水電站課程設(shè)計計算說明書

1、水電站廠房設(shè)計說明書(MY水電站)1.繪制蝸殼單線圖1.1蝸殼的型式水輪機的設(shè)計頭頭Hp=46.2m>40m，水輪機的型式為HL220-LJ-225，可知本水電站采用混流式水輪機，轉(zhuǎn)輪型號為220，立軸，金屬蝸殼，標(biāo)稱直徑D1=225cm=2.25m。1.2蝸殼主要參數(shù)的選擇1金屬蝸殼為圓斷面，由于其過流量較小，蝸殼的外形尺寸對水電站廠房的尺寸和造價影響不大，因此為了獲得良好的水力性能一般采用= 340°350°。本設(shè)計采用 = 345°，通過計算得出通過蝸殼進口斷面的流量Qc，計算如下：單機容量：，選取發(fā)電機效率為=0.96，這樣可求得水輪機的額定出力：設(shè)

2、計水頭：Hp=Hr=46.2m，D1=2.25m 由此查表得：= 0.91水輪機以額定出力工作時的最大單位流量：水輪機最大引用流量：蝸殼進口斷面流量：根據(jù)水力機械第二版中圖4-30可查得設(shè)計水頭為46.2m<60m時蝸殼斷面平均流速為Vc=5.6 m/s。由附表5可查得：座環(huán)外直徑Da=3850mm，內(nèi)直徑Db=3250mm，；座環(huán)外半徑ra=1925mm，座環(huán)內(nèi)半徑rb=1625mm。座環(huán)示意圖如圖一所示：座環(huán)尺寸(mm)比例：1：1001.3蝸殼的水力計算1.3.1對于蝸殼進口斷面 斷面的面積： 斷面的半徑：從軸中心線到蝸殼外緣的半徑：1.3.2對于中間任一斷面設(shè)為從蝸殼鼻端起算至計

3、算面i處的包角，則該斷面處， 其中：，。 表一 金屬蝸殼圓形斷面計算表00001.925151.5920.2840.3012.527303.1830.5680.4252.776454.7750.8530.5212.967606.3671.1370.6023.128757.9581.4210.6733.270909.5501.7050.7373.39910511.1421.9900.7963.51712012.7332.2740.8513.62713514.3252.5580.9033.73015015.9172.8420.9513.82816517.5083.1260.9983.9211801

4、9.1003.4111.0424.00919520.6923.6951.0854.09521022.2833.9791.1264.17622523.8754.2631.1654.25524025.4674.5481.2034.33225527.0584.8321.2404.40627028.6505.1161.2764.47828530.2425.4001.3114.54830031.8335.6851.3454.61631533.4255.9691.3794.68233035.0176.2531.4114.74734536.6086.5371.4434.8111.3.3 蝸殼斷面為橢圓形的計

5、算對于中間任一斷面（依據(jù)水力機械以及水電站機電設(shè)計手冊（水力機械），當(dāng)圓形斷面半徑時，蝸殼的圓形斷面就不能與座環(huán)蝶形邊相切這時就改成橢圓形斷面。則由橢圓斷面過渡到圓形斷面時的臨界角計算如下：當(dāng)時， 如上圖所示，由水電站動力設(shè)備設(shè)計手冊查得：蝶形邊高度可近似地定為，為座環(huán)蝶形邊錐角，一般取55°。臨界值S=0.882m。由圓形斷面=3450，得由此得臨界角結(jié)合可知，當(dāng)斷面包角在0151°的時候，取橢圓斷面。橢圓短半徑，橢圓長半徑 橢圓斷面中心距 d=ra-rb橢圓斷面外半徑 計算結(jié)果見下表二：表二 金屬蝸殼橢圓形斷面計算表A00.0000.0000.129-0.1650.56

6、81.7242.292150.0140.2510.326-0.0250.6101.8952.505300.0280.3650.5460.1070.6502.0562.706450.0420.4570.7830.2310.6872.2072.894600.0560.5371.0340.3480.7222.3493.072750.0710.6101.2970.4590.7562.4853.241900.0850.6781.5710.5660.7872.6153.4031050.0990.7411.8550.6680.8182.7403.5591200.1130.8022.1490.7670.848

7、2.8613.7091350.1270.8602.4530.8640.8772.9793.8561510.1420.9202.7860.9640.9073.1013.689根據(jù)計算結(jié)果，畫蝸殼單線圖，如下圖所示，比例為，單位為mm。圖二 蝸殼單線圖2.尾水管單線圖的繪制根據(jù)已知的資料及下圖，得此水電站尾水管對應(yīng)的尺寸如表三： 尾水管單位參數(shù)示意圖（5-1）表三 蝸殼尾水管尺寸型式D1參數(shù)1.002.932.782.501.5250.7951.291.1141.3841.4052.6854.092.533.5510.4尺寸2.256.5936.2555.6253.4311.7892.902.50

8、73.1143.1616.0419.205.697.9910.4根據(jù)資料，選取的是彎肘型尾水管。彎肘型尾水管是由進口直錐段、肘管和出口擴散管三部分組成。2.1 進口直錐段進口直錐管是一垂直的圓錐形擴散觀，D3為直錐管的進口直徑：對混流式水輪機由于直錐管與基礎(chǔ)環(huán)相連接，可取D3和轉(zhuǎn)輪出口直徑D2相等；對于混流式水輪機，其錐管的單邊擴散角可取7° 9°；h3為直錐管的高度，增大h3可減小肘管的入口流速，減小水頭損失。進口錐管高度：進口錐管上下直徑：2.2 肘管肘管是一90°變截面彎管,其進口為圓斷面，出口為矩形斷面。水流在肘管中由于轉(zhuǎn)彎受到離心力的作用，使得壓力和流速

9、的分布很不均勻，而在轉(zhuǎn)彎后流向水平段時又形成了擴散，因而在肘管中產(chǎn)生了較大的水力損失。影響這種損失的最主要因素是轉(zhuǎn)彎的曲率半徑和肘管的斷面變化規(guī)律，曲率半徑越小則產(chǎn)生的離心力越大，一般推薦使用的合理半徑R=(0.61.0)D4，外壁R6用上限，內(nèi)壁R7用下限。為了減少水流在轉(zhuǎn)彎處的脫流及渦流損失，因此將肘管出口作成收縮斷面，并使斷面的高度縮小寬度增大，高寬比約為0.25，肘管進、出口面積比約在1.3左右。肘管出口斷面高度：h6=Hl=1.789m肘管出口斷面寬度：B6=B5=7.988m 2.3 出口擴散段 出口擴散段是一水平放置斷面為矩形的擴散段，其出口寬度一般與肘管出口寬度相等；其頂板向上

10、傾斜，根據(jù)其出口寬度并不是很大，所以不用加設(shè)中間支墩。仰角 =10.4°，長度：L1=3.161m，L2=6.041m，L=9.202m2.4 尾水段的高度尾水管的總高度h和總長度L是影響尾水管性能的重要因素。總高度h是由導(dǎo)葉底環(huán)平面到尾水管之間的垂直高度。對于混流式水輪機由于直錐管環(huán)相連接，可取D3 = D2 = 2.507m。D1=2.25m<D2=2.507m，故屬于高比速混流式水輪機。增大尾水管的高度h，對減小水力損失和提高是有利的。但對混流式水輪機尾水管中產(chǎn)生的真空渦帶在嚴(yán)重的情況下不僅影響機組的運行而且還會延伸到尾水管地板引起機組和廠房的振動，為了改善這一情況也常采

11、取增大尾水管高度的辦法，但將會加深廠房的開挖量，從而引起工程投資的增加。經(jīng)過試驗，一般對于高比轉(zhuǎn)速混流式水輪機取。h=6.593m>2.6D1=5.85m，故滿足要求。對于總長度L，通常取L=(3.54.5)D1=7.87510.125m，L=9.203m。所以總長度也滿足要求。2.5 尾水管單線圖根據(jù)以上的數(shù)據(jù)繪制單線圖如下圖三。圖三 尾水管單線圖3.擬定轉(zhuǎn)輪流道尺寸根據(jù)水電站機電設(shè)計手冊水力機械分冊，已知時，HL220型的尺寸可以D1=2.25m時的轉(zhuǎn)輪流道尺寸，如圖四：圖四 轉(zhuǎn)輪流道尺寸（單位：m）4.廠房起重設(shè)備的設(shè)計水電站廠房采用的起重設(shè)備形式和臺數(shù)取決于廠房類型、最大起重量和

12、機組臺數(shù)等。因為為岸邊引水式廠房，故采用橋式起重機。由于本水電站吊運構(gòu)件中最重的為發(fā)電機轉(zhuǎn)子帶軸重為82.6t < 100t，且機組臺數(shù)。故選1臺單小車橋式起重機，型號為。其具體數(shù)據(jù)如下：取跨度：L=16m； 起重機最大輪壓：35.9t；起重機總重：77.3t； 小車軌距：LT=4400mm；小車輪距：KT=2900mm； 大車輪距：K=6250mm；大梁底面至軌道面距離：F=130mm； 起重機最大寬度：B=8616mm；軌道中心至起重機外端距離：B1=400mm；軌道中心至起重機頂端距離：H=3692mm；主鉤至軌面距離：h=1474mm；吊鉤至軌道中心距離（主）：L1=2655mm

13、,L2=1900mm；副吊鉤至軌道中心距離：L3=1300mm，L4=2355mm；軌道型號：QU100。5. 廠房輪廓尺寸5.1主廠房總長度的確定： 廠房總長度取決于機組段的長度、機組臺數(shù)和裝配場長度?？傞L （其中n為機組臺數(shù)，為機組段長度，為裝配場長度，為端機組段附加長度）5.1.1機組段長度L1的確定機組段的長度L1是機組的中心距離。主要由蝸殼、尾水管、發(fā)電機風(fēng)罩在x軸方向（廠房縱向）的尺寸來決定。（1）按蝸殼層推求： 其中，R1為當(dāng)時的，即R1=4.811m ，R2為當(dāng)時的，即R2=3.921m 。分別為蝸殼左右外圍混凝土的厚度，初步設(shè)計時取1.21.5m，這里均取1.3m，所以蝸殼層

14、對應(yīng)：（2）按尾水管層推求：其中為尾水管的出口寬度，為尾水管混凝土邊墩厚度，初步設(shè)計時可取1.52.0m，大型機組取2.0m。已知，在這里取取。 所以尾水管層對應(yīng)：（3）按發(fā)電機層推求：其中為發(fā)電機風(fēng)壁厚，一般取0.30.4m,這里取0.35m，為相鄰兩風(fēng)罩外壁凈距，一般取1.52m,這里取1.8m，由已知資料可知，發(fā)電機風(fēng)罩內(nèi)徑。所以發(fā)電機層對應(yīng)：據(jù)以上三種結(jié)構(gòu)的計算情況，廠房的機組間距由水輪機尾水管層推求的長度決定,取。最后取機組段長度為11.600m。5.1.2端機組段附加長度的確定5.1.3裝配廠長度的確定裝配場與主機室寬度相等，以便利用起重機沿主廠房縱向運行。裝配場長度一般約為機組段

15、長的1.01.5倍。對于混流式采用偏小值，這里取1.1。 5.1.4廠房的總長度最終取廠房的總長度L = 60.000m。也就是機組段長度不變，端機組段附加長度減少6cm，再加上沉降縫的2cm，因此機組段附加長度最后為82cm。5.2 主廠房寬度的確定5.2.1以機組中心線為界，廠房寬度可分為上游側(cè)寬度和下游側(cè)寬度兩部分，。其中，,取，風(fēng)罩外壁至上游內(nèi)側(cè)的凈距，取5m。所以，除滿足發(fā)電機層要求外，還要滿足蝸殼方向和混凝土厚度要求。對于發(fā)電機層：。其中，風(fēng)罩外壁至下游墻內(nèi)側(cè)的凈距，主要用于主通道取。所以，對于蝸殼層方向為：。其中：為為時的，為4.406m；為混凝土保護層的厚度，取1.5m此時對應(yīng)

16、的=4.406+1.5=5.906m由于5.906m < 6.55m，所以取因此，。5.2.2由廠房的輔助設(shè)備，根據(jù)橋機跨度確定主廠房的寬度根據(jù)起重機設(shè)備可知橋機的跨度為=16m。圖五 橋機牛腿以上：牛腿以下：其中： b1橋機端與軌道中心線的距離，查橋機的有關(guān)規(guī)定取0.4m b2橋機端部與上柱內(nèi)面間距，一般取0.30.6m，取0.4m hb牛腿上部立柱截面高度，一般取0.61.2m，取0.8mhb牛腿下部立柱截面高度，一般取1.02.5m，取1.5me偏心距，一般取00.25m，取0.1m所以，牛腿以上：牛腿以下：綜上所述，取主廠房的寬度B為19.2m.6.廠房各層高程的確定6.1水輪機

17、組安裝高程豎軸混流式水輪機安裝高程由下式計算，。其中，查表可得導(dǎo)葉相對高度為0.25。因此，導(dǎo)水葉高度：已知，氣蝕系數(shù)；氣蝕系數(shù)修正值；計算水頭；水電站廠房所在地點海拔高程的校正值。所以水輪機允許吸出高度：。對于水電站廠房建成后下游設(shè)計最低水位，由于本水電站有4臺機組，所以取一臺機組流量對應(yīng)的尾水位。故根據(jù)資料，得出：則，水輪機組安裝高程：6.2 尾水管底板高程 尾水管底板高程： 其中：hw底環(huán)頂面至尾水管底板的距離則，尾水管底板高程：6.3 主廠房基礎(chǔ)開挖高程 主廠房基礎(chǔ)開挖高程：其中：h1尾水管底板混凝土厚度，取1.5m ，h2尾水管出口高度h3從水輪機安裝高程向下量取到尾水管出口頂面的距

18、離 則，主廠房基礎(chǔ)開挖高程：6.4 進水閥層地面高程進水閥層地面高程：其中：鋼管中心線高程，；引水鋼管半徑，蝶閥尺寸3400mm，則r1=1.7m；hl鋼管底部至主閥室地面的高度，鋼管底部作通道，hl應(yīng)大于1.8m，此處取hl =2m。則，進水閥層地面高程： 6.5 水輪機層地面高程水輪機層地面高程：其中：h4蝸殼進口半徑和蝸殼頂混凝土層，金屬蝸殼的保護層一般不少于1.0m ,蝸殼進口半徑為1.443m ,蝸殼上部混凝土厚度可取1.0m ,所以h4=2.443 m 。則：。由于水輪機層的地面高程一般取100mm的整數(shù)倍。故最終水輪機層地面高程：= 94.900m6.6 發(fā)電機安裝高程發(fā)電機安裝

19、高程：其中：h5進人孔高度，一般取1.82.0m，此處取1.9m；h6進人孔頂部厚度，一般為左右1.0m，此處取1.0m。則，發(fā)電機安裝高程：6.7 發(fā)電機層樓板面高程 發(fā)電機層樓板高程：并且，滿足要求。最高尾水位，不會淹沒廠房。因此，發(fā)電機層樓板高程：6.8 起重機（吊車）的安裝高程起重機（吊車）的安裝高程：其中：h7發(fā)電機定子高度和上機架高度之和。發(fā)電機上機架高度為0.993m，定子機座高為1.8m。發(fā)電機定子為埋入式故h7=0.993m； h8吊運部件與固定物之間的垂直凈距離，一般為0.61.0m，這里取0.7m； h9最大吊運部件高度，由資料知h9=5.02m； h10吊運部件與吊鉤之

20、間的距離，一般在1.01.5m左右，取h10=1.3m； h11主鉤最高位置至軌頂面距離h11=1.474m則，起重機（吊車）的安裝高程： 。6.9 屋頂高程屋頂高程：其中h12軌道面至起重機頂部距離h12=3.692m；h13檢修吊車在車上留有0.5m高度，h13=0.5m；則 ，屋面大梁的高度、屋面板厚度等取0.8m，則屋頂高程為114.399m。7.安裝間的位置選擇及設(shè)計因為進廠的公路在主廠房的右側(cè)，為了運輸方便，把安裝間布置在廠房的右側(cè)。由前面已知安裝間的長度12.760m，寬與主廠房同寬為19.2m。同時，為了滿足主變能推入安裝間進行維修，在安裝間下游側(cè)設(shè)置了尺寸為的變壓器坑；在安裝

21、內(nèi)設(shè)有的發(fā)電機轉(zhuǎn)子檢修坑，方便發(fā)電機轉(zhuǎn)子檢修。1)位置：進廠的公路在主廠房的右側(cè)，為了運輸方便，把安裝間布置在廠房的右側(cè)；2）尺寸：已知安裝間的長度為12.747m ，寬與主機室同寬為19.2m。安裝間地面高程為99.92m 與發(fā)電機層樓板高程同高，這樣可以利用緊鄰的機組段場地進行安裝、檢修；3）變壓器坑：為了滿足主變壓器能推入安裝間進行維修，在安裝間下游側(cè)設(shè)置尺寸為的變壓器坑；4）檢修坑：在安裝間內(nèi)設(shè)有直徑為4.9m的發(fā)電機轉(zhuǎn)子檢修坑，方便發(fā)電機轉(zhuǎn)子檢修；5）吊物孔和樓梯：在安裝間上游側(cè)設(shè)有2.5m×3.0m的吊物孔，供吊運設(shè)備用；靠上游側(cè)設(shè)有檢修運行用的樓梯，凈寬1.2m，坡度3

22、5°。6）大門：廠房的大門尺寸取決于運入廠房內(nèi)最大部件的尺寸。因為上機架為6.47m，轉(zhuǎn)子直徑為4.9m，因此選用門寬為6m，高7m。為安全起見，門向外開。對安裝間的具體說明如下：發(fā)電機轉(zhuǎn)子直徑周圍應(yīng)留2.0m的空隙，以供安裝磁極之用。發(fā)電機上機架周圍留有1.0m的間隙，供作通道用。水輪機頂蓋及轉(zhuǎn)輪周圍留有1.0m間隙，供作通道之用。8. 廠區(qū)布置由于密云電站是河岸地面廠房，故其布置可如下面布置圖。對于方案（一）,由于主變在主廠房的上游側(cè)，它離主機組最近，因此線路最短，最方便，電能損失小，但是主變廠與主廠房的距離增加，增加了發(fā)電機電壓母線的長度，并且加大了電能損失。副廠房設(shè)在主廠房的

23、下游側(cè)，雖然電氣設(shè)備的線路都集中在下游側(cè)，與水輪機進水系統(tǒng)互不交叉干擾，但是尾水管的振動較嚴(yán)重，容易引起電氣設(shè)備的誤操作，并且可能要延長尾水管長度，增加廠房下部結(jié)構(gòu)尺寸和工作量。對于方案（二），在廠房與后山坡之間形成一個很寬的地帶，剛好用來布置副廠房及主變壓器廠，并且主變壓器廠就在主廠房后面，可以減少發(fā)電機電壓母線的長度，減少電能損失和故障機會。開關(guān)站和主變壓器廠也比較接近。副廠房設(shè)在主廠房的上游側(cè)，布置緊湊，電纜短，監(jiān)視機組方便。但是會使引水管道增長，不易適應(yīng)電站的分期建設(shè)、提前發(fā)電的要求等。圖 1廠房布置方案（一）圖 2 廠房布置方案（二）經(jīng)過對方案（一）、方案（二）的比較，總體來說，方案

24、（二）要好一些。故采用方案（二）。9.主廠房內(nèi)部布置蝸殼之間布置蝴蝶閥，在事故停機或檢修時，關(guān)斷水流，在尾水管出口處備有檢修閘門，當(dāng)尾水管或水輪機檢修時，用來擋住尾水進入。在發(fā)電層上游側(cè)，布置每臺機組的調(diào)速器和機旁盤，各布置油壓裝置一臺，每個機組段(對應(yīng)蝶閥中心)均留有蝴蝶閥吊孔。將勵磁盤與機旁盤布置在一起，布置在靠墻處，并且離墻至少有80100cm的檢修距離，發(fā)電機層的下游側(cè)為安全通道，不布置設(shè)備。在4號機組上游側(cè)布置去副廠房的樓梯。吊閥孔取正方形，加上每側(cè)增加的0.25m。取邊長3.65m水輪機層4號機組段上布置去蝴蝶閥層的樓梯。作用筒布置在機座的上游側(cè)，調(diào)速器恢復(fù)機構(gòu)（杠桿）在右側(cè)作用筒上，并與位于發(fā)電機層的調(diào)壓器的有關(guān)機構(gòu)相對應(yīng)。兩臺高壓空氣壓縮機布置在3號機組作用筒的右側(cè)，為油壓裝置充氣之用。每一機組段上都布置著勵磁室。在水輪機層的1號機組左邊與3號機組左邊布置的有樓梯，可直接通往尾水管層。每條壓力管道上均安裝有蝴蝶閥，在其前為伸縮節(jié)。每個機組段都設(shè)有漏油裝置，在3號機組段上設(shè)有集水井。排水溝布置在上游墻側(cè)，在集水井旁布置尾水管排水泵兩臺，集水井排水泵兩臺，在2號機組上，布置消防水泵一臺，每個機組段上均設(shè)有進入尾水管的進水廊道。為了避免地基不均勻沉降，在主副廠房之間，主廠房與裝配場之間用沉降縫分開，縫寬2