引水式日调节电站毕业设计说明

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1、WORD目录第1章工程概况11.1 工程概况11.1.1 流域概况11.1.2 流域开发概况11.1.3 该枢纽的兴建在国民经济中的意义11.2 水库与主要建筑物的特征1第2章基本资料32.1 水文特征32.1.1 年径流32.1.2 设计洪水32.1.3 年沙量与气象42.2 工程地质42.2.1 地质概况42.2.2 厂区工程地质条件和问题42.2.3 对外交通52.2.4 建筑材料5第3章水轮机选型设计63.1 机组台数与单机容量的选择63.1.1 水轮机的选型原则和任务63.1.2 机组台数的选择63.1.3 单机容量的选择83.2 水轮机特征水头的确定83.2.1 最大水头83.2.

2、2 最小水头93.2.3 设计水头103.2.4 加权平均水头103.3水轮机型号与主要参数的选择103.3.1 水轮机型号的选择103.3.2 HL220型水轮机方案的主要参数选择103.3.3 HL230型水轮机方案的主要参数选择143.3.4 两种方案的比较分析183.4 蜗壳的形式和尺寸的确定183.4.1 蜗壳形式的选择183.4.2 蜗壳设计的基本要求193.4.3 蜗壳主要参数的选择193.4.4 蜗壳的水力计算203.5 尾水管形式和尺寸的确定233.5.1 尾水管形式的选择233.5.2 尾水管尺寸的确定243.5.3 尾水管的局部尺寸变动263.6调速器的选择263.6.1

3、 调速器形式的选择263.6.2 调速器工作容量的计算273.7 发电机的选择303.7.1 发电机的形式303.7.2 水轮发电机的尺寸和重量31第4章压力管道与调压室的初步设计324.1 压力管道的类型的选择324.2 压力管道供水方式与分岔管类型的选择324.2.1 供水方式324.2.2 分岔管334.3 压力管道的引近方式和进水方式的选择344.3.1 引进方式344.3.2 进水方式354.4 压力管道尺寸364.4.1 压力管道直径364.5 调压室的初步设计364.5.1调压室的类型和布置方式364.5.2调压室的水位波动计算38第5章枢纽总体布置405.1 厂房建筑物的组成4

4、05.1.1 水电站厂房建筑物的组成405.1.2 水电站厂房的基本类型405.2厂区布置的原则415.3厂房枢纽布置415.3.1 主厂房415.3.2 副厂房425.3.3 变电站42第6章水电站厂房设计436.1 概述436.1.1 水电站厂房的作用436.1.2 水电站厂房的基本要求：436.1.3 水电站厂房的基本类型436.1.4 水电站厂房的组成446.2 厂房部布置456.2.1 下部块体结构的布置456.2.2 水轮机层布置466.2.3 发电机层布置496.2.4 尾水平台布置526.2.5 厂房的交通、采光、通风、防潮、采暖、保安防火526.3 厂房轮廓尺寸的确定536.

5、3.1 主厂房长度536.3.2 主厂房的宽度546.3.3 主厂房的高度556.4 厂房结构布置576.4.1 概述576.4.2 主厂房的分缝与止水586.4.3 主厂房结构系统的传力过程586.4.4 主厂房结构组成与作用58结束语60辞61参考文献6262 / 65第1章 工程概况1.1 工程概况1.1.1 流域概况永定河为河海流域五大水系之一。上游分为两大水系，北支为洋河，南支为桑干河，在官厅以上30km处的朱关屯汇合，永定河在官厅以上流域面积为47000km2,永定河自官厅至三家店河道110km，落差330m,平均坡降1/300，区间流域面积1600km2，河道穿行于军都山峡谷之中

6、，统称为官厅山峡。官厅水库于1955年建成，运用以来对防洪起了巨大作用，经水库调蓄上游来水，均匀下泄，以满足下游工农用水的需要。1.1.2 流域开发概况官厅山峡流域具有丰富的水资源，目前已经开发的有：官厅水电站，下马岭水电站，下苇店水电站，以与下游的三家店水闸等，同时在官厅山峡的下游，又建造了梯级开发电站，即安家庄I、II级电站。1.1.3 该枢纽的兴建在国民经济中的意义该电站为引水式日调节电站，在华北电网上担任峰荷与调相任务，对改变华北地区用电紧状态，充分合理利用水能资源，缓解电力系统高峰供电的紧状态起积极作用，向阳口II级电站的兴建，对提高京津唐电力系统的灵活性，充分利用水能，具有十分重要

7、的意义。1.2 水库与主要建筑物的特征该电站在系统中担任调峰与调相的任务，其日调节水库为大青岩水库，入库径流由官厅水库控制，所以用官厅水库下泄流量作为本电站的发电水量，而官厅水库的出库年径流系列与均值为14.04亿立米（19551972年）作为大青岩水库入库系列的均值。电站首部为拦河坝，位于丰沙线沿河城车站和幽州车站之间的大青岩坝址上游距幽州车站2.8km，下有距沿河城车站3.2km，拦河坝采用重力坝，其主要数据如下：最大坝高 27.5m坝顶高 5.0m坝长 112.5m正常高水位 409.0m最高洪水位 409.0m死水位 405.0m总库容 645万调节库容 245万坝顶高程 411.0m

8、最大泄流量 2200溢流坝段长 27.5m非溢流段长 27.5m最大单宽流量 32.7发电引水隧洞全长4876.6m，进口底高程395.0m，纵坡2.3%，圆形断面，洞径7.5m，沿洞线主要穿过中厚层硅质灰岩，走向与洞线近正交，中段穿过霏细岩石。冲沙导流隧洞位于拦河坝左岸，施工期间可作导流用，建成后用以冲砂，放空水库与分泄部分洪水用，洞长219.8m，直径5.0m，进口底高程388.0m，纵坡6.6%，出口底高程388.5m，其最大最小流量分别为156和126。为了利于冲砂以保护发电洞，冲砂洞进口在坝上有30m处，位于发电洞下部，形成双层进水口。高压管道穿过薄层，厚层和中层硅质灰岩，穿过F5断

9、层。主管直径3.4m，高压管道全部采用钢板衬砌。电站厂房在向阳口村上游300m处，靠永定河左岸，该处河岸为70m高的陡壁，厂址放在断层下盘紧靠陡壁的基岩上，考虑到沿河城大断层为活动性断面，因此，将变电站与厂房按“一”字型布置在断层底基岩上。第2章 基本资料2.1 水文特征2.1.1 年径流向阳口级水电站的日调节水库为大青岩水库，入库径流由上游的官厅水库控制，故官厅水库的下泄水量作为本电站的发电水量，区间来水很少，考虑该部分水量可与水库蒸发与水流下泄的沿程损失互为补偿，所以不另行计算。官厅水库出库年水量采用官厅建库运行以来（1955-1972）的17年出库年径流系列与均值14.04亿立米作为大青

10、岩水库的入库系列和均值。表2.1 17年的出库年径流系列（流量单位：亿）时段55-5656-5757-5858-5959-6060-6161-6262-6363-64流量 23.686.26418.814.4127.7413.3813.8215.627.3时段64-6565-6666-6767-6868-6969-7070-7171-72流量 17.8210.517.5718.1711.4811.9112.637.542.1.2 设计洪水坝址，厂址的洪水由两部分组成，其一为官厅大青岩，官厅向阳口的区间洪水，其二为官厅水库下泄洪水。厂址的设计洪水按官厅向阳口间50年一遇洪水加官厅水库下泄600计

11、算，校核洪水按区间50年一遇洪水加官厅下泄600计算。表2.2 洪峰流量（）断面设计校核大青岩坝址910+600=15101600+600=2200向阳口厂址1800+600=24003000+600=3600表2.3 向阳口II级电站尾水位与流量关系如下表水位（m）348.6349.5350351352流量（）058106265480水位（m）353354355356357流量（）76011501750257035402.1.3 年沙量与气象大青岩入库沙量，主要由官厅水库下泄沙量决定，自1955-1972年资料，官厅水库下泄沙量的均值为163万吨，可作为大青岩水库年均入库泥沙量。本流域处于山

12、区，夏季炎热多雨，冬季寒冷少雨，年平均降雨量536mm，主要集中在7，8月份。各年平均气温变化不大，均值约为11.7,年气温变化大，六月份最高气温40.2，二月份最低气温-22.9。2.2 工程地质2.2.1 地质概况永定河由官厅流入官厅山峡，出三家店流向华北平原，河道宽约50150m，河床是不对称得阶梯状，河流两岸山涧沟谷发育与河床呈羽毛状排列，切割较深，河床坡底较陡，呈“V”字型。工作区出露的岩石，主要为远古界震旦系蓟县统，雾逆山咀硅质灰岩，含砾石英砂岩，还有少量零分布的火层岩和变质岩，第四系松散堆积物主要是河床冲积层和山坡上的堆积物与崩积物 。向阳口区以沿河城大断裂为代表的祁吕贺兰山字型

13、起控制作用。本区断裂构造较发育，主要由三组，一组走向NM320340；一组走向为NE2040;一组走向为NE5070，另外层间错动为较发育，基本顺层，局部均层断裂互相交错，构成棋盘格式，但由于主要应力的不均衡性，北东向一组数量少。本地区地震烈度，根据地震地质大队建议，基本烈度为7度。本区河水，地下水对混凝土无侵蚀性。2.2.2 厂区工程地质条件和问题厂区位于向阳口村的西南侧，永定河左岸，岸坡陡立，成6576度角与河床沙砾石层相接，山坡局部为坡积物所覆盖，陡崖岩体为震旦纪雾迷山咀硅质条带灰岩，陡坡顶以上缓坡部分为顺层侵入的霏细石。厂区的地质构造主要受沿河大断层的控制，该断层沿左岸坡角切过，走向N

14、E60,倾向SE,倾角70，断层在平面上呈舒缓坡状，破碎带宽度较大，在本区近300m，是祁吕系代表性断裂，近期活动比较明显。 本区是可以修建厂房的，但厂房时应该在断层的一盘（下盘紧靠陡崖）为宜。 调压井跨度较大，据目前资料分析井筒下部三分之二段处于巨厚层硅质灰质岩中，岩坡平缓（倾角3度）对洞壁稳定是有利的，但上部三分之一处于霏细岩中，高角度裂隙发育对洞壁与洞顶稳定均十分不利，设计时应引起重视。高压管道段一般布置在工程地质条件较好，只在叉管水平段因岩层产状平缓，且临近沿河城大断裂，岩石相对破碎，工程地质条件稍差，应做好衬砌和防渗措施，各段f，k建议如下：表2.4 f，k桩号布置措施桩号4+889

15、.64+922.14+951.64+983.755+021.1F4-6 4 3-4 1K600 250-320 320-400 60厂房设置在沿河城大断裂北西侧一盘上，厂基岩石为中厚硅质灰岩，由于受断层影响，完整性稍差，但其承载力已满足要求，过厂基的断层规模不大，对建筑物稳定性无影响，只按一般断层处理即可，厂房后边坡完整性较好，建议按75度削坡，但对中下部之薄层硅质灰岩，建议进行表面喷浆保护，以防其在外力作用下风化坍塌。2.2.3 对外交通现有交通运输条件：有丰（台）沙（城）铁路沿本工程附近通过，距坝址附近车站为丰沙I线，幽州车站（在坝址上游约2.3km）和沿河城车站（在坝址下游约3.2km，

16、距厂址约9km）对外交通公路，现有沿河城村至斋堂的简易公路，接斋堂至雁翅通往的公路干线，可通汽车，由沿河城至斋堂的公路大约1.5km，目标较低，需进行适当的修善，可达四级标准，可作为电厂永久对外交通线。施工场交通，拟将旧同（）塘公路适当修善，作为施工期主要场交通，其中由大青岩坝址至向阳口厂址间约13km长的公路做成永久公路，大部件（主变压器运输重40多吨）运输拟由沿河城车站或雁翅车站卸车后，用60吨拖车由公路运至厂区。2.2.4 建筑材料料厂位于沿河城村附近，距大青岩坝址7-9km，距厂址4-6km，运距较远，但交通方便，位于同塘公路线上，存在的问题是占农口较多，储量可满足要求，质量除含泥量较

17、大，施工需进行冲洗外，一般也满足要求.。第3章 水轮机选型设计水轮机是水电站中最主要的动力设备之一，它关系到水电站的工程投资，安全运行和经济效益等重大问题，因此在水能规划的基础上，根据水电站水头和负荷的工作围，正确地进行水轮机选择是水电站设计的主要任务之一。3.1 机组台数与单机容量的选择3.1.1 水轮机的选型原则和任务（一）水轮机选型的一般原则为：（1）机型的技术特性应适应该电站的水资源条件。（2）尽可能缩短水电站的施工期，使机组早日投产，满足国民经济的需要。（3）水轮机的运行稳定可靠，机动灵活，满足安全供电。（4）力求水轮机的平均效率较高，使水电站获得较大的动能效益，尽可能降低水电站造价

18、，做到经济合理。（5）考虑到供货的现实性，中小型水电站的水轮机要符合通用化、系列化、标准化、的要求。（6）水轮机的制造、运输、安装、运行方便。上述原则应根据水电站的具体条件，权衡利弊，选出技术上先进可靠、经济上合理的水轮机方案。（二）水轮机选型的主要任务是：（1）确定水轮机的特征水头（最大水头、最小水头、设计水头、加权平均水头等）。（2）选择水轮机的台数和型号。（3）选定水轮机的标称直径、额定转速、吸出高程、安装高程等参数。（4）确定水轮机的蜗壳和尾水管的型式和尺寸。（5）确定调速器、油压装置的型式和尺寸。（6）估算发电机的尺寸和重量等。3.1.2 机组台数的选择 水电站的装机容量等于机组台数

19、和单机容量的乘积。根据已确定的装机容量可以拟定出不同的机组台数方案。当机组台数不同时，单机容量不同，水轮机的转轮直径、转速也就不同，有时甚至水轮机的型号也会改变，从而引起水电站的工程投资、运行效率、运行条件以与产品供应等情况的变化。 目前上不可能从理论计算上求得合理的单机容量，因此在选择机组台数时应从下列几方面综合考虑： （1）机组台数与机电设备制造的关系机组台增多时，机组单机容量减小，尺寸减小，因而制造与运输都比较容易，这时由于制造能力和运输条件较差的地区是有利的。但实际上小机组单位千瓦消耗的材料多，制造也较麻烦，故一般都希望选择较大的机组。 （2）机组台数与水电站投资的关系机组台数较多时，

20、不仅机组本身的单位千瓦造价较高，而且随着机组台数的增加，相应的阀门、管道、调速器，辅助设备和电器设备的套数就要增加，电器结线也较复杂，厂房平面尺寸也需加大，机组的安装维护工作量也将增加，因此从这些方面来看，水电站的单位千瓦的投资将随机组台数的增加而增加。但另一方面，采用小机组则厂房的起重能力、安装场地、基坑开挖量都可缩减，因此又可减少一些水电站的投资。总的来说机组台数变化要引起水电站投资变化，在大多数情况下，机组台数增多将增大投资。（3）机组台数与水电站运行效率的关系当机组数目不同时水电站水轮机的平均效率也不同。机组台数增多能够增加水电站的电能，但当增多到一定程度，在增多时对水电站的运行效率就

21、不会有显著的影响了。当水电站在电力系统中担任基荷工作时，选择机组台数少，可使水轮机在较长时间以最优工况运行，使水电站保持较高的平均效率。当水电站担任系统尖峰负荷时，由于负荷经常变化，而且幅度较大，为使每台机组都可以高效率工作，就需要更多的机组台数。此外，由于水轮机类型的不同，机组台数对水电站平均效率的影响也不同。如：轴流转桨式水轮机，犹豫其高效率区比较宽广，单机效率变化比较平稳，故机组台数的增减对水电站平均效率的影响不大。但对轴流定桨式水轮机，当出力变化时效率变化就比较剧烈，因此增加机组台数，对于提高水电站的平均效率就比较显著。（4）机组台数与水电站运行维护工作的关系当机组台数较多时，单机容量

22、就小，水电站的运行方式机动灵活，机组发生事故后所产生的影响小，检修也较容易安排。但因运行操作次数随之增加，发生事故的几率增高了，同时管理人员增多，运行费用也提高了。因此不宜选用过多的机组台数。上述各种因素既相互联系又相互影响，不可能都一一满足，所以在选择机组台数时应针对电站具体情况而定。为了水电站运行的可靠性和灵活性，一般不少于两台且大多数情况下机组台数用偶数。同时为了制造、安装、运行维护与设备供应的方便，在一个水电站尽可能的选用同一型号的机组。本设计为引水式水电站，电站的总装机容量为6万千瓦，属中型水电站（2.5万kwN25万kw），我国建成的中型水电站一般选用46台机组，由于上述各种因素互

23、相影响，遵循上述原则并结合电站具体情况本设计选用4台机组。3.1.3 单机容量的选择水轮机的单机容量N为：（3.1） 式中： 总的装机容量，本设计为6万kw； n机组台数，本设计为4台将数据代入上式得:水轮机的额定出力为： （3.2） 式中： 水轮机的效率，本设计取98%n机组台数，本设计为4台将以上数据带入公式得：3.2 水轮机特征水头的确定水轮机型号的选择中起主要作用的是水头。水轮机的任一工作状况的工作性能可采用水轮机的水头、流量、效率、出力和转速等工作参数之间的关系来描述。水轮机的水头也称工作水头，指单位重量水体通过水轮机时能量减小值，水轮机水头随电站上、下游水位而变化。为此常用最大水头

24、，最小水头，设计水头来表征水轮机的运行围和工作特性。3.2.1 最大水头最大水头，是允许水轮机运行的最大净水头，通常由水轮机强度所决定。可由下式进行估算水轮机出力： （3.3）式中：通过水电站水轮机的流量（m/s）； H水电站的净水头，为水电站上、下游水位之差减去各种水头损失（m）；水电站效率，小于1。等于水轮机效率机、发电机效率电与机组传动效率传的乘积。本设计取80%。试算：（1）初选定,由表2-3查得时，相应的，时，相应的，用插法计算出时，相应的。已知，考虑沿程等水头损失，则 （3.4）（2）选定,由表2-3查得相应的。而实际，介于9149kw与26273.22kw之间，所以实际最大水头介

25、于58.29m与57.72m之间，再用插法算得，此时对应的，。故最大水头为。3.2.2 最小水头最小水头，是保证水轮机安全稳定运行的最小净水头。当4台机组同时发电时，所对应的流量也同理由试算法求得，负荷出力应与相接近。（1）令,查表2-3得,已知。（2）选定，由表2-3查得相应的，已知。同理由差法算出当时，,相应的。故最小水头。3.2.3 设计水头 (3.5)所以设计水头，相应的设计流量。3.2.4 加权平均水头加权平均水头,是一定期间所有可能出现的水轮机水头的加权平均值，是水轮机在其附近运行时间最长的净水头。已知该电站为引水式水电站，所以 3.3水轮机型号与主要参数的选择3.3.1 水轮机型

26、号的选择水轮机型号的选择是在已知机组单机容量和各种特征水头的情况下进行的，一般有根据水轮机系列型谱选择和采用套用机组两种方法。本设计根据水轮机系列型谱进行选择。每种型号的水轮机都有其适用的水头围，由此根据水电站的水头情况，可直接从型谱表中选择出适合于该水电站的水轮机型号。有时可能选出两种型号同时都能适用，这样可将两种机型均列入比较方案进行比较。根据该水电站的水头变化围53.1158.09m ，在水轮机系列型谱表3.4（水电站第三版 河海大学 启钊主编）中查出合适的机型有HL220和HL230两种。现将这两种水轮机作为初选方案，分别求出其相关参数，并进行比较分析。3.3.2 HL220型水轮机方

27、案的主要参数选择HL220型水轮机适用水头为5085m，模型具体参数如下表3.1所示。表3.1 HL220型水轮机模型转轮主要参数表模型转轮导叶相对高度b0/D1最优工况限制工况直径D1（mm）叶片数Z1单位转速n10 (r/min)单位流量Q10(L/s)效率(%)气蚀系数比转速ns单位流量Q1(L/s)效率(%)气蚀系数460140.2570.0100091.00.115255115089.00.133（1） 转轮直径的计算: （3.6）式中：水轮机标称直径；模型水轮机在限制工况下的单位流量，查得；设计水头，；与工况点相对应的原型效率，假设；水轮机额定出力，。将数据代入上式得 :查水电站（

28、第三版 河海大学 启钊主编）表1.2选用与其接近而偏大的标称直径 。（2）转速n的计算 （3.7） 式中： 单位转速采用最优工况下单位转速，；采用加权平均水头，；采选定的标称直径，。将数据代入上式得查水电站（第三版 河海大学 启钊主编）表1.1,选用与其接近的同步转速，磁极对数。（3）效率与单位参数修正查表可得HL220型水轮机在最优工况下的模型最高效率为，模型转轮直径为。原型水轮机的最高效率 （3.8）效率修正值考虑原型与模型水轮机在制造工艺质量上的差异，取修正值。 （3.9） 原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为： （3.10） （3.11） 单位转速的修正 （3.12）由于3.0%，

29、按规定单位转速可不加修正，同时，单位流量也可不加修正。由上可见，原假定的,=，是正确的，那么上述计算与选用的结果、也是正确的。（4）工作围的检验在选定、后，水轮机的与几个特征水头相对应的即可计算出来。水轮机在、下工作时，其即为故 （3.13）=1.0251.15 m3/s则水轮机的最大引用流量为： （3.14） =1.0252.02 =30.45m3/s 与特征水头、相对应的单位转速为： （3.15）（5） 吸出高度Hs的计算由下式进行水轮机吸出高度的计算： （3.16）式中：水轮安装位置的海拔高程，在初始计算是可取为最大水头对应的下游尾水位，本设计为349.11m；模型气蚀系数，各种工况下的

30、可从该型号水轮机模型综合特性曲线中查取；气蚀系数的修正值，可根据设计水头由水电站（第三版 河海大学 启钊主编）图2.26查取；水轮机水头。列表计算，如下表3.2表3.2 吸出高度计算表项目最大水头设计水头最小水头水头（m）58.0955.5253.11单位转速78.7280.5282.33气蚀系数0.1260.1290.13修正值0.0190.0190.0198.4238.2177.791吸出高度（m）1.1891.3951.821采用最小值，确定水轮机安装高程。（6） 水轮机安装高程立轴混流式水轮机采用下式计算水轮机的安装高程 （3.17）式中：下游最低尾水位（ =348.6m）；导水叶高度

31、，（由导叶相对高度可得=0.5）。将数据代入上式得： =348.6+1.189+0.5/2 =350.04 m3.3.3 HL230型水轮机方案的主要参数选择HL230型水轮机适用水头为3565m，模型具体参数如下表3.3所示。表3.3 HL230型水轮机模型转轮主要参数表模型转轮导叶相对高度b0/D1最优工况限制工况直径D1（mm）叶片数Z1单位转速n10 (r/min)单位流量Q10 (L/s)效率(%)气蚀系数比转速ns单位流量Q1(L/s)效率(%)气蚀系数404150.31571.091390.7247111085.20.17（1） 转轮直径的计算式中：水轮机标称直径；原型水轮机在限

32、制工况下的单位流量，查得；设计水头，；与工况点相对应的原型效率，取；水轮机额定出力，。将数据代入上式得查水电站（第三版 河海大学 启钊主编）表1-2选用与其接近而偏大的标称直径 。（2） 转速n的计算式中： 单位转速采用最优工况下单位转速， r/min；采用加权平均水头，；采选定的标称直径，。将数据代入上式得查水电站（第三版 河海大学 启钊主编）表1.1选用与其接近的同步转速，磁极对数。（3）效率与单位参数修正查表可得HL230型水轮机在最优工况下的模型最高效率为，模型转轮直径为。原型水轮机的最高效率为：效率修正值考虑原型与模型水轮机在制造工艺质量上的差异，取修正值。原型水轮机在最优工况和限制

33、工况下的效率为：单位转速的修正=0.008 0.03 由于3.0%，按规定单位转速可不加修正，同时，单位流量也可不加修正。由上可见，原假定的,=，是正确的，那么上述计算与选用的结果、也是正确的。（4）工作围的检验在选定、后，水轮机的与个特征水头相对应的即可计算出来。水轮机在、下工作时，其即为故 =1.0251.11 m3/s则水轮机的最大引用流量为： =1.0252.02 =30.545m3/s 与特征水头、相对应的单位转速为：（5） 吸出高度Hs的计算由下式进行水轮机吸出高度的计算：式中： 水轮安装位置的海拔高程，在初始计算是可取为最大水头对应的下游尾水位，本设计为349.11m；模型气蚀系

34、数，各种工况下的可从该型号水轮机模型综合特性曲线中查取；气蚀系数的修正值，可根据设计水头由水电站（第三版 河海大学 启钊主编）图2-26查取；水轮机水头。列表计算，如表3.4表3.4吸出高度计算表项目最大水头设计水头最小水头水头（m）58.0955.5253.11单位转速78.7280.5282.33气蚀系数0.1900.1870.185修正值0.0210.0220.02212.25711.60410.994吸出高度（m）-2.644-1.991-1.382采用最小值，确定水轮机安装高程。（6） 水轮机安装高程立轴混流式水轮机采用下式计算水轮机的安装高程式中：下游最低尾水位（ =348.6m）

35、；导水叶高度，（由导叶相对高度可得=0.63）。将数据代入上式得=348.6-2.644+0.63/2=346.27m3.3.4 两种方案的比较分析为了便于比较分析，现将这两种的有关参数列入下表3.5。表3.5 HL220和HL230水轮机方案参数对照表序号项目HL220HL2301模型转轮参数推荐使用的水头围508535652最优单位转速70713最优单位流量115011104模型转轮参数最高效率9190.75模型气蚀系数0.1330.1706原型水轮机参数工作水头围53.158.0953.158.097转轮直径2.02.08转速3003009最高效率93.393.210额定出力153061

36、530611最大引用流量31.2431.2412吸出高度1.189-2.64413安装高程350.04346.27由上表可见，HL220型水轮机方案的工作围包含了较多的高效率区域运行效率较高，气蚀系数较小，安装高程较高，有利于提高年发电量和减小厂房的开挖工程量；而HL230水轮机方案的机组转速较高，有利于减小发电机尺寸，降低发电机造价，但这种机型的水轮机与其调节系统的造价较高。据以上分析，在制造供货方面没有问题时，初步选用HL220型方案较为有利。3.4 蜗壳的形式和尺寸的确定3.4.1 蜗壳形式的选择蜗壳是反击式水轮机的重要引流部件。根据材料可分为混凝土蜗壳和金属蜗壳两种，当水头小于40米时

37、多采用钢筋混凝土浇制成的蜗壳，简称混凝土蜗壳；当水头大于40米时，由于混凝土结构不能承受过大的水压力，常采用钢板焊接或铸钢蜗壳，统称金属蜗壳。由于该电站水头大于40米，所以选用金属蜗壳。3.4.2 蜗壳设计的基本要求（1）过水表面应光滑、平顺，水力损失小；（2）保证水流均匀、轴对称地流进导水机构；（3）水流在流进导水机构前应具有一定的环量，以保证在主要的运行工况下水流能以较小的冲角进入固定导叶和活动导叶，减小导水机构的水力损失；（4）具有合理的断面形状和尺寸，以降低厂房投资与便于倒水机构的接力器和传动机构的布置；（5）具有必要的强度和合适的材料，以保证结构上的可靠性和抵抗水流的冲刷。3.4.3

38、 蜗壳主要参数的选择蜗壳的主要参数有蜗壳的包角、蜗壳断面形状和蜗壳进口断面流速。（1）蜗壳的包角从蜗壳的鼻端至蜗壳进口断面之间的夹角称为蜗壳的包角，常用表示。蜗壳的鼻端即为与蜗壳末端连接在一起的那一个特殊固定导叶的出水边。蜗壳包角的大小直接影响蜗壳的平面尺寸，包角大时（接近360），水轮机流量全部经蜗壳进口断面进入水轮机，因此进口断面较大；包角较小时，部分流量直接进入导水机构，经进口断面进入水轮机的流量减少，进口断面尺寸相应减小，包角为180时蜗壳宽度最小。对于金属蜗壳，由于其过流量较小，允许的流速较大，因此外形尺寸对厂房造价影响较小。为了获得良好的水利性能与考虑到其结构和加工工艺条件的限制，

39、一般采用=345。本设计采用345。（2）蜗壳的断面形状金属蜗壳的断面均做成圆形，以改善其受力条件。在接近鼻端，由于和座环蝶形边光滑过渡与焊接上的需要，断面形状接近于椭圆形。（3）蜗壳进口断面流速蜗壳的进口断面为经过转轮中心与引水道中心线垂直的过水断面。蜗壳进口断面流速的大小不仅与蜗壳尺寸大小有关，还与蜗壳水头损失有关。流量一样时，进口断面流速大，断面尺寸就小，机组间距也可减小，但蜗壳水头损失就大；流速小，断面尺寸就大，将增加厂房投资。蜗壳进口断面流速可根据下式计算： （3.18）式中： 设计水头，m；与水头与蜗壳材料有关的系数，按下表3.6查用。表 3.6 金属蜗壳流速系数设计水头（m）20

40、4060801001502003001.00.970.910.850.800.710.650.60金属蜗壳进口允许极限流速为1415m/s。3.4.4 蜗壳的水力计算通过水力计算确定蜗壳各部分尺寸。由于蜗壳直接与水轮机座环相连，因此必须知道座环的尺寸，包括高度、外直径、直径、蜗壳断面形状与设计流量与包角。a-金属蜗壳的计算； b-座环尺寸图3.1金属蜗壳的计算和座环尺寸本设计水轮机具体数据如下表3.7所示。表3.7 水轮机具体数据转轮直径D1设计水头Hr设计流量座环相对高度b0/D1座环高度b0外直径Da直径Db2.0m55.52m31.24m3/s0.250.50m（1）进口断面流速本电站的

41、设计水头为55.52m，由表3.6经过插法算得金属蜗壳流速系数为=0.92。则蜗壳进口断面流速为=0.92=6.86 m/s1415m/s （满足要求） （3.19）（2）进口断面流量由于水流沿座环均匀进入导水机构与转轮，故经任一蜗壳断面的流量为：(3.20)式中： 表示计算断面与蜗壳尾端断面的夹角；水轮机的最大流量蜗壳进口断面的流量为当时的流量，即（3）进口断面面积 （3.21）（4）进口断面半径 （3.22）（5）进口断面中心距 （3.23） （3.24）式中： 蝶边A处半径；断面中心距蝶边距离；蝶形边到导水机构中心线高程。且。式中：导叶高度。查表3.1知，导叶的相对高度，所以m；误差，取

42、其值为0.2。将数据代如上式得（6）进口断面外半径（3.25）（7）蜗壳常数 （3.26）=1358.27（8）由蜗壳圆形断面计算图的几何关系得 （3.27） （3.28） （3.29）(3.30)表3.8 金属蜗壳圆形断面计算表（的变化幅度采用30）断面号03450.251.80.900.2030.831.081.171.172.884.0513150.231.80.830.2030.791.021.041.112.823.9322850.211.80.760.2030.750.960.921.062.763.8232550.191.80.680.2030.690.880.770.992.6

43、83.6742250.171.80.610.2030.640.810.660.932.613.5451950.141.80.500.2030.540.680.460.812.483.2961650.121.80.430.2030.480.600.360.752.403.1571350.101.80.360.2030.400.500.250.672.302.9781050.081.80.290.2030.290.370.140.592.172.769750.061.80.220.2030.130.190.040.491.992.480图3.2金属蜗壳平面单线图3.5 尾水管形式和尺寸的确定尾水管

44、是反击式水轮机过流通道的最后部分，转轮出口的水流通过尾水管将流速逐渐减小后排入下游，因而尾水管的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与稳定性。尾水管的作用有：（1）汇集并引导转轮出口水流排往下游；（2）当时，利用这一高度水流所具有的位能；（3）回收转轮出口水流的部分动能。3.5.1 尾水管形式的选择尾水管型式很多，目前常用的有直锥形，弯锥形和弯肘形三种形式。其中直锥形结构简单，性能最好（可达80%85%），但其下部开挖量较大，因此一般应用于小型水轮机。弯锥形尾水管比直锥形尾水管多了一段圆形等径的弯管，它是常用于小型卧式水轮机的一种尾水管，由于其转弯段水力损失小

45、大，所以其性能较差，约为40%60%。弯肘形尾水管不但可减小尾水管开挖深度，且有良好的水力性能，可达75%80%，因此，除贯流式机组外几乎所有的大中型水轮机均采用这种尾水管，所以本设计采用弯肘形尾水管。3.5.2 尾水管尺寸的确定弯肘形尾水管由进口直锥段、中间弯肘段和出口扩散管三部分组成。（1）进口直锥段进口直锥段是一段垂直的圆锥形扩散管，其壁设金属里衬，以防止旋转水流和涡带脉动压力对管壁的破坏。其单边扩散角的最优值为：对于转浆式水轮机=810；对于混流式水轮机=79，本设计为混流式水轮机取8。 （2）中间弯肘段（肘管）中间弯肘段常称为肘管，它是一段90转弯的变截面弯管，其进口断面为圆形，出口

46、断面为矩形。断面变化较复杂，故要求水流条件尽可能顺畅，断面变化应较为平顺，现多采用标准型弯管。弯管段一般不设金属里衬，但当水头大于150m时或尾水管平均流速大于6m/s时，宜设金属里衬，以防止混凝土被冲坏。表3.9 混凝土标准肘管尺寸表D4h4B6L1h6aR6a1R7a2R82.72.75.44053.6451.350.9722.3222.971.620.2161.566（3）出口扩散段出口扩散段是一段水平放置、两侧平行、顶板上翘角的矩形扩散管。其顶板仰角一般取=1013，本设计取11。当出口宽度过大时，可按水工结构要求加设中间支镦，支镦厚度取=(0.10.15)，取1.0m。并考虑尾水门槽

47、布置的需要，出口扩散段通常不加金属里衬。（4）尾水管的高度尾水管的高度是指水轮机底环平面至尾水管底板的高度，它是决定尾水管性能的主要参数。增大h可提高尾水管的效率，但将增加厂房土建投资；减小h会影响尾水管的工作性能，降低水轮机效率，甚至影响机组运行的稳定性。根据实践经验，高度h应满足如下要求：转浆式水轮机h2.3,最低不小于；对于高水头混流式水轮机（）,h2.2；对于低水头混流式水轮机（）,h2.6,最低不得小于2.3。本设计取5.2m。（5）尾水管的水平长度尾水管的水平长度L是指机组中心线到尾水管出口断面的距离。增大L可使尾水管出口面积增大，从而降低尾水管的出口动能损失，但过分增大L将使尾水

48、管的部水力损失以与厂房尺寸增大。通常取L=(3.54.5)。本设计取4.5=9.0m。尾水管的性能直接影响水轮机的效率，为了保证尾水管的使用性能，本设计采用标准尾水管，尾水管尺寸见下表3.10。表3.10 尾水管尺寸表D1hLB5D4h4h6L1h5肘管形式适用围25.29.05.442.702.701.353.642.44标准混凝土肘管混流式D1D2图3.3尾水管尺寸图图3.4肘管尺寸图3.5.3 尾水管的局部尺寸变动在水电站设计时，有时为了满足施工方便、厂房布置紧凑与适应地形、地质条件等实际工程要求，需要对上述推荐的尾水管尺寸做适当的变动，但这些变动不可对尾水管的性能指标造成严重影响，有些

49、尺寸的变动（如高度h小于推荐值下限）需经过水轮机制造厂家同意，并经过充分的论证或试验研究后才可确定。3.6调速器的选择3.6.1 调速器形式的选择根据测速元件的不同，调速器可分为机械液压型与电器液压型两大类；按调节机构的数目不同，可分为单调节和双调节；按调速器容量大小不同，可分为大型与中小型调速器。大型调速器的主配压阀直径大于80mm，油压装置、主接力器、调速柜等均单独设置，有些大型电器液压型调速器的电器柜与机械柜分开设置，称分离式。中型调速器的调速功在1000030000，其调速柜、油压装置与主接力器组成整体，称组合式。小型调速器的调速功小于10000，均为组合式。（1）调速器的选择原则调速

50、器的选择原则是应在任何水头、流量下，平稳可靠地操作水轮发电机组，其关闭时间要满足调节保证计算的要求。根据机组所需要的调速功大小与导叶关闭时间，从产品系列中选取调速器型号。（2）调速器工作容量的选择计算对于中小型水轮机，根据水轮机的工作水头和出力确定所需的调速功（接力器容量），选择相应容量的调速器。反击式水轮机的调速功按下式计算： （3.30）式中： A调速功，；水轮机的最大水头，； Q最大水头下发出额定出力时的流量，本设计为33.57；转轮直径，本设计为2.0m。将数据代入上式得所以选择大型调速器。3.6.2 调速器工作容量的计算（1）主接力器的选择对大型调速器通常采用两个接力器来操作水轮机的

51、导水机构，选用油压装置的额定油压为2.5Mpa，则每个接力器直径按下列经验公式计算： （m） （3.31）式中： 接力器直径，可查下表3.12取相邻偏大的直径；计算系数，可由表3.11查取；D1水轮机转轮直径（m）；导叶高度，本设计取0.5m；P0调速系统的额定油压（Kg/cm2）。表中较小值用于型谱中一般过流能力的转轮，较大值用于增大流量改进后的新转轮。表3.11 计算系数水轮机水头围水轮机型式标准导叶型式叶型相对偏心蜗壳包角所有水头混流式不对称0.0534500.140.155对称0.0534500.1350.15低水头轴流式对称0.0518000.1350.15225027000.145

52、0.16中水头不对称0.05225027000.1350.15高水头34500.1350.15表3.12 标准接力器系列接力器直径（mm）200225250275300325350375400450500550600650700750800850900HL220型水轮机采用标准正曲率导叶，导叶数，查上表3.11取。将数据代入上式得由此，查表3.14选择与之接近的的标准接力器。接力器最大行程可由下列经验公式求得： （mm） （3.32）式中： 水轮机导叶最大开度（mm），可由模型水轮机导叶最大开度依下式换算求得： （3.33）式中：、原型和模型水轮机导叶轴心圆的直径；、原型和模型水轮机的导叶数目。式中较小的系数用于转轮直径D1150转/分适用于n150转/分结构特征水轮机机坑与发电机定子直径较小，推力轴承支架布置在定子上部的上机架水轮机机坑与发电机定子直径较大，推力轴承支架布置在定子下部的下机架或水轮机顶盖上传力方式轴向推力通过定子机座传至基础轴向推力通过发电机机墩或顶盖传至基础优点推力轴承直径较小，损耗小，安装维修方便；上机架刚度大；运行稳定性好机组高度小，重量较轻，材料消耗较少；造价低缺点机组高度较大