水电站课程设计报告.docx

1、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

2、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

3、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 22.5 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

4、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 5065m，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30HL3

5、10HL365,Q25-45HL240HL12335-65HL230HL263,H250-85HL220HL7023.2 HL220 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Q1M1150 L s1.15 m3s ，效率 M89% ，由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量 Q1Q 1M1150 L s1.15 m3s ，效 率89.15% ，即假设0.15% ，M89% 0.15%89.15% 。上述的 Q1 、和 N r845KW 、 H r57.0m 代入D 1N r8450.442m9.81Q1 H r

6、 H r9.81 1.155757 0.8915表 3-2 反击型水轮机转轮标称直径系列 （单位： cm）253035404250607180841001201401601802002252502753003303804104505005506006507007508008509009501000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 HL220 型水轮机在最优工况下单位转速n10M 70 r min 初 步假 定 n10 n10M 91% ， 将 已知 的 n10 和 H av 57.0m ，D1 0.5m 代入nn1 H D

7、1表 3-3磁极对数 P 同步转速 n（r/min）70570.5341000 7501057.0 r min ，磁极对数与同步转速关系5789101214600428.6375333.3300250214.3磁极对数 P161820222426283032同步转速 n187.5166.7150136.4125115.4107.110093.8（ r/min）磁极对数 P3436384042464850同步转速 n88.283.3797571.468.262.560（ 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：n 1000r / min 。3.效率及单位参数

8、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Mmax91.0% ，模型转轮直径为D1M0.46m ，得原型效率：max1 (1Mmax ) 5D1M1(10.91)5 0.4691.15%D10.5效率修正值maxMmax91.15% 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：maxMmax91.0%0.15% 91.15%M89%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 ( max M max则n1n10maxM maxM1)1 0.9115 0.91 1 0.0008 0.03 ，按

9、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%、 Q1Q1M 、1010 M 是正确的，那么上述计算及选用的结果 D1 0.5m 、 n1000 rmin 也是正确的。4. 工作范围的检验在选定 D10.5m 、 n1000 rmin 后，水轮机的 Q1 m ax 及各特征水头相对应的 n1 即可计算出来。水轮机在 H r 、 N r 下工作时，其 Q1 即为 Q1m ax ，故Q1 maxNr9.81 0.528450.8981.15 m3 / s ，9.81D12 H r H r57570.8915此值与原选用的 Q1 =1.15m 3 / s 相比，

10、符合“接近而不超过”原则，说明所选的 D 1 是合适的。则最大引用流量为：Qmax Q1 max D12 H r 0.898 0.5257 1.695m3 / s与特征水头 H max 、 H min 、 H r 相对应的单位转速为：n1minnD110000.562.02r / minH max65n1maxnD110000.570.71r / minH min50n1rnD110000.566.23r / minH r57在 HL220型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出Q1max 0.898 m3 s ，n1 max70.71r / min和 n1 min62 .02r / min的直线

11、，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D 10.5m 和 n1000r / 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 0.133（限制工况），气蚀系数修正值0.022（当HP57.0 米时），由此可求出水轮机的吸出高度为：H s 10H 101257 1.154m0.13 0.022900900可见， HL220 型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。3.3 HL230 型水轮机的主要参数选择1.转轮直径 D1

12、 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Q1M1110 L s 1.11m3s ，效率 M 85.2%，由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量Q1Q 1M1110 L s1.11m3 s ，效率85.59% ，即假设0.39% ，M85.2% 0.39%85.59% 。上述的 Q1 、和 N r845KW 、 H r57.0m 代入D 1N r8450.451m9.81Q1 H r H r9.81 1.1557570.8559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 HL230 型水轮机

13、在最优工况下单位转速n10M71 r min 初 步假 定 n10n10M90.7% ，将 已知的 n10和 H av57.0m ，D10.5m 代入n1 H7157min ，n1072.08rD10.5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：n 1000r / 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Mmax90.7% ，模型转轮直径为D1M0.404m ，得原型效率：1 (1D1M1(10.907) 50.40491.09%maxMmax ) 50.5D1效率修正值maxMmax91.09% 90.7

14、%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：maxMmax90.7% 0.39% 91.09%M85.2%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 ( max M max则n1n10maxM maxM1)1 0.9109 0.907 1 0.0021 0.03 ，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%、 Q1Q1M、 1010 M 是正确的，那么上述计算及选用的结果 D10.5m 、 n1000 rmin 也是正确的。4. 工作范围的检验在选定 D10.5m 、 n1000 rmin 后

15、，水轮机的 Q1 m ax 及各特征水头相对应的 n1 即可计算出来。水轮机在 H r 、 N r 下工作时，其 Q1 即为 Q1m ax ，故Nr8453/ s ，Q1 max9.81D12 H rH r9.81 0.52570.935 1.15 m57 0.8559此值与原选用的 Q1 =1.15m 3/ s 相比，符合“接近而不超过”原则，说明所选的 D 1 是合适的。则最大引用流量为：QmaxQ D2Hr0.9350.52571.765m3/ s1 max1与特征水头 H max、 H min 、 H r 相对应的单位转速为：n1minnD110000.562.02r / minH m

16、ax65n1maxnD110000.570.71r / minH min50n1rnD11000 0.566.23r / minH r57在 HL230型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出Q1max 0.935 m3 s ，n1 max 70.71r / min 和 n1 min62 .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 D 10.5m 和 n1000r / 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

17、 2-24 得气蚀系数 0.17（限制工况），气蚀系数修正值 0.022（当H P57.0m 时），由此可求出水轮机的吸出高度为：H s 10H 101057 0.955m0.17 0.022900900可见， HL230 型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。3.4HL220 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 3-4HL220 型与 HL230 型水轮机参数对照表序号12模型转3轮参数456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 M max

18、（）气蚀系数转轮直径 D1（m）转速 n（ r/min）HL220 HL2305085 356570.0 71.01000 91391.0 90.70.133 0.170.5 0.51000 10008最高效率 m ax （）91.1591.099额定出力 Nr (kW)84584510最大引用流量 Qmax （ m3 / s ）1.6951.76511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

19、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 HL220WJ 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： n1000r/min设计水头： H P57.0m设计流量： QPm3/s1.8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

20、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 H s 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)Q H max D1 225

21、1.33 57 0.5 2036( N ? m)Q为最大水头下额定出力时的流量为QN845=1.33m 3 / s 。9.81H max9.8165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 Z s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：H s10mH900已知：m =0.133,0.022，H=57m， w 尾水位 12mH s10120.133 0.022 57 1

22、.15m900对应卧轴反击式水轮机：Z swHS D1/212 1.15 0.5/ 2 12.9m3.7.2 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 = Z sh1h212.93.70 0.75 8.45m尾水管出口高程 = Z sh112.93.709.2mh1 尾水管高度， m ； h2 尾水管出口距离尾水室地板高度， m3.7.4 厂房基础开挖高程根

23、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：0.8m 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，

24、蝶阀坑宽度 =d+1000+800=2650mm=2.65m蝶阀坑高度 = a 1000 =1730+1000=2730mm=2.73m 3.7.6 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： D3 D1 0.5 1 cmL 34D3120 140h (1.1 1.5) D3c0.85 D3b(1.0 1.2) D3V5(0.235 0.7) H ，经济流速取 1m s。根据水轮发电机组剖面图A-A 、B-B ，已知D 30.5m，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Q 7.2 4 1.8 m3 s ，经济流速 V 1m/ s ，AQ1.8m2bh ，h1.80.86m 。V