水电站课程设计

水电站课程设计
GE GROUP system office room 【GEIHUA16H-GEIHUA GEIHUA8Q8-
目录
前言
第一部分水电站厂房
一、设计资料
二、水轮机选型
2.1水轮机型号选择 .............................................
2.2水轮机参数计算 .............................................
三、水轮机蜗壳设计
3.1蜗壳形式的选择 .............................................
3.2断面形状及包角的选择 .......................................
3.3进口断面面积及尺寸的确定 ...................................
四、尾水管设计
4.1尾水管的形式 ...............................................
4.2弯肘型尾水管主要尺寸的确定 .................................
五、发电机外形尺寸
5.1发电机型式的选择 ...........................................
5.2水轮发电机的结构尺寸 .......................................
六、厂房尺寸确定
6.1主厂房长度的确定 ...........................................
6.2主厂房的宽度 ...............................................
6.3主厂房各层高程的确定 ....................................... 第二部分吊车梁设计
七、吊车梁截面形式
八、吊车梁荷载计算
8.1均布恒荷载q ................................................
8.2垂直最大轮压 ...............................................
九、吊车梁内力计算
9.1弯矩计算 ...................................................
9.2剪力计算 ...................................................
十、吊车梁正截面及斜截面抗剪强度计算
10.1吊车梁正截面承载力计算 ....................................
10.2斜截面抗剪强度计算 ........................................ 十一、挠度计算
十二、裂缝宽度验算
结语
参考文献
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440.60m
1.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：H HHH =39.00m, H HHH=28.00m,加权平均水头H H=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28.00m～39.00m，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20m～36m,混流式HL240型适应水头25～45m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25～45，HL240水轮机模型参数，见下表2-1 1.转轮直径H H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H 1H ′=1.24m 3
/s ，效率H H =90.4%，由此可以初步假定原水轮机的单位流量H 1′=H 1H
′=1.24m 3/s, 效率H H =92%.水轮机额定水头 H 1=√H H
9.81×H ×H 1′H H 32 式中：H 1——水轮机标称直径
H 1′——水轮机单位流量 查得H 1
′=1240L/s=1.24s m /3 H H ——设计水头，对于坝后式水电站H H =（0.9～0.95）H H ，取H H =0.95H H =0.95×33.0=31.35m
H H —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H H =0.92～0.95，H H =H H /H H =25000/2/0.95=13158kW
代入式中得H 1=√H H 9.81×H ×H 1′×H H
32=√9.81×0.92×1.24×31.3532=2.59m,根据上式计算出的转轮直径259cm ，查表3—12水轮机转轮标称直径系列，选用相近而偏大的标准直径：
H 1=275cm
2.转速计算 n=H 1′√H H 1=72×√33
2.75 =150.4r/min
式中H 1′——单位转速采用最优单位转速H 1′=72r/min
H ——采用设计水头33.00m
D 1——采用选用的标准直径D 1=2.75m
由额定转速系列表3-13查的相近而偏大的转速n=150r/min
3.效率及单位参数修正
（1）效率修正。

查表3—9可得HL240型水轮机在最优工况下的模型最高效率H HHHH =92.0%,模型转轮直径H 1H =46cm,则原型水轮机最高效率
H HHH =1−（1−H HHHH ）√H 1H H 15=1-(1-0.92)√462755=0.944 效率修正值
Δη=H HHH −H HHHH −H 1−H 2=0.944-0.92-0.01=0.014
式中:1 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H 1=1%～2%；H 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H 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H 2=0。

限制工况下的原型水轮机效率：
η=H H +ΔH =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H 1适合。

（2）单位转速修正。

单位转速修正计算公示如下
ΔH 1′=H 10′-H 10H ′
H 10′=H 10H ′√H HHH /H HHHH 式中：H 10′为原型水轮机最优单位转速，r/min ；H 10H ′为模型水轮机
最优单位转速，r/min ；H HHHH 为最优工况下的模型水轮机的效率，查表得H HHHH =92%；H HHH 为最优工况下的原型水轮机的效率，
H HHH =H HHHH +ΔH =0.92+0.014=0.934
由上两式得
ΔH 1′H 10H ′=(√H HHH H HHHH −1)=(√0.9340.92−1)=0.87%
因ΔH 1′<0.03H 10H ′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H H 和选定的直径H 1计算水轮机以额定出力工作时的最大单位流量H 1HHH ‘。

由水轮机的额定出力H H 的表达式
H H =9.81H 1′H 12H H √H H H
导出最大单位流量H 1HHH ‘计算式(限制工况下的H 1′)
H 1HHH ′=9.81H 12H H H =9812752×31.35×√31.35×0.918=1.101H 3/
H <1.24H 3/H 则水轮机的最大引用流量为
H HHH =H 1HHH ′H 1
2√H H =1.101×2.752×√31.35=46.62H 3/H （2）按最大水头H HHH ，最小水头H HHH 以及选定的H 1,n 分别计
算出最小和最大单位转速H 1HHH ′和H 1HHH ′.
H 1HHH ′=
1H =√39=66.05 r/min H 1HHH ′=1
√H =√28=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
H 1HHH ′、H 1HHH ′和H 1HHH ′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H 1、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：H 1HHH ′ =
√H
=73.67r/min, H 1HHH ′=1101L/s ，查图3-21得σ=0.197，在空化系数修正曲线中查得
?σ=0.035。

则吸出高度为 H H =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H H 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H 1′和σ。

根据水轮机型号ZZ440查表3—10得在限制工况下的单位流量
H 1
′=1.65m 3/s ，空蚀系数σ=0.72.在空蚀系数修正曲线图2-28查的?σ=0.04。

在允许的吸出高度[H H ]=-4m 时，其相应的空蚀系数为
σ=
10−?
900−[H H ]
H H
−?H =10−440.6
900+4
31.35
−0.035=0.396<0.72
由表3-10查得ZZ440水轮机在最优工况下的单位转速'
10n =115r/min,查图2-2可知，对应与工况点（'
10n =115r/min, =0.396)处的单位流量
'1Q =1150L/s,模型水轮机的效率M η=87.2%。

据此可先假定设计工况下原型
水轮机的效率η=89.7%，则转轮直径为
H 1=√
H H
9.81×H ×H 1
′×H H 32=√
13158
9.81×0.897×1.15×31.353
2
=2.61m
查表3-12，选用与水轮机转轮计算直径相近的标称直径H 1=2.75m 2.选择额定转速H 0
n=
H 1′√H H 1
=
115×√332.75
=240.23r/min
查表3-13， 选用与之相近而偏大的同步转速H 0=250 r/min 。

3.效率及单位参数修正
由表2-2查得ZZ440水轮机试验水头M H =3.5m,模型转轮标称直径
M D =0.46m 。

对轴流转桨式水轮机，当叶片转角为ϕ时，原型水轮机最大
效率
H HHHH =1−(1−H HHHHH )(0.3+0.7√H 1H H 15
√H H
H H
10
=1−(1−H HHHHH )(0.3+0.7√0.462.755
√3.5
31.35
10 =1−0.693(1−H HHHHH )
叶片在不同转角ϕ时的H HHHHH 可由模型综合特性曲线图3-22查得，当选用制造工艺影响的效率修正值ε=1%，即可用上式计算出不同转角ϕ时的效率修正值ϕη∆=max ϕη-max M ϕη-ε，计算成果见下表
ZZ440水轮机效率修正值计算表
由表3-10查得ZZ440水轮机最优工况的模型效率max M η=89%，从以上计算知，最优工况的效率最接近于︒=0ϕ时的效率88.8%，故可采用
ϕη∆=2.4%作为其修正值，则可得ZZ440水轮机原型的最高效率为
ηηη∆+=max max M =89%+2.4%=91.4%
因为在吸出高度-4m 限制的工况点（'
10n =115r/min,σ=0.396）处的
模型水轮机的效率M η=87.2%,该工况点在ϕ=0处，求得该工况点的效率修正值为% 2.4=∆ϕη，该工况点原型水轮机效率为=η87.2%+2.4 %=89.6%与假定的89.7%相近。

可见选用m D 75.21=，n=250r/min 是合适的。

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H H 和选定的直径H 1计算水轮机以额定出力工作时的最大单位流量H 1HHH ‘=H 12H H
=
13158
2×31.35×√31.35×0.896
=1.13H 3/H
则水轮机的最大引用流量为
H HHH =H 1HHH ′H 12√H H =1.13×2.752×√31.35=47.85H 3/H
（2）按最大水头H HHH ，最小水头H HHH 以及选定的H 1,n 分别计
算出最小和最大单位转速H 1HHH ′和H 1HHH ′.
H 1HHH ′=1
H =
√39
=110.09 r/min
H 1HHH ′=
1√H =
√28
=129.93 r/min
H 1H ′=H
=
√31.35
=122.79 r/min
将上述值在ZZ440水轮机模型综合特性曲线上标出，如图中的阴影部分既是水轮机的工作范围。

可见，工作范围仅部分包含了该特性曲线的高效率区。

图2-2 ZZ440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
用水轮机设计工况点H1H′=122.79r/min，H1HHH
‘=1130H3/H在图3-22上可查空蚀系数σ=0.38。

则对应的水轮机的吸出高度为
H H=10−?
900
−(H+?H)H=
10−440.6
900
−(0.38+0.04)×31.35=−3.66H>−4.0H
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
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H H
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H H 。

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H 1H ′=1.24m 3
/s ，效率H H =90.4%，由此可以初步假定原水轮机的单位流量H 1′=H 1H
′=1.24m 3/s, 效率H H =92%.水轮机额定水头 H H =0.95H H =0.95 33.0=31.35m
H 1=
√
H 9.81×H ×H 1′H H
32
式中：H 1——水轮机标称直径
H 1′——水轮机单位流量 查得H 1
′=1240L/s=1.24s m /3 H H ——设计水头 H H =31.35m
H H —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H H =0.92～0.95
H H =H H /H H =25000/4/0.95=6579kW
代入式中得H 1=
√H H
9.81×H ×H 1
′×H H
3
2
=√
9.81×0.92×1.24×31.3532
=1.83m,根据上式计
算出的转轮直径183cm ，查表3—12水轮机转轮标称直径系列，选用相近而偏大的标准直径H 1=200cm 2.转速计算
n=H 1′√H H 1
=
72×√33200
=206.8r/min
式中H 1′——单位转速采用最优单位转速H 1′
=72r/min
H ——采用设计水头33.00m
D 1——采用选用的标准直径D 1=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/min 3.效率及单位参数修正
(1）效率修正。

查表3—9可得HL240型水轮机在最优工况下的模型最高效率H HHHH =92.0%,模型转轮直径H 1H =46cm,则原型水轮机最高效率
H HHH =1−（1−H HHHH ）√H 1H
H 1
5=1-(1-0.92)√46
2005=0.940
效率修正值
Δη=H HHH −H HHHH −H 1−H 2=0.944-0.92-0.01=0.01 式中:1 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H 1=
1%～2%；H 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H 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H 2=0。

限制工况下的原型水轮机效率：
η=H H +ΔH =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H 1适合。

(2) 单位转速修正。

单位转速修正计算公示如下
ΔH 1′=H 10′-H 10H ′
H 10′=H 10H ′
√H HHH /H HHHH
式中：H10′为原型水轮机最优单位转速，r/min；H10H
′为模型水轮机最优单位转速，r/min；H HHHH为最优工况下的模型水轮机的效率，查表得H HHHH=92%；H HHH为最优工况下的原型水轮机的效率，
H HHH=H HHHH+ΔH =0.92+0.010=0.930
由上两式得
ΔH1′H10H =(√H HHH
H HHHH
−1)=(√0.930
0.92
−1)=0.54%
因ΔH1′<0.03H10H
′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H H和选定的直径H1计算水轮机以额定出力工作时的最大单位流量H1HHH
‘。

由水轮机的额定出力H H的表达式
H H=9.81H1′H12H H√H H H
导出最大单位流量H1HHH
‘计算式
H 1HHH ′=H
9.81H 1
2H
H H
=9.81×2.02×31.35×√31.35×0.914
=
=1.045H 3/H <1.24H 3/H (限制工况下的'
1Q )
则水轮机的最大引用流量为
H HHH =H 1HHH ′H 12√H H =1.045×2.02×√31.35=23.4H 3/H
(2)按最大水头H HHH ，最小水头H HHH 以及选定的H 1,n 分别计算
出最小和最大单位转速H 1HHH ′和H 1HHH ′
.
H 1HHH ′=1
√H =√39=68.63 r/min H 1HHH ′=1
H
=
√28
=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H 1HHH ′、
H 1HHH ′和H 1HHH ′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H 1、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：H 1HHH ′ =
√H
=76.55r/min, H 1HHH ′=1045L/s ，查图3-21得σ=0.195，在空化系数修正曲线中查得
?σ=0.035。

则吸出高度为
H H=10-440.6
-（0.195+0.035)×31.35=2.30(m）＞-4.0m
900
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28.00—39.00m，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H0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270°～345°，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：H H
H1
=1.55～1.64
座环固定导叶内径相对值：H H
H1
=1.33～1.37
式中：H1为水轮机的标称直径，m。

当H1<3.2H时，上两式取上限值；因为H1=2.75m<3.2m；故H H=1.64×2.75=4.51m，H H=1.37×
2.75=
3.77m
2.任意断面i的断面尺寸：
断面半径：
H H=√H H
HH0=√
HH H
360°HH0
断面中心距：
H H=H H+H H
断面外半径：
H H=H H+2H H
则第i+1断面的包角为
H H+1=H H−?H，（H=0,1,2,3??）式中：?H为包角增量，一般取?H=15°或30°
蜗壳进口断面平均流速：
H0=H H√H H，H H =31.35m,根据图2-6，查得H H=0.9，则
H0=0.9×√31.35=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（H1<H2，H1为转轮进口直径，H2为转轮出口直径），h≥2.6H1,取h=2.6H1=2.6×2.75=7.15m。

2肘管型式
查动力设备设计手册，得
3.尾水管示意图
五、发电机外形尺寸
5.1发电机型式的选择
水轮发电机的结构型式主要取决于水轮机的型式和转速，同时要兼顾厂房的布置要求，本设计水轮机的额定转速n=150r/min≥150r/min,故采用悬式水轮发电机。

5.2水轮发电机的结构尺寸
（1）极距
τ=H1√HH
2H =
410×√12500
2×20
4=42cm
式中H1---系数，H1=9.0～12.5（中容量）或8.3～10.7（大容量，高速的取上限）
Sn---水轮发电机额定视在功率（kw） p----磁极对数。

（2）定子铁芯内径H H（cm）的确定
H H=2HH
H =2×20×42.04
3.14
=535.5 cm
（3）定子铁芯长度H H（cm）的计算
H H=
H H
HH H H H
=
12500
5×10−6×535.52×150
=0.581H=58.1HH
（4）外形尺寸估算
（5）水轮发电机重量估算
发电机重量H H 可按下式估算：
H H =
H H √(HH
H H
)2
3
=10×√（12500
150）2
3
=190.8t
H H ---估算系数，悬式取8～10。

转子带轴重量H H 为
H H =(0.44～0.55)H H =0.5×190.8=95.4H
（6）起重设备的选择
根据转子带轴的重量为95.4t ，选择起重设备具体选择见下表。

六、厂房尺寸确定 6.1主厂房长度的确定
主厂房的长度由主机间和安装间的长度确定，而主机间的长度则主要取决于机组台数、机组段的长度和边机组的加长，因此，主厂房的长度L 可以表达为
L =n H 0+?H 边+H 安
式中：n为机组台数；H0为机组段长度；?H边为边机组段加长；H安为安装间长度。

1. 发电机层
机组段长度H0=H风+H=?3+2H+H
式中：H风为发电机风罩外缘直径；?3为发电机风罩内径；H为风罩壁厚,一般为0.3～0.4m,取0.3m；H为相邻两风罩外缘之间通道的宽度，一般取1.5～2.0m,取2m。

则
H0=8.76+2×0.3+2=11.36m
2. 蜗壳层
机组段长度H0=H H+2?H
式中：H H为蜗壳在厂房纵向的最大尺寸；?H为蜗壳混凝土厚度，对于金属蜗壳，应满足蜗壳安装所需要的空间要求，最小空间尺寸不宜小于0.8m，取0.8m。

则
H0=5.62+4.58+2×0.8=11.8m
3. 尾水管层
机组段长度H0=H H+2?H
式中：H H为尾水管的宽度；?H为尾水管边墩的混凝土厚度，至少取0.8～1.0m，大型机组可达2m。

则
H0=7.48+2×0.8=9.08m
取三者中的最大值，即机组段长度H0=11.8m
4. 边机组段加长?H边
?H边=（0.1～1.0）H1
式中：H1为水轮机的标称直径，该设计安装间在厂房的右端，则取大值?H边=1.0×2.75=2.75m
5. 安装间长度
H安=（1.25～1.5）H0
因发电机为悬式发电机，则取小值H安=1.25×11.8=14.75m
综上所述，主厂房的长度
L=n H0+?H边+H安=2×11.8+2.75+14.75=41.4H
6.2主厂房的宽度
发电机层：H H=H风
2
+H H
H H=H风
2
+H H
H H、H H分别为发电机层风罩外缘至上游侧墙、下游侧墙的宽度
H H=H风
2
+H H=
8.76
2
+5=9.38H
H H=H风
2
+H H=
8.76
2
+3=7.38H
水轮机层：水轮机层一般上下游侧分别布置水轮机辅助设备（即油、水、气管路等）和发电机辅助设备（电流、电压互感器、电缆等）。

这些设备布置一般靠墙、风罩壁布置或在顶板布置，不影响水轮机层交通，因此对厂房的宽度影响不大。

蜗壳层：
H H=H HH+?H+H H
H H=H HH+?H
H HH、H HH分别为蜗壳在厂房横向上游侧、下游侧的最大尺寸；?H 为蜗壳外围的混凝土结构厚度，取1m；H H为主阀室宽度，取4m。

H H=H HH+?H+H H=3.83+1+4=8.83H
H H=H HH+?H=5.15+1=6.15m
厂房的上游侧宽度和下游侧宽度应取各层上、下游侧宽度的最大值，即
H H=max?(H H)
H H=max?(H H)
则主厂房总宽度
B=H H+H H=9.38+7.38=16.76m
6.3主厂房各层高程的确定
1.水轮机安装高程
由于本设计选择混流HL240，H HHH=46.62H3/H，根据下表确定设计尾水位的水轮机过流量。

确定设计尾水位的水轮机过流量
Q=50%×46.62=23.31H3/H
根据所给资料中流量与下游水位的关系可得，设计尾水位?H=431.21H。

则立轴混流式水轮机的安装高程
H H =?H +H H +H 02=431.21+2.30+0.365×2.752
=434.01H 2. 主阀室地板高程?H
?H =H H −H 2
−H 1 式中：D 为压力管道直径；H 1为人的高度1.8～2.0m ；
压力管道直径(彭德舒公式得)D =√5.2H HHH
3H H 7=√5.2×46.62331.357=4.01m
?H =H H −
H 2−H 1=434.01−4.012−2=430.1m 3. 尾水管底板高程?HH
?HH =H H −H 02−H 2
式中：H 2包括尾水管高度和尾水管顶部至导叶底部的高度。

?HH =H H −H 02−H 2=434.01−0.365×2.752−(0.44+1.63+3.71)=427.73H
4. 主厂房基础开挖高程?H
?H =?HH −?H
式中：?H 为尾水管底板混凝土厚度，?H 应根据地基性质、电站大小和尾水管结构形式而定，初设阶段，小型电站或岩质基础取1～2m ；大中型电站或土基取3～4m 。

本次设计为岩质基础取2m 。

?H=?HH−?H=427.73−2=425.73H
5.水轮机层地面高程?HH
?HH=H H+H+H3
式中：ρ ----蜗壳从安装高程向上的最大尺寸,对于金属蜗壳，为其进口尺寸；H3----蜗壳顶部混凝土层厚度,初设阶段可根据国内外已建电站的经验采用，一般至少取0.8～1.0m,此设计取为1m
?HH=H H+H+H3=434.01+1.69+1=436.7m
6. 发电机装置高程?HH
?HH=?HH+H4+H5
式中：H4 ----进人孔高度取2m；
H5 ----进人孔顶部厚度取1m
?HH=?HH+H4+H5=436.7+2+1=439.7H
7.发电机层地面高程?HH
采用定子埋入式
?HH=?HH+H7
式中：H7 ----定子高度
?HH=?HH+H7=439.7+1.42=441.12H
8. 安装间地面高程?H
?H=?HH=441.12H
9. 桥吊梁轨顶高程?H
?H=?HH+H9+H10+H11+H12+H13
式中：H9 ----采用定子埋入式布置，为上机架的高度；H10 ----吊运部件与固定的机组或设备间的垂直净距，取为1m；H11 ---最大吊运部件的高度,H12 ---吊运部件与吊钩间的距离，取为0.8m；H13--主钩最高位置（上极限位置）至轨顶面距离1.84m。

?H=?HH+H9+H10+H11+H12+H13
=441.12+1.34+1+8.2+0.8+1.84=454.3H
10. 梁底高程?HH
?HH=?H+H14+H15
式中：H14 ---起重机轨顶至小车顶面的净空尺寸，此处取3.7m；
H15 --小车顶面与屋面大梁或屋架下弦底面的净距，一般取0.5m。

?HH=?H+H14+H15=454.3+3.7+0.5=458.5H
11. 厂房顶高程?HH
?HH=?HH+H16
式中：H16 ---屋面大梁的宽度、屋面板的厚度、屋面保温防水层的厚度之和，取0.5m。

?HH=?HH+H16=458.5+0.5=459.0m
第二部分吊车梁设计
七、吊车梁截面形式
此电站单机容量为12500KW，电站厂房吊车梁为两跨连续梁，总厂房长度为41.4m,设置6根连续梁。

跨长为6.9米,梁的截面形式为T型，其截面尺寸如图1-1所示。

吊车跨度H H=16H，根据最大起重重量H1=95.4H，选用100t双钩双小车桥式起重机。

吊车其他数据为：吊车主钩极限位置H1=1.1H，吊车重H2=94H，单个小车重H3=19H，吊车两边轮数m=2，吊车轨道及埋件600N/m。

1.高度：根据T型梁截面混凝土梁的截面一般为跨度的1/5～1/8，即为6900/5～6900/8，即1380～86
2.5，取h=1000mm。

2.梁肋宽:梁肋宽为梁高的1/2～1/3，即500～333，取b=500mm。

3.翼板厚度:翼板厚度常为梁高的1/7～1/10，但不小于100mm，取为150mm。

4.翼板宽度除考虑受力要求外，还应有足够尺寸以布置钢轨及埋件钢轨附件，一般不小于350mm，在梁端部,肋宽宜适当加大，以利于主筋的锚固。

这里取800mm。

5.设计原则及混凝土强度等级、钢筋型号按《混凝土结构设计规范（SL191-2008）》。

吊车梁混凝土标号为C40，纵筋采用HRB335，箍筋为HPB235。

八、吊车梁荷载计算
8.1均布恒荷载q
取单位长度为1m计算：
1.吊车梁自重：H1=(0.8×0.15+0.85×0.4)×25×103=1.15×104H/ H
2.埋件重H2=600N/m
3.均布荷载: q=H1+H2=12.1HH/H
8.2垂直最大轮压
q=61.5×104H/H
九、吊车梁内力计算
9.1弯矩计算
从?水工钢筋混凝土结构学?附录九表中查得H H,根据H
H =4.4
6.9
=0.638，
H H=H H HH2+H H HH
=H H×12.1×103×6.92+H H×61.5×104×6.9 =576081H H+4243500H H
H H,H H的取值见表9-1
9.2剪力计算
根据H
H =4.4
6.9
=0.638?水工钢筋混凝土结构学?
附录八、附录九表中查得H0=H H=1.16,H5=0.31,H10左=1.29，
H H=1.35
H0=0.375HH+H0H=0.375×12.1×103×6.9+1.16×61.5×104 =744709H
H5=H5H−0.125HH=0.31×61.5×104−0.125×12.1×6.9×103 =180214H
H10左=−0.625HH−H10左H
=−0.625×12.1×6.9×103−1.29×61.5×104=−845531H
H10右=0.625HH+H10左H
=0.625×12.1×6.9×103+1.29×61.5×104=845531H
H H=0.375HH+H0H=0.375×12.1×103×6.9+1.16×61.5×104
=744709H
H H=1.25HH+H H H=1.25×12.1×103×6.9+1.35×61.5×104
=934613H
十、吊车梁正截面及斜截面抗剪强度计算
10.1吊车梁正截面承载力计算
10.1.1 确定翼板计算宽度
受拉钢筋估计为双层钢筋，取a=70mm,则H0=H−H=1000−70=930HH,按表3-2（《水工钢筋混凝土结构学》）计算翼缘宽度：
H H′=150HH,H H′
H0=150
930
=0.161>0.1,独立H形梁，所以
H H′=H0
3
=
6900
3
=2300HH
H H′=H+12H H′=400+12×150=2200HH
上述两值均大于翼缘实有宽度（800mm），故H H′=800HH 10.1.2.鉴别T形梁所属情况
按下式鉴别T形梁所属情况
KM=1.2×916.2=1099.44kN/m
H H H H′H H′(H0−H H′
2
)=19.1×800×150×(930−
150
2
)
=1959.66HH/H
KM<H H H H′H H′(H0−H H′2
)
所以属于第一种T形截面（x≤H H′）,按宽度为800mm的单筋矩形截面计算。

10.1.3计算H H
H H=
HH
H H H H′H
2
=
1099.44×106
19.1×800×9302
=0.083
ξ=1−√1−2H H=1−√1−2×0.083=0.087<0.85H H=0.468
H H=H H H H′HH0
H H
=
19.1×800×0.0087×930
300
=4121HH2
ρ=H H
HH0=4121
400×930
=1.12%>H HHH=0.20%,满足要求
选用5B22+5B25（H H=4354HH2）
支座B：按宽度为b的矩形截面积算（上侧受拉，下侧受压）
H H=
HH
H H H H′H
2
=
1.2×585×106
19.1×400×9302
=0.106
ξ=1−√12H H=1−√1−2×0.106=0.113<0.85H H=0.468
H H=H H H H′HH0
H H
=
19.1×400×0.113×930
300
=2676HH2
ρ=H H
HH0=2676
400×930
=0.72%>H HHH=0.20%,满足要求
选用5B28（H H=3079HH2）
10.2斜截面抗剪强度计算
10.2.1 T型梁截面尺寸验算
H H=1000−70−150=780HH
H H H =
780
400
=1.95<4.0
由下式可得
0.25H H HH0=0.25×19.1×400×930=1776.3HH
>HH=1.2×774709=893.7HH
满足截面抗剪要求。

以支座边缘截面为验算截面：
H H=0.7H H HH0=0.7×1.71×400×930=445.3HH<HH
=893.7HH
根据KV=H H+H HH的条件，由下式得
H HH H =
HH−0.7H H HH0
1.25H HH H0
=
893.7×103−445.3×103
1.25×210×930
=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H H=314HH2
S=3.14
1.84
=170HH,取H=150HH<H HHH=250HH 箍筋最小配筋率复核
H HH=H HH
HH
=
314
400×150
=0.52%>H HH HHH=0.12%
十一、挠度计算
钢筋的弹性模量:
H H=2.0×105H/HH2 C40砼的弹性模量：
H H=3.25×104H/HH2
H H=H H
H H
=
2.0×105
3.25×104
=6.15
ρ=
H H
HH0
=
4354
400×930
=1.17%
γ=(H H ′−H )H H
′HH 0=(800−400)×150400×930
=0.161 对直接承受重复荷载φ=1.0
H H =H H H H H 021.15H +0.2+6H H H 1+2H =2×105×4354×93021.15+0.2+6×6.15×1.17%1+2×0.161
=5.58×1014H ?HH 2
由表计算可知4截面长期荷载产生的弯矩H H =4.03×
104H ?H ,H H =8.76×105H ?H .但不考虑动力系数，即：
H H =8.761.1
×105=7.96×105H ?H M =H H +H H =7.96×105+4.03×104=8.36×105H ?H
受压钢筋，实际配筋5B28（H H ′=3079HH 2）
H ′=H H ′HH 0=3079400×930
=0.0083=0.83% θ=2.0−0.4H ′H =2.0−0.4×0.00830.017
=1.8 故H H =H H H H H (−1)+H =5.65×1014×8.36×1054.03×104×(1.8−1)+8.76×105=
5.20×1014H /HH 2
根据H H =4.46.9=0.683，查得H 2=0.0012,在不考虑动力系数1.1时最大轮压力P=61.5×1041.1=55.9×104H
求得最大挠度
H HHHH=
5
384
×
12.1×6.94×102
5.20×1014
+0.0112×
55.9×104×6.93×109
5.20×1014
=4.64HH<[H HHHH]=H600
⁄=11.5HH
十二、裂缝宽度验算
H HH=
H H
0.87H0H H
=
916.2×106
0.87×930×44354
=260H/HH2
H HH=
H H
H HH
=
H H
2HH
=
4354
2×70×400
=0.078>0.03
ψ=1−1.1
H HH
H HH H HH
=1−1.1×
2.39
0.078×260
=0.87
带肋钢筋ν=1，因20mm<c<65mm,则
H HH=(2.2H+0.09
H
H HH
)ν=(2.2×35+0.09×
26
0.078
)×1=107HH
受弯构件H HH=1.90
H HHH=H HHψH HH−H0
H H
H HH=1.90×0.87×
260
2×105
×107
=0.23HH<H HHH=0.30HH 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.。