沙厂水利枢纽—坝后式电站设计毕业设计计算书.doc

目录第 1 章水利枢纽布置11.1地质地形条件11.2坝轴线及电站布置情况11.2.1坝轴线11.2.2电站布置1第 2 章水轮机型号22.1HL240型水轮机主要参数22.1.1转轮直径22.1.2转速32.1.3效率及单位参数的修正32.1.4工作范围的验算42.1.5吸出高52.2ZZ440型水轮机方案主要参数62.2.1转轮直径62.2.2转速82.2.3效率修正值的计算82.2.4转速的修正92.2.5工作范围的验算92.2.6吸出高102.3水轮机的方案的分析比较11第 3 章蜗壳133.1型式133.2断面形状133.3包角和平均流速133.3.1进口断面的尺寸143.3.2变化规律143.3.3绘制辅助曲线15第 4 章尾水管174.1型式174.2尺寸174.3示意图18第 5 章调速设备及油压装置195.1调速功195.2接力器195.2.1直径195.2.2容积215.2.3调速器215.2.4油压装置22第 6 章发电机236.1发电机主要部分的尺寸估算236.1.1机距236.1.2定子铁芯内径236.1.3定子铁芯长度236.1.4定子铁芯外径246.2外形尺寸估算246.3平面尺寸的计算246.3.1定子机座外径246.3.2风罩内径256.3.3转子外径256.3.4下机架最大跨度256.3.5推力轴承外径和励磁机外径256.3.6轴向尺寸的计算266.3.7发电机重量估算27第 7 章压力引水管道297.1进水口297.1.1型式297.1.2高程297.1.3进水口曲线及尺寸307.1.4渐变段317.2压力管道327.2.1布置327.2.2直径327.2.3弯管段的曲率327.2.4管道壁厚327.2.5应力校核347.3拦污栅347.3.1布置347.3.2总面积357.3.3闸门启闭设备357.3.4通气孔35第 8 章厂房布置368.1高程368.1.1水轮机安装高程368.1.2尾水管底板高程378.1.3开挖高程378.1.4水轮机底板高程378.1.5发电机底板高程388.1.6吊车轨顶高程388.1.7屋顶高程388.2平面尺寸398.2.1主厂房长度398.2.2主厂房宽度428.3装配厂面积438.3.1位置438.3.2高程438.3.3宽度438.3.4长度43 第 1 章 水利枢纽布置1.1 地质地形条件沙厂水库，距密云县20公里。库区河谷宽缓，河曲较发育，呈不对称的“U”字形。河床高程130132m,右岸谷坡较为陡峭，坡度一般为，左岸相对平缓。库区河谷底宽一般为300450m。河谷两岸山体雄厚，山峰高程为175180m。库区内无区域性断层通过，未见较大断层发育，但受小规模断层影响，岩体中裂隙较为发育。库区基岩边坡稳定，不具备大型的基岩滑坡条件，局部为坡积及洪积物分布区以及粉壤土区，水库蓄水后可能造成局部塌滑，但对电站的运行基本无影响。总之，库区工程地质条件较为优越，不存在影响建筑物安全的工程地质问题。1.2 坝轴线及电站布置情况1.2.1 坝轴线图 11 坝轴线位置1.2.2 电站布置沙厂水电站采用坝后式水电站布置。其组成建筑物包括挡水建筑物，泄水建筑物，水电站进水建筑物，水电站引水及尾水建筑物，水电站平水建筑物，发电、变电和配电建筑物，其他建筑物等。第 2 章 水轮机型号根据水电站的工作水头（25.4535.40m），在反击式水轮机系列型谱表中查得HL240型水轮机和ZZ440型水轮机都可以使用，这就需要将两种水轮机都列入比较方案，对其参数分别予以计算和选定2.1 HL240型水轮机主要参数2.1.1 转轮直径 (2.1) 水轮机的额定出力 水轮机的单位流量 水轮机的设计水头 工况点相应的原型效率同时查得水轮机模型在限制工况下的效率，由此可初步假定水轮机在该工况的效率为91%。将以上各值代入上式得查表 21，选用与之接近而偏大的标准直径。 表 21 反击式水轮机转轮标称直径系列 单位：cm253035（40）42506071（80）8410012014016018020022525027530033038041045050055060065070075080085090095010002.1.2 转速 (2.2) 原型水轮机单位最优转速，查得，72 加权平均水头,30.43 水轮机转轮直径,4.1查表 22，选择与之相近且较大的同步转速100 。表 22 磁极对数与同步转速关系表磁极对数P3456同步转速n()1000750600500磁极对数P78910同步转速n()428.6375333.3300磁极对数P12141618同步转速n()250214.3187.5166.7磁极对数P20222426同步转速n()150136.4125115.4磁极对数P28303234同步转速n()107.110093.888.2磁极对数P36384042同步转速n()83.3797571.4磁极对数P444648 50同步转速n()68.265.262.5602.1.3 效率及单位参数的修正查得水轮机模型在最优工况下的，模型转轮直径，则原型水轮机的最高效率，即 (2.3) 模型水轮机的最高效率 原型水轮机的最高效率 模型水轮机的转轮直径 原型水轮机的转轮直径 考虑到制造工艺水平的情况取; 则效率修正值为： (2.4)由此求得水轮机在限制工况的效率为：（与原来假定的数值相差较大，需校正）故需另作假设假定=92.2% 同理可得，=3.79m , 选用与之接近且大的标称直径3.80m ; n=104.52，选用与之接近且较大的同步转速107.1 。重新修正：由此求得水轮机在限制工况的效率为：（与假定相同）单位转速的修正： (2.5)单位转速无需修正，同时单位流量也无需修正。2.1.4 工作范围的验算在选定的情况下，水轮机的和各种特征水头下相应的值分别为： (2.6)则水轮机的最大引用流量为： (2.7)对值：在设计水头时 (2.8) 在最大水头时 (2.9) 在最小水头时 (2.10)在HL240型水轮机的模型综合特性曲线图上，图 21 HL240型水轮机模型综合特性曲线分别画出的直线，如图所示。可以看出这些直线所标出的水轮机相似工作范围（阴影部分）仅包括了部分高效率区，所以对所选定的直径还须和其他方案作比较。2.1.5 吸出高 由水轮机的设计工况（ , ）查图 22得相应的气蚀系数。由设计水头 ，在查的=0.038，则可求得水轮出高为： (2.11) 可见，HL310型水轮机的吸出高度满足电站要求。图 22 HL240型水轮机模型综合特性曲线图 23 气蚀系数的修正曲线2.2 ZZ440型水轮机方案主要参数2.2.1 转轮直径 (2.12)式中值同前。对于值，可由表 23查得该型水轮机在限制工况的表 23 大中型轴流式转轮参数，同时还查得气蚀系数。但在允许高程时，则相应的装置气蚀系数为： (2.13)所以，为了满足对吸出高的限制，值可在ZZ440型水轮机模型综合特性曲线图 24上依工况点查得为。同时亦可查该工况点上，由此可初步假定水轮机的效率为86%。图 24 ZZ440型水轮机模型综合特性曲线将以上各值代入上式，便可求得：查表 21选用与之接近而偏大的标准直径。2.2.2 转速 (2.14)查表 22选择与之相近且较大的同步转速187.5。2.2.3 效率修正值的计算对轴流转浆式水轮机，叶片在不同转角时的最大效率可用下式计算，即 (2.15) 模型水轮机的最高效率 模型水轮机水头已知，代入上式，则得： (2.16)叶片在不同转角时的值可自图 24查得，由此便可应用上式求得相应于该角时的水轮机最高效率，并将计算结果列于表表 24。表 24 ZZ440型水轮机效率修正值计算表叶片转角-10-50+5+10+1584.988.088.888.387.286.089.991.992.592.191.490.65.03.93.73.84.24.64.02.92.72.82.63.0当选取制造工艺影响的效率修正值和考虑异形部件的影响时，便可计算得不同角时效率修正值为： (2.17)将的计算结果亦同时列入表4-8中。由附表2查得在最优工况下模型的最高效率，由于最优工况很接近于的等转角线，故采用效率修正值，这样便可得出原型水轮机的最高效率为： (2.18) 已知在限制工况模型的效率为：，而该点处于两等角线之间，用内插法求得该点的效率修正值，由此可求得水轮机在限制工况下的效率为： (2.19)与原来假定的效率86%相差较大，需校正。故需另作假设。假设=88.3%，同理可算得=3.84m，选择与之相近且较大的标称直径4.1m； n=154.73,选用与之接近且较大的同步转速166.7。=85.6% +2.7% =88.3% 与假定相同。2.2.4 转速的修正 (2.20)所以不考虑的修正，同时流速也不需修正。由此求得水轮机的转速为： (2.21)查选用与之接近而偏大的标准同步转速。2.2.5 工作范围的验算在选定的的情况下，水轮机的和各种特征水头下相应的值分别为： (2.22)则水轮机的最大引用流量为： (2.23)对值：在设计水头时 (2.24)在最大水头时 (2.25)在最小水头时 (2.26)图 25 ZZ440型水轮机模型综合特性曲线 在图 25分别画出的直线，如图所示。可以看出这些直线所标出的水轮机相似工作范围（阴影部分）仅部分包括了特性曲线的高效率区。2.2.6 吸出高 在设计工况（， ），时，由图 25可查得气蚀系数，由此可求得水轮机的吸出高为; (2.27) 水轮机的吸出高 水轮机的安装高程 水轮机实际运行的气蚀系数 气蚀系数修正值 设计水头可见ZZ440型水轮机的吸出高度满足电站要求。2.3 水轮机的方案的分析比较为了便于分析比较，现将两种方案的有关参数列于下表表 25 水轮机方案参数对照表序号项目ZZ440HL2401模型转轮参数推荐使用水头范围（m）203625452最优单位转速（r/min）115723最优单位流量（L/s）80011004限制工况单位流量（L/s）165012405最高效率（%）89926设计工况气蚀系数0.400.1977原型转轮参数工作水头范围（m）25.4535.425.4535.48转轮直径（m）4.13.89转速（r/min）166.7107.110最高效率（%）91.794.811额定出力（kW）250002500012最大引用流量（）99.8695.8713吸出高（m）-2.813.03从上表的对照中可以看出，两种不听的机型方案在同样水头下同时满足额定出力的情况下，HL240与ZZ440相比较来看，它具有效率高工作范围好,汽蚀系数小等优点，这可以提高水电站的年发电量和减小厂房的开挖量。HL240尺寸较小，这可以减小厂房的尺寸。所以选用HL240型水轮机。第 3 章 蜗壳3.1 型式水轮机的工作水头，选择混凝土蜗壳。3.2 断面形状图 31 蜗壳进口断面形状其中取 , , （为座环外径） , （为座环内径）3.3 包角和平均流速查图 32 =4.4（为蜗壳进口断面的平均流速）混凝土蜗壳通常采用，此处采用包角。图 32 蜗壳进口断面平均流速曲线（a）适用于水头小于60m的情况 （b）使用水头大于60m的情况水力计算3.3.1 进口断面的尺寸 (3.1) 蜗壳进口断面的面积 水轮机最大引用流量 蜗壳包角 蜗壳进口断面平均流速 ， , b=6.587m3.3.2 变化规律如图 33，图 33 混凝土蜗壳的水力计算采用直线变化规律，则AG，CH直线（如图中虚线所示）的方程为 对AG线 对CH线 式中：，为系数，可由进口断面尺寸确定，。3.3.3 绘制辅助曲线在进口断面作若干个中间断面，如图2-1中的0, 1, 2， i 断面，其外半径为（i=1,2,3 ）。由于 ，因此，结合上面两式可求出每一个的中间断面的尺寸， ， 及 ，从而求出各中间断面的面积为 (3.2) (3.3)将对应每一个求出的值绘于图2-2，并光滑连成曲线，即得到辅助曲线图 34 混凝土蜗壳的平面单线图第 4 章 尾水管4.1 型式本电站采用弯肘形尾水管。 4.2 尺寸其尺寸参照表 41 推荐的混凝土尾水管 2.24.51.8081.101.100.5740.941.302.34.52.4201.201.200.6001.621.272.64.52.7201.351.350.6751.821.22肘管形式适用范围金属里衬肘管混流式 标准混凝土肘管轴流式标准混凝土肘管混流式 表 42 电站尾水管推荐尺寸4.3 示意图图 41 混流式水轮机的尾水管第 5 章 调速设备及油压装置5.1 调速功 应用下式计算水轮机的调速功 (5.1)式中 (5.2)水轮机在工况点工作时的效率为0.922，由此属大型调速器，则接力器、调速柜和油压装置应分别进行计算和选择。5.2 接力器5.2.1 直径采用两个接力器来操作水轮机的导水结构，选用额定油压为2.5MPa，则每个接力器的直径可由下式求得： (5.3)表 51 系数导叶数162432标准正曲率导叶0.0310.0340.0290.032标准对称导叶0.0290.0320.0270.0300.0270.030已知导叶数目，为标准对称型导叶，由表 51查得=0.028；又导叶的相对高度为0.365代入上式得：由此，在表中选择与之接近而偏大的的标准接力器 表 52 导叶接力器系列接力器直径250300350400450500550600650700750800850900接力器最大行程的计算应用下式，接力器的最大行程为： (5.4)导叶最大开度可由模型的求得： (5.5)式中可由设计工况点在模型综合特性曲图 22上查得为26mm；同时在图 51上还可查得；图 51 尾水管形式选用水轮机的。将各值代入上式得：当选用计算系数为1.8时，则5.2.2 容积两个接力器的总容积，可由下式求得： (5.6)5.2.3 调速器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d可由下式计算 (5.7)选用、，则在表4-1中选择与之相邻而偏大的DT80型电气液压型调速器。5.2.4 油压装置此处油压装置不考虑空放阀和进水阀的用油，则压力油罐的容积可按下式估算，即： (5.8)由此在表 53中选择与之相邻而偏大的YZ1.6型分离式油压装置。表 53 油压装置系列型谱分离式组合式分离式组合式第 6 章 发电机6.1 发电机主要部分的尺寸估算，初步选定伞式发电机。6.1.1 机距 (6.1) P磁极对数，28取927778kw6.1.2 定子铁芯内径 (6.2)6.1.3 定子铁芯长度 (6.3)发电机额定容量，27778kW水轮机额定转速，107.1r/min 定子内径，757.96cmC计算系数，取为表 61 系数C6.1.4 定子铁芯外径 (6.4)6.2 外形尺寸估算发电机外形尺寸示意图：图 61 发电机外形示意图6.3 平面尺寸的计算6.3.1 定子机座外径 (6.5)6.3.2 风罩内径 (6.6)6.3.3 转子外径 (6.7)6.3.4 下机架最大跨度表 62 水轮机基坑直径 (6.8)其中(为水轮机基坑)6.3.5 推力轴承外径和励磁机外径表 63 推力轴承外径和励磁机外径 单位:mm查表 63得6.3.6 轴向尺寸的计算1. 定子机座高度 (6.9)2. 上机架高度 (6.10)采用伞式机架伞式非承载机架： (6.11)3. 励磁机高度副励磁机高度和永磁机高度查表 64得，表 64 推力轴承 励磁机和永磁机的高度4. 下机架高度全伞式承载机架： (6.12)5. 定子支座支撑面至下机架支承面或下挡风板之间的距离伞式承载机架： (6.13)6. 定子支座支撑面至下机架支承面或下挡风板之间的距离按以生产的发电机统计资料查得，7. 转子磁轭轴向高度有风扇时， (6.14)8. 发电机主轴高度 (6.15)9. 定子铁芯水平中心线至主轴法兰盘底面距离 (6.16)6.3.7 发电机重量估算1. 总重量 (6.17)计算系数取82. 转子重 (6.18)3. 发电机飞轮力矩 (6.19)查水轮机机电设计手册表3-10，取为5.2表 65 估算经验系数4. 起重机起重机的型式和台数取决于水电站的厂房类型、最大起重量和机组台数等条件。具有上部结构的厂房一般选用桥式起重机。起重机额定起重量应根据最重吊运件的重量（一般为发电机转子）加起吊工具的重量，并参照起重量系列确定，发电机转子重，乘以动力系数1.2，得，选双小车桥式起重机。第 7 章 压力引水管道7.1 进水口7.1.1 型式由于本电站是坝后式水电站，采用坝后式进水口。7.1.2 高程1. 淹没深度有压式进水口应低于运行中可能出现的最低水位（死水位），并有一定的淹没深度，以避免进水口前出现漏斗状吸气漩涡并防止有压引水道内出现负压，其中前者常为控制条件，漏斗状漩涡绘带入空气，吸入漂浮物，引起噪音和振动，减小过流能力，影响水电站的正常发电。不出现吸气漩涡的临界淹没深度按戈登经验公式估算图 71 进水口型式 (7.1) 临界淹没深度 闸门断面的水流速度，5m/s 闸门孔口高度,5.6m 经验系数 ,取0.53根据统计，取2. 顶部高程 (7.2)3. 底部高程有压式进水口的底部高程应高于设计淤沙高程 (7.3) 进水口底部高程 水电站淤沙高程7.1.3 进水口曲线及尺寸1. 曲线进口段上唇曲线采用1/41椭圆，其长轴a取1.1D（D为引水道渐变段末端直径）; 短轴取1/3。下唇采用直线，坡度为1:1。如图 72所示：图 72 进水口尺寸2. 尺寸 (7.4) (7.5)7.1.4 渐变段渐变段是由矩形闸门到圆形管道的过渡段。通常采用圆角过渡，如下图所示：其中1-1断面为闸门段，3-3断面为渐变段末端。圆角半径r按直线规律变为渐变段末端半径。渐变段的长度为管道直径的1.5-2.0倍，侧面扩散角以为宜。渐变段管道长度L取10m,侧面扩散角取图 73 渐变段剖面图图 74 渐变段平面图图 75 渐变段横截面图7.2 压力管道7.2.1 布置采用倾斜式布置，其轴线与下游坝坡平行.钢管在坝体内用软垫层与坝体混凝土分开，钢管基本上承受全部内水压力。7.2.2 直径大中型压力钢管的经济直径 (7.6)取 钢管的最大设计流量，95.87m/s 设计水头，28.9m7.2.3 弯管段的曲率一般为直径的23倍。此处取2.5倍即转弯半径7.2.4 管道壁厚 (7.7) 压力管道壁厚 水的容重， 设计水头，取28.9m 压力管道内径，5.6m 焊缝系数, 取0.92 容许应力查表 71：=0.67表 71 钢管容许应力应力区域膜应力区局部应力区荷载组合基本特殊基本特殊内力性质轴力轴力轴力和弯矩轴力轴力和弯矩容许应力明钢管0.550.70.670.850.81.0地下埋管0.670.9坝内埋管0.670.80.9管壁的结构厚度 (7.8) 管壁的结构厚度 压力管道壁厚 锈蚀裕度考虑制造工艺，安装，运输等要求，管壁的最小结构厚度不宜小于下式确定的数值，也不宜小于6mm。 (7.9) (7.10) 压力管道直径综上，管道壁厚取11mm。7.2.5 应力校核 (7.11) 压力管道壁厚 水的容重， 压力管道上的工作水头 压力管道内径，5.6m 焊缝系数, 取0.92 管道内水压力管道应力校核在最大工作水头 ，最小工作水头 ，设计水头 三种情况下进行。 (7.12) (7.13) (7.14)综上，所选管径和壁厚满足应力要求。7.3 拦污栅7.3.1 布置采用采用直线形拦污栅。7.3.2 总面积 (7.15)A拦污栅总面积水电站最大引用流量 过栅流速，取1.2m/s7.3.3 闸门启闭设备设两道闸门，即事故闸门和检修闸门。7.3.4 通气孔通气孔的面积： (7.16) 通气孔面积最大进气流量 允许进气流速，取75通气孔顶端应高于上游最高水位，以防水流溢出。 (7.17)通气孔顶端高程 水电站校核洪水位第 8 章 厂房布置图 81 厂房横剖面图8.1 高程8.1.1 水轮机安装高程 (8.1) 电站运行时出现的最低下游水位，取131.13m 吸出高度表 81 的水轮机过流量电站装机台数水轮机的过流量1台或2台1台水轮机50%的额定流量3台或4台1台机组的额定流量5台及以上1.52水轮机的额定流量图 82 厂下游水位流量关系曲线本电站采用4台机组，查表 81的水轮机过流量采用1台水轮机的额定流量 (8.2)可根据从图 82中查的8.1.2 尾水管底板高程 (8.3) 尾水管的高程8.1.3 开挖高程 (8.4)8.1.4 水轮机底板高程 (8.5) R 压力管道半径8.1.5 发电机底板高程 (8.6)> 取144.56m 下游最高洪水位表 82 水利枢纽主要参数表项目指标枢纽任务灌溉、防洪工程等级设计洪水位(m/s)167.95校核洪水位(m/s)169.30设计下泄洪水流量(m3/s)560校核下泄洪水流量(m3/s)798查表 82的校核下泄洪水流量 ，根据 从图 82查的8.1.6 吊车轨顶高程 (8.7)式中： 发电机定子高度和上机架高度之和2.91m； 吊运部件与之固定的机组或设备间的垂直净距0.5m。 最大部件的高度；（发电机转子带轴）8.744m 吊运部件与吊钩间的距离，取为1.0m。 主钩最高位置（上极限位置）至轨顶面距离1.24m；8.1.7 屋顶高程 (8.8) 起重机轨顶至小车顶面的净空尺寸；查设计手册得4.2m吊车检修高度0.5m；屋面板厚度；0.15m8.2 平面尺寸8.2.1 主厂房长度 (8.9)式中：主厂房长度； 机组台数； 机组段长度； 安装见长度； 边机组段加长。按蜗壳层、尾水管层和发电机层分别计算，然后取其中的最大值。1. 机组段长度1) 蜗壳层图 83 蜗壳平面尺寸图 (8.10) (8.11) (8.12) 机组段+x方向的长度 机组段-x方向的长度 蜗壳+x方向最大平面尺寸,取5.54m 蜗壳-x方向最大平面尺寸,取3.85m 蜗壳外部混凝土厚度，取1.5m 尾水管边墩混凝土厚度，取1.5m2) 尾水管层图 84 尾水管层平面图取对称尾水管 (8.13) (8.14) (8.15) 尾水管宽度3) 发电机层图 85 发电机布置平面图 (8.16) (8.17)其中发电机风罩内径，11.622；b两台机组之间风罩外壁净距，取为3m发电机风罩壁厚，取为0.4m (8.18) 取以上三者中的最大值，。2. 边机组段加长 (8.19)取3m。3. 安装间长度 (8.20)取20m则主厂房的长度： (8.21)最终确定=90m 8.2.2 主厂房宽度 (8.22)主厂房的净宽上游侧宽度下游侧宽度1. 水下部分宽度上游侧宽度： (8.23) 座环半径 座环混凝土保护层厚度C 蝶阀坑宽度下游侧宽度 (8.24) 座环半径 座环混凝土保护层厚度 蜗壳下游侧断面直径 走道宽度主厂房净宽： (8.25)2. 水上部分宽度上游侧宽度： (8.26) 发电机风罩内径，取11.622m 发电机风罩壁厚，取0.4m布置调速器，油压设备及机旁屏必须的距离，取5m下游侧宽度： (8.27) C下游走道宽度，取2m则主厂房净宽: (8.28)取二者中的最大值，拟定主厂房的宽度为：20m (8.29)8.3 装配厂面积8.3.1 位置装配厂一般都布置在主厂房有对外道路的一侧。8.3.2 高程 装配厂的高程 发电机层的高程8.3.3 宽度 装配厂的宽度 主厂房净宽8.3.4 长度 装配厂的长度 机组段的长度取 43