丰宁抽水蓄能电站布置方案选择及上游调压室涌浪计算的设计计算书

1 目录：目录： 1.抽水蓄能电站基本参数抽水蓄能电站基本参数4 1.1 特征水头计算4 2 挡水、泄水建筑物基本尺寸计算挡水、泄水建筑物基本尺寸计算5 2.1 防浪墙顶高程的计算5 2.1.1 工况一5 2.1.1.1 计算风速.5 2.1.1.2 波浪要素计算.5 2.1.1.3 最大波浪爬高计算.6 2.1.1.4 最大风浪雍高计算.7 2.1.1.5 坝顶防浪墙高程计算.7 2.1.2 工况二7 2.1.2.1 计算风速.7 2.1.2.2 波浪要素计算.7 2.1.2.3 最大波浪爬高计算.8 2.1.2.4 最大风浪雍高计算.9 2.1.2.5 坝顶防浪墙高程计算.10 2.1.3 工况三10 2.1.3.1 计算风速.10 2.1.3.2 波浪要素计算.10 2.1.3.3 最大波浪爬高计算.11 2.1.3.4 最大风浪雍高计算.12 2.1.3.5 坝顶防浪墙高程计算.12 2.1.4 工况四12 2.1.4.1 计算风速.12 2.1.4.2 波浪要素计算.12 2.1.4.3 最大波浪爬高计算.13 2.1.4.4 最大风浪雍高计算.14 2.1.4.5 坝顶防浪墙高程计算.14 2.2 泄水建筑物截面尺寸15 3 水电站引水建筑物水电站引水建筑物16 3. 1 输水系统布置16 3. 2 输水系统各组成建筑物设计.16 3.2.1 引水隧洞16 3.2.2 压力管道16 3.2.3 尾水隧洞.17 3.3 上下库进出水口.17 3.3.1 进出水口位置选择17 3.3.2 进出水口的轮廓尺寸确定17 3.3.2.1 隧洞直径.17 2 3.3.2.2 进/出水口的参数18 3.4 调压室.20 4.电站部分参数计算电站部分参数计算21 4.1 水泵水轮机参数的计算21 4.1.1 水泵水轮机的额定出力 Nr21 4.1.2 水泵水轮机的最大引用流量 Q 21 4.1.3 水泵水轮机的性能参数计算21 4.1.4 水泵水轮机主要尺寸和重量估算23 4.2 蜗壳与尾水管24 4.2.1 蜗壳尺寸.24 4.2.2 尾水管尺寸.26 4.3 发电电动机的类型选择.26 4.3.1 电动发电机外形尺寸.26 4.3.2 外形尺寸估算.27 4.3.2.1 平面尺寸估算.27 4.3.2.2 轴向尺寸计算28 4.3.3 发电机重量估算.29 4.4 调速设备选择 .29 4.4.1 调速功计算.29 4.4.2 接力器选择.29 4.4.2.1 接力器直径的计算.30 4.4.2.2 接力器最大行程计算.30 4.4.2.3 接力器容积计算.30 4.4.2.4 主配压阀直径计算31 4.4.3 油压装置.31 4.5 进水阀的选择 .32 4.6 主厂房主要尺寸的拟定32 4.6.1 高度方向尺寸的确定.33 4.6.2 宽度方向尺寸的确定34 4.6.3 长度方向尺寸的确定34 4.6.4.1.机组段长度.34 4.6.4.2 端机组段长度35 4.6.4 装配场尺寸的确定.35 5 专题：上游调压室涌浪高度计算专题：上游调压室涌浪高度计算.37 51 判断是否需要设置调压室.37 5.1.1 上游引水道设置调压室的判断准则37 5.1.2 尾水道设置调压室的判断准则.37 5.2 调压室的位置选择.37 5.3 上游调压室的稳定断面面积计算.37 5.3.1 水头损失计算38 5.3.1.1 引水隧洞的水头损失 hw038 3 5.3.1.2 压力管道的水头损失.40 wm h 5.3.2 上游调压室的托马断面面积计算44 5.4 上游调压室涌浪计算44 5.4.1 调压室涌波水位计算工况选择及其对应水头损失计算.44 5.4.1.1 引水隧洞的水头损失 hw0计算 44 5.4.2 几种调压室的涌浪计算比较.50 5.4.2.1 简单式调压室涌浪计算50 5.4.2.2 阻抗式调压室涌浪计算53 5.4.2.3 差动式调压室涌浪计算55 5.4.2.4 带上室的阻抗式调压室涌浪计算58 5.5 调压室选择设计.61 5.5.1 分析涌浪计算结果选择调压室型式.61 5.5.2 对所选择的调压室进行结构设计.62 5.5.3 校核洪水位工况下对调压室涌浪校核.62 5.5.4 抽水断电工况带扩大上室调压室的最低涌浪计算.63 4 1.抽水蓄能电站基本参数 1.1 特征水头计算 根据经验初步估算水头损失为抽水蓄能电站毛水头的 5%，各种可能的水位 组合下的作用水头计算如下： 上库为正常蓄水位，下库为正常蓄水位的情况（根据经验假设出现概率为 30%）： H1=H正（上库）-H正（下库）-5%（H正（上库）-H正（下库）=1489.5-1050- 5%（1489.5-1050）=439.5-21.975=417.525m 上库为正常蓄水位，下库为死水位的情况（根据经验假设出现的概率为 50%）： H2=H正（上库）-H死（下库）-5%（H正（上库）-H死（下库）=1489.5-1040- 5%（1489.5-1040）=449.5-22.475=427.025m 上库为死水位，下库为正常蓄水位的情况（根据经验假设出现的概率为 15%）： H3=H死（上库）-H正（下库）-5%（H死（上库）-H正（下库）=1460-1050-5%（1460- 1050）=389.5m 上库为死水位，下库为死水位的情况（根据经验假设出现的概率为 5%）： H4=H死（上库）-H死（下库）-5%（H死（上库）-H死（下库）=399.0m 由上述情况得出： Hmax=H2=427.025m Hmin=H3=389.5m 根据各水头出现的频率计算加权平均水头为： Hav=417.145m 抽水蓄能电站的设计水头的计算近似于引水式电站的设计水头计算，即 Hr=Hav=417.145m 5 2 挡水、泄水建筑物基本尺寸计算 2.1 防浪墙顶高程的计算 坝顶高程的计算，应该同时考虑以下四种情况，设计洪水位加正常运用情 况的坝顶安全超高；校核洪水位加非常运用情况的坝顶安全超高；正常蓄水 位加正常运用情况的坝顶安全超高；正常蓄水位加非常运用情况的坝顶安全超 高再加地震区安全超高。最后取其中最大值作为坝顶高程。 2.1.1 工况一 设计洪水位加正常运用情况的坝顶安全超高。 2.1.1.1 计算风速 0 V 采用多年平均最大风速 1.52 倍,即=（1.52）多年平均最大风速 0 V =（1.52）24=（3848）m/s，吹程 D 取 900 m。 2.1.1.2 波浪要素计算 波浪要素采用莆田公式计算： （2-1） 0.45 2 0.7 2 0 22 0.7 00 2 0 0.0018 0.130.7 0.130.7 mm m gD vghgH thth vv gH th v （2-2） 0.5 4.438 mm Th 0.45 2 0.7 2 22 0.7 2 9.81 900 0.0018 401039.819.81 103 0.130.7 4040 9.81 0.130.7 40 m h thth th 6 解得：=0.632m m h = 3.53s 2 4.438 0.632 m T 平均波长按照下式计算： （2-3） 2 m 2 2 mm m gTH Lth L 对于深水波，即当时，上式可以简化为0.5 m HL （2-4） 2 m 2 m gT L =19.46m 2 m 9.81 3.53 2 L 2.1.1.3 最大波浪爬高计算 R 值可参见 SL2742001碾压式土石坝设计规范附录 A。即： （2-5） 2 1 mmm K K Rh L m 表 2-1 糙率及渗透系数K 护面类型 K 光滑不透水护面（沥青混凝土）1.00 混凝土或混凝土板0.90 草皮0.850.90 砌石0.750.80 抛填两层块石（不透水基础）0.600.65 抛填两层块石（透水基础）0.500.55 7 表 2-2 经 验 系 数K w gH 1 1.522.533.54 5 K 1.001.021.081.161.221.251.281.30 注：表中 W 和 H 分别为计算风速和坝前水深 2 0.9 1.01 0.632 19.461.768 1 1.5 m Rm 由不规则波法查得不同频率下的爬高与平均爬高的比值关系（见碾压式土石坝 设计规范 SL274-2001 ） ，即可以由求得 R，此处取最大波浪爬高为百年一遇。 m R 即 R=R1%。 （2-6） 1% 1.768 2.424.28 m RR Xm 2.1.1.4 最大风浪雍高计算 =（2-7） 2 e0.0036cos 2 W D gH 2 400.9 e0.0036cos1612 2 9.81 103 3 2.463 10 m 2.1.1.5 坝顶防浪墙高程计算 安全加高 A=1.5m 坝顶安全超高 Y=R+e+A= （2-8） 3 4.282.643 101.55.781m 坝顶防浪墙高程15035.7811508.78m 2.1.2 工况二 校核洪水位加非常运用情况的坝顶安全超高。 2.1.2.1 计算风速 0 V 采用多年平均最大风速,即=多年平均最大风速=24m/s，吹程 D 取 950m。 0 V 8 2.1.2.2 波浪要素计算 波浪要素采用莆田公式计算： （2-9） 0.45 2 0.7 2 0 22 0.7 00 2 0 0.0018 0.130.7 0.130.7 mm m gD vghgH thth vv gH th v （2-10） 0.5 4.438 mm Th 0.45 2 0.7 2 22 0.7 2 9.81 950 0.0018 241049.819.81 104 0.130.7 2424 9.81 0.130.7 24 m h thth th 解得：=0.369m m h = 2.696s 2 4.438 0.369 m T 平均波长按照下式计算： （2-11） 2 m 2 2 mm m gTH Lth L 对于深水波，即当时，上式可以简化为0.5 m HL （2-12） 2 m 2 m gT L =11.348m 2 m 9.81 2.696 2 L 2.1.2.3 最大波浪爬高计算 R 值可参见 SL2742001碾压式土石坝设计规范附录 A。即： 9 （2-13） 2 1 mmm K K Rh L m 糙率及渗透系数K 护面类型 K 光滑不透水护面（沥青混凝土） 1.00 混凝土或混凝土板 0.90 草皮0.850.90 砌石0.750.80 抛填两层块石（不透水基础）0.600.65 抛填两层块石（透水基础）0.500.55 经 验 系 数K w gH 1 1.522.533.54 5 K 1.001.021.081.161.221.251.281.30 注：表中 W 和 H 分别为计算风速和坝前水深 2 0.9 1.01 0.369 11.3481.022 1 1.5 m Rm 由不规则波法查得不同频率下的爬高与平均爬高的比值关系（见碾压式土 石坝设计规范 SL274-2001 ） ，即可以由求得 R，此处取最大波浪爬高为百年一 m R 遇。即 R=R1%。 （2-14） 1% 1.022 2.422.472 m RR Xm 10 2.1.2.4 最大风浪雍高计算 = 2 e0.0036cos 2 W D gH 2 240.95 e0.0036cos1612 2 9.81 104 4 9.27 10 m 2.1.2.5 坝顶防浪墙高程计算 安全加高 A=0.7m 坝顶安全超高 Y=R+e+A= 4 2.4729.27 100.73.173m 坝顶防浪墙高程15043.1731507.173m 2.1.3 工况三 正常蓄水位加正常运用情况的坝顶安全超高。 2.1.3.1 计算风速 0 V 采用多年平均最大风速 1.52 倍,即=（1.52）多年平均最大风速 0 V =（1.52）24=（3848）m/s，吹程 D 取 850m。 2.1.3.2 波浪要素计算 波浪要素采用莆田公式计算： 0.45 2 0.7 2 0 22 0.7 00 2 0 0.0018 0.130.7 0.130.7 mm m gD vghgH thth vv gH th v 0.5 4.438 mm Th 0.45 2 0.7 2 22 0.7 2 9.81 850 0.0018 4089.59.819.81 89.5 0.130.7 4040 9.81 0.130.7 40 m h thth th 解得：=0.616m m h 11 = 3.484s 2 4.438 0.616 m T 平均波长按照下式计算： 2 m 2 2 mm m gTH Lth L 对于深水波，即当时，上式可以简化为0.5 m HL 2 m 2 m gT L =18.95m 2 m 9.81 3.484 2 L 2.1.3.3 最大波浪爬高计算 R 值可参见 SL2742001碾压式土石坝设计规范附录 A。即： 2 1 mmm K K Rh L m 糙率及渗透系数K 护面类型 K 光滑不透水护面（沥青混凝土）1.00 混凝土或混凝土板0.90 草皮0.850.90 砌石0.750.80 抛填两层块石（不透水基础）0.600.65 抛填两层块石（透水基础）0.500.55 经 验 系 数K 12 w gH 1 1.522.533.54 5 K 1.001.021.081.161.221.251.281.30 注：表中 W 和 H 分别为计算风速和坝前水深 2 0.9 1.015 0.616 18.951.73 1 1.5 m Rm 由不规则波法查得不同频率下的爬高与平均爬高的比值关系（见碾压式土 石坝设计规范 SL274-2001 ） ，即可以由求得 R，此处取最大波浪爬高为百年一 m R 遇。即 R=R1%。 1% 1.73 2.424.187 m RR Xm 2.1.3.4 最大风浪雍高计算 = 2 e0.0036cos 2 W D gH 2 400.85 e0.0036cos1612 2 9.81 89.5 3 2.677 10 m 2.1.3.5 坝顶防浪墙高程计算 安全加高 A=1.5m 坝顶安全超高 Y=R+e+A= 3 4.192.677 101.55.689m 坝顶防浪墙高程1489.55.6891495.189m 2.1.4 工况四 正常蓄水位加非常运用情况的坝顶安全超高，再按照 SL203-97-5.3.2 规定 加地震安全超高。 2.1.4.1 计算风速 0 V 采用多年平均最大风速,即=多年平均最大风速=24m/s，吹程 D 取 850m。 0 V 2.1.4.2 波浪要素计算 13 波浪要素采用莆田公式计算： 0.45 2 0.7 2 0 22 0.7 00 2 0 0.0018 0.130.7 0.130.7 mm m gD vghgH thth vv gH th v 0.5 4.438 mm Th 0.45 2 0.7 2 22 0.7 2 9.81 850 0.0018 2489.59.819.81 89.5 0.130.7 2424 9.81 0.130.7 24 m h thth th 解得：=0.351m m h = 2.63s 2 4.438 0.351 m T 平均波长按照下式计算： 2 m 2 2 mm m gTH Lth L 对于深水波，即当时，上式可以简化为0.5 m HL 2 m 2 m gT L =10.81m 2 m 9.81 2.63 2 L 2.1.4.3 最大波浪爬高计算 R 值可参见 SL2742001碾压式土石坝设计规范附录 A。即： 2 1 mmm K K Rh L m 14 糙率及渗透系数K 护面类型 K 光滑不透水护面（沥青混凝土）1.00 混凝土或混凝土板0.90 草皮0.850.90 砌石0.750.80 抛填两层块石（不透水基础）0.600.65 抛填两层块石（透水基础）0.500.55 经 验 系 数K w gH 1 1.522.533.54 5 K 1.001.021.081.161.221.251.281.30 注：表中 W 和 H 分别为计算风速和坝前水深 2 0.9 1.0 0.3514 10.810.973 1 1.5 m Rm 由不规则波法查得不同频率下的爬高与平均爬高的比值关系（见碾压式土 石坝设计规范 SL274-2001 ） ，即可以由求得 R，此处取最大波浪爬高为百年一 m R 遇。即 R=R1%。 1% 0.973 2.422.355 m RR Xm 2.1.4.4 最大风浪雍高计算 = 2 e0.0036cos 2 W D gH 2 240.85 e0.0036cos1612 2 9.81 89.5 4 9.64 10 m 15 2.1.4.5 坝顶防浪墙高程计算 上水库枢纽工程抗震烈度为 7 度，且建筑物级别为 1 级建筑物，则大坝工 程抗震设防类别为甲类。则地震区的安全加高=1.0m,安全加高 A=0.7m A 坝顶安全超高 Y=R+e+A+= A 4 2.3559.64 100.7 1.04.056m 坝顶防浪墙高程1489.54.0561493.56m 2.2 泄水建筑物截面尺寸 坝址地带河谷窄，右岸山坡陡峭。若采用明挖溢洪道，开挖量大，造价高， 固采用隧洞泄洪方案，布置于右岸，利用施工期间导流隧洞改建成有压泄洪隧洞。 设计最大下泄流量为 142，隧洞进口底高程取为设计死水位 1460m。sm / 3 流速按照有压流公式计算： =24. 00 1 2 ()2 () 1 pp vg Hhmg Hh f 0.85 2 9.81 (1503 1460) 7m/s 隧洞过水断面面积由下式求的： = Q v 142 5.75 24.7 2 m 隧洞采用城门洞型，尺寸为。3.0 2.0 16 3 水电站引水建筑物 3. 1 输水系统布置 3. 2 输水系统各组成建筑物设计 3.2.1 引水隧洞 参照上库进出水口设计部分，对于丰宁抽水蓄能电站，考虑取引水隧洞流速 为 V0=4.5m/s，计算的隧洞直径 d=8.3m。 3.2.2 压力管道 1. 压力管道的内径 引水隧洞后接有一定坡度的压力钢管，压力管道经济流速为 56m/s，取 V1=6m/s，则由公式 （3-1） 2 1 4 D QAVV 1 243. 54 227. 2 6 Q Dm V 计算得压力管道直径为 D1=7.2m，管壁厚度=13.0mm,取为/8004D 13.0mm。 2.岔管直径 岔管采用内加强肋小 Y 形岔管布置，采用彭德舒公式来初步确定大中型压 力钢管的经济直径： （3-2） 33 max 77 5.25.2 86.95 3.62 417.145 Q Dm H 17 式中：钢管的最大设计流量 4 3 max min 29.9 10 86.95/ 9.819.81 0.9 389.5 r N Qms H H设计水头。 计算得与压力钢管连接的分叉管的直径为 3.62m，管壁厚度 =8.53mm/8004D 取为 9mm,岔管段的长度=（11.2）D1，取为 8.5m。 3 L 3.压力钢管渐变段 引水隧洞直径为 8.3m，压力钢管直径为 7.2m，在压力管道中设置一段渐 变段，取其长度为 12m,渐变段的扩散角为 5.268，满足要求。 压力钢管与蜗壳进水口的直径也不同，也需要设置渐变段。此渐变段要求 由直径 3.62m 变到 3.15m,取这段渐变段长度为 6m，扩散角为 4.5，满足要求。 3.2.3 尾水隧洞 尾水隧洞的设计直径同引水隧洞，其与尾水支洞之间的连接也采用内加强肋 小 Y 形岔管，布置形式与上游类似，为了使各机机组支管的水头损失尽可能接近， 主次分岔点对应的机组与上游侧岔管相反，各机组的尾水支管与尾水管平顺连接， 并且设置事故闸门。 3.3 上下库进出水口 3.3.1 进出水口位置选择 3.3.2 进出水口的轮廓尺寸确定 3.3.2.1 隧洞直径 丰宁抽水蓄能电站设计采用两个独立的水力单元，每一单元三台机组共用 一条引水隧洞，则三台机组满发时，隧洞的过流量为=245.54m3/s。通常，3QQ 引 抽水蓄能电站在发电工况下，输水隧洞内最大平均流速为 5m/s，在抽水工况下， 18 输水隧洞内最大平均流速为 4m/s，对于丰宁抽水蓄能电站，考虑取引水隧洞流速 为 4.5m/s,则由 Q=A V 计算得隧洞的直径 0 243.54 228.3 4.5 Q dm V 3.3.2.2 进/出水口的参数 进/出水口最大断面尺寸 根据水流经过拦污栅的平均流速 Vm，可以确定进/出水口的最大断面积。从 而可以确定进/出水口断面。一般流过拦污栅的平均流速为 0.81m/s，这里取 Vm=0.9m/s，对于侧式进/出水口，在立面上应扩散，一般底板作成水平的，顶板 向上扩散，一般扩散角小于 10，使进/出水口的高度由隧洞直径 d 渐增至 2 D，D 值应不小于隧洞直径的 1.5 倍，在平面上一定要有扩散段，但扩散角过大， 出流时水流会脱离边墙，对于矩形断面水平扩散角1012。取 1 D=12.5m 则顶板扩散角=8，满足要求。进/出口最大断面，即扩散段出口面积 2 为 2 max 243.54 243.54 1.0 m Q Am V 为 243.54m，进/出口扩散段出口的净宽度为 max 243.54 19.5 12.5 A Bm D 为 19.5m，水平扩散角，为满足要求，在扩散 1 19.58.3 2arctan21.5 2 30 段设三个分流墩，则有=5.3，满足要求。分流墩的布置和体型设计，包括墩 1 尾的型式参考相当规模和进/出水口布置相似的抽水蓄能电站调整确定。 最小淹没深度 为了避免水流流进引水隧洞时产生漩涡，最低水位到进水口顶的距离要大于 最小淹没深度 H，其经验公式为： 19 11 22 0.55 4.19 8.36.64 cr SCVdm 式中：C与进水口几何形状有关的系数，进水口设计良好、伸入水库较 远，满足水流对称要求时取 0.55；边界复杂、伸入水库较近，不满足水流对称条 件时，取 0.73，取为 0.55； V闸门处流道中的流速； d计算断面高度。 进水口底高程 上水库：进/出水口底高程为：=1440mHD 进底设低 进/出水口顶高程为：=1452.5mH 进顶设低 下水库: 进/出水口底高程为：=1020.5mHD 进底设低 进/出水口顶高程为：=1033mH 进顶设低 防涡梁设计 对于侧式进出水口，常在孔口处的上方设置固定的防涡梁，用来遮蔽旋涡的 流心，防止其发展。梁距要适中，如果太窄则旋涡会转至梁的前方，如果太宽则 旋涡仍会进入水道。参考类似规模抽水蓄能电站进出水口的布置设计设置防涡梁， 共设三根，高度为 2.5m，宽度为 2.0m，间距为 1.5m。同时，在防涡梁段与扩散 段之间设一调整段 8.5m。 进/出水口闸门段 闸门高度应高于上水库最高水位 1504m，根据丰宁抽水蓄能电站输水系统工 程地质剖面图上地形和水位的情况，定出闸门轴线位置距进水口 190m。由于此段 距离很长，所以进水口到闸门设置两个两个渐变段，即由进水口的矩形变为圆形 隧洞，再由圆形隧洞变为矩形闸门的过渡段，通常采用圆角过渡。渐变段的长度 一般为隧洞直径的 1.52.0 倍，侧面扩散角以 6为宜。故取渐变段长 度为 12m。 闸门通气孔 20 通气孔的面积： 2 max 243.54 3.25 75 Q Am v 最大进气流量出现在事故闸门紧急关闭时，可以近似认为等于进水口的最大 引用流量，即=243.54 ，进气流速一般为 7080m/s,取 V=75 m/s，计 max Q 3 /ms 算得 A=3.25，则通气孔的直径为 2.0m。 拦污栅设计 拦污栅栅片宽度不超过 2.5m，高度不超过 4m。栅条厚度一般为 812，取 为 10，栅条宽 100200mm,取为 200mm。 栅条净距，取为 100mm。 1 3090 / 30103 30 D bm m 矩形边框由角钢或槽钢焊成，纵向的栅条常用扁钢制成，上下两端焊在边框 上，沿栅条的长度方向等间距设置带有槽口的横隔板。 3.4 调压室 详见调压室专题部分。 21 4.电站部分参数计算 4.1 水泵水轮机参数的计算 4.1.1 水泵水轮机的额定出力 Nr Nr=Ngr/gr 其中：Ngr为电动发电机的额定出力；gr为电动发电机的额定效率。 丰宁抽水蓄能电站的额定出力为 29 万 KW，可取 gr=0.970.98，则 Nr=29/0.97=29.90 万 KW。 4.1.2 水泵水轮机的最大引用流量 Q 取水轮机工况效率 T=0.9，根据公式 （4-1）9.81rNrQH 计算得 = 81.18m3/s 9.81 r r N Q H 4.1.3 水泵水轮机的性能参数计算 鉴于丰宁抽水蓄能电站的运行水头介于 350450m,因此由下表和下图水 泵水轮机选型应用范围，可以选用单级混流可逆式水泵水轮机。 表 4-1 各型水泵水轮机适用范围 22 形式 适用水头范围（m）比转速范围（m.kw） 混流式 斜流式 轴流式 贯流式 20600 25200 1540 30 70250 100350 400900 图4-1 可逆式水泵水轮机水头应用范围 1-轴流式 2-斜流式 3-混流式 已知水轮机工况额定水头Hr,利用经验公式，初步选取水轮机比转nst r K H 速nst。 对于Hr400m时考虑用K=2400；对于400mHr200m时考虑用K=2200；对于 Hr200m时考虑用K=2000或K=1800。 表4-2 可逆式水泵水轮机水头与比转速统计关系曲线 根据可逆式水泵水轮机水头与比转速统计关系曲线图，在水轮机工况下，由 23 Hr=417.145m400m，考虑采用K=2400（K为表征水头与比转速的特点的系数）。初 步选取水轮机比转速 =117.51r/min （4-2）st r K n H 2400 417.145 已知水轮机额定功率P（KW）,初步计算单位流量Q11（m3/s）和转轮直径 D（m） Q11=0.0039nst-0.15=0.0039*117.51-0.15=0.31m3/s （4-3） =3.58m1 3/2 118.82 r Nr D Q H 4 3 2 29.9*10 8.82*0.31*(417.145) 初步计算单位转速n11 n 11=78.5+0.0918nst=78.5+0.0918*117.51=89.287r/min （4-4） 同步转速 （4-5） 11 1 89.287* 417.145 509 /min 3.58 r nH nr D 原则上应该选取与之相接近偏大的同步转速，考虑到上述计算仅为试算过 程，且计算值与偏大的同步转速相差很大，与同步转速500r/min,极为相近， 因此选取同步转速n=500r/min。 根据选择的同步转速重新计算上述参数： 比转速 （4-6） 1/24 5/45/4 500* 29.9*10 145.03 /min 417.145 r st r nN nr H 单位流量Q11=0.0039nst-0.15=0.0039*145.03-0.15=0.42r/min （4-7） 转轮直径 m 4 1 1 29.9*10 3.09 9.819.81*0.9*0.42*417.145* 417.145 r rr N D Q HH 用水轮机工况额定点比转速nst和最大水头Hmax计算机组的吸出高度Hs(m) 由经验公式得 0.9550.955 max 9.5(0.00170.008)9.5(0.0017*145.030.008)*427.025 sst HnH =-71.24m 取Hs=-71.0m 4.1.4 水泵水轮机主要尺寸和重量估算 转轮内缘直径: m（4-8） 21st (0.050.06)(0.050.06)*3.09 145.031.8612.233DDn: 取D2=2.16m 导叶高度： 24 1.41.4 01 b0.001 (0.080.12)()0.001 (0.080.12) 3.09 (145.03) st D n: =(0.2620.394)m （4- 9） 取b0=0.36m 转轮总高度： =0.001*(5.45.8)*3.09*(145.03)0.80.001nB : 0. 8 1st （5. 45. 8）D （） =(0.890.96)m （4- 10） 取B=1.00m 导叶轴线的圈围直径： D01.2D1=1.2*3.09=3.71m （4- 11） 导叶数Z0=2024 取Z0=24 座环外径： （4-12） 1 (1.51.7) a DD: 式中系数：小值用于水头H=80m，大值用于水头H=600m。 计算得Da=5.10m，取Db=4.45m。 转轮重量： （4-13） 1 3 GD 式中系数可以由下图查得，它与D2/D1和水头H有关。 计算得G=16.23t。 表4-3 混流式水泵水轮机的各主要尺寸和确定转轮重量的关系曲线 25 4.2 蜗壳与尾水管 4.2.1 蜗壳尺寸 水头范围 389.5m 427.0m40m 采用金属蜗壳，最大包角为。 o 345 蜗壳应尽可能满足两种工况要求，但由于水泵水轮机的外部装有活动和固定 导叶，水泵工况水流通过两道导叶得到相应的扩散，对蜗壳扩散作用要求减少， 尺寸与常规水轮机蜗壳相近，因此，采用与常规水轮机蜗壳一致的算法。 对于高水头混流水轮机，采用圆形焊接或铸造结构蜗壳。 查图 1-1 得，= 10.0m/s c V 表 4-4 蜗壳进口断面平均流速曲线 又已知= 81.18m3/s ，ra= =2.55m，则计算结果如下表 max QaD 2 1 表 4-2 蜗壳各断面尺寸表 断面 0-0345157441245698 1-1300146740175484 2-2255135339035256 i iai(mm) ar maxi i o c (mm) 360 Q V iai 2(mm)Rr 26 3-3210122837785006 4-4165108836384726 5-512092834784406 6-67573432844018 7-73046430143478 4.2.2 尾水管尺寸 参阅抽水蓄能发电技术的相关介绍，抽水蓄能电站的尾水管尺寸与常规 电站的尾水管没有大的差别，故参照 1988 年版提供的常规电站的尺寸作为本电 站的尺寸，具体如下表： 表 4-3 3h/D 34/D D 33/D h 34/D h 35/D h 5 3 B D 31/D L 3 L/D 2.931.241.681240.65 2.5 1.685.71 h 4 D 3 h 4 h 5 h 5 B 1 L L 6.332.68 363 2.68 134 5.4 363 12.33 4.3 发电电动机的类型选择 4.3.1 电动发电机外形尺寸 基于已经确定的水泵水轮机的同步转速 500r/min 和给出的单机容量 P=29 万 KW，参照常规发电机的尺寸估算方法和相应公式，计算发电电动机的主要参数 （部分参数参照已用机型 SF40-12/425）。 27 1.极距 Sf=Nf/cos= 4 30 10 /0.9333333KVA cos,参照已用机型 SF40-12/425，取为 0.9。 =（810）（103.28129.1）cm （4-14） 4 2p f j S K 4 333333 2 6 取=130cm。 校核发电机在飞逸状态下，转子的飞逸线速度 Vf是否在转子材料的允许范围 内。 = V= （4- ff VK V f n n 815.50 130211.9 500 m s 15） 2.定子内径 Di = （4- 2 i p D 2 6 130496.56cm 16） 取Di= 500cm 3.定子铁芯长度lt lt = = （4- f 2 ie S CD n 662 333333 444333 cm 6 108 10500500 : : 17） 表4-4系数 C 冷却方式空冷水冷 额定容 （KVA） C 10000以下 210- 6410-6 1000010 0000 410- 66.510-6 110000 350000 610- 6 810-6 85000350 000 1010- 61310-6 28 取lt为340cm。 4.定子铁芯外径Da(机座号) ne166.7rpm, Da= Di+=500+130=630 （4- 18） Da=630cm 计算结果： ，= 630cmcm130cm500iD340cm t laD 4.3.2 外形尺寸估算 4.3.2.1 平面尺寸估算 定子机座外径D1 ne500rpm D1=1.30Da =1.3630=819 （4-19） 风罩内径D2 Sf 20000KVA D2=D1+2.4m=8.2+2.4=10.6m （4- 20） 转子外径 D3 D3=Di-2=500cm （4- 21） 下机架最大跨度 D4 Sf 100000KVA D4=D5+1.2=4.32+1.2=5.52m （4- 22） 推力轴承外径 D6 查表可得。 计算结果： =820cm， = 630cm，=1060cm，= 500cm，1DaD2D3D = 550cm， = 430cm， = 520cm， = 480cm4D5D6D7D 4.3.2.2 轴向尺寸计算 29 定子机座高度 h1 ne 214r/min =340+2130=340+260=600cm (4-2 1 t lh 23） 上机架高度 h2 采用悬式发电机 h2=0.25Di=0.25500=125cm (4-24) 推力轴承高度 h3励磁机高度 h4副励磁机高度 h5永磁机高度 h6 根据经验确定。 下机架高度 h7 悬式非承载机架 h7=0.12Di=0.12500=60 (4-25) 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 悬式非承载机架 h8=0.15Di=0.15500=75 (4-26) 转子磁轭轴向高度 h10 有风扇时 h10=lt+(7001000)mm=3400+800=420 (4-27) 下机架支承面主主轴法兰底面距离 h9 h9=7001500mm (9)发电机主轴高度 h11 h11=（0.70.9）H=(10221314)cm (4-28) H=h1+h2+ h3+h4+h5+h6 +h8+h9 =600+125+180+220+100+80+75+80=1460 (10)定子铁芯水平中心线至法兰盘底面距 h12 H12=0.46h1+ h8+ h9=0.46600+420=696 (4-29) 计算结果： = 600cm， =125cm， =180cm =220cm =100cm = 1 h2h3h4h5h6h 80cm， = 60cm = 75cm， =800cm， =420cm， = 7h8h9h10h11h 1100cm，=700cm12h 4.3.3 发电机重量估算 （4-30） 3 2 1 ne f KGf 30 式中，K1系数，伞式 K1=810， 发电机转子重=Gf 2 1 计算结果：= 381.57t 2 1 fG 23 1333333 10 2500 4.4 调速设备选择 4.4.1 调速功计算 A=（200250）QD1 maxH （4-31） 4 3 max 29.9 10 79.31/ 9.819.81 427 0.9 r N Qms H A=（200250）79.31 (4-32)427 3.09(576170.64720213.3)30000: 计算得 A=（576170.6720213.3）30000，属于大型调速器，则接力器、调速 柜和油压装置应该分别进行计算和选择。 4.4.2 接力器选择 4.4.2.1 接力器直径的计算 采用两个接力器来操作水轮机的导水机构，选用额定油压为 2.5Mpa，每个接力器 直径 ds由下式计算： ds=D1 (4-33) 0 1 0.36 max427654 3.09 b Hmm D 因此，在水电站表 4-4 中选择与之接近的标准接力器直径 ds=650 4.4.2.2 接力器最大行程 计算 max S 31 图 45 HL120 模型综合特性曲线（使用此图估算） oMmax a 水泵水轮机导叶最大开度 a0max = （4- ooM oMmax oMo 3650 24 25.7206mm 456 24 D Z D Z a 34） (由，查得=25.7mm) 1 1r r 61.5r/min nD H n 3 1max 280m /sQ oMmax a 最大行程Smax = (1.41.8) a0max =11131431mm 取Smax =1.3m (4-35) 4.4.2.3 接力器容积计算 = =0.205 (4-36) max 2 2 SdsVS 2 0.650.309 2 3 m 4.4.2.4 主配压阀直径计算 = (4-37) msS VTVd/13 . 1 1.13 0.205/(4 4.5)0.121m 最终计算得：d121mm 故选用与之相邻而偏大的 DT-150 型电气液压型调速器。 尺寸见表 4-3 表 4-5 32 型号制造厂商 机械柜尺寸 (lbh)mm 基础板尺寸 (LB)mm 电器柜尺寸 (MNH)mm DT-150东方电机厂75095013751200 15005508042360 图 4-6 4.4.3 油压装置 VK=20VS =200.205=4.1m3 (4-38) 计算得 VK =故选用与之相邻而偏大的 YS-8 型油压装置。 选用分离式油压装置 YS-8 表 4-6 油压装置尺寸 型号 容积 V0 m3 筒外径 D1 mm 基础架外径 D0 Mm 总高 H mm 桶高 h mm YS-881848217841503175 型号 油箱长度 m油箱宽度 n油箱体高 k油箱总高 L 33 表 4-7 回油箱尺寸 4.5 进水阀的选择 考虑到丰宁抽水蓄能电站输水系统较长，且采用集中供水的方式，每台机组 上游侧需设置进 水阀。因丰宁抽水蓄能电站的设计水头较大 Hr=417.145m200m，所以选用球 阀。 选用 QF-200-500 的球阀，其油压装置定为 YS-4，选用旁通阀的直径取 0.4mm，空气阀的直径取 =0.3m，为便于进水阀安装有拆卸，附设伸缩节。 4.6 主厂房主要尺寸的拟定 4.6.1 高度方向尺寸的确定 1. 可逆式机组安装高程 对于立轴机组，其安装高程为： =1040-71+0.36/2=969.18m 0 2 Sws b ZZH 计算得=969.18m。 S Z mmmmmmmm YS-82560280014402658 34 2.尾水管底板高程 尾水管底板高程=969.18-0.36/2-6.798=962.2m 0 2 b h 安 尾水管底板高程为 962.2m。 3.水轮机层地面高程 水轮机层地面高程=水轮机安装高程+蜗壳进口断面半径+蜗