引水式电站设计33大学论文.doc

'二马营引水式电站设计摘要二马营引水式水电站位于山西省宁武县境内，位于汾河支流上，水力资源丰富。流域下游为该县的主要产粮区和工业发展区。由于受电力不足的影响，严重制约了该地区的经济发展，为了解决该地区的用电紧张问题和合理开发汾河水力资源，拟定修建水利水电枢纽工程，以发电为主，结合防洪，城市供水，农田灌溉等进行综合利用。 根据已有的原始资料和该处地形图进行设计，主要内容有：引水隧洞及调压室的水力计算、水电站站址的选择、总体布置及机电设备的选择和厂房设计。本电站的引用流量为103.2m³/s，设计水头为87.67米，单机容量为25000kW。 经方案比较最终选择绕沟谷而行的有压隧洞，其断面形状为圆形，经济洞径为6.6米，总长度为3770米；调压室的型式为简单圆筒式，总高度为42米；水轮机型号为HL200，总装机容量为72900kW；选用金属蜗壳，长9.0米，高5.2米的弯肘形尾水管；选用名义起重量为2×50吨的双小车桥式起重机；油压装置的型号为HYZ-0.6；主厂房长39.484米，宽11.98米，高34.197米。 关键词：引水式电站；有压隧洞；调压室；水轮机。 ~3~ DiversiontypehydropowerstationdesignofErmaying AbstractErmayinghydropowerstationlocatedatShanxiProvinceNingWuXianChina,locatedinFenhebranches,waterresources.Basinforthecounty"smaingranariesdownstreamandindustrialdevelopmentzone.Duetotheinfluenceofthepowershortageby,whichseriouslyrestrictthedevelopmentofthelocaleconomy,inordertosolvetheproblemsofshortageofelectricityintheareaandreasonabledevelopmentFenhehydraulicresources,drawsupthebuildingwaterconservancyandhydropowerprojectengineering,mainlyinpowergeneration,combinedwiththefloodcontrol,urbanwatersupply,irrigationandcomprehensiveutilization. Accordingtotheexistingoftheoriginalmaterialandthetopographicmapdesign,themaincontentincluded:thewatertunnelandthesurgechamberofthehydrauliccalculation,thechoiceofhailhydropowerstation,overalllayoutandelectricalandmechanicalequipmentselectionandplantdesign.Thepowerstationforreferenceflow103.2m³/s,designheadof87.67m,singlecapacityof25000kW. Thefinalchoiceplansisaroundthevalleysanddonewaterdiversiontunneltype,andthecross-sectionshapeiscircularandeconomicholediameterof6.6m,withatotallengthof3770meters;Surgechambertypeforsimplecylindertype,totalheightof42meters;TurbinemodelforHL200,alltotalinstalledcapacityof72900kW;Choosethescroll,9.0meterslong,5.2metershighbendanconformtailpipe;Choosenameupfor2x50tonsofweightofdoublecarbridgecranes;HydraulicdevicemodelforHYZ-0.6;Mainbuilding39.484meterslong,11.98meterswide,34.197meters. Keywords:diversiontypehydropowerstation;pressuretunnel;surgetank;turbine. ~3~ 目录摘要iAbstractii前言1工程概述11.1工程简述11.2工程任务及效益11.3水利枢纽工程特性11.4其它32工程设计基本资料42.1流域概况及水文资料42.2工程地形地质条件42.3工程设计要求43引水枢纽布置53.1水工枢纽布置53.2引水方式及建筑物组53.2.1引水方式53.2.1建筑物组成63.2.3隧洞线路选择64水电站进水、引水、平水建筑物设计74.1引水道进水口设计74.1.1有压进水口高程74.1.2进口段尺寸设计84.1.3拦污栅设计94.1.4闸门段设计104.1.5渐变段设计104.1.6通气孔及充气阀设计10~3~ 4.2引水隧洞设计114.2.1引水隧洞断面型式选择114.2.2隧洞尺寸及衬砌厚度确定114.3平水建筑物设计124.3.1判断是否需要设置调压室124.3.2调压室型式的选择124.3.3隧洞-调压室系统水力计算124.3.4调压室主要尺寸计算144.4压力钢管设计154.4.1供水方式的选择154.4.2压力钢管尺寸设计155引水系统水头损失计算165.1进口段水头损失计算165.1.1进水口水头损失h1165.1.2拦污栅水头损失h2165.1.3进口段沿程磨阻水头损失h3175.1.4进口段沿程磨阻水头损失h4175.1.5渐变段局部水头损失h5185.2有压隧洞水头损失计算185.2.1沿程水头损失hf1185.2.2局部水头损失hj1195.3压力钢管水头损失计算195.3.1沿程水头损失hf2195.4调压室水头损失计算205.4.1局部水头损失hj2206水电站机电设备选择216.1水轮机选型设计216.1.1基本参数（特征水头）21~3~ 6.1.2水轮机型号及台数、装置方式选择226.1.3水轮机有关参数选择226.1.4蜗壳断面设计286.1.5尾水管尺寸设计296.2发电机选型设计316.2.1发电机选型主要依据316.2.2发电机选型326.2.3发电机重量估算346.3起重设备选择356.3.1起重机型式及台数选择356.3.2起重量356.3.3起重机选择356.4调速器及油压装置的选择366.4.1调速器的选择366.4.2油压装置选择386.5进水阀选择387厂房枢纽布置407.1水电站电气设备总体布置407.2厂房主要尺寸设计407.2.1机组距离及主厂房长度计算407.2.2水轮机安装高程和厂房高度、厂房各层高程计算417.2.3厂房宽度计算44总结45参考文献46致谢47外文文献翻译48附录设计图纸目录表57~3~ 前言水电站厂房是水工建筑物、机械及电气设备的综合体，是水能转化为电能的生产场所，也是运行人员进行生产和活动的场所。其任务是通过一系列工程措施，将水流平顺的引入水轮机，使水能转换成为可供用户使用的电能，并将各种必需的机电设备安置在恰当的位置，创造良好的安装、检修及运行条件，为运行人员提供良好的工作环境。水电站厂房设计的发展随着生产力的发展而不断发展,且随着人们生活水平的提高有新的发展趋向,近年向以人为本的方向发展，厂房设计的方法随着计算机的发展有很大的发展和改善。毕业设计是我们在校期间的最后一门必修课，也是一次全面性总结性的实践环节，对我们走向工作岗位起着承上启下的作用。它是在老师指导下，综合运用四年来所学知识和科学研究的基本内容和基本工作程序，树立较强的工作概念、工程概念、经济概念，培养分析问题和解决问题的能力，完成作为一个工程师的基本训练，是为将来顺利走向工作岗位提供业务知识和能力的保证。这次设计是我们走向工作岗位前的一次“实战演习”，它可以巩固、联系、充实、加深、扩大我们所学的基础知识和专业知识，提高运用所学知识，解决实际问题的能力，培养我们敢于创新的精神，并能正确地将独创精神和科学的态度相结合，使我们初步掌握专业设计的流程和方法，熟练运用计算机等工具，以提高其工作效率。重要的是让我们养成了严肃认真，刻苦钻研、实事求是的工作作风和良好的工作、学习习惯。通过同学们在一起的交流与协作,培养大家的协同合作的工作作风。毕业设计对于我们来说，是一个独立设计、创作的过程，其中的每一步和每一个环节都是对我们的考验和锻炼，它将成为我们今后的学习和工作做铺垫，提高我们多方面的能力。水电站设计是水利水电工程建设设计工作的重要组成部分，其中站址的选择是个很复杂的问题，这主要是因为方案选择要考虑多方面的因素。此外，厂房中各设备的布置也要考虑众多因素。我们就是要针对设计中所遇到的具体问题，运用所学知识，参考相应的书籍、规范以及一些实际工程资料，找到其解决方法。在对设计图的处理上，运用了AutoCAD的基本知识，使得绘图更加方便，快捷，从而避免了手工绘图得种种不便，提高了工作效率。同时，也运用了Word知识，使得我们对计算机知识更加巩固。在邢述彦老师的悉心指导下，在同学苏龙、张蓉等同学的帮助下，经过两个月的努力，毕业设计才得以顺利完成，在此谨表衷心的感谢！限于本人水平，也限于时间，涉及中难免存在疏漏和不妥之处，敬请老师和同学们批评指正。 编者：李天宏2012年6月 1工程概述1.1工程简述二马营引水式电站是以洞经6.6m长隧洞引水兼顾输水和发电为一体的综合利用水利工程，该电站是一项为带动地区经济发展的重要工程，工程符合汾河流域整体规划开发要求，建设条件十分优越。1.2工程任务及效益本水利枢纽是以输水为主，其次为发电的综合利用水利枢纽，经规划拟建的一引水式电站，大坝建在店儿上，厂房建在二马营，设计等级三级，本电站建成后并入电网运行。主要运行方式：担任峰荷，日发电运行6小时。1.3水利枢纽工程特性设计洪水位1620米，坝顶高程1623米。水库库容曲线:高程（m）159416001605161016151620162516301635库容（104m3）09.551.0140.5280.5465.5701.0999.01382.5~55~ 图1-1水库水位-高程关系曲线厂区水位--流量关系水位（m）15251525.5152615271528流量（m³/s）055.2424812543391图1-2厂区水位-流量关系曲线~55~ 1.4其它出线方式及回路数：110kV，一回对外交通：公路计算风速：24m/s吹程：1km~55~ 2工程设计基本资料2.1流域概况及水文资料水电站引用流量103.2m³/s.（8、9月洪水期引用流量为0）2.2工程地形地质条件河床覆盖层深约14—16米，表层为亚砂土，厚约3米，下为砂卵石层，基岩主要为三叠系刘家沟组砂页岩互层，下部为二叠系石千峰组砂页岩互层，石千峰组在右岸出露较高，岩层走向NE30°，倾向南东，倾角22°，倾向左岸。在右岸基岩上，有6—10米的第四系Q3黄土风积层。河床覆盖层级配差松散、透水性较大。隧洞所经过的地层为三叠系中统铜川组、二马营组、和尚沟组与刘家沟组的砂岩、页岩和泥岩。岩层向南东方向倾斜，倾角约25°。电站附近为铜川组长石石英砂岩，厂房上游有较厚山体，便于布置调压井，地质条件较好。2.3工程设计要求本水利枢纽是以输水为主，其次为发电的综合利用水利工程，经规划拟建一引水式水电站，大坝建在店儿上，厂房建在二马营，设计等级为三级，本电站建成后并入电网运行。主要运行方式：担任峰荷。~55~ 3引水枢纽布置3.1水工枢纽布置引水系统布置主要考虑进水口和引水隧洞的布置方式。对于进水口的布置根据《水电站》因充分考虑进水口是否满足下列要求：（1）要有足够的进水能力，在任何工作水位下，进水口都必须引进所需的流量。（2）水质要符合要求，进水口应能拦截有害的泥沙，冰块及各种污物。（3）水头损失要求，进水口应该位置合适，流道平顺，断面尺寸足够。（4）可控制流量，进水口必须设置必要的闸门。（5）满足水工建筑物的一般要求，进水口要有足够的强度，刚度和稳定性，结构简单，便于施工，便于运行、维护和检修。对于引水隧洞布置同样根据《水电站》因充分考虑以下要求：（1）采用较短的路线，避开沿线不利的地形、地质条件。（2）长隧洞施工时，应能利用地形每隔一定距离开一条施工支洞，配合相应的道路和附属设备，加快施工进度。（3）选择的洞线尽可能直，少转弯。以此为依据，结合实际条件选择最为合适的布置方式，具体布置方式详见水工枢纽布置图。3.2引水方式及建筑物组3.2.1引水方式采用有压进水方式，在左岸死水位以下开挖塔式进水口。~55~ 3.2.1建筑物组成有压进水口由进口段﹑闸门段﹑渐变段﹑操作平台﹑交通桥组成。操作平台设在最高水位以上，是放置闸门启闭机和开启闸门的工作场所。3.2.3隧洞线路选择详见水工枢纽布置图。~55~ 4水电站进水、引水、平水建筑物设计4.1引水道进水口设计4.1.1有压进水口高程水电站进水口在枢纽中的位置，应尽量使水流平顺﹑对称，不发生回流和漩涡，不出现淤积，不聚集污物，泄流时仍能正常进水。有压进水口应低于运行中可能出现的最低水位，并有一定的淹没深度，以避免进水口出现漏斗状吸气漩涡并防止有压引水道内出现负压。（一）不出现吸气漩涡的临界淹没深度公式：Scr=CVd式中:d为闸门孔口高度，6.6mV为闸门断面的水流流速，2.37m/sC为经验系数，C=0.55-0.73取0.6Scr=0.6×2.37×6.6=3.65（二）死水位计算由资料知此水库为完全重叠水库，设计洪水位等于正常蓄水位。日调节有效库容：V有效=Q引×T=103.2×6×3600=222.9×104m3死库容：V死=V总-V有效=465.5×104-222.9×104=242.6×104由水库库容曲线采用拉格朗日插值法求二次差值多项式为：L2x=161045500x-280.5x-435.5-161525900x-140.5x-465.5+162060125x-140.5(x-280.5)~55~ 代人死库容：V死=x=242.6,∇死=L2x=1613.7m进水口位置高程为：∇=1613.7-3.65=1610.05m4.1.2进口段尺寸设计进水口的轮廓尺寸主要取决于3个控制断面的尺寸，即拦污栅断面、闸门孔口断面和隧洞断面。进水口的轮廓应能光滑地连接3个断面，使得水流平顺，流速变化均匀，水流与四周侧壁之间无负压及漩涡。隧洞的进口段常为平底，两侧稍有收缩，上唇收缩较大。两侧收缩曲线通常取圆弧，上唇收缩曲线目前广泛使用1/4椭圆，长轴a可取1~1.5D（D为引水道渐变段末端直径），短轴b可取1/2~1/3D。喇叭口的顶板采用椭圆曲线，其方程为：x2a2+y2b2=1式中：a=1-1.5D取7.5mb=13-12D取3m图4-1进口断面结构尺寸简（毫米）4.1.3拦污栅设计拦污栅的作用是防止漂浮物随水流带入进水口堵塞进水口，让进水口有更好的进流能力。拦污栅立面布置采用倾斜式，倾角为60°，采用人工清污方式定期清理污物。~55~ 拦污栅由若干块栅片组成，每块栅片的宽度一般不超过2.5m，高度不超过4m，栅片像闸门一样插在支撑结构的栅槽中，必要时可一片片提起检修。栅条的厚度及宽度通常取8~12mm，100~200mm。过栅流速:V=QA净拦污栅阻水断面面积:A阻=0.01×4×9×4×2+0.01×3.1×9×4+0.01×2×8×4×2+0.01×2×4×4+0.4×11.1×4+0.25×9.5×2=12.881m2净面积：A净=9.5×11.1-12.881=92.57m2V=103.292.57=1.11ms根据《水电站》满足过栅流速限制范围1.0~1.2m/s要求~55~ 图4-2栅片结构尺寸（毫米）4.1.4闸门段设计闸门段是引水道和进水口的连接段，其体形主要根据所采用的闸门门槽形式以及结构受力条件而决定。闸门孔口常采用矩形，其宽度一般等于或小于压力管道直径D，高度一般等于或大于压力管道直径D。此闸门段取宽度B为6.6m，高度H为6.6m。4.1.5渐变段设计渐变段是由闸门段到压力引水道的过渡段，渐变段根据经验一般为压力隧洞直径D的1.5-2.0倍。此处去渐变段长度为10m。4.1.6通气孔及充气阀设计通气孔设在事故闸门之后，当引水道充水时排气，当事故闸门关闭放空时，用以补气以防出现有害真空。通气孔的面积：A=Q引V允隧洞中允许的进气流速可取70-80m/s，A=103.280=1.29m2充水阀的作用是开启闸门前向引水道充水，平衡闸门前后水压，以便使闸门在静水中开启。~55~ 4.2引水隧洞设计4.2.1引水隧洞断面型式选择洞身断面型式取决于水流流态、地质条件、施工条件及运行条件等。有压隧洞一般采用圆形断面，圆形断面的水流条件和受力条件都较为有利。隧洞的横断面尺寸一般由技术计算确定，在隧洞过水流量一定的情况下，断面尺寸决定于洞内流速，流速大所需断面就下，但水力损失就大。4.2.2隧洞尺寸及衬砌厚度确定圆形隧洞洞径：D=24QπV式中：Q为引用流量，103.2m3sV为经济流速，取3m/sD=24×103.23π=6.6m为了保证水工隧洞安全有效的运行，通常需要对隧洞进行衬砌，衬砌的作用是限制围岩变形，保证围岩稳定，承受围岩压力，内水压力，防止渗漏，保护岩石免受水流，空气，温度，干湿度变化等的冲蚀破坏作用，减小表面糙率。衬砌的类型有，平面衬砌，单层衬砌，组合衬砌，单层衬砌由混凝土或钢筋混凝土做成。此处隧洞选用钢筋混凝土衬砌，根据工程经验，钢筋混凝土的衬砌厚度一般为洞径或洞宽的18~112倍，且不小于25cm。选择衬砌厚度为55cm~55~ 4.3平水建筑物设计4.3.1判断是否需要设置调压室在有压引水系统中设置调压室后，一方面使有压引水道基本避免了水锤压力的影响，减小了压力管道中水锤压力，改善了机组运行条件，从而减少了它们的造价。判断需要设置调压室的近似准则：LVH>15-20式中：L为压力水道长度，3770mV为压力水道中平均流速，3m/sH为设计水头LVH=3770×31625-1525.8=120>15-20需要设置调压室4.3.2调压室型式的选择根据实际条件此调压室布置在厂房上游的压力钢管与压力隧洞交接出，选择简单式调压室，简单式调压室的特点是结构简单，反射水锤波效果好。4.3.3隧洞-调压室系统水力计算（一）丢弃全负荷情况1.最高水位计算x0=-ln(1+xmax)+xmax式中：x0=hω0λxmax=Zmaxλλ=Lfv022gFhω0~55~ λ=Lfv022gFhω0=3770×14×π×6.62×322×9.81×14×π×20.52×3.5=51.215x0=hω0λ=3.551.215=0.068查《水电站》图10-5试算得xmax=0.32Zmax=λ×xmax=51.215×0.32=16.39m2.波动第二振幅计算xmax+ln(1-xmax)=ln1-x2+x2查《水电站》图10-5试算得x2=0.25Z2=λ×x2=51.215×0.25=12.8m（二）急增负荷时最低水位计算Zminhω0=1+2ε-0.275m+0.025x0-0.91-m(1-mε0.62)式中：ε=Lfv02gFhω02ε=Lfv02gFhω0=3770×14×π×6.62×329.81×14×π×20.52×3.5=29.27m=23=0.67查《水电站》10-7图计算得Zmin=2.36hω0=2.36×3.5=8.26m~55~ 4.3.4调压室主要尺寸计算临界断面:Fk=Lf2gα(H-2hωm0)α=hω0v2=3.532=0.39Fk=Lf2gα(H-2hωm0)=3370×14×π×6.622×9.81×0.39×88.3-2×0.64=193.6m2Dk=4Fkπ=4×193.6π=15.7m最终选取调压室内径D=20.5m，调压室高度H=39>(16.39+8.26)+7m图4-3调压室结构简图（毫米）~55~ 4.4压力钢管设计4.4.1供水方式的选择采用集中供水方式供水，全部机组集中由一根管道供水，此方式节省管身材料，而且在各支管前设置事故阀门，以保证在任意一台机组检修或者发生事故时不致影响其他机组。4.4.2压力钢管尺寸设计压力钢管直径：D=4Qπv式中：v取钢管经济流速，5m/sQ取引用流量，103.2m3sD=4Qπv=4×103.2π×5=5.13m取D=5m~55~ 5引水系统水头损失计算5.1进口段水头损失计算5.1.1进水口水头损失h1h1=ξ1v122g式中：v1为进口平均流速v1=QA=103.29.5×9.6=1.13m/sξ1为进口水头损失系数，0.02h1=ξ1v122g=0.02×1.1322×9.81=0.001m5.1.2拦污栅水头损失h2包括栅条及框架所引起的水头损失h2=kβ1(δb)1.33+β2(δ1b1)1.33sinαv22g式中：k为污物附着影响系数，人工清污时k=1.5-2.0β1为栅条形状系数，1.67β2为栅柱形状系数，1.67δ为栅条厚度，10mmb为栅条净距，200mm~55~ b1为栅柱净距，190cmδ1为栅柱厚度，40cmα为拦污栅与水平面交角，60°v为通过拦污栅的水流平均流速，1.11m/sh2=1.5×1.67×(10200)1.33+1.67×(40190)1.33×sin60°×1.1122×9.81=0.02m5.1.3进口段沿程磨阻水头损失h3h3=v12lc2R式中：c为谢才系数，c=1nR16R为水力半径，R=D4=6.64=1.65ml为进口段长度，7.5mn为糙率，0.02h3=v12lc2R=v12ln2R43=1.112×7.5×0.0221.6543=0.002m5.1.4进口段沿程磨阻水头损失h4h4=ξ4v122g式中：ξ4为阻力系数，0.3v1为进口平均流速，1.13m/s~55~ h4=ξ4v122g=0.3×1.1322×9.81=0.02m5.1.5渐变段局部水头损失h5h5=ξ5v22-v122g式中：ξ5为水头损失系数，ξ5=0.0258sinθ2=0.003125v1为渐变前的平均流速v1=QA1=103.26.6×6.6=2.37m/sv2为渐变后的平均流速，v2=QA2=103.214×π×6.62=3m/sθ为渐变角，180°h5=ξ5v22-v122g=0.003125×32-2.3722×9.81=0.0005m5.2有压隧洞水头损失计算5.2.1沿程水头损失hf1hf1=λldv22g式中：λ为沿程损失系数，c=1nR16=10.014×1.6516=77.65λ=8gc2=8×9.9177.652=0.013V为隧洞中水流流速，3m/sd为隧洞内径，6.6m~55~ l为隧洞长度，3770mhf1=λldv22g=0.013×37706.6×322×9.81=3.41m5.2.2局部水头损失hj1hj1=ξv22g式中：v为隧洞中水流流速，3m/sξ为隧洞局部水头损失系数，ξ=0.131+0.1632(dρ)72(θ90°)12d为隧洞内径，6.6mθ为隧洞圆弧段对应的圆心角，65°ρ为隧洞圆弧段中心线所在圆的半径，450mξ=0.131+0.1632(6.6450)72(65°90°)12=0.111hj1=ξv22g=0.111×322×9.81=0.051m5.3压力钢管水头损失计算5.3.1沿程水头损失hf2hf2=λldv22g式中：λ为沿程损失系数，c=1nR16=10.011×1.2516=94.35λ=8gc2=8×9.9194.352=0.009~55~ V为隧洞中水流流速，5m/sd为隧洞内径，5ml为隧洞长度，2800mhf2=λldv22g=0.009×28005×522×9.81=0.64m5.4调压室水头损失计算5.4.1局部水头损失hj2hj1=ξ1v122g+ξ2v222g式中：ξ2，ξ2为局部水头损失系数，0.5v1，v2为水流进出调压室的流速，5m/s，3m/shj1=ξ1v122g+ξ2v222g=0.5×522×9.81+0.5×322×9.81=1.73m~55~ 6水电站机电设备选择6.1水轮机选型设计6.1.1基本参数（特征水头）由厂区水位流量曲线采用拉格朗日插值法求二次差值多项式为：L2X=152513699.52X-55.24X-248-1525.510648.0624XX-248+152647804.48X(X-55.24)当x=Q引=103.2m3s,Q引2=51.6m3s,Q引3=34.4m3s时∇1=L2103.2=1525.8m，∇2=L251.6=1525.4m，∇3=L234.4=1524.3m上游特征水位：∇正=∇洪=1620m，∇死=1613.7m特征水头：H净=∇正-∇1-h损=1620-1525.8-5.9=88.3mHmax=∇正-∇3-h损,=1620-1525.3-2=92.7mHmin=∇死-∇1-h损=1613.7-1525.8-5.9=82mHr=H净+Hmax+Hmin3=88.3+92.7+823=87.67m电站出力：N出=AQ引H净=8×103.2×88.3=72900.48Kw6.1.2水轮机型号及台数、装置方式选择根据电站的水头变化范围82-92.7m，在《水电站》水轮机系列型谱表中查出合适的机型有HL220和HL200两种，现将这两种做为初选后面再进行比较择优选择。由于电站水头较大，且引用流量也较大，综合机组台数与设备制造、电站投资、电站运行效率等综合分析，为保证电站运行的可靠性和灵敏性，机组台数定为3台。~55~ 为了保证较高的传动效率和发电机不易受潮，且为使水电站厂房面积较小，设备布置较方便，选用立轴式装置方式。6.1.3水轮机有关参数选择（一）HL220水轮机方案的主要参数选择1.转轮直径D1的计算D1=Nr9.81Q1"HrHrη查混流式水轮机模型转轮主要参数表和HL220型水轮机的模型综合特性曲线图知HL220型水轮机在限制工况下的单位流量Q1M"=1150L/S=1.152m3s，效率ηM=89.0%，由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量Q1"=Q1M"=1.152m3s，效率η=90%。D1=24300.169.81×1.152×87.67×87.67×0.9=1.66m查反击式水轮机转轮标称直径系列表，选用与之接近而偏大的标称直径取D1=1.8m2.转速n的计算n=n10"HrD1查大中型混流式转轮参数表可得HL220型水轮机在最优工况下的单位转速n10M"=70rmin，初步假定n10"=n10M"，n=n10"HrD1=70×87.671.8=374.5r/min查磁极对数与同步转速关系表，选用与之接近而偏大的同步转速取n=375r/min3.效率及单位参数修正~55~ 查混流式水轮机模型转轮主要参数表可得HL220型水轮机在最优工况下的模型最高效率为ηMmax=91%，模型转轮直径D1M=0.46m，根据ηmax=1-1-ηMmax(D1MD1)15，求出模型效率ηmax=93.1%，则效率修正值为∆η=93.1%-91%=2.1%，考虑到模型与原型水轮机在制造工艺质量上的差异，常在以求得的∆η值中再减去一个修正值ξ。现取ξ=1.1%，则可得效率修正值为∆η=1.0%。由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为：ηmax=ηMmax+∆η=91%+1.0%=92.0%η=ηM+∆η=89%+1.0%=90.0%（与假定值相同）单位转速的修正值：Δn1"n10M"=ηmaxηMmax-1=0.920.91-1=0.55%∆n1"n10M"<3.0%，单位转速、单位流量可不加修正综上可得，原假定的η=90%，Q1"=Q1M"，n10"=n10M"是正确的，所以计算选用的结果D1=1.8m，n=375r/min也是正确的。4.工作范围的检验水轮机在Hr、Nr下工作时，其Q1"=Q1max"Q1max"=Nr9.81D12HrHrη=24300169.81×1.82×87.67×87.67×0.9=0.982m3sQ1max"=0.982<1.152m3s则水轮机的最大引用流量为：Qmax=Q1max"D12Hr=0.982×1.82×87.67=29.79m3s与特征水头Hmax、Hmin和Hr相对应的单位转速为：~55~ n1min"=nD1Hmax=375×1.892.7=70.1r/minn1max"=nD1Hmin=375×1.882.0=74.54r/minn1r"=nD1Hr=375×1.886.67=72.09r/min在HL220型水轮机模型综合特性曲线图上可以看出水轮机工作范围包含了特性曲线的高效区，所以对于HL220型水轮机方案，所选定的D1=1.8m和n=375r/min是合理的。5.吸出高度Hs的计算Hs=10-∇900-σ+∆σHr式中：∇为水电站海拔高度，1520mσ为气蚀系数，0.115∆σ为汽蚀系数修正值，0.02Hr为设计水头，88.67mHs=10-∇900-σ+∆σHr=10-1520900-0.115+0.02×87.67=-3.5mHs=-3.5>-4mHL220型水轮机方案的吸出高度满足电站要求（二）HL200水轮机方案的主要参数选择1.转轮直径D1的计算D1=Nr9.81Q1"HrHrη~55~ 查混流式水轮机模型转轮主要参数表和HL200型水轮机的模型综合特性曲线图知HL200型水轮机在限制工况下的单位流量Q1M"=960L/S=0.96m3s，效率ηM=90.7%，由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量Q1"=Q1M"=0.96m3s，效率η=90.7%。D1=24300.169.81×0.96×87.67×87.67×0.907=1.82m查反击式水轮机转轮标称直径系列表，选用与之接近而偏大的标称直径取D1=2m2.转速n的计算n=n10"HrD1查大中型混流式转轮参数表可得HL200型水轮机在最优工况下的单位转速n10M"=68rmin，初步假定n10"=n10M"，n=n10"HrD1=68×87.672=318.35r/min查磁极对数与同步转速关系表，选用与之接近而偏大的同步转速取n=333.3r/min3.效率及单位参数修正查混流式水轮机模型转轮主要参数表可得HL200型水轮机在最优工况下的模型最高效率为ηMmax=90.7%，模型转轮直径D1M=0.46m，根据ηmax=1-1-ηMmax(D1MD1)15，求出模型效率ηmax=93.1%，则效率修正值为∆η=93.1%-90.7%=2.4%，考虑到模型与原型水轮机在制造工艺质量上的差异，常在以求得的∆η值中再减去一个修正值ξ。现取ξ=1.1%，则可得效率修正值为∆η=1.3%。由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为：ηmax=ηMmax+∆η=90.7%+1.3%=92.0%η=ηM+∆η=89.4%+1.3%=90.7%（与假定值相同）单位转速的修正值：~55~ Δn1"n10M"=ηmaxηMmax-1=0.920.907-1=0.71%∆n1"n10M"<3.0%，单位转速、单位流量可不加修正综上可得，原假定的η=90.7%，Q1"=Q1M"，n10"=n10M"是正确的，所以计算选用的结果D1=2m，n=333.3r/min也是正确的。4.工作范围的检验水轮机在Hr、Nr下工作时，其Q1"=Q1max"Q1max"=Nr9.81D12HrHrη=24300169.81×22×87.67×87.67×0.907=0.792m3sQ1max"=0.792<1.152m3s则水轮机的最大引用流量为：Qmax=Q1max"D12Hr=0.792×22×87.67=29.66m3s与特征水头Hmax、Hmin和Hr相对应的单位转速为：n1min"=nD1Hmax=333.3×292.7=69.23r/minn1max"=nD1Hmin=333.3×282.0=73.59r/minn1r"=nD1Hr=333.3×286.67=71.17r/min在HL200型水轮机模型综合特性曲线图上可以看出水轮机工作范围包含了特性曲线的高效区，所以对于HL200型水轮机方案，所选定的D1=2m和n=333.3r/min是合理的。5.吸出高度Hs的计算Hs=10-∇900-σ+∆σHr~55~ 式中：∇为水电站海拔高度，1520mσ为气蚀系数，0.088∆σ为汽蚀系数修正值，0.02Hr为设计水头，88.67mHs=10-∇900-σ+∆σHr=10-1520900-0.088+0.02×87.67=-1.16mHs=-1.16>-4mHL200型水轮机方案的吸出高度满足电站要求（三）HL220、HL200水轮机方案的主要参数比较项目HL200HL2201工作水头H（m）范围82-92.782-92.72转轮直径D1（m）21.83转速n(r/min）333.33754最高效率ŋ（%）9292.15额定出力Nr（kW）24300.4824300.486最大引用流量Q（m^3/s）29.6629.797吸出高度Hs（m）-1.66-3.5表6-1HL200/HL220参数对照表由表可见，两种机型方案的转轮直径、运行效率、引用流量相差不大，但HL200的吸出高度大，则安装高程较高，有利于减小水电站的开挖量，根据以上分析，在制造供货方面没问题时，选择HL200型水轮机方案较有利。~55~ 6.1.4蜗壳断面设计蜗壳根据材料分为金属蜗壳和混凝土蜗壳两种。由于电站水头大于40m所以选择金属蜗壳，金属蜗壳的断面做成圆形，以改善其受力条件。根据《水电站》金属蜗壳的包角为345°，进口断面的平均流速取vc=7.3m/s。查金属蜗壳座环尺寸表可得Da=3.4m，Db=2.85m，ra=Da2=1.7m断面半径：ρ1=Qmaxφi360°πvc断面中心距：ai=ra+ρi断面外半径：Ri=ra+2ρiϕ30°75°120°165°210°255°300°345°ρ0.3280.5190.6570.770.8690.9571.0381.114R2.0282.2192.3572.472.5692.6572.7382.814a2.3562.7383.0143.243.4383.6143.7763.928表6-2蜗壳断面计算表（米）~55~ 图6-1蜗壳结构尺寸图（毫米）6.1.5尾水管尺寸设计尾水管的型式选用弯肘型尾水管，弯肘型尾水管由进口直锥段、中间弯肘段和出口扩散段组成。根据给定的推荐尾水管尺寸表及推荐使用的标准混凝土肘管尺寸计算得：hLB5D4h4h6L1h552009000544027002700135036402440表6-3尾水管主要尺寸计算表（毫米）1.进口直锥段进口直锥段是一段垂直的圆锥形扩散段，其内壁设金属里衬，以防止旋转水流和涡带脉动压力对管壁的破坏。其单边扩散角θ的最优值为9°。2.中间弯肘段中间弯肘段为一段90°转弯的变截面弯管，其进口断面为圆形，出口断面为矩形。~55~ 图6-2尾水管中间弯肘段结构尺寸图（毫米）3.出口扩散段出口扩散段是一段水平放置两侧水平顶板上翘α角的矩形扩散管。顶板仰角取10°，支墩厚度取0.554m。4.尾水管高度及水平长度尾水管高度h是指水轮机底环平面至尾水管地板的高度，尾水管的水平长度L是指机组中心线至尾水管出口断面的距离。图6-3水轮机尾水管结构尺寸图（毫米）6.2发电机选型设计6.2.1发电机选型主要依据发电机外形尺寸的应根据电磁计算所确定的有关参数进行计算~55~ 1.极距τ的计算τ=kj4sf2p式中：sf为发电机额定容量，3125kVAP为磁极对数，9kj为系数一般为8-10，取8τ=kj4sf2p=8×431252×9=50.9cm2.定子内径Di的计算Di=2pπτ式中：τ为极距，50.9cmP为磁极对数，9Di=2pπτ=2×9π×50.9=291.8cm3.定子铁芯长度lt的计算lt=SfCDi2ne式中：sf为发电机额定容量，3125kVAne为额定转速，300rpmDi为定子内径，291.8cmC为系数，取4×10-6~55~ lt=SfCDi2ne=31254×10-6×291.82×300=305.8cm4.定子铁芯外径Da的计算由于，ne>166.7rpmDa=Di+l=291.8+50.9=342.7cm6.2.2发电机选型（一）平面尺寸计算1.定子机座外径D1的计算由于，300≤ne<500rpm，D1=1.25Da=1.25×342.7=428.4cm2.风罩内径D2的计算由于，Sf>20000kVA，D2=D1+240=668.4cm3.转子外径D3的计算忽略转子单边空气间隙，D3=Di=291.8cm4.下机架最大跨度D4的计算由于，10000