水電站課程設計 40

1、精選文檔 CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY水電站課程設計計算書同學姓名： 楊山 學院名稱： 水利工程與環(huán)境學院 專業(yè)名稱： 水利水電工程 班級名稱： 水電1143班 學 號： 1106411340 指導老師： 董天松 長春工程學院水利與環(huán)境工程學院2015 年 3月目 錄前言.1一、設計資料.2二、水輪機選型2.1 水輪機型號選擇.22.2 裝置方式的選擇.22.3 水輪機參數(shù) 2.3.1 HL240型水輪機方案主要參數(shù)選擇.2 2.3.2 ZZ440型水輪機方案主要參數(shù)選擇.6 2.3.3 HL240型水輪機及ZZ440型水輪機兩種方案的比較.9 2.3.4

2、 HL240型水輪機四臺機組方案主要參數(shù)選擇.10 2.3.5 HL240型水輪機兩臺機組與四臺機組兩種方案的比較.10三、水輪機蝸殼設計3.1蝸殼形式的選擇.133.2斷面外形及包角的選擇.133.3進口斷面面積及尺寸的確定.13四、尾水管設計4.1尾水管的形式.154.2彎肘形尾水管部分尺寸的確定.15五、發(fā)電機的選擇5.1發(fā)電機型式的選擇.165.2水輪發(fā)電機的結構尺寸.16六、主廠房尺寸的確定6.1主廠房長度的確定.196.2主廠房寬度的確定.206.3主廠房高程的確定.21前 言 本課程設計主要是水利水電樞紐工程中水電站廠房設計的部分工作。設計目的在于培育同學正確的設計思想，理論聯(lián)系

3、實際工作的工作作風，嚴峻認真、實事求是的科學態(tài)度和勇于探究的創(chuàng)新精神。培育同學綜合運用所學水電站學問，分析和解決水電工程技術問題的力量；通過課程設計實踐訓練并提高同學解決水利水電工程實際問題的力量。進一步鞏固和加深廠房部分的理論學問，培育同學獨立思考、分析問題及運用理論學問解決實際問題的力量，提高同學制圖、使用現(xiàn)行規(guī)范、查閱技術資料、使用技術資料的力量以及編寫設計說明書的力量。依據(jù)已有的原始資料和設計要求進行設計，主要內(nèi)容有：水電站總體布置、水輪機型號的選擇以及水輪機特性曲線的繪制、蝸殼尺寸的確定、繪制蝸殼平面和斷面單線圖、尾水管尺寸的確定及草圖、水電站廠房尺寸的確定等，并依據(jù)要求繪制相應的平

4、面布置圖和剖面圖。一、設計資料資料：某水利樞紐工程，具有防洪、澆灌、發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游等功能。水電站廠房為壩后式，通過水能計算該水電站裝機容量為25Mw，廠房所在處平均地面高程441.8m（1） 水位經(jīng)多水位方案比較，最終接受正常蓄水位為：470.00 m，死水位為：459.00 m，距廠房下游100 m處下游水位流量關系見下表：下游水位流量關系流量m3/s6.811.816.821.831.841.861.881.8水位m430.80430.95431.06431.16431.35431.50431.75431.95(2) 機組供水方式：接受單元供水(3) 水頭 該水電站水頭范圍：=39.00

5、m =28.00m 加權平均水頭=33.00m2、 水輪機選型 2.1 水輪機型號選擇 由資料可知，水電站水頭在2839m范圍內(nèi)時，在水輪機系列型譜表中可選軸流式ZZ440或混流式HL240作為備選方案，經(jīng)方案比較后確定水輪機型號。 2.2 裝置方式的選擇在大中型水電站中,其水輪機發(fā)電機組尺寸一般較大,安裝高程也較低,因此七裝置方式多接受立軸式。它可使發(fā)電機的安裝高程較高不易受潮,機組的傳動效率較高而且水電站廠房的面積較小,因此本設計接受立軸式裝置,設置兩臺機組。 2.3 水輪機參數(shù)計算 2.3.1 混流式HL240水輪機基本參數(shù)的選擇 HL240水輪機水頭范圍2545，HL240水輪機模型參

6、數(shù)，見下表轉輪型號直徑最優(yōu)工況下的單位轉速（r/min)最優(yōu)工況下的單位流量(L/s)最優(yōu)工況下的效率（%）限制工況下的單位流量(L/s)限制工況下的效率（%）HL24046cm72.0110092.0124090.4 1.選擇轉輪標稱直徑D1 由資料可知該水電站裝機容量為25MW，首先假定為兩臺機組，則單機裝機容量為12.5MW。由此可得該水輪機的額定功率。 =13157.89 轉輪標稱直徑計算公式為 （m)其中：為水輪機的單位流量，依據(jù)轉輪型號HL240，由表查得，選用限制工況下的，=1240L/s=1.24/s;水輪機額定水頭=0.95=0.95×33=31.35m；計算時一般

7、將限制工況下的增加2%3%。查表，選用限制工況下的，=90.4%，=90.4%+90.4%×2%=92%； 2.59m 依據(jù)上式計算出的轉輪標稱直徑259cm,查表3-12水輪機轉輪標稱直徑系列，選用相近而偏大的標準直徑：=275cm。2. 選擇額定轉速 水輪機轉速n計算式 式中的單位轉速應接受原型最優(yōu)單位轉速,由表3-9查得，=72r/min。水頭H應接受加權平均水頭。 將=72r/min，=2.75m,=33m，帶入上式得n=150.4r/min 由額定轉速系列表查得相近而偏大的，轉速no=166.7r/min。3. 效率及單位轉速修正（1）效率修正。查表3-9，選用最優(yōu)工況下的

8、模型水輪機效率=92.0%，模型轉輪標稱直徑=46cm,則原型水輪機最高效率 =0.944 效率修正值 =0.944-0.92-0.01-0=0.014 限制工況下的原型水輪機效率 查表3-9，選用限制工況下的模型水輪機效率=90.4%。則 =0.904+0.014=0.918 可見，與計算轉輪直徑時所假定的原型水輪機在限制工況下的效率相符。說明所選的合適。（2） 單位轉速修正。單位轉速修正計算公式如下 = 查表3-9，=0.92+0.014=0.934。 由上兩式得 =0.76% 因0.03時，可不必進行修正。故計算的n值合適。單位流量也不加修正。4. 工作范圍的檢驗 （1）按水輪機的額定水

9、頭和選定的直徑計算水輪機以額定出力工作時的最大單位流量。由水輪機的額定出力的表達式 =導出最大單位流量計算式 = = =1.101/s1.24/s（限制工況下的)則水輪機最大引用流量 =1.101×2.752×=46.62(/s)(2)按最大水頭，最小水頭以及選定的,n分別計算出最小和最大單位轉速和 =73.41(r/min) =86.63(r/min) （3）在HL240水輪機的模型綜合特性曲線圖上分別作出以、和為常數(shù)的直線，這些直線所包括的范圍（如圖陰影部分）在95%出力限制線以左并包含了模型綜合特性曲線的高效率區(qū)，說明選定的、n是滿足的。 5.確定吸出高度 由設計工況

10、參數(shù)：=81.87r/min, =1101L/s，查圖3-21得=0.195，在空化系數(shù)修正曲線中查得=0.035。 則吸出高度為 =10-（0.195+0.035)×31.35 =2.30(m）-4.0m 說明HL240水輪機方案的吸出高度滿足電站要求。 2.3.2軸流轉槳ZZ440水輪機主要參數(shù)的計算 ZZ240水輪機水頭范圍2040，ZZ240水輪機模型參數(shù)，見下表葉片數(shù)導葉相對高度最優(yōu)單位轉速（r/min）限制工況單位流量（m3/s）氣蝕系數(shù)模型直徑（m）最優(yōu)工況效率（%）限制工況效率（%）60.3751151.650.720.4689.081.0 1.選擇轉輪標稱直徑由表3

11、-10查得ZZ440水輪機在限制工況下的單位流量=1650L/s=1.65/s，空化系數(shù)=0.72，在空化系數(shù)修正曲線圖2-28中查得=0.035。在允許的吸出高度=-4m時，其對應的空化系數(shù)為=-=-0.035=0.3960.72 由表3-10查得ZZ440水輪機在最優(yōu)工況下的單位轉速=115r/min,查圖3-22可知，對應與工況點（=115r/min,=0.40)處的單位流量=1120L/s,模型水輪機的效率=86.2%。據(jù)此可先假定設計工況下原型水輪機的效率=89.6%，則轉輪直徑為=2.76(m) 查表3-12，選用與水輪機轉輪計算直徑相近的標稱直徑=2.75m 2.選擇額定轉速 =

12、240.23r/min 選用與之相近而偏大的同步轉速=250r/min。 3.效率及單位參數(shù)修正查表3-10查得ZZ440水輪機試驗水頭=3.5m,模型轉輪標稱直徑=0.46m。對軸流轉槳式水輪機，當葉片轉角為時，原型水輪機最大效率 =1-（1-）（0.3+0.7) =1-（1-)(0.3+0.7) =1-0.693(1-）葉片在不同轉角時的可由模型綜合特性曲線圖3-22查得，當選用制造工藝影響的效率修正值=1%，即可用上式計算出不同轉角時的效率修正值=-，計算成果見下表ZZ440水輪機效率修正值計算表葉片轉角-10°-5°0°+5°+10°+

13、15°84.988.088.888.387.286.089.591.792.291.991.190.3-4.63.73.43.63.94.33.62.72.42.62.93.3 由表3-10查得ZZ440水輪機最優(yōu)工況的模型效率=89%，從以上計算知，最優(yōu)工況的效率最接近于時的效率88.85%，故可接受=2.6%作為其修正值，則可得ZZ440水輪機原型的最高效率為=89%+2.4%=91.4% 由于在吸出高度-4m限制的工況點（=115r/min,=0.4）處的模型水輪機的效率=87%,該工況點介于=+和之間，用內(nèi)插法可求得該工況點的效率修正值為，該工況點原型水輪機效率為87%+3.

14、05%=90.05%與假定的89.6%相近。 可見選用，n=250r/min是合適的。4. 工作范圍檢驗依據(jù)選定的參數(shù)，可求出模型水輪機的最大單位流量則原型水輪機最大引用流量 與特征水頭對應的各單位轉速為 將上述值在ZZ440水輪機模型綜合特性曲線上標出 ，如下圖所示中的陰影部分既是水輪機的工作范圍?？梢姡ぷ鞣秶鷥H部分包含了該特性曲線的高效率區(qū)。5. 確定吸出高度 用水輪機設計工況點在圖3-22上可查空蝕系數(shù)=0.38，則對應的水輪機的吸出高度為 故滿足電站要求。2.3.3 HL240型水輪機與ZZ440型水輪機兩種方案的比較 經(jīng)過上述計算，兩方案的相關參數(shù)如下表水輪機方案參數(shù)對比表序號項目

15、HL240ZZ4401模型轉輪參數(shù)推舉使用的水頭范圍H（m)254520362最優(yōu)單位轉速（r/min)721153最優(yōu)單位流量(L/s)11008004最高效率（%）92895空化系數(shù)0.1950.426原型水輪機參數(shù)工作水頭范圍H（m)283928397轉輪直徑(m)2.752.758轉速166.72509最高效率（%）93.491.410額定出力P（kW)13157.8913157.8911最大引用流量Q(/s)46.6247.4212吸出高度(m)2.3-3.67 由上表可以看出，兩種機型方案的水輪機標稱直徑均為2.75m。HL240型方案的工作范圍包含了更多的高效率區(qū)域，運行效率高，

16、空化系數(shù)較小，安裝高程也高，對提高年發(fā)電量和減小廠房開挖量有利。ZZ440型方案的轉速高，可減小發(fā)電機尺寸。但由于該機型水輪機及其調(diào)速系統(tǒng)簡單，所以總體造價較高。綜合考慮，本電站選擇HL240型方案更為合理。2.3.4 HL24O型水輪機四臺機組方案主要參數(shù)選擇 1.選擇轉輪標稱直徑D1 由資料可知該水電站裝機容量為25MW，選擇四臺機組，則單機裝機容量為6.25MW。由此可得該水輪機的額定功率。 =6578.95KW 轉輪標稱直徑計算公式為 （m)其中：為水輪機的單位流量，依據(jù)轉輪型號HL240，由表3-9查得，選用限制工況下的，=1240L/s=1.24/s;水輪機額定水頭=0.95，=0

17、.95×33=31.35m；計算時一般將限制工況下的增加2%3%。查表3-9，選用限制工況下的，=90.4%，=90.4%+90.4%×2%=92%； 1.83m 依據(jù)上式計算出的轉輪標稱直徑183cm,查表3-12水輪機轉輪標稱直徑系列，選用相近而偏大的標準直徑：=200cm。2.選擇額定轉速n0 水輪機轉速n計算式 式中的單位轉速應接受原型最優(yōu)單位轉速,由表3-9查得，=72r/min。水頭H應接受加權平均水頭。 將=72r/min，=2.00m,=33m，帶入上式得n=206.8r/min 由額定轉速系列表3-13查得相近而偏大的，轉速=214.3r/min。3.效率

18、及單位轉速修正（1）效率修正。查表3-9，選用最優(yōu)工況下的模型水輪機效率=92.0%，模型轉輪標稱直徑=46cm,則原型水輪機最高效率 =0.940 效率修正值 =0.940-0.92-0.01-0=0.01 限制工況下的原型水輪機效率 查表3-9，選用限制工況下的模型水輪機效率=90.4%。則 =0.904+0.01=0.914可見，與計算轉輪直徑時所假定的原型水輪機在限制工況下的效率相符。說明所選的合適。（3） 單位轉速修正。單位轉速修正計算公式如下 = 查表3-9，=0.92+0.01=0.93。 由上兩式得 =0.54% 因0.03時，可不必進行修正。故計算的n值合適。單位流量也不加修

19、正。4.工作范圍的檢驗 （1）按水輪機的額定水頭和選定的直徑計算水輪機以額定出力工作時的最大單位流量。由水輪機的額定出力的表達式 =導出最大單位流量計算式 = = =1.045/s1.24/s（限制工況下的)則水輪機最大引用流量 =1.045×22×=23.40(/s) (2)按最大水頭，最小水頭以及選定的,n分別計算出最小和最大單位轉速和 =68.63(r/min) =81.00(r/min) （3）在HL240水輪機的模型綜合特性曲線圖上分別作出以、和為常數(shù)的直線，這些直線所包括的范圍（如圖陰影部分）在95%出力限制線以左并包含了模型綜合特性曲線的高效率區(qū)，說明選定的、

20、n是滿足的。5.確定吸出高度 由設計工況參數(shù)：=76.55r/min,=1045L/s，查圖3-21得=0.195，在空化系數(shù)修正曲線中查得=0.035。 則吸出高度為 =10-（0.195+0.035)×31.35 =2.30(m）-4.0m 通過比較發(fā)覺，在轉輪直徑相同，吸出高度相同的條件下，HL240型兩臺機組方案的工作范圍包含了更多的高效率區(qū)域，運行效率高。因此選擇HL240兩臺機組的方案。3、 水輪機蝸殼設計 3.1 蝸殼形式的選擇 蝸殼形式有金屬蝸殼和混凝土蝸殼，金屬蝸殼適用于水頭大于40m或小型臥式機組，混凝土蝸殼適用于水頭小于40m，金屬蝸殼適用于水頭大于40m的水電

21、站。由于本次課設水電站的水頭范圍28.0039.00m，水頭運行范圍大，最大水頭接近40m水頭，所以本設計接受了金屬蝸殼。 3.2 斷面外形及包角的選擇 從蝸殼的鼻端至蝸殼進口斷面之間的夾角稱為蝸殼包角,常用0來表示,對于金屬蝸殼由于流量較小,流速較大,通常接受包角為270°345°，且金屬蝸殼通常接受的蝸殼包角為345°，故本設計選擇345°包角。 3.3 進口斷面面積及尺寸的確定 1.座環(huán)尺寸：=2.75m<3.2m =1.551.64 取上限 =1.64×2.75=4.51m =1.331.37 取上限 =1.37×2.7

22、5=3.77m 2.任意斷面i的斷面尺寸： 斷面半徑： 斷面中心距： 斷面外半徑： 蝸殼進口斷面平均流速：=，=31.35m,依據(jù)圖2-6，查得=0.9，則 =0.9×=5.04m/s典型斷面計算表：如下圖斷面中心距(m)斷面外半徑(m)=345°=3.94=5.62=300°=3.82=5.40=255°=3.70=5.14=210°=3.57=4.88=165°=3.42=4.58=120°=3.25=4.24=75°=3.04=3.82=30°=2.75=3.25 金屬蝸殼斷面單線圖 金屬蝸殼平面單

23、線圖4、 尾水管設計 4.1 尾水管的形式 尾水管是反擊式水輪機的重要過流部件，其形式和尺寸在很大程度上影響到水電站下部土建工程的投資和水輪機運行的效率及穩(wěn)定性。尾水管的形式很多,常用的有直錐形,彎錐形和彎肘形, 大中型反擊式水輪機均接受彎肘形，本設計接受彎肘形，它不但可以減小尾水管開挖深度，而且具有良好的水力性能。彎肘形尾水管由進口直錐段中間肘管段和出口集中段三部分組成。 4.2 彎肘形尾水管部分尺寸的確定 1.尾水管的高度 低水頭混流式水輪機 =2.75m =2.6 h=2.6×2.75=7.15m 2.肘管型式 依據(jù)表2-2， =4.50 L=4.5×2.75=12.

24、375m =2.72 =2.72×2.75=7.48m =1.35 =1.35×2.75=3.71m =1.35 =1.35×2.75=3.71m =0.678 =0.678×2.75=1.86m =1.82 =1.82×2.75=5.00m =1.220 =1.220×2.75=3.355m 查動力設備設計手冊，得 =1.078 =1.078×2.75=2.9645m =0.928 =0.928×2.75=2.552m =0.054 =0.054×2.75=0.1485m =0.16 =0.16

25、5;2.75=0.44m =0.593 =0.593×2.75=1.631m 3.尾水管示意圖5、 發(fā)電機外形尺寸 5.1 發(fā)電機型式的選擇 水輪發(fā)電機的結構型式主要取決于水輪機的型式和轉速，同時要兼顧廠房的布置要求，本設計水輪機的額定轉速n=166.7r/min150r/min,故接受懸式水輪發(fā)電機。 5.2 水輪發(fā)電機的結構尺寸 1.極距cm2.轉子鐵芯內(nèi)徑（cm）的確定 3. 轉子鐵芯內(nèi)徑（cm）的確定 =+1.2 n166.7r/min =+ n166.7r/min 則 =+1.2=495+1.2×43.17=546.8cm4.定子鐵芯長度 =0.68m=68cm5

26、. 外形尺寸估算發(fā)電機部件參數(shù)計算式結果定子機座外徑=629.25cm機座高度=+2=154.34cm風 洞內(nèi)徑=+200=829.25cm轉 子直徑=495cm上機架高度=0.25=123.75cm下機架跨距=390+40=430cm高度=0.12=59.4cm推力軸承裝置及勵磁機架外徑=240cm=240cm勵磁機外徑=150cm=150cm推力軸承高度=100cm=100cm勵磁機高度=160cm=160cm副勵磁機高度=60cm=60cm永勵磁機高度=50cm=50cm定子機座支承面到下機架支承面或到下?lián)躏L板距離=0.15=74.25cm下機架支承面到大軸法蘭距離=100cm=100c

27、m轉子磁軛軸向高度=+52=120cm定子支承面到大軸法蘭距離=+=174.25cm定子鐵芯軸向中心線到法蘭盤距離=0.46+=245.25cm發(fā)電機大軸高度=0.7（+）=575.638cm定子機座支承面到發(fā)電機頂部=+=648.09cm發(fā)電機總高HH=+H=822.34cm 6.發(fā)電機重量估算 = 查動力設備手冊得=9，則發(fā)電機重量為=9×=160.04t 轉子帶軸重量為 =0.5=80.02t 7.起重設備的選擇 依據(jù)轉子帶軸的重量為80.02t，選擇起重設備具體選擇見下表。吊鉤起重量（t)吊鉤型式吊鉤尺寸雙小車橋機配用的平衡梁高度（mm)雙小車橋機軌道面至起重機頂端距離(mm

28、)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)100雙鉤54720060074539570037006、 廠房尺寸確定 6.1 主廠房長度的確定 1. 發(fā)電機層 機組段長度 =+b=+2+式中：為發(fā)電機風罩外緣直徑；為發(fā)電機風罩內(nèi)徑；為風罩壁厚,一般為0.30.4m,取0.3m；為相鄰兩風罩外緣之間通道的寬度，一般取1.52.0m,取2m。則 =8.29+2×0.3+2=10.89m2. 蝸殼層 機組段長度 =+2式中：為蝸殼在廠房縱向的最大尺寸；為蝸殼混凝土厚度，對于金屬蝸殼，應滿足蝸殼安裝所需要的空間要求，最小空間尺寸不宜小于0.8m，取0.8m。則 =5.62+4.58+2

29、5;0.8=11.8m 3. 尾水管層 機組段長度 =+2 式中：為尾水管的寬度；為尾水管邊墩的混凝土厚度，至少取0.81.0m，大型機組可達2m。則 =7.48+2×1=9.48m 取三者中的最大值，即機組段長度=11.8m 4. 邊機組段加長=（0.11.0） 式中：為水輪的標稱直徑 設計安裝間在廠房的右端，則取大值=1.0×2.75=2.75m 5. 安裝間長度=（1.251.5） 因發(fā)電機為懸式發(fā)電機，則取小值=1.25×11.8=14.75m 綜上所述，主廠房的長度=+ 式中：為機組臺數(shù)；為機組段長度；為機組段加長；為安裝間長度； =2×11.

30、8+2.75+14.75=41.1m 6.2 主廠房的寬度 發(fā)電機層： 、分別為發(fā)電機層風罩外緣至上游側墻、下游側墻的寬度=+5=9.45m=+2.5=6.95m 水輪機層：水輪機層一般上下游側分別布置水輪機幫助設備（即油、水、氣管路等）和發(fā)電機幫助設備（電流、電壓互感器、電纜等）。這些設備布置一般靠墻、風罩壁布置或在頂板布置，不影響水輪機層交通，因此對廠房的寬度影響不大。 蝸殼層： 、分別為蝸殼在廠房橫向上游側、下游側的最大尺寸；為蝸殼外圍的混凝土結構厚度，取1m；為主閥室寬度，取4m。=3.82+1+4=8.82m=5.14+1=6.14m 廠房的上游側寬度和下游側寬度應取各層上、下游側寬度的最大值，即 則主廠房總寬度為=9.45+6.95=16.4m 6.3 主廠房各層高程的確定 1.水輪機安