紧水滩水电站坝后式厂房方案论证设计计算书Word下载.doc

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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-

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=14100m3/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×

（291.8－220.54）=70.54m

2,在设计洪水位下，四台机组满发，下泄流量Ｑ=11000m3/s,由厂区水位流量关系得,尾水位▽尾=217.82m,▽库=289.94m

H2=0.99×

（289.94－217.82）=71.40m

3,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=9.81QHη

H=0.99×

（▽库－▽尾）

▽尾=f（Q）

η=η水×

η电=0.95×

0.9

列表试算，得

Q（m3/s）

▽库（m）

▽尾（m）

H（m）

N（kw）

60

284

201.88

81.30

40916.35

65

201.91

81.27

44309.18

70

201.94

81.24

47699.42

67.5

201.92

81.26

46004.63

当下泄流量为67.5m3/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

300

203.2

79.99

201281.07

250

203.03

80.16

168080.21

270

203.1

80.09

181377.16

274

80.08

184033.9

当下泄流量为274m3/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

264

60.19

151459.02

400

203.53

59.87

200838.21

350

203.37

60.02

176217.81

362

203.41

59.97

184000

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

80

202

61.38

41186.23

90

202.06

61.32

46287.80

85

61.35

43738.31

89.45

46006.33

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+0.4Hmin0.6×

81.2+0.4×

59.79=72.74m,设计水头Hr=0.95Hav=0.95×

72.74=69.11m

1.2水轮机选型

根据水头变化范围59.79m—81.26m,在水轮机系列型谱表3—3.表3—4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3—6和图3—12可得HL220型水轮机在限制工况下单位流量Q11M=1150L/s，效率η=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η=90%。

发电机的额定效率取为ηgr=96%,Nr=Ngr/ηgr=46000/96%=47916.67kw

D1===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3—4可得，HL220型水轮机在最优工况下单位转速n110M=70.0r/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3—6可得HL220型水轮机在最优工况下的模型最高效率为ηMmax=91%模型转轮直径D1M=0.46m

ηmax=1-（1-ηMmax）=1-（1-91%）=93.8%

则效率修正值为Δη=93.8%-91%=2.8%。

考虑到模型与原型水轮机在制造上的差异。

常在已求得的Δη值中再减去一个修正值ε，现取ε=1.0%，可得修正值为Δη=1.8%，原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为

ηmax=ηMmax+Δη=91%+1.8%=92.8%

η=ηM+Δη=89%+1.8%=90.8%≠90%与假定不符

重新假定效率η=90.8%，采用上述过程，得出D1=3.0m,n=214.3r/min,ηmax=93.8%

Δη=93.8%-91%-ε=93.8%-91%-1%=1.8%

η=ηM+Δη=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，同时，单位流量Q11也可不加修正，由上可见，原假定的η=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===1.040<

1.15m3/s

则水轮机的最大引用流量

Qmax=Q11maxD12=1.040×

32×

=77.84m3/s

与特征水头Hmax、Hmin、Hr对应的单位转速为：

===71.32

===83.02

===77.33

在HL220水轮机模型综合特性曲线上绘出Q11max=1040L/s，=83.02r/min，=71.32r/min的直线，如图所示，三根直线所围成的水轮机工作范围基本上包含了该特性曲线的高效率区，故对于HL220型水轮机方案，所选定的参数D1=3.0m和n=214.3r/min是合理的。

5.吸出高度Hs的计算

由水轮机的设计工况参数=77.33r/min，Q11max=1040L/s，查HL220水轮机模型综合特性曲线可得，相应的气蚀系数σ=0.133，并在《水电站》图2—26上查得气蚀系数修正值△σ=0.018，由此可求出水轮机吸出高度为

Hs=10–▽/900–（σ+△σ）H=10-202/900-（0.123+0.018）=0.03

所以，水轮机的额定出力满足要求。

故选择水轮机型号为HL-220-LJ-300.

1.3水轮机蜗壳及尾水管

1.3.1蜗壳尺寸确定

蜗壳采用金属蜗壳，断面为圆形。

包角为345°

，即=345°

，蜗壳进口断面的平均流速为Vc=8.4m,（由Hr=69.11m，查图2—8蜗壳进口断面流速曲线得Vc）。

查金属蜗壳座环尺寸系列，D1=3000mm,座环内径Db=4000mm.座环外径Da=4700mm,ra=Da/2=4700/2=2350mm,rb=Db/2=4000/2=2000mm,Qmax=77.84m3/s.

ρi==Ri=ra+2ρ

30°

75°

120°

165°

210°

255°

300°

345°

ρi（mm）

496

784

992

1163

1312

1445

1568

1681

Ri（mm）

3342

3918

4333

4675

4973

5241

5486

5713

1.3.2尾水管尺寸确定

采用弯锥型尾水管，Hr=69.11m，采用标准混凝土肘管，D1≤D2h5

h/D1

L/D1

B5/D1

D4/D1

h4/D1

h6/D1

L1/D1

h5/D1

2.6

4.5

2.72

1.35

0.675

1.82

1.22

h（m）

L（m）

B5（m）

D4（m）

h4（m）

h6（m）

L1（m）

h5（m）

7.8

13.5

8.16

4.05

2.025

5.46

3.66

1.4调速设备及油压设备选择

1.4.1调速功计算

反击式水轮机

A=（200—250）Q

=（200—250）×

67.5×

=210781.65—263477.07>

30000Nm

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=λD1=0.029×

3×

=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=（1.4—1.8）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=（1.4—1.8）a0max=（1.4—1.8）×

187.83=269.96—338.09

取Smax=300

两接力器总容积为

VS==×

0.42×

0.3=0.075m3

1.4.3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DT80

1.4.4油压装置

压力油罐的容积Vk=（18—20）Vs=（18—20）×

0.075=1.35—1.5m3，选用HYZ—1.6

压力油罐尺寸：

装置型号

D（mm）

h（mm）

H（mm）

m（mm）

n（mm）

HYZ—1.6

1028

2370

3270

2400

1700

第二章发电机

2.1发电机的尺寸估算

额定转速n=214.3r/min>

150r/min，选择悬式发电机。

查表，对应SF65-28/640,功率因数cosφ=0.90.则发电机额定容量Sf为

Sf=Nf/cosφ=46000/0.9=51111.11kVA

2.1.1主要尺寸估算

1.极矩τ

τ==58.83cm

由极矩τ，计算转子的飞逸速度

Kf=nf/n=410/214.3=1.91

Vf=KfV=1.91×

58.83=112.55m/s

2.定子内径Di

Di==524.33cm

3.定子铁芯长度lt

lt==157.73cm（查表7—1，C取5.5×

10-6）

lt/τ=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/τ>

3时，通风较困难；

当lt/τ<

1时，电机效率较低；

根据运输条件，当lt/τ>

2.5m时，一般采用现场叠装定子。

4．定子铁芯外径Da

ne>

166.7rpmDa=Di+τ=524.33+58.83=583.16cm

2.1.2外形尺寸估算

2.1.2.1平面尺寸估算

1.定子基座外径

<

300rpmD1=1.20Da=1.20×

583.16=699.79cm

2.风罩内径

D2=D1+2.4=7.0+2.4=9.4m（Sf=51111.11>

20000kVA）

3.转子外径

D3=Di-2δ=Di=524.33cm（δ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=4.8m

5.水轮机基坑直径

D5=4.2m

6.推力轴承外径

D6=3.4m

7.励磁机外径

D7=2.4m

2.1.2.2轴向尺寸计算

1.定子机座高度

h1=lt+2τ=157.73+2×

58.83=275.34cm（ne≥214.3r/min）

2.上机架高度

h2=0.25Di=0.25×

58.83=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=0.12Di=0.12×

524.33=62.92cm（悬式非承载机架）

5.定子支座支承面至下机架支承面的距离

h8=0.15Di=0.15×

524.33=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700～1500mm，取1000mm=1m）

7.转子磁轭轴向高度

h10=lt+（500—600）mm=1.58+0.52=2.1m（无风扇时）

8.发电机主轴高度

h11=（0.7—0.9）H=（0.7—0.9）×

10.45=7.32—9.41

取h11=7.5m

9.定子铁芯水平中心线至主轴法兰盘底面距离h12=0.46h1+h10

2.2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

0.5Gf=0.5×

346.13=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

坝顶超出静水位高度

Δh=2h1%+hz+hc

坝顶高程=设计洪水位+Δh设=289.94+Δh设

坝顶高程=校核洪水位+Δh校=291.80+Δh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1.5—2.0倍；

非常运用条件（校核洪水位），取洪水期多年平均最大风速。

▽设=289.94==27.13∈（20，250）

h=

=0.0076×

=0.91m

h为累计频率5%的波高,hm/Hm<

0.1,查表得,hp/hm=1.95,则hm=0.91/1.95=0.47m,h1%/hm=2.42,则h1%=2.42×

hm=2.42×

0.47=1.13m

Lm=

=

=9.68m

hz==0.41m

坝的级别为1级,正常情况,hc=0.7m

Δh=2h1%+hz+hc=2×

1.13+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=

=

=0.55m

0.1,查表得,hp/hm=1.95,则hm=0.55/1.95=0.28m,h1%/hm=2.42,则h1%=2.42×

0.28=0.68m

Lm=

=6.46m

式中H——水深，m；

——累计频率1%的波高，m；

hz==0.22m

坝的级别为1级,校核情况,hc=0.5m

Δh=2h1%+hz+hc=2×

坝顶高程为▽校=291.80+2.08=293.88m

取两者的较大值为293.88m.

3.1.2坝底宽度的确定

（1）应力条件:

а=0.25f由资料查得,混凝土/新鲜花岗斑岩抗剪摩擦系数tanθ=0.7,f=0.7

=0.69

（2）稳定条件：

荷载设计值：

重力G=1.0×

93.88×

23.5×

0.5=103558.09

静水压力P=1.0×

10×

扬压力U=1.2×

0.5×

0.25×

m=13220.18m

查表4—1，基本组合，1级，K=1.1

=1.1

下游坝坡m=0.6—0.8，计算得，m=0.77，满足要求。

B=0.77×

93.88=72.3m，上游折坡的起坡点位置一般在坝高的1/3—2/3,坝高为93.88m，折坡点位置31.29m～62.59m,取35m,高程为235m.上游坡n=0～0.2，取0.15.坝顶宽度可取坝高的8%～10%,7.51m～9.388m,取为9m。

3.2稳定与强度校核

本设计采用概率极限状态设计原则，以分项系数极限状态设计表达式进行结构计算。

混凝土重力坝分别按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行强度和稳定的计算和验算。

3.2.1作用大小

正常蓄水位坝体所受作用的大小为

W1=0.5×

5.3×

35×

23.5=2179.6

W2=9×

23.5=19855.6

W3=82.2×

63.3×

23.5=61138.3

P1=0.5×

84×

9.81=34609.7

P2=0.5×

3.1×

9.81=47.1

P3=0.5×

（49+84）×