1、畢業設計（論文）開題報告題 目仙游電站水泵水輪機結構設計專業熱能與動力工程班級 動09*班學 生 *指導教師 * 教授年2013年2013一、畢業設計的課題來源、類型畢業設計的題目來源：本人的設計課題是從學校提供的諸多課題中選擇， 并根據自己將來的興趣和將來工作所需選擇了仙游電站水泵水輪機結構設 計這個題目，指導教師是廖偉麗。畢業設計的題目類型：工程設計。二、選題的目的和意義隨著科學技術的發展，經濟和人類社會的發展對電力的需求越來越多， 大 容量的火電和核電機組相繼投產發電， 但是它們的調峰能力都比較弱。抽水蓄 能電站調峰填谷、調頻調相、提高電網供電質量和電網靈活性與可靠性等優點 越趨明顯，使

2、之成為獲得電網最佳的經濟效益和社會效益的優選電站之一。抽水蓄能電站利用兼具水泵和水輪機兩種工作方式的蓄能機組，在電力負荷出現 低谷時吸收電網多余的電能作水泵運行抽水到上水庫， 在電力負荷高峰時作水 輪機運行，將上水庫的水放下發電。因此，研究抽水蓄能機組結構并找出合理 可靠的調節控制方法，對抽水蓄能電站的穩定、可靠和高效運行以及充分發揮 其經濟效益有著極重要的意義。三、本課題在國內外的研究現狀及發展趨勢福建仙游抽水蓄能電站在風景秀麗的福建仙游西苑鄉半嶺村。位于巍峨筆 立直插云霄的福建第一山一-戴云山”南面，東面是金盤、玉兔起開處，亦是西 苑鄉政府所在的彩霞常掛在頂，氣魄雄偉的筆架“起云山”。西面

3、是仙游山三個 村所在的綠樹成蔭、重疊連峰的大山的屏障，距德化縣城約35公里，北與戴云山紅林地帶，與木蘭溪源頭相接壤。南瀕臨仙游縣度尾鎮蔣隔水庫，距縣城 28公里。仙游抽水蓄能電站是福建省第一座抽水蓄能電站，福建省“十一五”規劃的 重點項目。電站位于仙游縣西苑鄉境內，工程總投資約44.59億元。電站工程 樞紐建筑物主要有上水庫、輸水系統、發電廠房、下水庫和開關站等，電站安裝4臺單機容量為300兆瓦的立軸單級混流可逆式機組，總裝機容量1200兆瓦，由中國水電顧問集團華東勘測設計研究院承擔勘察設計。仙游抽水蓄能電站安裝4臺30萬千瓦的自主化立軸單級可逆混流式機組，設計年抽水用電量 25.28億千瓦時

4、，年發電量18.96億千瓦時，年發電利用小時數為1580小時, 具有周調節能力。施工總工期約 66個月，首臺機組預計將于2013年10月31日投入商業運行。目前仙游抽水蓄能電站進場公路工程、 通風兼安全洞工程、施工供電工程、施工控制網工程已經完工，建設征地和移 民安置工作即將完成，將建有集雨面積為 4.0km2的上水庫和集雨面積為 17.2km2的下水庫，上下池落差470多米進場交通洞工程施工進入掃尾階段， 上水庫、下水庫、地下廠房和引水隧洞工程已于 2010元月全面開工建設。抽水蓄能電站在地區經濟社會發展中的作用不可低估。尤其在電網運行安全、能源結構調整、電網品質提高等方面更具有不可替代的作

5、用。仙游抽水蓄能電站建成后，將服務于福建電網，承擔系統內調峰、填谷、調相、緊急事故 備用和黑啟動等任務。項目建成后，可以為福建電網運行提供安全保證， 緩解 福建省電網調峰壓力；可以優化福建省能源結構，更好地滿足福建電力和海西 建設快速增長的需求，促進電網與地方經濟和諧發展；可以合理利用水能資源， 減少水電調峰棄水電量，降低火電機組的燃料消耗，提高核電運行的安全性， 有利于環境保護和電力行業的可持續發展；可以改善電網運行條件，降低運行 成本，提高電力行業服務質量；并為將來福建作為西電東送受端電網的安全穩 定運行起到保安電源的作用。1可逆式水泵水輪機1. 1水泵水輪機的型式抽水蓄能電站首先于188

6、2年在瑞士的蘇黎世誕生至今已有100多年的歷 史了，抽水蓄能電站的主要設備是抽水蓄能機組， 最早使用的蓄能機組是四機 式機組。 隨著科學技術的發展和進步，出現了可以雙向運行的水力機組，它 向一個方向旋轉抽水向另一個方向旋轉發電， 這樣的機組稱為可逆式水泵水輪 機，又稱為兩機式機組。分析國內外抽水蓄能電站的現狀表明由于可逆式蓄能機組，具有結構簡 單、造價低、土建工程量小等特點，從 1970年后建成的和當前正在施工建設 的所有抽水蓄能電站，在水頭范4-600 m內，全部采用可逆式水泵水輪機組 45。 可逆式水泵水輪機的工作水頭范圍與反擊式水輪機的工作水頭范圍一致，隨著相應水頭的不同可以做成混流可逆

7、式斜流、可逆式及貫流可逆式機組。其中混流可逆式水泵水輪機在可逆式水泵水輪機中應用最為廣泛。例如，在我國已經投入使用的天荒坪抽水蓄能電站和廣州抽水蓄能電站均采用300MW聿機混流h可逆式水泵水輪機組h1. 2可逆式水泵水輪機的發展隨著新技術和新設計理念在抽水蓄能電站機組設計與制造中的廣泛應用 可逆式水泵水輪機的發展趨勢主要有：1高水頭化 隨著技術的發展，單級可逆式水泵水輪機的使用水頭越來越高 目前單級可逆式機組的應用水頭已超過常規水輪機。目前世界上單級可逆水泵水輪機水泵揚程最高的是日本的葛野川抽水蓄能電站，最大毛水頭 751m水 泵工況最大揚程。778 m2大容量化采用更大的單機容量。水電機組所

8、需要的金屬材料和機械加工 量并不隨容量增高而成比例上升。相反隨單機容量增大，機組臺數減少 機電設備的成本就隨之降低了。另外，機組臺數少可以簡化電站控制系統、降低費 用，在一定范圍內單機容量的增大能帶來直接的經濟效益。3高轉速化水泵水輪機的工作水頭大小決定于轉輪的線速度，為了達到此 線速度可以使用較大的轉輪直徑或較高的轉速，現代的設計趨勢是保持一定范 圍的轉輪直徑而采用盡量高的比轉速.可逆式水泵水輪機的比轉速一般用水泵 工況最低揚程的比轉速 nsp = nQ0.5max H 0.75來表示. 用比速系數 K= nspH0.75來衡量比轉速水平和水泵水輪機的設計制造水平。我國廣州一期電站蓄能機組比

9、速系數K值為 38478接近預測的單機可逆式水泵水輪機的比速 系數K的上限K= 4000處于較高水平。除了以上3種發展趨勢外，可逆式水泵 水輪機還向著高性能化、高可靠性、變速機組等方向發展。3 存在問題1在高水頭化過程中，高水頭單級水泵水輪機的水力效率比中，低水頭機組 降低 水泵水輪機過流部件所承受的水壓增大，引水系統承受的壓力增大 過渡 工況不穩定性增加，使水泵水輪機的汽蝕性能下降。雖然單級水泵水輪機水頭 的發展成上升趨勢，但由于受到結構強度的限制，水泵的最大揚程800m已經達到應用的上限。2提高比轉速也會引起水泵水輪機的汽蝕特性惡化，從而要求在電站中有更 大的掩埋深度，增加電站設計的復雜性

10、和投資。例如 1980年建成的奧地利庫 泰伊蓄能電站可逆式機組是一個典型的用增加掩埋深度來換取高轉速的實例。 此機組的轉速達到600r/min ,淹沒深度48m,最大為78m。按發電水頭398 m計算，比轉速為128K,值為2-550,對于這一水頭，此機組的比轉速是相當 高的。3隨著單機容量的增大，在施工建設中會遇到一系列的技術困難。例如，機 組中的部分大尺寸部件、轉輪、頂蓋、底環、座環等可能因尺寸過大而受到運 輸條件的限制，不得不采用更多的分瓣結構或現場加工， 這就造成電站在建設 中的不便增加了建設困難。2水泵水輪機的研究現狀1國外水泵水輪機的發展及研究現狀國外水泵水輪機的研究起步早，目前國

11、外在水泵水輪機技術處于領先的公 司有日立公司、東芝公司、三菱集團、富士公司、阿爾斯通電力公司、伏依特 西門子水電公司、VA-Tech水電公司、GBK電公司等。從文獻10-12看，目前 國外低水頭混流式水泵水輪機技術成熟， 相關文獻較少，高水頭混流式水泵水 輪機技術是研究的熱點，主要集中在 500-700 m高水頭水泵水輪機的研究，涉 及的范圍在水力性能。甘肅科學學報2012年第2期結構性能以及試驗等方面。由于西歐國家蓄 能電站開發已接近飽和，而日本的水泵水輪機技術始于 20世紀80年代末，目 前技術正處于技術高峰期，并不斷往高水頭，大容量方向發展，所以可供參考 的相關文獻也較多。在振動與應力問

12、題方面，吉田正博指出600-700 m水頭400MWV級大容量水泵水輪機轉輪設計技術的關鍵是振動問題，也就是說機組 的結構問題非常重要。在水力性能研究方面N akanmmTll,針對高水頭高轉速水泵水輪機轉輪部分負荷下轉輪壓力脈動，空化性能惡化的問 題，借助CFW術，通過改變轉輪出口形狀和下環形線來改善壓力脈動和空化 性能，取得滿意結果。2國內可逆式水泵水輪機的研究現狀我國對可逆式水泵水輪機的研究始于 20世紀70年代初。進入21世紀以 后 國家科研把可逆式水泵水輪機的研制工作提到重點日程上。從這段時期的 文獻來看，研究范圍廣泛，涉及過渡過程的研究水泵水輪機的參數選擇和優化 探討，模型試驗臺的

13、建立及模型試驗研究， 國外機組引進消化研究，水力性能 的模擬研究以及除轉輪外的其他水力部件的研究。 于治觀等計算了混流式水泵 水輪機泵工況起動過渡過程，用內特性法推導了考慮導葉漏水轉矩泵工況起動 時的計算公式，對工程有重大的應用價值，另外對混流式水泵水輪機裝置泵工 況斷電過渡過程提出了解析計算的方法。林宵漢等針對抽水蓄能電站仿真中 Suter法描述水泵水輪機轉輪特性時的小開度問題和多值問題，提出了水泵水輪機轉輪特性描述新方法及其工程應用，紀興英等，對混流式水泵水輪機三維 湍流數值分析對水泵工況計算結果進行了詳細分析，并與模型試驗結果進行了 對比，周嘉元等針對水輪機全特性圖上的 S形特性從理論上

14、分析了其產生的原 因及對抽水蓄能電站運行的影響，并結合實際剖析了 S形特性對抽水蓄能電站 日常運行的影響和常用的解決方法等。3展望綜上所述，我國抽水蓄能電站建設雖然起步較晚， 但由于后發效應，起點 卻較高，近年建設的幾座大型抽水蓄能電站技術已達到世界水平。例如天荒坪與廣州抽水蓄能電站機組單機容量 300MW額定*速500r/min ,額定水頭分別 為526m和500m,已達到單級可逆水泵水輪機的世界先進水平。雖然國內水 泵水輪機的研究取得了一些成績，但是目前我國在研制抽水蓄能電站機組方面 與世界先進水平還有較大差距，大型抽水蓄能機組制造水平還較低。目前國內 只有3家已經具備了試驗臺和相關的技術

15、，哈電機東方電機和中國水利水電科 學研究院。大型抽水蓄能機組仍依賴國外廠家供應抽水蓄能機組國產化的成功仍有漫長的路要走，可喜的是，隨著國內一些大型抽水蓄能電站的開工建設， 抽水蓄能機組國產化的步伐將大大加快機組制造技術水平可望迅速提高，屆時必將促進我國抽水蓄能電站的建設。參考文獻1中國電力百科全書.第2版 北京 中國電力出版社20012邱彬如.世界抽水蓄能電站新發展.北京 中國電力出版社20063朱書麟.水力發電工程.北京 中國水利學會19804梅祖彥.抽水蓄能技術.北京 清華大學出版社19885梅祖彥.抽水蓄能發電技術.北京機械工業出版社20006張克誠.抽水蓄能電站水能設計.北京 中國水利

16、水電出版社20077岡崎勝廣（日本）欒錫廣譯.日本.葛野川抽水蓄能電站2號機投運.國外大 電機20018 邱彬如劉連希.抽水蓄能電站工程技術.北京中國電力出版社20089姜茜武杰.國外公司抽水蓄能機組技術述評.東方電機200410吉田正博 日本 欒錫廣譯.600-700m水頭400MW大容量水泵水輪機.國 外大電機199411 Nakamn raT 日本 張亞梅譯.高轉速高水頭可逆式水泵水輪機 研究.國外大電機199612木本欲 日本 呂彤丹譯.高速水泵水輪機轉輪葉片數的優化研究.國外大 電機200313于治觀常近時.混流式水泵水輪機水泵工況起動過渡過程導葉漏水的計算.沈陽航空工業學院學報20

17、0014林宵漢陳乃祥李輝等.水泵水輪機轉輪特性描述新方法及其工程應用 清華大學學報.自然科學版199915紀興英 趙凌志 劉勝柱 等.混流式水泵水輪機三維湍流數值分析.大電 機技術200816周嘉元 鄭慧娟.水泵水輪機的S形特性及對機組性能的影響.水電能源 科學2006四、本課題的主要研究內容。.根據給定的單臺水輪機額定出力和水頭等參數，進行水輪機轉輪的選型計算，確定合適的水輪機型號、機組同步轉速和轉輪直徑等參數， 并繪制水輪機 運轉綜合特性曲線；.按選型計算確定的水輪機型號和轉輪直徑等參數，確定水輪機的主要特征 尺寸，進行座環、蝸殼、轉輪室、尾水管和機坑里襯等水輪機埋入部件的結構 設計；.進

18、行轉輪的結構設計，選擇合理的葉片樞軸密封方式，設計合理的槳葉操 作機構和操作油管結構；.根據水輪機的出力、轉速等參數估算主軸直徑，確定轉輪與主軸的連接方 式；進行主軸軸身應力的強度校核計算， 根據校核結果修改并最終確定主軸的 結構；.進行導水機構設計，進行頂蓋、底環、控制環、導葉及其傳動機構、導葉 的立面和端面密封結構的設計，繪制導葉布置圖，檢查導葉傳動與接力器移動 的均衡性，檢查傳動件在不同位置是否相碰，并根據檢查結果修改；.根據水輪機的結構進行水輪機工作密封和檢修密封裝置設計；.根據機組的型式和電站的自然條件水導軸承設計；.根據水輪機的結構和電站的自然條件選擇合適的補氣方式；.進行水輪機其

19、它部分的結構設計。五、完成論文的條件和擬采用的手段。通過搜索相關的中外文資料，了解水泵水輪機結構設計的現狀及其發展趨 勢，撰寫綜述；閱讀并翻譯外文資料，借助相關文獻完成開題報告。通過自主學習和指導老師的指點和引導下， 形成自己的設計思想，確定設 計方案，完成設計計算，繪制圖紙。通過與課程建設和實驗室建設結合的課題，使學生掌握機械CAD工程設計 的手段和方法，通過與企業實際相似的例子，鞏固所學的基礎理論和操作技能， 鞏固運用工程軟件解決實際問題的能力，使學生能更快的適應企業的需要。 必 要時到實驗室進行測以及核對 。六、本課題的進度安排，各階段預期達到的目標第1周：明確畢業設計任務；查閱相關資料，翻譯外文文獻，撰寫開題報告； 進行水