乌溪江水电站枢纽布置及岔管设计计算书

1、目录11 基本资料42 水轮机42.1 水电站水头的确定42.1.1 的确定42.1.2 设计低水位的确定52.1.3 的确定62.2 水轮机型号选择：6型水轮机方案的主要参数选择62.2.2 HL180型水轮机方案的主要参数选择72.3 HL180型水轮机方案的调速设备选择93 发电机133.1 主要尺寸估算1332 外形尺寸估算134 混凝土重力坝1641计算坝高164.1.1 设计洪水位情况164.1.1 校核洪水位情况1642坝顶宽度1743坝顶高程1744 稳定和应力校核（以下计算均取单宽=1M,混凝土采用 C20）175 溢流坝26确定堰顶高程265.1.1 溢流坝下泄流量的确定2

2、65.1.2 由抗冲能力拟定单宽流量265.1.3 堰顶高程的确定275.1.4 闸门布置285.2 溢流坝的剖面布置285.2.1 溢流面曲线285.2.1.1 溢流前沿：285.2.1.2 溢流段：（溢流面曲线采用WES曲线）29直线段：29反弧段设计30溢流坝稳定验算31鼻坎的型式和尺寸34挑射距离和冲刷坑深度的估算346 引水建筑物366.1 基本尺寸36隧洞断面36闸门断面366.1.3 拦污栅断面366.2 压力管道设计376.3 托马断面38引水隧洞的水头损失386.3.2 压力钢管的水头损失40断面计算416.4 调压室设计比较：426.4.1 阻抗式调压室42差动式调压室46

3、最低涌波水位计算466.4.2.2 最高涌波水位计算477 厂房50厂房长度确定50机组段长度50端机组段长度50装配场长度50主厂房宽度确定507.3 主厂房顶高程确定51水轮机安装高程：51尾水管底板高程51基岩开挖高程：51水轮机层地面高程517.3.5 定子安装高程51桥吊安装的高程52厂房顶部高程528 压力钢管结构计算548.1 明钢管的设计54确定经济管径54确定管壁厚度548.2 管身应力分析和结构设计558.2.1 跨中断面1-155支承环附近断面22578.2.3 支承环断面33598.3 外压稳定校核678.3.1 无加劲环时688.3.2 对加劲环自身稳定的临界外压计算

4、688.4 地下埋管钢衬结构的计算681基本资料2水轮机2.1 水电站水头的确定的确定1. 校核洪水位+满发 Z=8500 由获青水位流量关系曲线得：Z= Z- Z=240.00-128.30=96%111.70=2. 设计洪水位+满发 Z=6250由获青水位流量关系曲线得：Z=238.00-125.92=96%112.08=3. 正常蓄洪水位+一台机组发电 Z=4.427万KW（96%为大中型水轮机的效率）根据N=9.8QH ，水电站的效率一般为85%即=85%试算过程：表2-1试算过程Q（）Z（m）Z(m)(m)(m)(万KW)555045Z=232.00-115.46=96%116.54

5、=max107.23,107.60,111.88= 设计低水位的确定设计低水位（即设计死水位）+机组满发 Z发电机出力N=9.8QH=4.254=17万千瓦，即水轮机出力为=试算 表2-2试算过程Q（）Z（m）Z(m)(m)(m)(万KW)350300250Z=192.00-116.74=96%75.26=即=的确定加权平均水位=0.6max+0.4min=m引水式水电站=2.2 水轮机型号选择：根据该水电站的水头工作范围72.25111.88，查水电站教材型谱表选择合适的水轮机型有HL200和HL180两种。现将这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。HL200型水轮机

6、方案的主要参数选择转轮直径(假定=91.1%)=1.0% =1.5%3%也可不加修正。 在图上做出工作范围。=0.105，=0.02，由此可求出水轮机的吸出高度：Hs=-2.14 可见HL200型水轮机方案的吸出高度满足电站要求 HL180型水轮机方案的主要参数选择转轮直径(假定=90.9%)= =1.0 =1.9%3%也可不加修正。 =0.83920000KVA D2=D1+= 3、转子外径 4、下机架最大跨度10000214r/min 2、上机架高度所以采用悬式 3、推力轴承高度、励磁机高度、副励磁机高度和永磁机高度（起重机架高0.8）4、下机架高度5、定子支座支承面至下机架支承面或下挡风

7、板之间的距离悬式 6、下机架支承面主主轴法兰底面距离=700mm1500mm这里取7、转子磁轭轴向高度无风扇时 +(500600)mm=+(5060)cm=8、发电机主轴高度=（0.70.9）H=7.68610.116，取h11=9、定子铁芯水平中心线至法兰盘底面距（三）水轮发电机重量估算水轮发电机的总重量发电机转子重量=发电机飞轮力矩4混凝土重力坝41计算坝高已知吹程D=2Km计算风速：设计洪水情况：校核洪水情况： 设计洪水位情况 校核洪水位情况综合以上两种情况，取最大值，则42坝顶宽度43坝顶高程图4-1 非溢流坝剖面图44稳定和应力校核（以下计算均取单宽=1m,混凝土采用C20）441校

8、核洪水位下，非溢流坝坝基面：图4-2非溢流稳定校核示意图坝体自重：上游水压力：扬压力：浪压力：表4-1 坝基面校核洪水位时的应力计算表格编号荷载垂直(KN)水平(KN)力臂力矩（KNm）向下向上向左向右m顺时针逆时针1自重14013421762507032水压力12328134743扬压力1002344浪压力12.1 稳定分析摩擦公式.2 应力分析 校核洪水位情况下，折坡点的稳定验算表表4-2 折坡点校核洪水位时的稳定计算表格荷载计算简式垂直力(KN)水平力(KN)力臂弯矩(KNM)向下向上向右向左m顺时针逆时针自重12926776水压力11765820353160扬压力12204983.1

9、稳定分析.2 应力计算（不计入扬压力） 正常蓄水位下，非溢流坝坝基面表4-3 坝基面正常蓄水位时的稳定计算表格荷载计算简式垂直力水平力力臂弯矩向上向下向右向左m顺时针逆时针自重14013421762507047673567水压力1392扬压力123.1稳定分析 .2应力分析荷载计算简式垂直力（KN）水平力（KN）力臂力矩（KNm）向下向上向右向左m顺时针逆时针自重12水压力1扬压力123表4-4 折坡点正常蓄水位时的稳定计算表格.1稳定分析.2应力分析满足应力要求5 溢流坝确定堰顶高程 溢流坝下泄流量的确定 由抗冲能力拟定单宽流量堰顶高程的确定闸墩选用半圆形的墩头（）；圆弧形边墩，此为的第一次

10、近似值，用以重新计算得再次试算：再次试算：与上一次计算值相近，作为正确值。行进流速堰顶高程 闸门布置闸门高度=正常高水位-堰顶高程+超高选择平面闸门，按规范所给值，又闸孔净宽b=13m，所以闸门取为14m8m。工作闸门一般布置在溢流堰顶点，以减少闸门高度。为了避免闸门局部开启时水舌脱离坝面而产生真空，将闸门布置在堰顶偏下游一些，以压低水舌使其贴坝面下泄。检修闸门位于工作闸门之前，为便于检修，两者之间留有13m的净宽，本设计取净宽2m。5.2 溢流坝的剖面布置 溢流面曲线.1 溢流前沿：取，则.2 溢流段：（溢流面曲线采用WES曲线）直线段采用与基本剖面一样的坡度，设与曲线相切的直线方程为：联立

11、：对（1），（2）两式求导得：求得：x=18.2,y=12.61,即切点的坐标为（18.2，12.61）.4反弧段设计选择挑流消能，取R=26m,Q=8500m3/s 时，下游水位为,而鼻坎距下游水位一般为12m，故取h=23m。反弧段圆心距坝底的距离H1=23+26cos300=m反弧段与直线段切点距坝底的距离：鼻坎超出基本剖面的距离：,故无需验算超出段应力条件。试算求总有效水头，m；临界水深（校核洪水位闸门全开时反弧处水深），m；流速系数查表取0.95。经试算，反孤段半径,所以取R=26m，合理。溢流坝断面如下图所示：溢流重力坝剖面如下图所示：图5-1 溢流坝剖面示意图图5-2 溢流坝剖面

12、在校核洪水位时的示意图5.4鼻坎的型式和尺寸鼻坎采用平顺连续式的,高程比下游水位高出两米,即坎顶高程为138m.挑射距离和冲刷坑深度的估算连续式挑流鼻坎的水舌挑距按水舌外缘计算，其估算公式为：又鼻坎处水流平均流速v为：坎顶水面流速，坎顶垂直方向水深坎顶至河床面高差：最大冲坑水垫厚度估算公式：式中：水垫厚度，自水面算至坑底，m；冲坑深度，mq 单宽流量，这里为3/s,H 上下游水位差，这里为。H2 下游水位，这里为128.3-115=13.3m，冲坑系数，坚硬完整的基岩为，这里取所以：为了保证大坝的安全，挑距应有足够的长度，一般当时，认为是安全的，这里，所以大坝是安全的。6 引水建筑物6.1 基

13、本尺寸隧洞断面闸门断面 拦污栅断面，6.2 压力管道设计管道内径估算，采用彭德舒公式：估计压力管道段全长290m，上游如需调压室，则布置在最靠近厂房地面高程260m的地方。6.3 托马断面引水隧洞的水头损失（1）沿程水头损失计算托马断面时混凝土衬砌，选用最小糙率0.012。（2）局部水头损失1、 拦污栅处（具有独立支墩）过栅平均流速2、 喇叭口段 （取减缩段的面积）3、 闸门段（有两个闸门门槽）4、闸门渐变段（两个渐变段）（有两个闸门门槽）5、隧洞转弯处 压力钢管的水头损失1沿程水头损失（糙率取最大值0.013）2局部水头损失6.4 调压室设计比较：阻抗式调压室最低涌波水位上游取最低水位,引水

14、隧洞糙率n取大值0.015， m=0.5（两台增加到四台)孔口面积： 其中最高涌波水位的计算(设计水位满发时的工况)拦污栅处：喇叭口段： 闸门槽： 渐变段： 隧洞拐弯处：校核洪水位情况：拦污栅处:喇叭口段： 闸门槽： 渐变段： 隧洞拐弯处：6.4.2 差动式调压室.1最低涌波水位计算上游水库水位取最低水位，m=0.5(两台增加到四台)，升管断面面积.2 最高涌波水位计算1 设计水位满发时工况假定， 相应大井体积为：升管溢流量：溢流水：进入大井水体积：两者接近， 故2 校核洪水位情况计算过程同设计洪水位假定， 相应大井体积为：升管溢流量：溢流水：进入大井水体积：两者相近，取校核洪水位情况：7 厂

15、房机组段长度1由蜗壳层决定的机组段长度因设有蝴蝶阀，且机组段之间要分缝，按构造要求，取蝴蝶阀一侧涡壳混凝土厚度，另一侧为；故所需机组段长度为4.62+3.826+1.2+0.8=2尾水管层取闸墩最小厚度为，尾水管出口宽度为，则所需机组段长度：3发电机层L=发电机定子外径+2风道宽（）+风道间过道宽（）=4.69+2+21.5=综上，机组段最小长度为，考虑到布置间隙及方便，最终机组段的长度定为。由蜗壳层决定的厂房宽度：上游侧最小宽度：=机组中心线至上游蜗壳外缘尺寸+蜗壳外包混凝土+蝴蝶阀净宽+外墙厚=下游侧最小宽度:=机组中心线至下游蜗壳外缘尺寸+蜗壳外包混凝土+外墙厚=7.3 主厂房顶高程确定

16、水轮机安装高程：对于 HL180型水轮机式中为设计尾水为：由于本水电站装机四台，故取一台水轮机满发电时的额定流量，即对应的获青水位流量关系曲线中查得=。吸出高度，。得到水轮机的安装高程 Zs=。尾水管底板高程-6.5=基岩开挖高程：=108.691.5水轮机层地面高程蜗壳进水口混凝土厚度（1m）定子安装高程发电机层地面高程（定子埋入式）取 装配场层地面高度采用发电机层和装配场层不同高方案，装配场层与地面同高，下游最高水位，取装配场层地面高度。桥吊安装的高程=装配场高程+最大吊运部件尺寸+吊运部件与固定物之间的安全距离=128.5+9+1= 。厂房顶部高程+轨道面至起重机顶端的距离+小车至天棚必

17、要距离+屋顶大梁高+_屋顶厚=138.5+4.3+0.3+1+0.2=。起重机的额定起重量一般为发电机转子重量、平衡梁重以及专用吊具重量之和根据本设计额定起重量，选择与之接近而偏大的2100桥机1、设备型号台数选择：选用一台双小车起重机，跨度14m。表7-1工作参数表名义起重量t单台小车起重量（t）跨度m起升高度m主钩副钩2100100201426极限位置推荐用大车轨道轨道中心距起重机外端距离B1轨道面至起重机顶端距离H吊钩至轨道吊钩至轨道中心距离hh1L1L2主钩副钩11001600Qu-100400370012407008 压力钢管结构计算8.1 明钢管的设计8确定经济管径前面已经算出，D

18、=6.6m。8确定管壁厚度考虑工况：最大水击压力 设根据公式 =压力管壁厚度（计算厚度），（）； D 压力管道直径（m），D=6.6m；管顶以上的计算水头；水的容重；焊缝系数，取=0.90；=考虑到钢板厚度的误差及运行中的锈蚀和磨损，实际采用的管壁厚度应在计算的基础上加2mm的裕度。则结构要求：D/800+4=12.25mm；制造安装厚度大于6mm。综上，取=32mm，则外径D=D+2=6600+232=6664mm8.2 管身应力分析和结构设计 本工程中，靠近厂房的露天压力钢管属于最危险段。该段段压力管道支墩间距L=m，计算厚度=32-2=30mm。由于该段是最危险段，如果这段露天压力管道满

19、足应力要求，则其他段必然满足要求。下面对这压力管道进行应力分析。第四段管道示意图如下图所示：图8-1管身计算断面8跨中断面1-11、切向应力 = =式中 压力管壁厚度（计算厚度），（）； D 压力管道直径（m），D=m； H 管顶以上的计算水头管道中心线以上的计算水头，=H+D/2 管壁的计算点与垂直中线构成的圆心角水的容重；管轴线与水平线的夹角，对于水平段=0对于水电站的压力管道，上式等号右端的第二项是次要的，只有当时才有记入的必要。=m。 =cos=m。所以，式子中的第二项可省去。=1 MPa（=0、90、180）2、径向应力 管壁内表面的径向应力等于该处的内水压强，即=-H，“-”表示压

20、应力，“+”表示拉应力。=0=-9810（-）=- MPa=90=-=-9810=-1.242 MPa=180=-9810（+）=-1.274 MPa3、轴向应力2(+212)2-2)=kN/m截面处弯矩 M近似取为 M=kNm=0=-=-=- MPa=90=0 =180=- MPa水平管段只计算水流对管壁的摩擦力水温时，=（=0、90、180）2320故，管道中水流为紊流查表得管道当量粗糙度 ，于是相对粗糙度为=0.015查图可得 所以，沿程水头损失=0.033m=KN故=-=-178MPa=+所以 =0=-=-MPa=90=0-178=-178MPa=180=-178=MPa用第四强度理论

21、进行校核： 式中 = MPa=0=0=MPa = MPa=90=1MPa = MPa=180=1MPa = MPa所以，跨中断面11满足强度要求。8.2.2支承环附近断面22支承环附近断面22在支承环附近，但在支承环的影响范围之外，故仍为膜应力区。 1、切向（环向）应力22断面的与11断面的相同= MPa（=0、90、180） 2、径向应力22断面的与11断面的相同=0= MPa=90=-=- MPa=180= MPa3、轴向应力22断面的与11断面的大小相等，方向相反。=0=MPa=90=0 MPa=180=- MPa22断面的与11断面的相同178 MPa （=0、90、180）=+所以

22、=0=-=MPa=90=MPa=180=MPa断面22除了以上应力外，还有管重和水重在管道横截面上引起的剪应力。管重和水重在支承环处引起的剪力可将管道视为连续梁求出，近似可取为：式中 每米长的管重和水重支承环的中心距管道倾角，对于水平段=03849.25cos0=1776kN此剪力在管壁中引起的向的剪应力= MPa式中 某断面以上的管壁面积对中和轴的静矩 =2管壁的截面惯性矩 = 管道半径 受剪截面的宽度 =2 管顶至计算点的圆心角=0=0= 0MPa=90=1=MPa=180=0=0MPa用第四强度理论进行强度校核 =0=0=1MPa =0.90.55345=170.55 MPa=90=1MPa =170.55 MPa=180= MPa =170.55 MPa所以，支承环附近断面22满足强度要求。8.2.3 支承环断面33支承环处的管壁由于支承环的约束，在内水压力作用下发生局部弯曲，如下图所示： 图8-2 管壁局部弯曲示意图因此，与断面22相比，增加了局部弯曲应力，切向应力也因支承环影响而改