1、 CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY水电站课程设计计算书学生姓名： 杨山 学院名称： 水利工程与环境学院 专业名称： 水利水电工程 班级名称： 水电1143班 学 号： 1106411340 指导教师： 董天松 长春工程学院水利与环境工程学院2015 年 3月目 录前言.1一、设计资料.2二、水轮机选型2.1 水轮机型号选择.22.2 装置方式的选择.22.3 水轮机参数 2.3.1 HL240型水轮机方案主要参数选择.2 2.3.2 ZZ440型水轮机方案主要参数选择.6 2.3.3 HL240型水轮机及ZZ440型水轮机两种方案的比较.9 2.3.4 HL2
2、40型水轮机四台机组方案主要参数选择.10 2.3.5 HL240型水轮机两台机组与四台机组两种方案的比较.10三、水轮机蜗壳设计3.1蜗壳形式的选择.133.2断面形状及包角的选择.133.3进口断面面积及尺寸的确定.13四、尾水管设计4.1尾水管的形式.154.2弯肘形尾水管部分尺寸的确定.15五、发电机的选择5.1发电机型式的选择.165.2水轮发电机的结构尺寸.16六、主厂房尺寸的确定6.1主厂房长度的确定.196.2主厂房宽度的确定.206.3主厂房高程的确定.21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
3、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等，并根据要求绘制相应的平面布置图
4、和剖面图。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441.8m（1） 水位经多水位方案比较，最终采用正常蓄水位为：470.00 m，死水位为：459.00 m，距厂房下游100 m处下游水位流量关系见下表：下游水位流量关系流量m3/s6.811.816.821.831.841.861.881.8水位m430.80430.95431.06431.16431.35431.50431.75431.95(2) 机组供水方式：采用单元供水(3) 水头 该水电站水头范围：=39.00m =2
5、8.00m 加权平均水头=33.00m二、 水轮机选型 2.1 水轮机型号选择 由资料可知，水电站水头在2839m范围内时，在水轮机系列型谱表中可选轴流式ZZ440或混流式HL240作为备选方案，经方案比较后确定水轮机型号。 2.2 装置方式的选择在大中型水电站中,其水轮机发电机组尺寸一般较大,安装高程也较低,因此七装置方式多采用立轴式。它可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站厂房的面积较小,因此本设计采用立轴式装置,设置两台机组。 2.3 水轮机参数计算 2.3.1 混流式HL240水轮机基本参数的选择 HL240水轮机水头范围2545，HL240水轮机模型参数，见下
6、表转轮型号直径最优工况下的单位转速（r/min)最优工况下的单位流量(L/s)最优工况下的效率（%）限制工况下的单位流量(L/s)限制工况下的效率（%）HL24046cm72.0110092.0124090.4 1.选择转轮标称直径D1 由资料可知该水电站装机容量为25MW，首先假定为两台机组，则单机装机容量为12.5MW。由此可得该水轮机的额定功率。 =13157.89 转轮标称直径计算公式为 （m)其中：为水轮机的单位流量，根据转轮型号HL240，由表查得，选用限制工况下的，=1240L/s=1.24/s;水轮机额定水头=0.95=0.9533=31.35m；计算时一般将限制工况下的增加2
7、3%。查表，选用限制工况下的，=90.4%，=90.4%+90.4%2%=92%； 2.59m 根据上式计算出的转轮标称直径259cm,查表3-12水轮机转轮标称直径系列，选用相近而偏大的标准直径：=275cm。2. 选择额定转速 水轮机转速n计算式 式中的单位转速应采用原型最优单位转速,由表3-9查得，=72r/min。水头H应采用加权平均水头。 将=72r/min，=2.75m,=33m，带入上式得n=150.4r/min 由额定转速系列表查得相近而偏大的，转速no=166.7r/min。3. 效率及单位转速修正（1）效率修正。查表3-9，选用最优工况下的模型水轮机效率=92.0%，模型
8、转轮标称直径=46cm,则原型水轮机最高效率 =0.944 效率修正值 =0.944-0.92-0.01-0=0.014 限制工况下的原型水轮机效率 查表3-9，选用限制工况下的模型水轮机效率=90.4%。则 =0.904+0.014=0.918 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。说明所选的合适。（2） 单位转速修正。单位转速修正计算公式如下 = 查表3-9，=0.92+0.014=0.934。 由上两式得 =0.76% 因0.03时，可不必进行修正。故计算的n值合适。单位流量也不加修正。4. 工作范围的检验 （1）按水轮机的额定水头和选定的直径计算水轮机以额定出
9、力工作时的最大单位流量。由水轮机的额定出力的表达式 =导出最大单位流量计算式 = = =1.101/s1.24/s（限制工况下的)则水轮机最大引用流量 =1.1012.752=46.62(/s)(2)按最大水头，最小水头以及选定的,n分别计算出最小和最大单位转速和 =73.41(r/min) =86.63(r/min) （3）在HL240水轮机的模型综合特性曲线图上分别作出以、和为常数的直线，这些直线所包括的范围（如图阴影部分）在95%出力限制线以左并包含了模型综合特性曲线的高效率区，说明选定的、n是满意的。 5.确定吸出高度 由设计工况参数：=81.87r/min, =1101L/s，查图3
10、21得=0.195，在空化系数修正曲线中查得=0.035。 则吸出高度为 =10-（0.195+0.035)31.35 =2.30(m）-4.0m 说明HL240水轮机方案的吸出高度满足电站要求。 2.3.2轴流转桨ZZ440水轮机主要参数的计算 ZZ240水轮机水头范围2040，ZZ240水轮机模型参数，见下表叶片数导叶相对高度最优单位转速（r/min）限制工况单位流量（m3/s）气蚀系数模型直径（m）最优工况效率（%）限制工况效率（%）60.3751151.650.720.4689.081.0 1.选择转轮标称直径由表3-10查得ZZ440水轮机在限制工况下的单位流量=1650L/s=1
11、65/s，空化系数=0.72，在空化系数修正曲线图2-28中查得=0.035。在允许的吸出高度=-4m时，其对应的空化系数为=-=-0.035=0.3960.72 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3-22可知，对应与工况点（=115r/min,=0.40)处的单位流量=1120L/s,模型水轮机的效率=86.2%。据此可先假定设计工况下原型水轮机的效率=89.6%，则转轮直径为=2.76(m) 查表3-12，选用与水轮机转轮计算直径相近的标称直径=2.75m 2.选择额定转速 =240.23r/min 选用与之相近而偏大的同步转速=250r/mi
12、n。 3.效率及单位参数修正查表3-10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 =1-（1-）（0.3+0.7) =1-（1-)(0.3+0.7) =1-0.693(1-）叶片在不同转角时的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=1%，即可用上式计算出不同转角时的效率修正值=-，计算成果见下表ZZ440水轮机效率修正值计算表叶片转角-10-50+5+10+1584.988.088.888.387.286.089.591.792.291.991.190.3-4.63.73.43.63
13、94.33.62.72.42.62.93.3 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88.85%，故可采用=2.6%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,=0.4）处的模型水轮机的效率=87%,该工况点介于=+和之间，用内插法可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%+3.05%=90.05%与假定的89.6%相近。 可见选用，n=250r/min是合适的。4. 工作范围检验根据选定的参数，可求出模型水轮机的最
14、大单位流量则原型水轮机最大引用流量 与特征水头对应的各单位转速为 将上述值在ZZ440水轮机模型综合特性曲线上标出 ，如下图所示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。5. 确定吸出高度 用水轮机设计工况点在图3-22上可查空蚀系数=0.38，则对应的水轮机的吸出高度为 故满足电站要求。2.3.3 HL240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)254520362最优单位转速（r/min)721153最优单位流量(L/s)1
15、1008004最高效率（%）92895空化系数0.1950.426原型水轮机参数工作水头范围H（m)283928397转轮直径(m)2.752.758转速166.72509最高效率（%）93.491.410额定出力P（kW)13157.8913157.8911最大引用流量Q(/s)46.6247.4212吸出高度(m)2.3-3.67 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
16、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。2.3.4 HL24O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D1 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。 =6578.95KW 转轮标称直径计算公式为 （m)其中：为水轮机的单位流量，根据转轮型号HL240，由表3-9查得，选用限制工况下的，=1240L/s=1.24/s;水轮机额定水头=0.95，=0.9533=31.35m；计算时一般将限制工况下的增加2%3%。查表3-9，选用限制工况下的，=90.4%，=90.4%+90.4%2%=9
17、2%； 1.83m 根据上式计算出的转轮标称直径183cm,查表3-12水轮机转轮标称直径系列，选用相近而偏大的标准直径：=200cm。2.选择额定转速n0 水轮机转速n计算式 式中的单位转速应采用原型最优单位转速,由表3-9查得，=72r/min。水头H应采用加权平均水头。 将=72r/min，=2.00m,=33m，带入上式得n=206.8r/min 由额定转速系列表3-13查得相近而偏大的，转速=214.3r/min。3.效率及单位转速修正（1）效率修正。查表3-9，选用最优工况下的模型水轮机效率=92.0%，模型转轮标称直径=46cm,则原型水轮机最高效率 =0.940 效率修正值 =
18、0.940-0.92-0.01-0=0.01 限制工况下的原型水轮机效率 查表3-9，选用限制工况下的模型水轮机效率=90.4%。则 =0.904+0.01=0.914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。说明所选的合适。（3） 单位转速修正。单位转速修正计算公式如下 = 查表3-9，=0.92+0.01=0.93。 由上两式得 =0.54% 因0.03时，可不必进行修正。故计算的n值合适。单位流量也不加修正。4.工作范围的检验 （1）按水轮机的额定水头和选定的直径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的表达式 =导出最大单位流量计算式 = =
19、1.045/s1.24/s（限制工况下的)则水轮机最大引用流量 =1.04522=23.40(/s) (2)按最大水头，最小水头以及选定的,n分别计算出最小和最大单位转速和 =68.63(r/min) =81.00(r/min) （3）在HL240水轮机的模型综合特性曲线图上分别作出以、和为常数的直线，这些直线所包括的范围（如图阴影部分）在95%出力限制线以左并包含了模型综合特性曲线的高效率区，说明选定的、n是满意的。5.确定吸出高度 由设计工况参数：=76.55r/min,=1045L/s，查图3-21得=0.195，在空化系数修正曲线中查得=0.035。 则吸出高度为 =10-（0.19
20、5+0.035)31.35 =2.30(m）-4.0m 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28.0039.00m，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
21、角,常用0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270345，且金属蜗壳通常采用的蜗壳包角为345，故本设计选择345包角。 3.3 进口断面面积及尺寸的确定 1.座环尺寸：=2.75m3.2m =1.551.64 取上限 =1.642.75=4.51m =1.331.37 取上限 =1.372.75=3.77m 2.任意断面i的断面尺寸： 断面半径： 断面中心距： 断面外半径： 蜗壳进口断面平均流速：=，=31.35m,根据图2-6，查得=0.9，则 =0.9=5.04m/s典型断面计算表：如下图断面中心距(m)断面外半径(m)=345=3.94=5.62=300=3.8
22、2=5.40=255=3.70=5.14=210=3.57=4.88=165=3.42=4.58=120=3.25=4.24=75=3.04=3.82=30=2.75=3.25 金属蜗壳断面单线图 金属蜗壳平面单线图四、 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
23、肘形尾水管部分尺寸的确定 1.尾水管的高度 低水头混流式水轮机 =2.75m =2.6 h=2.62.75=7.15m 2.肘管型式 根据表2-2， =4.50 L=4.52.75=12.375m =2.72 =2.722.75=7.48m =1.35 =1.352.75=3.71m =1.35 =1.352.75=3.71m =0.678 =0.6782.75=1.86m =1.82 =1.822.75=5.00m =1.220 =1.2202.75=3.355m 查动力设备设计手册，得 =1.078 =1.0782.75=2.9645m =0.928 =0.9282.75=2.552m =
24、0.054 =0.0542.75=0.1485m =0.16 =0.162.75=0.44m =0.593 =0.5932.75=1.631m 3.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=166.7r/min150r/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cm2.转子铁芯内径（cm）的确定 3. 转子铁芯内径（cm）的确定 =+1.2 n166.7r/min =+ n166.7r/min 则 =+1.2=495+1.243.17=546.8c
25、m4.定子铁芯长度 =0.68m=68cm5. 外形尺寸估算发电机部件参数计算式结果定子机座外径=629.25cm机座高度=+2=154.34cm风 洞内径=+200=829.25cm转 子直径=495cm上机架高度=0.25=123.75cm下机架跨距=390+40=430cm高度=0.12=59.4cm推力轴承装置及励磁机架外径=240cm=240cm励磁机外径=150cm=150cm推力轴承高度=100cm=100cm励磁机高度=160cm=160cm副励磁机高度=60cm=60cm永励磁机高度=50cm=50cm定子机座支承面到下机架支承面或到下挡风板距离=0.15=74.25cm下机
26、架支承面到大轴法兰距离=100cm=100cm转子磁轭轴向高度=+52=120cm定子支承面到大轴法兰距离=+=174.25cm定子铁芯轴向中心线到法兰盘距离=0.46+=245.25cm发电机大轴高度=0.7（+）=575.638cm定子机座支承面到发电机顶部=+=648.09cm发电机总高HH=+H=822.34cm 6.发电机重量估算 = 查动力设备手册得=9，则发电机重量为=9=160.04t 转子带轴重量为 =0.5=80.02t 7.起重设备的选择 根据转子带轴的重量为80.02t，选择起重设备具体选择见下表。吊钩起重量（t)吊钩型式吊钩尺寸双小车桥机配用的平衡梁高度（mm)双小车
27、桥机轨道面至起重机顶端距离(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)100双钩5472006007453957003700六、 厂房尺寸确定 6.1 主厂房长度的确定 1. 发电机层 机组段长度 =+b=+2+式中：为发电机风罩外缘直径；为发电机风罩内径；为风罩壁厚,一般为0.30.4m,取0.3m；为相邻两风罩外缘之间通道的宽度，一般取1.52.0m,取2m。则 =8.29+20.3+2=10.89m2. 蜗壳层 机组段长度 =+2式中：为蜗壳在厂房纵向的最大尺寸；为蜗壳混凝土厚度，对于金属蜗壳，应满足蜗壳安装所需要的空间要求，最小空间尺寸不宜小于0.8m，取0.8m。则 =5.62+
28、4.58+20.8=11.8m 3. 尾水管层 机组段长度 =+2 式中：为尾水管的宽度；为尾水管边墩的混凝土厚度，至少取0.81.0m，大型机组可达2m。则 =7.48+21=9.48m 取三者中的最大值，即机组段长度=11.8m 4. 边机组段加长=（0.11.0） 式中：为水轮的标称直径 设计安装间在厂房的右端，则取大值=1.02.75=2.75m 5. 安装间长度=（1.251.5） 因发电机为悬式发电机，则取小值=1.2511.8=14.75m 综上所述，主厂房的长度=+ 式中：为机组台数；为机组段长度；为机组段加长；为安装间长度； =211.8+2.75+14.75=41.1m 6
29、2 主厂房的宽度 发电机层： 、分别为发电机层风罩外缘至上游侧墙、下游侧墙的宽度=+5=9.45m=+2.5=6.95m 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： 、分别为蜗壳在厂房横向上游侧、下游侧的最大尺寸；为蜗壳外围的混凝土结构厚度，取1m；为主阀室宽度，取4m。=3.82+1+4=8.82m=5.14+1=6.14m 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 则主厂房总宽度为=9.4
30、5+6.95=16.4m 6.3 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，=46.62/s，根据下表确定设计尾水位的水轮机过流量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3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1.52台水轮机的额定流量Q=50%46.62=23.31/s 根据所给资料中流量与下游水位的关系可得，设计尾水位=431.19m。则立轴混流式水轮机的安装高程 =+=431.19+2.3+=433.99m2. 主阀室地板高程 式中：为水轮机安装高程；为压力管道直径；为人的高度1.82.0m； 压力管道直径=3.
31、99m4.00m =433,99-2=429.99m3. 尾水管底板高程 =- 式中：包括尾水管高度和尾水管顶部至导叶底部的高度 =-=433.99-（0.44+1.631+3.71）=427.71m4. 主厂房基础开挖高程=- 式中：为尾水管底板混凝土厚度，应根据地基性质、电站大小和尾水管结构形式而定，初设阶段，小型电站或岩质基础取12m；大中型电站或土基取34m。本次设计为岩质基础取2m。=-=427.71=425.71m5. 水轮机层地面高程=+ 式中：-蜗壳从安装高程向上的最大尺寸；-蜗壳顶部混凝土层厚度为1m=+=434.04+1.68+1=436.67m6. 发电机装置高程=+ 式
32、中：-进人孔高度取2m；-进人孔顶部厚度取1m=+=436.71+2+1=439.67m7. 发电机层地面高程 采用定子埋入式 =+ 式中：-定子高度=+=439.67+1.54=441.21m 8. 安装间地面高程=441.21m 9. 桥吊梁轨顶高程=+ 式中：-采用定子埋入式布置，为上机架的高度；-吊运部件与固定的机组或设备间的垂直净距；-最大吊运部件的高度；-吊运部件与吊钩间的距离，取为0.8m；-主钩最高位置（上极限位置）至轨顶面距离1.84m。=+=441.21+1.23+1+5.76+0.8+1.84=451.84m 10. 梁底高程=+ 式中：-起重机轨顶至小车顶面的净空尺寸，此处取3.7m；-小车顶面与屋面大梁或屋架下弦底面的净距，一般取0.5m。=+=451.84+3.7+0.5=456.04m 11. 厂房顶高程=+ 式中：-屋面大梁的宽度、屋面板的厚度、屋面保温防水层的厚度之和，取0.5m。=+=456.04+0.5=456.54m
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