水电站厂房设计(引水隧洞和厂房)毕业设计说明书

西华大学毕业设计说明书 水电站厂房设计(引水隧洞和厂房)毕业设计说明书 目 录摘 要1前 言31 基本资料41.1 工程概况41.2 工程地质41.3 枢纽布置情况71.4 工程特性表82 枢纽布置112.1厂房类型确定113 主要设备的选择123.1 水轮机型号及主要参数选择123.1.1 水轮机机组台数和单机容量选择123.1.2 水轮机型号选择133.1.3 水轮机主要参数选择133 .2 水轮机重量估算163.3 转轮重量估算163.4 发电机型号的选择163.5 起重设备的选择173.5.1 起重机的型号确定174 引水系统的设计194.1 进水口设计194.1.1 进水口的类型194.1.2 供水方式的选择194.1.3 引水道直径计算194.1.4 进水口尺寸计算204.1.5 进水口高程计算234.2 引水道设计244.2.1 线路比较244.3 调压室设计254.3.1 调压室作用254.3.2 调压室的设置判断254.4 调节保证计算264.4.1 调节保证计算的任务264.4.2 调节保证计算的目的274.4.3 调节保证计算的标准274.4.4 调节保证计算的内容274.4.5 调节保证计算过程274.5 水头损失计算324.5.1 沿程水头损失计算324.5.2 局部水头损失计算324.6 压坡线的绘制345 厂房布置设计355.1 蜗壳尺寸的确定355.2 尾水管单线图的绘制385.2.1 进口直锥段计算385.2.2 肘管计算385.2.3 出口扩散段计算395.2.4 尾水管高度395.2.5 尾水管单线图395.3 厂房平面尺寸计算395.3.1 主厂房长度计算405.3.2 主厂房宽度计算425.3.3 主厂房的剖面设计445.4 厂房枢纽布置475.4.1 安装间的位置选择及计算475.4.2 尾水平台的布置475.4.3 厂房电气设备布置486 结构设计496.1 工作闸门结构设计496.1.1 闸门基本资料496.1.2 闸门的结构形式及布置496.1.3 面板设计506.1.4 水平次梁、顶梁和底梁设计516.1.5 主梁设计566.1.6 横隔板设计626.1.7 纵向连接系设计636.1.8 边梁设计656.2 闸门附属结构设计686.2.1 行走支承设计686.2.2 轨道设计69结论71总结与体会72谢 辞73参 考 文 献7472摘 要本次毕业设计的题目是湖北黄龙滩水电站厂房设计。其设计的主要内容包括枢纽布置、主要设备型号选择计算、引水系统设计、调节保证计算、厂房布置设计和结构设计。整个设计过程主要通过课程所学知识、查阅相关设计规范以及设计手册等有关资料并在老师的指导下完成。主要的设计成果有以下内容：水轮机型号为HL220LJ380，发电机型号为SF7540/854，起重机为400/100t单小车桥式起重机，进水口类型为岸边式，引水管道直径为6m，主厂房长度为62m，主厂房宽度为22.2m。关键词：枢纽布置 引水系统 布置设计 结构设计 Abstract The subject of this graduation project is of Hubei Huanglongtan hydropower plant design. The main content of this design include the layout of the hub, the selection and calculation of the model of the main equipment, design of the diversion system, adjust to ensure that the calculation, plant layout and structural design. Throughout the design process, mainly through classroom knowledge, access to the relevant design specifications and design manuals, and completed under the guidance of their teachers. Major design achievements include: the model of the turbine HL220-LJ-380 generator model SF75-40/854, crane bridge crane 400/100t single car, type of inlet for shore-style, diversion the diameter of the pipeline is 6m, the length of the main plant is 62m, the width of the main plant is 22.2m.Keywords:Project layout ， Water diversion system , layout design ，Structure design 前 言本毕业设计的主要目的是对我这几年专业学习成绩的一个检验，当然这次毕业设计的意义不仅仅是对学习的一个检验。检验学习的成绩只是一个基本的要求，在完成设计的过程中更是锻炼了让我们在遇到新知识时勇于去学习、解决的能力。选择水电站厂房设计作为这次的毕业设计主要是因为厂房在水电站中占有较大的投资比例，且其具有极大的重要性。并且想通过这次的设计将所学知识合理的运用到设计中去，让自己所学的知识在设计中体现，以顺利完成该设计的目标和要求。这次设计的主要范围是引水系统和厂房两部分，设计达到的深度大致为主要结构尺寸确定和部分设备、线路的布置描述。厂房是整个水电站枢纽建筑物中的一个主要建筑物，它的正确设计对于水电站的正常运行以及经济效益都有重大影响，不管是在国内还是在国外的水电站，对水电站厂房的设计都很重视。这次设计主要需解决的问题在于各种主要设备的参数、尺寸等的计算，以此根据相关资料选择经济合理的设备型号；引水系统的布置以及进水口尺寸、管道尺寸的计算和选择；厂房的平面尺寸以及立面尺寸的计算和选择；潜孔闸门的尺寸计算、选择以及强度等验算。 1 基本资料1.1 工程概况 本枢纽工程是堵河最下游的一个梯级电站。以发电为主，并兼有工业供水、农田灌溉、改善航运、发展渔业等，是以综合利用的水利枢纽。供电对象主要是本地区以第二汽车厂为中心的机械工业，铁路运输业以及其他工业，同时为农田电力排灌及市政照明提供电力负荷。 堵河系汉江中上游南岸的一大支流。位于湖北省西北部，发源于大巴山脉北麓的崇山峻岭之中。有两源：南源名官渡河，西源称泗河，以西源为主源。泗河在陕西境内自南向北流，进入湖北境内转自西向东行；官渡河有南向北来，两源汇合于竹山县城上游约30公里的两河口后，称堵河，有西南向东北汇入汉江。河流全长318公里，流域总面积11.725平方公里。黄龙滩电站位于堵河干流下段，在黄龙滩镇上首之大峡沟口处，距堵河口约25公里，集水面积11.140平方公里，占流域总面积的95%。 堵河系山溪性河流，河谷狭窄，滩多流急，河道平均坡降约为上游15、中游约3、下游约1。 本流域地理位置在北纬310.21o320.50o，东经109.031o110.041o之间，属北亚热带江北湿润区，为付热带季风气候，流域平均气温，平均为15.4，最高为43.4，最低零下9.9。年平均相湿度为76%。流域平均风速为每秒1.1米，最大风速可达每秒20米以上；地面风向受地形影响以偏东风居多。1.2 工程地质 坝址位于堵河下游长700米的峡谷出口段，两岸第一排山脊均高于300米高程，岸坡350500。常水位标高162.0米，河西宽7090米，水深28米。河床中偏右为一顺河向深槽，复盖沙砾石层厚1214米。 本枢纽所处大 构造单元为武当隆起区，下游基本以黄龙草店大断层为界，毗邻北秦岭海西准褶皱带。地质构造线与上述两大地质构造单元的北西西构造线基本相符。枢纽区经多次构造运动，断裂构造和节理裂隙比较发育。右坝肩山高坡陡，断裂构造发育，岩石较破碎。在长期物理地质作用下，岸坡表层稳定条件较差，但不存在大的整体滑动变形。 枢纽区出露基岩为古老的结晶片岩，计有正，付片岩两类。付片岩属元古界武当山扬坪组上部（PtW1Y3），正片岩系褶皱早期基性侵入岩变质而成。按其所含矿物成分和含量不同，可分为如下几种主要岩性：付片岩有局部含石榴子石白云母石英纳长片岩（Y23）、富含白云母石英纳长片岩（Y2y3），富含大颗粒石榴子石白云母石英纳长片岩（Y2s3），富含小颗粒石榴子白云母石英纳长片岩（Y23）；正片岩有绿泥阳起钠长片岩（U1y2），绿泥钠长片岩（U1n2）。正、付片岩穿插分布频繁，规律性很差。在正、付片岩接触带附近，常有宽度不等的硅化，云母化、绿泥化等接触蚀变现象。左岸台地215米厚砂质粘土层，右坝肩有5 15米厚残坡积层。 付片岩呈面状风化，正片岩以裹状风化较为显著。岩石风化带厚：河床010米，左岸1035米，右岸3060米。其岩石主要物理力学性质指标见下表： 岩石力学性质指标表 岩石名称风 项化程度 目正片岩付片岩绿泥化带构造破碎带新鲜 容量（吨/立米）3.02.682.7饱和抗压强度（公斤/平方厘米）大于800500600软化系数0.70.80.740.77饱和吸水率（%）0.330.230.49变形模量（公斤/平方厘米）11241041522104摩擦系数（f）0.650.70弱风化容量（吨/立米）2.68饱和抗压强度（公斤/平方厘米）700800200400小于50饱和吸水率（%）2.57变形模量（公斤/平方厘米）3.55.81042.2121040.21.0104摩擦系数（f）0.55 设计采用基岩与大坝混凝土接触面的摩擦系数为0.570.67。引水遂洞一般选用岩石坚固系数为27；单位弹性抗力系数为100600。 本区地震基本烈度，经中国科学院地球物理研究所鉴定为6度，场地设防烈度采用77.5度。 坝址区水文地质条件简单，地下水为基岩裂隙潜水，含水层埋藏深度：左岸1433米，右岸2562米。两岸地下水补给河水。相对阻水层（W0.01升/分顶板埋藏深度：河床525米，左岸2535米，右岸2590米。一般正片岩透水性大于付片岩。 河水及地下水均为重碳酸钙镁型水PH值为78，呈微弱碱性，对混凝土无侵蚀性。 引水隧洞地质条件： 引水隧洞通过地带沿线出露有正、付片岩两类：付片岩主要为白云母石英纳长片岩，正片岩为绿泥钠长片岩，绿泥阳起钠长片岩。岩石饱和抗压强度约为300700公斤/平方厘米，属中等坚硬岩石。 岩石坚固系数f和单位弹性抗力系数K0的选定方法：因无试验资料，参考已建的相类似的工程比较选取。单位弹性抗力系数K0是应用野外岩体静弹试验资料，选用以下公式计算作基本依据，再类比一些已建工程确定。K0=E0/（rb（1+）式中E0岩石变形模量；岩石泊桑比； rb遂洞跨度之半，取1米代入。围岩不同岩石坚固系数f值及单位弹性抗力系数K0值表：岩 性f K0绿泥钠长片岩 岩石呈弱风化 12 5070白云母石英钠长片岩 新鲜完整 67 600绿泥阳起钠长片岩 新鲜完整 67 500白云母石英钠长片岩 岩石呈弱风化 3 70100 厂区地质条件：发电厂房位于大峡沟右侧，尾水经由尾水渠泄入大峡沟，再流入堵河河道。 主、副厂房基础出露的付片岩主要为白云母石英钠长片岩，正片岩为绿泥钠长片岩。后者呈穿插分布。片理产状忌的趋势走向北西西，侧向北北东，倾角大于60o在高程159.0以下呈微风化或新鲜状态，其上均呈弱风化状态。 岩 性白云母石英钠长片岩硅化白云母石英钠长片岩绿 泥 钠长 片 岩绿泥化带断层破碎带风 化 程 度新鲜或微风化弱风化新 鲜微风化新鲜微风化 弱风化 弱风化容量（吨/立方米）2.72.652.752.852.80饱和抗压强度（公斤/平方厘米）400500250700700800小于700小于50变形模量E0=A104（公斤/平方厘米）10152310121012560.040.050.5 各种岩石饱和抗压强度Ru，变形模量E0等物理力学性质指标如下表：1.3 枢纽布置情况坝顶高程：252m；防浪墙253.5 坝段说明：坝段号坝段长（米） 说 明218.5320420520620升船机716非常溢洪道（表孔），溢流面高程23881316潜孔溢洪道，溢流面高程2231420原导流明渠底坎高160.5后封填，设197泄水孔1516放坝顶门库，1516之间的沿带放电梯井202.5与对外道路相连1616坝顶变压器室1718厂房坝段D=6.51818厂房坝段D=6.51916油泵间202122231681616与上坝公路相接1.4 工程特性表 枢纽水文特性序号 名 称 单 位 数 量 备 注1流域面积全流域平方公里11，725坝址以上平方公里11，1402利用水文系列年限年313多年平均年迳流量亿立米60.24代表性流量多年平均流量立米/秒191实测最大流量立米/秒10，6001937年9月26日调查历史最大流量立米/秒12，3001867年设计洪水流量（p=1%）立米/秒13，300坝址洪水校核洪水流量（p=0.2%）立米/秒16，600坝址洪水非常洪水流量（p=0.1%）立米/秒17，800坝址洪水施工初期导流流量立米/秒800枯水期5年一遇5泥沙多年平均年输沙量万吨858多年平均含沙量公斤/立米137实测最大含沙量公斤/立米456天然水位下游常水位米162实测最低水位米160.42黄龙滩站1958年2月25日（相应流量）立米/秒19实测最高洪水位米176.46黄龙滩站1937年9月26日（相应流量）立米/秒160，00调查最高洪水位米178.18黄龙滩站1867年 水库特性序号名 称单 位数 量 备 注1水库水位正常高水位米247.0设计洪水位（p=1%）米248.2坝址洪水位校核洪水位（p=0.2%）米251.9坝址洪水位非常洪水位（p=0.1%）米2535坝址洪水位死水位米222.0非常死水位米218.52水库面积平方公里32正常高水位3水库容量总库容亿立米12.28校核洪水位以下调节库容亿立米5.99死库容亿立米4.14222.0米以下4库容系数0.15调节特性季调节6径流利用系数0.718 枢纽下泄流量及相应下游水位序号名 称 单 位 数 量 备 注1设计洪水时最大下泄流量立米/秒12，130相应下游水位米176.42校核洪水时最大下泄流量立米/秒14，250相应下游水位米17803非常洪水时最大下泄流量立米/秒14.860相应下游水位178.74设计枯水段调节流量（p=95%）立米/秒84.3相应下游水位米1616 主要建筑物特性序号名 称单 位数 量 备 注1拦河坝坝型混凝土重力坝坝顶高程米252最大坝高米107坝顶总长米371拦河坝控制点米X=3616955.338；Y=37455240.863X=361729.730；Y=3745038.0542泄洪建筑物潜孔溢洪道孔数孔6堰顶高程米227堰顶宽度米12一孔单宽流量立米/秒，米116设计情况消能方式挑流差动式鼻坎闸门尺寸（宽高）米1210设计泄洪量（p=1%）立米/秒11，140六孔校核泄洪量（p=0.2%）立米/秒12，220六孔表孔非常溢洪道孔数孔1堰顶高程米238堰顶宽度米10单宽流量立米/秒，米101校核情况消能方式挑流扭曲斜鼻坎闸门尺寸（宽高）米1012最大泄洪量（p=0.2%）立米/秒1，010.深式泄水孔孔数孔1堰顶高程米197单宽流量立米/秒，米164校核情况消能方式挑流平滑鼻坎孔口尺寸（宽高）米56设计泄洪量（p=1%）立米/秒790校核泄洪量（p=0.2%立米/秒820 2 枢纽布置2.1厂房类型确定本枢纽工程大坝坝体为混凝土重力坝，根据初步判定，厂房类型可选择的有坝后式厂房、河床式厂房、地下厂房和岸边引水式厂房。因本水电站枢纽坝址所在处河流堵河系山溪性河流，河谷狭窄、滩多流急，坝址处横向空间较小。因此布置河床式厂房较不适宜，因为倘若布置为河床式厂房，会使坝体段，特别是溢流坝段的长度减小，当与洪水时不通顺，不能达到要求的泄洪流量，不能达到防洪效果。同时，因坝体的溢流坝段按照防洪设计要求，占用了较长的坝体长度。若布置为坝后式厂房，溢流坝段泄洪时，所产生的水雾以及震动等将对厂房造成影响，甚至可能干扰厂房的正常运行。并且厂房的尾水与溢流段的水流相隔太近，尾水的消能效果得不到保证，对下游的冲刷影响较大。若采用地下厂房，根据地形资料以及地质资料，可以看到，仅有坝体右岸的山体内适宜开挖地下厂房，而左岸下游侧的地势较为平坦，开挖地下厂房的稳定性不好。但右岸侧的山体山高坡陡，断裂构造发育，岩石较为破碎，有多条岩层分界线。在长期的物理作用下，岸坡表层稳定条件较差。因此右岸山体内开挖地下厂房的条件同样不理想，且开挖地下厂房的投资成本较高。若厂房类型选用引水式厂房，则厂房只适宜布置在左岸下游侧，因右岸地形地势较陡，布置引水式厂房没有合适的位置，并且开挖量比较大，也很难保证稳定。而在左岸下游侧布置引水式厂房，则仅需开挖较少方量即可，且左岸的地质条件相比右岸好得多。综合考虑，因地形位置因素，河床式厂房与坝后式厂房均不适宜，因地质条件因素，地下厂房不适宜，且开挖地下厂房的成本较高。故本水电站枢纽工程厂房采用岸边引水式厂房，在左岸上游侧布置进水口，通过引水隧洞或管道引水至左岸下游侧的厂房。 3 主要设备的选择 3.1 水轮机型号及主要参数选择 水轮机是水电站中最主要的动力设备之一，它关系到水电站的工程投资、安全运行、动能指标及经济效益等重大问题，因此在水能规划的基础上，根据水电站水头和负荷的工作范围，正确的进行水轮机的选择是水电站设计中的主要任务之一。水轮机的选择，在确定水轮机的型号和有关参数时，应结合枢纽布置、工期安排以及水轮机的制造、运输、安装和运行维护等方面的因素，列出可能的水轮机待选方案，进行各方案之间的动能经济比较和综合分析，力求选出技术上先进可靠，经济上合理的水轮机3.1.1 水轮机机组台数和单机容量选择当机组台数不同时，单机容量不同，水轮机的直径、转速、效率和吸出高等也就不同，从而引起工程投资、运行效益及产品供应等情况的不同。本水电站总装机容量为15W千瓦，可考虑机组台数为1台、2台、3台、4台。从机组台数与机电设备制造的方面考虑，采用3台机组和4台机组的情况下，单位千瓦消耗的材料太多，且制造工作量大，安装时间也较多。且每台机组的容量过小，水轮机和发电机的生产都较为麻烦。从机组台数与水电站投资的方面考虑，机组台数过多时，相应的辅助设备等也会增多，势必会增加投资。但采用小机组时，厂房的起重能力、安装场地、基坑开挖量等可缩减，减少投资。但在大多数情况下，机组台数增多将会增加投资。从机组台数与水电站运行效率的方面考虑，较多机组台数能使水电站有较高的平均效率。因此若选用1台机组不适宜。从机组台数与水电站运行维护的关系方面考虑，机组台数多，运行方式较为灵活，但同时管理人员增多，因此也不适宜选用过多的机组台数。为了水电站的运行可靠性和灵活性，一般应不少于两台机组。并且为了接线等对称，大多数情况下都希望选用偶数组机组台数。综合考虑，本水电站枢纽选用两台机组，单机容量预算为7.5W千瓦。 3.1.2 水轮机型号选择根据水文资料等，已知本水电站的设计水头，最大水头，最小水头。 可供选择的水轮机基本类型有混流式和轴流式。但混流式水轮机的适用水头范围广、且结构简单、运行稳定、效率高。相比轴流式水轮机应用也较为普遍，因此本水电站厂房工程采用混流式水轮机。根据电站的水头范围58.0m84.3m，通过水力机械第二版附表一中模型转轮主要参数中的适宜水头范围选择HL220型水轮机。 3.1.3 水轮机主要参数选择 3.1.3.1 转轮直径的计算 转轮直径 式中为水轮机的额定出力，式中为发电机效率，对大中型水轮发电机可取0.950.98，这里取为0.95。 查表得HL220型水轮机在限制工况下的单位流量，效率取为0.91，设计水头为73m。计算得转轮直径为，根据系列尺寸选用接近而偏大的标准直径3.8m，以使水轮机有一定的富裕容量。3.1.3.2 效率修正值的计算查水轮机模型参数表得，模型水轮机转轮直径为0.46m。考虑到制造工艺水平的情况取，由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管型式与模型基本相似，故认为 ，则效率修正值为：由此求得水轮机在限制工况下的效率为： 与原来假定的效率91%相同。3.1.3.3 转速的计算 其中，为最优工况下原型水轮机相应的最优转速。且式中 ，查表得 为70r/min。所以可忽略不计，则以代入计算。为避免水轮机转速过高，选择与之接近的标准同步转速150r/min。 3.1.3.4 工作范围的验算在选定的3.8m转轮直径、n=150r/min的情况下，水轮机的和各种特征水头下相应的转速值分别为：则水轮机的最大引用流量为：对值：在设计水头时，在最大水头时，在最小水头时，查HL220水轮机模型综合特性曲线图，分别画出，和的直线。可以看出这些直线所围成的范围基本上包括了特性曲线的高效率区，所以所选择的水轮机参数都比较合理。 HL220模型特性综合曲线如下图： 3.1.3.5 水轮机吸出高的计算由水轮机的设计工况，在上图可查得相应的气蚀系数；由设计水头，在图上可查得，则可求得水轮机的吸出高为：3 .2 水轮机重量估算查水电站设计手册水力机械分册142页图2-55水轮机总重量估算曲线，根据转轮直径可得水轮机总重为210吨。3.3 转轮重量估算查水电站设计手册水力机械分册143页图2-56水轮机转轮重量估算曲线，根据转轮直径及水头大小可查得水轮机转轮重量为45吨。3.4 发电机型号的选择根据水轮机的转轮直径、转速等计算，同时根据发电机的额定容量参考资料选择发电机型号为SF7540/854，悬式发电机。其各参数如下：额定转速 定子铁芯外径定子铁芯内径 定子铁芯长度定子机座高度 上机架高度励磁机高度 发电机主轴高度机座外径 风罩内径转子外径 水轮机基坑直径转子重 定子重总重最大运输部件长宽高尺寸为7.8m、2.93m、2.3m 3.5 起重设备的选择水电站厂房起重设备一般采用桥式起重机或门式起重机，而桥式起重机又有单小车和双小车两种。3.5.1 起重机的型号确定由发电机的型号选择以及水轮机重量知吊运件最重重量为330吨，查大吨位单小车桥式起重机主要参数表选择400/100t起重机，其各主要参数如下：主钩起升高度为26m 副钩起升高度为35m主钩起升速度为 副钩起升速度为小车运行速度为 大车运行速度为主吊钩至轨面距离为900mm 主吊钩至轨道中心距离 副吊钩至轨道中心距离 小车轨距 小车长度起重机最大宽度轨面至起重机顶端距离轨面至缓冲器距离荐用大车轨道QU100 起重机总重208吨 小车重113吨两主钩之间距离轨道面至平衡梁挂钩的距离挂钩中心至上下环底距离 图31 单小车桥式起重机结构图4 引水系统的设计 4.1 进水口设计在水利水电工程中，为发电供水等综合利用的目的，往往需要在天然河道、湖泊和调节池中取水，深式进水口及有压进水口为了适应这一需要而设置的一种水工建筑物，深式进水口应满足水工建筑物的一般要求，即结构安全、布置简单、施工方便、造价低廉以及可靠并适应注意美观。4.1.1 进水口的类型为保证有较好的水流条件及水流流态，进水口采用有压进水口。有压进水口中分为坝式、岸式、塔式等几种。因坝式进水口适用于坝后式厂房和河床式厂房，而本水电站枢纽工程的厂房类型为岸边引水式，故坝式进水口不适用。岸式与塔式相比，岸式适用于岸坡地质条件良好的地方，且比较经济。而塔式则适用于岸坡地质条件较差的地方。而坝体左坝肩部分的地形地质条件都较好，因而考虑经济成本因素，本水电站枢纽工程厂房的进水口采用岸边式进水口。4.1.2 供水方式的选择压力管道向多台机组供水的方式有三种，单元供水、联合供水和分组供水。本水电站仅设计有两台机组，因此分组供水不适用。联合供水方式在布置上较单元供水容易，但估算本水电站的单机引用流量较大，因此若采用联合供水，则主管道的规模较大，对于管道的生产以及运输安装都有较大的问题。且本水电站的引水道不长，因此设置单元供水管道的成本也不会很高。考虑到本水电站仅有两台机组，为保证发电的稳定性，最终决定采用单元供水方式。 4.1.3 引水道直径计算由水轮机选择计算知，水轮机单机最大引用流量为，为减少水头损失，流速应控制在1.5m/s左右。引水道经济直径为 按经济流速计算 取为减小引水道内的水锤压力值，引水道直径取稍大值，这里取D=6m。4.1.4 进水口尺寸计算进水口的尺寸计算应主要包括进口段尺寸计算、渐变段尺寸计算、闸门段尺寸计算等。 4.1.4.1 进口段尺寸计算进口段顶板曲线采用1/4椭圆曲线。其中为椭圆曲线的长半轴，一般取（11.5）D，本设计取1.1D=6.6m。 b为椭圆曲线的短半轴，一般取（1/31/2)D，本设计取1/3D=2m。则椭圆曲线为。一般情况下 4.1.4.2 渐变段尺寸计算渐变段是闸门段到压力管道的过渡段，其断面面积和流速应逐渐变化，使水流不产生漏流并尽可能减少水头损失。由矩形变成圆形通常采用四角加圆角过渡圆弧的中心位置和圆角半径r均按直线变化，渐变段长度根据经验，一般为压力管道的1.52.0倍，本设计取为1.6倍，即渐变段长度为9.6m。收缩角不超过10度，以69度为宜，本设计取为6度。渐变段长度 收缩角取为 图41 进水口渐变段剖面图 图42 进水口渐变段平面图 图43 进水口渐变段断面图 4.1.4.3 闸门段尺寸计算闸门段是引水道和进口段的连接段，考虑进口的稳定性，进水口设支墩。闸门段设计为横断面为矩形的水平段，高度取为7m。如下图： 图44 进水口闸门段断面图4.1.4.4 进水口尺寸验算为保证水流流态的稳定性，进水口的水流流速不宜过大。进口的面积应不小于下式的计算值：式中：为进口断面的面积 为引水断面的面积（按渐变段末端计算） 为引水道中心线水平面间夹角，本设计取 为收缩系数，一般取0.60.7，本设计取由上式计算得：进口面积为 满足流速要求4.1.4.5 进水口尺寸示意图由前面的计算得出进水口的尺寸示意图如下： 图45 进水口结构尺寸示意图4.1.4.6 通气孔和进人孔为保证当引水道充水时可以排气，在事故闸门之后设置一通气孔，同时可保证引水道排水时供气，避免引水道内产生较大负压。通气孔面积按下式计算： 为进水口流量，这里取单机最大引用流量。为通气孔进气流速，一般为3050m/s，这里取为40m/s。则通气孔面积为：为了便于进水口及压力管道的维护与检修，需设进人孔，其位置设在工作闸门之后。4.1.5 进水口高程计算为保证进水口处于有压状态，以使水流流态稳定，进水口的高程应低于运行中可能出现的最低水位，并有一定的淹没深度。并应使进水口的底板高程高于水库淤沙高程1.0m1.5m，但本水电站枢纽的水库淤沙高程较低，不影响进水口高程的选择与布置，因此该因素不予考虑。为避免进水口前出现吸气漏斗和漩涡的临界深度按下式计算： 式中：为无漩涡的临界淹没水深 为经验系数，一般取为0.550.73，对称进水时取小值，侧面进水时取大值，本设计取0.55计算。 为闸门断面的水流流速，取闸门段面最大引用流量时的流速。 为闸门孔口净高，本设计为7.0m。经计算得：综合分析并考虑到风浪的影响，取淹没深度为6.0m。则进水口底板高程为： 4.2 引水道设计引水道的路线选择是设计中的关键，它关系到隧洞的造价，施工难易，工程进度，运行可靠性等方面。4.2.1 线路比较根据洞线选择条件初步选择两条引水线路，从工程地质平面图上可以看出，因坝址处距离下游大峡沟沟口处较近，且根据上游地质条件选择的进水口位置距离坝址也较近，使得引水线路距离较短，因此整段引水线路均采用压力钢管布置。所选择的两条引水线路分别以1#和2#表示，1#、2#的进水口均布置在左岸上游侧140m处，穿过左岸山体布置引水管道。现分别就所选两条线路从各方面进行比较，以选择合理的方案进行设计。从进水口处的地质条件来看，1#和2#的进水口相同，地质条件均较好，岸坡处无破碎带，稳定性均较好。从线路距离来看，1#和2#线路距离相差不大，所以从洞线的开挖、压力钢管的耗用量、施工工期、工作量等方面来说，1#和2#线路均差不多。从施工干扰程度来看，2#线路距离坝体过近，因此与主坝体的施工干扰程度大，而1#在这一方面则较有优势，距离主坝体较远，互相施工影响小。从引水线路地质条件来看，1#线路的地质条件较好，而2#线路在上、下游均有小部分距离经过地质条件不好的区域，但基本上不影响压力管道的安全性。另外考虑因素，2#线路的优势在于进厂公路较好布置，1#优势在于管道线路的转弯角度较小，且尾水线路较短，开挖量小。综合以上因素，并考虑到厂房的位置布置，以及尾水道的布置，确定1#线路为最终引水线路设计方案。4.3 调压室设计4.3.1 调压室作用在引水线路上设置调压室后，利用调压室扩大的断面积和自由水面，水锤波就会在调压室反射到下游去。这样就相当于把引水系统分为两段，调压室以前这段引水道，基本上可以避免水锤压力的影响；调压室以后的压力管道，由于缩短了水锤波传递的路程，从而减少了压力管道中的水锤值，改善了机组运行条件及供电质量。4.3.2 调压室的设置判断由于设置调压室增加了建造费用和维护费，调压室的投资有时几乎占引水系统投资的1/1/5，相当于厂房的土建投资，因此是否设置调压室，必须经过电站的引水系统与机组联合调节保证计算及电站稳定运行综合分析，进行技术经济比较加以论证。初步分析时，可用表征压力引水系统惯性大小的水流加速时间，也称作压力引水道的惯性时间常数值来判断设置上游调压室的条件，其式为：上式中：为压力引水道（包括蜗壳及尾水管）各段之长度； 为上述各段水道相应的流速； 为重力加速度； 为水轮机的设计水头； 为的允许值，一般取为24s。根据在地质平面图上引水线路的布置，由比例测量出压力水道长度约为460m。压力水道中的流速取为各段水道的平均流速，取为4m/s。设计水头为73.0m。则综合经济比较后，不设置调压室。4.4 调节保证计算4.4.1 调节保证计算的任务计算有压引水系统的最大和最小内水压力，最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据；最小内水压力作为压力管道线路布置，防止管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据。计算丢弃负荷和增加负荷时转速变化率，并检验其是否在允许的范围内。选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证压力和转速变化不超过规定的允许值。研究减小水击压强及机组转速变化的措施。4.4.2 调节保证计算的目的正确合理地解决导叶启闭时间、水击压力和机组转速上升值三者之间的关系，最后选择适当的导叶启闭时间和方式，使水击压力和转速上升值均在经济合理的允许范围内。4.4.3 调节保证计算的标准机组在丢弃负荷的过程中，一般情况下，最大转速上升率，对于大型电站，对于冲击式机组。机组在丢弃全负荷时，若电站设计水头小于40m，允许的最大压力上升率为0.50.7，若电站的设计水头大于40m小于100m，允许的最大压力上升率为0.30.5，若电站的设计水头大于100m，允许的最大压力上升率为小于0.3。4.4.4 调节保证计算的内容丢弃全负荷或部分负荷时：机组转速最大升高值、压力管道及蜗壳内的最大水击压强、尾水管真空度校核，同时应注意开度变化时的反击水击是否超过了增加负荷时的水击值。增加全负荷或部分负荷时：机组转速最大降低值，只对单独运行的电站计算，加入系统运行的地在那还能，转速受系统频率的制约，不可能有很大的降低、压力管道和蜗壳内最大压力降低值。4.4.5 调节保证计算过程水电站的调节保证计算一般按以下两种工况计算，并取较大值：在设计水头下丢弃全负荷，通常发生最大转速上升率。在最大水头下丢弃全负荷，通常发生最大水锤压力。4.4.5.1 调节保证计算基本数据由前面计算可知，压力管道长度取为460m，压力钢管直径为6m。压力钢管属于地下埋式钢管，则水击波速为1200m/s。机组转速为150r/min，单机最大引用流量为。导叶启闭时间初选为6s，计算结果如不满足要求，依次按7s、8s、9s计算。水电站设计水头为73.0m。水电站最大水头为84.3m。4.4.5.2 设计水头下丢弃全负荷计算相长为： 导叶启闭时间为：，因此此时发生的是间接水锤。水流最大速度为：管道特性系数为： 丢弃全负荷时：，所以发生末相水击。 根据调节保证计算标准，水锤压力上升率不满足要求，不再计算转速上升率。取导叶启闭时间为7s，同上述计算一样，发生间接水锤。水流最大速度为：管道特性系数为： 丢弃全负荷时：，所以发生末相水击。 水锤压力值为： 总压力值为： 转速上升率为（按列宁格勒金属工厂公式计算）： 上式中：为机组额定容量，为7.5万KW。 为导叶关闭至空转开度的历时，对于混流式和水斗式水轮机，对于轴流式水轮机。 这里取。 为水锤影响系数，查水电站建筑物教材141页图9-15水锤影响系数根据管道特性系数得。飞轮转矩的计算： 上式中：为经验系数，查水电站机电设计手册水力机械分册167页表3-10，根据转速为150r/min查得该系数为5.2。 为定子铁芯内径（m）。 为定子铁芯长度（m）。则将以上数值代入转速上升率公式得： 机组转速最高值： 由以上计算知，当导叶启闭时间为7s时，在设计水头下丢弃全负荷，水锤压力上升值与转速上升率均在规定范围内。4.4.5.3 在最大水头下丢弃全负荷计算导叶启闭时间为：，因此此时发生的是间接水锤。水流最大速度为：管道特性系数为： 丢弃全负荷时：，所以发生末相水击。水锤压力值为： 总压力值为： 转速上升率为（按列宁格勒金属工厂公式计算）：上式中：为机组额定容量，为7.5万KW。 为导叶关闭至空转开度的历时，对于混流式和水斗式水轮机，对于轴流式水轮机。 这里取。 为水锤影响系数，查水电站建筑物教材141页图9-15水锤影响系数根据管道特性系数得。同设计水头下丢弃全负荷计算一样，飞轮转矩为： 将以上数值代入转速上升率公式得： 机组转速最高值： 由以上计算知，当导叶启闭时间为7s时，在最大水头下丢弃全负荷，水锤压力上升值与转速上升率均在规定范围内。因整个有压引水系统的压力上升值与转速上升率均在规定范围内，若按管道、蜗壳以及尾水管三部分的水体动量为权，对水锤压力进行分配，则管道和蜗壳的水锤压力值必然也在规定范围内。4.4.5.4 尾水管进口处负压计算尾水管进口处水锤压力计算：取尾水管平均流速与引水系统平均流速一致，为4.28m/s，取尾水管长度为30m。则尾水管进口处水锤压力为： 尾水管进口处真空度为： 满足要求。4.5 水头损失计算引水系统中水头损失主要包括沿程水头损失和局部水头损失两种。4.5.1 沿程水头损失计算沿程水头损失一般计算公式为：上式中：为沿程水头损失系数，其值与管壁光滑程度有关，查水电站建筑物设计参考资料得其值为0.007。 为钢管内径，即6m。 为水流速度，即4.28m/s。 为计算管段长度，取进水口到蜗壳处距离，约为420m。则4.5.2 局部水头损失计算压力管道的局部水头损失包括进口损失（进口水流收缩、拦污栅、闸门槽、渐变段等）、钢管转弯损失、渐变锥管处损失、分岔管损失和闸门损失等。 局部水头损失公式为：上式中：为局部水头损失系数，与周界变化的几何形状、尺寸有关。查水电站建筑物设计参考资料知各部分局部损失系数如下：喇叭进口，局部水头损失系数一般为0.010.05，这里取为0.02。拦污栅处，局部水头损失系数取为0.1。闸门槽，局部水头损失系数一般为0.050.20，这里取为0.1。渐变段，局部水头损失系数取为0.05。转弯，局部水头损失系数为：本引水线路中共有3处转弯，平面转弯1处，立面转弯2处。上式中：D为钢管直径； R为转弯半径； 为转弯角度。平面转弯局部水头损失系数为： 立面转弯局部水头损失系数为： 则整个引水线路局部水头损失系数之和为：局部水头损失为：4.6 压坡线的绘制 图46 引水系统布置示意图 图47 压坡线示意图5 厂房布置设计厂房的布置设计包括平面设计、剖面设计和立面设计三个部分。需要根据地形资料、工程地质和水文地质资料、水文资料、气象资料、水能规划资料、主机组和机电设备资料、建筑材料供应和交通运输情况等来进行布置设计。5.1 蜗壳尺寸的确定本水电站枢纽工程的总装机容量为15W千瓦，查表知属于中型工程。本建筑物的初步设计是建立在已经选定的水轮机和发电机型号基础上的。水轮机的型号是HL220，转轮直径3.8m。本水电站设计水头为 因此选用金属蜗壳对任一蜗壳断面有 其中： 为任一蜗壳断面流量 为水轮机最大流量 为进口断面平均流速 为断面半径 为断面外半径断面平均流速 上式中K为流速系数，3.0m时为1.0，300.0m时为0.57，采用内插法取得其值为0.9。对于进口断面：断面流量为 断面面积为 断面半径为 同时根据转轮直径以及设计水头，查水力机械附录二得：座环外径 内径座环外半径 内半径则从轴中心线到蜗壳外缘半径 图51 座环尺寸图对蜗壳内任一断面，根据计算要求，取若干个包角计算断面，便可绘制出蜗壳断面单线图，计算结果如下表： 表51 蜗壳断面计算成果表00002.925155.040.660.463.8453010.011.300.644.2054515.111.960.794.5056020.152.620.914.7457525.193.281.024.9659030.233.931.125.16510535.264.591.215.34512040.305.241.295.50513545.345.901.375.66515050.386.551.445.80