引水式日调节电站毕业设计(doc 65页).doc

河北工程大学毕业设计 论文 I 目录目录 第第 1 章章 工程概况工程概况 1 1 1 工程概况 1 1 1 1 流域概况 1 1 1 2 流域开发概况 1 1 1 3 该枢纽的兴建在国民经济中的意义 1 1 2 水库及主要建筑物的特征 1 第第 2 章章 基本资料基本资料 3 2 1 水文特征 3 2 1 1 年径流 3 2 1 2 设计洪水 3 2 1 3 年沙量及气象 4 2 2 工程地质 4 2 2 1 地质概况 4 2 2 2 厂区工程地质条件和问题 4 2 2 3 对外交通 5 2 2 4 建筑材料 5 第第 3 章章 水轮机选型设计水轮机选型设计 6 3 1 机组台数与单机容量的选择 6 3 1 1 水轮机的选型原则和任务 6 3 1 2 机组台数的选择 6 3 1 3 单机容量的选择 8 3 2 水轮机特征水头的确定 8 3 2 1 最大水头 8 max H 3 2 2 最小水头 9 min H 3 2 3 设计水头 10 r H 3 2 4 加权平均水头 10 av H 3 3 水轮机型号及主要参数的选择 10 3 3 1 水轮机型号的选择 10 3 3 2 HL220 型水轮机方案的主要参数选择 10 3 3 3 HL230 型水轮机方案的主要参数选择 14 3 3 4 两种方案的比较分析 18 3 4 蜗壳的形式和尺寸的确定 18 河北工程大学毕业设计 论文 II 3 4 1 蜗壳形式的选择 18 3 4 2 蜗壳设计的基本要求 19 3 4 3 蜗壳主要参数的选择 19 3 4 4 蜗壳的水力计算 20 3 5 尾水管形式和尺寸的确定 23 3 5 1 尾水管形式的选择 23 3 5 2 尾水管尺寸的确定 24 3 5 3 尾水管的局部尺寸变动 26 3 6 调速器的选择 26 3 6 1 调速器形式的选择 26 3 6 2 调速器工作容量的计算 27 3 7 发电机的选择 30 3 7 1 发电机的形式 30 3 7 2 水轮发电机的尺寸和重量 31 第第 4 章章 压力管道及调压室的初步设计压力管道及调压室的初步设计 32 4 1 压力管道的类型的选择 32 4 2 压力管道供水方式及分岔管类型的选择 32 4 2 1 供水方式 32 4 2 2 分岔管 33 4 3 压力管道的引近方式和进水方式的选择 34 4 3 1 引进方式 34 4 3 2 进水方式 35 4 4 压力管道尺寸 36 4 4 1 压力管道直径 36 4 5 调压室的初步设计 36 4 5 1 调压室的类型和布置方式 36 4 5 2 调压室的水位波动计算 38 第第 5 章章 枢纽总体布置枢纽总体布置 40 5 1 厂房建筑物的组成 40 5 1 1 水电站厂房建筑物的组成 40 5 1 2 水电站厂房的基本类型 40 5 2 厂区布置的原则 41 5 3 厂房枢纽布置 41 河北工程大学毕业设计 论文 III 5 3 1 主厂房 41 5 3 2 副厂房 42 5 3 3 变电站 42 第第 6 章章 水电站厂房设计水电站厂房设计 43 6 1 概述 43 6 1 1 水电站厂房的作用 43 6 1 2 水电站厂房的基本要求 43 6 1 3 水电站厂房的基本类型 43 6 1 4 水电站厂房的组成 44 6 2 厂房内部布置 45 6 2 1 下部块体结构的布置 45 6 2 2 水轮机层布置 46 6 2 3 发电机层布置 49 6 2 4 尾水平台布置 52 6 2 5 厂房的交通 采光 通风 防潮 采暖 保安防火 52 6 3 厂房轮廓尺寸的确定 53 6 3 1 主厂房长度 53 6 3 2 主厂房的宽度 54 6 3 3 主厂房的高度 55 6 4 厂房结构布置 57 6 4 1 概述 57 6 4 2 主厂房的分缝与止水 58 6 4 3 主厂房结构系统的传力过程 58 6 4 4 主厂房结构组成及作用 58 结束语结束语 60 谢辞谢辞 61 参考文献参考文献 62 河北工程大学毕业设计 论文 1 第第 1 章章 工程概况工程概况 1 11 1 工程概况工程概况 1 1 11 1 1 流域概况流域概况 永定河为河海流域五大水系之一 上游分为两大水系 北支为洋河 南支为桑干 河 在官厅以上 30km 处的朱关屯汇合 永定河在官厅以上流域面积为 47000km2 永定 河自官厅至三家店河道 110km 落差 330m 平均坡降 1 300 区间流域面积 1600km2 河道穿行于军都山峡谷之中 统称为官厅山峡 官厅水库于 1955 年建成 运用以来对 防洪起了巨大作用 经水库调蓄上游来水 均匀下泄 以满足下游工农用水的需要 1 1 21 1 2 流域开发概况流域开发概况 官厅山峡流域具有丰富的水资源 目前已经开发的有 官厅水电站 下马岭水电 站 下苇店水电站 以及下游的三家店水闸等 同时在官厅山峡的下游 又建造了梯 级开发电站 即安家庄 I II 级电站 1 1 31 1 3 该枢纽的兴建在国民经济中的意义该枢纽的兴建在国民经济中的意义 该电站为引水式日调节电站 在华北电网上担任峰荷与调相任务 对改变华北地 区用电紧张状态 充分合理利用水能资源 缓解电力系统高峰供电的紧张状态起积极 作用 向阳口 II 级电站的兴建 对提高京津唐电力系统的灵活性 充分利用水能 具 有十分重要的意义 1 21 2 水库及主要建筑物的特征水库及主要建筑物的特征 该电站在系统中担任调峰与调相的任务 其日调节水库为大青岩水库 入库径流 由官厅水库控制 所以用官厅水库下泄流量作为本电站的发电水量 而官厅水库的出 库年径流系列及均值为 14 04 亿立米 1955 1972 年 作为大青岩水库入库系列的均 值 电站首部为拦河坝 位于丰沙线沿河城车站和幽州车站之间的大青岩坝址上游距 幽州车站 2 8km 下有距沿河城车站 3 2km 拦河坝采用重力坝 其主要数据如下 最大坝高 27 5m 坝顶高 5 0m 坝长 112 5m 正常高水位 409 0m 最高洪水位 409 0m 河北工程大学毕业设计 论文 2 死水位 405 0m 总库容 645 万 3 m 调节库容 245 万 3 m 坝顶高程 411 0m 最大泄流量 2200 sm3 溢流坝段长 27 5m 非溢流段长 27 5m 最大单宽流量 32 7 sm3 发电引水隧洞全长 4876 6m 进口底高程 395 0m 纵坡 2 3 圆形断面 洞径 7 5m 沿洞线主要穿过中厚层硅质灰岩 走向与洞线近正交 中段穿过霏细岩石 冲 沙导流隧洞位于拦河坝左岸 施工期间可作导流用 建成后用以冲砂 放空水库及分 泄部分洪水用 洞长 219 8m 直径 5 0m 进口底高程 388 0m 纵坡 6 6 出口底高 程 388 5m 其最大最小流量分别为 156和 126 为了利于冲砂以保护发电洞 sm3sm3 冲砂洞进口在坝上有 30m 处 位于发电洞下部 形成双层进水口 高压管道穿过薄层 厚层和中层硅质灰岩 穿过 F5 断层 主管直径 3 4m 高压管道全部采用钢板衬砌 电站厂房在向阳口村上游 300m 处 靠永定河左岸 该处河岸为 70m 高的陡壁 厂 址放在断层下盘紧靠陡壁的基岩上 考虑到沿河城大断层为活动性断面 因此 将变 电站与厂房按 一 字型布置在断层底基岩上 河北工程大学毕业设计 论文 3 第第 2 章章 基本资料基本资料 2 12 1 水文特征水文特征 2 1 12 1 1 年径流年径流 向阳口 级水电站的日调节水库为大青岩水库 入库径流由上游的官厅水库控制 故官厅水库的下泄水量作为本电站的发电水量 区间来水很少 考虑该部分水量可与 水库蒸发及水流下泄的沿程损失互为补偿 所以不另行计算 官厅水库出库年水量采用官厅建库运行以来 1955 1972 的 17 年出库年径流系 列及均值 14 04 亿立米作为大青岩水库的入库系列和均值 表 2 1 17 年的出库年径流系列 流量单位 亿 3 m 时段55 5656 5757 5858 5959 6060 6161 6262 6363 64 流量 23 686 26418 814 4127 7413 3813 8215 627 3 时段 64 6565 6666 6767 6868 6969 7070 7171 72 流量 17 82 10 517 5718 1711 4811 9112 637 54 2 1 22 1 2 设计洪水设计洪水 坝址 厂址的洪水由两部分组成 其一为官厅 大青岩 官厅 向阳口的区 间洪水 其二为官厅水库下泄洪水 厂址的设计洪水按官厅 向阳口间 50 年一遇洪水加官厅水库下泄 600计算 sm3 校核洪水按区间 50 年一遇洪水加官厅下泄 600计算 sm3 表 2 2 洪峰流量 sm3 断面设计校核 大青岩坝址910 600 15101600 600 2200 向阳口厂址1800 600 24003000 600 3600 表 2 3 向阳口 II 级电站尾水位与流量关系如下表 水位 m 348 6349 5350351352 流量 sm3058106265480 水位 m 353354355356357 流量 sm37601150175025703540 河北工程大学毕业设计 论文 4 2 1 32 1 3 年沙量及气象年沙量及气象 大青岩入库沙量 主要由官厅水库下泄沙量决定 自 1955 1972 年资料 官厅水 库下泄沙量的均值为 163 万吨 可作为大青岩水库年均入库泥沙量 本流域处于山区 夏季炎热多雨 冬季寒冷少雨 年平均降雨量 536mm 主要集中在 7 8 月份 各年平 均气温变化不大 均值约为 11 7 年内气温变化大 六月份最高气温 40 2 二月 份最低气温 22 9 2 22 2 工程地质工程地质 2 2 12 2 1 地质概况地质概况 永定河由官厅流入官厅山峡 出三家店流向华北平原 河道宽约 50 150m 河床 是不对称得阶梯状 河流两岸山涧沟谷发育与河床呈羽毛状排列 切割较深 河床坡 底较陡 呈 V 字型 工作区出露的岩石 主要为远古界震旦系蓟县统 雾逆山咀硅质灰岩 含砾石英 砂岩 还有少量零分布的火层岩和变质岩 第四系松散堆积物主要是河床冲积层和山 坡上的堆积物及崩积物 向阳口区以沿河城大断裂为代表的祁吕贺兰山字型起控制作 用 本区断裂构造较发育 主要由三组 一组走向 NM320 340 一组走向为 NE20 40 一 组走向为 NE50 70 另外层间错动为较发育 基本顺层 局部均层断裂互相交错 构 成棋盘格式 但由于主要应力的不均衡性 北东向一组数量少 本地区地震烈度 根据地震地质大队建议 基本烈度为 7 度 本区河水 地下水 对混凝土无侵蚀性 2 2 22 2 2 厂区工程地质条件和问题厂区工程地质条件和问题 厂区位于向阳口村的西南侧 永定河左岸 岸坡陡立 成 65 76 度角与河床沙砾 石层相接 山坡局部为坡积物所覆盖 陡崖岩体为震旦纪雾迷山咀硅质条带灰岩 陡 坡顶以上缓坡部分为顺层侵入的霏细石 厂区的地质构造主要受沿河大断层的控制 该断层沿左岸坡角切过 走向 NE60 倾 向 SE 倾角 70 断层在平面上呈舒缓坡状 破碎带宽度较大 在本区近 300m 是祁 吕系代表性断裂 近期活动比较明显 本区是可以修建厂房的 但厂房时应该在断层的一盘 下盘紧靠陡崖 为宜 调压井跨度较大 据目前资料分析井筒下部三分之二段处于巨厚层硅质灰质岩中 岩坡平缓 倾角 3 度 对洞壁稳定是有利的 但上部三分之一处于霏细岩中 高角度 裂隙发育对洞壁及洞顶稳定均十分不利 设计时应引起重视 河北工程大学毕业设计 论文 5 高压管道段一般布置在工程地质条件较好 只在叉管水平段因岩层产状平缓 且 临近沿河城大断裂 岩石相对破碎 工程地质条件稍差 应做好衬砌和防渗措施 各 段 f k 建议如下 表 2 4 f k 桩号布置措施 桩号4 889 6 4 922 1 4 951 6 4 983 75 5 021 1 F4 6 4 3 4 1 K600 250 320 320 400 60 厂房设置在沿河城大断裂北西侧一盘上 厂基岩石为中厚硅质灰岩 由于受断层 影响 完整性稍差 但其承载力已满足要求 过厂基的断层规模不大 对建筑物稳定 性无影响 只按一般断层处理即可 厂房后边坡完整性较好 建议按 75 度削坡 但对 中下部之薄层硅质灰岩 建议进行表面喷浆保护 以防其在外力作用下风化坍塌 2 2 32 2 3 对外交通对外交通 现有交通运输条件 有丰 台 沙 城 铁路沿本工程附近通过 距坝址附近车 站为丰沙 I 线 幽州车站 在坝址上游约 2 3km 和沿河城车站 在坝址下游约 3 2km 距厂址约 9km 对外交通公路 现有沿河城村至斋堂的简易公路 接斋堂至雁 翅通往北京的公路干线 可通汽车 由沿河城至斋堂的公路大约 1 5km 目标较低 需 进行适当的修善 可达四级标准 可作为电厂永久对外交通线 施工场内交通 拟将旧同 大同 塘公路适当修善 作为施工期主要场内交通 其中由大青岩坝址至向阳口厂址间约 13km 长的公路做成永久公路 大部件 主变压器 运输重 40 多吨 运输拟由沿河城车站或雁翅车站卸车后 用 60 吨拖车由公路运至厂 区 2 2 42 2 4 建筑材料建筑材料 料厂位于沿河城村附近 距大青岩坝址 7 9km 距厂址 4 6km 运距较远 但交通 方便 位于同塘公路线上 存在的问题是占农口较多 储量可满足要求 质量除含泥 量较大 施工需进行冲洗外 一般也满足要求 河北工程大学毕业设计 论文 6 第第 3 章章 水轮机选型设计水轮机选型设计 水轮机是水电站中最主要的动力设备之一 它关系到水电站的工程投资 安全运 行和经济效益等重大问题 因此在水能规划的基础上 根据水电站水头和负荷的工作 范围 正确地进行水轮机选择是水电站设计的主要任务之一 3 13 1 机组台数与单机容量的选择机组台数与单机容量的选择 3 1 13 1 1 水轮机的选型原则和任务水轮机的选型原则和任务 一 水轮机选型的一般原则为 1 机型的技术特性应适应该电站的水资源条件 2 尽可能缩短水电站的施工期 使机组早日投产 满足国民经济的需要 3 水轮机的运行稳定可靠 机动灵活 满足安全供电 4 力求水轮机的平均效率较高 使水电站获得较大的动能效益 尽可能降低水 电站造价 做到经济合理 5 考虑到供货的现实性 中小型水电站的水轮机要符合通用化 系列化 标准 化 的要求 6 水轮机的制造 运输 安装 运行方便 上述原则应根据水电站的具体条件 权衡利弊 选出技术上先进可靠 经济上合 理的水轮机方案 二 水轮机选型的主要任务是 1 确定水轮机的特征水头 最大水头 最小水头 设计水头 加权平均水头等 2 选择水轮机的台数和型号 3 选定水轮机的标称直径 额定转速 吸出高程 安装高程等参数 4 确定水轮机的蜗壳和尾水管的型式和尺寸 5 确定调速器 油压装置的型式和尺寸 6 估算发电机的尺寸和重量等 3 1 23 1 2 机组台数的选择机组台数的选择 水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积 根据已确定的装机容量可以 拟定出不同的机组台数方案 当机组台数不同时 单机容量不同 水轮机的转轮直径 转速也就不同 有时甚至水轮机的型号也会改变 从而引起水电站的工程投资 运行 效率 运行条件以及产品供应等情况的变化 目前上不可能从理论计算上求得合理的单机容量 因此在选择机组台数时应从下 河北工程大学毕业设计 论文 7 列几方面综合考虑 1 机组台数与机电设备制造的关系 机组台增多时 机组单机容量减小 尺寸减小 因而制造及运输都比较容易 这 时由于制造能力和运输条件较差的地区是有利的 但实际上小机组单位千瓦消耗的材 料多 制造也较麻烦 故一般都希望选择较大的机组 2 机组台数与水电站投资的关系 机组台数较多时 不仅机组本身的单位千瓦造价较高 而且随着机组台数的增加 相应的阀门 管道 调速器 辅助设备和电器设备的套数就要增加 电器结线也较复 杂 厂房平面尺寸也需加大 机组的安装维护工作量也将增加 因此从这些方面来看 水电站的单位千瓦的投资将随机组台数的增加而增加 但另一方面 采用小机组则厂 房的起重能力 安装场地 基坑开挖量都可缩减 因此又可减少一些水电站的投资 总的来说机组台数变化要引起水电站投资变化 在大多数情况下 机组台数增多将增 大投资 3 机组台数与水电站运行效率的关系 当机组数目不同时水电站水轮机的平均效率也不同 机组台数增多能够增加水电 站的电能 但当增多到一定程度 在增多时对水电站的运行效率就不会有显著的影响 了 当水电站在电力系统中担任基荷工作时 选择机组台数少 可使水轮机在较长时 间内以最优工况运行 使水电站保持较高的平均效率 当水电站担任系统尖峰负荷时 由于负荷经常变化 而且幅度较大 为使每台机组都可以高效率工作 就需要更多的 机组台数 此外 由于水轮机类型的不同 机组台数对水电站平均效率的影响也不同 如 轴流转桨式水轮机 犹豫其高效率区比较宽广 单机效率变化比较平稳 故机组台数 的增减对水电站平均效率的影响不大 但对轴流定桨式水轮机 当出力变化时效率变 化就比较剧烈 因此增加机组台数 对于提高水电站的平均效率就比较显著 4 机组台数与水电站运行维护工作的关系 当机组台数较多时 单机容量就小 水电站的运行方式机动灵活 机组发生事故 后所产生的影响小 检修也较容易安排 但因运行操作次数随之增加 发生事故的几 率增高了 同时管理人员增多 运行费用也提高了 因此不宜选用过多的机组台数 上述各种因素既相互联系又相互影响 不可能都一一满足 所以在选择机组台数 时应针对电站具体情况而定 为了水电站运行的可靠性和灵活性 一般不少于两台且 大多数情况下机组台数用偶数 同时为了制造 安装 运行维护及设备供应的方便 在一个水电站内尽可能的选用同一型号的机组 本设计为引水式水电站 电站的总装机容量为 6 万千瓦 属中型水电站 2 5 万 kw N 25 万 kw 我国建成的中型水电站一般选用 46 台机组 由于上述各种因素互 河北工程大学毕业设计 论文 8 相影响 遵循上述原则并结合电站具体情况本设计选用 4 台机组 3 1 33 1 3 单机容量的选择单机容量的选择 水轮机的单机容量 N 为 3 1 万 总 kw n N N 式中 总的装机容量 本设计为 6 万 kw 总 N n 机组台数 本设计为 4 台 将数据代入上式得 N6 N 1 5kw n4 总 万 水轮机的额定出力为 3 2 r N Nkw n 总 式中 水轮机的效率 本设计取 98 n 机组台数 本设计为 4 台 将以上数据带入公式得 4 4 r 6 10 1 5306 10 4 98 NKW 3 23 2 水轮机特征水头的确定水轮机特征水头的确定 水轮机型号的选择中起主要作用的是水头 水轮机的任一工作状况的工作性能可 采用水轮机的水头 流量 效率 出力和转速等工作参数之间的关系来描述 水轮机的水头也称工作水头 指单位重量水体通过水轮机时能量减小值 水轮机 水头随电站上 下游水位而变化 为此常用最大水头 最小水头 设计水头来表征水 轮机的运行范围和工作特性 3 2 13 2 1 最大水头最大水头 max H 最大水头 是允许水轮机运行的最大净水头 通常由水轮机强度所决定 可 max H 由下式进行估算 水轮机出力 3 3 kwQH81 9 N 式中 通过水电站水轮机的流量 m s Q H 水电站的净水头 为水电站上 下游水位之差减去各种水头损失 m 水电站效率 小于 1 等于水轮机效率 机 发电机效率 电及机组传 动效率 传的乘积 本设计取 80 试算 河北工程大学毕业设计 论文 9 1 初选定 由表 2 3 查得时 相应的 s20mQ 3 s0mQ 3 m 6 348Z 下 时 相应的 用内插法计算出时 相应的 s58mQ 3 m 5 349Z 下 s20mQ 3 已知 考虑沿程等水头损失 则m91 348Z 下 m 0 409Z 上 8 0 3 4 m29 58 91 348 0 40997 0 ZZ97 0 H1 下上 1 N9 81 0 8 20 58 29 9149 kw 2 选定 由表 2 3 查得相应的 s58mQ 3 m 5 349Z 下 m72 57 5 3490 40997 0 ZZ97 0H2 下上 2 N9 81 0 8 58 57 72 26273 22kw 而实际 介于 9149kw 与 26273 22kw 之间 所以实际最大水头介于kw15000N 58 29m 与 57 72m 之间 再用内插法算得 此时对应的 m09 58Hmax s33 57mQ 3 m11 349Z 下 故最大水头为 m09 58Hmax 3 2 23 2 2 最小水头最小水头 min H 最小水头 是保证水轮机安全稳定运行的最小净水头 当 4 台机组同时发电 min H 时 所对应的流量也同理由试算法求得 负荷出力应与相接近 kw6N万 1 令 查表 2 3 得 已知 3 Q106m s m350Z 下 m405Z 上 1 H0 97 ZZ 0 97405350 53 35 m 下上 1 N9 81 0 8 106 53 35 44381 kw 2 选定 由表 2 3 查得相应的 已知 s265mQ 3 m351Z 下 m405Z 上 m38 52 35140597 0 ZZ97 0H2 上下 河北工程大学毕业设计 论文 10 2 N9 81 0 8 265 52 38 108936 kw 同理由内差法算出当时 相应的 故最kw60000N m11 53Hmin s146mQ 3 小水头 m11 53Hmin 3 2 33 2 3 设计水头设计水头 r H 3 5 m52 55 1 11 53 09 58 09 58 4 1 H H H 4H 2 2 min max max r 所以设计水头 相应的设计流量 m52 55Hr s137 7mQ 3 3 2 43 2 4 加权平均水头加权平均水头 av H 加权平均水头 是一定期间所有可能出现的水轮机水头的加权平均值 是水轮 av H 机在其附近运行时间最长的净水头 已知该电站为引水式水电站 所以 m52 55HH rav 3 33 3 水轮机型号及主要参数的选择水轮机型号及主要参数的选择 3 3 13 3 1 水轮机型号的选择水轮机型号的选择 水轮机型号的选择是在已知机组单机容量和各种特征水头的情况下进行的 一般 有根据水轮机系列型谱选择和采用套用机组两种方法 本设计根据水轮机系列型谱进 行选择 每种型号的水轮机都有其适用的水头范围 由此根据水电站的水头情况 可直接 从型谱表中选择出适合于该水电站的水轮机型号 有时可能选出两种型号同时都能适 用 这样可将两种机型均列入比较方案进行比较 根据该水电站的水头变化范围 53 11 58 09m 在水轮机系列型谱表 3 4 水 电站 第三版 河海大学 刘启钊主编 中查出合适的机型有 HL220 和 HL230 两种 现 将这两种水轮机作为初选方案 分别求出其相关参数 并进行比较分析 河北工程大学毕业设计 论文 11 3 3 23 3 2 HL220HL220 型水轮机方案的主要参数选择型水轮机方案的主要参数选择 HL220 型水轮机适用水头为 50 85m 模型具体参数如下表 3 1 所示 表 3 1 HL220 型水轮机模型转轮主要参数表 模型转轮最优工况限制工况 直径 D1 mm 叶 片 数 Z1 导叶 相对 高度 b0 D1 单位转 速 n 10 r min 单位 流量 Q 10 L s 效率 气蚀 系数 比 转 速 ns 单位 流量 Q 1 L s 效率 气蚀 系数 460140 2570 0100091 00 115255115089 00 133 1 转轮直径的计算 1 D 3 6 2 3 r 1 r 1 Q81 9 N D H 式中 水轮机标称直径 1 D 模型水轮机在限制工况下的单位流量 查得 1 Q sm15 1 L s1150Q 3 1 设计水头 r Hm52 55Hr 与工况点相对应的原型效率 假设 1 Q92 水轮机额定出力 r N 15306NrkW 将数据代入上式得 1 3 2 15306 D 9 81 1 15 55 520 92 1 89 m 查 水电站 第三版 河海大学 刘启钊主编 表 1 2 选用与其接近而偏大的标称 直径 m0 2D1 2 转速 n 的计算 3 7 1 1 D Hn n 式中 单位转速采用最优工况下单位转速 1 nr min 0 70 10 n 采用加权平均水头 Hm52 55Hav 河北工程大学毕业设计 论文 12 采选定的标称直径 1 Dm0 2D1 将数据代入上式得 7055 52 2 0 260 79 r min n 查 水电站 第三版 河海大学 刘启钊主编 表 1 1 选用与其接近的同步转速 磁极对数 min 300rn 10P 3 效率及单位参数修正 查表可得 HL220 型水轮机在最优工况下的模型最高效率为 模型转 0 91 Mmax 轮直径为 m460 0 D1M 原型水轮机的最高效率 3 8 1 5 maxmax 1 1 1 M M D D 933 0 0 2 460 0 910 0 1 1 5 效率修正值 考虑原型与模型水轮机在制造工艺质量上的差异 取修正值 3 1 3 9 01 0 013 0 910 0 933 0 Mmaxmax 原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为 3 10 92 0 01 0 91 0 Mmaxmax 3 11 90 0 01 0 89 0 M 单位转速的修正 河北工程大学毕业设计 论文 13 3 12 03 0 0055 0 1 91 0 92 0 1 maxM max 10 1 n n 由于 3 0 按规定单位转速可不加修正 同时 单位流量也可不加修正 1 10 n n 1 Q 由上可见 原假定的 是正确的 那么上述计算及选92 1 Q M 1 Q 10M 10 nn 用的结果 也是正确的 m0 2D1 r min300n 4 工作范围的检验 在选定 后 水轮机的及几个特征水头相对应的m0 2D1 r min300n max1 Q 即可计算出来 1 n 水轮机在 下工作时 其即为故 r H r N max1 Q 3 13 r 1max 2 1rr N Q 9 81D HH 2 15306 9 81 2 055 5255 520 92 1 025 1 15 m3 s 则水轮机的最大引用流量为 3 14 2 max1max1r QQDH 1 025 2 02 52 55 30 45m3 s 与特征水头 相对应的单位转速为 max H min H r H 1 1min max nD300 2 0 n78 72r min H58 09 3 15 r min33 82 11 53 0 2300 H nD n min 1 1max r min52 80 52 55 0 2300 H nD n r 1 1r 5 吸出高度 Hs的计算 由下式进行水轮机吸出高度的计算 河北工程大学毕业设计 论文 14 3 16 H 900 10H ms 式中 水轮安装位置的海拔高程 在初始计算是可取为最大水头对应的下游 尾水位 本设计为 349 11m 模型气蚀系数 各种工况下的可从该型号水轮机模型综合 m m 特性曲线中查取 气蚀系数的修正值 可根据设计水头由 水电站 第三版 r H 河海大学 刘启钊主编 图 2 26 查取 水轮机水头 H 列表计算 如下表 3 2 表 3 2 吸出高度计算表 项目最大水头设计水头最小水头 水头 m 58 0955 5253 11 单位转速 1 n78 7280 5282 33 气蚀系数 0 1260 1290 13 修正值 0 0190 0190 019 H 8 4238 2177 791 吸出高度 m s H 1 1891 3951 821 采用最小值 确定水轮机安装高程 s H1 1894mm 6 水轮机安装高程 立轴混流式水轮机采用下式计算水轮机的安装高程 3 17 2 b HZ 0 sws 式中 下游最低尾水位 348 6m w w 导水叶高度 由导叶相对高度可得 0 5 0 b25 0D b 10 0 b 将数据代入上式得 348 6 1 189 0 5 2 350 04 m s Z 3 3 33 3 3 HL230HL230 型水轮机方案的主要参数选择型水轮机方案的主要参数选择 HL230 型水轮机适用水头为 35 65m 模型具体参数如下表 3 3 所示 表 3 3 HL230 型水轮机模型转轮主要参数表 模型转轮导叶相 对高度 最优工况限制工况 河北工程大学毕业设计 论文 15 直径 D1 mm 叶 片 数 Z1 b0 D1 单位转 速 n 10 r min 单位 流量 Q 10 L s 效率 气 蚀 系 数 比 转 速 ns 单位 流量 Q 1 L s 效率 气蚀 系数 404150 31571 091390 7247111085 20 17 1 转轮直径的计算 1 D 2 3 r 1 r 1 Q81 9 N D H 式中 水轮机标称直径 1 D 原型水轮机在限制工况下的单位流量 查得 1 Q sm11 1 L s1110Q 3 1 设计水头 r Hm52 55Hr 与 工况点相对应的原型效率 取 1 Q92 水轮机额定出力 r N r N15306kw 将数据代入上式得 1 3 2 15306 D1 922 9 81 1 11 55 520 92 m 查 水电站 第三版 河海大学 刘启钊主编 表 1 2 选用与其接近而偏大的标称 直径 m0 2D1 2 转速 n 的计算 1 1 D Hn n 式中 单位转速采用最优工况下单位转速 r min 1 n 0 71 10 n 采用加权平均水头 Hm52 55Hav 采选定的标称直径 1 Dm0 2D1 将数据代入上式得 min 52 264 0 2 52 5571 r n 查 水电站 第三版 河海大学 刘启钊主编 表 1 1 选用与其接近的同步转速 磁极对数 min 300rn 10P 河北工程大学毕业设计 论文 16 3 效率及单位参数修正 查表可得 HL230 型水轮机在最优工况下的模型最高效率为 模型转 7 90 Mmax 轮直径为 m404 0 D1M 原型水轮机的最高效率为 Mmax 1M 5 max 1 D 1 1 D 5 0 404 1 1 0 907 0 932 2 0 效率修正值 考虑原型与模型水轮机在制造工艺质量上的差异 取修正值 1 015 0 01 0 907 0 932 0 Mmaxmax 原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为 922 0 015 0 907 0 Mmaxmax 867 0 015 0 852 0 M 单位转速的修正 max1 10Mmax 1 92 2 1 90 7 n n 0 008 0 03 由于 3 0 按规定单位转速可不加修正 同时 单位流量也可不加修正 1 10 n n 1 Q 由上可见 原假定的 是正确的 那么上述计算及选92 1 Q M 1 Q 10M 10 nn 用的结果 也是正确的 m0 2D1 r min300n 4 工作范围的检验 在选定 后 水轮机的及个特征水头相对应的即m0 2D1 r min300n max1 Q 1 n 可计算出来 水轮机在 下工作时 其即为故 r H r N max1 Q 河北工程大学毕业设计 论文 17 1 025 1 11 m3 s r 1max 2 1rr N Q 9 81D HH 2 15306 9 81 2 055 5255 520 92 则水轮机的最大引用流量为 2 max1max1r QQDH 1 025 2 02 52 55 30 545m3 s 与特征水头 相对应的单位转速为 max H min H r H 1 1min max nD300 2 0 n78 72r min H58 09 r min33 82 11 53 0 2300 H nD n min 1 1max r min52 80 52 55 0 2300 H nD n r 1 1r 5 吸出高度 Hs的计算 由下式进行水轮机吸出高度的计算 H 900 10H ms 式中 水轮安装位置的海拔高程 在初始计算是可取为最大水头对应的下游 尾水位 本设计为 349 11m 模型气蚀系数 各种工况下的可从该型号水轮机模型综合 m m 特性曲线中查取 气蚀系数的修正值 可根据设计水头由 水电站 第三版 r H 河海大学 刘启钊主编 图 2 26 查取 水轮机水头 H 列表计算 如表 3 4 表 3 4 吸出高度计算表 项目最大水头设计水头最小水头 水头 m 58 0955 5253 11 单位转速 1 n78 7280 5282 33 气蚀系数 0 1900 1870 185 修正值 0 0210 0220 022 H 12 25711 60410 994 河北工程大学毕业设计 论文 18 吸出高度 m s H 2 644 1 991 1 382 采用最小值 确定水轮机安装高程 s H2 6444mm 6 水轮机安装高程 立轴混流式水轮机采用下式计算水轮机的安装高程 2 b HZ 0 sws 式中 下游最低尾水位 348 6m w w 导水叶高度 由导叶相对高度可得 0 63 0 b315 0D b 10 0 b 将数据代入上式得 348 6 2 644 0 63 2 s Z 346 27m 3 3 43 3 4 两种方案的比较分析两种方案的比较分析 为了便于比较分析 现将这两种的有关参数列入下表 3 5 表 3 5 HL220 和 HL230 水轮机方案参数对照表 序号项目HL220HL230 1推荐使用的水头范围 m50 8535 65 2最优单位转速 10 min nr7071 3 模型转轮参数 最优单位流量 L sQ10 11501110 4最高效率 max M 9190 7 5 模型转轮参数 模型气蚀系数 0 1330 170 6工作水头范围 m53 1 58 0953 1 58 09 7转轮直径 mD12 02 0 8转速 min n r300300 9最高效率 max 93 393 2 10额定出力 kwNr1530615306 11最大引用流量 smQ 3 max 31 2431 24 12吸出高度 s H m1 189 2 644 13 原型水轮机参 数 安装高程 s Z m350 04346 27 由上表可见 HL220 型水轮机方案的工作范围包含了较多的高效率区域运行效率较 河北工程大学毕业设计 论文 19 高 气蚀系数较小 安装高程较高 有利于提高年发电量和减小厂房的开挖工程量 而 HL230 水轮机方案的机组转速较高 有利于减小发电机尺寸 降低发电机造价 但 这种机型的水轮机及其调节系统的造价较高 据以上分析 在制造供货方面没有问题 时 初步选用 HL220 型方案较为有利 3 43 4 蜗壳的形式和尺寸的确定蜗壳的形式和尺寸的确定 3 4 13 4 1 蜗壳形式的选择蜗壳形式的选择 蜗壳是反击式水轮机的重要引流部件 根据材料可分为混凝土蜗壳和金属蜗壳两 种 当水头小于 40 米时多采用钢筋混凝土浇制成的蜗壳 简称混凝土蜗壳 当水头大 于 40 米时 由于混凝土结构不能承受过大的内水压力 常采用钢板焊接或铸钢蜗壳 统称金属蜗壳 由于该电站水头大于 40 米 所以选用金属蜗壳 3 4 23 4 2 蜗壳设计的基本要求蜗壳设计的基本要求 1 过水表面应光滑 平顺 水力损失小 2 保证水流均匀 轴对称地流进导水机构 3 水流在流进导水机构前应具有一定的环量 以保证在主要的运行工况下水流 能以较小的冲角进入固定导叶和活动导叶 减小导水机构的水力损失 4 具有合理的断面形状和尺寸 以降低厂房投资及便于倒水机构的接力器和传 动机构的布置 5 具有必要的强度和合适的材料 以保证结构上的可靠性和抵抗水流的冲刷 3 4 33 4 3 蜗壳主要参数的选择蜗壳主要参数的选择 蜗壳的主要参数有蜗壳的包角 蜗壳断面形状和蜗壳进口断面流速 1 蜗壳的包角 从蜗壳的鼻端至蜗壳进口断面之间的夹角称为蜗壳的包角 常用表示 蜗壳的 0 鼻端即为与蜗壳末端连接在一起的那一个特殊固定导叶的出水边 蜗壳包角的大小直接影响蜗壳的平面尺寸 包角大时 接近 360 水轮机流量 全部经蜗壳进口断面进入水轮机 因此进口断面较大 包角较小时 部分流量直接进 入导水机构 经进口断面进入水轮机的流量减少 进口断面尺寸相应减小 包角为 180 时蜗壳宽度最小 对于金属蜗壳 由于其过流量较小 允许的流速较大 因此外形尺寸对厂房造价 影响较小 为了获得良好的水利性能及考虑到其结构和加工工艺条件的限制 一般采 用 345 本设计采用 345 0 河北工程大学毕业设计 论文 20 2 蜗壳的断面形状 金属蜗壳的断面均做成圆形 以改善其受力条件 在接近鼻端 由于和座环蝶形 边光滑过渡及焊接上的需要 断面形状接近于椭圆形 3 蜗壳进口断面流速 c V 蜗壳的进口断面为经过转轮中心与引水道中心线垂直的过水断面 蜗壳进口断面 流速的大小不仅与蜗壳尺寸大小有关 还与蜗壳内水头损失有关 流量相同时 进口 断面流速大 断面尺寸就小 机组间距也可减小 但蜗壳内水头损失就大 流速小 断面尺寸就大 将增加厂房投资 蜗壳进口断面流速可根据下式计算 3 18 rc HaV 式中 设计水头 m r H 与水头及蜗壳材料有关的系数 按下表 3 6 查用 c a 表 3 6 金属蜗壳流速系数 c a 设计水 头 m r H 20406080100150200300 c a1 00 970 910 850 800 710 650 60 金属蜗壳进口允许极限流速为 14 15m s 3 4 43 4 4 蜗壳的水力计算蜗壳的水力计算 通过水力计算确定蜗壳各部分尺寸 由于蜗壳直接与水轮机座环相连 因此必须 知道座环的尺寸 包括高度 外直径 内直径 蜗壳断面形状及设计流量 0 b a D b D 与包角 r Q 0 a 金属蜗壳的计算 b 座环尺寸 图 3 1 金属蜗壳的计算和座环尺寸 河北工程大学毕业设计 论文 21 本设计水轮机具体数据如下表 3 7 所示 表 3 7 水轮机具体数据 转轮直径 D1 设计水头 Hr 设计流量 r Q 座环相对高 度 b0 D1 座环高度 b0 外直径 Da 内直 径 Db 2 0m55 52m31 24m3 s0 250 50m 1 进口断面流速 0 V 本电站的设计水头为 55 52m 由表 3 6 经过内插法算得金属蜗壳流速系数为 0 92 则蜗壳进口断面流速为 c a 0 92 6 86 m s 14 15m s 满足要求 3 19 rc0 HaV 52 55 2 进口断面流量 0 Q 由于水流沿座环均匀进入导水机构及转轮 故经任一蜗壳断面的流量为 Q 3 20 max 360 i i Q Q 式中 表示计算断面与蜗壳尾端断面的夹角 i 水轮机的最大流量 max Q 蜗壳进口断面的流量为当时的流量 即 0 3 0max 0 345 30 4529 18 360360 Q Qm s 3 进口断面面积 0 F 3 21 2 0 0 0 29 18 4 25 6 86 Q Fm V 4 进口断面半径 0 3 22 0 0 4 25 1 16 3 14 F m 5 进口断面中心距 c1 r 3 23 xrr 0c1 3 24 22 00 x h 式中 蝶边 A 处半径 0 r 断面中心距蝶边距离 x 河北工程大学毕业设计 论文 22 蝶形边到导水机构中心线高程 且 0 h 0 0 b h 2 式中 导叶高度 查表 3 1 知 导叶的相对高度 所以m 0 b 0 1 0 25 b D 0 0 5b 误差 取其值为 0 2 将数据代如上式得 2222 c1000 rrh1 81 160 452 87m 6 进口断面外半径 0 R 0c10 Rr2 87 1 164 03m 3 25 7 蜗壳常数C 3 26 0 22 c1c10 22 C rr 345 2 872 871 18 1358 27 8 由蜗壳圆形断面计算图的几何关系得 3 27 2 0 i 0 i i h C r2 C X 3 28 2 i 2 0i Xh 3 29 icii rR 3 30 0cii rrx 表 3 8 金属蜗壳圆形断面计算表 的变化幅度采用 30 i 断 面 号 i C i 0 r C r2 i 0 2 0 h 2 0 i 0 h C r 2 i X 2 i X i ci r i R 03450 251 80 900 2030 831 081 171 172 884 05 河北工程大学毕业设计 论文 23 13150 231 80 830 2030 791 021 041 112 823 93 22850 211 80 760 2030 750 960 921 062 763 82 32550 191 80 680 2030 690 880 770 992 683 67 42250 171 80 610 2030 640 810 660 932 613 54 51950 141 80 500 2030 540 680 460 812 483 29 61650 121 80 430 2030 480 600 360 752 403 15 71350 101 80 360 2030 400 500 250 672 302 97 81050 081 80 290 2030 290 370 140 592 172 76 9750 061 80 220 2030 130 190 040 491 992 48 0 图 3 2 金属蜗壳平面单线图 河北工程大学毕业设计 论文 24 3 53 5 尾水管形式和尺寸的确定尾水管形式和尺寸的确定 尾水管是反击式水轮机过流通道的最后部分 转轮出口的水流通过尾水管将流速 逐渐减小后排入下游 因而尾水管的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 尾水管的作用有 1 汇集并引导转轮出口水流排往下游 2 当时 利用这一高度水流所具有的位能 0H2 3 回收转轮出口水流的部分动能 3 5 13 5 1 尾水管形式的选择尾水管形式的选择 尾水管型式很多 目前常用的有直锥形 弯锥形和弯肘形三种形式 其中直锥形 结构简单 性能最好 可达 80 85 但其下部开挖量较大 因此一般应用于小 w 型水轮机 弯锥形尾水管比直锥形尾水管多了一段圆形等径的弯管 它是常用于小型 卧式水轮机的一种尾水管 由于其转弯段水力损失小大 所以其性能较差 约为 w 40 60 弯肘形尾水管不但可减小尾水管开挖深度 且有良好的水力性能 可达 w 75 80 因此 除贯流式机组外几乎所有的大中型水轮机均采用这种尾水管 所以 本设计采用弯肘形尾水管 3 5 23 5 2 尾水管尺寸的确定尾水管尺寸的确定 弯肘形尾水管由进口直锥段 中间弯肘段和出口扩散管三部分组成 1 进口直锥段 进口直