水电站课程设计AB

1。 设计题目

水电站厂房布置设计

2。 设计目的

进一步巩固和加深厂房部分的理论知识，培养学生思考、分析问题及运用理论知识解决实际问题的能力，提高学生制图、使用现行规范、查阅技术资料、使用技术资料的能力以及编写设计说明书的能力。通过该课程设计使学生初步掌握水电站厂房设计的内容、步骤和方法。

3. 设计内容

根据所学知识,指导学生完成水电站的设计。具体指导内容为： （1）机组选型

选择水轮机、发电机的型式和尺寸,确定其主要参数；

蜗壳及尾水管设计。包括确定蜗壳型式、包角及进口尺寸，绘制蜗壳单线图；确定尾水管型式及尺寸。

（2）主厂房轮廓尺寸确定

确定主厂房长、宽、高的轮廓尺寸； 进行主厂房内部布置设计。

4。 设计资料

某水利枢纽工程，具有防洪、灌溉、发电、养殖和旅游等功能。水电站厂房为坝后式，通过水能计算确定该水电站装机容量为10000KW，两台机组，发电机效率为0.95，水轮机允许吸出高度度Hs不小于—1.0m;厂房所在处平均海拔高程为440。00m.

1. 水位

经多水位方案比较,最终采用正常蓄水位为470.00m，死水位为459。00m，距厂房下游100m处水位-流量关系见下表:

表 下游水位—流量关系表

流量Q （m3/s） 水位Z （m） 5 10 15 20 30 40 60 80 430。80 430.95 431。06 431.16 431。35 431.50 431。75 431。95 2. 机组供水方式 单元供水 3。 水头

该水电站水头范围Hmax=39.00m，Hmin=28。00m，加权平均水头Hav=33。00m。

5. 设计成果

（1）手写和打印设计计算说明书各1份

说明书内容应包括设计原始资料、设计原理和构思以及各部型式和尺寸,叙述清楚,阐明设计原则和依据，字迹工整、文句通畅,计算书应列出使用公式和参数,并附有计算简图。

（2）CAD绘制设计图纸2张（3号图纸）

内容包括主厂房横剖面图，蜗壳平面图各1张.要求图纸尺寸、规格、线条、字体都要参照国家制图标准.

第 一 章 水轮机选型计算

第一节

水轮机型号的选择

根据水电站的工作水头范围,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。

第二节 第三节

水轮机主要参数计算

HL240型水轮机方案主要参数计算

1转轮直径的计算

D1Nr 32Hrη9.81Q1Nr5263kW;Hr31.35m;1240L/s1.24m3/s(由附表1查得)。Q1式中 同时在附表1中查得水轮机模型在工况下的效率η定水轮机在该工况的效率为92％。

将以上各值代入上式得

D152631.m 329.811.2431.350.92M=90.4%，由此可初步假

选用与之接近而偏大的标准直径D11.8m

2效率修正值的计算

由附表1查得水轮机模型在最优工况下的ηMmax=92.0%，模型转轮直径

D1M=0.46m，则原型水轮机的最高效率ηηmax1-(1-ηMmax)5max可依（3-23）式计算，即

D1M0.461-(1-0.92)593.9%D11.8

考虑到制造工艺水平的情况取ε1=1%；由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型基本相似,故认为ε2=0,则效率修正值Δη为：

Δηηmax-ηMmax-ε10.939-0.92-0.010.009

由此求得水轮机在工况的效率为：

ηηMΔη0.9040.0090.913%（与原来假定的数值接近，不再校正）

3转速的计算

n=′Han10 D1′=n10′′Δn1M+式中 n10。

′M=72r/min,同时由于 由附表1查得在最优工况下的n10ηmaxΔn10.939-1-10.0100.03n10MηMmax0.92′′所以Δn1可忽略不计，则以n10=72代入上式得：

n7233230r/min1.8

选用与之接近而偏大的标准同步转速n250r/min

4工作范围的验算

′在选定的D11.8m、n250r/min的情况下,水轮机的Q1max和各种特征水′头下相应的n1值分别为：

Q1maxNr526331.031.24m/s9.81D12Hr32η9.811.8231.35320.913

则水轮机的最大引用流量Qmax为：

maxD12Hr1.031.8231.3518.69m3/sQmaxQ1

′对n1值:在设计水头Hr31.35m时

rn1在最大水头

nD1Hr时

2501.831.3580.37r/min

Hmax39.0mminn1nD1Hmax2501.839.072.06r/min

在最大水头Hmin28.0m时

maxn1nD1Hmin2501.828.085.04r/min

在HL240型水轮机的模型综合特性曲线图上，分别画出

max1030L/s、n1min72.06r/min和n1max85.04r/minQ1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）基本包括了高效率区,所以对所选定的直径D11.8,n250r/min是合理的，但还须和其他方案作比较。

5水轮机吸出高Hs的计算

由水轮机的设计工况（

r80.37,Q1max1030n1）在图上可查得相应的气蚀系

数σ=0.195;由设计水头Hr31.35m，在图2—16上查得Δσ=0.04,则可求得水轮机的吸出高为：

∇440Hs10.0--(σΔσ)H10.0--(0.1950.04)31.352.1m-1m900900

第四节 ZZ440型水轮机方案主要参数的计算

1 转轮直径D1的计算

D1=Nr9.81Q1′Hr32η

式中Nr、Hr值同前。对于Q1′值,可由附表2查得该型水轮机在工况下

1650L/s，同时还查得气蚀系数σ=0.72。但在允许高程Hs-1m时,则的Q1相应的装置气蚀系数σz为：

10.0-σz∇440-Hs10.0-1900900-0.038-0.0380.300.72H31.35

所以，为了满足对吸出高的,Q1′值可在ZZ440型水轮机模型综合特性曲线图上依工况点

115、σ0.30)(n10查得为820L/s.同时亦可查该工况点上

ηM%，由此可初步假定水轮机的效率为91.5%。

将以上各值代入上式，便可求得：

D152632.03m329.810.8231.350.915

选用与之接近而偏大的标准直径D12m

2 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η算,即

ηmasmax可用(3-24）式计

max1(1Mmax)0.30.75D1MD110HMH

已知D1M0.46m、HM3.5m、D14.5m、Hr31.5m，代入上式，则得:

max1(1Mmax)0.30.750.46103.510.719(1Mmax)231.35

叶片在不同转角时的

Mmax值可自图3-10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表4-8 叶片转角() Mmax(%)max，并将计算结果列于表4-8. 0 88。8 92.6 3。8 2。8 +5 88.3 92。3 4.0 3。0 +10 87。2 91.6 4.4 3.4 +15 86。0 90。8 4.8 3.8 -10 84。9 90.1 -5 88。0 92。1 4.1 3。1 max(%) maxMmax(%)5.2 4。2 (%)

当选取制造工艺影响的效率修正值11%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:

maxMmax1%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

Mmax%,由于最优工况很

2.6%接近于0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max为:

max0.0.0260.91691.6%

115、Q11240)模型的效率为：M86%， 已知在工况(n10而改点处

于0与5两等角线之间，用内插法可求得该点的效率修正值为

2.68%，由此可求得水轮机在工况下的效率为：

0.860.02680.916891.68%

与原来假定的效率91。5%很接近,不在校正

3 转速的计算

n1max0.916110.01450.03n10MMmax0.由于

所以不考虑n10的修正,由此求得水轮机的转速为： nHan10D111533333.31r/min2

选用与之接近而偏大的标准同步转速n15r/min。

4 工作范围的验算

在选定的D12m、n333.3r/min的情况下，水轮机的Q1max和各种特征水

值分别为： 头下相应的n1maxQ1526330.82m/s2329.81231.350.9168

则水轮机的最大引用流量Qmax为：

maxD12Hr0.822231.3518.37m3/sQmaxQ1

值：在设计水头Hr31.35m时 对n1rn1在最大水头

nD1Hr333.3231.35119.05r/min

Hmax39.0m时

minn1nD1Hmax333.3239.0106.74r/min

在最小水头Hmin28.0m时

maxn1在

图

上

nD1Hmin333.3228.0，

125.98r/min

分

别

画

出

max820L/s、n1min106.74r/min、n1max125.98r/minQ1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）基本上包括了特性

曲线的高效率区。 5 水轮机吸出高Hs的计算

在设计工况

r119.05、Q1max820)(n1时,由图3—10可查得气蚀系数

0.30，由此可求得水轮机的吸出高Hs为;

Hs10.0440()H10.0(0.300.04)31.351.15m1m900900（不满足要求)

故最后选用HL240型水轮机。

第 二 章 水轮发电机选择计算

1发电机主要部分的尺寸计算

n250r/min，初步选定悬式发电机

一 机距

Kj4P—磁极对数，12;

Sf2P

Kj-取8—9；

Nr52635847.78kW90%0.9；

Sf945847.7835.5cm212

二 定子铁芯内径

Di2P21235.5271.2cm

三 定子铁芯长度

ltSfCDi2ne5847.78106.01cm3106271.22250

Sf—发电机额定容量；

ne—水轮机额定转速; Di -定子内径，;

C-计算系数,取为310。（空冷）

6四 定子铁芯外径

ne250r/min166.7r/min,DaDi271.235.5306.7cm

Di271.20.0100.035,故采用悬式。 ltn106.1250第 二 节 外形尺寸估算

一 平面尺寸估算

1 定子机座外径D

1 214ne250r/min300r/min

D11.2Da1.20306.7368.04cm

2 风罩内经D2

Sf5847.78kW20000kW,D2D12m368.04200568.04cm

3 转子外径D3

D3Di2271.20271.2cm

4 下机架最大跨度D4

Sf5847.78kW,1000Sf100000

D4D56028060340cm其中

D5280cm查表3-6（水电站机电设计手册）

5 推力轴承外径D6和励磁机外径D7

查表得

D6200cm,D7140cm查表3—7（水电站机电设计手册)

二 轴向尺寸的计算

1 定子机座高度h1

ne250r/min，214r/minne

h1lt2106.1235.5177.1cm

2 上机架高度h2

悬式承载机架：

h20.25Di0.25271.267.8cm

3 推力轴承高度h3励磁机高度h4、副励磁机高度h5和永磁机高度h6

查水电站机电设计手册表3—8得,

h3=100cm,

Sf5847.78kW20000kW

h4150cm、h560cm、h650cm

4 下机架高度h7

悬式承载机架：

h70.12Di0.12271.232.54cm

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h8

悬式承载机架：

h80.15Di0.15271.240.68cm

6 下机架支承面至主轴法兰底面之间的距离h9

按以生产的发电机统计资料查得，

h970cm

7 转子磁轭轴向高度h10

有风扇时，

h10lt70106.170176.1cm

8 发电机主轴高度h11

h11(0.7~0.9)H0.8(h1h2h4h5h6h8h9)

0.8(177.167.8100150605032.5440.6870)

598.50cm

9 定子铁芯水平中心线至主轴法兰盘底面距离h12

h120.46h1h100.46177.1176.1257.57cm

三 水轮发电机重量估算

1 水轮发电机的总重量Gf

SfGfK1ne235847.7892502373.6(t)

计算系数K1取9

2 发电机转子重G2

G211Gf73.636.8(t)22

3 发电机飞轮力矩GD

GD2K2Di3.5lt5.22.7123.51.06181.06(t•m2)2

查水轮机机电设计手册表3-10,K2取为5.2。

第 三 章 蜗壳的型式及其主要

尺寸的确定

采用金属蜗壳，圆形断面，为防止渗漏和减少磨损，在蜗壳内壁作钢衬，钢

板的厚度取10mm

蜗壳的水力计算就是在上述假定的基础上进行蜗壳各中间断面的计算.计算是在给定的水轮机设计水头Hr、最大引用流量Qmax、导叶高度b0。坐环尺寸（Da、Db等)和选择的蜗壳断面形式、最大包角0、进口平均流速Vc的情况下进行的。混凝土蜗壳的水力计算采用半图解法较为方便。 1 对于蜗壳进口断面:

FcQcQmax0Qc34518.693.41m2Vc360VcVc3605.25

断面的面积

断面半径 maxQmax03600VcFc3.411m 3.14由《水利机械》附表5查得金属蜗壳座环尺寸，座环外Da =3m,座环内径Db=2。5m，转轮直径D1=1。8m。

半径/ 2 RaDa31.5 220345当时，iQmaxi18.6934501.038m 003605.253605.25Da2i1.521.0383.6m 2 R0300当时，i18.6930000.968m 03605.25 R1.520.9683.4m

0255当时,i0.2m

R3.3m

0210当时，i0.810m

R3.1m

0165当时，i0.718m

R2.9m

0120当时，i0.612m

R2.7m

0当75时, i0.484m

R2.5m

030当时， i0.306m

R=2。1m

第 四 章 尾水管的型式及其主要尺寸的

确定

选用弯肘型尾水管

表4—17 推荐的尾水管尺寸表 参数 D1 h L B5 D4 h4 h6 0.678 L1 h5 肘管适用型式 范围 混流式 标准 1。0 2。6 4。5 2。72 1。35 1。35 实际 1。8 4。68 8。1 4.6 标准混凝土肘2。43 2。43 1。22 3.27 2。19 管 1.82 1。22

第 五 章 主厂房主要尺寸的确定

一·主厂房长度的确定

LnL0L安L式中：L—主厂房长度； n—机组台数； L0—机组段长度；

L安—安装见长度；

L—边机组段加长。

Lx和Lx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。

a蜗壳层

LxR113.61.24.8mLxR222.91.24.1m

L0LxLx4.84.18.9mb尾水管层

取对称尾水管

BB54.6m、21.2m

LxLxB4.621.23.8m22 B4.621.23.8m22

L0LxLx7.296m

c发电机层

LxD2b5.681.530.43.99m 2222D2b5.681.530.43.99m 2222Lx

其中D2-发电机风罩内径，5.68m；b-两台机组之间风罩外壁净距,取为1.5m;发电机风罩壁厚，取为0。4m

L0LxLx7.98m3-

L0取以上三者中的最大值，

L08.9m.

d边机组段加长

边机组段加长L(0.1~1)D1(0.1~1)1.8(0.18~1.8)m,取1m。

e安装间长度

安装间长度

L安(1.25~1.5)L0(1.25~1.5)8.9(11.12~13.35)mLnL0L安L28.910128.8m，取10m。

则主厂房的长度:。

二·主厂房宽度的确定

BBsBx

B-主厂房的净宽；Bs-上游侧宽度；Bx—下游侧宽度

Bs=32上游侧宽度:

3A5.680.8115.2

5.6813.842

下游侧宽度： 主厂房净宽:

Bx=323A1BBsBx9.48m,取10m

三·主厂房高程的确定 a水轮机安装高程

对于竖轴轴流式水轮机

T下minHsx

式中：T—水轮机安装高程； D1—水轮机转轮直径； x—系数，其值约为0.41;

T下minHsxD430.932.050.33433.31m

b主厂房基础开挖高程

FT(h1h2h3)

式中： F-基础开完高程; T-水轮机安装高程； h2h3—尾水管高度；

h1-尾水管底部混凝土厚度，取为1m。

FT(h1h2h3)=433.31—（1+1。771+0.678)=429.861

c水轮机层地面高程

1Tch4

式中：蜗壳顶混凝土层为1m。

1Th4433.311434.31m

d发电机装置高程

GTh5h61h5h6

434.3121437.31m

h式中： 5—发电机机墩进人孔高度,取为2m；

h6—进人孔顶部厚度，取为1。0m。

e发电机层楼板高程

为保证一下各层高度和设备布置及运行上的需要，水轮机层的净高不少于3。5～4。0m，否则发电机出线和油气水管道布置困难。

2G4442.31m

f起重机（吊车)的安装高程

c2h7h8h9h10h11442.311.7710.6780.87.40.921454.879m

式中：

h7h8h9—发电机定子高度和上机架高度之和，

—吊运部件与之固定的机组或设备间的垂直净距0.8m. —最大部件的高度;（发电机转子带轴）7。4m —吊运部件与吊钩间的距离，取为0.92m。

h10 h11—主钩最高位置(上极限位置）至轨顶面距离1m；

g屋顶高程

Rch12h13h14454.87920.50.15457.529m

h12—起重机轨顶至小车顶面的净空尺寸；查设计手册得2m

h13—吊车检修高度0.5m;

h14-屋面板厚度;0。15m

h装配厂的楼板高程

装配厂与对外交通道路及发电机层楼板高程齐平，且高于下游设计洪水位。

第 六 章 副厂房的布置

水电站厂房除了装设运行必须的水轮发电机组、调速设备和装配场的主要厂房外，还需要有设置机电设备运行、控制、试验、管理、和运行人员工作和生活的房间，称为副厂房。

一 副厂房的组成

副厂房的规模根据水电站装机容量、机组台数、电站在电力系统中的作用、自动化程度和遥控的应用，而有所变化.大中型水电站副厂房房间的组成，按性质可分为三类：直接生产副厂房、检修试验副厂和间接辅助生产副厂房。

二 副厂房的位置

副厂房设在主厂房靠对外交通的一端，其优点是主、副厂房的总宽较小，采光通风良好，给运行人员值班创造良好的工作条件,能适应电站分期建设、初期发电的特点，运行与机电设备安装干扰较小，能减轻机组震动与噪声对控制室的影响。缺点是母线与电缆线路较长,增加了投资，大型水电站当机组台数较多时，监视、维护距离较长,检修、试验时的联系不方便。

三 副厂房平面布置的设备

控制室、集缆室、继电保护盘室、通讯室及远动装置室、开关室、母线廊道、电缆廊道和电缆沟、直流系统用房、厂用电设备房间、电子计算机室、巡回监测装置室、电气实验室、值班室和调度室、办公室和生活用房。

第 七 章 参考文献

1）水电站有关的设计规范；

2）水电站建筑物设计参考图册（清华大学编); 3）小型水电站机电设计手册; 4)水电站机电设计手册；

5)水电站动力设备设计手册(河海大学 骆如蕴主编）; 6）水电站厂房设计（顾鹏飞等编)； 7）小型水电站； 8）有关的教科书； 9）自行查阅的相关资料.