密云水电站厂房课程设计.docx
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密云水电站厂房课程设计
绘制蜗壳单线图
1、蜗壳的型式：
在资料中已经给出水轮机的型号为HL220-LJ-225，而且电站设计水头H=46.2m>40m根据《水力机械》第二版P96页书中蜗壳分类，则蜗壳的型式应为金属蜗壳。
2、选择蜗壳的主要参数
（1）金属蜗壳的断面形状为圆形，为了良好的水力性能一般蜗壳的包角取0345。
通过计算得出Qmax值，计算如下:
15000
0.96
15625KW式中:
Nf
60000KW
4
15000KW，
0.96
Nr
9.81D12h/2
1.111.15m3s
15625
23
9.812.25246.220.91
其中：
Q111150Ls1.15m[s（由附表一查得），D12.25m，Hr46.2m，
0.91（由附表一查得）
③QmaxQ^maxD^H；1.112.25?
.46.238.2m3s由蜗壳进口断面流量Qc0得
360
3453
Qc38.236.61m/s
360'
（2）根据《水力机械》第二版P99中图4—30查得，可知当设计水头为46.2mv60m时，蜗壳的进口断面的平均流速VC=5.6m/s。
（3）因为已知水轮机的型号HL220-LJ—225,则由《水力机械》第二版P162的附表5查得此时蜗壳的座环内径Db=3250mm外径Da=3850mm所以有蜗壳座环的内、外半径分别为：
rb=D^=1625mm=1.625mra==1925mm=1.925m
22
3、蜗壳的水力计算
（1）对于蜗壳进口断面:
座环尺寸（mr）
比例：
1:
100
断面的面积：
Qc_2Qmax34538.26.537m2
Vc360Vc360-5.6
Fc
断面的半径:
max
0Qmax
360Vc
34538.2
1.443m
3605.6
从轴中心线到蜗壳外缘的半径:
max1.92521.443
4.811m。
（2）对于断面形状为圆形的任一断面的计算
设i为从蜗壳鼻端起算至计算面i处的包角,
则该计算断面处的Qi
360Qmax，
36誥，Rra2i。
其中：
Qmax
3
38.2m/s，Vc5.6m/s，
ra1925mm1.925m。
计算结果见下表：
i（）
■o
Qi—^Qmax（m/s）
360
j-2
Fcm
ifQmaxi（m）
i^360Vc
RG2i（m）
0
0
0
0
1.925
15
1.592
0.284
0.301
2.527
30
3.183
0.568
0.425
2.776
45
4.775
0.853
0.521
2.967
60
6.367
1.137
0.602
3.128
75
7.958
1.421
0.673
3.270
90
9.550
1.705
0.737
3.399
105
11.142
1.990
0.796
3.517
120
12.733
2.274
0.851
3.627
135
14.325
2.558
0.903
3.730
150
15.917
2.842
0.951
3.828
165
17.508
3.126
0.998
3.921
180
19.100
3.411
1.042
4.009
195
20.692
3.695
1.085
4.095
210
22.283
3.979
1.126
4.176
225
23.875
4.263
1.165
4.255
240
25.467
4.548
1.203
4.332
255
27.058
4.832
1.240
4.406
270
28.650
5.116
1.276
4.478
285
30.242
5.400
1.311
4.548
300
31.833
5.685
1.345
4.616
315
33.425
5.969
1.379
4.682
330
35.017
6.253
1.411
4.747
345
36.608
6.537
1.443
4.811
（3）蜗壳断面为椭圆形的计算
当圆形断面半径S的时候蜗壳的圆形断面就不能与座环蝶形边相切，这时就用椭圆断面。
由《水电站动力设备手册》查得：
蝶形边高度可近似定为：
」bo°.25Di门0.252.25-.___-___
h—°.1D11°.1D10.12.250.506m
222
临界值S0.882m，为座环蝶形边锥角，一般取55度。
coscos55
由圆形断面=345°,1.443m得
蜗壳系数C
0.ra（ra20）
345
1.9251.443「.925（1.925—2一1.443）
1062.2
当i=S=0.882m时得临界角i（）Chi“亿2J）151°
结合可知，当断面包角在0〜151度的时候S，取椭圆断面
椭圆短半径2J.045A0.51L21.345L
椭圆的当量面积A2d2tan
椭圆长半径1L21cot
椭圆断面中心距aira1.22
椭圆断面外半径Ra1
h
sin
0.506
sin55°
0.506
0.819
0.618m
计算结果见下表:
i
i
C
i
A
2
1
ai
R
0
0.000
0.000
0.129
-0.165
0.568
1.724
2.292
15
0.014
0.251
0.326
-0.025
0.610
1.895
2.505
30
0.028
0.365
0.546
0.107
0.650
2.056
2.706
45
0.042
0.457
0.783
0.231
0.687
2.207
2.894
60
0.056
0.537
1.034
0.348
0.722
2.349
3.072
75
0.071
0.610
1.297
0.459
0.756
2.485
3.241
90
0.085
0.678
1.571
0.566
0.787
2.615
3.403
105
0.099
0.741
1.855
0.668
0.818
2.740
3.559
120
0.113
0.802
2.149
0.767
0.848
2.861
3.709
135
0.127
0.860
2.453
0.864
0.877
2.979
3.856
151
0.142
0.920
2.786
0.964
0.907
3.101
3.689
根据计算结果，画蜗壳单线图，如下图所示，比例为1:
80，单位为mm
蜗壳单线图（单位mm比例1：
80
二、尾水管单线图的绘制
因为选用的水轮机型号为HL220-LJ-225，说明水轮机的标准直径Di=225cm=2.25m
由资料中的图可有下表：
型
式
Di
H
Hi
H2
H3
H4
H5
1
2
L1
L2
L
B4
B5
参
数
1.00
2.93
2.78
2.50
1.525
0.795
1.29
1.114
1.384
1.405
2.685
4.09
2.53
3.55
10.4
尺
寸
2.25
6.593
6.255
5.625
3.43
1.789
2.90
2.51
3.114
3.16
6.04
9.20
5.69
7.99
10.4
对于大中型水轮机，为了减小尾水管的开挖深度，都采用弯肘形尾水管，它由进口直锥段、肘管和出口扩散段三部分组成。
（1）进口直锥段：
进口直锥管是一个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：
h3H2H3=5.625-3.43=2.195m；
进口锥管上、下直径：
D3,=2.51m,D42=3.114m。
（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的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率越大，一般推荐使用的合理半径R（0.6~1.0）D4，外壁R6用上限，内壁R7用下限，则有：
R6=1X3.114=3.114m,
R7=0.6X3.114=1.868m。
（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=3.16mL2=6.04m，L=9.20m.。
（4）尾水段的高度与水平长度
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底板之间的垂直高度。
在描述进口直锥管中已说明D2=D3=2.51m>
D1=2.25m，所以属于高比速混流式水轮机。
增大尾水管的高度h，对减小水力损失和提高h是有利的，特别是对大流量的轴流式水轮机更为显著。
但对混流式水轮机尾水管中产生的真空涡带在严重的情况下不仅影响机组的运行而且还会延伸到尾水管地板引起机组和厂房的振动。
为了改善这一情况，常采取增大尾水管高度的办法，但将会增大开挖量，经过试验，对于高比转速混流式水轮机，应取h>2.6D1，题目中已知h=H=6.593m>2.6D=5.85，所以满足要求。
（5）尾水管单线图
根据表中的数据绘制单线如下：
尾水管单线图（单位：
m比例1：
loo
三、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Di'1.0m时，HL220型的尺
寸可以推求Di2.25m时的转轮流道尺寸。
如下图:
2.434
四、厂房起重设备的设计
为82.6TV100T,而且
起重物件中根据资料可知最重的物件为吊发电机转子带轴重，
机组台数为4台,所以选1台单小车桥式起重机,型号为100T/20T相关的参数为：
取跨度：
L16m；起重机最大轮压：
35.9T；起重机总重：
77.3T；小车轨距：
LT4400mm；小车轮距：
KT2900mm；大车轮距；K6250mm；大梁底面至轨道面距离：
F130mm；起重机最大宽度：
B8616mm；轨道中心至起重机外端距离：
B1400mm；轨道中心至起重机顶端距离：
H3692mm；主钩至轨面距离：
h1474mm；吊钩至轨道中心距离（主）：
L12655mm,L21900mm；副吊钩至轨道中心距离：
L31300mm,L22355mm；轨道型号：
QU100。
五、厂房轮廓尺寸
1、主厂房总长度的确定：
厂房总长度包括机组段的长度（机组中心距）、端机组段的长度和安装间的长度。
总长LnL1LaL
其中n为机组台数，h为机组段长度，la为装配场长度，I为端机组段附加长度
（1）、机组段的长度L!
的确定
机组段的长度Li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。
机组段的长度Li按下式计算：
LiLxLx；
其中：
Lx为机组段+x方向的最大长度;
Lx为机组段-x方向的最大长度；
计算机组段长度时可按蜗壳层、尾水管层和发电机层分别计算，然后取其中的最大值。
①按蜗壳层推求：
LiRiR2i2
其中：
R为i345°时的R,即R1=4.811m，R2为当i165°时的R，即R2=3.921m
1,2分别为蜗壳左右外围混凝土的厚度，初步设计时取1.2-1.5m，取1.4m，贝U
LiRiR2i24.8ii3.92ii.42ii.532m
其中：
B为尾水管的出口宽度，
2为尾水管混凝土边墩厚度（大型取5〜7m,中型取3〜
②按尾水管层推求：
L1B22
4m,小型取1〜2m）
依据图4知B8m，21.8m，贝Ul1B283.611.6m
③按发电机层推求：
L13b23
其中：
3为发电机风壁厚，一般取°.3-°.4m,这里取°.35m
b为相邻两风罩外壁净距，一般取1.5-2m,这里取1.8m
由已知资料可知，发电机风罩内径38.4m
贝L1323b8.42°.351.81°.9m
据以上三种结构的计算情况，厂房的机组间距由水轮机蜗壳层推求的长度决定
贝L111.6m
2）端机组段附加长度的确定
（3）安装间长度的确定
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lc的1.0〜1.5倍。
对于混流式采用偏小值，因此取1.2。
La1.2L11.211.613.92m。
（4）厂房的总长度：
LnJLaL411.613.921.12561.445m
2、主厂房宽度的确定
（1）以机组中心线为界，厂房宽度B可分为上游侧宽度Bs和下游侧宽度Bx两部分,
关于这两部分的计算可列式如下：
①上游侧宽度BS:
Bs—3A;
2
其中，在前面的计算中已有3=8.4m,3=0.35m;
A为风罩外壁到上游墙内侧的净距，取5m
则Bs
A=9.55m。
②下游侧宽度Bx:
Bx除满足上式外，还需满足蜗壳在y方向的尺寸和蜗壳外混凝土厚度的要求
对于发电机层：
BX；3A
其中：
A为风罩外壁到下游墙内侧的净距，主要用于主通道，一般取2m，
3=8.4m，3=0.35m；
则Bx33A=6.55m。
2
对于蜗壳层y方向为：
BXy2l。
其中：
y为i为255°时的R，为4.406m；l为混凝土保护层的厚度，取1.5m
则BX=4.406+1.5=5.906m
综上所述，取BX=6.55m。
因此，BBsBx=9.55+6.55=16.1m。
（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如下图所示:
桥机
hb
b1
b2
"71
e
hb
牛腿以上：
Blk2（bb>h'J
牛腿以下：
Blk2（ehb）
其中：
bi—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0.3—0.6m，取0.3mh'b—牛腿上部立柱截面高度，一般取0.6—1.2m,取0.6mhb—牛腿下部立柱截面高度，一般取1.0—2.5m，取1m
e—偏心距，一般取0—0.25m,取0.25m
所以牛腿以上：
Blk2（b1b2h'b）162（0.40.30.6）18.6m
牛腿以下：
Blk2（ehb）162（0.251）18.5m
综合
（1）
（2），取主厂房的宽度B为18.6m.
3、厂房各层高程的确定
根据《水力机械》第二版P40页中2-41公式可得
立轴混流式水轮机安装高程计算公式：
TminHSb0；
HS10.3（
）H
900
其中：
b0为导叶高度，一般b0=0.1〜0.39D1，贝Ub00.25D10.252.250.5625m
为汽蚀系数，可根据水轮机的特性曲线来确定；
为汽蚀系数的修正值；=0.165、=0.027;
H为计算水头，这里H=46.2m
为水电站厂房所在地点海拔高程的校正值，=93.5m；
900
min为水电站厂房建成后下游设计最低水位。
当有3台或4台机组时，取1台
所以：
Hs10.3（0.1650.027）46.2空1=0.33m,
900
机组流量应的尾水位，min=91.84m；
T
Tmin
Hs
91.84
0.33藝
2
b0
2
92.45m。
（2）尾水管底板高程
hw
其中：
hw—底环顶面至尾水管的距离hwH
bg
2
6.592
0.5625
2
6.312m；
t—机组安装咼程；b°—导叶咼度
所以:
hw92.450.56256.31285.857m
22
（3）主厂房基础开挖高程F:
t（h|h2h3）
THh92.456.5931.584.357m
其中：
g――尾水管底板混凝土厚度，取1.5m；
h2尾水管出口高度；
h3从水轮机安装咼程T向下量取到尾水管出口顶面的距离
则h2h3=H=6.593m（尾水管的高度）;
（4）进水阀地面高程
2
3r1h2
其中：
3—钢管中心线高程，3T；
H—阀外半径，即引水钢管半径，蝶阀尺寸①3400mm则ri=1.7m；
h2—钢管底部至主阀室地面的高度，钢管底部作通道为人检时用，h2一
般为1.8—2m,此处取h22m。
所以：
34
23r1h292.45288.75m
2
（5）水轮机层地面高程
4
Tr2h3=92.45+2.4055+仁95.86m
其中：
r2—蜗壳进水断面导叶中心线以上的净空高度，$=4.811/2=2.4055;
h3—蜗壳上部混凝土厚度，对金属蜗壳可取1.0m。
（6）发电机安装高程G:
GTh4h5h61h5h6=95.86+2.0+1.0=98.86m
其中：
hs—进人孔高度，须满足水轮机层附属设备油气水管道和发电机出线布
置要求的高度，一般为1.8〜2.0，此处取2.0m；
h6—进人孔顶部厚度，般为1.0m左右，取1.0m。
（7）发电机层楼板面高程5:
5Gh=98.86+1.8=100.66m
为了保证以下各层高度和设备布置及运行上的要求以及水不淹没厂房:
5-▽4=100.66-95.86=4.8m>（3.5〜4.0m），满足；
下游最高尾水位94.6mv100.66m,均符合要求。
（8）起重机的安装高程（轨顶高程）
其中：
h6—吊运设备时需跨越的固定设备或建筑物的高度，发电机上机架高度
为1.22m。
h7—吊运部件与固定物之间的垂直安全距离在0.6——1.0m,取
h70.6m；
h8—发电机主轴高度，h85.02m；
h9—吊运部件与吊钩之间的距离，一般在1.0〜1.5m之间，取h91.2m;
h10—主钩最高位置（上极限位置）至轨顶面距离，h101.474m
则6=100.66+1.22+0.6+5.02+1.2+1.474=110.174m。
9）屋顶高程
7
6Hh11=110.174+3.692+0.5=114.366m
其中：
H——轨道面至起重机顶部距离，H3692mm=3.692m；
hn检修吊车在车上留有0.5m咼度，hn0.5m。
4、安装间的位置选择及设计
（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L3=13.92m,宽与主机室同宽为18.6m。
安装间地面高程
为98.86m与发电机层同高，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5.5mx7.5m的变压器坑；
（4）检修坑：
在安装间内设有5m5m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2.5mx3.0m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：
1发电机转子直径周围应留2.0m的空隙，以供安装磁极之用。
2发电机上机架周围留有1.0m的间隙，供作通道用。
3水轮机顶盖及转轮周围留有1.0m间隙，供作通道之用。
六、厂区布置
由于密云电站是河岸地面厂房，故其布置可根据已建成的河岸地面厂房一一式子滩水电站厂区布置的方案
（一）；根据拓溪水电站厂区布置的方案
（二）。
其布置图如下。
160
o1
进
210
200
190
180
170
240
230
开关站
主厂房
装间
98.5
150
140
130
120
220
230
240
250
110
100
220
170
180
190
200
210
方案
（一）
J.
<3
a
关
万案
中控室
装间
副厂
丿房
主;厂房
二）
98.5
178o
190
200
110
100
240
230
220
210
200
190
180
170
160
150
140
230
240
250
130
120
210
220
比较方案
（一）和
（二）
对于方案
（一），由于地质条件的限制，高压管道从回岔管以后采用明管，这样造价也底，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，并且使主变尽量靠近机组端，以使引出线最短，因此让主变场与安装间紧靠着，由于开关站地面积很大，不易在主厂房附近找到理想的场地，所以主变和开关站分开布置。
对于方案
（二），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，但是高压管道必须厂用埋管，这样造价高，并且地质也不允许，而且主厂房上游有一个很宽的地带，用于布置主变场有点浪费，故而适应布置在主变面积大的副厂房。
经过对方案
（一）、方案
（二）的比较，显然因地制宜选择方案
（一）
七、副厂房的设计
水电站厂房除了装设运行必需的水轮发电机组、调速设备和装配场的主厂房外，还需要有设置机电设备运行、
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