水电站课程设计完整版

水电站课程设计

HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】

目录

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以及吊车梁内力计算和吊车梁配筋计算等，并根据要求绘制相应的平面布置图和剖面图。

第一部分水电站厂房

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

1.水位

经多水位方案比较，最终采用正常蓄水位为： m，死水位为： m，距厂房下游100 m处下游水位流量关系见下表：

2.机组供水方式：采用单元供水

3. 水头

该水电站水头范围：H HHH =, H HHH=,加权平均水头H H=

二、水轮机选型

水轮机型号选择

水轮机型号的选择中起主要作用的是水头,本电站工作水头范围为～，根据水头范围从水轮机系列型谱中查得轴流式ZZ440型适应水头20m ～36m,混流式HL240型适应水头25～45m 两种型座位备选方案。经方案比较后确定水轮机型号。

水轮机参数计算

HL240型水轮机方案主要参数选择（两台机组）

HL240水轮机水头范围25～45，HL240水轮机模型参数，见下表2-1 1.转轮直径H H 的计算

根据水轮机型号HL240查上表得HL240型水轮机在限制工况下的单位流量

H 1H ′=s ，效率H H =%，由此可以初步假定原水轮机的单位流量H 1′=H 1H ′

=s,

效率H H =92%.水轮机额定水头

H 1=

√H H

9.81×H ×H 1

′H H

3

2

式中：H 1——水轮机标称直径

H 1′——水轮机单位流量 查得H 1

′=1240L/s=s m /3 H H ——设计水头，对于坝后式水电站H H =（～）H H ，取H H =H H =0.95×H H —水轮机额定出力,由发电机的额定处理求得，对于中小型水电站H H =～，H H =H H /H H =25000/2/=13158kW 代入式中得H 1=

√H H

9.81×H ×H 1

′×H H

32

=√

13158

9.81×0.92×1.24×31.353

2

=,根据上式计算出

的转轮直径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： H 1=275cm

2.转速计算

n=H 1′√H H 1=72×√332.75

=min

式中H 1′——单位转速采用最优单位转速H 1′

=72r/min

H ——采用设计水头

D 1——采用选用的标准直径D 1=

由额定转速系列表3-13查的相近而偏大的转速n=150r/min 3.效率及单位参数修正

（1）效率修正。查表3—9可得HL240型水轮机在最优工况下的模型最高效率H HHHH =%,模型转轮直径H 1H =46cm,则原型水轮机最高效率

H HHH =1?（1?H HHHH ）√1H

H

1

5=1-√46

2755

=

效率修正值

Δη=H HHH ?H HHHH ?H 1?H 2=式中:1 为考虑到原型与模型水轮机工艺水平影响的效率修正值，取H 1=1%～2%；H 2为考虑到原型与模型水轮机异性部件影响的效率修正值，取H 2=1%～3%，本列题中因原型与模型水轮机异性部件基本相似，故认为H 2=0。

限制工况下的原型水轮机效率： η=H H +ΔH =+=

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H 1适合。

（2）单位转速修正。单位转速修正计算公示如下

ΔH 1′=H 10′-H 10H ′

H 10′=H 10H ′√H HHH /H HHHH

式中：H 10′为原型水轮机最优单位转速，r/min ；H 10H ′为模型水轮机最优

单位转速，r/min ；H HHHH 为最优工况下的模型水轮机的效率，查表得

H HHHH =92%；H HHH 为最优工况下的原型水轮机的效率，H HHH =H HHHH +ΔH =+=

由上两式得

ΔH 1

′H 10H

′=(√

H HHH

H HHHH

?1)=(√

0.934

0.92

?1)=% 因ΔH 1′

时，可不必进行修正。故计算的n 值适合。单位流量也不

加修饰。

4.工作范围检验

在水轮机的直径和转速选定之后，还需要在模型综合特性曲线图上绘出水轮机的相似工作范围并检验该工作范围是否包括了高效率区，以论证所选定的直径和转速的合理性。

（1）按水轮机的额定水头H H 和选定的直径H 1计算水轮机以额定出力工作时的最大单位流量H 1HHH ‘。

由水轮机的额定出力H H 的表达式

H H =H 1′H 12

H H √H H H

导出最大单位流量H 1HHH ‘计算式(限制工况下的H 1′)

H 1HHH ′=H

12H =

9812752

×31.35×√31.35×0.918

=H 3/H

的最大引用流量为

H HHH =H 1HHH ′H 12√H H =×2.752×√31.35=H 3/H

（2）按最大水头H HHH ，最小水头H HHH 以及选定的H 1,n 分别计算出最

小和最大单位转速H 1HHH ′和H 1HHH ′

.

H 1HHH ′=1

H =

√39

=66.05 r/min

H 1HHH ′=

1√H HHH

=

√28

=77.96 r/min

（3）在HL240水轮机的模型综合特性曲线图上分别作出以H 1HHH ′、

H 1HHH ′和H 1HHH ′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H 1、n 是满意的。

图2-1 HL240水轮机模型综合特性曲线及工作范围检验（两台机组） 5．确定吸出高度

由设计工况参数：H 1HHH ′ =

√H

=min, H 1HHH ′

=1101L/s ，查图3-21得

σ=，在空化系数修正曲线中查得?σ=。 则吸出高度为

H H =10-

440.6

900

-（+×=(m）＞ 说明HL240水轮机方案的吸出高度满足电站要求。 轴流转桨ZZ440水轮机主要参数的计算（两台水轮机） 1.转轮直径H H 的计算

由于轴流式水轮机的限制工况由空蚀条件决定，为防止开挖过大，水电站常采用限制水轮机吸出高度的办法反推H 1′和σ。

根据水轮机型号ZZ440查表3—10得在限制工况下的单位流量H 1′=s ，空蚀系数σ=.在空蚀系数修正曲线图2-28查的?σ=。在允许的吸出高度[H H ]=-4m 时，其相应的空蚀系数为

σ=

10??

900?[H H ]

H H

??H =10?440.6

900+4

31.35

?0.035=0.396<0.72

由表3-10查得ZZ440水轮机在最优工况下的单位转速'

10n =115r/min,查图

2-2可知，对应与工况点（'

10n =115r/min,σ=处的单位流量'1Q =1150L/s,模型水

轮机的效率M η=%。据此可先假定设计工况下原型水轮机的效率η=%，则转轮直径为

H 1=√H

H

9.81×H ×H 1

′×H H

32

=√13158

9.81×0.897×1.15×31.353

2

=

查表3-12，选用与水轮机转轮计算直径相近的标称直径H 1= 2.选择额定转速H 0

n=H 1′√H H 1=115×√332.75

=min

查表3-13， 选用与之相近而偏大的同步转速H 0=250 r/min 。 3.效率及单位参数修正

由表2-2查得ZZ440水轮机试验水头M H =,模型转轮标称直径M D =。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

H HHHH =1?(1?H HHHHH )(0.3+0.7√

H 1H H 15

√H H

H H

10

=1?(1?H HHHHH )(0.3+0.7√

0.46.5

√3.5

.10 =1?0.693(1?H HHHHH )

叶片在不同转角?时的H HHHHH 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ε=1%，即可用上式计算出不同转角?时的效率修正值?η?=max ?η-max M ?η-ε，计算成果见下表

ZZ440水轮机效率修正值计算表

由表

3-10查得ZZ440水轮机最优工况的模型效率max M η=89%，从以上计算

知，最优工况的效率最接近于?=0?时的效率%，故可采用?η?=%作为其修正值，则可得ZZ440水轮机原型的最高效率为

ηηη?+=max max M =89%+%=%

因为在吸出高度-4m 限制的工况点（'

10n =115r/min,σ=）处的模型水轮机

的效率M η=%,该工况点在?=0处，求得该工况点的效率修正值为% 2.4=??η，该工况点原型水轮机效率为=η%+ %=%与假定的%相近。可见选用m D 75.21=，n=250r/min 是合适的。 4.工作范围检验

在水轮机的直径和转速选定之后，还需要在模型综合特性曲线图上绘出水轮机的相似工作范围并检验该工作范围是否包括了高效率区，以论证所选定的直径和转速的合理性。

（1）按水轮机的额定水头H H 和选定的直径H 1计算水轮机以额定出力工作时的最大单位流量H 1HHH ‘=

H H 12H H H H H =9812752×31.35×√31.35×0.896

=H 3/H

则水轮机的最大引用流量为

H HHH =H 1HHH ′H 12√H H =×2.752×√31.35=H 3/H

（2）按最大水头H HHH ，最小水头H HHH 以及选定的H 1,n 分别计算出最

小和最大单位转速H 1HHH ′和H 1HHH ′

.

H 1HHH ′=1

H =

√39

=110.09 r/min

H 1HHH ′=

1H =

√28

=129.93 r/min

H 1H ′=

1

√H HHH

=

√31.35

=122.79 r/min

将上述值在ZZ440水轮机模型综合特性曲线上标出，如图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。

图2-2 ZZ440水轮机模型综合特性曲线及工作范围检验（两台机组） 5.确定吸出高度

用水轮机设计工况点H 1H ′=122.79 r/min ，H 1HHH ‘=1130H 3/H 在图3-22

上可查空蚀系数σ=。

则对应的水轮机的吸出高度为 H H =10??

900?(H +?H )H =

10?440.6

900?(0.38+0.04)×31.35=?3.66H >?4.0H

故满足电站要求。

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

由上表可以看出，两种机型方案的水轮机标称直径均为。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。 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H H

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。由此可得该水轮机的额定功率H H 。

根据水轮机型号HL240查上表得HL240型水轮机在限制工况下的单位流量

H 1H ′=s ，效率H H =%，由此可以初步假定原水轮机的单位流量H 1′=H 1H ′

=s,

效率H H =92%.水轮机额定水头 H H =H H = H 1=

√H H

9.81×H ×H 1

′H H

3

2

式中：H 1——水轮机标称直径

H 1′——水轮机单位流量 查得H 1

′=1240L/s=s m /3 H H ——设计水头 H H =

H H —水轮机额定出力,由发电机的额定处理求得，对于中小型水电站H H =～

H H =H H /H H =25000/4/=6579kW

代入式中得H 1=

√H H

9.81×H ×H 1

′×H H

32

=√6579

9.81×0.92×1.24×31.353

2

=,根据上式计算出的转

轮直径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H 1=200cm

2.转速计算

n=H 1′√H H 1=72×√33200

=min

式中H 1′——单位转速采用最优单位转速H 1′

=72r/min

H ——采用设计水头

D 1——采用选用的标准直径D 1=

由额定转速系列表3-13查的相近而偏大的转速n=min 3.效率及单位参数修正

(1）效率修正。查表3—9可得HL240型水轮机在最优工况下的模型最高效率H HHHH =%,模型转轮直径H 1H =46cm,则原型水轮机最高效率

H HHH =1?（1?H HHHH ）√H

1H

H

1

5=1-√46

2005

= 效率修正值

Δη=H HHH ?H HHHH ?H 1?H 2=式中:1 为考虑到原型与模型水轮机工艺水平影响的效率修正值，取H 1=1%～2%；H 2为考虑到原型与模型水轮机异性部件影响的效率修正值，取H 2=1%～3%，本列题中因原型与模型水轮机异性部件基本相似，故认为H 2=0。 限制工况下的原型水轮机效率：

η=H H +ΔH =+=

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H 1适合。

(2) 单位转速修正。单位转速修正计算公示如下

ΔH 1′=H 10′-H 10H ′

H 10′=H 10H ′

√H HHH /H HHHH 式中：H 10′为原型水轮机最优单位转速，r/min ；H 10H ′

为模型水轮机最优

单位转速，r/min ；H HHHH 为最优工况下的模型水轮机的效率，查表得

H HHHH =92%；H HHH 为最优工况下的原型水轮机的效率，H HHH =H HHHH +ΔH =+=

由上两式得

ΔH 1

′H 10H

′=(√

H HHH

H HHHH

?1)=(√

0.930

0.92

?1)=%

因ΔH 1′

时，可不必进行修正。故计算的n 值适合。单位流量也不

加修饰。 4.工作范围检验

在水轮机的直径和转速选定之后，还需要在模型综合特性曲线图上绘出水轮机的相似工作范围并检验该工作范围是否包括了高效率区，以论证所选定的直径和转速的合理性。

(1）按水轮机的额定水头H H 和选定的直径H 1计算水轮机以额定出力工作时的最大单位流量H 1HHH ‘。

由水轮机的额定出力H H 的表达式

H H =H 1′H 12

H H √H H H

导出最大单位流量H 1HHH ‘计算式

H 1HHH ′=H

H 1

2H

H √H H

H

=

2×31.35×√31.35×0.914

=

=H 3/H

1Q )

则水轮机的最大引用流量为

H HHH =H 1HHH ′H 12√H H =×2.02×√31.35=H 3/H

(2)按最大水头H HHH ，最小水头H HHH 以及选定的H 1,n 分别计算出最小

和最大单位转速H 1HHH ′和H 1HHH ′

.

H 1HHH ′=1

H =√39=68.63 r/min H 1HHH ′=

1H HHH

=

√28

=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H 1HHH ′、

H 1HHH ′和H 1HHH ′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H 1、n 是满意的。

图2-1 HL240水轮机模型综合特性曲线及工作范围检验（四台机组） 5.确定吸出高度

由设计工况参数：H 1HHH ′ =

√H

=min, H 1HHH ′

=1045L/s ，查图3-21

得σ=，在空化系数修正曲线中查得?σ=。 则吸出高度为 H H =10-440.6

900

-（+×=(m）＞ 说明HL240水轮机四台方案的吸出高度满足电站要求。

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。因此此电站选择HL240两台机组的方案。

三、水轮机蜗壳设计

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—，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。

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角,常用H 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270°～345°，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。

进口断面面积及尺寸的确定

1.座环尺寸：

座环固定导叶外径相对值：H H

H 1

=～ 座环固定导叶内径相对值：

H H

H 1

=～

式中：H1为水轮机的标称直径，m。当H1<3.2H时，上两式取上限值；因为H1=<；故H H=×=，H H=×=

2.任意断面i的断面尺寸：

断面半径：

H H=√H H

=√

HH H

360HH0

断面中心距：

H H=H H+H H

断面外半径：

H H=H H+2H H

则第i+1断面的包角为

H H+1=H H??H，（H=0,1,2,3??）

式中：?H为包角增量，一般取?H=15°或30°

蜗壳进口断面平均流速：

H0=H H√H H，H H =,根据图2-6，查得H H=，则

H0=×√31.35=s

典型断面计算表：如下

3.绘制蜗壳断面单线图和平面单线图

四、尾水管设计

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。

弯肘型尾水管主要尺寸的确定

1.尾水管高度

该电站属于中低水头电站，根据实践经验，低水头混流式水轮机（H1< H2，H1为转轮进口直径，H2为转轮出口直径），h≥H1,取h=H1=×=。

2肘管型式

查动力设备设计手册，得

3.尾水管示意图

五、发电机外形尺寸

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=150r/min≥150r/min,故采用悬式水轮发电机。

水轮发电机的结构尺寸

（1）极距

τ=H1√HH

2H =

410×√12500

2×20

4=42cm

式中H1---系数，H1=～（中容量）或～（大容量，高速的取上限） Sn---水轮发电机额定视在功率（kw）

p----磁极对数。

（2）定子铁芯内径H H（cm）的确定

H H=2HH

H =2×20×42.04

3.14

= cm

（3）定子铁芯长度H H（cm）的计算

H H=H H

H H

=

12500

5×10?6×535.5×150

=0.581H=58.1HH

（4）外形尺寸估算

（5）水轮发电机重量估算

发电机重量H H可按下式估算：

H H=H H√(HH

H H )2

3=10×√（12500

150）

2

3

=

H H---估算系数，悬式取8～10。

转子带轴重量H H为

H H=(0.44～0.55)H H=0.5×190.8=95.4H

（6）起重设备的选择

根据转子带轴的重量为，选择起重设备具体选择见下表。

六、厂房尺寸确定

主厂房长度的确定

主厂房的长度由主机间和安装间的长度确定，而主机间的长度则主要取决于机组台数、机组段的长度和边机组的加长，因此，主厂房的长度L可以表达为

L=n H0+?H边+H安

式中：n为机组台数；H0为机组段长度；?H边为边机组段加长；H安为安装间长度。

1. 发电机层