水电站课程设计.doc

水电站厂房及吊车梁设计目录前言1第一部分 水电站厂房2一、设计资料2二、水轮机选型22.1水轮机型号选择22.2水轮机参数计算2三、水轮机蜗壳设计133.1蜗壳形式的选择133.2断面形状及包角的选择133.3进口断面面积及尺寸的确定13四、尾水管设计154.1尾水管的形式154.2弯肘型尾水管主要尺寸的确定15五、发电机外形尺寸175.1发电机型式的选择175.2水轮发电机的结构尺寸17六、厂房尺寸确定196.1主厂房长度的确定196.2主厂房的宽度206.3主厂房各层高程的确定21第二部分 吊车梁设计24七、吊车梁截面形式24八、吊车梁荷载计算258.1均布恒荷载q258.2垂直最大轮压25九、吊车梁内力计算259.1弯矩计算259.2剪力计算26十、吊车梁正截面及斜截面抗剪强度计算2710.1吊车梁正截面承载力计算2710.2斜截面抗剪强度计算29十一、挠度计算30十二、裂缝宽度验算31结语32参考文献3335前言本课程设计主要是水利水电枢纽工程中水电站厂房设计的部分工作。设计目的在于培养学生正确的设计思想，理论联系实际工作的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。培养学生综合运用所学水电站知识，分析和解决水电工程技术问题的能力；通过课程设计实践训练并提高学生解决水利水电工程实际问题的能力。进一步巩固和加深厂房部分的理论知识，培养学生独立思考、分析问题及运用理论知识解决实际问题的能力，提高学生制图、使用现行规范、查阅技术资料、使用技术资料的能力以及编写设计说明书的能力。根据已有的原始资料和设计要求进行设计，主要内容有：水电站总体布置、水轮机型号的选择以及水轮机特性曲线的绘制、蜗壳尺寸的确定、绘制蜗壳平面和断面单线图、尾水管尺寸的确定及草图、水电站厂房尺寸的确定以及吊车梁内力计算和吊车梁配筋计算等，并根据要求绘制相应的平面布置图和剖面图。第一部分 水电站厂房一、设计资料资料：某水利枢纽工程，具有防洪、灌溉、发电、养殖、旅游等功能。水电站厂房为坝后式，通过水能计算该水电站装机容量为25Mw，厂房所在处平均地面高程440.60m1.水位经多水位方案比较，最终采用正常蓄水位为：470.00 m，死水位为：459.00 m，距厂房下游100 m处下游水位流量关系见下表：2.机组供水方式：采用单元供水3. 水头 该水电站水头范围：Hmax =39.00m, Hmin=28.00m,加权平均水头Ha=33.00m二、水轮机选型2.1水轮机型号选择水轮机型号的选择中起主要作用的是水头,本电站工作水头范围为28.00m39.00m，根据水头范围从水轮机系列型谱中查得轴流式ZZ440型适应水头20m36m,混流式HL240型适应水头2545m两种型座位备选方案。经方案比较后确定水轮机型号。2.2水轮机参数计算2.2.1 HL240型水轮机方案主要参数选择（两台机组）HL240水轮机水头范围2545，HL240水轮机模型参数，见下表2-11.转轮直径D1的计算根据水轮机型号HL240查上表得HL240型水轮机在限制工况下的单位流量Q1M=1.24m3/s，效率M=90.4%，由此可以初步假定原水轮机的单位流量Q1=Q1M=1.24m3/s, 效率M=92%.水轮机额定水头 D1=Pr9.81Q1Hr32式中：D1水轮机标称直径Q1水轮机单位流量 查得Q1=1240L/s=1.24Hr设计水头，对于坝后式水电站Hr=（0.90.95）Ha，取Hr=0.95Ha=0.9533.0=31.35mPr水轮机额定出力,由发电机的额定处理求得，对于中小型水电站g=0.920.95，Pr=Pe/g=25000/2/0.95=13158kW 代入式中得D1=Pr9.81Q1Hr32=131589.810.921.2431.3532=2.59m,根据上式计算出的转轮直径259cm，查表312水轮机转轮标称直径系列，选用相近而偏大的标准直径： D1=275cm2.转速计算n=n1HD1=72332.75 =150.4r/min式中n1单位转速采用最优单位转速n1=72r/minH采用设计水头33.00mD1采用选用的标准直径D1=2.75m由额定转速系列表3-13查的相近而偏大的转速n=150r/min3.效率及单位参数修正（1）效率修正。查表39可得HL240型水轮机在最优工况下的模型最高效率Mmax=92.0%,模型转轮直径D1M=46cm,则原型水轮机最高效率max=1-（1-Mmax）5D1MD1=1-(1-0.92)546275=0.944效率修正值=max-Mmax-1-2=0.944-0.92-0.01=0.014式中:为考虑到原型与模型水轮机工艺水平影响的效率修正值，取1=1%2%；2为考虑到原型与模型水轮机异性部件影响的效率修正值，取2=1%3%，本列题中因原型与模型水轮机异性部件基本相似，故认为2=0。限制工况下的原型水轮机效率：=M+=0.904+0.014=0.918可见，与计算转轮直径时所假定的原型水轮机在限制工况下的效率相符。说明所选的D1适合。（2）单位转速修正。单位转速修正计算公示如下 n1=n10-n10M n10=n10Mmax/Mmax式中：n10为原型水轮机最优单位转速，r/min；n10M为模型水轮机最优单位转速，r/min；Mmax为最优工况下的模型水轮机的效率，查表得Mmax=92%；max为最优工况下的原型水轮机的效率，max=Mmax+ =0.92+0.014=0.934由上两式得 n1n10M=(maxMmax-1)=0.9340.92-1=0.87%因n10.03n10M时，可不必进行修正。故计算的n值适合。单位流量也不加修饰。4.工作范围检验在水轮机的直径和转速选定之后，还需要在模型综合特性曲线图上绘出水轮机的相似工作范围并检验该工作范围是否包括了高效率区，以论证所选定的直径和转速的合理性。（1）按水轮机的额定水头Hr和选定的直径D1计算水轮机以额定出力工作时的最大单位流量Q1max。 由水轮机的额定出力Pr的表达式 Pr=9.81Q1D12HrHr导出最大单位流量Q1max计算式(限制工况下的Q1)Q1max=Pr9.81D12HrHr =131589.812.75231.3531.350.918=1.101m3/s1.24m3/s 则水轮机的最大引用流量为Qmax=Q1maxD12Hr=1.1012.75231.35=46.62m3/s（2）按最大水头Hmax，最小水头Hmin以及选定的D1,n分别计算出最小和最大单位转速n1min和n1max. n1min=nD1Hmax=1502.7539=66.05 r/min n1max=nD1Hmin=1502.7528=77.96 r/min（3）在HL240水轮机的模型综合特性曲线图上分别作出以Q1max、n1min和n1max为常数的直线，这些直线所包括的范围（如图阴影部分）在95%出力限制线以左并包含了模型综合特性曲线的高效率区，说明选定的D1、n是满意的。图2-1 HL240水轮机模型综合特性曲线及工作范围检验（两台机组）5确定吸出高度由设计工况参数：n1max =1502.75H=73.67r/min, Q1max=1101L/s，查图3-21得=0.197，在空化系数修正曲线中查得=0.035。 则吸出高度为 Hs=10-440.6900-（0.195+0.035)31.35=2.30(m）-4.0m 说明HL240水轮机方案的吸出高度满足电站要求。2.2.2 轴流转桨ZZ440水轮机主要参数的计算（两台水轮机）1.转轮直径D1的计算 由于轴流式水轮机的限制工况由空蚀条件决定，为防止开挖过大，水电站常采用限制水轮机吸出高度的办法反推Q1和。根据水轮机型号ZZ440查表310得在限制工况下的单位流量Q1=1.65m3/s，空蚀系数=0.72.在空蚀系数修正曲线图2-28查的=0.04。在允许的吸出高度Hs=-4m时，其相应的空蚀系数为=10-900-HsHr-=10-440.6900+431.35-0.035=0.396-4.0m 故满足电站要求。2.2.3 HL240型水轮机与ZZ440型水轮机两种方案的比较 经过上述计算，两方案的相关参数如下表水轮机方案参数对比表序号项目HL240ZZ4401模型转轮参数推荐使用的水头范围H（m)254520362最优单位转速n10（r/min)721153最优单位流量Q10 (L/s)11008004最高效率Mmax（%）92895空化系数0.1950.046原型水轮机参数工作水头范围H（m)283928397转轮直径D1 (m)2.752.758转速1502509最高效率max（%）91.891.410额定出力P（kW)131581315811最大引用流量Q(m3/s)46.6247.8512吸出高度Hs(m)2.30-3.66由上表可以看出，两种机型方案的水轮机标称直径均为2.75m。HL240型方案的工作范围包含了更多的高效率区域，运行效率高，空化系数较小，安装高程也高，对提高年发电量和减小厂房开挖量有利。ZZ440型方案的转速高，可减小发电机尺寸。但由于该机型水轮机及其调速系统复杂，所以总体造价较高。综合考虑，本电站选择HL240型方案更为合理。2.2.4 HL24O型水轮机四台机组方案主要参数选择1.选择转轮标称直径D1 由资料可知该水电站装机容量为25MW，选择四台机组，则单机装机容量为6.25MW。由此可得该水轮机的额定功率Pr。根据水轮机型号HL240查上表得HL240型水轮机在限制工况下的单位流量Q1M=1.24m3/s，效率M=90.4%，由此可以初步假定原水轮机的单位流量Q1=Q1M=1.24m3/s, 效率M=92%.水轮机额定水头 Hr=0.95Ha=0.9533.0=31.35mD1=Pr9.81Q1Hr32式中：D1水轮机标称直径Q1水轮机单位流量 查得Q1=1240L/s=1.24Hr设计水头 Hr=31.35mPr水轮机额定出力,由发电机的额定处理求得，对于中小型水电站g=0.920.95Pr=Pe/g=25000/4/0.95=6579kW代入式中得D1=Pr9.81Q1Hr32=65799.810.921.2431.3532=1.83m,根据上式计算出的转轮直径183cm，查表312水轮机转轮标称直径系列，选用相近而偏大的标准直径D1=200cm2.转速计算n=n1HD1=7233200 =206.8r/min式中n1单位转速采用最优单位转速n1=72r/minH采用设计水头33.00mD1采用选用的标准直径D1=2.00m由额定转速系列表3-13查的相近而偏大的转速n=214.3r/min3.效率及单位参数修正(1）效率修正。查表39可得HL240型水轮机在最优工况下的模型最高效率Mmax=92.0%,模型转轮直径D1M=46cm,则原型水轮机最高效率max=1-（1-Mmax）5D1MD1=1-(1-0.92)546200=0.940效率修正值=max-Mmax-1-2=0.944-0.92-0.01=0.01式中:为考虑到原型与模型水轮机工艺水平影响的效率修正值，取1=1%2%；2为考虑到原型与模型水轮机异性部件影响的效率修正值，取2=1%3%，本列题中因原型与模型水轮机异性部件基本相似，故认为2=0。限制工况下的原型水轮机效率：=M+=0.904+0.01=0.914可见，与计算转轮直径时所假定的原型水轮机在限制工况下的效率相符。说明所选的D1适合。(2) 单位转速修正。单位转速修正计算公示如下n1=n10-n10Mn10=n10Mmax/Mmax式中：n10为原型水轮机最优单位转速，r/min；n10M为模型水轮机最优单位转速，r/min；Mmax为最优工况下的模型水轮机的效率，查表得Mmax=92%；max为最优工况下的原型水轮机的效率，max=Mmax+ =0.92+0.010=0.930由上两式得n1n10M=(maxMmax-1)=0.9300.92-1=0.54%因n10.03n10M时，可不必进行修正。故计算的n值适合。单位流量也不加修饰。4.工作范围检验在水轮机的直径和转速选定之后，还需要在模型综合特性曲线图上绘出水轮机的相似工作范围并检验该工作范围是否包括了高效率区，以论证所选定的直径和转速的合理性。(1）按水轮机的额定水头Hr和选定的直径D1计算水轮机以额定出力工作时的最大单位流量Q1max。 由水轮机的额定出力Pr的表达式Pr=9.81Q1D12HrHr导出最大单位流量Q1max计算式Q1max=Pr9.81D12HrHr =65799.812.0231.3531.350.914=1.045m3/s1.24m3/s (限制工况下的)则水轮机的最大引用流量为Qmax=Q1maxD12Hr=1.0452.0231.35=23.4m3/s(2)按最大水头Hmax，最小水头Hmin以及选定的D1,n分别计算出最小和最大单位转速n1min和n1max.n1min=nD1Hmax=214.32.0039=68.63 r/minn1max=nD1Hmin=214.32.0028=81.00 r/min(3）在HL240水轮机的模型综合特性曲线图上分别作出以Q1max、n1min和n1max为常数的直线，这些直线所包括的范围（如图阴影部分）在95%出力限制线以左并包含了模型综合特性曲线的高效率区，说明选定的D1、n是满意的。图2-1 HL240水轮机模型综合特性曲线及工作范围检验（四台机组）5.确定吸出高度 由设计工况参数：n1max =214.32.00H=76.55r/min, Q1max=1045L/s，查图3-21得=0.195，在空化系数修正曲线中查得=0.035。 则吸出高度为 Hs=10-440.6900-（0.195+0.035)31.35=2.30(m）-4.0m说明HL240水轮机四台方案的吸出高度满足电站要求。通过比较发现，在转轮直径相同，吸出高度相同的条件下，HL240型两台机组方案的工作范围包含了更多的高效率区域，运行效率高。因此此电站选择HL240两台机组的方案。三、水轮机蜗壳设计3.1蜗壳形式的选择蜗壳形式有金属蜗壳和混凝土蜗壳，金属蜗壳适用于水头大于40m或小型卧式机组，混凝土蜗壳适用于水头小于40m，金属蜗壳适用于水头大于40m的水电站。因为本次课设水电站的水头范围28.0039.00m，水头运行范围大，最大水头接近40m水头，所以本设计采用了金属蜗壳。3.2断面形状及包角的选择从蜗壳的鼻端至蜗壳进口断面之间的夹角称为蜗壳包角,常用0来表示,对于金属蜗壳由于流量较小,流速较大,通常采用包角为270345，且金属蜗壳通常采用的蜗壳包角为345，故本设计选择345包角。3.3进口断面面积及尺寸的确定1.座环尺寸： 座环固定导叶外径相对值：DaD1 =1.551.64 座环固定导叶内径相对值：DbD1=1.331.37 式中：D1为水轮机的标称直径，m。当D13.2m时，上两式取上限值；因为D1=2.75m3.2m；故Da=1.642.75=4.51m， Db=1.372.75=3.77m2.任意断面i的断面尺寸：断面半径：i=Qiv0=Qi360v0断面中心距：ai=ra+i断面外半径：Ri=ra+2i则第i+1断面的包角为i+1=i-，（i=0,1,2,3）式中：为包角增量，一般取=15或30蜗壳进口断面平均流速：V0=KvHr，Hr =31.35m,根据图2-6，查得Kv=0.9，则 V0=0.931.35=5.04m/s典型断面计算表：如下3.绘制蜗壳断面单线图和平面单线图四、尾水管设计4.1尾水管的形式 尾水管是反击式水轮机的重要过流部件，其形式和尺寸在很大程度上影响到水电站下部土建工程的投资和水轮机运行的效率及稳定性。尾水管的形式很多,常用的有直锥形,弯锥形和弯肘形, 大中型反击式水轮机均采用弯肘形，本设计采用弯肘形，它不但可以减小尾水管开挖深度，而且具有良好的水力性能。弯肘形尾水管由进口直锥段中间肘管段和出口扩散段三部分组成。4.2弯肘型尾水管主要尺寸的确定1.尾水管高度该电站属于中低水头电站，根据实践经验，低水头混流式水轮机（D10.1,独立T形梁，所以bf=l03=69003=2300mmbf=b+12hf=400+12150=2200mm上述两值均大于翼缘实有宽度（800mm），故bf=800mm10.1.2.鉴别T形梁所属情况按下式鉴别T形梁所属情况KM=1.2916.2=1099.44kN/mfcbfhfh0-hf2=19.1800150930-1502=1959.66kN/mKMfcbfhfh0-hf2所以属于第一种T形截面（xhf）,按宽度为800mm的单筋矩形截面计算。10.1.3计算ASS=KMfcbfh02=1099.4410619.18009302=0.083=1-1-2s=1-1-20.083=0.087min=0.20%,满足要求选用5B22+5B25（AS=4354mm2）支座B：按宽度为b的矩形截面积算（上侧受拉，下侧受压）S=KMfcbfh02=1.258510619.14009302=0.106=1-1-2s=1-1-20.106=0.113min=0.20%,满足要求选用5B28（AS=3079mm2）10.2斜截面抗剪强度计算10.2.1 T型梁截面尺寸验算hw=1000-70-150=780mmhwb=780400=1.95KV=1.2774709=893.7kN满足截面抗剪要求。10.2.2抗剪腹筋计算以支座边缘截面为验算截面：VC=0.7ftbh0=0.71.71400930=445.3kNKV=893.7kN根据KV=VC+VSV的条件，由下式得ASVS=KV-0.7ftbh01.25fyvh0=893.7103-445.31031.25210930=1.84选四肢箍筋，由于梁高较大（h=1000mm），箍筋不宜太细，选用10，即AS=314mm2S=3.141.84=170mm,取S=150mmsv min=0.12%十一、挠度计算钢筋的弹性模量:ES=2.0105N/mm2C40砼的弹性模量：EC=3.25104N/mm2E=ESEC=2.01053.25104=6.15=ASbh0=4354400930=1.17%=(bf-b)hfbh0=(800-400)150400930=0.161对直接承受重复荷载=1.0Bd=ESASh021.15+0.2+6E1+2=2105435493021.15+0.2+66.151.17%1+20.161=5.581014Nmm2由表计算可知4截面长期荷载产生的弯矩Ml=4.03104Nm,MS=8.76105Nm.但不考虑动力系数，即：MS=8.761.1105=7.96105NmM=Ml+MS=7.96105+4.03104=8.36105Nm受压钢筋，实际配筋5B28（AS=3079mm2）=ASbh0=3079400930=0.0083=0.83%=2.0-0.4=2.0-0.40.00830.017=1.8故Bl=BdMMl-1+MS=5.6510148.361054.031041.8-1+8.76105=5.201014N/mm2根据KL=4.46.9=0.683，查得k2=0.0012,在不考虑动力系数1.1时最大轮压力P=61.51041.1=55.9104N求得最大挠度fcmax=538412.16.941025.201014+0.011255.91046.931095.201014=4.64mm0.03=1-1.1ftktesk=1-1.12.390.078260=0.87带肋钢筋=1，因20mmc65mm,则lcr=2.2c+0.09dte=2.235+0.09260.0781=107mm受弯构件cr=1.90max=crsk-0ESlcr=1.900.872602105107=0.23mmlim=0.30mm满足要求结语两周的课程设计结束了。感谢董老师、刘老师心细致的指导和其他同学的帮助，在老师和同学的帮助下，通过自身的努力，圆满的完成了设计任务。这次设计是对之前所学的知识进行一个全面检查，通过这两周的设计，我收获颇丰。在这次设计中，不仅巩固了以前课堂上学到的基本理论，还对工程实际有了一定的了解和认识。除此之外，这次设计也增强了自己的动手查找各种参考资料的能力，绘图等能力。通过这次的设计，为我以后的实践打下良好的基础，也使自己对将来的工作更加自信。这次的设计不仅检验了我所学的知识，还培养了我如何去认真的完成一件事情。在设计过程中，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了宽容，学会了理解，更锻炼了我的耐心。由于自己的经验不足，理论知识不够充分，在设计中难免会有一些错误，请老师谅解，并恳请指正。谢谢！参考文献1徐国兵.水电站.北京：中国水利水电出版社，2012.2刘启钊.水电站（第三版）.北京：中国水利水电出版社，2007.3焦爱萍.水利水电工程专业毕业设计指南.郑州：黄河水利出版社，2003.4水工设计手册（水电站建筑物）.华北水利学院主编.北京：水利电力出版社,1982.5水电站机电设计手册（水力机械）.水电站机电设计手册编写组.北京：水利电力出版社，1989.6水工钢筋混凝土结构学（第五版）.河海大学，武汉大学，大连理工大学，郑州大学合编.北京：中国水利水电出版社，2013.