水电站教学大纲

1、 水 电 站 教 学 大 纲(附: 说明书)河 海 大 学水电系水电站教研室 水 电 站 教 学 大 纲 课程名称：水电站，个学分预修课程：水力学，结构力学水利水电规划水电站电气设备 教授对象：水利水电建筑工程专业 本科班 水 电 站 教 研 室 编. 印一、课 程 内 容第一章 水轮机类型及组成部分水轮机主要类型(反击式、冲击式、混流式、轴流式、可逆式等)及其特点。水轮机工作参数：水头、流量、出力、效率、力矩和转速等。混流式水轮机主要组成部分：转轮、导水机构、蜗壳、尾水管。轴流式水轮机主要组成部分：转轮(轮毂、叶片、泄水锥)、导水机构、蜗壳、尾水管。水斗式水轮机主要组成部分：转轮、喷嘴、折流

2、板。蜗壳的功用和型式：蜗壳主要参数(包角、进口流速)选择。蜗壳主要尺寸的确定。尾水管的功用、类型和主要尺寸的确定。 第二章 水轮机工作原理 水流在转轮中的运动。 水轮机基本方程。 水轮机能量损失及效率：水力损失及水力效率，机械损失及机械效率，流量损失及流量效率。 水轮机汽蚀的物理过程及类型、翼型汽蚀的特性。水轮机的汽蚀系数、吸出高度及安装高程。 第三章 水轮机的特性及选型 水轮机的相似条件：几何相似、运动相似和动力相似。 水轮机的相似定律及相似公式：单位转速、单位流量、比转速。 混流式水轮机主要综合特性曲线：等开度线、等效率线、出力限制线、等汽蚀系数线；轴流式水轮机主要综合特性曲线。 水轮机运

3、转特性曲线、运转特性曲线的绘制、效率修正、飞逸转速。 水轮机台数和型号的确定，用图表选择水轮机主要参数的方法，水轮机选型中方案比较概念。第四章 水轮机调速设备 水轮机调节的任务、水轮机调速器的基本原理、调速器的动特性和静特性、调速器的类型。第五章 水电站的典型布置及组成建筑物 水电站的典型布置：坝式、河床式、引水式。 水电站的组成建筑物：挡水建筑物、泄水建筑物、水电站进水建筑物、水电站引水建筑物、水电站平水建筑物、发电、受电和配电建筑物、其它建筑物。第六章 水电站的进水建筑物 水电站的进水建筑物的功用和要求。 有压进水口的主要类型：洞式、墙式、坝式、塔式。各类进水口的结构布置和适用条件。有压进

4、水口的主要设备：拦污栅、闸门及启闭设备、通气孔及充水阀。 有压进水口的位置、高程及轮廓尺寸。无压进水口及沉沙池。 第七章 水电站的引水渠道和引水隧洞 渠道的功用、要求和类型。渠道的水力计算特点和断面尺寸。压力前池和日调节池。引水隧洞的功用、水力计算特点及断面尺寸。引水隧洞的路线选择。 第八章 水电站的压力管道 压力管道功用和类型：钢管、钢筋混凝土管等。 压力管道的路线选择和供水方式：单元供水、集中供水。 压力管道的水头损失和经济直径。 钢管材料的机械性能、加工性能和化学性能。焊接钢管的管身构造。 明钢管的敷设方式：连续式和分段式。 支墩的类型：滑动式、滚动式、摆动式。 镇墩的布置型式、荷载及轮

5、廓尺寸的确定。 明钢管上的阀门(蝶阀、球阀)和附件(伸缩节、通气孔、人孔)。 明钢管荷载、典型断面管壁应力分析、管壁稳定校核。支承环应力分析特点。 钢岔管的布置和体型，荷载和受力特点。钢岔管的主要类型：贴边岔管、三梁岔管、月牙肋岔管、无梁岔管。 地下埋管的布置型式和构造。钢衬承受内压时的强度计算及承受外压时稳定校核。 坝内埋管的特点。 第九章 水电站的水锤 水锤现象。研究水锤现象的目的。 水锤的基本方程，水锤波的传播速度。 水锤计算解析法：直接水锤和间接水锤，水锤连锁方程，水锤波在水管特性变化处的反射，导叶开度以直线规律变化的水锤，第一相水锤和极限水锤，起始开度和关闭规律对水锤的影响，水锤压力

6、沿管道长度的分布，开度变化终了后的水锤现象。 水锤计算的特征线法：基本原理，连锁方程及其应用。 复杂管径的水锤计算特点。 反击式水轮及水锤计算特点。 机组转速变化计算：调节保证计算的任务和内容，机组转速变化的常用计算公式。 水锤计算条件的选择。减小水锤压力的措施。 *水锤电算简介。第十章 调压室 调压室功用、要求和设置条件。 调压室的工作原理和基本方程。 调压室的基本类型：简单式、阻抗式、双室式、溢流式、差动式、尾水调压室、上下游双调压室系统。 调压室水位波动计算原理，简单式和阻抗式调压室水位波动计算的解析法和逐步积分法。 双室式、溢流式调压室水位波动计算。差动式调压室水位波动计算特点。 “引

7、水道-调压室”系统的工作稳定性：小波动稳定，稳定断面，影响波动稳定的主要因素，大波动稳定的概念。调压室水力计算条件的选择。 *调压室结构布置和结构设计的原理。第十一章 引水式地面厂房的布置设计 水电站厂房的功用及基本类型。 水电站厂房的建筑物组成(主厂房、副厂房、变压器场、高压开关站)和设备组成(水流系统、电流系统、电气控制设备系统、机械控制设备系统、辅助设备系统)。 水电站厂房的分层。 水电站厂房的下部块体结构：水轮机、蜗壳和尾水管，阀门及尾水闸门下部块体结构布置及最小尺寸。电气设备及发电机层：发电机支承结构，发电机层的布置。机械控制系统。 起重设备及安装场：桥式起重机的起重量和台数，桥式起

8、重机的跨度和安装高程，装配场的位置和高程，装配场的面积和高度。 厂房的油、水、气系统。 厂房的采光、通风、取暖、防潮、对外交通、防火保安。 厂区布置：引水道、尾水道及交通路线，变压器场及开关站，副厂房。 主厂房轮廓尺寸的决定。 主厂房结构布置设计：主厂房与副厂房，主厂房的分缝，主厂房的结构系统及其传力情况，构架，屋顶，吊车梁及楼板。装置冲击式水轮机的地面厂房。第十二章 其它类型厂房的特点 坝后式、坝内式、溢流式厂房。 河床式厂房、装置竖轴轴流式水轮机的河床式厂房。装置横轴贯流式水轮机的河床式厂房、泄水式、闸墩式厂房。 地下式厂房类型：首部式、尾部式、中部式。地下厂房洞室布置、断面型式、支护结构

9、。 抽水蓄能电站厂房特点。第十三章 地下厂房结构设计原理 地面厂房的上部结构和下部结构。厂房结构设计内容和特点。 吊车梁、楼板和构架的荷载及组合和计算简图。 发电机圆筒形机墩的荷载及组合，动力计算，强度计算，振幅计算。机墩配筋。金属蜗壳外围结构的受力情况，荷载及组合，计算简图。*蜗壳的配筋。 尾水管的弯肘段和扩散段的荷载及组合，计算简图。*尾水管的配筋。二、习 题 及 实 验(一) 习 题 1. 水轮机选择 2. 水轮机蜗壳尺寸计算 3. 压力管道应力分析 4. 水锤计算 5. 调压室水力计算(二) 实 验 *1.水锤实验 2.调压室水位波动实验三、课 程 设 计 水电站厂房布置设计 注：本大

10、纲中有 * 者可不讲或不做 附：水 电 站教 学 大 纲 说 明 书一、课程的目的和任务本课程为“水利水电建筑工程”专业的主要专业课程之一，其目的和任务是培养学生初步掌握水轮机的工作原理、性能、构造、选型和水电站建筑物设计的基本理论、方法、技能，为今后从事水利水电工程技术工作打下基础。二、课程的基本要求(一) 使学生初步掌握水轮机的工作原理、类型、构造和选型。(二) 使学生初步掌握水电站组成建筑物的类型、功用、与主要设备和其它建筑物的关系，运行及施工的基本要求。(三) 使学生初步掌握水电站的水力计算条件和原理，初步掌握水电站非恒定流及机组过渡过程计算的基本原理和方法。(四) 使学生初步掌握水电

11、站建筑物的受力条件和结构设计原理及方法。(五) 培养学生初步具备设计水电站的能力。三、与其它课程的联系和分工 水利水电规划课程应安排在本课程之前，水电站电气设备课程可安排在本课程之前或与本课程同时开设。 非恒定流的原理及其偏微分方程由水力学课程讲授。隧洞、渠道和渠系建筑物由水工建筑物课程讲授，本课程只介绍水电站隧洞和渠道的特点。四、各章内容的重点、深度和广度第一章 水轮机类型及组成部分 本章的重点是混流式和轴流式水轮机的组成部分，即转轮、导水机构、蜗壳和尾水管。蜗壳和尾水管对厂房结构布置影响较大，对其功用和尺寸的决定应重点讲述。 对反击式、冲击式、混流式、轴流式、可逆式等水轮机的类型及其特点和

12、水头、流量、出力、效率等工作参数应作一般性讲述。第二章 水轮机的工作原理 本章的重点是水流在转轮中的运动、基本方程能量损失。基本方程应讲明假定和最后结果，公式可不作详细推导，水轮机的能量损失及效率重在讲明物理概念。 水轮机的吸出高度和安装高程对厂房结构布置影响较大，为本章的另一重点。对水轮机的气蚀重在讲明其物理概念和过程。第三章 水轮机的特性和选择 水轮机的相似定律(单位转速、单位流量、比转速)和水轮机的特性曲线( 综合特性曲线、运转特性曲线)是水轮机选择的基础， 通过学习可加深学生对水轮机特性的认识，应作为重点进行讲授。混流式水轮机的特性曲线比轴流式的简单，学生易于掌握，这部分的内容应结合混

13、流式水轮机特性曲线讲授。 水轮机的选择以利用图表初步选择水轮机主要参数的方法为主，方案比较的方法可只讲明概念。第四章 水轮机的调速器 本章的任务是讲述水轮机调节的任务和原理，主要是讲明概念。对调速器的特性和类型学生应有一般的了解。第五章 水电站的典型布置及组成建筑物 本章的任务是使学生对水电站的典型布置和组成建筑物在总体上有一定认识，为学习以下各章提供条件。第六章 水电站进水建筑物 本章以有压进水口为重点讲述其功用和要求，主要型式，主要设备，位置，高程和轮廓尺寸的确定。对无压进水口及沉沙池主要讲述其特点。第七章 水电站引水渠道及引水隧洞 本章主要讲述水电站引水渠道及引水隧洞的要求和水力计算特点

14、。其结构设计和其他方面由水工建筑物这门课讲述。第八章 水电站的压力管道 本章是本门课的重点章之一，以明钢管为研究对象，讲述其敷设方式、支承结构、受力条件及管身应力分析。管身应力分析为其难点，特别是支承环断面的应力分析，讲授时应充分利用学生的力学基础，讲清物理概念和各典型断面受力的区别。 钢岔管是水电站一个重要结构，但力学分析较为复杂，用课内有限时间无法讲清楚。在讲授时应注意物理概念，讲清受力条件，避免将学生引入繁琐的公式推导之中。对贴边岔管、三梁岔管、月牙肋岔管和无梁岔管应讲明其特点和适用条件。 地下埋管和坝内埋管在实际工程中应用较多，讲授的重点是其工作条件和钢衬承受内压时的强度计算及承受外压

15、时的稳定校核。第九章 水电站的水锤 水锤现象是水电站水力过渡过程中的一种重要现象，比较复杂，学起来也比较抽象，故本章是本门课程的重点章之一，也是一个难点。讲授时应深入浅出，循序渐进，结合水锤计算解析法，讲述直接水锤和间接水锤的概念，水锤连锁方程的推导和意义，水锤波在水管特性变化处的反射，导叶开度以直线规律变化的水锤，起始开度和关闭规律对水锤的影响，水锤压力沿管道长度的分布，开度变化终了后的水锤等问题，使学生既较牢固地掌握了水锤计算的解析，又加深了学生对水锤现象的理解。 特征线法是生产实际中常用水锤计算方法。但常用的X-T 平面上的特征线法比较抽象，又不易理解，S-V平面上的特征线法比较形象，易

16、于理解， 可结合后者讲述特征线法的原理和应用，然后在说明二者的异同。 复杂管径的水锤和反击式水轮机的水锤只需讲述其特点和进行计算的途径。 机组转速变化的计算公式较多，计算结果与实际情况有时出入较大，可只讲述常用的公式(例如.公式)并说明与实际情况的差别。在这一节里，要同时讲清楚机组调节保证计算的任务和内容。 水锤计算条件的选择和减小水锤压力的措施也较为重要，讲授清楚对加深学生对水锤现象的理解和将来参加工程设计将会有很大的帮助。 水锤计算的电算法有时间可作简单地介绍，没有时间在讲堂上也是可不讲。第十章 调压室 本章是本课程的重点章之一。 调压室的水力计算是本章的重点，调压室水位波动计算的解析法常

17、用以初步确定调压室的基础尺寸，逐步积分法则在调压室尺寸初步确定的基础上用以研究各种负荷变化情况下调压室水位波动情况，最终确定调压室尺寸，逐步积分法可用图解，列表和电算进行，而成图解法、列表法和电算法。掌握逐步积分原理和步骤是进行图解、列表计算和电算的基础。可结合简单调压室和阻抗调压室讲述水位波动计算解析法和逐步积分法的原理和方法。图解法比较省目，通过讲述，有助于加强学生对水位波动的认识，但此法目前已很少应用，是否讲授可视讲授时间是否充裕决定。电算法是目前常用的方法，但只要掌握逐步积分法的原理和计算步骤，用电子计算机进行计算并不困难，故在电算法在课堂上是否讲授也是可视具体情况而定。 双室式、溢流

18、式和差动式调压室都是在生产实践中常用的调压室，应讲明其特点和适用条件。 调压室工作稳定性是调压室设计和运行中的一个重要问题，应以托马理论为基础，讲清楚托马假定、托马公式、影响波动稳定的因素及大波动稳定的概念。 调压室水力计算条件的选择是调压室设计的重要内容，也是本章的一个重要内容。 现代调压室结构多置于地下，用结构力学方法进行计算较为粗略，课堂上可不作介绍。第十一章 引水地面厂房的布置设计 本章是本课程的重点章之一。 水电站厂房是水、机、电、结构的综合体，这几个方面的关系和厂房的空间结构均比较复杂。通过分层讲授，帮助学生认识各主要设备的相互关系和建立对厂房的空间概念，再通过按水流、电流、控制、

19、辅助等系统进行归纳和推理，使学生的认识系统化。厂房下部块体结构包括水流系统的进水管、蝴蝶阀、蜗壳、转轮、尾水管、尾水阀门及其附属设备，是厂房的重要组成部分，中低水头电站厂房的平面尺寸常决定于这一部分，其主要内容是下部块体结构的布置和尺寸的确定。厂房主要的电气设备和部分的机械控制设备布置在发电机层，故发电机层也是厂房的重要组成部分，是本章的重点内容之一。通过这一章的学习，使学生掌握发电机支承结构的功用和型式，主要设备的布置、发电机层高程和平面尺寸的确定等有关内容。装配场是厂房主要设备卸车、组装和大修的场所，其位置、面积和高程对厂房的布置和运行影响较大，特别是在下游洪水位较高时较难布置。桥式吊车是

20、厂房的重要辅助设备，其跨度和安装高程决定于设备布置和最大部件的起吊要求，控制着厂房上部结构的宽度和高度。油、水、气系统这一节对前述的有关内容进行归纳和推理，使学生对油、水、气系统的认识系统化。厂区布置讲述主厂房、副厂房、变压器场、开关站、厂房的进出水和对外交通的相互关系和布置，副厂房内部布置较为复杂，对水工专业的学生，主要的讲述内容是主、副厂房的相互关系、副厂房的位置及中控室、开关室等重要房间的布置，使学生对发电机引出线的布置有较清楚的认识。主厂房轮廓尺寸的决定这一节对主厂房长、宽、高的决定进行归纳和推理，加深学生对厂房尺寸决定方法的认识。主厂房结构布置设计是水工专业学生毕业后参与厂房设计的主要任务。此节讲述主厂房下部结构的分块和分缝、一二期混凝土的划分、荷载的传递及上部结构的布置等。装置冲击式水轮机的地面厂房的特点是水轮机需安装在下游自由水面之上，水轮机机壳尺寸较小，尾水道常为无压出流，但水轮机的进水较为复杂。本节只需结合某工程实例，讲述清楚以上特点即可。第十二章 其它类型厂房的特点在其它类型厂房这一节中重点是河床式厂房和地下式厂房。河床式厂房适用于低水头电站，主厂房与进水口结合在一起，构成整体建筑物，在河床中起挡水作用，因此河床式厂房应有足够的强度和抗滑、抗倾的稳定性。地下式厂房由于开挖和支护技术的发展，特别是由于抽水