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课程设计计算最终版

《水电站建筑物》课程设计

设

计

说

明

书

指导教师:张建梅

姓名：曾凯

学号：09150312

班级：09水利3班

组员:曹文斌顾微魏洪雪

王晓飞睢宁曾凯

第一章基本资料

第二章水轮机发电机选择

第一节 ..................................机组台数和机组型号的选择第二节 .................................. 水轮机主要参数的确定第二节 ...................................... 蜗壳和尾水管尺寸的确定第四节 .......................................... 发电机组的选择及尺寸第三章水电站厂房设计

第一节 .......................................... 主厂房的平面尺寸确定第二节 .......................................... 主厂房布置的构造要求第三节 .................................................................. 桥吊选择

第一章基本资料

(一)、流域概况

该水电站位于S 河流的上游，电站坝址以上的流域面积为20,300km 2，本电站属于该河流梯级电站中的一个。 (二)、水利动能

本电站的主要任务是发电。结合水库特性、地区要求可发挥养鱼等综合利用效益。

5000

10000

15000

20000

264

266268270272274276278280水位 (m )

流量(m 2

/s)

图1 下游水位——流量关系曲线

本电站水库特征水位及电站动能指标见表1

表1 H 水电站工程特性表名称单位数量备注

一、水库特性 1、水库特征水位校核洪水位(P=0.1%) m 293.90 设计洪水位(P=1%) m 290.90 正常蓄水位 m 290.00 死水位 m 289.00 2、正常蓄水位时水库面积 km 2 15.17 3、水库容积校核洪水位时总库容 108m 3 2.29 正常蓄水位时库容 108m 3 1.63 死库容 108m 3 1.49 二、下泄流量及相应下游水位包括机组过流

量

1、设计洪水最大下泄量 m 3.s -1 8 200.00

相应下游水位 m 273.20

2、校核洪水最大下泄量 m 3.s -1 11 700.00 相应下游水位 m 274.90

三、电站电能指标

装机容量 MW 200.00 保证出力

MW 35.00 多年平均发电量 108kW.h 4.35 年利用小时数 h 2255

四、水轮机工作参数最大工作水头 m 25.60 最小工作水头 m 22.80 设计水头

23.30

第二章水轮机发电机选择

第一节机组台数和机组型号选择

选择机组台数时应根据水电站的加工制造能力和运输条件、总投资、水电站的运行效率和运行灵活性、运行维护工作量的大小等因素。为了使电气主结线对称，大多数情况下机组台数为偶数。对于中小型水电站，为保证运行的可靠性和灵活性，机组台数一般不少于2台。本电站属于中型水电站，经过综合考虑和技术经济比较确定机组台数为4台。

单机容量等于装机容量除以台数，因此为50000KW 。

第二节水轮机主要参数的选择

根据该水电站的水头变化范围25.60--22.80m ，在系列型普表3-3和表3-4中查出合适的机型有HL310和ZZ440两种。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。 HL310水轮机方案的主要参数选择： 1. 转轮直径1D 计算

查表3-6和图3-12可得HL310水轮机在限制工况下的单位流量为

1M Q '=1400s L =1.40s m 3，效率M η=82.6％,由此可初步假定原型水轮机在该工况

下的单位流量1Q '=1M Q '=1.40，效率η=86％。

由公式1D =ηr r 1r H H Q 9.81N '=86.0%

23.3023.301.49.8110503

?????=6.135m ，选用

与之接近而偏大的标称直径1D =6.5m 。 2. 转速n 计算

查表3-4可得HL310型水轮机在最优工况下单位转速10M n '=88.3m in r ，初步假定10n '=10M n '，因为该电站是河床式水电站，所以加权平均水头

H =

0.9

H r =

0.9

23.30=25.89m ，由公式

11n D H '=1

av 10D H n '=625.89

88.3?=69.08m in r ，选用与之接近而偏大的同步转

速n=71.4m in r 。 3. 效率及单位参数修正

采用公式max η=51

11Mmax ))(-1(-1D D

M η进行修正。查表3-6可得HL310型水轮机

在最优工况下的模型最高效率为Mm ax η=89.6%，，模型转轮直径为1M D =0.39m ，根据公式可得原型效率max

η=5

)6.5

0.39(89.6%)-(1-1?=94.1%，则效率修正值为

η?=Mmax max -ηη=94.1%-89.6%=4.5%，考虑到模型与原型水轮机在制造工艺质量

上的差异，常在已求得的η?值中再减去一个修正值ξ。现取ξ=1.0%，则可得效率修正值为η?=3.5%，由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况的效率为：

max η=Mm ax η+η?=89.6%+3.5%=93.1%

η=M η+η?=82.6%+3.5%=86.1%（与上述假设值基本相同）

单位转速的修正值按下式计算：

n '?=)1(n max max 10M -'M ηη 则

0M 1

n n ''?=)1(max max -M ηη=1896.0931.0-=1.93%

由于1M 1

n n ''?<3.0%，按规定单位转速可不加修正，同时，单位流量1Q '也可以不加修正。

由上可见，原假定的η=86%，1Q '=1M Q '，10n '=10M n '是正确的，那么上述计算及选用的结果1D =6.5m ，n=71.4m in r 也是正确的。 4. 工作范围的检验

在选定1D =6.5m ，n=71.4m in r 后，水轮机的1m

ax Q '及各特征水头相对应的1n '即可计算出来。水轮机在r H r N 下工作时，其1Q '即为1m

ax Q '，故 1m ax Q '=ηr r 2

1r H H 9.81D N =86.1%

23.3023.306.59.8110503?????=1.246<1.4s m 3 则水轮机的最大引用流量为

max Q =1m ax Q 'r 2

1H D =30.236.51.2462??=254.11s m 3

与特征水头m ax H min H 和r H 相对应的单位转速为

1min

n '=max

H nD =25.606.571.4?=91.73m in r

ax n '=min

H nD =22.806.571.4?=97.20m in r

n '=r

1H nD =23.306.571.4?=96.15m in r

在HL310型水轮机模型综合曲线图上分别绘出1m

ax Q '=1246s L ，1m

ax n '=97.20m in r 和1min n '=91.73m in r 的直线。由图可见，由这三根直线所围成的水轮机工作范围基本上包含了该特性曲线的高效率区。所以对于HL310型水轮机方案，所选定的1D =6.5m 和n=71.4m in r 是合理的。 5. 吸出高度s H 计算

由水轮机的设计工况参数，1r

n '=96.15m in r

ax Q '=1246s L ，在图3-25上可查得气蚀系数值为360.0=σ，气蚀系数的修正值为05.0=?σ，由此可求出水

轮机的吸出高度为

m 143.030.23)05.0360.0(-900

273.20-10H )(-900-10H s =?+=?+?=σσ

ZZ440水轮机方案的主要参数选择 1. 转轮直径1D 计算

由表3-7查得ZZ440型水轮机在限制工况下的单位流量

1Q '=1650s L =1.65s m 3，同时可查的该工况下的气蚀系数σ=0.72。从图3-13中

可查得该工况点（10

n '=115m in r ，σ=0.72）处的单位流量1Q '=1660s L 。同时查得该工况点的模型效率M η=82%，并根据此假定水轮机的效率为86%。

由公式1D =ηr r 1r H H Q 9.81N '=86%

23.3023.3016609.8110503

?????=5.63m ，选用与

之相近的标称直径1D =6.0m 。 2. 转速n 计算

av 10D H n '= 6.025.89

115?=97.52m in r

选用与之相近而偏大的同步转速n=100m in r 。 3. 效率及单位参数修正

采用公式m ax η=])()(7.03.0)[1(-1101

5111max H H

D D M M M +-η修正。对于轴流转浆式水

轮机，必须对其模型综合特性曲线图上的每个转角α的效率进行修正。当叶片转角为α时的原型水轮机最大效率可用下式计算

max αη=)7.03.0)(1(-110511max H H D D M M M +-αη

根据表3-7知1M D =0.46m ，M H =3.5m ，并知1D =6.0m ，H=23.30m ，代入上式可算得max αη=)-1(0.646-1Mmax αη。

叶片在不同转角α时的Mmax αη可用模型综合特性曲线查得，从而可求出相应

α值得原型水轮机的最高效率max αη。

当选用效率的制造工艺影响修正值ξ=1%，即可计算出不同转角α时效率修正值αη?。起计算结果见下表。

叶角转角α

-10 -5 0 5 10 15 20 25 Mmax αη% 84.9 88.0 88.8 88.3 87.2 86.0 81.0 80.0 max αη% 90.2 92.2 92.8 92.4 91.7 91.0 87.7 87.1 max αη-Mmax

αη%

5.3

4.2

4.0

4.1

4.5

5.0

6.7

7.1

αη?

4.3 3.2 3.0 3.1 3.5 4.0

5.7

6.1

由表3-7查得ZZ440型水轮机最优工况的模型效率为Mm ax η=89%。由于最优工况接近α=00等转角线，故可采用αη?=3.0%作为其修正值，从而得到原型最高效m ax η=89%+3.0%=92.0%。

已知M η=82%，而该工况处于转角020与025之间，用内插法可求得改点的效率修正值为αη?=5.1%,由此可得该工况点的原型水轮机效率为η=82%+5.1%=87.1%（与原假定值接近）

，由于10M

n n ''?=)1(max max -M ααηη=1%0.89%0.92-=1.67%<3.0%，故单位转速不作修正，同时，单位流量也可不作修正。

由此可见，以上选用的1D =6.0m ，n=100m in r 是正确的。 4. 工作范围宽的检验

在选定1D =6.0m ，n=100m in r 后，水轮机的1m

ax Q '及各特征水头相对应的1n '即可计算出来。

ax Q '=η

r r 2

1r H H 9.81D N =%87.123.3023.306.09.81500002????=1.45s m 3

则水轮机的最大引用流量为

max Q =1m ax Q 'r 2

1H D =30.230.645.12??=251.97s m 3

与特征水头m ax H min H 和r H 相对应的单位转速为

1min

n '=max

H nD =60.250.6100?=118.59m in r

ax n '=min

H nD =80.220.6100?=125.67m in r

n '=r

1H nD =30.230.6100?=124.30m in r

在HL310型水轮机模型综合曲线图上分别绘出1m

ax Q '=1450s L ，1m

ax n '=118.59m in r 和1min n '=125.67m in r 的直线。由图可见，由这三根直线所围成的水轮机工作范围基本上包含了该特性曲线的高效率区。 5. 吸出高度s H 计算

在水轮机的设计工况点（1r

n '=124.30m in r ，1m ax Q '=1.45s m 3）处，由图3-26可查得气蚀系数约为0.57，查图2-26查得σ?=0.05，则可求出水轮机的吸出高度为 s H =H )(-900-

10σσ?+?

=30.23)05.057.0(900

20.27310?+--=-4.74m 、两种方案的比较分析

为了便于比较分析，现将两种方案的有关参数列入下表：

序号项目

ZZ440 HL310 1 模型转轮参数

推荐使用水头范围（m ）

20~36 <30 2 最优单位转速10

n '（r/min ） 115 88.3 3 最优单位流量10

Q '（L/s ） 800 1120 4 限制工况单位流量max 1Q '（L/s ）

1650 1240 5 最高效率max M η（%） 89 89.6 6

设计工况气蚀系数σ

0.42

0.36

7 原型水轮机参数

工作水头范围（m ） 22.8~25.6 22.8~25.6 8 转轮直径1D （m ） 6.0 6.5 9 转速n （r/min ） 100 71.4 10 最高效率max （%） 92 93.1 11 额定出力r N （kW ） 50000 50000 12 最大引用流量max Q （s m /3

）

251.97 254.11 13

吸出高s H （m ）

-4.74

0.143

由上表可见，两种机型的方案的水轮机转轮直径ZZ440小于HL310。但是HL310型水轮机方案的工作范围包含了更多地高效率区域，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电站厂房的开挖工程量；而ZZ440型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，但这种机型水轮机及其调节系统的造价较高。根据以上分析，在制造供货方面没有问题时，初步选用HL310型方案较为有利。

第三节蜗壳和尾水管的尺寸选择

由于本电站水头较低，选择混凝土蜗壳，通过0

225和0

180两个包角方案的分

析比较0225包角易于与压力管道连接，予以采用。经计算，蜗壳+x 方向宽6.4m ，

-x 方向宽4.8m 。因为21D D 《，选用标准混凝土肘管，尺寸如下图所示：

参数 1D

肘管

型式适用范围标准 1.0 2.6 4.5 2.72 1.35 1.35 0.675 1.82 1.22 标准混凝土肘管

混流式

实际

6.5

16.9

29.25

17.68

8.775

4.3875

11.83

7.93

第四节发电机组的选择与尺寸

根据额定功率f N 为50000kw ，转轮转速n 为71.4m in r 小于150m in r ，选用伞式水轮发电机，查表3-11（P166）选用型好为SF50-44/920。相关尺寸见下表：