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FJD34270 FJD水利水电工程技术设计阶段水道水力过渡过程计算大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网1998年3月1水电站技术设计阶段水道水力过渡过程计算大纲主编单位:主编单位总工程师:参编单位:主要编写人员:软件开发单位:软件编写人员:勘测设计研究院年月2目次1. 引言 (4)2. 设计依据文件和规范 (4)3.计算基本资料 (4)4.大波动水力过渡过程计算 (7)5.小波动水力过渡过程计算 (15)6.专题研究（必要时） (16)7.应提供的设计成果 (17)3１引言＿＿抽水蓄能电站位于＿＿，在电力系统中的功能是＿＿。
电站总装机容量＿＿MW，单机容量＿＿MW。
机组型号＿＿。
电站开发方式(首部开发、中部开发、尾部开发) ＿＿。
引水系统由＿＿组成。
本工程为＿＿等工程。
可行性研究报告于＿＿年＿＿月审查通过。
2 设计依据文件和规范2.1 有关本工程文件(1) 工程可行性研究报告；(2) 工程可行性研究报告审批文件；(3) 技术设计任务书。
2.2 主要设计规范(1) SD 303—88 水电站进水口设计规范(2) SD 144—85 水电站压力钢管设计规范(试行)(3) DL/T 5058-1996 水电站调压室设计规范(4) SDJ 173—85 水力发电厂机电设计技术规范(5) SD 134—84 水工隧洞设计规范(试行)(6) GB 9652—88 水轮机调速器与油压装置技术条件2.3 参考资料和手册《水电站机电设计手册》(水力机械部分)。
3 计算基本资料3.1 水库(水池)特征水位(1)上库(上水池)水位：正常蓄水位＿ｍ；死水位＿ｍ。
(2) 下库(下水池)水位：正常蓄水位＿ｍ；死水位＿ｍ。
4提示：对于混合式抽水蓄能电站，尚应补充上、下库设计、校核洪水位。
3.2 引水系统布置(1)引水系统平面布置(2)引水系统纵剖面布置(3)引水系统特征参数，见表1表1 引水系统特征参数表管道编号部位直径m面积m2长度m管道末端高程m水头损失系数，×Q2备注局部水头损失沿程水头损失水轮机工况水泵工况最大值平均值最小值1…注：（1）引水系统编号示意图，可表示在上表备注栏中。
蜗壳及尾水管设计（1）蜗壳水力计算从蜗壳鼻端至蜗壳进口断面0-0之间的夹角称为蜗壳的包角，常用φ0表示，蜗壳的鼻端即位于蜗壳末端连接在一起的那一个特殊固定导叶的出水边，一般采用φ0=345°蜗壳进口断面平均流速V c是决定蜗壳尺寸的主要参数。
V c值根据水轮机设计水头Hr从图中查得V c=4.5 m/s1主要参数H r=31.0 m Q max=13.17 m3/s D a=2.42m 包角φ0=345 D a/2=2.42/2=1.21 m2 蜗壳计算表水轮机蜗壳单线图（2）尾水管设计根据以往经验,弯肘形尾说管不但可以减少开挖深度,而且具有良好的水力性能尾水管尺寸表弯肘型尾水管有进口直锥段.中间肘管段和出口扩散段和出口扩散段三部分组成.A 进口直锥段混流式水轮机单边扩散角009~7=θ,这里取 80.B 中间弯肘段是一段900转弯的变截面弯管,进口断面为圆形,出口断面为矩形.C 出口扩散段是一段水平放置,两侧平行,顶板上翘的矩形扩散管.起顶板仰角一般取0013~10=α,这里取13.应用第三种比例情况进行尺寸计算:h=2..6×1.4=3.64 m L=4.5×1.4=6.30 m B 5=2.72*1.4=3.808m D 4=1.35×1.4=1.89 m h 4=1.35×1.4=1.89 mh 6=0.675×1.4=0.945mL 1=0.94×1.4=2.548 m h 5=1.22×1.4=1.708m尾水管高度指水轮机底环平面至尾水管底版的高度.h=2.6*D 1=2.6*1.4=3.64m 满足最低要求,宽度B= 3.808m,同样满足要求. 尾水管长度指机组中心线至尾水管出口断面的距离. L=(3.5~4.5)D 1 这里取4 则L=4*1.4=5.6m。
水电站厂房课程设计计算书1．蜗壳单线图的绘制 1.1 蜗壳的型式根据给定的基本资料和设计依据，电站设计水头Hp=46.2m ，水轮机型号 ：HL220-LJ-225。
可知采用金属蜗壳。
又Hp=46.2m>40m ，满足《水电站》（第4版）P32页对于蜗壳型式选择的要求。
1.2 蜗壳主要参数的选择金属蜗壳的断面形状为圆形，根据《水电站》（第4版）P35页可知：为了获得良好的水力性能及考虑到其结构和加工工艺条件的限制，一般取蜗壳的包角为0345ϕ=。
通过计算得出最大引用流量max Q 值，计算如下： ○1水轮机额定出力：15000156250.96frfN N KW η=== 式中：60000150004f KWN KW ==，0.96f η=。
○2'31max 3322221156251.11 1.159.819.812.2546.20.904rp N Q m s D H η===<⨯⨯⨯（水轮机在该工况下单位流量''311 1.15M Q Q m s ==由表3-6查得）。
○3'23max1max 1 1.11 2.2538.2Q Q D m s ==⨯=。
由蜗壳进口断面流量max 0360c Q Q ϕ=，得334538.236.61/360c Q m s =⨯=。
蜗壳进口断面平均流速V c 由《水电站》（第4版）P36页图2-8（a ）查得，5.6/c V m s =。
由《水力机械》第二版，水利水电出版社）附录二表5查得：3250,3850b a D mm D mm ==，则1625 1.625,1925 1.925b a r mm m r mm m ====。
其中：b D —座环内径；a D —座环外径；b r —座环内半径；a r —座环外半径。
座环示意图如下图所示：图1 座环示意图（单位：mm ）1.3 蜗壳的水力计算（1）对于蜗壳进口断面（断面0）： 断面面积 35375.66.561.36m V Q F c c c ===断面的半径 m F cc 443.1537.6===ππρ从轴中心到蜗壳外缘的半径：m r R c a c 811.4443.12925.12=⨯+=+=ρ 即断面0：m 443.10=ρ，m r r a 925.10==，m R R c 811.40==。
第一章 基本资料 .............................................................. 3 第二章 水电站装机容量及组成（台数及单机容量）的选择计算 (4)2.1估算水电站出力引用 .................................................... 4 2.2水电站装机容量及组成（台数及单机容量）的选择计算 ...................... 4 第三章 水轮机型号的选择 .. (5)3.1 HL230型水轮机主要参数的选择计算 (5)3.1.1．计算转轮直径公式 (5)3.1.2．效率修正值η∆的计算 .......................................... 5 3.1.3．转速n 的计算和选择 ............................................ 6 3.1.4．工作范围的检验计算 ............................................ 6 3.1.5．吸出高s H 的计算 .............................................. 8 3.2 A630型水轮机方案主要参数的计算 ...................................... 8 3.2.1．计算转轮直径公式 . (8)3.2.2．效率修正值η∆的计算 .......................................... 9 3.2.3．转速n 的计算和选择 ............................................ 9 3.2.4．工作范围的检验计算 ........................................... 10 3.2.5．吸出高s H 的计算 (11)第四章 蜗壳、尾水管的选择，计算 ........................................... 13 4.1 蜗壳选择，计算 (13)4.1.1蜗壳选择 ...................................................... 13 4.1.2蜗壳选择 ...................................................... 13 4.2尾水管的选择、计算 .................................................. 14 第五章 发电机及调速设备选择 ................................................ 15 5.1发电机选择 .. (15)5.2调速器选择 .......................................................... 15 第六章 水电站主厂房设计 ..................................................... 16 6.1主厂房各层高程确定 (16)6.1.1水轮机安装高程a Z ............................................. 16 6.1.2 尾水管底板高程WD ∇ (16)6.1.3主厂房基础开挖高程k ∇ (16)6.1.4水轮机层地面高程SD ∇ (16)6.1.5发电机装置高程FZ ∇ ............................................ 17 6.1.6发电机层地面高程FD ∇ (17)6.1.7安装间高程A ∇ (17)6.1.8桥吊轨道高程G ∇ (17)6.1.9厂房顶高程CD ∇ (18)6.2主厂房长度确定 (16)6.2.1机组段长度L 0的确定 ............................................ 18 6.2.2边机组段加长△L 边 .............................................. 19 6.2.3安装间长度L 安 . (19)6.3主厂房宽度确定 (20)第一章 基本资料拟设计水电站参数资料及相关要求:某一引水式水电站，经过水文水能计算，确定其各种技术参数及设计要求如下： 1．电站最大水头max 56H m=，设计水头和加权平均水头52.3r av H H m==，最小水头min 48.6H m=；压力管道长度L=260米，管中最大流速为3max 4/v m s =； 2．电站最大可引用流量3max 3 5.14/Q m s =⨯；385% 5.14/P Q m s ==。
金属蜗壳的水力计算在选定包角ϕ0及进口断面平均流速v 0后，根据设计流量Q r ，即可求出进口断面面积F 0。
由于要求水流沿圆周均匀地进入导水机构，蜗壳任一断面ϕi 通过的流量Q ϕ应为 Q Q ir ϕϕ=360（7—6）于是，蜗壳进口断面的流量为 Q Q r 00360=ϕ（7—7）进口断面的面积为F Q v Qv r 00000360==ϕ （7—8） 圆形断面蜗壳的进口断面半径为 ρπϕπmax ==F Q v r00360 （7—9）采用等速度矩方法计算蜗壳内其它断面的参数。
取蜗壳中的任一断面，其包角为ϕi ，如图7—15所示，通过该断面的流量为Q v bdr u r R aiϕ=⎰（7—10）因v r K u =，则v K r u =/，代入式（7—10）得： Q Kbrdr r R aiϕ=⎰（7—11） 式中：r a ──座环固定导叶的外切圆 半径；R i ──蜗壳断面外缘到水轮机轴线半径；r ──任一断面上微小面积到水轮机轴线的半径： b ──任一断面上微小面积的高度。
一、圆形断面蜗壳的主要参数计算对圆形断面的蜗壳，断面参数b 从图7—15中的几何关系可得b r a i i =--222ρ() （7—12） 式中：ρi ──蜗壳任一断面的半径；a i ──任一断面中心到水轮机轴线距离。
图7—15 金属蜗壳的平面图和断面图水轮机轴r aa ir R id rρibv uv rviϕ将式（7—12）代入式（7—11），并进行积分得：Q K a a i i i ϕπρ=--222() （7—13） 由式（7—6）与式（6-13）得ϕπρi r i i i KQ a a =--72022 () （7—14） 令C KQ r=720 π，称为蜗壳系数，则有ϕρi i i i C a a =--()22 （7—15）或 ρϕϕi i ii a C C =-⎛⎝ ⎫⎭⎪22（7—16）以上两式中的蜗壳系数C 可由进口断面作为边界条件求得。
两式表明了蜗壳任一圆形断面半径ρi 与其包角ϕi 之间的关系。
当知道式中a i 的变化规律后，每给出一个包角ϕi 值，即可计算出该断面的半径ρi 值。
各断面的a i 值取决于蜗壳与座环的连接方式。
蜗壳与座环的连接方式一般有：金属蜗壳与座环蝶形边相接；钢板焊接蜗壳与无蝶形边座环相接；铸造蜗壳与座环以圆弧相切。
现以常见的蜗壳与座环蝶形边相接的方式为例，如图7—16（a ）所示。
若A 点是座环蝶形边与蜗壳的焊接点，则由图示的几何关系得：a r h i i =+-022ρ （7—17）(K D r a +=2/0、 )10~5(2/sin 2/0mm tg r b h ++=αα)将式（7—17）代入式（7—15），并令x h i i =-ρ22得 ϕii i Cr x r r x h =+-+-002022 （7—18）由上式可解出x Cr Ch i ii=+-ϕϕ202 （7—19）上式得到了x i 与ϕi 的关系，式中r 0、C 、h 均已知，这样每给定一个ϕi 值，可求出x i ，并由图7—16（a ）的几何关系得到相应断面的ρi 、a i 和R i 等参数：a r x x h R a i ii i i i i =+=+=+⎫⎬⎪⎪⎭⎪⎪022ρρ （7—20）上述计算中与座环连接部位的几何尺寸，由座环设计给定。
综上所述，可将圆形断面蜗壳的水力计算步骤小结如下：（1）确定蜗壳包角ϕ0及进口断面流速v 0； （2）计算蜗壳进口断面半径ρ0；（3）根据所求蜗壳的座环结构，确定蜗壳与座环连接的有关几何尺寸r a 和h 等参数； （4）由进口断面参数计算蜗壳系数C ，)/(202000ρϕ--=a a C ；（5）给出各计算断面的包角ϕi 值（通常选用∆ϕ=1530 ~的变化幅度），计算各断面的主要几何尺寸参数。
为了计算方便，可列成表7—1的格式。
表7—1 蜗壳圆形断面参数计算表二、蜗壳的椭圆形断面主要参数计算当圆形断面的半径ρ≥S 时，可得到各断面在A 点与座环连接，而当ρ＜S 时，蜗壳的圆形断面已无法与蝶形边相切，如图7—16（b ）所示。
这时，蜗壳断面须由圆形断面过渡到椭圆形断面，其计算方法为：先求出指定ϕi 处的圆形断面面积，然后按面积相等的原则换算成椭圆形断面。
如图7—16（b ）所示，在ρ＜S 的情况下，半径为ρ的当量圆相切于座环蝶形边的斜线L 上，所以，当量圆的圆心到水轮机轴线的距离为：(αcos /h S =)a r i i=+1ραsin （7—21） 式中：r 1──座环蝶形边锥角顶点到水轮机轴线的半径，可由r r h tg 10=-/α计算；α──蝶形边锥角，通常为55 。
图 7—16 蜗壳与座环蝶形边相接的断面参数（a ） 圆形断面与蝶形边相接；（b ）椭圆形断面与蝶形边相接R i a i r aR i a ’i r 1r 0LGNS AB H FR 2R 1hρa （b ）a I = r 0+xr ar 1 （a ）r 0ρiaLASx i h由式（7—21）和式（7—16）可得到ρ＜S 时的半径计算公式ραϕϕαϕi i i i C C ctg r C=+⎛⎝ ⎫⎭⎪+12221sin （7—22）于是，当量圆的断面积为F i 12=πρ。
在图7—16（b ）中，椭圆形断面面积之半的周界为AHNGA ，半径分别为长轴R 1和短轴R 2，R 2的圆弧与座环上蝶形边相接于A 点。
为计算方便，将椭圆形断面面积与三角形AHB 面积的两倍一起计算，并以F 表示它们的面积之和，则得：F R R R R R L R R R =++-+--παπ1222122122236022()[()] （7—23） 由图7—16（b ）得L hh ==sin .551221（7—24）R L R R ctg L R 12225503=+-=+ . （7—25） 将式（7—25）代入式（7—23）得R F L L 2210450811348=+-... （7—26） 由图7—16（b ）还可得a r R r R R a R i i i ''sin .=+=+=+⎫⎬⎪⎭⎪12121551221 （7—27）式中：a i '——椭圆长轴圆心到水轮机轴线距离。
用F 2表示三角形AHB 面积的两倍，即F hL 2=cos α （或αtg r D F a 212)2/(-=） （7—28）于是有F F F hL i =+=+122πραcos （7—29） 同样，椭圆形断面参数的计算可列成表7—2的格式进行。
表7—2 金属蜗壳椭圆形断面参数计算表根据表7—1和表7—2的计算结果，就可绘出金属蜗壳的单线图，如图7—17所示。
座环支柱翼形至水轮机中心图7—17 金属蜗壳单线图（尺寸单位：mm）弯肘形尾水管主要参数的选择大型立式机组，由于土建投资占电厂总投资的比例很大，故一般选用弯肘形尾水管以降低水下开挖量和混凝土量。
弯肘形尾水管的几何形状及主要参数，如图10—8所示。
1．尾水管的高度h尾水管的高度h 是指水轮机底环平面到尾水管底板的高度，它对尾水管的恢复系数、水轮机运行稳定性及电站开挖量有直接影响。
高度h 越大，锥管段的高度可取大一些，因而降低了锥管段出口即肘管段进口及其后部流道的流速，这对降低肘管中的水力损失有利。
一般情况下，通过尾水管的流量愈大，h 应采用较大的值，但h 增大受到水下挖方量的限制。
h 的确定，与水轮机型式有关。
由于混流式和定桨式水轮机在偏离最优工况运行时，尾水管中会出现涡带，引起机组振动，如果h 太小，则机组振动加剧，故h 选择时应综合考虑能量指标和运行稳定性。
根据经验，h 一般可作如下选择：（1）H ＜120 m 的混流式及定桨式水轮机，取h ≥（2.3～2.7）D 1； （2）对转桨式水轮机，取h ≥（2.3～2.5）D 1；（4）在某些需要降低尾水管深度的情况下，h 最低不得小于2.0D 1；（5）对于D 1＞D 2的低比速混流式水轮机，h ≥2.2D 1。
2．肘管的选择肘管段的形状十分复杂，因为水流要在肘管内拐弯90，同时要由进口圆形断面逐渐过渡到出口为矩形断面。
它对尾水管的恢复系数影响很大，且肘管中的水力损失最大。
肘管难以用理论公式计算，通常采用推荐的标准肘管，图10—9所示为4号系列肘管。
图中各部分的尺寸参数列于表10—1中。
3．锥管段尺寸的确定锥管段的参数有进口直径D 3、锥管单边锥角β、锥管段高度h 3和出口直径D 4。
锥管段进口直径D 3按式（10—10）来确定，而锥管单边锥角β按下列数值选择： 混流式：β=79 ~ 轴流式：β=810 ~锥管段高度h 3一般在已知尾水管高度h 和肘管高度h 4后进行确定，由图10—8可知：图 10—8 弯肘形尾水管D 4L 1L 2ah 4LB 5 D 3 h 3hh 6h 5B 5/2表10—1 4号系列肘管各部分参数表单位：m及增大厂房水下部分尺寸。
增加L的效果不如增加高度h的效果显著。
L通常按如下取值：轴流式：L=（3.5～4.5）D1混流式：L=（4.0～4.5）D15．水平扩散段尺寸的确定水平扩散段的形状一般为两侧平行，顶板向上翘，正常情况下，底板水平，但少数情况下，为了减少开挖量，要求尾水管上抬，即底板也上翘。
水平扩散段参数有进口高度、出口高度h5、宽度B 5、长度L2和顶板仰角α。
进口高度就是肘管的出口高度h6。
宽度B5一般与肘管出口宽度B4相等。
当B5＞10～12 m时，允许在扩散段中加单支墩，但一D4a1aR7R6h4h6R8a2B4L190般不加双支墩，因双支墩会引起效率显著下降。
根据L和L1就可得L2，由式（10—9）计算出v5后，可得出口高度h5，即hQB v555=（10—15）顶板仰角α一般可取10 ～13 ，底板上翘时，底板仰角一般不超过6 ～12 ，低比转速水轮机取上限。
6．标准弯肘形尾水管主要尺寸选择弯肘形尾水管一般不进行单独设计，而是按水轮机模型所采用的标准尾水管选用，标准弯肘形尾水管单线图如图10—8，推荐的最小尺寸列入表10—2。
