水电站课程设计AB

1、水电站课程设计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，培养学生独立思考、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

2、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-流量关系表油Q/3(m /s)510152030406080水位Z (m)430.80430.95431.06431.16431.35431.50431.75431.952 .机组供水

3、方式单元供水3 .水头该水电站水头范围 H=39.00m, Hnin=28.00m,加权平均水头由=33.00日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) CAE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

4、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。第二节水轮机主要参数计算第三节 HL240型水轮机方案主要参数计1转轮直径的计算D _ NrD1 一19.8小,32”Nr =5263kW;Hr -31.35m;式中Q1 = 1240L / s = 1.24m3 / s（由 C寸表 1 查得）。同时在附表1中查得水轮机模型在限制工况下的效率M =90.4%,由此可初步假定水轮机在该工况的效率为92% 将以上各值代入上式得5263Di32= 1.64m,9.81 1.24 31.3532 0.92选用与之接近而偏大的标准直径di =1.8m2效率修正值的计算由附表1查

5、得水轮机模型在最优工况下的“Mmax=92.0%,模型转轮直径D1M =0.46m ,则原型水轮机的最高效率”max可依(3-23)式计算，即7 max =1- (1-4Mmax)； DM = 1- (1- 0.92)51竺=93.9%D11.8考虑到制造工艺水平的情况取1=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*2=0,则效率修正值”为：= 0.939 - 0.92- 0.01 =0.009“一刀 max - 刀 M max - & 1由此求得水轮机在限制工况的效率为:“ m + n =0.904 +0.009 = 0.913% （与原来假定的数值接近，不再校正）

6、3转速的计算n = n10 HaDi式中n1 0 =n1 0m + n1由附表1查得在最优工况下的n1 M =72r/min,同时由于A n；Fn10MM M max0.939-1- 1 = 0.010 :二 0.03.0.92所以可忽略不计，则以ni0 =72代入上式得:72 33n = =230r/min1.8选用与之接近而偏大的标准同步转速n = 250r / min4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Q1 max和各种特征水头下相应的n；值分别为:Nr52639.81D12Hr3)9.81 1.82 31.35323:1.03 1.24 m

7、/s0.913则水轮机的最大引用流量Qmax为:Qmax =Q1maxD12 , Hr =1.03 1.82. 31.35 = 18.69m3/s又tn1值：在设计水头Hr=31.35m时nD1250 1.8. Hr 31.35=80.37r / min在最大水头Hmax =39.0m时nDi n _1 minH H max250 1.8,39.0= 72.06r/minnimaxnD1.H min在最大水头Hmin =28.0m时250 1.8= 85.04r/min 28.0在 HL240型水轮机的模型综合特性曲线图上，分别画出 Qimax =1030L/s、nlmin = 72.06r

8、/min ftn；max =85.04r/min 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Di =13n =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(n1r =80.37,Q；max = 1030)在图上可查得相应的气蚀系数(7=0.195；由设计水头Hr=31.35m,在图2-16上查得A(7=0.04,则可求得水轮机的吸出高为:Hs =10.0-(r+A900(r)H =10.0-440900(0.195 0.04) 31.35 = 2.1m -1m第四节 ZZ440

9、型水轮机方案主要参数的 计算1转轮直径D1的计算Di=9.81QNH/式中Nr、比值同前。对于Q1值，可由附表2查得该型水轮机在限制工况下 的Q；=1650L/s,同时还查得气蚀系数 0.72。但在允许高程H=-1m时,则相应的装置气蚀系数 *为:?,144010.0- Hs 110.0-竺0 131.359000.038 二9000.038 = 0.30 ： 0.72所以，为了满足对吸出高的限制，Q1值可在ZZ440型水轮机模型综合特性 曲线图上依工况点（%=115、b = 30）查得为820L/S。同时亦可查该工况点上M =89%,由此可初步假定水轮机的效率为 91.5%。 将以上各值代入

10、上式，便可求得：Di52633 22.03 m9.81 0.82 31.350.915 选用与之接近而偏大的标准直径 D1 = 2m2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max可用（3-24）式计算，即masmax =1 - (1 -“QM max)。3 + O.- l MJD1v H已知 D1m =0.46m、H M =3.5m、D1 =4.5m、H=31.5m,代入上式，则得:唧1 一3 +0.75唔建=1-0.719(1 - Mmax)叶片在不同转角中时的“max值可自图3-10查得，由此便可应用上式求得相应于该中角时的水轮机最高效率”5ax,并将计算结果列于表

11、4-8。表4-8叶片转角或）-10-50+5+10+15中 max(%)84.988.088.888.387.286.0ax(%)90.192.192.692.391.690.8tfmax - max (%)5.24.13.84.04.44.8)4.23.12.83.03.43.8当选取制造工艺影响的效率修正值 81=1%和考虑异形部件的影响时，便可计算得不同中角时效率修正值为:二 , max - M max - 1%将以”阴勺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=89%,由于最优工况很接近于*口的等转角线，故采用效率修正值*= 26%,这样便可得出原

12、型水 轮机的最高效率 max为：max =0.89 0.026 =0.916 =91.6%已知在限制工况（n10 =115、Q；=12404型的效率为：“M =86%,而改点处于* =+0吗* = 口两等角线之间，用内插法可求得该点的效率修正值为 以“*=2.68% ,由此可求得水轮机在限制工况下的效率为：= 0.86 0.0268 =0.9168 =91.68%与原来假定的效率91.5啕艮接近,不在校正3转速的计算n；n10MY M max0.9161 =0.0145 二 0.03 0.89max _1所以不考虑鼠。的修正，由此求得水轮机的转速为:D1115 33=333.31r/min2选

13、用与之接近而偏大的标准同步转速 n = 15r / min4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Q11max和各种特征水头下相应的n1值分别为:Q1 max5263_23 29.81 22 31.350.9168=0.82m3 /s则水轮机的最大引用流量Qmax为:Qmax =Q1maxD12/h； = 0.82 22, 31.35 = 18.37m3 / s又tn1值：在设计水头Hr =31.35m时nD1333.3 2n1r119.05r/minHr 31.35在最大水头Hmax =39.0m时333.3 2,39.0= 106.74r/min在最

14、小水头Hmin =28.0m时maxnD1Hmin333.3 2. 28.0= 125.98r/min在 图 上Q1max =820L/s、n；min = 106.74r /min、n；max = 125.98r /min 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（n； =119.05、Q；max=820）时，由图3-10可查得气蚀系数仃=0.30,由此可求得水轮机的吸出高 山为；、440Hs =10.0- - -（-： -）H =10.0-40 -（0.30 0.04） 31.35 = -1.1

15、5m -1m（900900不满足要求）故最后选用HL240型水轮机。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机距=K4 SfP磁极又t数，12;K , Kj取 8-9;SfN r 5263-=5847.78kW90%0.95847.78=35.5cm:定子铁芯内径2P2 12 35.5 = 271.2cm定子铁芯长度ltSf5847.78CDi2ne 3 10 271.22 250=106.01cmSf 一发电机额定容量;ne一水轮机额定转速；Di 一定子内径，；C一计算系数，取为3父10。（空冷）四定子铁芯外径ne =250r/min 166.

16、7r/min, Da = Dj . = 271.2 35.5 = 306.7cmDi ltn271.2106.1 250= 0.010 0.035 ,故采用悬式。第二节外形尺寸估算一平面尺寸估算1定子机座外径D1214 ： ne = 250r / min ： 300r / minD1 =1.2Da =1.20 306.7 = 368.04cm2风罩内经D2Sf =5847.78kW :二 20000kW, D2 = D12m = 368.04 200 = 568.04cm3转子外径D3D3=Di - 2、= 271.2 - 0 u 271.2cm4下机架最大跨度D4Sf =5847.78kW,

17、1000 二 Sf M 100000D4 = 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hlne = 250r / min 214r / min ne e，eh1 ult 2k=106.1 2 35.5 u177.1cm悬式承载机架：h2 =O.25D0.25 271.2 = 67.8cm3推力轴承高度h3励磁机高度h4、副励磁机高度、和永磁机高 度h6查水电站机电设计手册表3-8得,Sf =58

18、47.78kW :二 20000kWh3=100cm,h4 =150cm、h5 =60cm、h6 = 50cm4下机架高度h7悬式承载机架：h7 =0.12Di 川2 271.2 = 32.54cm定子支座支撑面至下机架支承面或下挡风板之间的距离悬式承载机架：h8=0.15Di =05 271.2 =40.68cm6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 = 70cm7转子磁辗轴向高度h10有风扇时,h10 =lt 70 =106.1 70 =176.1cm8发电机主轴高度h11h11 =(0.70.9)H =0.8(% h2 h4 h5 h6 h8 h9)

19、=0.8 (177.1 67.8 100 150 60 50 32.54 40.68 70)=598.50cm9定子铁芯水平中心线至主轴法兰盘底面距离h12h12 =0.46% 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GfiSf f35847.78 3Gf =K1 一 =9父=73.6(t)1% )2 250 )计算系数K1取92发电机转子重G2一 1 -1G2 =-Gf 73.6 = 36.8(t)3发电机飞轮力矩GD2GD2 =K2Di3.51t =5.2 2.7123.5 1.06 =181.06(t m2)查水轮机机电设计

20、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计算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。是在给定的水轮机设计水头Hr、最大引用流量Qmax、导叶高度也。坐环尺寸Da、Db等）和选择的蜗壳断面形式、最大包角 中。、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:断面的面积断面半径FcQcQmax 0 QcVc360 VcVccc cQmax ；：03600 二 Vc 345 18.69- 2= 3.41m360 5

21、.25兀Fc341=1m3.14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=1.8ni半径/ 2RaDa-=1.5 2= 345 时,Qmax i18.69 34503600 二 5.25360 二 5.25=1.038mDa 、R =- 2、=1.5 2 1.038 =3.6m 2=3000 时,18.69 30003600 二 5.25=0.968mR = 1.5 2 0.968 = 3.4m= 2550 时,：i u0.892mR = 3.3m= 2100 时,:i = 0.810mR =3.1m= 1650 时,R =2.9m= 1

22、200 时,R =0.612mR =2.7m= 750 时,R = 2.5m当 * =3。时，相=0.306mR=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DihLB5D4h41%L1h5肘管 型式适用 范围标准1.02.64.52.721.351.350.6781.821.22标准 混凝 土肘 管混流 式实际1.84.688.14.8962.432.431.223.272.19J H第五章主厂房主要尺寸的确定一主厂房长度的确定L = nLo+L 安 +AL式中：L一主厂房长度；n一机组台数；L0一机组段长度；L安一安装见长度；L一边机组段加

23、长。1户口1-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 = Ri 、i =3.6 1.2 =4.8mL一=R2 、2 =2.9 1.2 =4.1mLo 二 L x L=4.8 4.1 = 8.9mb尾水管层取对称尾水管B = B5 = 4.896m、2 =1.2m, B 4.896L x = ,二2 = 1.2 = 3.648m22B4.896L/ = 、2 =1.2 -3.648m222Lo =L x L=7.296mC发电机层、；3 =5.681.50.4 = 3.99m5.680.4 = 3.99m其中D2发电机风罩内径，5.68m；b一两台机组之间风罩外

24、壁净距，取为1.5m/3 一发电机风罩壁厚，取为0.4mLo = L x L。= 7.98mL0取以上三者中的最大值，L =8.9m。d边机组段加长边机组段加长从=(0.11)D1 = (0.11)* 1.8 = (0.181.8)m ,取 1me安装间长度安装问长度L安二 (1.25 1.5)L0二(1.25 1.5) 8.9 = (11.12 13.35)m，取 10m则主厂房的长度:L =nL0 +L安 +AL = 2 父8.9 +10+1 = 28.8mO二主厂房宽度的确定B 二 Bs BxB 一主厂房的净宽；Bs上游侧宽度；Bx一下游侧宽度Q5 68Bs = 23A = 568 0.

25、8 1 1 = 5.64上游侧宽度：2235.68Bx =1 A 1 =1 =3.84下游侧宽度：22主厂房净宽：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% =min +Hs +X式中：7T 水轮机安装高程；D1 水轮机转轮直径；x一系数，其值约为0.41 ;VT = 下 min +Hs +xD = 430.93+ 2.05+ 0.33 = 433.31mb主厂房基础开挖高程、f =2-(儿 h2h3)式中：VF 基础开完高程；VT 一水轮机安装高程；h2 +h3 尾水管高度；h1 一尾水管底部混凝土厚度，取为1m斗=% -(h1

26、+ h2 +h3)=433.31- (1+1.771+0.678 ) =429.861C水轮机层地面高程式中：蜗壳顶混凝土层为1m）=i T h4 =433.31 1 = 434.31md发电机装置高程t G = t T h5 h6 八 1 h5 h6=434.31 2 1 = 437.31m式中：h5发电机机墩进人孔高度，取为 2mh6一进人孔顶部厚度，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 3.54.0m,否则发电机出线和油气水管道布置困难。、2 =7G 4 =442.31mf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：h7 发电机定子高度和上机架高度之和，