调压井课程设计-水电站有压引水系统水力计算

1、1 / 29水电站课程设计水电站课程设计计算书计算书 目录目录一、设计课题一、设计课题 .3二、设计资料及要求二、设计资料及要求 .31、设计资料见、设计资料见课程设计指导书、任务书课程设计指导书、任务书 .32、设计要求、设计要求 .3三、调压井稳定断面的计算三、调压井稳定断面的计算 .31、引水道的水头损失计算、引水道的水头损失计算 .3（1）局部水头损失计算 .3（2）沿程水头损失计算）沿程水头损失计算 .42、引水道的等效断面面积计算、引水道的等效断面面积计算 .63、调压井稳定断面计算、调压井稳定断面计算 .7四、调压井水位波动计算四、调压井水位波动计算 .81、最高涌波水位计算、最

2、高涌波水位计算 .81） 、当丢弃负荷：300000KW时，采用数解法.82） 、当丢弃负荷为 4500015000 时，采用图解法：.92、最低涌波水位、最低涌波水位 .101) 丢弃负荷度为 300000KW 时（数解法）.102）增加负荷度为 30000-45000KW 时（两种方法） .11五调节保证计算五调节保证计算 .131、检验正常工作情况下的水击压力、检验正常工作情况下的水击压力 .132、检验相对转速升高是否满足规范要求、检验相对转速升高是否满足规范要求 .16六、参考文献六、参考文献 .16七、附图七、附图:.17附图附图 1:丢弃负荷时调压井水位波动图丢弃负荷时调压井水位

3、波动图.17附图附图 2:增加负荷时调压井水位波动图增加负荷时调压井水位波动图.17一、设计课题一、设计课题：水电站有压引水系统水力计算水电站有压引水系统水力计算。二、设计资料及要求二、设计资料及要求1、设计资料见、设计资料见课程设计指导书、任务书课程设计指导书、任务书 ；2、设计要求、设计要求：（1）对整个引水系统进行水头损失计算；（2）进行调压井水力计算求稳定断面；（3）确定调压井波动振幅，包括最高涌波水位和最低涌波水位；（4）进行机组调节保证计算，检验正常工作状况下水击压力、转速相对值升高是否满足规范要求。三、调压井稳定断面的计算三、调压井稳定断面的计算1、引水道的水头损失计算、引水道的

4、水头损失计算（1）局部水头损失计算表）局部水头损失计算表局部水头损失采用如下公式计算：2222g2ghQ局局局表 1 局部水头损失计算表局部水头损失栏号引水建筑物部位及运行工况断面面积（）2m局部水头损失系数 (m)6102Q合计（m）1拦污栅61.280.121.632进口喇叭段29.760.105.763闸门井24.000.2017.724进水口渐变段23.880.054.470.3075进口平面转弯23.760.076.336隧洞末端锥管段19.630.1013.240.2037正常运行19.630.1013.248调压井增一台负荷，从调压井流入管道19.631.50198.612.20

5、49上水平段平面转弯19.630.045.3010下水平段平面转弯9.080.0849.5111斜井顶部立面转弯19.630.0911.9212斜井底部立面转弯9.080.0955.6913 压力引水管道锥管9.080.0849.5114三台机满发 1 叉管19.630.3039.7215三台机满发 2 叉管19.630.4559.5816一台机满发 1 叉管19.630.2735.7517一台机满发 2 叉管19.630.2735.7518蝴蝶阀9.080.1486.644.467本表计算中 Q=102m3/s，g=9.8m/s2（2）沿程水头损失）沿程水头损失 h 程计算表程计算表沿程水头

6、损失采用如下公式计算：22423n lhQR程 表 2 沿程水头损失计算表其中 栏 1、2 、3、4、5、6、7 的流量 Q 为 102m3/s，根据压力管道相关参数表得 7 栏的流量为 96.9,；8 栏的流量为 64.6,； 9、10、11 栏流量为 32.3 查规范和资料得到糙率 n，进水口取 0.013，隧洞取最小值 0.012，压力管道取最大值 0.013 调压井前引水道的水头损失415. 1037. 0011. 0815. 0022. 0013. 0007. 0203. 0307. 0mhhhw）（）（程局压力管道的水头损失（压力管道长度为 113.3m,较长不计局部水头损h程栏号

7、引水道部位过水断面面积W（）2m湿周（m）水力半径R（m）引水道长（m） 6102n2Q(m)合计（m）1喇叭口进水段29.7621.981.35406.04522.6590.0072闸门井段24.0020.001.20005.67624.1340.0133进水口渐变段23.8818.641.281110.012603.3900.0224D=5.5M 段23.7617.281.3756469.6543724.60.8155隧洞锥形洞段21.6516.491.31255.07423.1540.0116调压井前管段19.6315.711.250010.9821161.590.03771 号叉管19

8、.6315.711.250035.7468881.180.10981-2 号叉管19.6315.711.250029.2156296.010.04092 号叉管19.6315.711.250012.2323570.70.00410锥管段13.8513.191.05003.9719392.710.00311D=3.4 段9.0810.680.850021.25320107.10.056失）h0.1090.0400.0040.0030.0560.2120hT程整个引水系统的水头损失m627. 1415. 1212. 0hhhf2、引水道的等效断面面积计算、引水道的等效断面面积计算iifLLf其中

9、L 为调压井前引水道的长度L=拦污栅长度+喇叭口进口段长度+闸门井段长度+渐变段长度+（D=5.5M 洞段长度）+锥形洞段长度+调压井前管段长度=4.1+6.0+5.6+10.0+469.6+5.0+10.98=511.28m 计算表引水道的等效断面面积： m2LfLifi511.2823.80821.475栏号引水道部位过水断面fi（m2）Li(m)ifLi(1)拦污栅61.284.10.067(2)喇叭口进水段29.766.00.202(3)闸门井段24.005.60.233(4)渐变段23.8810.00.419(5)D=5.5m23.76469.619.764(6)锥形洞段21.655

10、.00.231(7)调压井前管段19.6310.980.559iLfi3、调压井稳定断面计算、调压井稳定断面计算为使求得的稳定断面满足各种运行工况的要求，上游取死水位，下游取正常尾水位情况计算 净水头 H0=上游死水位下游正常尾水位=1082.01028.5=53.5m0013wTwhhHH：引水道水头损失，大小为 1.415whhwT0：压力管道沿程水头损失，大小为 0.212m=53.5-1.415-30.212=51.449m0013wTwhhHH当三台机组满出力时，保证波动稳定所需的最小断面：=kF21LfgaH其中 K 的取值为 1.01.1，为引水道总阻力系数D=5.5m 1024

11、.284m/23.808Qsf=2hw1.4150.07724.284取 k=1.0 则保证稳定所需要的最小断面为：511.28 23.80821.0156.462 9.8 0.077 51.499Fm44 156.4614.113.14FDm四、调压井水位波动计算四、调压井水位波动计算1、最高涌波水位计算、最高涌波水位计算（1 1）当丢弃负荷：）当丢弃负荷：300000kw 时，采用数解法时，采用数解法当上游为校核洪水位 1097.35m，下游为相应的尾水位1041.32m，电站丢弃两台机时，若丢荷幅度为 300000KW，则流量为 63.60m3/s，用数解法计算。0202wgFhLfvL

12、-为引水道的长度为 511.28mf-引水道等效断面面积v0-引水道水流流速 v0=AQm/s67. 2808.230 .63F-调压井稳定断面为 156.46m2-引水道水头损失（=）0h0h程局hhg-取 9.8m/s2(1.63+5.76+17.72+4.47+6.33+13.24)10-663.663.6=0.20m局h=(4522.659+7624.134+12603.390+543724.6+7423.154+21161.59) 程h0.0120.01263.663.610-6=0.348m=0.20+0.348=0.548m0h程局hh01. 06 .51548. 0h00X6

13、.51548. 046.1568 . 9267. 2808.2328.51122020wgFhLfv查书本 P150 图 10-4 得，max0.10z则=0.1051.6+1097.35=1112.51mmaxZ（2 2）当丢弃负荷为）当丢弃负荷为 4500015000kw 时，采用图解法：时，采用图解法：当上游为校核洪水位 1097.35m，下游为相应的尾水位 1041.32m，电站丢弃两台机组时，若丢荷幅度为 4500015000KW，则流量为96.531.0m3/s。利用图解法求解1、以横轴表示引水道流速 v，以圆点向左为正（水流向调压室） ，向右为负；以纵轴表示水位 z，以向上为正，

14、向下为负，横轴相当于静水2、作辅助线曲线引水道水头损失曲线：，22fvhhhg局程g22h局24. 250. 110. 010. 007. 005. 020. 010. 012. 0C=87.882611Rn613756. 1012. 01 =0.232222511.282.2412()hf22222 9.82 9.887.8821.3756lvvvggc R2 绘制曲线 fQZAttFF 511.28 156.4622116s9.81 23.808lFTgf计算时段取值范围为,的取值范围为 3.94.6 选取t3025TTt=4st=,当丢弃负荷为 45000kw15000kw时，流量 96

15、.531.0fF152. 046.156808.23，3/ms流速 4.051.30m/s。=0.20QF46.1560 .31=0.1524 -0.204=0.608 -0.8fQZAttFF 绘制曲线()wvzh 077. 0428.5118 . 9tLg=0.077（）()wvzh whZ 采用matlab编程计算后画图，源代码如下：v(1)=4.05-0.077*(0.608*4.05-0.8)z(1)=-0.232*4.05*4.05+0.608*4.05-0.8for i=1:29 dz(i)=0.608*v(i)-0.8 dv(i)=0.077*(-1)*z(i)-0.232*v

16、(i)*v(i) v(i+1)=v(i)+dv(i) z(i+1)=z(i)+dz(i)endr(1,:)=zr(2,:)=vr=r其中，v(i)为流速矩阵，z（i）为水位壅高矩阵，dz（i）为水位壅高增量矩阵，dv（i）为流速矩阵增量矩阵,v(1)为第一时段末的水的流速,z(1)为第一时段末调压井内水位的壅高，第二个以后时段的水位及流速如下表所示。 V(m/s)Z(m)VZ3.8850-2.1430-0.10461.56213.7804-0.5809-0.21061.49853.56980.9176-0.29831.37043.27152.2880-0.36741.18912.90413.4

17、771-0.41840.96572.48574.4428-0.45250.71132.03335.1541-0.47070.43621.56255.5903-0.47410.15001.08855.7404由表可知，最大壅高水位在5.59m5.74m之间，线性内插得最大壅高水位为5.67（图纸见附图1）。 Zmax=1097.35+5.67=1103.02m2、最低涌波水位、最低涌波水位：（1）丢弃负荷度为）丢弃负荷度为 300000KW 时（数解法）时（数解法）当上游为死水位，下游为正常尾水位时，若电站丢弃全负荷时（300000，流量变化为 67.50） ，因调压室水位达到最高水3/ms位时

18、，水位开始下降，此时隧洞中的水流朝着水库方向流动，水从调压室流向进水口，因此水头损失应变为负值，水位到达最低值称为第二振幅。，=2.835m/s 120f2fL vgFh808.235 .67f0Q(1.63+5.76+17.72+4.47+6.33+13.24)10-局h667.567.5=0.220m=(4522.659+7624.134+12603.390+543724.6+7423.154+21161.59) 程h0.0120.01267.567.510-6=0.391m=0.220+0.391=0.611m0h程局hh21.52611. 046.1568 . 92835. 2808.

19、2328.5112=0.01200hw21.52-611. 0-查书本 P150 图 10-4 得=0.08，则=0.08(-52.21)=-4.177m2Z2ZZmin=1082-4.177=1077.823m（2）增加负荷度为）增加负荷度为 30000-45000KW 时（两种方法）时（两种方法）当上游为死水位，下游为正常尾水位，增荷幅度为3000045000KW，流量变化由 68.5102.5，流速 2.884.3 3/msm/s。 A、 数解法数解法smQ/31. 4808.235 .102f0 m=68.5/102.5=0.668(1.63+5.76+17.72+4.47+6.33+

20、13.24)10-局h6102.5102.5=0.516m=(4522.659+7624.134+12603.390+543724.6+7423.154+21161.59) 程h0.0120.012102.5102.510-6=0.902m=0.516+0.902=1.418m0h程局hh 22511.28 23.808 4.31073.26229.81 156.46 1.4180lfvgFhw)/1)(m-1)(9 . 0/05. 0275. 0(162. 00minmmhZw=)62. 026.73/668. 01)(0.668-1)(9 . 026.73/05. 0668. 0275.

21、026.73(1 =3.435 minmin3.43503.435 1.4184.871ZhwZm调压井的最低水位为 1082-4.871=1077.129mB、 图解法图解法增加负荷时的图解法与丢弃负荷的图解法类似，同样选择坐标系，绘出、引水道水头损失曲线：，22fvhhhg局程g22h局24. 250. 110. 010. 007. 005. 020. 010. 012. 0C=87.882611Rn613756. 1012. 01 =0.232222511.282.2412()hf22222 9.82 9.887.8821.3756lvvvggc R2、绘出曲线；kQfzavAtvtFF

22、 511.28 156.4622116s9.81 23.808lFTgf则计算时段取值范围为取，的取值范围为 3.94.6 选t3025TTt取=4st又=,当增加负荷为 3000045000kw 时，流量fF152. 046.156808.2368.5102.5m3/s。=0.655QF46.1565 .102=0.1524 -0.6554=0.608 -2.62tFQtFAZf、绘制曲线()wvzh 077. 0428.5118 . 9tLg=0.077（）()wvzh whZ Matlab编写程序：v(1)=2.88z(1)=-0.232*2.88*2.88for i=1:29 dz(i

23、)=0.608*v(i)-2.62 dv(i)=0.077*(-1)*z(i)-0.232*v(i)*v(i) v(i+1)=v(i)+dv(i) z(i+1)=z(i)+dz(i)endv=vz=zr(:,1)=vr(:,2)=z计算结果如下表V(m/s)Z(m)VZ2.946-2.7930.0599-0.82833.0069-3.62150.11730.79183.1242-4.41340.1655-0.72053.2897-5.13390.2020-0.61993.4917-5.75370.2252-0.49713.7169-6.25080.2345-0.36013.9514-6.610

24、90.2301-0.21754.1815-6.82850.2134-0.07764.3950-6.9061 最大下降水位在-6.83m-6.90m之间,采用线性内插法,得到最大下降水位为6.87m。Zmax=1082-6.87=1075.13m。五调节保证计算五调节保证计算1、检验正常工作情况下的水击压力、检验正常工作情况下的水击压力相应的正常工作情况下的正常蓄水位为 1092.0 米，相应的尾水位为1028.5 米，则：，01092.0 1028.563.5H米由所给资料可知：正常工作情况下的正常蓄水位为 1092.0 米，相应的尾水位为 1028.5 米，三台机满发电，通过水轮机的流量为

25、96.9，于是：3/ sm起始的流速96.9/23.808=4.07m,0v 水锤波速：/21wwE gaEKr上式中为水的体积弹性模量，一般为 2.1； 为水的容wE5210/N cm重，取 9.81KN/m3，r 为管道的半径, 压力管道半径为 2.5m.蜗壳半径为 1.22m.尾水管半径为 1.7m，K 为管道抗力系数。1.4610 kpa83.1384 .202 .1623.102bcTLLLL压力管道=102.32 米，蜗壳=20.4 米，尾水管=16.2 米；TLcLbL，297.36m /b bL vs2165.66/ccL vmsV1=；V2 =；V3= sm/936. 463

26、.199 .96sm/291. 363.196 .64sm/645. 163.193 .32；V5 =432.32.332/13.85Vm ssm/557. 308. 93 .32 24.936 35.743.291 29.21 1.645 12.232.332 3.793.557 21.35377.441/L Vms管管smVT/689. 332.102441.377=977.073m/sTa5235262.1 10/*9.81/9.81k/ m2*2.1 10/11.4 102.5N cmNN cmkpam5261435/862.9/2*2.1 10/11.4 101.7cm sam sN cmkpam102.3220.416.2138.92/931.056/977.073862.9771.505mcbTTcbLam sLLLaaaVm=smLVcLVLVLcbTT/612. 492.13866.16536.97458.377b管道特性系数为00a931.056 4.6123.4522 9.81 63.5vgH当机组满负荷运行时，因为阀门从全开到0103.451全关的时间为 7s，其中有效关闭时间为,一个相长s4.68Ts4.68s,为间接水锤。管道的特性系数：22 138.92t0.298931.056rLa max0s