmax =35.87m时， 当Hmin =24.72m时，
与Q′1=1.2m3/s组成的四边形在ZZ440模型转轮综合特性曲线高效率曲的偏右方（见附图），则说明转速选择偏高。
g 水轮机吸出高度的计算
当Hr=28.5m, Q′1=1.2m3/s，n1‘=115.9r/min时， =0.449，则此时水轮机的吸出高度为 满足电站设计要求。
通过比较,两种水轮机型号的直径相同,均为3.3m. 从模型图中可以看到，HL240型的包含的高效率范围要大于ZZ440型的水轮机，运行效率较高，气蚀系数较小 ，吸出高度较高，有利于减少土建的开挖工程量，ZZ440型水轮机的机组转速大，有利于减少发电机尺寸，降低
发电机组的造价，但水轮机本身造价很高！综合以上原因，决定选取HL240型水轮机为最优方案！
第四节 水轮机运转特性曲线的绘制
3.1 基本资料和数据
水轮机牌号HL240-LH-330
水头 最大水头Hmax=35.87m, 最小水头Hmin=24.72m, 设计水头Hr=28.5m 额定转速 n=125 r/min 水轮机额定出力 N=17708kw 发电机额定出力 Ng=17000kw 水轮机的海拔高程 =24.0m
HL240式水轮机模型特性曲线见附图二
3.2绘制水轮机的工作特性曲线 1) 效率修正计算：
水头H
考虑原模型水轮机的工艺质量，取修正值 2=2.5%，得效率修正值 Δ = max- - 2=0.94-0.91-0.025=0.05=0.5%
则原型水轮机最高效率为 max= +Δ =0.91+0.05=0.915
2）单位转速修正：
= -1=1.003-1=0.003=0.3%
所以单位转速不需要修正，即n′1=n′1m
3）在水头范围内（24.72~35.87），取4个水头，即Hmax=35.87m，H=31m，Hr=28.5m，Hmin=24.72m
4)列表计算见下表，即水轮机等效率曲线计算表 表2
水轮机等效率曲线计算表
H=28.5
N= 16238Q1’
H=24.72
N=13140 Q1’
ηM 87 88 89
Q1’ N ηM 0.835 87.5 16782 87 0.87 88.5 17685 88 0.908 89.5 18666 89
Q1’ N η Q1’ N η Q1’ N 0.845 87.5 13665 86 0.849 86.5 11925 85 0.931 85.5 10459.51 0.88 88.5 14394 87 0.891 87.5 12660 86 0.98 86.5 11138.78 0.93 89.5 15383 88 0.925 88.5 13293 87 1.025 87.5 11784.94
H=35.87
N=22969 Q1’ H=31
N= 18482Q1’
90 0.94 90.5 19540 90 0.968 90.5 16191 89 0.975 89.5 14170 88 1.062 88.5 12349.89 91 0.975 91.5 20491 91 1.017 91.5 17199 90 1.018 90.5 14960 89 1.091 89.5 12830.49 91 1.148 91.5 24127 91 1.218 91.5 20598 91 1.069 91.5 15883 90 1.15 90.5 13675.46
90 1.2 89 88 87
1.23 1.27 1.3
90.5 24944 90 1.245 90.5 20824 91 1.223 91.5 18171 90 1.238 90.5 14721.92 89.5 25285 89 88.5 25816 88 87.5 26127 87
1.27 89.5 21008 90 1.259 90.5 18501 89 1.27 89.5 14935.58
1.3 88.5 21264 89 1.281 89.5 18617 88 1.321 88.5 15361.78 1.325 87.5 21428 88 1.318 88.5 18940 87 1.339 87.5 15395.15 87 1.337 87.5 18996
5%出力限制线上的点
5)按表计算结果，绘制各种水头下的工作特性曲线，即η=f(n)，见图1
3.3绘制等效率曲线
作ηmax=f(H)曲线，见图2，求出某一等效率曲线的最小水头。 3.4绘制等吸出高度曲线
1）按表3分别计算各水头的吸出高度：
吸出高度的计算公式为 Hs=10- ，式中气蚀系数修正值 由Hr=28.5m查的 =0.042。
88.8 1.24 89.3 25434 90.2 1.24 90.7 20786 91 1.24 91 18323 90 1.246 90.2 1309.795
2）利用表2计算结果，作每个水头下的N=f(Q1’)辅助曲线。图3是每个水头下N=f(Q1’)曲线。将各Q1’值的出力从图3中查出来后填于表3中。 表3
等吸出高度计算表 H
n
σ 0.21 0.2 0.2 0.21 0.21 0.2 0.2 0.21
Q 0.832 0.95 1.291 1.326 0.868 0.965 1.278 1.323
N
13331.9 15714.3 21044.8 21296.7 13860.6 15801.9 20998.2 21444.1
0.252 0.242 0.242 0.252 0.252 0.242 0.242 0.252
（ ）H 7.812 7.502 7.502 7.812 7.182 6.897 6.897 7.182
Hs 1.98 2.298 2.298 1.98 2.626 2.919 2.919 2.626
31 74.1
28.5 77.3
3）按表3绘制出Hs=f(N)曲线，见图4。 4）绘制等吸出高度Hs曲线：
在图4Hs=f(N)曲线上，作Hs为常数的水平线，与Hs=f(N)曲线各交点的H、N值画在等效率曲线图上，把各Hs相等的点连接成光滑曲线，即为等吸出高度线。
5）绘制机组出力限制线
当水头在设计水头以上时，出力受发电机限制，由水轮机额定出力N=17000kw做一条垂直线，即为发电机出力限制线。当水头小于设计水头时，根据表2计算结果，将出力限制线上的Hr=28.5m和Hmin=24.72m对应的N值标在运转特性曲线上，连成一条斜线，即为水轮机出力限制线。 第五节 蜗壳设计 5.1 蜗壳水力计算
已知该大江水电站的混流式水轮机外径Da=5.0m，内径Db=4.3m，座环高度bo=1.24m，转轮直径D1=3.3m，设计水头Hr=28.5m，设计流量QT=72.09 m3/s。
1) 断面形状及包角的选择。根据电站布置要求，蜗壳断面形状采用平顶梯形， =1.7，δ2=15°，包角φ0=210°。
2) 进口断面面积及尺寸。进口断面流速V1=ac =0.823 =4.39 m/s，进口断面流量Qo=QT φ0/360=42.05 m3/s，进口断面面积F1=Qo/ V1=9.58 m2 根据几何关系，进口断面面积应满足下式： F1=ab- m12tgδ2 /2 +(ra-rb) bo，且b/a=1.7
解得上式得：a1=2.50 m b1=4.25 m m1= b1-bo=3.01m
3) 中间断面尺寸。顶角d的变化规律采用抛物线轨迹，则k2=a1/ =1.441 进口断面最大半径R1= ra+ a1=5 m (座环内半径rb=2.15，外半径ra=2.5) （1）在R1与ra之间设不同的Ri，求出ai与mi，计算见表4
Ri 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 备注
ai
2.5
2
1.5 1
0.5 0.1
mi 3.01 1.9 1.1 0.48
(2) 求积分Si= dr，列表计算见表5
ai=Ri-ra
mi=（ai/ k2）2
（3）各断面的流量Q及其位置 的计算：蜗壳常数K=Qo/S1=42.05/2.6=16.2，Q =KSi， =360 Q /QT，列表计算如表6
编号 1 2
3 4 5 6
R 5 4.5 4 3.5 3 2.5
S 2.6 1.82 1.2 0.74 0.42 0.19
Q 42.12 29.484 19.44 11.988 6.804 3.078
210 147 97.1 59.9 34 15.4
（4）绘制蜗壳平面图。根据R~ 关系，每隔30°查出相应半径R，列表如表7，并据此绘制蜗壳平面图。
善顶板的受力条件，可在进口段加设中墩，支墩末端距机组中心线一般不小于1.3D1。
第六节 尾水管设计 4.2尾水管的水力计算
（1）尾水管形式的选择
本设计中尾水管型式采用弯曲尾水管型。 （2）尺寸的确定
由水电站设计手册第一卷水力机械HL240的转轮流道尺寸图。 1）进口直锥段：采用D3=D2=1.078 3.3=3.56m ，HL240取单边扩散角
2）弯管段：因为Hp=28.5m
表8 混凝土推荐的尾水管尺寸表
表9 混凝土标准肘管尺寸表
(6)由上述尺寸绘制尾水管平面剖面和单线图（见图）
第七节 调速设备的与油压装置选择 7.1调速器的计算 水轮机的调速功A为： A=(200 ~250)Q 其中
水轮机在工况点（Hmax=35.87m，Nr=17708kw），工作时的效率可由附图查得92.0%，所以得
Q= =54.7 m3/s，即A=（1.2~1.5） 105 Nm >30000 Nm
属大型调速器，则接力器调速柜和油压装置应分别进行计算和选择。
7.2接力器的选择
7.2.1接力器直径的计算
由已知条件判断,采用两个接力器来操作水轮机的导水机构，选用额定油压为2.5Mpa，则每个接力器的
已知 ，查得 ，b/D1=0.365 ds=0.029 3.3 =0.346m
选择与之接近而偏大的 m的标准接力器。 7.2.2接力器最大行程的计算
可由设计工况点（ ）在模型综合特性曲线上查得24.3，同时可得 =534mm， ，选用水轮机的 ， , 查得 26.4,则
当选用计算系数为1.6时，则 7.2.3接力器容量的计算 两个接力器的总容积
7.3调速器的选择
大型调速器的型号是以主配压阀的直径来表征的，主配压阀的直径 选 则：
由此在表中选择与之相邻而偏大的DT-100型电气压型调速器 7.4油压装置的选择
此处油压装置不考虑放空阀和进水阀的用油，则压力油罐的容积为 Vk=(18 ~20)VS=(18 ~20) 0.15=2.7 ~3.0 m2
由此在表中选择与之相邻而偏大的YZ-4型分离式油压装置。 说明：根据以上计算的出的调速设备的选择为 调速器型式选用DT-100型电气压型调速器 油压装置型号选择YZ-4型分离式油压装置 接力器选择ds=500mm的标准接力器。
总结
通过本次课程设计，深入了解水电站辅助设备的工作原理，并能够根据相关资料拟定合理的设计方案并完成了水轮机的选型，综合运转特性曲线的绘制以及蜗壳和尾水管的设计。这不仅加深了我的理论知识，还让我学到了一定的理论联系实际的设计思想及其他方面的知
识，如CAD绘图、word排版编辑等。我认为通过此类的课程设计有助于培养我们专业知识的分析能力和解决工程问题的能力，为我们今后走上工作岗位打下必要的方法和必要的基础。
参考资料
1.水轮机（专科适用） 河北水利专科学校 顾锡元 主编 2.水电站（专科适用） 浙江水利水电专科学校 刘启钊 长春水利电力高等专科学校 刘 申 合编