水电站课程设计任务及指导书.docx

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水电站课程设计任务及指导书

一、设计题目

某水电站压力管道结构设计

二、课程设计的目的

巩固加深所学的理论知识，培养学生运用理论知识和技术资料，分析、解决实际问题的能力。

三、课程设计的时间

1周（２005年3月1日~5日）

四、基本资料

某水电站地面压力管道布置型式如图所示。

已知钢管直径D=2m，末跨中心断面的计算水头（包括水击压力）为56.25m，支座断面的计算水头为49.08m，伸缩节断面的计算水头为7.89m，支承环间距16m，计算段上下镇墩间距64m，钢管轴线与水平面倾角为44°，伸缩节距上镇墩2m，伸缩节内止水填料长度b=30cm，填料与管壁摩擦系数为0.3，支承环的摩擦系数为0.1，钢管采用A3钢。

下镇墩的上游端管中心的计算水头为63.4m，镇墩下游端和下游伸缩节中心计算水头近似相等，取为66.1m，镇墩下游端伸缩节的水平钢管长度为5.0m，管内流速为5m/s，镇墩为混凝土结构。

五、设计任务

1.确定刚性环间距；

2.按正常运行情况基本荷载组合工况，对最后一跨的四个断面进行结构分析；

3.按正常运行工况设计下镇墩。

六、设计步骤及指导

1．确定压力管道厚度（全长采用一个厚度），要求确定管壁计算厚度和结构厚度；

2.设计压力管道的刚性环的间距

（1）校核光滑管的稳定性；

（2）设计刚性环的间距及尺寸；

（3）设计支承环的尺寸；

3.对最后一跨的四个断面进行结构分析

（1）受力分析：

按正常运行情况的基本组合计算不同断面径向力、法向力和轴向力；

（2）应力计算及强度校核；

（3）抗外压稳定分析（包括管壁和支承环抗外压稳定分析）；

4.镇墩设计

镇墩设计内容包括抗滑稳定计算，地基应力校核和尺寸设计。

计算步骤如下:

（1）按计算工况计算作用在镇墩上的力；

（2）选定抗滑稳定安全系数（K一般取1.5~2.0）和镇墩与地基的摩擦系数f，求出镇墩抗滑稳定需要的重量G；

（3）根据G计算镇墩的体积，进行结构布置，确定镇尺寸，并复核地基应力，使之满足地基允许承载力。

如果不能满足，重新调整镇墩的形状及尺寸，直到满足为止。

七、设计成果

1．计算说明书一份

2．设计图：

镇墩结构图

八、参考资料

1．压力钢管设计规范2．水电站设计参考资料

（2）水电站厂房设计

一.原始资料及设计条件

1.电站的一般概况

本电站为一坝后式水电站，电站厂房位于河流左岸，该电站水库具有日调节性能，总库容2.2×108m3，有效库容0.07×108m3，但具有年调节性能的上一级水电站与本电站联合使用，故本电站分担系统尖峰负荷。

本电站枢纽中，主要有挡水坝，溢流坝和坝后式厂房三部分，其中溢流坝布置在右岸，左岸为挡水坝及厂房（见图1）。

图1电站枢纽布置图

电站厂房前为混凝土宽缝重力坝，坝体缝宽为4.0m，最大坝高为55.0m，坝下游坡为1:

0.7，机组进水口底坎高程为1600.0m，进水口渐变段后为坝内埋藏式压力引水管，其直径为5.63m，管轴线平行于下游坝坡（见图2）。

该工程以发电为主，初步设计时确定该电站装机17.6×104kW，年发电量为22.8×108kw.h，其年利用小时数为5180h。

根据电站装机容量确定为二级建筑物设计。

该河含沙量较大，多年平均输沙量为0.76×108t，年平均含沙量为3.1kg/m3，其中大部分是对水轮机起磨损作用的坚硬矿物。

图2电站引水系统布置图

2.上游库水位

（1）.校核洪水位（P=0.1%）：

1621.4m

（2）.设计洪水位（P=0.5%）：

1620.8m

（3）.正常高水位：

1619.0m

（4）.死水位：

1618.5m

3.下游尾水位：

（1）.校核洪水尾水位（P=0.1%）：

1585.45m

（2）.设计洪水尾水位（P=0.5%）：

1585.13m

（3）.正常高尾水位（Q=1400m3/s）：

1581.20m

（4）.最低尾水位（Q=140m3/s）：

1579.8m

4.电站水头

（1）.最大工作水头：

39.5m

（2）.最小工作水头：

35.5m

（3）.平均水头：

39.0m

（4）.设计水头：

38.0m

5.气象资料

该电站坝址以上部分属大陆性气候，受内蒙古高原气压控制。

（1）.温度：

绝对最高气温43.0℃，绝对最低气温-20.3℃

（2）.最大风速：

25m/s，多年平均风速：

14m/s

（3）.年平均降水量：

249.2mm

（4）.年平均蒸发量：

1572.9mm

6.地质条件

坝址附近地质条件较好，岩石坚硬，摩擦系数f=0.6～0.65，地震等级：

八级

电站厂房位于河流左岸，其下部靠河岸处基岩侵蚀面高程1579m，下覆卵砾石厚1～2m，黄土厚2～3m，而靠河床一侧，基岩侵蚀面高程1577～1578m，无覆盖层.因建筑物结构要求，靠岸侧基岩最大开挖深度达26m，靠河床处基岩开挖深度9～13m.

7.对外交通

左岸有上坝公路与对外的交通公路相通.另外，沿河流左岸，厂房以标准轨铁路与国家的铁路网接轨。

8.电站的供电对象

该电站建成后全部投入110kV电力系统运行，主要供电对象为新城，红古城及大川等工业负荷及某市市政，农业用电，其中新城用户要求供电可靠性很高，90%以上为一级负荷.电站距新城及红古城均为30km，距大川约8km。

9.主要机电设备

机组台数：

4台

水轮机型号：

HL240-LJ-410，其气蚀系数为0.201

发电机型号：

TS900/135-56，伞式

发电机组数据：

容量：

53000kVA，45000kW，额定转速n0=107r/min

飞逸转速：

235r/min输出电压：

10500V

输出电流：

2920A转子重：

206t

定子重：

109t总重量：

520t

cosφ=0.85，η=97.19%

GD2=1150t-m2

变压器：

2台机组共用一台变压器，其型号为：

SF-106000/110，即三相油浸风冷双线圈铜线圈变压器，其总重156.5t，器身重80t，油箱附件重37t，油重39.5t，运输重量109.34t。

调速器：

型号：

T-100重量：

油压装置：

型号：

YS-4

二.主要设备的尺寸

1.发电机

各部分尺寸见图3，其中转子直径为772cm。

图3发电机尺寸，单位：

2.导水机构

座环立柱高b0=1.5m导水机构直径D0=475cm

座环外直径Da=6.3m座环内直径Db=5.45m

座环立柱数12个导水叶数24个

3.蜗壳

取其包角为345°，可以计算出其各部位的尺寸如图4。

图4蜗壳尺寸图，单位：

4.尾水管

采用4H型弯肘形尾水管，其尺寸根据水轮机转轮标称直径D1确定。

5.变压器

最大外型尺寸为：

长5800mm，宽2494mm，高3890mm。

6.调速器

高度：

1.9m，平面尺寸：

0.8×0.8m

7.油压装置

外径：

D=1336mm，基础架外径：

1670mm，总高4160mm，

桶高：

3237mm，油箱长度：

1916mm，油箱宽度：

1900mm，

油箱体高1440mm，油箱总高：

2435mm。

8.转轮尺寸

水轮机转轮外形尺寸由转轮标称直径D1确定，当D1=1.0m时，各部分之间的尺寸比例如图5。

图5HL240型水轮机转轮流道尺寸图

三.厂房建筑物

厂房建筑设计可参考使用定型设计与建筑设计手册。

以下是根据有关资料摘录的部分构件尺寸，供使用参考。

由于厂房设计中涉及很多有关设备与建筑的资料，下面列出的资料是很不全面的。

（一）.常用木门窗尺寸.

1.常用木窗尺寸

宽

高

1.0m

1.2m

1.5m

1.8m

2.1m

1.0m

√

1.2m

√

1.5m

√

1.8m

√

2.1m

√

2.4m

√

2.常用木门尺寸

宽

高

0.7m

0.8

0.9

1.3

1.5

1.8

2.7

3.0

1.95m

√

2.40m

√

2.70m

√

3.00m

√

注：

（1）“/”表示不常用尺寸，“√”表示常用尺寸。

（2）在材料可能情况下，门洞口高、宽大于2.4m时，应尽量采用钢木大门为宜。

（二）.主厂房屋面结构

主厂房的屋面结构一般采用钢筋混凝土予制构件，以节省模板。

常用的是薄腹屋面梁，其上部为大型予制屋面板，见图6。

图6.薄腹屋面梁和予制屋面板

屋面梁尺寸（单位：

cm）

型号

SL-9

895

SL-12

1195

SL-15

1495

SL-18

1795

109

预应力予制槽形屋面板结构尺寸：

断面尺寸如图7，也可用于非预应力施工条件。

板的跨度为5m，（一般可用于4～6m跨度）。

屋面的防水层和保温层可采用图8所示的结构，保温材料可采用炉渣或珍珠岩粉等，厚度由当地气温条件决定。

图7预应力预制槽形屋面板图8屋面结构

图9吊车粱结构

（三）.吊车梁及吊车柱

在初步设计时粱和柱的尺寸可参考如下经验数值估计。

1.吊车梁

吊车梁的断面图如图9。

图10吊车柱（cm）

非预应力的T形截面吊车梁，其截面高度一般约为跨度的1/7～1/10，梁肋宽为梁高的1/3～1/4，一般取为20～40cm，翼板厚度常取为粱高的1/6～1/10，但不小于10cm.翼板宽度除考虑受力条件外，还应有足够尺寸以布置钢轨及埋置锚固钢轨的附件，一般不小于35cm。

2.吊车柱

水电站厂房中现浇的吊车立柱大多采用矩形截面，当吊车起重能力在10t以上时，下柱截面高度h不小于H2/12～H2/14，截面宽度b不小于H2/25（在此，H2为下柱高度，一般要求b≥40cm.例如，有的工程设计中，吊车荷载为100t时，下柱截面取为50×100cm。

预制柱与大块混凝土基础的连接，如图10所示，柱子插入基础的深度H1可考虑为：

H1≥h，H1≥2dH1≥0.05H

（d为柱子纵筋直径）

基础的杯口内面在施工时必须拉毛，安装时杯底及四周均用不小于200号的细石混凝土浇灌。

（四）.墙

砖砌体的厚度规定为24，37或49cm，采用的结构厚度参照结构要求。

（五）.厂房抗震结构要求

见工业与民用建筑抗震设计规范TJ-11-74（试用）。

四.起重机

1.额定起重量

起重机允许起吊的最大部件重量和取物装置（如平衡粱，专用吊具等）自重之和称为额定起重量。

水电站主厂房起重机的额定起重量，一般决定于发电机转子重量，有时还要考虑起吊主变压器的要求，水电站装机超过四台，建议采用两台起重量相等的起重机，每台起重机的额定起重量为最大起重件，平衡梁和吊具重量之和的一半。

预计起重量时平衡梁和吊具的重量一般可按照增加10-12%的最大起重量件的重量来考虑.采用两台起重机可以提高机动性，特别是在同时安装数台机组时，可以加快安装进度。

2.跨度

起重机两端车轮中心线间的距离称为起重机的跨度.起重机的跨度已列为国家标准，它由厂房跨度决定.规程中规定：

“起重机跨度按每隔0.5m选定”，以满足水电站厂房宽度不一定符合标准要求。

3.起升高度

吊具上极限位置与下极限位置之间的距离称为起升高度。

在水电站中根据主钩吊运水轮机转轮带轴或发电机转子带轴所必须的高度来确定上极限位置，主钩的下极限位置要满足从机坑内（或水轮机进水主阀吊孔内）将水轮机转轮带轴或发电机转子带轴（或主阀）分别吊运至检修场地.如果主钩只用于吊装发电机部分，则主钩的下极限位置采用等于地板的高程。

付钩的下极限位置，应保证水轮机转轮及埋设部件的安装和检修，可定为与水轮机的顶盖高程相同。

国内起重机械厂生产的2×50～450t门式起重机的基本参数和主要尺寸等有关资料可参考有关资料。

4.特制吊车钢轨

特制吊车钢轨规格，其主要尺寸和重量见下表，符号见图11.

图11特制吊车钢轨

钢轨主要尺寸和重量（mm）

型号

QU70

76.5

120

32.5

400

1.5

QU80

130

400

1.5

QU100

100

108

150

450

QU120

120

129

170

500

四.设计要求

1.计算水轮机安装高程。

2.绘制蜗壳和尾水管单线图。

3.确定厂房轮廓尺寸，包括长度，宽度和高度，确定各层高程。

4.根据起重量和宽度，确定桥吊型号。

5.划分一，二期混凝土。

6.主厂房的结构布置设计及厂房内各种设备的布置。

7.副厂房的布置设计。

8.厂内交通设计。

9.绘制出厂房横剖面图，发电机层和水轮机层平面图。

10.提交设计说明计算书一份。

五.建议步骤

1.孰悉资料，复习教材第七章。

2.根据蜗壳和尾水管等结构，确定下部块体结构最小尺寸。

3.绘制厂房横剖面图。

（1）.计算水轮机安装高程，确定机组轴线。

（2）.绘出水轮机，蜗壳，尾水管和发电机。

（3）.确定水轮机层高程和发电机层楼板高程。

（4）.确定桥吊型号。

（5）.确定桥吊轨面高程，厂房高度及宽度。

（6）.划分一，二期混凝土，确定尾水管，蜗壳和机墩等结构尺寸。

（7）.确定尾水管闸门的起闭方式。

4.绘制厂房发电机层平面图。

（1）.确定机组段长。

（2）.确定安装间长。

（3）.确定总长度，保证所有大部件和大型设备都在起吊限制线以内。

（4）.主厂房的结构布置设计。

（5）.副厂房的布置设计。

（6）.厂内交通布置，包括通道及楼梯。

5.绘制水轮机层平面图。

（1）.绘制水轮机及尾水管。

（2）.绘制蜗壳和尾水管进人孔。

（3）.电器设备的布置。

（4）.油气水系统的布置。

（5）.尾水管闸门及起闭设计。

6.整理设计说明计算书，其章次安排建议如下：

（1）.基本资料

（2）.枢纽及厂区布置

（3）.主厂房设计.

（4）.副厂房设计.

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