水电站课程设计

（中国通常称水头大于70m为高水头水电站，低于30m为低水头水电站，30～70m为中水头水电站） （混流式安装高程以导叶中心线为基准,轴流式则以叶片中心线为基准,卧式机组以主轴水平中心线为基准）. 一、水轮机发电机组的选择 （1）选择机组台数、单机容量及水轮机型号（*）； 选用4台HL310型机组，单机容量为（总装机容量=机组台数） （2）确定水轮机的尺寸(包括水轮机标称直径D1、转速n、吸出高度Hs、安装高程Za)； 转轮直径为𝐷1

=6.5𝑚，转速为n=72r/min，水电站厂房所在地点海拔高程为?=252m,，模

型气蚀系数修正值为𝜎𝑧=𝜎+?𝜎=0.36,则水轮机的吸出高度为𝐻𝑠=10.0−?900−𝜎𝐻𝑟

=

10.0−252900−0.36×23.30=1.332𝑚. 导叶高度为𝑏0=0.1~0.39𝐷1，取𝑏0=0.3𝐷1

=0.3×6.5=1.95𝑚,由于有4台机组，设计尾水

位取1台机组流量相应的水位，?𝜔可按如下过程确定： 一台水轮机工作时的流量为Q=𝑄′𝐷12√𝐻𝑟,而𝑄′=𝑁𝑟9.81𝐷1 2𝐻𝑟32𝜂⁄

其中：𝜂取水轮机最优工况下的模型效率，即η𝑀𝑚𝑎𝑥=0.896, 此时D1𝑚

=0.39𝑚.

限制工况下的模型效率为η𝑀

=0.826

则原型最优工况下效率为η𝑚𝑎𝑥=1−（1−η𝑀𝑚𝑎𝑥）（D1𝑚D1）15=0.941

修正值为?η=k(η𝑚𝑎𝑥−η𝑀𝑚𝑎𝑥

)=0.030

其中k取0.5~1.03，这里取 则修正后的模型限制工况下效率为η=η𝑀

+?η=0.856

单位流量为𝑄′=𝑁𝑟9.81𝐷1 2𝐻𝑟32𝜂=350009.81×6.52×23.32×0.856=0.877𝑚3𝑠⁄

流量Q=𝑄′𝐷12√𝐻𝑟=0.877×6.52×√23.3=178.88𝑚3𝑠⁄ 则H=2×10−12×𝑄3−8×10−8×𝑄2+0.0015×𝑄2+264.65=264.83m

因H=264.83<266，则H取266m.

则水轮机的安装高程为𝑍𝑠=?𝜔+𝐻𝑠

+𝑏02=266+1.332+1.952=268.31𝑚.

（3）选择尾水管的型式及尺寸； ①根据已得到的资料，知该水轮机为低水头水轮机（𝐷1<𝐷2），得可此水电站尾水管对应的尺寸如下 ： （单位：m） 型式 𝐷1 h L 𝐵5 𝐷4 ℎ4 ℎ6 𝐿1 ℎ5 参数 1 尺寸 为了减小开挖深度以及具有良好的水力性能，可采用弯肘形尾水管，它由进口直锥段、中间弯肘段、出口扩散段三部分组成。 ② 进口直锥段： 进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散观，𝐷3为至椎管的进口直径；对于混流式水轮机由于至椎管与基础环相连接，可取𝐷3与出口直径𝐷2相等，其椎管的单边扩散角θ可取7°~9°；ℎ3为直锥管的高度，增大ℎ3可减小肘管的入口流量，减小流速对管壁的冲刷。 ③肘管： 肘管是一变截面弯管，其进口为圆断面，出口为矩形断面，水流在肘管中由于转弯受到离心力作用，使得压力和流速分布很不均匀，而在转弯后流向水平段时又形成了扩散，因而在肘管中产生了较大的水力损失。影响这种损失的最主要的原因是转弯的我、曲率半径和肘管的断面变化规律，曲率半径越小则产生的离心力越大，一般推荐使用的合理半径为R=(0.6~1.0)𝐷1，外壁𝑅6用上限，内壁𝑅7用作下限，则有. 𝑅6=1.0×6.5=6.5𝑚,𝑅7=0.6×6.5=3.9𝑚. ④出口扩散段： 出口扩散段是一水平放置断面为矩形的扩散段，起出口宽度一般与肘管出口宽度相等；其顶板向上倾斜，根据其出口宽度并不是很大，所以不需要加设中间支墩。仰角为α=

arctanℎ5−ℎ6𝐿2=𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛7.93−4.387517.42=11.50°，其中𝐿2=𝐿-𝐿1.

⑤尾水段的高度和水平长度 尾水管的总高度h和总长度l是影响尾水管性能的重要因素。总高度h是由导叶底环平面到尾水管地板之间的垂直高度。在描述进口直锥管中已经说明𝐷1<𝐷2,属于低速混流式水轮机。增大尾水管的高度h，对减小水力损失和提高ℎ𝜔是有利的，特别是对大流量的轴流式水轮机更为显着。但对混流式水轮机尾水管中产生的真空涡带在严重的情况下不仅影响机组的正常运行还会延伸到尾水管地板引起机组和厂房的振动。为了改善这一情况，常采取增大尾水管高度的方法，但将会增大开挖量，经过试验，对于低转速混流式水轮机，应采取h>2.2𝐷1，由上述可知，h=16.9>2.2𝐷1

=2.2×6.5=14.3，满足要求。

(4)选择相应发电机型号、尺寸 已知水轮机单机容量为，根据《水电站机电手册——水力机械》查得，选择发电机的型号为SF50-44/920的半伞式发动机组4台。 主要参数为： 额定容量58800KVA;重量：转子375t，定子190t，总重685t；最大运输部件外形尺寸××m,最大50t；定子铁芯主要尺寸：外径, 内径, 长度，定子机座高度2540mm，上机架高度835mm ，推力轴承高度1100mm，励磁机高度2400mm,机座外径10400mm，风罩内径13000mm，定子外壳高度为，转子外径8590mm，下机架最大跨度6470mm，水轮机基坑直径5600mm，推力轴承装置直径3600mm，励磁机外径2660/3400. 二、厂区枢纽及电站厂房的布置设计 ⑴主厂房总长度的确定： 厂房总长度包括机组段的长度（机组中心距）、端机组端的长度和安装间的长度。总长L=n𝐿𝐶+𝐿1+𝐿2+𝐿𝑎.布置图如下：

其中n为机组台数，𝐿𝐶为机组段长度，𝐿𝑎为装配场长度，𝐿1为左机组段长度，𝐿2为右机组段长度，为便于安装，厂房左端增加长度?L。 ①机组段的长度𝐿𝑐的确定 机组的长度𝐿𝑐主要由蜗壳尾水管，尾水管，发电机等设备在x轴方向(厂房纵向)的尺寸来决定，同时还考虑机组附属设备即主要通道，吊物孔的布置及其所需尺寸。 机组段长度𝐿𝑐可按下式计算：𝐿𝑐=𝐿+𝑥+𝐿−𝑥. 其中：𝐿+𝑥表示机组段+x方向的最大长度； 𝐿−𝑥表示机组段−x方向的最大长度； 计算机组长度时可按蜗壳层、尾水层和发电机层分别计算，然后取其中最大值，再调节其他两个，使其相等。

<1>按蜗壳层推求：𝐿𝑐=𝑅1+𝑅2+𝛿1+𝛿2

其中：𝛿1和𝛿2表示蜗壳外部混凝土厚度，一般为1.2~1.5m，这里取； 𝑅1蜗壳+x方向最大平面尺寸，经计算为6.4𝑚；

𝑅2蜗壳−x方向最大平面尺寸，经计算为4.8𝑚；

则𝐿𝑐=𝑅1+𝑅2+𝛿1+𝛿2

=6.4+4.8+1.2+1.2=13.6𝑚.

<2>按尾水管层推求：𝐿𝑐=𝐵5+2𝛿2

其中：𝐵5为尾水管出口宽度，其值为17.68𝑚； 𝛿2为尾水管混凝土边敦厚度（大型水电站取5~7𝑚， 中型水电站取3~4𝑚， 小型水电

站取1~2𝑚），这里取1.2𝑚. 则𝐿𝑐=𝐵5+2𝛿2

=17.68+2×1.2=20.08𝑚.

<3>按发电机层推求：𝐿𝑐=?3+𝑏+2𝛿3

其中：𝛿3表示发电机风壁厚，一般取0.3~0.4𝑚，这里取0.4𝑚； 𝑏表示相邻两风罩外壁净距，一般取1.5~2.0m，这里取1.8m； ?3 表示发电机风罩内径，由上述资料知其值为13𝑚. 则 𝐿𝑐=?3+𝑏+2𝛿3

=13+1.8+2×0.4=15.6𝑚.

结论：根据以上三种结构的计算情况，厂房的机组间距由尾水管层推求的长度决定 即 𝐿𝑐=20.08𝑚，为便于施工，取𝐿𝑐

=21𝑚.

②左端机组段附加长度为𝐿1=0.8𝐷1

=0.8×6.5=5.2𝑚.

③右端机组段附加长度为𝐿2=0.2𝐷1

=0.2×6.5=1.3𝑚.

④安装间长度为𝐿𝑎=（1.2~1.5）𝐿𝑐，这里取𝐿𝑎=1.4𝐿𝑐

=1.4×21=29.4m.

结论：主厂房的长度为L=n𝐿𝐶+𝐿1+𝐿2+𝐿𝑎

=4×21+5.2+1.3+29.4=119.9m，取

120m. ⑵主厂房的宽度 ①以机组中心线为界，厂房宽度B可分为上游侧宽度B𝑠和下游侧宽度B𝑥两部分,关于这两部分的计算可用以下经验公式计算：B=B𝑠+B𝑥. 其中：B𝑠=𝛼𝐷1，当水轮机的转轮直径D1

=6.0~10.0𝑚时，相应的𝛼取值为1.8~6.0，这里𝛼取，

则：B𝑠=𝛼𝐷1

=2.4×6.5=15.6𝑚.

B𝑥=(3.5~4.5)𝐷1, 这里取B𝑥=4.5𝐷1

=4.5×6.5=29.25𝑚.

结论：主厂房的宽度为B=B𝑠+B𝑥

=15.6+29.25=44.85𝑚.

⑶主厂房的剖面尺寸确定

①水轮机的安装高程由上述资料可知为：𝑍𝑠=?𝜔+𝐻𝑠

+𝑏02=266+1.332+1.952=268.31𝑚.

②尾水管地板的高程为：?1=𝑍𝑠−𝑏02−ℎ𝜔. 其中：𝑍𝑠表示水轮机安装高程； 𝑏0表示导叶高度；

ℎ𝜔表示底环顶面至尾水管的距离，ℎ𝜔=h−𝑏02.

则?1=𝑍𝑠−𝑏02−ℎ𝜔

=268.31−1.952−(16.9−1.952)=251.14m.

③主厂房基础开挖高程?𝐹=𝑍𝑠−（h1

+h）

其中：h1表示尾水管地板混凝土厚度,取1.8m； h表示尾水管高度.