水电站课程设计报告.docx
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水电站课程设计报告
1．课程设计目的
水电站厂房课程设计是《水电站》课程的重要教学环节之一，通过水电站厂房设计可以进一步巩固和加深厂房部分的理论知识，培养学生运用理论知识解决实际问题的能力，提高学生制图和使用技术资料的能力。
为今后从事水电站厂房
设计打下基础。
2．课程设计题目描述和要求
2.1工程基本概况
本电站是一座引水式径流开发的水电站。
拦河坝的坝型为5.5米高的砌石滚水坝，在河流右岸开挖一条356米长的引水渠道，获得平均静水头57.0米，最小水头50m，最大水头65m。
电站设计引用流量7.2立方米每秒，渠道采用梯形断面，边坡为1：
1，底宽3.5米，水深1.8米，纵坡1：
2500，糙率0.275，渠内流速按0.755米每秒设计，渠道超高0.5米。
在渠末建一压力前池，按地形和地质条件，将前池布置成略呈曲线形。
池底
纵坡为1：
10。
通过计算得压力前池有效容积约320立方米。
大约可以满足一台机组启动运行三分钟以上，压力前池内设有工作闸门、拦污栅、沉砂池和溢水堰等。
本电站采用两根直径1.2米的主压力钢管，钢管由压力前池引出直至下镇墩各长约110米，在厂房前的下镇墩内经分叉引入四台机组，支管直径经计算采用直径0.9米。
钢管露天敷设，支墩采用混凝土支墩。
支承包角120度，电站厂房采用地面式厂房。
2.2设计条件及数据
1.厂区地形和地质条件：
水电站厂址及附近经地质工作后，认为山坡坡度约30度左右，下部较缓。
沿山坡为坡积粘土和崩积滚石覆盖，厚度约1.5米。
并夹有风化未透的碎块石，山脚可能较厚，估计深度约2～2.5米。
以下为强风化和半风化石英班岩，厂房基础开挖至设计高程可能有弱风化岩石，作为小型水电站的厂址地质条件还是可以的。
2.水电站尾水位：
厂址一般水位12.0米。
厂址调查洪水痕迹水位18.42米。
3.对外交通：
厂房主要对外交通道为河流右岸的简易公路，然后进入国家主要交通道。
4.地震烈度：
本地区地震烈度为六度，故设计时不考虑地震影响。
2.3课程设计成果要求
厂房布置设计的内容为：
根据给定的原始资料及机电设备，选择水轮机型号。
决定厂房的型式及其在枢纽中的位置，进行厂区和厂房内部的布置，决定厂房的
轮廓尺寸；计算管壁厚度并进行管壁应力分析。
完成厂区布置及主、副厂房布置得设计;编写设计计算说明书。
3．课程设计报告内容
3.1水轮机型号选择
根据该水电站的水头：
平均静水头
57.0米、最小水头50
米、最大水头
65米。
水头作用范围50~65m，在水轮机系列型谱表3-3，表3-4
中查出合适的
机型有HL230和HL220两种，现将两种水轮机作为初选方案，分别求出其有关
参数，并进行比较分析。
表3-1
大中型混流式转轮参数（暂行系列型谱）
适用水头范
转轮型号
围
使用型号
旧型号
＜30
HL310
HL365,
Q
25-45
HL240
HL123
35-65
HL230
HL263,
H2
50-85
HL220
HL702
3.2HL220型水轮机的主要参数选择
1.转轮直径D1的计算
通过查《水电站》表3-6可得HL220型水轮机在限制工况下的单位流量
Q1M'
1150Ls
1.15m3
s，效率M
89%，由此可初步假定原型水轮机在该工
况下的单位流量Q1'
Q1M'
1150Ls
1.15m3
s，效率
89.15%，即假设
0.15%，
M
89%0.15%
89.15%。
上述的Q1'、
和Nr
845KW、Hr
57.0m代入
D1
Nr
845
0.442m
9.81Q1'HrHr
9.811.15
57
570.8915
表3-2反击型水轮机转轮标称直径系列（单位：
cm）
25
30
35
40
42
50
60
71
80
84
100
120
140
160
180
200
225
250
275
300
330
380
410
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
1000
查表3-2选用与之接近而偏大的标称直径
D10.5m。
2.转速n的计算
查《水电站》表3-4可得HL220型水轮机在最优工况下单位转速
n10'M70rmin初步假定n10'n10'M91%，将已知的n10'和Hav57.0m，
D10.5m代入
nn1'HD1
表3-3
磁极对数P同步转速n
（r/min）
7057
0.5
34
1000750
1057.0rmin，
磁极对数与同步转速关系
5
7
8
9
10
12
14
600
428.6
375
333.3
300
250
214.3
磁极对数P
16
18
20
22
24
26
28
30
32
同步转速n
187.5
166.7
150
136.4
125
115.4
107.1
100
93.8
（r/min）
磁极对数P
34
36
38
40
42
46
48
50
同步转速n
88.2
83.3
79
75
71.4
68.2
62.5
60
（r/min）
通过查表3-3磁极对数与同步转速关系，选取与之接近的同步转速：
n1000r/min。
3.效率及单位参数修正
查《水电站》表3-6可得HL220型水轮机在最优工况下的模型最高效率为
Mmax
91.0%，模型转轮直径为
D1M
0.46m，得原型效率：
max
1（1
Mmax）5
D1M
1
（1
0.91）50.46
91.15%
D1
0.5
效率修正值
max
Mmax
91.15%91.0%
0.15%，由此可得原型水轮
机在最优工况和限制工况下的效率为：
maxMmax
91.0%
0.15%91.15%
M
89%
0.15%
89.15%（与假定值相同）
单位转速的修正值按下式计算
n1'n10'M（maxMmax
则
n1'
n10'
maxMmax
M
1）
10.91150.9110.00080.03，按规定单位转
速可不加修正，同时，单位流量Q1'也可不加修正。
由上可知，原假定的
91%
、Q1'
‘
’
‘
Q1M、
10
10M是正确的，那么上述
计算及选用的结果D10.5m、n
1000r
min也是正确的。
4.工作范围的检验
在选定D1
0.5m、n
1000r
min后，水轮机的Q1'max及各特征水头相对应
的n1'即可计算出来。
水轮机在Hr、Nr下工作时，其Q1'即为Q1'max，故
Q1'max
Nr
9.810.52
845
0.898＜1.15m3/s，
9.81D12HrHr
57
57
0.8915
此值与原选用的Q1'=1.15m3/s相比，符合“接近而不超过”原则，说明所
选的D1是合适的。
则最大引用流量为：
QmaxQ1'maxD1
2Hr0.8980.52
571.695m3/s
与特征水头Hmax、Hmin、Hr相对应的单位转速为：
n1'min
nD1
1000
0.5
62.02r/min
Hmax
65
n1'max
nD1
1000
0.5
70.71r/min
Hmin
50
n1'r
nD1
1000
0.5
66.23r/min
Hr
57
在HL220
型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出
Q1'max0.898m3s，
n1'max
70.71r/min
和n1'min
62.02r/min
的直线，得这三根线所围成的水轮机工
作范围基本上包含了该特性曲线的高效率区。
所以对于
HL220
型水轮机方案，
所选定的参数
D1
0.5m和n
1000r/min是合理的。
5.吸出高度Hs的确定
查《小型水电站》中册，水轮机部分，天津大学主编，
P812-813表2-3和
P840图2-24得气蚀系数σ＝0.133（限制工况），气蚀系数修正值Δσ＝
0.022（当
HP＝57.0米时），由此可求出水轮机的吸出高度为：
Hs10
H10
12
571.154m
0.130.022
900
900
可见，HL220型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。
3.3HL230型水轮机的主要参数选择
1.转轮直径D1的计算
通过查《水电站》表3-6可得HL230型水轮机在限制工况下的单位流量
Q1M'
1110Ls1.11m3
s，效率M85.2%
，由此可初步假定原型水轮机在该
工况下的单位流量
Q1'
Q1M'
1110Ls
1.11m3s，效率
85.59%，即假设
0.39%，
M
85.2%0.39%
85.59%。
上述的Q1'、
和Nr
845KW、Hr
57.0m代入
D1
Nr
845
0.451m
9.81Q1'HrHr
9.811.15
57
57
0.8559
查表3-2选用与之接近而偏大的标称直径
D1
0.5m。
2.转速n的计算
查《水电站》表3-4可得HL230型水轮机在最优工况下单位转速
n10'
M
71rmin初步假定n10'
n10'
M
90.7%，将已知的n10'
和Hav
57.0m，
D1
0.5m代入
n1'H
71
57
min，
n
1072.08r
D1
0.5
通过查表
3-2
磁极对数与同步转速关系表，选取与之接近的同步转速：
n1000r/min。
3.效率及单位参数修正
查《水电站》表3-6可得HL230型水轮机在最优工况下的模型最高效率为
Mmax
90.7%，模型转轮直径为
D1M
0.404m，得原型效率：
1（1
D1M
1
（1
0.907）5
0.404
91.09%
max
Mmax）5
0.5
D1
效率修正值
max
Mmax
91.09%90.7%
0.39%，由此可得原型水轮
机在最优工况和限制工况下的效率为：
maxMmax
90.7%0.39%91.09%
M
85.2%
0.39%
85.59%（与假定值相同）
单位转速的修正值按下式计算
n1'n10'M（maxMmax
则
n1'
n10'
maxMmax
M
1）
10.91090.90710.00210.03，按规定单位
转速可不加修正，同时，单位流量
Q1'
也可不加修正。
由上可知，原假定的
91%
、Q1'
‘
’
‘
Q1M
、10
10M是正确的，那么上述
计算及选用的结果D1
0.5m、n
1000r
min也是正确的。
4.工作范围的检验
在选定D1
0.5m、n
1000r
min后，水轮机的Q1'max及各特征水头相对应
的n1'即可计算出来。
水轮机在Hr、Nr下工作时，其Q1'即为Q1'max，故
'
Nr
845
3
/s，
Q1max
9.81D1
2Hr
Hr
9.810.52
57
0.935＜1.15m
570.8559
此值与原选用的Q1'=1.15m3
/s相比，符合“接近而不超过”原则，说明所
选的D1是合适的。
则最大引用流量为：
Q
max
Q'
D
2
H
r
0.935
0.52
57
1.765m3
/s
1max
1
与特征水头Hmax
、Hmin、Hr相对应的单位转速为：
n1'min
nD1
1000
0.5
62.02r/min
Hmax
65
n1'max
nD1
1000
0.5
70.71r/min
Hmin
50
n1'r
nD1
10000.5
66.23r/min
Hr
57
在HL230
型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出
Q1'max0.935m3s，
n1'max70.71r/min和n1'min
62.02r/min的直线，得这三根线所围成的水轮机工
作范围基本上包含了该特性曲线的高效率区。
所以对于
HL230型水轮机方案，
所选定的参数D1
0.5m和n
1000r/min是合理的。
5.吸出高度Hs的确定
查《小型水电站》中册，水轮机部分，天津大学主编，
P812-813表2-3和
P840图2-24得气蚀系数σ＝0.17（限制工况），气蚀系数修正值Δσ＝0.022（当
HP
57.0m时），由此可求出水轮机的吸出高度为：
Hs10
H10
10
570.955m
0.170.022
900
900
可见，HL230型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。
3.4
HL220型与HL230型水轮机的比较分析
为了便于比较分析，现将这两种方案的有关参数列表如下：
表3-4
HL220型与HL230型水轮机参数对照表
序号
1
2
模型转
3
轮参数
4
5
6原型转
7轮参数
项目
推荐使用的水头范围（m）
最优单位转速n10（r/min）
最优单位流量Q10（m3/s）
最高效率Mmax（％）
气蚀系数σ
转轮直径D1（m）
转速n（r/min）
HL220HL230
50—8535—65
70.071.0
1000913
91.090.7
0.1330.17
0.50.5
10001000
8
最高效率max（％）
91.15
91.09
9
额定出力Nr（kW）
845
845
10
最大引用流量Qmax（m3/s）
1.695
1.765
11
吸出高度HS（m）
1.154
-0.955
由表3-4可见，两种机型方案的水轮机转轮直径D1相同，均为0.5m,。
但HL220型水轮机方案的工作范围包含了较多的高效率区域，运行效率较高，气蚀
系数较小，安装高程较高，有利于提高年发电量和减小电站厂房的开挖量。
故选择HL220型水轮机方案，即：
选定水轮的型号为HL220—WJ—50。
其主要参数如下：
台数：
四台；
重量：
7000Kg；
型号：
HL702（220）—WJ—50；
参考价格：
22000元/台；
额定转速：
n＝1000r/min
设计水头：
HP
57.0m
设计流量：
Q
P
m3
/
s
1.8
额定出力：
N＝845KW；
3.5水轮机装置方式的选择
在大中型水电站中，其水轮发电机组的尺寸一般较大，安装高程也较低，因此其装置方式多采用竖轴式，机水轮机轴和发电机轴在同一铅垂线上，并通过法兰盘联接。
这样使发电机的安装高程较高不易受潮，机组的传动效率较高，而且水电站厂房的面积较小，设备布置较方便。
对机组转轮的直径小于1m、吸出高度Hs为正值的水轮机，常采用卧轴装
置，以降低厂房高度。
而且卧式机组的安装、检修及运行维护也方便。
由上述水轮机的参数计算以及水电站的类型可以确定水轮机装置方式采用卧轴式。
3.6调速器及油压装置的选择
调速器一般由调速柜、接力器、油压装置三部分组成。
中小型调速器的调速柜、接力器和油压装置组合在一起，称为组合式；大型调速器分开设置，称为分
离式。
中小型调速器是根据计算水轮机所需的调速功A查调速器系列型谱表来选择的。
反击式水轮机的调速功A（N?
m）的经验公式：
A（200~250）QHmaxD12251.33570.52036（N?
m）
Q为最大水头下额定出力时的流量为
Q
N
845
=1.33m3/s。
9.81Hmax
9.81
65
故本设计选用中小型调速器，油压装置与调速器组合在一起，根据调速器系列型谱表选用自动调速器，型号为XT—300。
3.7主厂房各层高程和主要尺寸的确定
3.7.1水轮机安装高程Zs
确定设计尾水位的水轮机过流量，查《水电站》表2-5得：
电站装机台数为4台水轮机的过流量为1台水轮机的额定流量。
吸出高度：
Hs
10
m
H
900
已知：
m=0.133,
＝0.022，，H=57m，w——尾水位12m
Hs
10
12
0.1330.022571.15m
900
对应卧轴反击式水轮机：
Zs
w
HSD1/2
121.150.5/212.9m
3.7.2水轮机的地面高程
由水轮机的布置方式可以知主机房地面高程为12.3m，即水轮机的地面高程
为12.3m。
3.7.3尾水管底板高程和出口高程
由水轮机发电机组横剖面图A—A得尾水管高度为3.70m，尾水管出口距离尾水室地板高度为0.75m，所以尾水管地板高程为
尾水管底板高程=Zs
h1
h2
12.9
3.700.758.45m
尾水管出口高程=Zs
h1
12.9
3.70
9.2m
h`1——尾水管高度，m；h2——尾水管出口距离尾水室地板高度，m
3.7.4厂房基础开挖高程
根据尾水管底板高程8.45m，底板混凝土厚度取1.0m，则厂房基础开挖高程
为7.45m。
3.7.5蝶阀坑高度和宽度
查《小型水电站》中册，对于卧式机组不必设置贯通全厂的主阀廊道，单个设置主阀坑即可。
主阀坑应便于主阀的安装、检修和操作,操作主阀一侧的空间应不小于1m，对于侧主阀外廓与坑壁的距离不小于0.8m。
厂内有吊车时，应将主阀布置在吊车工作范围之内。
蝴蝶阀参数：
φ0.8m手电动操作；
重量：
阀体340Kg；
活门：
277Kg；
启闭方式：
电动操作；
主要尺寸：
a=1730mm；b=880mm；c=350mm；d=850mm；e=470mm。
图3-1立式蝴蝶阀外形示意图
所以，蝶阀坑宽度=d+1000+800=2650mm=2.65m
蝶阀坑高度=a1000=1730+1000=2730mm=2.73m3.7.6尾水室的尺寸
图3-2弯锥形尾水管尾水室尺寸
由图3-2所示：
D3D10.5~1cm
L3~4D3
120~140
h（1.1~1.5）D3
c
0.85D3
b
（1.0~1.2）D3
V5
（0.235~0.7）H，经济流速取1ms。
根据水轮发电机组剖面图
A-A、B-B，已知
D3
0.5m
，
L=3.7m
，
；
h=0.75m
求出c=0.425，b=0.51，所以尾水室的宽度为B=0.51+0.51+1.08=2.1m。
该水电站的设计引水流量7.2立方米每秒，并且由于有4个水轮机所以，尾水室的流量
Q7.241.8m3s，经济流速V1m/s，A
Q
1.8m2
bh，h
1.8
0.86m。
V
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