水电站课程教学设计计算使用说明.doc

.-水电站厂房设计说明书(MY水电站)1.绘制蜗壳单线图1.1蜗壳的型式水轮机的设计头头Hp=46.2m40m，水轮机的型式为HL220-LJ-225，可知本水电站采用混流式水轮机，转轮型号为220，立轴，金属蜗壳，标称直径D1=225cm=2.25m。1.2蜗壳主要参数的选择1金属蜗壳为圆断面，由于其过流量较小，蜗壳的外形尺寸对水电站厂房的尺寸和造价影响不大，因此为了获得良好的水力性能一般采用= 340350。本设计采用 = 345，通过计算得出通过蜗壳进口断面的流量Qc，计算如下：单机容量：，选取发电机效率为=0.96，这样可求得水轮机的额定出力：设计水头：Hp=Hr=46.2m，D1=2.25m 由此查表得：= 0.91水轮机以额定出力工作时的最大单位流量：水轮机最大引用流量：蜗壳进口断面流量：根据水力机械第二版中图4-30可查得设计水头为46.2m60m时蜗壳断面平均流速为Vc=5.6 m/s。由附表5可查得：座环外直径Da=3850mm，内直径Db=3250mm，；座环外半径ra=1925mm，座环内半径rb=1625mm。座环示意图如图一所示：座环尺寸(mm)比例：1：1001.3蜗壳的水力计算1.3.1对于蜗壳进口断面 断面的面积： 断面的半径：从轴中心线到蜗壳外缘的半径：1.3.2对于中间任一断面设为从蜗壳鼻端起算至计算面i处的包角，则该断面处， 其中：，。 表一 金属蜗壳圆形断面计算表00001.925151.5920.2840.3012.527303.1830.5680.4252.776454.7750.8530.5212.967606.3671.1370.6023.128757.9581.4210.6733.270909.5501.7050.7373.39910511.1421.9900.7963.51712012.7332.2740.8513.62713514.3252.5580.9033.73015015.9172.8420.9513.82816517.5083.1260.9983.92118019.1003.4111.0424.00919520.6923.6951.0854.09521022.2833.9791.1264.17622523.8754.2631.1654.25524025.4674.5481.2034.33225527.0584.8321.2404.40627028.6505.1161.2764.47828530.2425.4001.3114.54830031.8335.6851.3454.61631533.4255.9691.3794.68233035.0176.2531.4114.74734536.6086.5371.4434.8111.3.3 蜗壳断面为椭圆形的计算对于中间任一断面（依据水力机械以及水电站机电设计手册（水力机械），当圆形断面半径时，蜗壳的圆形断面就不能与座环蝶形边相切这时就改成椭圆形断面。则由椭圆断面过渡到圆形断面时的临界角计算如下：当时， 如上图所示，由水电站动力设备设计手册查得：蝶形边高度可近似地定为，为座环蝶形边锥角，一般取55。临界值S=0.882m。由圆形断面=3450，得由此得临界角结合可知，当断面包角在0151的时候，取椭圆断面。椭圆短半径，椭圆长半径 椭圆断面中心距 d=ra-rb椭圆断面外半径 计算结果见下表二：表二 金属蜗壳椭圆形断面计算表A00.0000.0000.129-0.1650.5681.7242.292150.0140.2510.326-0.0250.6101.8952.505300.0280.3650.5460.1070.6502.0562.706450.0420.4570.7830.2310.6872.2072.894600.0560.5371.0340.3480.7222.3493.072750.0710.6101.2970.4590.7562.4853.241900.0850.6781.5710.5660.7872.6153.4031050.0990.7411.8550.6680.8182.7403.5591200.1130.8022.1490.7670.8482.8613.7091350.1270.8602.4530.8640.8772.9793.8561510.1420.9202.7860.9640.9073.1013.689根据计算结果，画蜗壳单线图，如下图所示，比例为，单位为mm。图二 蜗壳单线图2.尾水管单线图的绘制根据已知的资料及下图，得此水电站尾水管对应的尺寸如表三： 尾水管单位参数示意图（5-1）表三 蜗壳尾水管尺寸型式D1参数1.002.932.782.501.5250.7951.291.1141.3841.4052.6854.092.533.5510.4尺寸2.256.5936.2555.6253.4311.7892.902.5073.1143.1616.0419.205.697.9910.4根据资料，选取的是弯肘型尾水管。弯肘型尾水管是由进口直锥段、肘管和出口扩散管三部分组成。2.1 进口直锥段进口直锥管是一垂直的圆锥形扩散观，D3为直锥管的进口直径：对混流式水轮机由于直锥管与基础环相连接，可取D3和转轮出口直径D2相等；对于混流式水轮机，其锥管的单边扩散角可取7 9；h3为直锥管的高度，增大h3可减小肘管的入口流速，减小水头损失。进口锥管高度：进口锥管上下直径：2.2 肘管肘管是一90变截面弯管,其进口为圆断面，出口为矩形断面。水流在肘管中由于转弯受到离心力的作用，使得压力和流速的分布很不均匀，而在转弯后流向水平段时又形成了扩散，因而在肘管中产生了较大的水力损失。影响这种损失的最主要因素是转弯的曲率半径和肘管的断面变化规律，曲率半径越小则产生的离心力越大，一般推荐使用的合理半径R=(0.61.0)D4，外壁R6用上限，内壁R7用下限。为了减少水流在转弯处的脱流及涡流损失，因此将肘管出口作成收缩断面，并使断面的高度缩小宽度增大，高宽比约为0.25，肘管进、出口面积比约在1.3左右。肘管出口断面高度：h6=Hl=1.789m肘管出口断面宽度：B6=B5=7.988m 2.3 出口扩散段 出口扩散段是一水平放置断面为矩形的扩散段，其出口宽度一般与肘管出口宽度相等；其顶板向上倾斜，根据其出口宽度并不是很大，所以不用加设中间支墩。仰角 =10.4，长度：L1=3.161m，L2=6.041m，L=9.202m2.4 尾水段的高度尾水管的总高度h和总长度L是影响尾水管性能的重要因素。总高度h是由导叶底环平面到尾水管之间的垂直高度。对于混流式水轮机由于直锥管环相连接，可取D3 = D2 = 2.507m。D1=2.25m2.6D1=5.85m，故满足要求。对于总长度L，通常取L=(3.54.5)D1=7.87510.125m，L=9.203m。所以总长度也满足要求。2.5 尾水管单线图根据以上的数据绘制单线图如下图三。图三 尾水管单线图3.拟定转轮流道尺寸根据水电站机电设计手册水力机械分册，已知时，HL220型的尺寸可以D1=2.25m时的转轮流道尺寸，如图四：图四 转轮流道尺寸（单位：m）4.厂房起重设备的设计水电站厂房采用的起重设备形式和台数取决于厂房类型、最大起重量和机组台数等。因为为岸边引水式厂房，故采用桥式起重机。由于本水电站吊运构件中最重的为发电机转子带轴重为82.6t 100t，且机组台数。故选1台单小车桥式起重机，型号为。其具体数据如下：取跨度：L=16m； 起重机最大轮压：35.9t；起重机总重：77.3t； 小车轨距：LT=4400mm；小车轮距：KT=2900mm； 大车轮距：K=6250mm；大梁底面至轨道面距离：F=130mm； 起重机最大宽度：B=8616mm；轨道中心至起重机外端距离：B1=400mm；轨道中心至起重机顶端距离：H=3692mm；主钩至轨面距离：h=1474mm；吊钩至轨道中心距离（主）：L1=2655mm,L2=1900mm；副吊钩至轨道中心距离：L3=1300mm，L4=2355mm；轨道型号：QU100。5. 厂房轮廓尺寸5.1主厂房总长度的确定： 厂房总长度取决于机组段的长度、机组台数和装配场长度。总长 （其中n为机组台数，为机组段长度，为装配场长度，为端机组段附加长度）5.1.1机组段长度L1的确定机组段的长度L1是机组的中心距离。主要由蜗壳、尾水管、发电机风罩在x轴方向（厂房纵向）的尺寸来决定。（1）按蜗壳层推求： 其中，R1为当时的，即R1=4.811m ，R2为当时的，即R2=3.921m 。分别为蜗壳左右外围混凝土的厚度，初步设计时取1.21.5m，这里均取1.3m，所以蜗壳层对应：（2）按尾水管层推求：其中为尾水管的出口宽度，为尾水管混凝土边墩厚度，初步设计时可取1.52.0m，大型机组取2.0m。已知，在这里取取。 所以尾水管层对应：（3）按发电机层推求：其中为发电机风壁厚，一般取0.30.4m,这里取0.35m，为相邻两风罩外壁净距，一般取1.52m,这里取1.8m，由已知资料可知，发电机风罩内径。所以发电机层对应：据以上三种结构的计算情况，厂房的机组间距由水轮机尾水管层推求的长度决定,取。最后取机组段长度为11.600m。5.1.2端机组段附加长度的确定5.1.3装配厂长度的确定装配场与主机室宽度相等，以便利用起重机沿主厂房纵向运行。装配场长度一般约为机组段长的1.01.5倍。对于混流式采用偏小值，这里取1.1。 5.1.4厂房的总长度最终取厂房的总长度L = 60.000m。也就是机组段长度不变，端机组段附加长度减少6cm，再加上沉降缝的2cm，因此机组段附加长度最后为82cm。5.2 主厂房宽度的确定5.2.1以机组中心线为界，厂房宽度可分为上游侧宽度和下游侧宽度两部分，。其中，,取，风罩外壁至上游内侧的净距，取5m。所以，除满足发电机层要求外，还要满足蜗壳方向和混凝土厚度要求。对于发电机层：。其中，风罩外壁至下游墙内侧的净距，主要用于主通道取。所以，对于蜗壳层方向为：。其中：为为时的，为4.406m；为混凝土保护层的厚度，取1.5m此时对应的=4.406+1.5=5.906m由于5.906m 6.55m，所以取因此，。5.2.2由厂房的辅助设备，根据桥机跨度确定主厂房的宽度根据起重机设备可知桥机的跨度为=16m。图五 桥机牛腿以上：牛腿以下：其中： b1桥机端与轨道中心线的距离，查桥机的有关规定取0.4m b2桥机端部与上柱内面间距，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：综上所述，取主厂房的宽度B为19.2m.6.厂房各层高程的确定6.1水轮机组安装高程竖轴混流式水轮机安装高程由下式计算，。其中，查表可得导叶相对高度为0.25。因此，导水叶高度：已知，气蚀系数；气蚀系数修正值；计算水头；水电站厂房所在地点海拔高程的校正值。所以水轮机允许吸出高度：。对于水电站厂房建成后下游设计最低水位，由于本水电站有4台机组，所以取一台机组流量对应的尾水位。故根据资料，得出：则，水轮机组安装高程：6.2 尾水管底板高程 尾水管底板高程： 其中：hw底环顶面至尾水管底板的距离则，尾水管底板高程：6.3 主厂房基础开挖高程 主厂房基础开挖高程：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从水轮机安装高程向下量取到尾水管出口顶面的距离 则，主厂房基础开挖高程：6.4 进水阀层地面高程进水阀层地面高程：其中：钢管中心线高程，；引水钢管半径，蝶阀尺寸3400mm，则r1=1.7m；hl钢管底部至主阀室地面的高度，钢管底部作通道，hl应大于1.8m，此处取hl =2m。则，进水阀层地面高程： 6.5 水轮机层地面高程水轮机层地面高程：其中：h4蜗壳进口半径和蜗壳顶混凝土层，金属蜗壳的保护层一般不少于1.0m ,蜗壳进口半径为1.443m ,蜗壳上部混凝土厚度可取1.0m ,所以h4=2.443 m 。则：。由于水轮机层的地面高程一般取100mm的整数倍。故最终水轮机层地面高程：= 94.900m6.6 发电机安装高程发电机安装高程：其中：h5进人孔高度，一般取1.82.0m，此处取1.9m；h6进人孔顶部厚度，一般为左右1.0m，此处取1.0m。则，发电机安装高程：6.7 发电机层楼板面高程 发电机层楼板高程：并且，满足要求。最高尾水位，不会淹没厂房。因此，发电机层楼板高程：6.8 起重机（吊车）的安装高程起重机（吊车）的安装高程：其中：h7发电机定子高度和上机架高度之和。发电机上机架高度为0.993m，定子机座高为1.8m。发电机定子为埋入式故h7=0.993m； h8吊运部件与固定物之间的垂直净距离，一般为0.61.0m，这里取0.7m； h9最大吊运部件高度，由资料知h9=5.02m； h10吊运部件与吊钩之间的距离，一般在1.01.5m左右，取h10=1.3m； h11主钩最高位置至轨顶面距离h11=1.474m则，起重机（吊车）的安装高程： 。6.9 屋顶高程屋顶高程：其中h12轨道面至起重机顶部距离h12=3.692m；h13检修吊车在车上留有0.5m高度，h13=0.5m；则 ，屋面大梁的高度、屋面板厚度等取0.8m，则屋顶高程为114.399m。7.安装间的位置选择及设计因为进厂的公路在主厂房的右侧，为了运输方便，把安装间布置在厂房的右侧。由前面已知安装间的长度12.760m，宽与主厂房同宽为19.2m。同时，为了满足主变能推入安装间进行维修，在安装间下游侧设置了尺寸为的变压器坑；在安装内设有的发电机转子检修坑，方便发电机转子检修。1)位置：进厂的公路在主厂房的右侧，为了运输方便，把安装间布置在厂房的右侧；2）尺寸：已知安装间的长度为12.747m ，宽与主机室同宽为19.2m。安装间地面高程为99.92m 与发电机层楼板高程同高，这样可以利用紧邻的机组段场地进行安装、检修；3）变压器坑：为了满足主变压器能推入安装间进行维修，在安装间下游侧设置尺寸为的变压器坑；4）检修坑：在安装间内设有直径为4.9m的发电机转子检修坑，方便发电机转子检修；5）吊物孔和楼梯：在安装间上游侧设有2.5m3.0m的吊物孔，供吊运设备用；靠上游侧设有检修运行用的楼梯，净宽1.2m，坡度35。6）大门：厂房的大门尺寸取决于运入厂房内最大部件的尺寸。因为上机架为6.47m，转子直径为4.9m，因此选用门宽为6m，高7m。为安全起见，门向外开。对安装间的具体说明如下：发电机转子直径周围应留2.0m的空隙，以供安装磁极之用。发电机上机架周围留有1.0m的间隙，供作通道用。水轮机顶盖及转轮周围留有1.0m间隙，供作通道之用。8. 厂区布置由于密云电站是河岸地面厂房，故其布置可如下面布置图。对于方案（一）,由于主变在主厂房的上游侧，它离主机组最近，因此线路最短，最方便，电能损失小，但是主变厂与主厂房的距离增加，增加了发电机电压母线的长度，并且加大了电能损失。副厂房设在主厂房的下游侧，虽然电气设备的线路都集中在下游侧，与水轮机进水系统互不交叉干扰，但是尾水管的振动较严重，容易引起电气设备的误操作，并且可能要延长尾水管长度，增加厂房下部结构尺寸和工作量。对于方案（二），在厂房与后山坡之间形成一个很宽的地带，刚好用来布置副厂房及主变压器厂，并且主变压器厂就在主厂房后面，可以减少发电机电压母线的长度，减少电能损失和故障机会。开关站和主变压器厂也比较接近。副厂房设在主厂房的上游侧，布置紧凑，电缆短，监视机组方便。但是会使引水管道增长，不易适应电站的分期建设、提前发电的要求等。图 1厂房布置方案（一）图 2 厂房布置方案（二）经过对方案（一）、方案（二）的比较，总体来说，方案（二）要好一些。故采用方案（二）。9.主厂房内部布置蜗壳之间布置蝴蝶阀，在事故停机或检修时，关断水流，在尾水管出口处备有检修闸门，当尾水管或水轮机检修时，用来挡住尾水进入。在发电层上游侧，布置每台机组的调速器和机旁盘，各布置油压装置一台，每个机组段(对应蝶阀中心)均留有蝴蝶阀吊孔。将励磁盘与机旁盘布置在一起，布置在靠墙处，并且离墙至少有80100cm的检修距离，发电机层的下游侧为安全通道，不布置设备。在4号机组上游侧布置去副厂房的楼梯。吊阀孔取正方形，加上每侧增加的0.25m。取边长3.65m水轮机层4号机组段上布置去蝴蝶阀层的楼梯。作用筒布置在机座的上游侧，调速器恢复机构（杠杆）在右侧作用筒上，并与位于发电机层的调压器的有关机构相对应。两台高压空气压缩机布置在3号机组作用筒的右侧，为油压装置充气之用。每一机组段上都布置着励磁室。在水轮机层的1号机组左边与3号机组左边布置的有楼梯，可直接通往尾水管层。每条压力管道上均安装有蝴蝶阀，在其前为伸缩节。每个机组段都设有漏油装置，在3号机组段上设有集水井。排水沟布置在上游墙侧，在集水井旁布置尾水管排水泵两台，集水井排水泵两台，在2号机组上，布置消防水泵一台，每个机组段上均设有进入尾水管的进水廊道。为了避免地基不均匀沉降，在主副厂房之间，主厂房与装配场之间用沉降缝分开，缝宽2cm。10. 结构布置主厂房水轮机层以上部分,除了机座之外，主要为梁板，柱的结构。发电机层楼板厚度为30cm，支承在通风罩和上下游混凝土墙的牛腿上，由于分期施工要求，在机组间加设了刚架柱，不仅用来支承发电机层楼板的荷载，而且具有加强构架的作用，刚架大梁的断面为50cm100cm,立柱的断面是50cm50cm。构架柱的下断面为1.0m1.50m的矩形断面，上断面则为1. 0cm0.50cm，牛腿高为1.20m，倾角为45度，直角边长为0.50米，构架的间距为6.00米。副厂房选用的结构形式是钢筋混凝土钢架。副厂房的一部分荷载传递到主厂房构架上，因而其分缝与主厂房分缝相一致。构架立柱断面为0.5m0.5m。中央控制室主梁断面为0.5m1.0 m。其余各层的主梁断面为0.40m0.60m。次梁断面为0.20m0.4m、0.20m0.5m和0.25m0.50m三种。楼板厚度为710cm。11. 厂房混凝土的浇筑分期厂房混凝土由于机组安装的要求，一般分成两期浇筑。其中尾水管、上下游墙、排架柱、吊车梁以及部分楼板层梁，在施工中先行浇筑混凝土，称为一期混凝土。而为了机组的安装和埋件需要预留空位，要等到机组部分设备到货，尾水管圆锥段钢板内衬和金属蜗壳安装好后再行浇筑，称为二期混凝土。12. 设计成果设计成果绘制成两张A1的图纸：其中厂房横剖面图一张（手绘），包括主要设备技术指标表，比例1:100；厂房发电机层、水轮机层、蜗壳层、尾水管层平面图一张（打印），比例1:200。参考文献1水力机械第二版，金钟元编，水利水电出版社1992年6月2水电站厂房设计规范北京：中国水利水电出版社，2001年5月3水工设计手册华东水利学院主编， 北京：水利电力出版社，1980年10月4水电站机电设计手册水电站机电设计手册编写组，北京：水利电力出版社