水电站厂房课程设计任务说明书

水电站厂房课程设计说明书张文奇1.蜗壳的型式 电站设计水头Hp=95.5m40m（且80m），根据水力机械第二版第96页的蜗壳型式选择金属蜗壳。2.蜗壳的主要参数2.1金属蜗壳的断面形状为圆形。2.2对于圆形断面金属蜗壳为了获得良好的水力性能一般采用蜗壳的包角为=345。2.3根据水力机械第二版第99页图4-30查得，当设计水头为95.5m时，蜗壳的进口断面的平均流速=7.5m/s；2.4己知水轮机的型号HL200-LJ-275，根据水力机械第二版附表5查得:=2750mm，H=95.5m时，蜗壳的座环内径 =3650mm，外径= 4550 mm，所以蜗壳座环的内、外半径分别：3. 金属蜗壳的水力计算电站设计水头HP=95.5m，进口平均流速=7.5m/s，包角为=345，每台机组过水能力：=62.69m3/s。3.1对于蜗壳进口断面：断面的面积：断面的半径：从轴中心线到蜗壳外缘的半径：3.2对于中间任一断面：设为从蜗壳鼻端起算至计算断面i处的包角，则该计算断面处的其中=62.69m3/s。，=7.5m/s，=2.275m计算成果见表1：表100000152.6120.3480.3332.941305.2240.6970.4713.217457.8361.0450.5773.4296010.4481.3930.6663.6077513.0601.7410.7453.7649015.6732.0900.8163.90710518.2852.4380.8814.03712020.8972.7860.9424.1591353.5093.1350.9994.27315026.1213.4831.0534.38116528.7333.8311.1054.48418031.3454.1791.1544.58219533.9574.5281.2014.67721036.5694.8761.2464.76722539.1815.2241.2904.85524041.7935.5721.3324.93925544.4055.9211.3735.02127047.0186.2691.4135.10128549.6306.6171.4525.17830052.2426.9661.4895.25431554.8547.3141.5265.32733057.4667.6621.5625.39934560.0788.0101.5975.4693.3蜗壳断面为椭圆形的计算当圆形断面半径的时候蜗壳的圆形断面就不能与座环蝶形边相切，这时就用椭圆断面。由水电站动力设备手册查得：蝶形边高度可近似定为：查水力机械第二版附表1可得HL200-LJ-275水轮机导叶相对高度b0=0.2。临界值：为座环蝶形边锥角，一般取55度。由圆形断面得：当时的临界角综合可知，当断面包角在0-146.4 度的时候，取椭圆断面。椭圆短半径:椭圆的当量面积:椭圆长半径:，椭圆断面中心距:椭圆断面外半径:计算结果见表2：表200.000 0.000 0.289 -0.086 0.646 2.170 2.815 150.015 0.280 0.535 0.058 0.688 2.346 2.626 300.030 0.406 0.808 0.197 0.730 2.515 2.921 450.045 0.508 1.100 0.328 0.769 2.675 3.183 600.060 0.597 1.409 0.452 0.807 2.827 3.424 750.075 0.678 1.731 0.571 0.842 2.972 3.650 900.090 0.752 2.067 0.686 0.877 3.112 3.864 1050.105 0.823 2.415 0.797 0.910 3.247 4.070 1200.120 0.890 2.774 0.904 0.942 3.377 4.267 1350.135 0.954 3.145 1.008 0.973 3.504 4.458 145.60.145 0.997 3.413 1.080 0.995 3.592 4.590 所以蜗壳尺寸图如下所示：单位mm4.拟定转轮流道尺寸根据水电站机电设计手册水力机械分册，已知D1=1.0m时，HL200 型的尺寸可以推D1=2.75m 时的转轮流道尺寸。将图中所示的各尺寸乘以2.75，即可得到水轮机转轮流道尺寸。5.尾水管单线图的绘制尾水管型式选择本电站选用混流式水轮机， 为了减小尾水管的开挖深度， 采用弯肘形尾水管， 它由进口直锥段、 肘管和出口扩散段三部分组成。 由于所选水轮机型号为HL200-LJ-275，则水轮机的标称直径为D1=2.75m。下表中的尺寸是对转轮直径而言，当直径不为 1m 时，可乘以直径数即得所需尺寸。对混流式水轮机由于直锥管与基础环相连接，可以取D3等于转轮出口直径D2，由水轮机的流道尺寸可知转轮出口直径为D2=1.082X2.75=2.98m，由水轮机的流道尺寸可知 D1D2，所以根据表3推荐选择的尾水管尺寸如下表4所示 表3表4尾水管设计尺寸（m）转轮直径hL12.64.52.721.351.350.6751.821.222.757.1512.3757.483.71253.71251.856255.0053.3555.1进口直锥段进口直锥管是一垂直的圆锥形扩散管，由于选用混流式水轮机，则转轮出口直径等于直锥管的进口直径=2.98m，直锥段出口直径=3.7125m，锥管的单边扩散角取=8，直锥段高度=2.6m。5.2肘管: 肘管是一90变断面弯管，其进口为圆断面，出口为矩形断面。水流在肘管中由于转弯受到离心力的作用，使得压力和流速的分布很不均匀，而在转弯后流向水平段时又形成了扩散，因而在肘管中产生了较大的水力损失。影响这种损失的最主要的因素是转弯的曲率半径和肘管的断面变化规律，曲率半径越小则产生的离心率越大，一般推荐使用的合理半径R=(0.61.0)，外壁用上限，内壁用下限，则有:=1 X 3.71=3.71m=0 .6X3 .71=2.226m5.3出口扩散段:出口扩散段是一水平放置断面为矩形的扩散段，其出口宽度一般与肘管出口宽度相等;其顶板向上倾斜，长度=-=7.37m仰角说明:因为算出的B5=7.48m10m，所以尾水管出口扩散段之间不设中间支墩。5.4尾水段的高度与水平长度尾水管的总高度h和L是影响尾水管性能的重要因素，总高度h是由导叶底环平面到尾水管之间的垂直高度。增大尾水管的高度h，对减小水力损失和提高效率是有利的，但对混流式水轮机尾水管中产生的真空涡带在严重的情况下不仅影响机组的运行而且还会延伸到尾水管地板引起机组和厂房的振动。为了改善这一情况，常采取增大尾水管高度的办法，但将会增大开挖量，从而引起工程投资的增加。经过试验，一般对于高比速混流式水轮机（）取h2 .6 ，因此，h =7.15m=2.6 ，满足要求。总长度L指从机组中心到尾水管出口的水平距离，通常取L=（3.54.5）。由表3知L=12.375m，满足要求。尾水管尺寸示意图如下：6水轮发电机尺寸根据水电站动力设计手册表24得Sf=50000/0.85=58823.53（KVA）磁极对数p=3000/250=12（对）6.1 发电机极距=63.33 cm=0.63 m-发电机额定容量（KVA）-磁极对数-系数，一般为810，容量大、线速度高的取上限6.2发电机定子内径=0.63=4.84 m6.3定子铁芯长度=200.84cm=2.01m-发电机额定容量（KVA）-额定转速（rpm）-定子内径（cm）-系数，见表5选择发电机型式=0.01166.7rpm，=4.84+0.63=5.47 m6.5定子机座外径当214300rpm时，=1.2=1.25.47=6.56 m6.6风罩内径当=58823.5320000kVA时，=+2.4=6.56+2.4=8.96 m6.7转子外径=2=4.84 m式中为单边空气间隙，初步估算时可忽略不计。6.8下机架最大跨度：为水轮机基坑直径，查水电站机电设计手册得=3.8m(已知转轮直径275cm)6.9推力轴承外径D6和励磁机外径D7查水电站机电设计手册表37得： D6=26003600mm（取D6=3m），D7=16002600mm（取D7=2m）6.10定子机座高度h1 由于 ne=250214 rmp则 h1=lt+2 =2.01+20.63=3.27m6.11上机架高度h2悬式非承载机架: h2=0.25Di=0.25x4.84=1.21m；6.12推力轴承高度h3、励磁机高度h4、永磁机高度h6 （Sf=58823.53 KVA20000 KVA）查表38得：推力轴承高度h3 =1750mm，励磁机高度h4 =2200mm，副励磁机高度h5 =1000mm，永磁机高度h6=750mm。6.13下机架高度h7:悬式承载机架： h7=0.12Di=0.124.84=0.58 m6.14定子支座支承面至下机架支承面或下挡风板之间的距离h8悬式承载机架：h8=0.15Di=0.154.84=0.73 m6.15下机架支撑面至主轴法兰底面之间的高度h9按已生产的发电机统计资料，一般为7001500mm， 则取h9=1000mm 6.16转子磁扼轴向的高度h10 无风扇时：h10=lt+（500600）mm=2.01+0.6=2.61m有风扇时h10=lt+(7001000)mm=2.01+1=3.01m6.17发电机主轴高度h11H11=(0 .70.9)H其中H是发电机总高度 H=h1+h2+h3+h4+h5+h6+h8+h9=11.91mH11=(0 .70.9)H=0.8x11.91=9.53m6.18定子铁芯水平中心线至主轴法兰盘底面距离h12：无风扇：H12=0 .46h1 +h10=0.46x3.27+2.61=4.11 m有风扇：H12=0 .46h1 +h10=0.46x3.27+3.01=4.51 m7.水轮发电机重量估算7.1初步设计阶段，在未取得制造厂资料前，可按式（7-1）来估算水轮发电机的总重量Gf =K1()2/3（7-1）Gf -发电机总重量(t)-发电机额定容量（KVA）-额定转速（rpm）-系数，对悬式发电机取810发电机转子重量一般可按发电机总重量的估算则发电机总重量Gf =K1()2/3 =9()2/3=343.02 t 发电机转子重量Gz=Gf/2=343.02/2=171.51 t起重物件中根据资料可知最重的物件为吊发电机转子带轴重，机组台数为4台，所以选1台单小车桥式起重机，起重量为140t，桥跨根据厂房宽度拟定。7.2 起重物件中根据资料可知最重的物件为吊发电机转子带轴重，机组台数为4台，所以选1台双小车桥式起重机，起重量为2x100t，桥跨为16m，具体参数如下：8.主厂房尺寸的确定主厂房尺寸的确定，即主厂房总长、总高和宽度的确定。主厂房的总长度包括机组段的长度(机组中心间距)，端机组段的长度和安装场的长度，并考虑必要的水工结构分缝要求的尺寸。8.1 主厂房总长度的确定 厂房总长度包括机组段的长度(机组中心距)、端机组段的长度和安装间的长度。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8.1.1机组段的长度主要由蜗壳、尾水管、发电机风罩在x轴方向(厂房纵向)的尺寸来决定。机组段的长度。按下式计算:=L+x+L-x其中:L+x为机组段+x方向的最大长度，L-x为机组段-x方向的最大长度;计算机组段长度时可按蜗壳层、尾水管层和发电机层分别计算，然后取其中的最大值。(1) 蜗壳层其中=5.469m,=4.484m,、分别为蜗壳左右外围混凝土的厚度，初步设计时取1 .2-1 .5m，这里取1 .3m所以L=5.469+4.484+1.3+1.3=12.553m(2)尾水管层其中B尾水管宽度为7.48m，、为尾水管混凝土边墩厚度，初步设计时可取1.5-2.0m，这里取为1.6m所以L=7.48+2x1.6=10.68m；(3)发电机层：为发电机风罩内径为8.71m，为发电机风罩壁厚取为0.4m，b为两台机组之间风罩外壁净距取为1.5m所以L=8.71+0.8+1.5=11.01m。综合上三种结构的计算情况，厂房的机组间距由水轮机蜗壳层推求的长度决定机组段的长度=12.553m8.1.2端机组段附加长度L=(0.11.0)D1=0.5x2.75=1.375m8.1.3安装间长度装配场与主机室宽度相等，以便利用起重机沿主厂房纵向运行。装配场长度一般约为机组段长的1.0一1.5倍。对于混流式采用偏小值，因此取1.2。检验装配场尺寸是否能容纳一台机组扩大性大修，合理存放发电机转子、发电机上机架、水轮机转轮和水轮机顶盖，同时满足相应工作场地和运输工具的运用。安装间长度的确定=1.2x12.553=15.06m8.1.4厂房的总长度:L=4x12.553+15.06+1.375=66.57m8.2主厂房宽度的确定以机组中心线为界，厂房宽度B可分为上游侧宽度Bs和下游侧宽度Bx两部分，关于这两部分的计算可列式如下:8.2.1上游侧宽度Bs其中，在前面的计算中己有=8.71m，=0.4m。A为风罩外壁到上游墙内侧的净距，由上游侧电气设备和附属设备的布置及通道尺寸确定，取4m。所以Bs=8.71/2+0.4+4=8.76m8.2.2下游侧宽度BxBx除满足上式外，还需满足蜗壳在-y方向的尺寸和蜗壳外混凝土厚度的要求。对于发电机层：其中A为风罩外壁到下游墙内侧的净距，主要用于主通道，一般取2m,=8.71m，=0.4m。所以Bx=8.71/2+0.3+2=6.76m。对于蜗壳层-y方向为:Bx = y2+L其中y2为255时的Ri=5.021m,L为混凝土保护层的厚度，取1.5m。所以Bx=5.021+1.5=6.521m综上所述，取Bx=6.655m8.3由厂房的辅助设备，根据桥机跨度确定主厂房的宽度根据起重机设备可知桥机的跨度为16m如下图所示:牛腿以上：B=Lk+2（b1+b2+hb）牛腿以下：B=Lk+2（e+hb）b1桥机端与轨道中心线的距离，查桥机的有关规定取0 .4mb2桥机端部与上柱内面间距，一般取0.3 -0.6m，取0.4mhb牛腿上部立柱截面高度，一般取0.6-1.2m，取0.6mhb牛腿下部立柱截面高度，一般取1.0 -2.5m，取1.5me偏心距，一般取0-0.25m，取0.25m带入数据得：牛腿以上：B=18.8m牛腿以下：B=19m综上所述，所以厂房的宽度为19m。9.厂房各层高程的确定厂房各层的高程，主要有尾水管底板高程、机组安装高程、水轮机层地面高程、发电机层地面高程、吊车轨道顶的高程、厂房顶的高程等。9.1水轮机的安装高程在厂房设计中水轮机的安装高程(此处是指导叶中心高程)是一个控制性的标高，它确定以后，就可以相应的确定其他高程。根据水力机械第二版P40页中2-41公式可得立轴混流式水轮机安装高程计算公式:Hs=10.0-/900-（+）H-1其中:b2为导叶高度，查阅得导叶的相对高度为0.20，则b0=0.22.75=0.55 m；为汽蚀系数，可根据水轮机的特性曲线来确定，取为0.088为汽蚀系数的修正值，取为0.02；H为计算水头，这里H=95.5m；/900为水电站厂房所在地点海拔高程的校正值，=230-95.5=134.5m;w为水电站厂房建成后下游设计最低水位。当有3台或4台机组时，取1台机组流量应的尾水位为w=115.54m; Hs =10-（0.02+0.088）95.5-1= -1.436 m所以:T =115.54-1.463+0.55/2=114.35 m9.2主厂房基础开挖高程FF = T-（h3+h2+h1）=114.35-7.15-1.8=105.4 mh3-水轮机安装高程到尾水管出口顶面的距离 h2-尾水管出口高度h1-尾水管底板混凝土厚度h=1.8m9.3进水层阀门地面高程 4=T-r1-h1其中，蝶阀尺寸：DF400-180型饼型蝴蝶阀则=4000mm，r1=1.8mh1是钢管底部至主阀室地面的高程钢管底部作通道，h1应大于1.8，此处取h1为2m 4=114.35-1.8-2=110.55 m 9.4水轮机层地面高程1 1=T+h4其中h4 是蜗壳进口半径和蜗壳顶混凝土层，金属蜗壳的保护层一般大于1m，蜗壳进口半径为1.6 m，蜗壳上部混凝土层厚可取1.0m所以h4=2.6 m，则1=T+h4=114.35+2.6=116.95 m由于水轮机层地面高程取100 mm的整数倍，则取 1=117.000 m 9.5发电机安装高程G G=1+5+6=T+h4+h5+h6h5-水轮机机坑进入孔高度，可取1.82.0m，取1.9mH6-进入口顶部厚度，由设备布置和发电机结构要求确定，一般为1m所以 G=117+1.9+1=119.9 m9.6发电机层楼板面高程2 2=G+h=119.9+2.6=122.5m为了保证以下各层高度和设备布置及运行上的要求以及水不淹没厂房:2-1=122.5-116.95=5.55m3.54m,满足要求下游设计洪水位115.54m122.5m，也符合要求即发电机层楼板面高程2=122.5m 。9.7起重机的安装高程(轨顶高程) C=2+h7+h8+h9+h10+h11h7-发电机定子高度和上机架高度之和，计算的4.49mh8-吊运部件与固定的机组或设备间的垂直净距，取0.8mh9-最大吊运部件的高度，为9.5mh10-吊运部件与吊钩之间的距离，取为1.2mh11-主钩最高位置（上极限位置）至轨顶面距离，查 资料得1.1m；带入数据得c=140m；9.8屋顶高程：R=C+h12+h13h12-起重机轨顶至小车顶面的净空高度，查设计手册 得3.7mh13-检修吊车在车上留0.5m高度所以R=144.2m10.主厂房布置10.1主厂房分缝与止水水电站厂房由于受到自然环境因素的影响较大，为了防止因昼夜温差较大引起墙壁和楼板间的开裂，设置伸缩缝，缝宽2cm，为了避免地基不均匀沉降，在主副厂房之间，厂房与装配场之间设置沉降缝，缝宽2cm，并在迎水面设置铜片止水;在厂房下部凡是施工冷缝尤其是垂直的冷缝均设置止水。10.2二期混凝土划分厂房混凝土由于机组安装的要求，一般分成两期浇筑。通常将尾水管、上下游墙、排架柱、吊车梁以及部分楼板梁，在施工中先行浇筑，称为一期混凝土。而为了机组安装要求和埋件需要预留空位，要等到机组设备到货，尾水管圆锥段钢板内衬和金属蜗壳安装好以后再行浇筑混凝土，称为二期混凝土。10.3下部块体结构布置机墩采用圆筒式。抗扭，抗展及抗压性好， 刚度大，一般为少筋混凝土， 用钢节省，大中型机组普遍采用。机墩内部是空的，便于水轮机安装时吊进，检修时吊出。机墩内部直接力气，预埋各种油，气，水管道和布置电缆，电线等。运行人员经常要进入内腔进行巡视和检修工作，机墩要留有进人孔，机墩高度不能太矮。机墩内径要大于水轮机转轮直径，小于发电机转子直径，并考虑下机架支撑等要求而定。机墩内径为D#=Di-1=3.84m。蜗壳上部混凝土厚取1m，为使金属蜗壳与其外围混凝土分开，受力互不传递，需在金属蜗壳上半部表面铺设3-5cm的沥青、锯末或塑料软垫。为便于施工，减少基础开挖量，采用弯肘式尾水管。尾水闸墩按推荐的尾水管尺寸设计。上下游墙等参考已建类似工程。10.4结构布置主厂房水轮机层以上部分 , 除了机座之外，主要为梁板，柱的结构。发电机层楼板厚度为 0.30m，支承在通风罩和上下游混凝土墙的牛腿上，由于分期施工要求，在机组间加设了刚架柱， 不仅用来支承发电机层楼板的荷载， 而且具有加强构架的作用，刚架大梁的断面为 50cm100cm,立柱的断面是 50cm50cm。构架柱的下断面为 1.0m1.50m 的矩形断面，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，构架的间距为 6.00 米。副厂房选用的结构形式是钢筋混凝土钢架。副厂房的一部分荷载传递到主厂房构架上，因而其分缝与主厂房分缝相一致。构架立柱断面为 0.5m0.5m。中央控制室主梁断面为 0.5m1.0 m。其余各层的主梁断面为 0.40m0.60m。次梁断面为 0.20m0.4m、0.20m0.5m和 0.25m0.50m三种。楼板厚度7-10cm。10.5发电机层设备布置发电机层为安放水轮发电机组及辅助设备和仪表表盘的场地， 也是运行人员巡回检查机组、监视仪表的场所。主要设备有：（1）机旁盘 ( 自动、保护、量测、动力盘 ) 。与调速器布置在同一侧，靠近厂房的上游或下游墙。(2)调速柜。应与下层的接力器相协调，尽可能靠近机组，并在吊车的工作范围之内。(3)励磁盘。控制励磁机运行，常布置在发电机近旁。(4)蝶阀孔。如果在水轮机前装设蝴蝶阀，则其检修需要在发电机层的安装间内进行，在发电机层与其相应的部位预留吊孔，以方便检修和安装。(5)楼梯。一般两台机组设置一个楼梯。由发电机层到水轮机层至少设两个楼梯，分设在主厂房的两端，便于运行人员到水轮机层巡视和操作、及时处理事故。楼梯不应破坏发电机层楼板的梁格系统。(6)吊物孔。在吊车起吊范围内应设供安装检修的吊物孔，以勾通上下层之间的运输，一般布置在既不影响交通、又不影响设备布置的地方，其大小与吊运设备的大小相适应，平时用铁盖板盖住。发电机层平面设备布置应考虑在吊车主、副钩的工作范围内，以便楼面所有设备都能由厂内吊车起吊。10.6水轮机层设备布置水轮机层是指发电机层以下，蜗壳大块混凝土以上的这部分空间。在水轮机层一般布置：（1）调速器的接力器。位于调速器柜的下方，与水轮机顶盖连在一起，并布置在蜗壳最小断面处，因为该处的混凝土厚度最大。（2）电气设备的布置。发电机引出线和中性点侧都装有电流互感器，一般安装在风罩外壁或机座外壁上。 小型水电站一般不设专门的出线层，引出母线敷设在水轮机层上方，而各种电缆架设在其下方。水轮机层比较潮湿，对电缆不利。对发电机引出母线要加装保护网。（3）油、气、水管道。一般沿墙敷设或布置在沟内。管道的布置应与使用和供应地点相协调，同时避免与其他设备相互干扰，且与电缆分别布置在上下游侧，防止油气水渗漏对电缆造成影响。（4）水轮机层上、下游侧应设必要的过道。主要过道宽度不宜小