水电站建筑物,有压引水水力计算

1、水电站建筑物课程设计有压引水系统水力计算设 计 计 算 书姓 名专 业学号指导教师时间 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 第一部分设计课题3 HYPERLINK l bookmark17 o Current Document 设计内容3设计目的3 HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 第二部分设计资料及要求4设计资料4 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 设计要求5 HYPERLINK l bookmark34 o Curr

2、ent Document 第三部分调压井稳定断面计算6 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 引水系统水头损失6 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 引水道有效断面8 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 稳定断面计算8 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 第四部分调压井水位波动计算10最高涌波水位10最低涌波水位13 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 第五部

3、分调节保证计算15水锤计算15 HYPERLINK l bookmark91 o Current Document 转速相对升高值19 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document 第六部分附录21附图21参考文献21第一部分设计课题1.1课程设计内容对某水电站有压引水系统水力计算1.2课程设计目的通过课程设计进一步巩固所学的理论知识，使理论与工程实际紧 密结合。提高学生分析问题和解决实际问题的能力，计算能力和绘图 能力。第二部分设计资料及要求2.1设计资料某电站是MT河梯级电站的第四级。坝址以上控制流域面积 2362Km2，多年平均流量44.9心/s，由

4、于河流坡降较大，电站采用 跨河修建基础拱桥，在桥上再建双曲拱坝的形式，坝高（包括基础拱 桥）54.8m。水库为日调节，校核洪水位1097.35m，相应尾水位1041.32m ；正常蓄水位 1092.0m，相应尾水位 1028.5m ；死水位 1082.0m，最低尾水位 1026.6m。总库容 707 x 104 m 3, H = 58m， ,H = 65.4m,H = 53.4m。装机容量3x 1.5x 104kw，保证出力 1.07x 104kw， 多年平均发电量*1.61 x 108kw.h。该电站引水系统由进水口、隧洞、调压井及压力管道四部分组成， 电站平面布置及纵断面图如图所示（指导书

5、图1，图2）隧洞断面采用直径为5.5 m的圆形，隧洞末端设一锥形管段， 直径由5.5 m渐变至5.0m，锥管段长5.0m，下接压力钢管。隧洞底 坡取0.005,全长500.3m，其中进水口部分长25.7m，进口转弯段长 25.595m,锥管段长为5 m。水轮机型号为HL211LJ225,阀门从全开到全关的时间为7s， 其中有效关闭时间T = 4.68s。机组额定转速n0= 214.3,/min，飞轮力矩 GD2 = 10124KN.m2。蜗壳长度 L = 20.40m.，L V = 165.66m2 /s，尾水管 长度L = 1 m.，.L 2/ = 9 6m2./s3。 转轮出口直径 D =

6、 2.44m，尾 H =-1.94尾。尾经核算，当上游为正常蓄水位，下游为正常 尾水位，三各机满发电，糙率n取平均值，则通过水轮机的流量为 96.9m3 /s，当上游为死水位，下游为正常尾水位，三台机满发，饮水 道糙率区最小值，压力管道糙率取最大值，则通过水轮机的流量为 102 m3 /s。当上游为校核洪水位,下游为相应尾水位，电站丢弃两台机 时，若丢荷幅度为300000KW，则流量为63.60m3 /s ；丢荷幅度为 4500015000KW,则流量变幅为96.531.0m3/s。当上游为死水位， 下游为正常尾水位时，若增荷幅度为3000045000KW，则流量变化 为68.5102.5 m

7、3 /s ；若丢荷幅度为300000KW，则 流量变化为 67.50m3 /s。采用联合供水方式，两个卜形分岔管布置，主管直径5m，支管 直径3.4m,分岔角29。27、。从调压井中心至蝴蝶阀中心，全长102.32m。 如图4-4可知，压力管道可按钢板、混凝土、围岩联合作用进行结构 计算，围岩单位弹性抗力系数为k = 1.4 x 106kpa。取压力管道经济流速为5m/s，0按流量96.9m3 /s进行计算，压力 管道经济直径为5m,蜗壳进口直径为3.4m，故设5m及3.4m两种管 径，其中3号压力管道由直径5m过渡到3.4m锥管段长3.789m。三 条压力管道中以3号压力管道最长，从隧洞末端

8、到蝴蝶阀中心，全长 113.3m。n 2 u 21n 21u 2& 八程=R4/3 = R4/3 W2 Q2局云局烈=亦 Q2计算时考虑不同的工况，隧洞糙率n分别取0.016,0.014,0.012； 压力管道的糙率n分别取0.013，0.012,0.011。2.2设计要求：2.2.1对整个引水系统进行水头损失计算；2.2.2进行调压井水力计算求稳定断面；2.2.3进行调压井水力计算确定波动振幅；确定最高涌波水位确定最低涌波水位2.2.4进行机组调节保证计算，检验正常工作情况下水击压力、转速相对升高是否满足规范要求第三部分调压井稳定断面计算3.1引水系统水头损失3.1.1局部水头损失：h =&

9、挡=七Q2式中，&为局部水头 局 局2g 2gw 2局损失系数；w W 为断面面积；g(m/s2)取9.81； Q ( m3 /s)为通过 断面的流量，不同工况下分别取不同的值。经列表计算结果如下：局部水头损失h局计算表3-1栏号引水建筑物部位及运行 工况断面 面积w (m 2)局部水 头损失 系数&局局部水头损失10 -6 Q2( m)合计(1)进水口拦污栅61.280.121.628729.5499(2)进口喇叭段29.760.105.7549(3)闸门井24.000.2017.6974(4)渐变段23.880.054.4689(5)隧 洞进口平面转弯23.760.076.319819.5

10、468(6)末端锥管段19.630.1013.2270(7)调正常运行19.630.1013.2270211.6315(8)压井增一台机负荷、从 调压井流入管道19.631.50198.4046(9)压 力上水平段平面转弯19.630.045.2908428.9212(10)下水平段平面转弯9.080.0849.4560(11)斜井顶部立面转弯19.630.0911.9043(12)引 水 管道斜井底部立面转弯9.080.0955.6380(13)锥管9.080.0849.4560(14)三台满发1岔管19.630.3039.6809(15)三台满发2岔管19.630.4559.5214(16

11、)一台满发1岔管19.630.2735.7128(17)一台满发2岔管19.630.2735.7128(18)蝴蝶阀9.080.1486.54803.1.2沿程水头损失：程=片=nQ2式中，隧洞糙率系数R 3 2 R 3n,可取0.016, 0.014, 0.012。压力管道糙率系数n可取0.013, 0.012,0.011。l（m）为引水道长，。（）为断面面积，R（m）为水力半径。列表计算结果如下：沿程水头损失h程计算表3-2栏号引水道部位过水面 积w （m 2）湿周(m )水力半 径 R （m）引水道长（m ）h程10 -6 n 2 Q 2合计（1）进水口喇叭口进水 段29.7621.98

12、1.3546.04522.65924750.183（2）闸门井段24.0020.001.2005.67624.134（3）渐变段23.8818.641.281110.012603.39（4）隧洞D = 5.5m 洞段23.7617.281.3756469.6543724.6572309.361（5）锥形洞段21.6516.491.31255.07423.154（6）调压井前段19.6315.711.25010.9821161.59（7）压力管道D5m段1号岔道19.6315.711.25035.7468881.18489754.114（8）1号2 号岔道19.6315.711.25029.21

13、56296.00（9）2号岔道19.6315.711.25012.2323570.70（10）锥管段13.8513.191.0503.9719392.71（11）D=3.4 段9.0810.680.85021.35321613.53.2引水道有效断面：L公式：f =寥3 其中L :调压井前引水管的长度l :调压井前引不同段水管的长度f :调压井前引不同段水管的面积由沿程水头损失计算表3-2中已知资料代入计算得：L = 4.1 + 6.0 + 5.6 +10.0 + 469.6 + 5.0 +10.98 = 511.28m （l/f） = 4.1/61.28 + 6.0/29.76 + 5.6/

14、24.0 +10.0/23.88 + 469.6/23.76+ 5.0/21.65 +10.98/19.63 = 21.48m -1故引水道的等效断面积有：f = L/ （l/f） = 511.28/21.48 = 23.80m2注：L （调压井调压井前引水管的长度）的第一分项4.1m为拦污栅到喇叭口进水段首部的长度，可由设计任务书图4-3得知，其面积 可由局部水头损失表3-1得出。3.3稳定断面计算:所求的稳定断面需满足各工况下运行的要求，故计算时应按电站在运行时可能出现的最小水头考虑。即上游为死水位（1082.0m），下游是最低尾水位（1026.6m），此时的流量为102m3/s,三台机满

15、发，引水道选用最小糙率0.012，压力管道选用最大糙率0.013。Lf采用水电站建筑物本书中得托马斯断面计算公式有:F = FK Th 2 g(H0 -hg-3h T0)式中：l为引水道长度，由3.2中计算得511.28m；f为引水道的等效断面面积，由3.2中计算得23.8皿；H 0为静水位，按所选工况计算得H0=1082.0-1026.6=55.4m；h为引水道的水头损失由局部水头损失和沿程水头损失组成h 0 = h局 + h程 = (29.55 +19.55) x 10-6 x 1022 +(24750.18 + 572309.36)x 10-6 x 1022 x 0.0122 =1.40

16、5 m；a为引水道阻力系数，由教材中公式hw=av2 = ho(V)2可得0h h 1.405w0 =w0 = 0.0764 ；“。2)2(%0 f 23.8h。为压力管道中沿程水头的损失h 典=489754.11 x 10-6 x 0.0132 x 1022 = 0.861m ；将所有参数代入托马斯断面计算公式有:511.28x 23.8F =th 2x0.0764x9.81x (55.41.4053x 0.86D=157.83丸2安全系数K(1.0-1.1)取1.02,则托马斯断面 F = 157.839 x 1.02 = 161.00m 2 调压井直径D = (4F/兀=14.32m第四

17、部分调压井水位波动计算4.1最高涌波水位计算调压室最高涌波水位，应出现在最高库水位丢弃全负荷的情况下，由 设计计划书中已知资料，可知存在两种情况:4.1.1第一种情况：上游为校核水位，下游为相应尾水位，电站丢 弃两台机时，丢荷幅度为300000KW,流量变化为63.60m3/5。解析法计算步骤如下:要求出最高涌波水位Z ，只需求出X=max参考教材水电站建筑物公式得x= Lfv02，x =九2 gFh0 人w0分析可知：当n取最大值时，由曼宁公式和谢才公式可知沿程 阻力系数最大，沿程水头损失最大，也即h 0最大，此时人最小。故取n =0.016,此时 Q=63.6m3/s, v = = 63.

18、6 = 2.67m/smaxf 23.8h 0 = (29.55 +19.55) x10-6 x63.62 + (24750.18 + 572309.36) x10-6 x 0.0162 x 63.62 = 0.817mLfv 2_,人= J 0 = 511.28x 23.8 x 2.672/(2x 9.81 x 161 x 0.817) = 33.612 gFhw0X = L = 0817 = 0.0240 人 33.61参考教材水电站建筑物150页图10-4X0 =0. 1时，横坐标为0.35，小图有7.5格，每格值为0.047X0.024时，小图有3.5格，值约为0.047 x 3.5

19、= 0.1645=0.165，故 k maX = 0.165 x 33.61 = 5.55m故最高涌波水位为1097.35+5.55=1102.90 m.4.1.2第二种情况：上游为校核水位，下游为相应尾水位，电站丢 弃两台机时，丢荷幅度为4500030000KW,流量变化为96.5 31.0 m 3 / s图解法计算步骤如下：水位波动的理论周期T为:511.28 x 161=2 x 3.14 x，= 117.92s9.81 x 23.8 t取T/25T/30左右，即取值在3.9-4.7S之间取平均值t=4.3sA = Q At = 31.0/161 x 4.3 = 0.83Fa = f At

20、 = 23.8/161 x 4.3 = 0.64FP = g At = 9.81/511.28x 4.3 = 0.083 L坐标横轴表示引水道流速v，以原点向左为正，纵轴表示水位z，向上为正，横轴相当于静水位画辅助曲线：作引水道的水头损失曲线Lv, v2v2 L已+1h =_ +g _ + _ = ( +Z_ )v2= f (v)-C2R2g 2gC2R 2gR = (6.0 x 1.354 + 5.6 x 1.2 +10 x 1.281 + 469.6 x 1.376 + 5 x 1.312 +10.98 x 1.25)/511.28 = 1.36m11,1 一八C = R6 = 1.366

21、 /0.016 = 65.79n& = 0.12 + 0.10 + 0.20 + 0.05 + 0.07 + 0.1 + 0.1 +1.5 = 2.24L & +1511.282.24 +1+ =+= 0.252C2R 2g 65.792 x 1.36 2 x 9.81 v = =9 65 = 4.05m / smax f 23.8假定几个值，由公式九=0.252v 2计算相应hw的值结果如下wv0土 0.5+ 1+ 1.5+ 2+ 2.5+ 3+ 3.5+ 4+ 4.5+ 5hvv00.060.250.571.011.582.273.094.035.16.3（1）用描点法可拟绘出hv关系曲线

22、。（2）绘制割=3 （-z-h ）关系曲线：它是通过原点O的直线，对 纵坐标轴的斜率6 =0.083，与原点相连即得。（3）绘制Az =a v - A关系曲线：若全部丢弃负荷时，A为0，曲 线是一条斜率为a=0.64通过原点的直线；若部分丢弃负荷时， 由流量和流速即可求出一点，斜率为a=0.64，即可画出一条百 线，该工况下部分丢弃负荷，A=0.83,图解计算：（见第六部分附图6-1）Zmax= 8.09 m所以最高涌波水位为1097.35 +8.09 = 1105.44 m.故综合解析法与数解法得最高涌波水位1105.444.2最低涌波水位计算当上游为最低水位，丢弃负荷或增加负荷时都可能出现

23、最低涌波水位，故存在如下两种情况：4.2.1第一种情况：当上游为死水位，下游为正常尾水位，增荷幅度为 3000045000KW,流量变化为 68.5102.5m3/s。解析法计算步骤如下： 增荷时由部分负荷增加到全负荷，则可按福格特公式求最低涌 波水位zmin，如下：m = 1 + (J - 0.275 m + 0.05 / - 0.9)(1 - m )(1 - m / 0.62)hw 0式中”min为最低涌高水位；hw0为引水道水头损失，对于无阻抗圆筒式 =空为无因次系数，m = Q =黑% =67为负荷 h 0Q0102 .5系数。取流量为102.5 m3 /s，糙率取0.016h = (

24、29.55 +19.55 + 211.63) x 10-6 x 102.52 + (24750.37 + 572306.36) x 10-6x 0.0162 x 102.52 = 4.35mv =乌=些 f 23.8=4.31m / s人=Lf: = 511.28 x 23.8 x 4.312 = 1645=2gFh 0 = 2 x 9.81 x 161 x 4.35 = .=7.562 人 2 x 16.45 =h 04.35参考教材水电站建筑物151页图10-5得到Z-m = 1.48 n z = 1.48 x 4.35 = 6.44w0故最低涌波水位为1082-6.44=1075.56m

25、图解法计算步骤如下：取t=4.3s TOC o 1-5 h z 浦 Q、102.5A = t =x 4.3 = 2.74F161f23.8,a = At =x 4.3 = 0.64F161八 p9.81P = p At =x 4.3 = 0.083L511.28按照丢弃负荷的方法选择同标系统，绘出hw - v关系曲线并绘出辅助曲线 Av = P (-z-h )和 Az =av- A图解计算：（见第六部分附图6-2）Z . = 6.447 m所以最低涌波水位为1082-6.447 =1075.55 m4.2.2第二种情况：丢荷幅度为300000KW,流量变化为67.50 m 3/s解析法计算步骤

26、如下：4.1.1中已计算出丢荷幅度为300000KW时最高涌波水位的X 0 = 0.024参考教材水电站建筑物150页图10-4得:|zj/X = z .|/X = 0.13|z .| = 0.13 xX = 0.13 x 33.61 = 4.37m所以最低涌波水位为1082-4.37=1077.63m第五部分调节保证计算5.1水锤计算1=1由设计计划书可知：电站采用联合供水方式，有两个卜型岔管，主管 直径为5m，支管直径为3.4m，分岔角29吃7。压力管道的经济直径 5m，蜗壳进口直径为3.4m，有5m及3.4m两种管道，其中3#压力管 道由直径5m过渡到3.4m锥管锻长度为3.789m。5

27、.1.1压力管道中水锤类别的判断水锤波传播速度a =Kr式中远*7 声音在水中的传播速度（一般可取1435m/s）；E 水的体积弹性模量，E = 2.1 x 105 N /cm2 ；r 管道半径，取2.5m；K 管道抗力系数，埋藏式压力管道由钢板由混凝土和围岩联合 作用 K = K + K + K = E? / r 2 + K + 100K0 / r e 一钢板弹性模量，取低碳钢210GPa；5 一管壁厚度，取最大0.014m；Kc 一混凝土抗力系数，考虑其开裂，令其等于0； Kr一围岩单位弹性抗力系数，取1.4 x 109 PaK = 210 x 109 x 0.014/ 2.52 + 10

28、0 x 1.4 x 109 / 2.5 = 56.5 x 109 Pa / m所以水锤波传播速度a二:气g/乃二 1435_ . 1414.13m / s小 + 互 1 | 2 x 2.1 x19Kr56.5 x 109 x 2.5压力管道总长L,取调压井中心到蝴蝶阀中心全长102.32m；则 = 2L = 2x102.32 = 0.145s T = 4.68s因此压力管道中发生间接水锤 r a 1414.13s5.1.2等价水管法计算一般在采用解析方法时，简单地认为可不考虑分岔管的影响，而只按 最长的那根管道简化成等价水管进行分析计算，三条压力管道中3号 压力管道最长，取该串联管为调保计算的

29、等价管。又3号压力管道各 段管径厚度等参数同，故下按串联管计算等价水管计算每段压力管道 的抗力系数：K = E 8 /r2 +100 x K /r。其中5m到3m锥管过渡段采用 平均直径4m压力管道相关参数表5-1段号桩号管径(m)壁厚5(m)长度L(m)流速V (m/s)抗力系数K109Pa / m波速 a(m/s)10+480.9815.00.0135.744.9456.31414.0720+511.9635.00.01212.233.2956.41414.0930+521.3295.00.01216.983.2956.41414.0940+534.3365.00.01412.231.64

30、56.51414.1250+543.7025.03.40.0123.792.5770.61414.1360+546.4053.40.01216.553.5683.21414.1670+562.5953.40.0164.803.5683.51414.23根据相长不变的要求:LLLLLnL二i +T +3 + .=2f-aaaaaam123n1ia = L/W 匕=- 1414.10m/ sm 1 a 0.072357(1)根据水管动能不变的要求：LV = LV + LV + LV + LV + .LV =乎 LVm 1 12 23 34 4n ni i1xnU Lvi i=L378.49102.

31、32=3.70m / s考虑到水轮机为反击式，需将蜗壳作为压力水管延续部分，并假想把 导叶已移至尾水管末端，使压力管道，蜗壳和尾水管组合在一起成为 新的串联管计算。L = Lt + L + Lb = 102.32 + 20.4 +16.2 = 138.92m由于蜗壳和尾水管的长度较短，认为蜗壳和尾水管中水锤波速等于压力管道的水锤波速，即：a = a = a = a = 1414.10m / s(2)根据水管动能不变的要求：v = (L v + L v + L v )/L = (102.32 x 3.70 +165.66 + 97.36)/138.92 = 4.62m/s m T T c c b

32、 b又 V = V= 4.94m / s H0 = 1092.0 -1028.5 = 63.5m所以等价管道特性系数：p = a v /2gH = 1414.10 x 4.62/(2x 9.81 x 63.5) = 5.24丁 = LV / gH T = 138.92 x 4.94/(9.81 x 63.5 x 4.68) = 0.2355.1.3水锤压力计算（1）计算上游正常蓄水位，下游正常尾水位，丢弃全负荷时正水锤起始开度t 0 = 1，pi 0 = 5.24 x 1 = 5.24 ； q = 0.235参考教材水电站建筑物132页图9-4水锤类型判别图可知导叶处发生极限水锤& =齐 +M

33、 2 + 4) =X (0.235 + J0.2352 + 4) = 0.264分别求压力管道与蜗壳和尾水管的水流速度为：v = v = 3.70m/sv t t = 8.12m/ s v b b = 6.01m/ sT mc Lb L按动量加权将水锤压力分配，代入数据可得：g =AL = 0.156T(Lt + L + LvmF - Lt*t + Lv? _0224& c - (L ; L + L)v & m - 0.224 T c b my =、g = 0.04b (L + L + L )v mH0 - 40 100m时，s- 0.30 0.50，以上计算所得均在规定范围内尾水管的真空高度

34、校核：H = H + yH 0 + v; / 2 g = -1.94 + 0.04 x 63.5 + 6.012/(2 x 9.81) 2.441m 小于允许最大真空高度89m满足要求(2)计算上游死水位，下游正常尾水位当增加负荷时负水锤H0 1082.0 -1026.6 55.4m ； t 0 0P = a v /2gH0 1414.10 x 4.62/(2 x 9.81 x 55.4) 6.01q = -LV /gH T =138.92x4.94/(9.81 x55.4x4.68) -0.270 (导叶开启取负)Pt 0 0 1由水锤类型判别图可知导叶处发生第一相负水锤根据5.1中计算知t = 0.145s由此计算有rt t = nc =T + = 0 + =0.03110 T