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1、水利水电工程专业毕业设计目 录第一章 水轮机- 4 -1.1 特征水头的确定- 4 -1.2 水轮机选型- 6 -1.3 水轮机蜗壳及尾水管- 8 -1.3.1 蜗壳尺寸确定- 8 -1.3.2 尾水管尺寸确定- 8 -1.4 调速设备及油压设备选择- 8 -1.4.1 调速功计算- 8 -1.4.2 接力器选择- 9 -1.4.3 调速器的选择- 9 -1.4.4 油压装置- 9 -第二章 发电机- 11 -2.1 发电机的尺寸估算- 11 -2.1.1 主要尺寸估算- 11 -2.1.2 外形尺寸估算- 11 -2.2 发电机重量估算- 13 -第三章 混凝土重力坝- 14 -3.1 剖面
2、设计- 14 -3.1.1 坝高的确定- 14 -3.1.2 坝底宽度的确定- 16 -3.2 稳定与强度校核- 16 -3.2.1 作用大小- 16 -3.2.2 承载能力极限状态强度和稳定验算- 19 -3.2.3 正常使用极限状态进行强度的计算和验算- 25 -第四章 引水建筑物布置- 27 -4.1 压力钢管布置- 27 -4.1.1 确定钢管直径- 27 -4.2 进水口布置- 27 -4.2.1 确定有压进水口的高程- 27 -4.2.2 渐变段尺寸确定- 28 -4.2.3 拦污栅尺寸确定- 28 -4.2.4 通气孔的面积确定- 28 -第五章 主厂房尺寸及布置- 30 -5.
3、1 厂房高度的确定- 30 -5.1.1 水轮机安装高程- 30 -5.1.2. 尾水管顶部高程及尾水管底部高程- 30 -5.1.3 基岩开挖高程- 30 -5.1.4 水轮机层地面高程- 30 -5.1.5 发电机层楼板高程- 30 -5.1.6 吊车轨顶高程- 31 -5.1.7 厂房顶高程- 31 -5.2 主厂房长度的确定- 31 -5.2.1 机组段长度确定- 31 -5.2.2 端机组段长度- 32 -5.2.3 装配场长度- 32 -5.3 主厂房宽度和桥吊跨度的确定- 32 -第六章 混凝土溢流坝- 34 -6.1 溢流坝段总宽度的确定- 34 -6.1.1 单宽流量q的选择
4、- 34 -6.1.2 确定溢流前缘总净宽L- 34 -6.1.3 确定溢流坝段总宽度- 35 -6.2 堰顶高程的确定- 35 -6.2.1 堰顶高程的确定- 35 -6.2.2 闸门高度的确定- 35 -6.3 堰面曲线的确定- 35 -6.3.1 最大运行水头和定型设计水头的确定- 36 -6.3.2 三圆弧段的确定- 36 -6.3.3 曲线段的确定- 36 -6.3.4 直线段的确定- 36 -6.3.5 反弧段的确定- 37 -6.3.6 鼻坎挑角和坎顶高程的确定- 38 -6.3.7 溢流坝倒悬的确定- 38 -6.4 溢流坝强度和稳定验算- 38 -6.4.1 作用大小- 39
5、 -6.4.2 承载能力极限状态强度和稳定验算- 40 -6.4.3 正常使用极限状态进行强度的计算和验算- 43 -6.5 消能与防冲- 43 -6.5.1 挑射距离和冲刷坑深度的估算- 43 -第七章 压力钢管应力分析及结构设计- 44 -7.1 水力计算- 44 -7.1.1 水头损失计算- 44 -7.1.2 水锤计算- 49 -7.2 压力钢管厚度的拟定- 52 -7.3 钢管、钢筋、混凝土联合承受内压的应力分析- 54 -7.3.1 混凝土开裂情况判别- 54 -7.3.2 应力计算- 58 -第一章 水轮机1.1特征水头的确定1. 在校核洪水位下, 四台机组满发，下泄流量Q=14
6、100m3/s,由厂区水位流量关系可得，尾水位尾=220.54m，库=291.8m H1=0.99(库尾)=0.99(291.8220.54)=70.54m2, 在设计洪水位下，四台机组满发，下泄流量=11000 m3/s,由厂区水位流量关系得, 尾水位尾=217.82m, 库=289.94m H2=0.99(库尾)=0.99(289.94217.82)=71.40m3, 在设计蓄水位下,一台机组满发，由下列式子试算出该情况下对应的下泄流量和水头N=9.81QHH=0.99(库尾)尾=f (Q)=水电=0.950.9列表试算，得Q(m3/s)库(m)尾(m)H(m)N(kw)60284201.
7、8881.3040916.3565284201.9181.2744309.1870284201.9481.2447699.4267.5284201.9281.2646004.63当下泄流量为67.5 m3/s时，一台机组满发，对应水头为81.26m.，即H3=81.26m.4.在设计蓄水位下，四台机组满发，试算该情况下对应的下泄流量和水头，列表试算Q(m3/s)库(m)尾(m)H(m)N(kw)300284203.279.99201281.07250284203.0380.16168080.21270284203.180.09181377.16274284203.180.08184033.9
8、当下泄流量为274 m3/s时，四台机组满发，对应水头为80.08m，即H4=80.08m。5.在设计低水位下，四台机组满发，试算该情况下对应的下泄流量和水头，列表试算Q(m3/s)库(m)尾(m)H(m)N(kw)300264203.260.19151459.02400264203.5359.87200838.21350264203.3760.02176217.81362264203.4159.97184000当下泄流量为362m3/s时，四台机组满发，对应水头为59.79m，即H5=59.79m.6.在设计低水位下，一台机组满发，试算该情况下对应的下泄流量和水头，列表试算Q(m3/s)库(
9、m)尾(m)H(m)N(kw)8026420261.3841186.2390264202.0661.3246287.808526461.3561.3543738.3189.4526461.3261.3246006.33 当下泄流量为89.45m3/s时，一台机组满发，对应水头为61.32m，即H6=61.32m. =81.2 =59.79 =72.74=69.11由H1=70.54m,H2=71.40m,H3=81.26m,H4=80.08m,H5=59.79m,H6=61.32m，确定：最大水头Hmax=81.2m ,最小水头Hmin=59.79m,加权平均水头Hav=0.6Hmax+0.4
10、 Hmin 0.681.2+0.459.79=72.74m,设计水头Hr=0.95 Hav=0.9572.74=69.11m1.2水轮机选型根据水头变化范围59.79m81.26m,在水轮机系列型谱表33.表34中查出合适的机型为HL220.HL220型水轮机的主要参数选择1. 转轮直径D1计算 查水电站表36和图312可得HL220型水轮机在限制工况下单位流量Q11M=1150L/s，效率=89.0%，由此可初步假定原型水轮机在该工况下单位流量Q11= Q11M=1150L/s，效率=90%。发电机的额定效率取为gr=96%,Nr=Ngr/gr=46000/96%=47916.67kwD1=
11、2.866m选用与之接近而偏大的标称直径D1=3.0m.2. 转速n计算 查水电站表34可得，HL220型水轮机在最优工况下单位转速n110M=70.0 r/min,初步假定n110=n110M=70.0r/min,Hav=72.74m,D1=3.0m. n=199.00r/min选择与上述计算值相近而偏大的同步转速n=214.3r/min。3. 效率及单位参数修正查表36可得HL220型水轮机在最优工况下的模型最高效率为Mmax =91%模型转轮直径D1M=0.46m max=1-(1-Mmax)=1-(1-91%)=93.8%则效率修正值为=93.8%-91%=2.8%。考虑到模型与原型水
12、轮机在制造上的差异。常在已求得的值中再减去一个修正值，现取=1.0%，可得修正值为=1.8%，原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为 max=Mmax+=91%+1.8%=92.8% =M+=89%+1.8%=90.8%90% 与假定不符重新假定效率=90.8%，采用上述过程，得出D1=3.0m,n=214.3r/min, max=93.8% =93.8%-91%-=93.8%-91%-1%=1.8% max=Mmax+=91%+1.8%=92.8% =M+=89%+1.8%=90.8% 与上述假定值相同单位转速的修正值 =(-1)=（-1）=0.98%由于3.0%，按规定单位转速可不加修正
13、，同时，单位流量Q11也可不加修正，由上可见，原假定的=90.8%，Q11= Q11M, n110=n110M是正确的。那么上述计算及选用的结果D1=3.0m,n=214.3r/min是正确的。4. 工作范围检查 水轮机在Hr,Nr下工作时，Q11= Q11max Q11max=1.04030000Nm属大型调速器。调速柜、主接力器、油压装置三者分别选择。1.4.2 接力器选择大型调速器常采用两个接力器来操作导水机构，油压装置额定油压2.5Mp，接力器直径ds=D1=0.0293=0.329m (b0/D1=0.25)选用与之接近而偏大的400mm的标准接力器。 接力器最大行程 Smax=(1
14、.41.8)a0max，由n11r=77.33r/min,Q11max=1040L/s,在模型综合曲线上查得，a0max=a0Mmax=28.8=187.83 Smax=(1.41.8)a0max=(1.41.8)187.83=269.96338.09取Smax=300两接力器总容积为 VS=0.420.3=0.075m31.4.3 调速器的选择主配压阀直径 d=1.13 （Ts为导叶从全开到全关的直线关闭时间，取为4s），选用DT801.4.4 油压装置压力油罐的容积 Vk=（1820）Vs=（1820）0.075=1.351.5m3，选用HYZ1.6压力油罐尺寸：装置型号D（mm）h（mm
15、）H（mm）m（mm）n（mm）HYZ1.610282370327024001700第二章 发电机2.1 发电机的尺寸估算额定转速n=214.3r/min150r/min，选择悬式发电机。查表，对应SF65-28/640,功率因数cos=0.90.则发电机额定容量Sf为 Sf=Nf/cos=46000/0.9=51111.11kVA2.1.1 主要尺寸估算1. 极矩 =58.83cm由极矩，计算转子的飞逸速度 Kf=nf/n=410/214.3=1.91 Vf=KfV=1.9158.83=112.55m/s2. 定子内径 Di Di=524.33cm3. 定子铁芯长度lt lt=157.73c
16、m (查表71，C取5.510-6) lt/=157.73/58.83=2.68定子铁芯长度lt主要受发电机的通风冷却和运输条件的限制。当lt/3时，通风较困难；当lt/2.5m时，一般采用现场叠装定子。4 定子铁芯外径Da ne166.7rpm Da=Di+=524.33+58.83=583.16cm2.1.2 外形尺寸估算2.1.2.1 平面尺寸估算1.定子基座外径 20000kVA）3. 转子外径 D3= Di-2= Di=524.33cm （为单边空气间隙，初步估算时可忽略不计）4. 下机架最大跨度 D4=D5+0.6=4.2+0.6=4.8m5. 水轮机基坑直径 D5=4.2m6.
17、推力轴承外径 D6=3.4m7. 励磁机外径 D7=2.4m2.1.2.2 轴向尺寸计算1. 定子机座高度 h1= lt+2=157.73+258.83=275.34cm (ne214.3r/min)2. 上机架高度 h2=0.25 Di=0.2558.83=131.08cm （悬式承载机架）3. 推力轴承高度 h3=1600mm励磁机高度 h4=2100mm=2.1m （包括励磁机架，高度900mm） 副励磁机高度 h5=900mm=0.9m 永磁机高度 h6=700mm=0.7m 4. 下机架高度 h7=0.12 Di=0.12524.33=62.92cm （悬式非承载机架）5. 定子支座
18、支承面至下机架支承面的距离 h8=0.15 Di=0.15524.33=78.65cm 6. 下机架支承面至主轴法兰底面之间的距离h9=1m （按以生产的发电计资料，一般为7001500mm，取1000mm=1m） 7. 转子磁轭轴向高度 h10= lt+（500600）mm=1.58+0.52=2.1m (无风扇时)8. 发电机主轴高度 h11= （0.70.9）H=（0.70.9）10.45=7.329.41取h11=7.5m9. 定子铁芯水平中心线至主轴法兰盘底面距离 h12=0.46h1+h102.2 发电机重量估算水轮发电机的总重量 Gf=K1=346.13t发电机转子重量约为 0.
19、5Gf=0.5346.13=173.1t第三章 混凝土重力坝3.1 剖面设计水库总库容13.71亿m3，工程规模为大（1）型，一等。主要建筑物为1级，次要建筑物为3级，临时性建筑物为4级。3.1.1坝高的确定水库总库容13.71亿m3，工程规模为大（1）型，一等。主要建筑物为1级，次要建筑物为3级，临时性建筑物为4级。坝顶超出静水位高度h=2h1%+hz+ hc坝顶高程=设计洪水位+h设=289.94+h设坝顶高程=校核洪水位+h校=291.80+h校计算风速V0，正常运用条件（正常蓄水位/设计洪水位），取多年平均最大风速的1.52.0倍；非常运用条件（校核洪水位），取洪水期多年平均最大风速。
20、设=289.94 =27.13（20，250） h= =0.0076 =0.91mh为累计频率5%的波高,hm/Hm0.1,查表得,hp/hm=1.95,则hm=0.91/1.95=0.47m,h1%/hm=2.42,则h1%=2.42hm=2.420.47=1.13m Lm= = =9.68m hz=0.41m坝的级别为1级,正常情况,hc=0.7m h=2h1%+hz+ hc=21.13+0.41+0.7=3.37m坝顶高程为 顶=289.94+3.37=293.31m校=291.80m =61.48(20,250) h= = =0.55mh为累计频率5%的波高,hm/Hm0满足要求。设计
21、洪水位=44357.8KN, =-435864.8=137.330满足要求。3.2.3.2 坝体选定截面上游端点的拉应力验算正常蓄水位=29326KN =27097.6=626.60满足要求。设计洪水位=28930.3 KN， =-56300.5=4740满足要求。3.2.3.3 施工期坝体下游面拉应力验算坝址处 满足要求选定截面下游端点 满足要求 第四章 引水建筑物布置引水建筑物设立在溢流坝段，采用坝式进水口，压力钢管引水，压力钢管采用坝内埋管形式。（具体可见坝内埋管专题部分）4.1压力钢管布置本电站采用压力钢管引水，钢管直接埋入坝体混凝土中，二者结为总体，共同承担水压力。4.1.1确定钢管
22、直径钢管的经济直径为坝内埋管的经济流速为57 ，蜗壳进水口的直径为3.4m，综合考虑经济流速和蜗壳进水口直径，确定坝内埋管的直径为3.8m，对应管内流速V的大小为满足经济流速要求。管道由上水平段、弯管段、倾斜段、弯管段和下水平段组成，弯管段曲率半径一般为直径的23倍，即（7.6m11.4m），取为9m。倾斜段斜率为0.77. 与坝体下游倾斜面斜率一致。4.2进水口布置进水口采用坝式进水口。进水口长度较短，进口段与闸门段合而为一。4.2.1确定有压进水口的高程闸门孔口为矩形，其宽度一般等于或稍小于压力管道直径D,本设计取其宽度等于压力管道直径D，3.8m。高度稍大于压力管道直径，取为4.4m闸门
23、断面流速：闸门门顶低于最低水位的临界淹没深度：进水口高程为H=最低水位-=264-5.86=258.14m取闸门门顶高程256.2m。压力钢管起始水平段中心线的高程为254m。 进口段为平底，上唇收缩曲线为四分之一椭圆，方程为，（3.85.7）, （1.31.9）,确定椭圆曲线方程为4.2.2 渐变段尺寸确定渐变段水平是由矩形闸门段到圆形钢管的过渡段，采用圆角过渡。渐变段的长度一般为引水道宽的1.02.0倍，即3.8m7.6m，取为5m。4.2.3 拦污栅尺寸确定拦污栅的总面积常按电站的引用流量及拟定的过栅流速反算得出，过栅流速以不超过1.0m/s为宜本设计取拦污栅高度为7.2m，半径3.5米
24、，A=79.17 。拦污栅通常由钢筋混凝土框架结构支承。拦污栅框架由柱及横梁组成，横梁间距一般不大于4米，本设计取2.4米拦污栅由若干栅片组成，每块栅片的宽度一般不超过2.5米，取1.8m，高度不超过4米，取1.8米。栅条的厚度由强度计算决定，通常厚8至12mm，对混流式水轮机, 栅条厚度，本设计取10mm。4.2.4通气孔的面积确定通气孔的面积常按最大进气流量除以允许进气流速得出。最大进气流量出现在闸门紧急关闭时，可近似认为等于进水口的最大引用流量。允许进气流速与引水道形式有关，对坝内埋管可取7080m/s。通气孔的直径取为1.2m，面积为，对应的进气流速为68.8 m/s.通气孔顶端高出上游最高水位，防止水流溢出。第五章 主厂房尺寸及布置5.1 厂房高度的确定根据厂房各部位之间的关系，可以从下到上一层一层确定，在确定过程中，坚持符合规范和条件以及节省的原则。5.1.1 水轮
