–PAGE33–某水利樞紐電站壩段的計算設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u114801.1水電站進水口的設(shè)計 1263341.1.1壩后式引水系統(tǒng)類型選擇 1791.1.2進水口設(shè)計要求及選型 239361.1.3進水口位置和高程初擬 2312781.1.4壓力管道直徑設(shè)計 2131051.1.5最小淹沒深度及進水口底部高程的確定 360371.1.6進水口的型式和尺寸 323191.1.7進水口主要設(shè)備設(shè)計 4127701.2水輪機設(shè)計 4297131.2.1水輪機型號選擇 467141.2.2水輪機主要參數(shù) 5147361.2.3水輪機蝸殼斷面設(shè)計 7241411.2.4水輪機尾水管設(shè)計 8325851.3電站廠房設(shè)計 9267331.3.1水輪機安裝高程的確定 970801.3.2尾水管底部高程 10320491.3.3水輪機層高程 10208301.3.4發(fā)電機安裝高程 10274361.3.5廠房頂部高程 101.1水電站進水口的設(shè)計1.1.1壩后式引水系統(tǒng)類型選擇本工程水頭較高，水庫庫容較大，大壩應(yīng)該作為主要擋水建筑物，而廠房不起擋水作用，發(fā)電用水直接穿過壩體引入廠房。所以本工程的電站建筑物選擇壩后式明廠房。1.1.2進水口設(shè)計要求及選型進水口的設(shè)計要求：（1）要有足夠的進水能力。在任何工作水位下，進水日都能引進必需的流量，為此，進水口的高程以及在樞紐中的位置需合理安排，進水口應(yīng)該具有平順并有足夠大小的流道。（2）進水口應(yīng)設(shè)置攔污設(shè)施，以保證水質(zhì)符合發(fā)電要求。（3）進水口應(yīng)的位置應(yīng)該合理、進水口水流流速小，以盡可能減小水頭損失。（4）進水口處應(yīng)該設(shè)置閘門，這樣可以在電站廠房或輸水系統(tǒng)發(fā)生事故或需要檢修時截斷水流。對于無壓進水口，有時需要用進水口處的閘門來控制引水流量不能過大。（5）滿足水工建筑物的一般要求。進水口應(yīng)有足夠的穩(wěn)定性、強度和剛度，設(shè)計構(gòu)造簡單，并且利于維修和運行。（6）對于具有大消落深度水庫的水電站，為滿足在最低發(fā)電水位時的運行要求，進水口的位置一般較低。而在高水位運行時，進水口引進的是水庫深層水體，水溫一般較低，下游河道內(nèi)含氧量和水溫變化較大，對下游水生生物有不利影響。此時還需要滿足庫水位變動分層取水的要求。進水口的選型：選用有壓壩式進水口。1.1.3進水口位置和高程初擬進水口位置在泥沙淤積高程318m以上、發(fā)電死水位333m以下，高程在壓力管道頂部以上保持至少2~3m的淹沒深度。綜合分析，初擬進水口底部高程320m，進水口尺寸4m×5m（寬×高）。1.1.4壓力管道直徑設(shè)計用彭德舒公式初步確定壓力鋼管的經(jīng)濟直徑，見公式（1.1）：（1.1）式中：Qmax——為鋼管的最大設(shè)計流量，Qmax=45m3/s；H——為設(shè)計水頭，H=346-320-2.5=23.5m。計算得壓力鋼管的直徑D=4.1m。1.1.5最小淹沒深度及進水口底部高程的確定有壓進水口最小淹沒深度可按戈登公式估算，見公式（1.2），（1.3）：（1.2）（1.3）式中：S——進水口淹沒深度，m；V——閘孔斷面流速，m2/s；d——閘孔高度，d=4.0m；c——與進水口幾何形狀有關(guān)的系數(shù)，進水口設(shè)計良好和水流對稱，取0.6;A——閘孔面積，A=4×5=20m2。計算得有壓進水口最小淹沒深度S=2.7m。進水口底部高程確定為320m。1.1.6進水口的型式和尺寸進口段：進口段的頂板收縮曲線為1/4橢圓，底部為水平。橢圓長半軸a取閘門孔口高度的1倍，a=5，短半軸b取閘門孔口高度的1/3，b=1.67，橢圓曲線見公式（1.4）：（1.4）閘門段：閘門段應(yīng)設(shè)置檢修閘門和事故閘門。事故閘門為平板門，閘門的尺寸為4m×5.5m（寬×高）。檢修閘門設(shè)置在事故閘門上游側(cè)，為平面閘門，檢修閘門的尺寸為4m×5.5m（寬×高）。漸變段：漸變段利用圓角將矩形閘門段過渡到圓形管道段，漸變段長度取為管道直徑的1.5~2.0倍，取1.5倍，即1.15m，側(cè)面擴散角通常為6°~8°，取7°。1.1.7進水口主要設(shè)備設(shè)計有壓式進水口設(shè)置攔污設(shè)備、通氣孔和平壓管等設(shè)備。（1）攔污柵：攔污設(shè)備的主要作用是防止水面上漂浮的垃圾隨水流進入進水口，也能防止進水口堵塞，影響進水能力，主要的攔污設(shè)備是攔污柵。壩式攔污柵布置為垂直的，攔污柵在平面上布置成直線形。攔污柵由若干塊柵片組成，每塊攔污柵的柵片寬度為2m，高度為3m。柵條厚度為12mm，寬度為200mm，相鄰柵條之間的間距b≈D1/30=83.33mm。（2）通氣孔：通氣孔設(shè)在事故閘門之后，用以排氣補氣。通氣孔面積計算見公式（1.5），（1.6）：（1.5）（1.6）式中：[va]——通氣孔的允許風(fēng)速，[va]=50m/s；vw——閘門孔口水流速度，vw=21.46m/s；A——閘門后管道面積A=13.2m2。計算得：Aa≥0.51=0.51m2通氣孔面積為0.51m2，通氣孔半徑約為0.4m。（3）平壓管：平壓管半徑取0.2m，設(shè)在前后兩個閘門中間的壩體內(nèi)，聯(lián)通至壩體上游面。1.2水輪機設(shè)計1.2.1水輪機型號選擇按照設(shè)計基本資料中給定的工作水頭等資料，確定水輪機型號。本工程宜選擇混流式水輪機，即選擇HL系列水輪機。由于本工程上游水頭在30m左右，而HL240水輪機的推薦使用水頭范圍為25~45m，所以選用HL240水輪機。查表得HL240水輪機的氣蝕系數(shù)σ=0.200。1.2.2水輪機主要參數(shù)（1）轉(zhuǎn)輪直徑計算：水輪機的輸入功率的計算見公式（1.7）：（1.7）式中：Ngr——發(fā)電機的額定出力，20000kW；ηgr——發(fā)電機的額定效率，取96%；計算得Nr=20833kW。水輪機的轉(zhuǎn)輪直徑的計算見公式（1.8）：（1.8）式中：Q’1——水輪機的單位流量，單位m3/s，在可能的情況下應(yīng)取最大值，查水輪機模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)表，取限制工況值1.24m3/s；——設(shè)計水頭，m；η——HL240型水輪機限制工況效率，η=90.4%。計算得D1=2.42m，選擇接近而偏大的轉(zhuǎn)輪直徑D1=2.5m。（2）轉(zhuǎn)速n的計算：水輪機轉(zhuǎn)速的計算見公式（1.9）：（1.9）式中：n’1——選用原型最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n’10，查表可知，HL240水輪機在最優(yōu)工況下單位轉(zhuǎn)速n’10M=72r/min，假設(shè)n’1=n’10=n’10M=72r/min；H——選用加權(quán)平均水頭Hav=23.5m。計算得n=139.6，取與之接近且稍大的同步轉(zhuǎn)速n=150r/min，其相應(yīng)的磁極對數(shù)為20。（3）效率及單位參數(shù)的修正：水輪機原型效率ηmax的計算見公式（1.10）：（1.10）式中：——HL240水輪機在最優(yōu)工況下的模型最高效率，=92.0%；D1M——模型轉(zhuǎn)輪直徑D1M=0.46m。計算得原型效率ηmax=94.3%，則效率修正值Δη=94.3%-92%=2.3%。考慮到模型與原型水輪機在制造工藝質(zhì)量上存在差異，因此在已經(jīng)求得的Δη再減去一個修正值ξ。取ξ為1.0%，則效率修正值Δη=1.3%。由此可得原型水輪機在最優(yōu)工況和限制工況下的效率分別為：單位轉(zhuǎn)速的修正值的計算見公式（1.11）：（1.11）計算得<3.0%，按規(guī)定可以不修正單位轉(zhuǎn)速，同樣單位流量也可以不修正。通過以上計算可見，原來假定的，,是正確的，則選用的D1=2.5m，n=150r/min也是正確的。水輪機的吸出高：水輪機的吸出高的計算見公式（1.12）：（1.12）式中：——為水輪機安裝高程，初步設(shè)計時可取為下游平均水位313m；——模型氣蝕系數(shù)，查HL240水輪機參數(shù)表可知為0.200；——氣蝕系數(shù)的修正值，查氣蝕系數(shù)的修正曲線可知為0.025。計算得HS=-0.97m。1.2.3水輪機蝸殼斷面設(shè)計蝸殼采用金屬焊接蝸殼，查蝸殼進口斷面平均流速曲線圖得蝸殼進口斷面平均流速Vc為5.7m/s，金屬蝸殼包角ψ0=345°，查《水力機械》可知水頭在70m以下的金屬蝸殼座環(huán)外徑Da=3.4m，座環(huán)外徑Db=4.05m。對于任一斷面，為保證流量均勻地進入導(dǎo)水機構(gòu)，通過任一斷面i的流量計算見公式（1.13）：（1.13）式中：——從蝸殼鼻端到斷面i的包角。斷面半徑的計算見公式（1.14）：（1.14）斷面中心距的計算見公式（1.15）：（1.15）式中：=2.025m。斷面外半徑的計算見公式（1.16）：（1.16）利用上述公式，取若干個φi斷面計算，計算過程見表1.1：繪制出蝸殼斷面單線圖和平面單線圖，見圖1.1：圖1.1蝸殼平面單線圖1.2.4水輪機尾水管設(shè)計尾水管的主要型式有直錐式、彎錐式和彎肘式。彎肘式水輪機不但可以減小尾水管開挖深度，而且具有良好的水力性能，因此選用彎肘式尾水管。彎肘式尾水管有進口直錐段、中間彎肘段和出口擴散段三個組成部分。高比速混流式水輪機（D1<D2）的尾水管尺寸計算見表1.2：尾水管進口直錐段是一段垂直的圓錐形擴散段，內(nèi)壁設(shè)有金屬里襯，可以防止旋轉(zhuǎn)水流和渦帶脈動壓力對管壁的破壞，單邊擴散角θ設(shè)為8°。彎肘段通常是進口斷面為圓形，出口斷面為矩形的90°轉(zhuǎn)彎的變截面彎管。表1.1蝸殼斷面計算表φi（°）Qi（m3/s）ρi（m）ai（m）Ri（m）00.0000.002.032.03151.8750.322.352.67303.7500.462.482.94455.6250.562.593.15607.5000.652.673.32759.3750.722.753.479011.2500.792.823.6110513.1250.862.883.7412015.0000.922.943.8613511.8750.973.003.9715018.7501.023.054.0716520.6251.073.104.1718022.5001.123.154.2719524.3751.173.194.3621021.2501.213.244.4522528.1251.253.284.5324030.0001.293.324.6125531.8751.333.364.6927033.7501.373.404.7728535.6251.413.444.8530037.5001.453.474.9231539.3751.483.514.9933041.2501.523.545.0634543.1251.553.585.13表1.2尾水管尺寸計算表h/D1=2.6h=1.5mL/D1=4.5L=11.25mB5/D1=2.72B5=1.8mD4/D1=1.35D4=3.375mh4/D1=1.35h4=3.375mh6/D1=0.675h6=1.6875mL1/D1=1.82L1=4.55mh5/D1=1.22h5=3.05m出口擴散段是一段水平放置、兩側(cè)平行、頂板上翹α角的矩形擴散管，取α為11°，設(shè)置中間支墩，支墩厚度b5=1.0m。繪制出尾水管大樣圖，見圖1.2：尾水管立面圖（b）尾水管平面圖圖1.2尾水管大樣圖1.3電站廠房設(shè)計1.3.1水輪機安裝高程的確定對立軸混流式水輪機，機組安裝高程的計算見公式（1.17）：（1.17）式中：——設(shè)計尾水位，查水位流量曲線可知為314.7m；b0——導(dǎo)葉高度，b0=0.25D1=0.625m。計算可得=314.04m。1.3.2尾水管底部高程尾水管底部高程的計算見公式（1.18）：（1.18）式中：h——座環(huán)頂面至尾水管底板的距離1.5m。計算得=307.23m。1.3.3水輪機層高程水輪機層高程的計算見公式（1.19）：（1.19）式中：r2——蝸殼進口段半徑1.55m；h3——蝸殼上部混凝土厚度，對于金屬蝸殼可取1.0m。計算得=311.59m。1.3.4發(fā)電機安裝高程發(fā)電機安裝高程的