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1、目录 第一部分《水电站》课程设计任务书 (2 一.设计目的 (2 二.设计内容 (2 三.设计成果 (2 1.设计说明书要求 (2 2 . 设及图纸要求 (2 第二部分《水电站》课程设计计算书 (3 第一章拟设计水电站参数资料 (3 第二章水轮机型号的选择 (3 第三章水轮机主要参数的选择计算 (4 3.1 HL230型水轮机方案主要参数的计算 (4 3.2 A630型水轮机方案主要参数的计算 (7 3.3 两种方案比较分析 (9 第四章水轮机调速设备及水轮机发电机的选配 (10 4.1水轮机调速设备的选配 (10 4.2水轮机发电机的选配 (11 第五章蜗壳
2、的水力计算 (11 5.1蜗壳进口流量确定 (11 5.2蜗壳进口平均流速确定 (12 5.3金属蜗壳外轮廓尺寸的确定 (12 第六章尾水管的计算选择 (14 第七章主厂房设计 (14 7.1主厂房各层高程确定 (14 7.2主厂房长度确定 (17 7.3主厂房宽度确定 (19 附表 (20 电器主接线图 (24 第一部分 《水电站》课程设计任务书 一.设计目的 使学生对水电站初步规划阶段的水能利用、水电站开发方式选择、水电站出力估算、 水轮机发电机组选择设计和厂房布置等工作内容有全面的了解、重点掌握水电站装机容量 和机组台数确定、水轮机选择设计、参数计算等工作内
3、容和程序。通过工程设计实例的训 练,培养学生独立工作及综合分析、解决问题的能力,以便将来承担水电站工程设计任务。 二.设计内容 1.确定水电站装机容量(通过估算水电站出力确定f y nN N 及台数; 2.水轮机型号的选择及主要参数计算; 3.水轮机调速设备及水轮机发电机的选配; 4.蜗壳、尾水管型式选择及尺寸计算; 5.厂房布置设计(水电站主厂房各层平面及剖面图。 三.设计成果 1. 设计说明书要求 (1设计说明书(计算书要做到书写整洁、文字流畅、论点明确、计算准确、思 路清晰、文中引用的重点公式、参数选定、方案比较等均交代清楚,有理有据。 (2设计说明书(计算书应包
4、含目录、计算程序及过程,必要的插图(如特性曲 线等,方案比较及对所选定方案优缺点的分析说明,参考文献等内容。 2 .设及图纸要求 (1厂房横剖面图(应标注水轮机安装高程及各主要控制高程尺寸; (2主厂房平面布置图(要求绘制发电机层,水轮机层布置图,并标明主要平面尺 寸; (3电气主接线(应标注主要设备名称 以上图纸尽可能采用计算机作图,一般用A3图幅,图样质量要求达到工程初步设计 标准。 设计成果要求按学校教务处关于课程要求的标准格式提交。 第二部分 《水电站》课程设计计算书 第一章 拟设计水电站参数资料 拟设计某一引水式水电站,经过水文水能计算,确定其各种技术参数及设
5、计要求如下: 1.已知某水电站的最大水头=max H 56m ,加权平均水头m H v a 3.52=,设计水头 m H r 3.52=,最小水头m H 6.48m in =, 2.电站最大可引用流量3max 3 5.14/Q m s =⨯;385% 5.14/P Q m s ==。 3.选用水轮发电机组额定出力(单机容量及台数 ;20003,2000kw N kw N y f ⨯== 发电机效率96.0=f η,水轮机额定出力kw N N f f r 33.208396 .02000=== η 4.水电站站址海拔高程m 0.1350=∇; 5.下游水位流量关系曲线(略;
6、6.要求最大允许吸出高0≥s H 。 第二章 水轮机型号的选择 根据水电站的水头变化范围48.6m~56m ,m H r 3.52=,可通过查反击式水轮机系列 型谱表和水轮机应用范围总图,选择转轮型号为HL220型、HL230型和A630型水轮机。 第三章 水轮机主要参数的选择计算 3.1 HL230型水轮机方案主要参数的计算 3.1.1 转轮直径1D 的计算 ηr r r H H Q N D 1181.9'= 式中 ⎪⎩⎪⎨⎧=='== 1(/11.1/11103.5233.208331查得由附表s m s L Q m H kW N r r 同时在附表1中查得水轮机模型在
7、限制工况下的效率%2.85=M η,由此可初步假设 水轮机在该工况的效率为86.0%。 将以上各值均代人上式得 m D 77.0860 .03.5211.181.933.20832/31=⨯⨯⨯= 选用与之接近而偏大的标准直径m D 84.01= 3.1.2效率修正值的计算 由附表1查得HL220型水轮机在最优工况下模型的最高效率%7.90max =M η,模型转 轮的直径m D M 404.01=,则原型水轮机的最高效率max η可采用下式计算,即 %9.91919.084 .0404.0907.01(11(15511max max ==--=--=D D M M ηη 考
8、虑到制造工艺水平的情况取%11=ε;由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与 模型机基本相似,故认为02=ε;则效率修正值η∆为: 002.001.0907.0919.01m ax max =--=--=∆εηηηM 由此得水轮机限制工况的效率为: 854.0002.0852.0=+=∆+=ηηηM (与原来假定的数值近似 3.1.3转速的计算 110 D H n n av '= 式中 11010 n n n M '∇+'=' 由附表1查得在最优工况下的min /7110 r n M =',同时由于: 03.00066.01907 .0919.01max max 101<=-=
9、''∆M M n n ηη 所以1 n '∆可忽略不计,则以min /7110r n ='代入上式得: min /26.61184 .03.5271r n == 选用与之接近而偏大的标准同步转速m in /600r n = 3.1.4工作范围的验算 在选定的m D 84.01=,m in /600r n =的情况下,水轮机的max 1 Q '和各种特征水头下相应的1 n '值分别为: s m H D N Q r r /11.1932.0854.03.5284.081.933.208381.932/322/321max 1≤=⨯⨯⨯=='η 则水轮机的最大引用流量max Q 为:
10、 s m H D Q Q r /75.43.5284.0932.03221m ax 1m ax =⨯⨯='= 对1n '值:在设计水头m H r 3.52=时 min /69.643.5284.06001 1 r H nD n r r =⨯==' 在最大水头56max =H 时 min /35.675684 .0600max 1min 1 r H nD n =⨯= =' 在最小水头6.48m in =H 时 min /30.726 .4884.0600min 1max r H nD n =⨯==' 在HL230型水轮机的模型综合特性曲线图上,分别画出s L Q /93
11、2m ax 1 =',min /35.67m in 1 r n ='和min /30.72m ax 1r n ='的直线,如图3-9所示。 图3-9 HL230型水轮机工作范围的初步检验 3.1.5 水轮机吸出高s H 的计算 在设计工况(s L Q r n r /932min,/69.64m ax 11 ='='时,由水轮机综合特性曲线图可查得汽蚀系数为0.17,由此可求得水轮机的吸出高为: m m H s 070.13.52025.017.0(900 1350 0.10<-=⨯+-- = (不满足要求 3.2 A630型水轮机方案主要参数的计算 3.2.1 转轮
12、直径1D 的计算 η r r r H H Q N D 1181.9'= 式中 ⎪⎩⎪ ⎨⎧=='== 1(/950/9503.5233.208331 查得由附表s m s L Q m H kW N r r 同时在附表1中查得水轮机模型在限制工况下的效率%0.90=M η,由此可初步假设水轮机在该工况的效率为88.5%。 将以上各值均代人上式得 m D 84.0885 .03.5295.081.933 .20832 /31=⨯⨯⨯= 选用与之接近而偏大的标准直径m D 9.01= 3.2.2效率修正值的计算 由附表1查得HL220型水轮机在最优工况下模型的最高效率%7
13、94max =M η,模型转 轮的直径m D M 138.11=,则原型水轮机的最高效率max η可采用下式计算,即 %4.94944.084 .0138 .1947.01(11(155 11max max ==--=--=D D M M ηη 考虑到制造工艺水平的情况取%11=ε;由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型机基本相似,故认为02=ε;则效率修正值η∆为: 013.001.0947.0944.01m ax max -=--=--=∆εηηηM 由此得水轮机限制工况的效率为: 887.0013.0900.0=-=∆+=ηηηM (与原来假定的数值近似 3.2.3转速
14、的计算 1 10 D H n n av '= 式中 11010 n n n M '∇+'=' 由附表1查得在最优工况下的min /7210 r n M =',同时由于: 03.00066.01907 .0919 .01max max 101 <=-=-=''∆M M n n ηη 所以1 n '∆可忽略不计,则以min /7210r n ='代入上式得: min /87.61984 .03 .5272r n == 选用与之接近而偏大的标准同步转速m in /600r n = 3.2.4工作范围的验算 在选定的m D 84.01=,m in /600r n =的情况
15、下,水轮机的max 1 Q '和各种特征水头下相应的1 n '值分别为: s m H D N Q r r /95.0897.0887 .03.5284.081.933 .208381.932 /322/321m ax 1 ≤=⨯⨯⨯=='η 则水轮机的最大引用流量max Q 为: s m H D Q Q r /58.43.5284.0897.0322 1m ax 1 m ax =⨯⨯='= 对1n '值:在设计水头m H r 3.52=时 min /69.693.5284.060011 r H nD n r r =⨯= =' 在最大水头56max =H 时 min
16、/35.675684 .0600max 1min 1 r H nD n =⨯==' 在最小水头6.48m in =H 时 min /30.726 .4884.0600min 1max r H nD n =⨯==' 在A630型水轮机的模型综合特性曲线图上,分别画出s L Q /897ma x 1 =',min /35.67m in 1 r n ='和min /30.72m ax 1r n ='的直线,如图3-10所示。 3-10 A630水轮机综合特性曲线 3.2.5 水轮机吸出高s H 的计算 在设计工况(s L Q r n r /897min,/39.69m
17、ax 11 ='='时,由水轮机综合特性曲线图可查得汽蚀系数为0.17,由此可求得水轮机的吸出高为: m m H s 049.23.52025.009.0(900 1350 0.10>=⨯+-- = (满足要求 3.3 三种方案比较分析 为了便于分析比较,现将上述两种方案的有关参数列表如下: 表3-5 水轮机方案参数对照表 从表中可以看出,两种不同的机型方案在同样水头下同时满足额定出力的情况下HL230不满足吸出高度的要求,故不宜选用。A630型方案具有效率高,工作范围好,引用流量较大等优点,这可以提高水电站的年发电量和减小厂房的开挖量。由此看来,若在造价供货方面没有问题时
18、初步选用A630型方案较为有利。 第四章水轮机调速设备及水轮机发电机的选配; 4.1水轮机调速设备的选配 水轮机调速设备一般包括调速、主接力器和油压装置三部分。中小型调速器是将这三部分结合成一个整体设备,它以主接力器的工作容量为表征组成标准系列。因此在选择时只需要计算出机组的调速功即可。 中小型水轮机的调速功是指接力器活塞上的油压作用力与其行程的乘积,对反击式水 轮机,一般采用以下经验公式进行计算 1max 25~20(D H Q A = 式中 -A 调速功(J m kg m kg 80665.9.1,.=; -max H 最大水头(m,为56m ; -Q 最大水头下额定出力
19、时的流量(m 3 /S,为s m /58.43 ; -1D 水轮机转轮直径(m,为0.84m 。 带入上式可得: m kg D H Q A ⋅=⨯⨯⨯=-=89.75384.05658.4242520(1max 由计算所得的调速功A 可选出调速器为YT-1000. 4.2水轮机发电机的选配 根据已选配的水轮机额定出力和转速选配TSL 260/52-10型号发电机 第五章 蜗壳的水力计算 因为工作水头H>40m ,故选用金属蜗壳。 5.1蜗壳进口流量确定 对于已选定的水轮机,最大流量max Q 已知,根据由蜗壳进入水轮机座环的水流要求均匀轴对称的原理,蜗壳进口断面流量和蜗
20、壳包角0ϕ有关,A630水轮机的包角取345,则蜗壳的进口流量为 s m Q Q c /65.4360 85 .4345360 3m ax 0=⨯= = ϕ 对由鼻端算起包角为i ϕ的任意断面,对应的过流量为 360 m ax Q Q i i ϕ= 5.2蜗壳进口平均流速确定 蜗壳进口平均流速越大,蜗壳的断面尺寸就越小,有可能减小水电站厂房的平面尺寸。但过大的蜗壳进口平均流速,必将是蜗壳的水力损失增大,减弱了水流能量的有效转换程度,使水轮机的整体效率下降。因此,合理选择蜗壳进口的平均流速非常重要。 本次设计,查图得蜗壳的流速系数为0.97。蜗壳进口平均流速为 s
21、m H K v r c /01.73.5297.0=⨯== 5.3金属蜗壳外轮廓尺寸的确定 按照假定C v v c u ==的计算方法确定蜗壳尺寸。 蜗壳自进口到鼻端均认为是按照标准的圆形由大到小变化的。对于进口断面 2663.001 .765 .4m v Q F c c c === 则进口断面的半径 460.0663 .0max == = =π π ρρc c F 根据附表内插得水轮机座环的固定导叶外半径m r a 83.0=。 从水轮机株洲中心线到蜗壳进口外边缘的半径为 m r R a 75.1460.0283.02m ax m ax =⨯+=+=ρ 对中
22、间任意断面,流量为 360 m ax Q Q i i ϕ= 的断面半径为 π ϕρc i i v Q 360max = 式中,i ϕ为自蜗壳鼻端起算至计算断面的角度。 从主轴中心到该断面的外缘半径 i a i r R ρ2+= 蜗壳尺寸计算表 第六章尾水管的计算选择 Z型。其直锥段,弯肘段和平直扩散尾水管一般采用4H系列标准肘管的尾水管中的 6 D,从附表中查出的数字分别乘以段各部分的尺寸,根据所选水轮机型号及转轮直径 1 D=0.84m值即为实际尺寸,见表2—4。 1 第七章主厂房设计 7.1主厂房各层高程确定 Z 7.1.1.水轮
23、机安装高程 a 2 b 0 + +∇=s w a H Z (2-17 式中:-∇w 水电站正常运行时可能出现的最低下游尾水位,一般取一台机组的过流量相应的尾水位,取为m 1350;-s H 水轮机允许吸出高,为m 0;0b 水轮机导叶高度,为 267.0。则: m H Z s w a 12.13532 267.049.213502b 0=++=+ +∇= 7.1.2. 尾水管底板高程WD ∇ 2 2 h b Z a WD -- =∇ (2-18 式中:-2h 尾水管高度,为m 83.2;0b 为水轮机导叶高度,为m 267.0;则: m h b Z a WD 16
24、135083.22267.012.1353220=--=-- =∇ 7.1.3.主厂房基础开挖高程k ∇ L WD K ∆-∇=∇ 式中:-∆L 尾水管底部浇注混凝土厚度,取m 5.1;则 m L WD K 66.13485.116.1350=-=∆-∇=∇ 7.1.4.水轮机层地面高程 SD ∇ 3 h Z a SD ++=∇ρ 式中:-ρ蜗壳从安装高程向上的最大尺寸,为m 663.0;-3h 蜗壳混凝土保护厚度,根据经验一般为m 0.1~8.0,这里取m 95.0。则 m h Z a SD 53.135495.046.012.13533=++=++=∇ρ 7.
25、1.5.发电机装置高程FZ ∇ 5 4h h SD FZ ++∇=∇ 式中:-4h 进人孔高度,一般取 m 0.2~8.1,取为m 0.2;-5h 进人孔顶部厚度,取为m 0.1,则 m h h SD FZ 53.13570.10.253.135454=++=++∇=∇ 7.1.6. 发电机层地面高程 FD ∇ 考虑如下因素并取满足以下要求的最大值。 (1保证水轮机层发电机出线和油、气、水管道的布置要求。 m FD 33.13588.353.1354h 6SD =+=+∇=∇ 式中:-6h 水轮机净层高,一般不小于m 0.4~5.3,取m 8.3。 (2考虑发电及布置方式
26、和选定机组或套用机组发电机主轴长度的影响。 m h FZ FD 95.135742.053.13577=+=+∇=∇ 式中: -7h 定子高度,为m 42.0 综合比较,最终确定m FD 95.1357=∇ 7.1.7.安装间高程A ∇ 一般情况下,安装间高程A ∇应尽量与发电机层地面高程一致。即 m FD A 95.1357=∇=∇ 7.1.8.桥吊轨道高程G ∇ 12 111098h h h h h FD G +++++∇=∇ 式中:-8h 发电机部分或全部上机架高度;-9h 吊运部件与固定的机组或设备间 的垂直净距;-10h 最大吊运部件高度;-11h 吊运部件吊钩之
27、间的距离;-12h 主钩最高位置至轨道顶面的距离,可从吊车产品主要参数表查出。 由于无具体数据,可参照同类电站取吊车梁至发电机层高m 0.6,那么吊车安装高程为: m FD G 95.13630.695.13570.6=+=+∇=∇ 7.1.9. 厂房顶高程 CD ∇ 15 1413h h h G CD +++∇=∇ 式中:-13h 轨顶到吊车小车顶部距离,可从吊车产品主要参数表查出;-14h 吊 车顶部距天花板距离,由安装和检修吊车要求定,其值不小于m 2.0;-15h 屋面板厚度。 由于无具体数据,可参照同类电站三者和取m 3,那么可得屋顶高程为 m G CD 95.1
28、366395.13635.1=+=+∇=∇ 7.2主厂房长度确定 主厂房的长度由主机间和安装间的长度确定,而主机间的长度主要取决于机组台数、机组段的长度和边机组段长度。因此,表达式可以写为: 缝 安边L L L nL L ++∆+=0 式中:-L 主厂房长度; -n 机组台数;-0L 机组段长度;-∆边L 边机组段加长;-安L 安装间长度;-缝L 厂方所有风的宽度。 7.2.1.机组段长度0L 的确定 在确定机组段长度时,应根据各层主要设备(如发电机、及其风罩、蜗壳、尾水管等的纵向尺寸,综合考虑各层布置的要求确定。 对于发电机层,机组段间距可表达为: m b b D L 6
29、5225.06.2230=+⨯+=++=+=δφ风 对于蜗壳层,蜗壳平面尺寸确定后,机组段长度可表达为: L L L w ∆+=20 (2-28 式中:-w L 蜗壳在在厂房纵向的尺寸,0.78m ;-∆L 蜗壳外围的混凝土结构厚度,至少取m 0.1~8.0,大型机组可达m 0.2,本次取m 0.1。则 m L L L w 78.20.1278.020=⨯+=∆+= 对于尾水管层,可表达为: L B L ∆+=20 (2-29 式中: -B 尾水管宽度,1.136m ;-∆L 尾水管边墩的混凝土结构厚度,至少取 m 0.1~8.0,大型机组可达m 0.2,本次取m 0.1。
30、 m L B L 14.30.12136.120=⨯+=∆+= 取以上计算三层的最大值作为机组段长度,即m L 6.50=。 7.2.2.边机组段加长边L ∆ 一般机组段加长边取10.1~1.0(D L =∆边,-1D 水轮机标称直径0.84m 。故知: m D L 42.084.05.00.1~1.0(1=⨯==∆边。 7.2.3. 安装间长度L 安 安装间的宽度一般与主厂房相同,长度一般按05.1~0.1(L L =安计算。则 m 4.86.55.15.1~0.1(0=⨯==L L 安 (2-31 则主厂房长度为: m 62.254.842.06.530=++⨯=++∆+
31、缝安边L L L nL L (2-32 最终取厂房长度m 62.25=L 7.3主厂房宽度确定 确定主厂房宽度应以机组中心线为界,将厂房宽度分为上游侧宽度u B 和下游侧宽度 d B 。厂房上游侧宽度u B 和下游侧宽度d B 也应考虑各层布置要求确定。 发电机层:上、下游侧宽度一般由发电机层的风罩外缘直径和其上下游的空间要 求确定可分别表达为 u A D +=风u B (2-33 d A D +=风d B (2-34 式中:u A 、-d A 发电机层风罩外缘至上游侧墙、下游侧墙的宽度,综合考虑取 m A A d u 0.10.3==,,则 m A D u 6.
32、50.36.2B u =+=+=风 m A D d 6.30.16.2 B d =+=+=风 蜗壳层: f wu A L L +∆+=u B (2-35 L L wd ∆+=d B (2-36 式中:wu L 、-wd L 蜗壳在厂房横向上游侧、下游侧的尺寸,取m L L wd wu 2==;- ∆L 蜗壳外围混凝土厚度,取m 5.1;-f A 主阀室净宽度,取m 5。则 m A L L f wu 5.855.12 B u =++=+∆+= m L L wd 5.35.12B d =+=∆+= 最终知:m B B B d u 125.35.8(max (max =+=+=。 则厂房宽度为12m 。 附表 附表1 混流式水轮机模型主要参数表 附表2 轴流式水轮机模型主要参数表 附表3 混凝土蜗壳座环尺寸系列单位:mm 附表4 金属蜗壳座环尺寸系列单位:mm 电器主接线图 参考文献: 1.张洪楚等,水电站北京:中国水利水电出版社,1994。 2.水电站机电设计手册编写组。水利水电机电设计手册(水力机械。北京:水利电力出版社,1983。 3.金钟元。水力机械。北京:水利电力出版社,1986。 4.王培斌等,水电站课程设计指导书。
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