水电站课程设计

水电站厂房及吊车梁设计水电站厂房及吊车梁设计I目录TOC\o”1—2"\h\z\uHYPERLINK\l”_Toc486229936"前言 1HYPERLINK\l”_Toc486229937"第一部分水电站厂房 2HYPERLINK\l”_Toc486229938"一、设计资料 2HYPERLINK\l”_Toc486229939”二、水轮机选型 2HYPERLINK\l”_Toc486229940"2.1水轮机型号选择 22。2水轮机参数计算 2三、水轮机蜗壳设计 13_Toc486229945"3。3进口断面面积及尺寸的确定 13HYPERLINK\l”_Toc486229946”四、尾水管设计 154.2弯肘型尾水管主要尺寸的确定 15五、发电机外形尺寸 17HYPERLINK\l”_Toc486229950"5。1发电机型式的选择 17HYPERLINK\l”_Toc486229951”5.2水轮发电机的结构尺寸 17HYPERLINK\l”_Toc486229952”六、厂房尺寸确定 19HYPERLINK\l”_Toc486229953"6.1主厂房长度的确定 19HYPERLINK\l”_Toc486229954"6。2主厂房的宽度 206。3主厂房各层高程的确定 21HYPERLINK\l”_Toc486229956”第二部分吊车梁设计 24HYPERLINK\l”_Toc486229957”七、吊车梁截面形式 24八、吊车梁荷载计算 25_Toc486229960”8。2垂直最大轮压 25HYPERLINK\l”_Toc486229961"九、吊车梁内力计算 25HYPERLINK\l”_Toc486229962"9.1弯矩计算 25HYPERLINK\l”_Toc486229963"9。2剪力计算 26十、吊车梁正截面及斜截面抗剪强度计算 27HYPERLINK\l”_Toc486229965”10.1吊车梁正截面承载力计算 2710。2斜截面抗剪强度计算 29HYPERLINK\l”_Toc486229967"十一、挠度计算 30HYPERLINK\l”_Toc486229968”十二、裂缝宽度验算 31HYPERLINK\l”_Toc486229969"结语 32HYPERLINK\l”_Toc486229970”参考文献 33前言本课程设计主要是水利水电枢纽工程中水电站厂房设计的部分工作。设计目的在于培养学生正确的设计思想,理论联系实际工作的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。培养学生综合运用所学水电站知识,分析和解决水电工程技术问题的能力；通过课程设计实践训练并提高学生解决水利水电工程实际问题的能力。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。根据已有的原始资料和设计要求进行设计，主要内容有：水电站总体布置、水轮机型号的选择以及水轮机特性曲线的绘制、蜗壳尺寸的确定、绘制蜗壳平面和断面单线图、尾水管尺寸的确定及草图、水电站厂房尺寸的确定以及吊车梁内力计算和吊车梁配筋计算等，并根据要求绘制相应的平面布置图和剖面图。第一部分水电站厂房一、设计资料资料:某水利枢纽工程,具有防洪、灌溉、发电、养殖、旅游等功能。水电站厂房为坝后式，通过水能计算该水电站装机容量为25Mw，厂房所在处平均地面高程440。60m1.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处下游水位流量关系见下表：2.机组供水方式:采用单元供水3。水头该水电站水头范围：Hmax=39。00m，Hmin=28。00m，加权平均水头Ha二、水轮机选型2。1水轮机型号选择水轮机型号的选择中起主要作用的是水头，本电站工作水头范围为28.00m～39。00m,根据水头范围从水轮机系列型谱中查得轴流式ZZ440型适应水头20m～36m，混流式HL240型适应水头25～45m两种型座位备选方案。经方案比较后确定水轮机型号。2.2水轮机参数计算2.2。1HL240型水轮机方案主要参数选择（两台机组）HL240水轮机水头范围25～45,HL240水轮机模型参数，见下表2—11。转轮直径D1根据水轮机型号HL240查上表得HL240型水轮机在限制工况下的单位流量Q1M'=1。24m3/s，效率ηM=90。4%，由此可以初步假定原水轮机的单位流量Q1'=QD式中：D1—Q1'—-水轮机单位流量查得Hr—-设计水头，对于坝后式水电站Hr=（0.9～0.95）Ha,取HrPr-水轮机额定出力，由发电机的额定处理求得，对于中小型水电站ηg=0。92～0。95，Pr=Pe/ηg=25000/2/0。9代入式中得D1=Pr9.81×η×Q1'×HD12。转速计算n=n1'HD1=式中n1'-—单位转速采用最优单位转速H--采用设计水头33。00mD1——采用选用的标准直径D1=2。75m由额定转速系列表3—13查的相近而偏大的转速n=150r/min3。效率及单位参数修正（1）效率修正。查表3—9可得HL240型水轮机在最优工况下的模型最高效率ηMmax=92。0%,模型转轮直径Dηmax=1-（1-效率修正值Δη=ηmax-ηMmax-式中：为考虑到原型与模型水轮机工艺水平影响的效率修正值，取ε1=1%～2%；ε2限制工况下的原型水轮机效率：η=η可见,与计算转轮直径时所假定的原型水轮机在限制工况下的效率相符。说明所选的D1（2）单位转速修正。单位转速修正计算公示如下Δn1'=n10'式中：n10'为原型水轮机最优单位转速,r/min；n10M'为模型水轮机最优单位转速,r/min；ηMmax为最优工况下的模型水轮机的效率，查表得ηMmax=92％；ηmax为最优工况下的原型水轮机的效率,ηmax=由上两式得Δn1因Δn1'4.工作范围检验在水轮机的直径和转速选定之后，还需要在模型综合特性曲线图上绘出水轮机的相似工作范围并检验该工作范围是否包括了高效率区,以论证所选定的直径和转速的合理性。（1）按水轮机的额定水头Hr和选定的直径D1计算水轮机以额定出力工作时的最大单位流量由水轮机的额定出力PrPr=9.81导出最大单位流量Q1max‘计算式(Q1max'=Pr9.81D12Qmax=Q1max'D1（2）按最大水头Hmax,最小水头Hmin以及选定的D1，n分别计算出最小和最大单位转速nn1min'n1max（3)在HL240水轮机的模型综合特性曲线图上分别作出以Q1max'、n1min'和图2-1HL240水轮机模型综合特性曲线及工作范围检验（两台机组）5．确定吸出高度由设计工况参数：n1max'=150×2.75H=73。67r/min,Q1max'=1101L/s,查图3-21得σ=0。197则吸出高度为Hs=10—440.6900—（0.195+0.035）×31.35=2。说明HL240水轮机方案的吸出高度满足电站要求.2。2.2轴流转桨ZZ440水轮机主要参数的计算（两台水轮机）1.转轮直径D1由于轴流式水轮机的限制工况由空蚀条件决定，为防止开挖过大，水电站常采用限制水轮机吸出高度的办法反推Q1'和根据水轮机型号ZZ440查表3—10得在限制工况下的单位流量Q1'=1。65m3/s，空蚀系数σ=0。72。在空蚀系数修正曲线图2—28查的∆σ=0。04。在允许的吸出高度Hσ由表3-10查得ZZ440水轮机在最优工况下的单位转速=115r/min,查图2—2可知，对应与工况点（=115r/min，=0。396）处的单位流量=1150L/s，模型水轮机的效率=87。2%。据此可先假定设计工况下原型水轮机的效率=89。7%，则转轮直径为D1=Pr9.81×η×Q查表3—12,选用与水轮机转轮计算直径相近的标称直径D12.选择额定转速nn=n1'HD1=查表3—13,选用与之相近而偏大的同步转速n0=2503.效率及单位参数修正由表2-2查得ZZ440水轮机试验水头=3.5m,模型转轮标称直径=0.46m.对轴流转桨式水轮机，当叶片转角为时，原型水轮机最大效率η==1-0.693叶片在不同转角时的ηφMmax可由模型综合特性曲线图3—22查得,当选用制造工艺影响的效率修正值ε=1%，即可用上式计算出不同转角时的效率修正值=——ε，叶片转角—10°—5°0°+5°+10°+15°84.988.088.888。387.286。089.591。692。291.991。190.2—4。63。63。43。63.94.23.62.62.42。62。93.2ZZ440水轮机效率修正值计算表由表3-10查得ZZ440水轮机最优工况的模型效率=89%，从以上计算知，最优工况的效率最接近于时的效率88。8%，故可采用=2。4%作为其修正值,则可得ZZ440水轮机原型的最高效率为=89%+2.4％=91。4％因为在吸出高度-4m限制的工况点（=115r/min，σ=0.396）处的模型水轮机的效率=87。2％，该工况点在=0处,求得该工况点的效率修正值为，该工况点原型水轮机效率为87。2%+2.4％=89.6%与假定的89.7%相近。可见选用,n=250r/min是合适的。4。工作范围检验在水轮机的直径和转速选定之后，还需要在模型综合特性曲线图上绘出水轮机的相似工作范围并检验该工作范围是否包括了高效率区,以论证所选定的直径和转速的合理性。(1）按水轮机的额定水头Hr和选定的直径D1计算水轮机以额定出力工作时的最大单位流量Q1max‘=则水轮机的最大引用流量为Qmax=Q1max'D（2）按最大水头Hmax，最小水头Hmin以及选定的D1,n分别计算出最小和最大单位转速nn1minn1maxn1r将上述值在ZZ440水轮机模型综合特性曲线上标出，如图中的阴影部分既是水轮机的工作范围。可见，工作范围仅部分包含了该特性曲线的高效率区。图2-2ZZ440水轮机模型综合特性曲线及工作范围检验（两台机组）5.确定吸出高度用水轮机设计工况点n1r'=122.79r/min，Q1max‘=1130m则对应的水轮机的吸出高度为H10-故满足电站要求.2.2.3HL240型水轮机与ZZ440型水轮机两种方案的比较经过上述计算，两方案的相关参数如下表水轮机方案参数对比表序号项目HL240ZZ4401模型转轮参数推荐使用的水头范围H（m)25～4520～362最优单位转速n10721153最优单位流量Q10'11008004最高效率ηMmax92895空化系数σ0。1950.046原型水轮机参数工作水头范围H（m）28～3928~397转轮直径D12。752.758转速1502509最高效率ηmax91。891。410额定出力P(kW）131581315811最大引用流量Q（m346。6247.8512吸出高度Hs2。30—3。66由上表可以看出,两种机型方案的水轮机标称直径均为2.75m.HL240型方案的工作范围包含了更多的高效率区域，运行效率高，空化系数较小，安装高程也高,对提高年发电量和减小厂房开挖量有利。ZZ440型方案的转速高，可减小发电机尺寸.但由于该机型水轮机及其调速系统复杂，所以总体造价较高。综合考虑，本电站选择HL240型方案更为合理。2。2.4HL24O型水轮机四台机组方案主要参数选择1。选择转轮标称直径D由资料可知该水电站装机容量为25MW，选择四台机组，则单机装机容量为6.25MW。由此可得该水轮机的额定功率Pr根据水轮机型号HL240查上表得HL240型水轮机在限制工况下的单位流量Q1M'=1。24m3/s，效率ηM=90.4%，由此可以初步假定原水轮机的单位流量Q1'=QHr=0.95HD式中：D1—Q1'——水轮机单位流量查得Hr——设计水头HPr-水轮机额定出力,由发电机的额定处理求得，对于中小型水电站ηPr=Pe/ηg=25000/4代入式中得D1=Pr9.81×η×Q1'×Hr32=65799.81×0.92×1.24×2。转速计算n=n1'HD1=72×式中n1'-—单位转速采用最优单位转速H—-采用设计水头33。00mD1——采用选用的标准直径D1=2.00m由额定转速系列表3-13查的相近而偏大的转速n=214。3r/min3。效率及单位参数修正（1）效率修正.查表3—9可得HL240型水轮机在最优工况下的模型最高效率ηMmax=92。0%，模型转轮直径Dηmax=1-（1-η效率修正值Δη=ηmax-ηMmax-式中:为考虑到原型与模型水轮机工艺水平影响的效率修正值，取ε1=1%～2%;ε2限制工况下的原型水轮机效率：η=ηM可见，与计算转轮直径时所假定的原型水轮机在限制工况下的效率相符.说明所选的D1（2）单位转速修正.单位转速修正计算公示如下Δn1'=n10'式中：n10'为原型水轮机最优单位转速,r/min；n10M'为模型水轮机最优单位转速，r/min；ηMmax为最优工况下的模型水轮机的效率，查表得ηMmax=92％;ηmax为最优工况下的原型水轮机的效率，ηmax由上两式得Δn1'n因Δn1'4.工作范围检验在水轮机的直径和转速选定之后，还需要在模型综合特性曲线图上绘出水轮机的相似工作范围并检验该工作范围是否包括了高效率区，以论证所选定的直径和转速的合理性.（1）按水轮机的额定水头Hr和选定的直径D1计算水轮机以额定出力工作时的最大单位流量由水轮机的额定出力PrPr=9。81导出最大单位流量Q1Q1max'==1.045m3/s<1.24m则水轮机的最大引用流量为Qmax=Q1max'D1（2)按最大水头Hmax，最小水头Hmin以及选定的D1，n分别计算出最小和最大单位转速nn1minn1max(3）在HL240水轮机的模型综合特性曲线图上分别作出以Q1max'、n1min'和图2—1HL240水轮机模型综合特性曲线及工作范围检验（四台机组）5。确定吸出高度由设计工况参数：n1max'=214.3×2.00H=76。55r/min，Q1max'=1045L/s，查图3—21则吸出高度为Hs=10-440.6说明HL240水轮机四台方案的吸出高度满足电站要求.通过比较发现，在转轮直径相同，吸出高度相同的条件下，HL240型两台机组方案的工作范围包含了更多的高效率区域，运行效率高.因此此电站选择HL240两台机组的方案。三、水轮机蜗壳设计3。1蜗壳形式的选择蜗壳形式有金属蜗壳和混凝土蜗壳，金属蜗壳适用于水头大于40m或小型卧式机组，混凝土蜗壳适用于水头小于40m,金属蜗壳适用于水头大于40m的水电站。因为本次课设水电站的水头范围28.00-39.00m，水头运行范围大，最大水头接近40m水头，所以本设计采用了金属蜗壳。3.2断面形状及包角的选择从蜗壳的鼻端至蜗壳进口断面之间的夹角称为蜗壳包角，常用φ0来表示,对于金属蜗壳由于流量较小,流速较大，通常采用包角为270°~345°，且金属蜗壳通常采用的蜗壳包角为345°,故本设计选择345°3.3进口断面面积及尺寸的确定1.座环尺寸：座环固定导叶外径相对值：Da座环固定导叶内径相对值：Db式中:D1为水轮机的标称直径,m。当D1<3.2m时，上两式取上限值；因为D1=2。75m<3。2m；故Da=1.642。任意断面i的断面尺寸：断面半径：ρ断面中心距：a断面外半径：R则第i+1断面的包角为φ式中：∆φ为包角增量，一般取∆φ蜗壳进口断面平均流速：V0=KvHr，HV0=0。9×31.35典型断面计算表：如下3.绘制蜗壳断面单线图和平面单线图四、尾水管设计4.1尾水管的形式尾水管是反击式水轮机的重要过流部件,其形式和尺寸在很大程度上影响到水电站下部土建工程的投资和水轮机运行的效率及稳定性。尾水管的形式很多,常用的有直锥形，弯锥形和弯肘形，大中型反击式水轮机均采用弯肘形，本设计采用弯肘形，它不但可以减小尾水管开挖深度，而且具有良好的水力性能。弯肘形尾水管由进口直锥段中间肘管段和出口扩散段三部分组成.4.2弯肘型尾水管主要尺寸的确定1.尾水管高度该电站属于中低水头电站,根据实践经验，低水头混流式水轮机（D1<D2，D1为转轮进口直径,D2为转轮出口直径）,h≥2。6D1，取h=2肘管型式=4.50L=4。5×2。75=12。375m=2。72=2.72×2。75=7.48m=1.35=1.35×2.75=3。71m=1。35=1.35×2.75=3。71m=0。678=0。678×2。75=1.86m=1.82=1。82×2。75=5。00m=1。220=1。220×2。75=3.355m查动力设备设计手册,得=1。078=1.078×2.75=2。9645m=0。928=0。928×2。75=2。552m=0。054=0.054×2。75=0.1485m=0.16=0.16×2。75=0。44m=0。593=0。593×2。75=1。631m3.尾水管示意图五、发电机外形尺寸5。1发电机型式的选择水轮发电机的结构型式主要取决于水轮机的型式和转速，同时要兼顾厂房的布置要求,本设计水轮机的额定转速n=150r/min≥150r/min，故采用悬式水轮发电机。5.2水轮发电机的结构尺寸（1）极距τ=式中K1—--系数,K1=9.0～Sn-——水轮发电机额定视在功率（kw）p—-——磁极对数.（2）定子铁芯内径DiDi=2(3）定子铁芯长度ltl（4）外形尺寸估算发电机部件参数计算式结果（mm）定子机座外径DD1机座高度hh1=风洞内径DD2=D1D2转子直径DDD3上机架高度hh2=0.25h2下机架跨距DDD4高度hh7=0.12h推力轴承装置及励磁机架外径DD6=D6=励磁机外径DDD推力轴承高度hh3h3励磁机高度hh4=24h4=24副励磁机高度hh5=10h5=10永励磁机高度hh6=8h6=8定子机座支承面到下机架支承面或到下挡风板距离hhh下机架支承面到大轴法兰距离hhh转子磁轭轴向高度hhh定子支承面到大轴法兰距离hhh定子铁芯轴向中心线到法兰盘距离hhh发电机大轴高度hhh定子机座支承面到发电机顶部hh+h发电机总高HH=hH=10263(5）水轮发电机重量估算发电机重量GFGFKG——-估算系数，悬式取8～转子带轴重量GrG（6）起重设备的选择根据转子带轴的重量为95.4t，选择起重设备具体选择见下表。六、厂房尺寸确定6。1主厂房长度的确定主厂房的长度由主机间和安装间的长度确定，而主机间的长度则主要取决于机组台数、机组段的长度和边机组的加长,因此，主厂房的长度L可以表达为L=n式中：n为机组台数;L0为机组段长度；∆L边为边机组段加长；1.发电机层机组段长度L式中：D风为发电机风罩外缘直径；∅3为发电机风罩内径；δ为风罩壁厚，一般为0。3~0.4m,取0.3m;bL0=8。76+2×0.3+2=11.362.蜗壳层机组段长度L0式中：Lw为蜗壳在厂房纵向的最大尺寸;∆L0=5.62+4.58+2×0.83.尾水管层机组段长度L式中：Bw为尾水管的宽度；∆L0=7。48+2×0.8=9.0取三者中的最大值，即机组段长度L04.边机组段加长∆∆式中:D1为水轮机的标称直径,该设计安装间在厂房的右端，则取大值∆5.安装间长度L因发电机为悬式发电机，则取小值L安综上所述，主厂房的长度L=n6.2主厂房的宽度发电机层：BBAu、ABB水轮机层：水轮机层一般上下游侧分别布置水轮机辅助设备（即油、水、气管路等）和发电机辅助设备（电流、电压互感器、电缆等）.这些设备布置一般靠墙、风罩壁布置或在顶板布置，不影响水轮机层交通，因此对厂房的宽度影响不大。蜗壳层：BBLwu、Lwd分别为蜗壳在厂房横向上游侧、下游侧的最大尺寸；∆L为蜗壳外围的混凝土结构厚度,取1m；ABB厂房的上游侧宽度和下游侧宽度应取各层上、下游侧宽度的最大值，即BB则主厂房总宽度B=Bu6。3主厂房各层高程的确定1.水轮机安装高程由于本设计选择混流HL240，Qmax=46.62确定设计尾水位的水轮机过流量电站装机台数水轮机过流量1台或2台1台水轮机50%的额定流量3台或4台1台水轮机的额定流量5台以上1.5～2台水轮机的额定流量Q=50%×46.62=23.31根据所给资料中流量与下游水位的关系可得，设计尾水位∇w则立轴混流式水轮机的安装高程Z2。主阀室地板高程∇∇F式中:D为压力管道直径；h1为人的高度1.8～2。0m压力管道直径(彭德舒公式得)D=75.2∇F尾水管底板高程∇∇式中：h2包括尾水管高度和尾水管顶部至导叶底部的高度∇WD4.主厂房基础开挖高程∇∇式中：∆H为尾水管底板混凝土厚度,∆∇水轮机层地面高程∇∇式中：ρ—蜗壳从安装高程向上的最大尺寸，对于金属蜗壳,为其进口尺寸;h3————蜗壳顶部混凝土层厚度,初设阶段可根据国内外已建电站的经验采用,一般至少取0.8~1。0m，此设计取为∇6.发电机装置高程∇∇式中：h4-—--进人孔高度取2mh5-———进人孔顶部厚度取∇发电机层地面高程∇采用定子埋入式∇式中:h7———∇8.安装间地面高程∇∇9。桥吊梁轨顶高程∇∇式中:h9--——采用定子埋入式布置，为上机架的高度；h10———-吊运部件与固定的机组或设备间的垂直净距，取为1m；h11—-—最大吊运部件的高度,h12∇=441.12+1.34+1+8.2+0.8+1.84=454.3m10.梁底高程∇∇式中：h14h15∇11。厂房顶高程∇∇式中：h16———∇第二部分吊车梁设计七、吊车梁截面形式此电站单机容量为12500KW,电站厂房吊车梁为两跨连续梁，总厂房长度为41.4m,设置6根连续梁。跨长为6。9米,梁的截面形式为T型，其截面尺寸如图1—1所示。吊车跨度LK=16m，根据最大起重重量G1=95.4t，选用100t双钩双小车桥式起重机。吊车其他数据为：吊车主钩极限位置l11。高度:根据T型梁截面混凝土梁的截面一般为跨度的1/5～1/8,即为6900/5～6900/8，即1380～862.5，取h=1000mm。2.梁肋宽:梁肋宽为梁高的1/2～1/3，即500～333,取b=500mm.3。翼板厚度：翼板厚度常为梁高的1/7～1/10，但不小于100mm，取为150mm.4.翼板宽度除考虑受力要求外，还应有足够尺寸以布置钢轨及埋件钢轨附件,一般不小于350mm，在梁端部,肋宽宜适当加大,以利于主筋的锚固.这里取800mm.5.设计原则及混凝土强度等级、钢筋型号按《混凝土结构设计规范(SL191-2008)》.吊车梁混凝土标号为C40，纵筋采用HRB335，箍筋为HPB235。八、吊车梁荷载计算8.1均布恒荷载q取单位长度为1m计算:1。吊车梁自重:q2。埋件重q23.均布荷载：q=8。2垂直最大轮压q=61。5×10九、吊车梁内力计算9。1弯矩计算从≪水工钢筋混凝土结构学≫附录九表中查得M=576081ααn,kn的取值见9。2剪力计算根据KVVVVRR十、吊车梁正截面及斜截面抗剪强度计算10.1吊车梁正截面承载力计算10.1.1确定翼板计算宽度受拉钢筋估计为双层钢筋，取a=70mm,则h0=h-a=1