水电站专业课程设计计算说明指导书.doc

水电站厂房设计说明书
(MY水电站)
1.绘制蜗壳单线图
1.1蜗壳型式
水轮机设计头头Hp=46.2m>40m，水轮机型式为HL220-LJ-225，可知本水电站采取混流式水轮机，转轮型号为220，立轴，金属蜗壳，标称直径D1=225cm=2.25m。
1.2蜗壳关键参数选择[1]
金属蜗壳为圆断面，因为其过流量较小，蜗壳外形尺寸对水电站厂房尺寸和造价影响不大，所以为了取得良好水力性能通常采取= 340°～350°。本设计采取 = 345°，经过计算得出经过蜗壳进口断面流量Qc，计算以下：
①单机容量：，选择发电机效率为=0.96，这么可求得
水轮机额定出力：
②设计水头：Hp=Hr=46.2m，D1=2.25m 由此查表得：= 0.91
水轮机以额定出力工作时最大单位流量：

③水轮机最大引用流量：

④蜗壳进口断面流量：
依据《水力机械》第二版中图4-30可查得设计水头为46.2m<60m时蜗壳断面平均流速为Vc=5.6 m/s。
由附表5可查得：座环外直径Da=3850mm，内直径Db=3250mm，；座环外半径ra=1925mm，座环内半径rb=1625mm。
座环示意图图一所表示：
座环尺寸(mm)
百分比：1：100

1.3蜗壳水力计算
1.3.1对于蜗壳进口断面
断面面积：
断面半径：
从轴中心线到蜗壳外缘半径：
1.3.2对于中间任一断面
设为从蜗壳鼻端起算至计算面i处包角，则该断面处
，，
其中：，，。
表一 金属蜗壳圆形断面计算表

0
0
0
0
1.925
15
1.592
0.284
0.301
2.527
30
3.183
0.568
0.425
2.776
45
4.775
0.853
0.521
2.967
60
6.367
1.137
0.602
3.128
75
7.958
1.421
0.673
3.270
90
9.550
1.705
0.737
3.399
105
11.142
1.990
0.796
3.517
120
12.733
2.274
0.851
3.627
135
14.325
2.558
0.903
3.730
150
15.917
2.842
0.951
3.828
165
17.508
3.126
0.998
3.921
180
19.100
3.411
1.042
4.009
195
20.692
3.695
1.085
4.095
210
22.283
3.979
1.126
4.176
225
23.875
4.263
1.165
4.255
240
25.467
4.548
1.203
4.332
255
27.058
4.832
1.240
4.406
270
28.650
5.116
1.276
4.478
285
30.242
5.400
1.311
4.548
300
31.833
5.685
1.345
4.616
315
33.425
5.969
1.379
4.682
330
35.017
6.253
1.411
4.747
345
36.608
6.537
1.443
4.811
1.3.3 蜗壳断面为椭圆形计算
对于中间任一断面（依据《水力机械》和《水电站机电设计手册》（水力机械）），当圆形断面半径时，蜗壳圆形断面就不能和座环蝶形边相切这时就改成椭圆形断面。则由椭圆断面过渡到圆形断面时临界角计算以下：当初，

如上图所表示，由《水电站动力设备设计手册》查得：蝶形边高度可近似地定为

，为座环蝶形边锥角，通常取55°。
临界值S=0.882m。
由圆形断面=3450，得

由此得临界角
结合可知，当断面包角在0～151°时候，取椭圆断面。
椭圆短半径，，
椭圆长半径
椭圆断面中心距 d=ra-rb
椭圆断面外半径
计算结果见下表二：

表二 金属蜗壳椭圆形断面计算表

A

0
0.000
0.000
0.129
-0.165
0.568
1.724
2.292
15
0.014
0.251
0.326
-0.025
0.610
1.895
2.505
30
0.028
0.365
0.546
0.107
0.650
2.056
2.706
45
0.042
0.457
0.783
0.231
0.687
2.207
2.894
60
0.056
0.537
1.034
0.348
0.722
2.349
3.072
75
0.071
0.610
1.297
0.459
0.756
2.485
3.241
90
0.085
0.678
1.571
0.566
0.787
2.615
3.403
105
0.099
0.741
1.855
0.668
0.818
2.740
3.559
120
0.113
0.802
2.149
0.767
0.848
2.861
3.709
135
0.127
0.860
2.453
0.864
0.877
2.979
3.856
151
0.142
0.920
2.786
0.964
0.907
3.101
3.689

依据计算结果，画蜗壳单线图，以下图所表示，百分比为，单位为mm。

图二 蜗壳单线图
2.尾水管单线图绘制
依据已知资料及下图，得此水电站尾水管对应尺寸如表三：

尾水管单位参数示意图（5-1）
表三 蜗壳尾水管尺寸
型式
D1

参数
1.00
2.93
2.78
2.50
1.525
0.795
1.29
1.114
1.384
1.405
2.685
4.09
2.53
3.55
10.4
尺寸
2.25
6.593
6.255
5.625
3.431
1.789
2.90
2.507
3.114
3.161
6.041
9.20
5.69
7.99
10.4
依据资料，选择是弯肘型尾水管。弯肘型尾水管是由进口直锥段、肘管和出口扩散管三部分组成。
2.1 进口直锥段
进口直锥管是一垂直圆锥形扩散观，D3为直锥管进口直径：对混流式水轮机因为直锥管和基础环相连接，可取D3和转轮出口直径D2相等；对于混流式水轮机，其锥管单边扩散角可取7°～ 9°；h3为直锥管高度，增大h3可减小肘管入口流速，减小水头损失。
进口锥管高度：
进口锥管上下直径：
2.2 肘管
肘管是一90°变截面弯管,其进口为圆断面，出口为矩形断面。水流在肘管中因为转弯受到离心力作用，使得压力和流速分布很不均匀，而在转弯后流向水平段时又形成了扩散，所以在肘管中产生了较大水力损失。影响这种损失最关键原因是转弯曲率半径和肘管断面改变规律，曲率半径越小则产生离心力越大，通常推荐使用合理半径R=(0.6~1.0)D4，外壁R6用上限，内壁R7用下限。
。
为了降低水流在转弯处脱流及涡流损失，所以将肘管出口作成收缩断面，并使断面高度缩小宽度增大，高宽比约为0.25，肘管进、出口面积比约在1.3左右。
肘管出口断面高度：h6=Hl=1.789m
肘管出口断面宽度：B6=B5=7.988m
2.3 出口扩散段
出口扩散段是一水平放置断面为矩形扩散段，其出口宽度通常和肘管出口宽度相等；其顶板向上倾斜，依据其出口宽度并不是很大，所以不用加设中间支墩。仰角 =10.4°，
长度：L1=3.161m，L2=6.041m，L=9.202m
2.4 尾水段高度
尾水管总高度h和总长度L是影响尾水管性能关键原因。总高度h是由导叶底环平面到尾水管之间垂直高度。对于混流式水轮机因为直锥管环相连接，可取D3 = D2 = 2.507m。D1=2.25m<D2=2.507m，故属于高比速混流式水轮机。
增大尾水管高度h，对减小水力损失和提升是有利。但对混流式水轮机尾水管中产生真空涡带在严重情况下不仅影响机组运行而且还会延伸到尾水管地板引发机组和厂房振动，为了改善这一情况也常采取增大尾水管高度措施，但将会加深厂房开挖量，从而引发工程投资增加。经过试验，通常对于高比转速混流式水轮机取。h=6.593m>2.6D1=5.85m，故满足要求。
对于总长度L，通常取L=(3.5~4.5)D1=7.875~10.125m，L=9.203m。所以总长度也满足要求。
2.5 尾水管单线图
依据以上数据绘制单线图以下图三。
图三 尾水管单线图

3.确定转轮番道尺寸
依据《水电站机电设计手册》——水力机械分册，已知时，HL220型尺寸能够D1=2.25m时转轮番道尺寸，图四：

图四 转轮番道尺寸（单位：m）
4.厂房起重设备设计
水电站厂房采取起重设备形式和台数取决于厂房类型、最大起重量和机组台数等。因为为岸边引水式厂房，故采取桥式起重机。因为本水电站吊运构件中最重为发电机转子带轴重为82.6t < 100t，且机组台数。故选1台单小车桥式起重机，型号为。
其具体数据以下：
取跨度：L=16m； 起重机最大轮压：35.9t；
起重机总重：77.3t； 小车轨距：LT=4400mm；
小车轮距：KT=2900mm； 大车轮距：K=6250mm；
大梁底面至轨道面距离：F=130mm； 起重机最大宽度：B=8616mm；
轨道中心至起重机外端距离：B1=400mm；
轨道中心至起重机顶端距离：H=3692mm；
主钩至轨面距离：h=1474mm；
吊钩至轨道中心距离（主）：L1=2655mm,L2=1900mm；
副吊钩至轨道中心距离：L3=1300mm，L4=2355mm；
轨道型号：QU100。
5. 厂房轮廓尺寸
5.1主厂房总长度确实定：
厂房总长度取决于机组段长度、机组台数和装配场长度。
总长 （其中n为机组台数，为机组段长度，为装配场长度，为端机组段附加长度）
5.1.1机组段长度L1确实定
机组段长度L1是机组中心距离。关键由蜗壳、尾水管、发电机风罩在x轴方向（厂房纵向）尺寸来决定。
（1）按蜗壳层推求：
其中，R1为当初，即R1=4.811m ，R2为当初，即R2=3.921m 。
分别为蜗壳左右外围混凝土厚度，初步设计时取1.2～1.5m，这里均取1.3m，所以蜗壳层对应：
（2）按尾水管层推求：
其中为尾水管出口宽度，为尾水管混凝土边墩厚度，初步设计时可取1.5～2.0m，大型机组取2.0m。已知，在这里取取。 所以尾水管层对应：
（3）按发电机层推求：
其中为发电机风壁厚，通常取0.3～0.4m,这里取0.35m，为相邻两风罩外壁净距，通常取1.5～2m,这里取1.8m，由已知资料可知，发电机风罩内径。
所以发电机层对应：
据以上三种结构计算情况，厂房机组间距由水轮机尾水管层推求长度决定,取。
最终取机组段长度为11.600m。
5.1.2端机组段附加长度确实定

5.1.3装配厂长度确实定
装配场和主机室宽度相等，方便利用起重机沿主厂房纵向运行。装配场长度通常约为机组段长1.0～1.5倍。对于混流式采取偏小值，这里取1.1。
。
5.1.4厂房总长度

最终取厂房总长度L = 60.000m。也就是机组段长度不变，端机组段附加长度降低6cm，再加上沉降缝2cm，所以机组段附加长度最终为82cm。
5.2 主厂房宽度确实定
5.2.1以机组中心线为界，厂房宽度可分为上游侧宽度和下游侧宽度两部分
，。其中，,取，——风罩外壁至上游内侧净距，取5m。
所以，
除满足发电机层要求外，还要满足蜗壳方向和混凝土厚度要求。
对于发电机层：。其中，——风罩外壁至下游墙内侧净距，关键用于主通道取。
所以，
对于蜗壳层方向为：。
其中：为为时，为4.406m；为混凝土保护层厚度，取1.5m
此时对应=4.406+1.5=5.906m
因为5.906m < 6.55m，所以取
所以，。
5.2.2由厂房辅助设备，依据桥机跨度确定主厂房宽度
依据起重机设备可知桥机跨度为=16m。

图五 桥机
牛腿以上：
牛腿以下：
其中： b1—桥机端和轨道中心线距离，查桥机相关要求取0.4m
b2—桥机端部和上柱内面间距，通常取0.3～0.6m，取0.4m
h’b—牛腿上部立柱截面高度，通常取0.6～1.2m，取0.8m
hb—牛腿下部立柱截面高度，通常取1.0～2.5m，取1.5m
e—偏心距，通常取0～0.25m，取0.1m
所以，牛腿以上：
牛腿以下：
总而言之，取主厂房宽度B为19.2m.
6.厂房各层高程确实定
6.1水轮机组安装高程
竖轴混流式水轮机安装高程由下式计算，。
其中，查表可得导叶相对高度为0.25。
所以，导水叶高度：
已知，
——气蚀系数；——气蚀系数修正值；——计算水头；——水电站厂房所在地点海拔高程校正值。
所以水轮机许可吸出高度：。
对于水电站厂房建成后下游设计最低水位，因为本水电站有4台机组，所以取一台机组流量对应尾水位。故依据资料，得出：
则，水轮机组安装高程：
6.2 尾水管底板高程
尾水管底板高程：
其中：hw——底环顶面至尾水管底板距离
则，尾水管底板高程：
6.3 主厂房基础开挖高程
主厂房基础开挖高程：
其中：h1——尾水管底板混凝土厚度，取1.5m ，h2——尾水管出口高度
h3——从水轮机安装高程向下量取到尾水管出口顶面距离
则，主厂房基础开挖高程：
6.4 进水阀层地面高程
进水阀层地面高程：
其中：——钢管中心线高程，；——引水钢管半径，蝶阀尺寸Ф3400mm，则r1=1.7m；hl——钢管底部至主阀室地面高度，钢管底部作通道，hl应大于1.8m，此处取hl =2m。
则，进水阀层地面高程：
6.5 水轮机层地面高程
水轮机层地面高程：
其中：h4——蜗壳进口半径和蜗壳顶混凝土层，金属蜗壳保护层通常不少于1.0m ,蜗壳进口半径为1.443m ,蜗壳上部混凝土厚度可取1.0m ,所以h4=2.443 m 。
则：。因为水轮机层地面高程通常取100mm整数倍。故最终水轮机层地面高程：= 94.900m
6.6 发电机安装高程
发电机安装高程：
其中：h5——进人孔高度，通常取1.8～2.0m，此处取1.9m；h6——进人孔顶部厚度，通常为左右1.0m，此处取1.0m。
则，发电机安装高程：
6.7 发电机层楼板面高程
发电机层楼板高程：
而且，满足要求。最高尾水位，不会淹没厂房。
所以，发电机层楼板高程：
6.8 起重机（吊车）安装高程
起重机（吊车）安装高程：
其中：h7——发电机定子高度和上机架高度之和。发电机上机架高度为0.993m，定子机座高为1.8m。发电机定子为埋入式故h7=0.993m；
h8——吊运部件和固定物之间垂直净距离，通常为0.6～1.0m，这里取0.7m；
h9——最大吊运部件高度，由资料知h9=5.02m；
h10——吊运部件和吊钩之间距离，通常在1.01.5m左右，取h10=1.3m；
h11——主钩最高位置至轨顶面距离h11=1.474m
则，起重机（吊车）安装高程：
。
6.9 屋顶高程
屋顶高程：
其中h12——轨道面至起重机顶部距离h12=3.692m；h13——检修吊车在车上留有0.5m高度，h13=0.5m；
则 ，屋面大梁高度、屋面板厚度等取0.8m，则屋顶高程为114.399m。
7.安装间位置选择及设计
因为进厂公路在主厂房右侧，为了运输方便，把安装间部署在厂房右侧。由前面已知安装间长度12.760m，宽和主厂房同宽为19.2m。同时，为了满足主变能推入安装间进行维修，在安装间下游侧设置了尺寸为变压器坑；在安装内设有发电机转子检修坑，方便发电机转子检修。
1)位置：进厂公路在主厂房右侧，为了运输方便，把安装间部署在厂房右侧；
2）尺寸：已知安装间长度为12.747m ，宽和主机室同宽为19.2m。安装间地面高程为99.92m 和发电机层楼板高程同高，这么能够利用紧邻机组段场地进行安装、检修；
3）变压器坑：为了满足主变压器能推入安装间进行维修，在安装间下游侧设置尺寸为变压器坑；
4）检修坑：在安装间内设有直径为4.9m发电机转子检修坑，方便发电机转子检修；
5）吊物孔和楼梯：在安装间上游侧设有2.5m×3.0m吊物孔，供吊运设备用；靠上游侧设有检修运行用楼梯，净宽1.2m，坡度35°。
6）大门：厂房大门尺寸取决于运入厂房内最大部件尺寸。因为上机架为6.47m，转子直径为4.9m，所以选择门宽为6m，高7m。为安全起见，门向外开。
对安装间具体说明以下：
发电机转子直径周围应留2.0m空隙，以供安装磁极之用。
‚发电机上机架周围留有1.0m间隙，供作通道用。
ƒ水轮机顶盖及转轮周围留有1.0m间隙，供作通道之用。
8. 厂区部署
因为密云电站是河岸地面厂房，故其部署能够下面部署图。
对于方案（一）,因为主变在主厂房上游侧，它离主机组最近，所以线路最短，最方便，电能损失小，不过主变厂和主厂房距离增加，增加了发电机电压母线长度，而且加大了电能损失。副厂房设在主厂房下游侧，即使电气设备线路全部集中在下游侧，和水轮机进水系统互不交叉干扰，不过尾水管振动较严重，轻易引发电气设备误操作，而且可能要延长尾水管长度，增加厂房下部结构尺寸和工作量。
对于方案（二），在厂房和后山坡之间形成一个很宽地带，刚好用来部署副厂房及主变压器厂，而且主变压器厂就在主厂房后面，能够降低发电机电压母线长度，降低电能损失和故障机会。开关站和主变压器厂也比较靠近。副厂房设在主厂房上游侧，部署紧凑，电缆短，监视机组方便。不过会使引水管道增加，不易适应电站分期建设、提前发电要求等。

图 1厂房部署方案（一）
图 2 厂房部署方案（二）
经过对方案（一）、方案（二）比较，总体来说，方案（二）要好部分。故采取方案（二）。
9.主厂房内部部署
蜗壳之间部署蝴蝶阀，在事故停机或检修时，关断水流，在尾水管出口处备有检修闸门，当尾水管或水轮机检修时，用来挡住尾水进入。
在发电层上游侧，部署每台机组调速器和机旁盘，各部署油压装置一台，每个机组段(对应蝶阀中心)均留有蝴蝶阀吊孔。将励磁盘和机旁盘部署在一起，部署在靠墙处，而且离墙最少有80～100cm检修距离，发电机层下游侧为安全通道，不部署设备。在4号机组上游侧部署去副厂房楼梯。吊阀孔取正方形，加上每侧增加0.25m。取边长3.65m
水轮机层4号机组段上部署去蝴蝶阀层楼梯。作用筒部署在机座上游侧，调速器恢复机构（杠杆）在右侧作用筒上，并和在发电机层调压器相关机构相对应。
两台高压空气压缩机部署在3号机组作用筒右侧，为油压装置充气之用。每一机组段上全部部署着励磁室。在水轮机层1号机组左边和3号机组左边部署有楼梯，可直接通往尾水管层。
每条压力管道上均安装有蝴蝶阀，在其前为伸缩节。每个机组段全部设有漏油装置，在3号机组段上设有集水井。排水沟部署在上游墙侧，在集水井旁部署尾水管排水泵两台，集水井排水泵两台，在2号机组上，部署消防水泵一台，每个机组段上均设有进入尾水管进水廊道。为了避免地基不均匀沉降，在主副厂房之间，主厂房和装配场之间用沉降缝分开，缝宽2cm。
10. 结构部署
主厂房水轮机层以上部分,除了机座之外，关键为梁板，柱结构。
发电机层楼板厚度为30cm，支承在通风罩和上下游混凝土墙牛腿上，因为分期施工要求，在机组间加设了刚架柱，不仅用来支承发电机层楼板荷载，而且含有加强构架作用，刚架大梁断面为50cm×100cm,立柱断面是50cm×50cm。
构架柱下断面为1.0m×1.50m矩形断面，上断面则为1. 0cm×0.50cm，牛腿高为1.20m，倾角为45度，直角边长为0.50米，构架间距为6.00米。
副厂房选择结构形式是钢筋混凝土钢架。副厂房一部分荷载传输到主厂房构架上，所以其分缝和主厂房分缝相一致。构架立柱断面为0.5m×0.5m。中央控制室主梁断面为0.5m×1.0 m。其它各层主梁断面为0.40m×0.60m。次梁断面为0.20m×0.4m、0.20m×0.5m和0.25m×0.50m三种。楼板厚度为7～10cm。
11. 厂房混凝土浇筑分期
厂房混凝土因为机组安装要求，通常分成两期浇筑。其中尾水管、上下游墙、排架柱、吊车梁和部分楼板层梁，在施工中先行浇筑混凝土，称为一期混凝土。而为了机组安装和埋件需要预留空位，要等到机组部分设备到货，尾水管圆锥段钢板内衬和金属蜗壳安装好后再行浇筑，称为二期混凝土。
12. 设计结果
设计结果绘制成两张A1图纸：
其中厂房横剖面图一张（手绘），包含关键设备技术指标表，百分比1:100；厂房发电机层、水轮机层、蜗壳层、尾水管层平面图一张（打印），百分比1:200。
参考文件
[1]《水力机械》第二版，金钟元编，水利水电出版社1992年6月
[2]《水电站厂房设计规范》北京：中国水利水电出版社，5月
[3]《水工设计手册》华东水利学院主编， 北京：水利电力出版社，1980年10月
[4]《水电站机电设计手册》水电站机电设计手册编写组，北京：水利电力出版社