某水電站的廠房設計計算案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u7382某水電站的廠房設計計算案例概述 178731.1特征水頭的確定 1279941.2水輪機選型 2177181.3.1水輪機主要參數(shù)的選擇 3288291.3.2水輪機方案的比較分析 570751.4蝸殼、尾水管設計 5761.4.1蝸殼設計 563561.4.2尾水管設計 7216701.5水輪發(fā)電機選型 7179491.5.1發(fā)電機型式選擇 790571.5.2主要尺寸估算 8218371.5.3外形尺寸估算 916171.5.4發(fā)電機重量估算 11294701.5.5發(fā)電機尺寸和重量計算結果 11288261.6起重設備選擇 1287511.7油壓設備和調速裝置 12282231.7.1調速功的計算 1227701.7.2接力器的選擇 1223711.7.3調速器的選擇 13200101.7.4油壓裝置的選擇 13186151.8主廠房主要尺寸的確定 1380531.8.1主廠房長度L 1385651.8.2主廠房寬度B 15154841.8.3主廠房各層高程的確定 15115931.9廠房布置 171.1特征水頭的確定水頭由上游庫水位減去下游水位計算得。壩后式水電站的輸水系統(tǒng)水頭損失為毛水頭的1%~3%，本次設計取2%，則凈水頭 H=98%×?特征水頭包括最大水頭Hmax、最小水頭Hmin、平均水頭Hav和設計水頭Hr，需考慮的工況見下表：表4-1特征水頭考慮的水頭工況水頭工況上游庫水位機組情況H1校核洪水位2臺機組滿發(fā)H設計洪水位2臺機組滿發(fā)H正常蓄水位2臺機組滿發(fā)H正常蓄水位1臺機組滿發(fā)H死水位2臺機組滿發(fā)H死水位1臺機組滿發(fā)根據(jù)經(jīng)驗確定各特征水頭的值，則 Hmax= Hmin= Hav=5% Hr=0.95Hav各工況的水頭值和特征水頭的取值見表4-2。表4-2各工況的水頭值單位：mHHHHHHHHHH67.5267.1367.0367.1351.9452.1467.5251.5962.5759.441.2水輪機選型由求得的特征水頭可知，水頭范圍為51.94~67.52m。根據(jù)水頭范圍查《水電站》表3-6，初步選取HL220、HL230兩種型號的水輪機，其模型轉輪的主要參數(shù)見表4-3。表4-3HL220、HL230水輪機模型轉輪主要參數(shù)表轉輪型號HL220HL230推薦使用水頭范圍（m）35～6550～85導葉相對高度b0/D10.250.315模型轉輪D1M0.460.404最優(yōu)工況n10M7071η0.910.907限制工況Q1M1.151.11η0.890.852σ0.1330.170計算確定這兩種型號的水輪機的型號，并進行方案比較，確定最后的水輪機型號。1.3.1水輪機主要參數(shù)的選擇1.3.1.1.轉輪直徑D1根據(jù)水輪機額定出力計算公式，可得 D1=式中Nr為單臺水輪機組的額定出力，；Q1'為水輪機限制工況下單位流量，m3Hrη為限制工況下相應的原型效率。先假定η，計算求得D1，再根據(jù)《水電站》1.3.1.2轉速n計算水輪機轉速的計算公式為： n=n式中n10’為最優(yōu)工況下相應的原型轉速，Hav初步假定，計算求得n，再根據(jù)《水電站》表1-1選用與之接近而偏大的同步轉速。1.3.1.3效率及單位參數(shù)修正（1）效率修正可根據(jù)模型最高效率進行修正。效率修正值Δη： ηmax=1? Δη=η原型水輪機在最優(yōu)工況和限制工況下的效率： ηmax= η=ηM式中ξ為效率修正值，取ξ=1%。（2）單位參數(shù)修正單位轉速修正判斷公式： Δn1當滿足式（4-12）時，單位轉速可不作修正，同時單位流量也可不作修正。1.3.1.4工作范圍的檢驗水輪機在設計水頭Hr下，以額定出力Nr工作時，會產生最大單位流量，并可以此計算出水輪機最大引用流量。 Q1max Qmax=與特征水頭、、相對應的最小單位轉速n1min'、最大單位轉速n1max'及設計單位轉速n n1min n1max' n1r在相應型號的水輪機模型綜合特性曲線圖上繪出Q1max'，n1min'和n1max'的直線，這三根直線所圍成的1.3.1.5吸出高度的計算以下兩式均可進行吸出高度的計算： HS=10? HS=10?式中為水輪機安裝位置的海拔高程，初始計算取為下游平均水位140.64m；取為設計水頭，m；σm為模型水輪機氣蝕系數(shù)，可在特性曲線Δσ為氣蝕系數(shù)的修正值，可在《水電站》圖2-26上查得；σz為模型水輪機氣蝕系數(shù)當吸出高度滿足HS1.3.2水輪機方案的比較分析表4-4原型水輪機參數(shù)對照表HL220HL230工作水頭范圍（m）51.94~67.5251.94~67.52轉輪直徑D1（m）3.83.8轉速n（r/min）150150最高效率ηmax（%）9394.5額定出力Nr（kW）5.2×1045.2×104最大引用流量Qmax（m3/s）97.97100.2吸出高度Hs（m）2.29-0.26工作范圍包含部分高效區(qū)包含部分高效區(qū)根據(jù)以上比較可知，兩個方案的轉輪直徑和轉速一樣，HL220雖然氣蝕系數(shù)較小，但是原型的最高效率略低，最大引用流量略小；而雖然HL230氣蝕系數(shù)大，但是原型的最高效率和最大引用流量相較而言大些，且工作范圍包含更多的高效區(qū)。綜合分析，選擇HL220型水輪機，直徑3.8m，單位轉速150r/min。1.4蝸殼、尾水管設計1.4.1蝸殼設計本水電站水頭大于40m，故采用金屬蝸殼。蝸殼的包角取345°；進口斷面平均流速Vc可根據(jù)水輪機的設計水頭Hr從經(jīng)驗曲線上查取，對于金屬蝸殼可取上限值，取Vc=7.0m/s。查《水電站機電設計手冊》可得轉輪座環(huán)尺寸，見表4-4。表4-4轉輪座環(huán)相關尺寸單位：mD1DaDbrarb3.85.852.92.5其他尺寸計算見下式：斷面半徑 ρi=Q斷面中心距 ai=斷面外半徑 Ri=圖4-1蝸殼尺寸示意圖表4-5蝸殼各斷面計算尺寸單位：mφi（o3075120165210255300345ρ0.6090.9641.2191.4291.6121.7771.9272.067a3.5093.8644.1194.3294.5124.6774.8274.967R4.1184.8285.3385.7586.1246.4546.7547.034圖4-2金屬蝸殼平面單線圖1.4.2尾水管設計由于水電站水頭小于150m，故不需要設置金屬里襯。尾水管選用彎肘型尾水管，肘形型式選用標準混凝土肘管。表4-6尾水管尺寸表單位：mhLB5D4h4h6L1h59.8817.110.3365.135.132.5656.9164.636取進口直錐段中的單邊擴散角θ=8o，中間彎肘段根據(jù)《水電站》圖2-18的尺寸按比例放大，出口擴散段的頂板上翹角度經(jīng)計算得α=11.5o。圖4-3尾水管尺寸示意1.5水輪發(fā)電機選型當轉速偏差<10%、出力偏差<20%時，可選擇現(xiàn)有機組尺寸進行套用。經(jīng)檢查，無可套用的機組。1.5.1發(fā)電機型式選擇采用立式發(fā)電機。由于額定轉速n=150r/min，懸式和傘式發(fā)電機均可以進行選擇，本次設計選擇懸式發(fā)電機。，發(fā)電機額定容量可按照電學公式計算： Sf=N式中Nf為發(fā)電機單臺機組裝機容量，；cosφ為發(fā)電機功率因數(shù)，取。計算得Sf1.5.2主要尺寸估算主要尺寸包括和定子鐵芯長度lt等的計算。1.5.2.1極距極距按照下式計算： τ=Kf4Sf2式中為磁極對數(shù)，與同步轉速有關，查《水電站》表1-1查得p=20；Kf為系數(shù)，一般為，取為Kf1.5.2.2定子內徑D Di=2pπτ（1.5.2.3定子鐵芯長度l發(fā)電機運輸條件和冷卻方式是限制定子鐵芯長度的決定因素。采用空冷的冷卻方式。 lt=SfCD式中為額定轉速，；為系數(shù)，采用空冷的冷卻方式時，根據(jù)額定容量，查得。1.5.2.4定子鐵芯外徑Dne Da=D1.5.3外形尺寸估算4.1.3.1平面尺寸估算（1）定子機座外徑D1由于=150rpm∈（136.4,214），故： D1=1.18（2）風罩內徑D由于=5.88×10 D2=（3）轉子外徑D D3=式中δ為單邊空氣間隙，忽略不計。（4）下機架最大跨度D考慮到Sf=5.88× D4=式中D5為水輪機機坑直徑，插值查《水電站機電設計手冊》（5）推力軸承外徑D6與勵磁機外徑插值查《水電站機電設計手冊》表3-7得到D6=3.57m，D7=2.57m。4.1.3.2軸向尺寸計算（1）定子機座高度?=150rpm∈（125，214），故： ?1=（2）上機架高度?采用懸式 ?2=0.25（3）推力軸承高度?3，勵磁機高度?4，副勵磁機高度?由于Sf=5.88×104KVA>20000KVA，查《水電站機電設計手冊》表3-8，取=1.8m,=2.2m,=1m（4）下機架高度?懸式： ?7=0.12（5）定子機座支承面到下機架支承面距離?懸式： ?8=0.15（6）下機架支承面到主軸法蘭盤底面距離?9?9∈700,1500m（7）轉子磁軛軸向高度?有風扇時 =lt+（700～1000）mm （4-36）（8）發(fā)電機主軸高度? ?11=式中H為發(fā)電機總高度。 H=?（9）定子鐵芯水平中心線到主軸法蘭盤的底面距離? ?12=0.46圖4-4發(fā)電機外形尺寸示意1.5.4發(fā)電機重量估算由于本設計水平有限，在未明確具體廠家和機組的情況下，僅根據(jù)經(jīng)驗和已有實例對重量進行粗略估算。機組總重量和轉子重量見下式： Gf=K Gt=0.5G式中Gf為發(fā)電機總重量，；GtK1為參數(shù)，取。1.5.5發(fā)電機尺寸和重量計算結果表4-7發(fā)電機外形尺寸及重量估算主要尺寸（m）平面尺寸（m）重量（t）τDiltDaD1D2D3D4D5D6D7GfGt0.567.131.447.89.211.67.136.45.23.572.57482.06241.03軸向尺寸（m）h1h2h3h4h5h6h7h8h9h10h11h12H4.561.781.82.210.80.861.0712.3104.414.211.6起重設備選擇橋吊的起重量取決于需要吊運的最重部件，為發(fā)電機轉子。發(fā)電機轉子重量Gt=241.03t∈（100,600），故選用一臺雙小車橋吊，在《水電站機電設計手冊》表7-1中選用1.7油壓設備和調速裝置1.7.1調速功的計算水輪機的調速功可用下式進行估算： A=200~250式中A為調節(jié)功，N·m；Q為水輪機在最大水頭下以額定出力工作時的流量，m3經(jīng)計算，A=308410～385513N·m，取A=3.5×105N·m>30000N·m，屬于大型調速器，則接力器，調速柜和油壓裝置應分別進行計算和選擇。1.7.2接力器的選擇1.7.2.1接力器直徑的計算采用兩個接力器來操作水輪機的導水結構，選定額定油壓為2.5Mpa，則每個接力器的直徑ds ds=式中λ為計算系數(shù)，從《水電站》表4-2中選取λ=0.03；b0D1計算得ds=0.468m=468mm，根據(jù)《水電站》表4-3選用與之接近而偏大的1.7.2.2接力器最大行程接力器最大行程Smax可按經(jīng)驗公式進行計算： Smax=式中a0max為原型水輪機導葉的最大開度，mm經(jīng)計算得Smax=277.2~356.4mm，1.7.2.3接力器容積兩個接力器總容積為： Vs=12πds2Smax （4-45）經(jīng)計算得Vs1.7.3調速器的選擇主配壓閥直徑可按下式進行計算： d=4式中Ts為導葉關閉時間，取Tυm為管內油的流速，取υ經(jīng)計算得d=0.081m=81mm，選取與系列直徑相近且比計算值偏大的DT-100型電氣液壓型調速器。1.7.4油壓裝置的選擇根據(jù)經(jīng)驗公式，壓力油罐的容積為： Vk=（18經(jīng)計算得Vk=1.8主廠房主要尺寸的確定主廠房尺寸的確定，即主廠房長度、寬度和高度的確定。1.8.1主廠房長度L主廠房總長度包括機組段長度、段機組段長度和安裝間的長度，應分別進行計算。1.8.1.1機組段長度L1機組段長度受蝸殼、尾水管、發(fā)電機等設備在x軸方向的尺寸控制，可按下式計算： L1=式中L+x為機組段在+x方向的長度最大值L?x為機組段在-x方向的長度最大值分別計算出發(fā)電機層、蝸殼層和尾水管層對應的L+x、L表4-8機組段長度L1L1=蝸殼層LL尾水管層LL發(fā)電機層LL表格中R為斷面外半徑，m；B5D2為發(fā)電機風罩內徑b為相鄰機組風罩外壁間凈距，考慮布置樓梯的需要，取b=4.0m；δ1、δ2、δ3分別為蝸殼外部混凝土厚度、尾水管邊墩混凝土厚度和發(fā)電機風罩壁厚，取δ1=1.5m計算得L11.8.1.2端機組段加長ΔL段機組段相較其余機組段需要進行加長，根據(jù)經(jīng)驗加長部分可采取下式公式進行計算： ΔL=0.2～1.0經(jīng)計算，取ΔL=2m。1.8.1.3安裝間長度L安安裝間長度一般為（1.0～1.5）倍的機組段長，取L安=18m1.8.1.4主廠房總長L L=n式中n為機組段數(shù)目，n=2。經(jīng)計算，L=53.6m。1.8.2主廠房寬度B機組中心至廠房上游側寬度Bs和機組中心至廠房下游側寬度B B=BsB1、B表4-9主廠房寬度計算表B=蝸殼層BB發(fā)電機層BB表中Δ1、Δ2分別為蝸殼混凝土外側距上下游的距離，取Δ1A1、A2分別為發(fā)電機風罩外側距上下游的距離，A1包括副走廊、機旁盤和安全距離，A2包括主走廊和安全距離，取最終可得主廠房寬度B=Bs1.8.3主廠房各層高程的確定廠房各層的高層，主要有尾水管地板高程、機組安裝高程、水輪機層地面高層、發(fā)電機層地面高層、吊車軌道頂高層、廠房頂高程等。1.8.3.1機組安裝高程混流式水輪機，立軸布置，則水輪機安裝高程為： ?=?w式中?wHS為水輪機吸出高度b0為水輪機導葉高度1.8.3.2尾水管地板的高程? ?1=式中?為水輪機座環(huán)底至尾水管底板的距離，m。1.8.3.3基巖開挖高程?2 ?2=?考慮到安全因素，