水电站课程设计计算说明书

水电站厂房设计说明书

(MY 水电站)

1.绘制蜗壳单线图

蜗壳的型式

水轮机的设计头头H p =46.2m>40m ，水轮机的型式为HL220-LJ-225，可知本水电站采用混流式水轮机，转轮型号为220，立轴，金属蜗壳，标称直径D 1=225cm=2.25m 。 蜗壳主要参数的选择[1]

金属蜗壳为圆断面，由于其过流量较小，蜗壳的外形尺寸对水电站厂房的尺寸和造价影响不大，因此为了获得良好的水力性能一般采用0ϕ= 340°～350°。本设计采用0ϕ = 345°，通过计算得出通过蜗壳进口断面的流量Q c ，计算如下：

①单机容量：60000KW

15000KW 4

N f =

=，选取发电机效率为f η=，这样可求得 水轮机的额定出力：1500015625KW 0.96N f

N r f

η=== ②设计水头：H p =H r =46.2m ，D 1=2.25m 由此查表得：η=

13

1150L/s 1.15m /s 1

Q ==水轮机以额定出力工作时的最大单位流量： 15625

1

3

1.11 1.15m /s 1max

3

3

229.819.812.2546.20.91

221N r

Q D H r η

==

=<⨯⨯⨯

③水轮机最大引用流量：

123

1.11

2.2538.2m /s max 1max 1

Q Q D ==⨯= ④蜗壳进口断面流量：3453

max 38.236.61m /s 0360360

Q Q c ϕ==⨯=o o o 根据《水力机械》第二版中图4-30可查得设计水头为46.2m<60m 时蜗壳断面平均流速

为V c =5.6 m/s 。

由附表5可查得：座环外直径D a =3850mm ，内直径D b =3250mm ，；座环外半径r a =1925mm ，座环内半径r b =1625mm 。

座环示意图如图一所示：

蜗壳的水力计算

1.3.1对于蜗壳进口断面 断面的面积：20max m 537.63606.5345

2.38360=︒

⨯︒⨯=︒==

c c c c V Q V Q F ϕ 断面的半径：m 443.16

.53603452.383600max max =⨯⨯︒︒

⨯=

=

=

︒ππϕπ

ρc

c

V Q F

从轴中心线到蜗壳外缘的半径：2 1.9252 1.443 4.811m max max R r a ρ=+=+⨯=

1.3.2对于中间任一断面

设为从蜗壳鼻端起算至计算面i 处的包角，则该断面处

max 360i

i Q Q ϕ=

o

，i ρ=2i a i R r ρ=+ 其中：3max 38.2m /s Q =， 5.6m /s c V =，1925mm 1.925m a r ==。

表一 金属蜗壳圆形断面计算表

座环尺寸(mm) 比例：1：100

1.3.3 蜗壳断面为椭圆形的计算

对于中间任一断面（依据《水力机械》以及《水电站机电设计手册》（水力机械）），当圆形断面半径S ρ<时，蜗壳的圆形断面就不能与座环蝶形边相切这时就改成椭圆形断面。则由椭圆断面过渡到圆形断面时的临界角t ϕ计算如下：当S ρ=时，

0;

a b r r R ---固定导叶外切圆半径;蝶形边锥角顶点所在半径;座环蝶形边半径

;

h α-o 蝶形边至导水机构水平中心线高度;-蝶形边锥角,一般为55;;a X ρ---蜗壳圆形断面的半径蜗壳断面至座环中心线的

距离座环蝶形边外缘至蜗壳断面垂直中心线的距离

如上图所示，由《水电站动力设备设计手册》查得：蝶形边高度可近似地定为

0.250.252.25010.10.10.1 2.250.506m 11222

b D h D D ⨯=+=+=+⨯= 0.506

0.882m cos cos55

h S α=

==，α为座环蝶形边锥角，一般取55°。 临界值S =0.882m 。

由圆形断面ϕ=3450， 1.443m ρ=得

1062.2C

由此得临界角()(151C r i a i ϕρ︒=+-=︒

结合可知，当断面包角在0～151°的时候S ρ<，取椭圆断面。

椭圆短半径 1.3452L ρ，22

tan A d i πρα=+，

椭圆长半径()1cot 12L ρρα=+-

ϕρ=

+i

i C

椭圆断面中心距 1.22a r i a i ρ=+ d=r a -r b 椭圆断面外半径2ρ=+i a i R r 0.5060.506

0.618m sin sin550.819

h L α=

===︒ 计算结果见下表二：

表二 金属蜗壳椭圆形断面计算表

根据计算结果，画蜗壳单线图，如下图所示，比例为1:80，单位为mm 。

2.尾水管单线图的绘制

根据已知的资料及下图，得此水电站尾水管对应的尺寸如表三：

5

尾水管单位参数示意图（5-1）

尾水管单位参数示意图（5-1）

表三 蜗壳尾水管尺寸

图二 蜗壳单线图

根据资料，选取的是弯肘型尾水管。弯肘型尾水管是由进口直锥段、肘管和出口扩散管三部分组成。 进口直锥段

进口直锥管是一垂直的圆锥形扩散观，D 3为直锥管的进口直径：对混流式水轮机由于直锥管与基础环相连接，可取D 3和转轮出口直径D 2相等；对于混流式水轮机，其锥管的单边扩散角θ可取7°～ 9°；h 3为直锥管的高度，增大h 3可减小肘管的入口流速，减小水头损失。

进口锥管高度： 5.625 3.431 2.194m 323h H H =-=-= 进口锥管上下直径： 2.507m, 3.114m 3142D D φφ====

肘管

肘管是一90°变截面弯管,其进口为圆断面，出口为矩形断面。水流在肘管中由于转弯受到离心力的作用，使得压力和流速的分布很不均匀，而在转弯后流向水平段时又形成了扩散，因而在肘管中产生了较大的水力损失。影响这种损失的最主要因素是转弯的曲率半径和肘管的断面变化规律，曲率半径越小则产生的离心力越大，一般推荐使用的合理半径R =~D 4，外壁R 6用上限，内壁R 7用下限。

64741.0 3.114m,0.60.6 3.114 1.868m R D R D =⨯==⨯=⨯=。

为了减少水流在转弯处的脱流及涡流损失，因此将肘管出口作成收缩断面，并使断面的高度缩小宽度增大，高宽比约为，肘管进、出口面积比约在左右。

肘管出口断面高度：h 6=H l =1.789m 肘管出口断面宽度：B 6=B 5=7.988m 出口扩散段

出口扩散段是一水平放置断面为矩形的扩散段，其出口宽度一般与肘管出口宽度相等；其顶板向上倾斜，根据其出口宽度并不是很大，所以不用加设中间支墩。仰角α =°， 长度：L 1=3.161m ，L 2=6.041m ，L =9.202m 尾水段的高度

尾水管的总高度h 和总长度L 是影响尾水管性能的重要因素。总高度h 是由导叶底环平面到尾水管之间的垂直高度。对于混流式水轮机由于直锥管环相连接，可取D 3 = D 2 = 2.507m 。D 1=2.25m

增大尾水管的高度h ，对减小水力损失和提高ηω是有利的。但对混流式水轮机尾水管中产生的真空涡带在严重的情况下不仅影响机组的运行而且还会延伸到尾水管地板引起机组和厂房的振动，为了改善这一情况也常采取增大尾水管高度的办法，但将会加深厂房的开挖量，从而引起工程投资的增加。经过试验，一般对于高比转速混流式水轮机取16.2D h ≥。h =6.593m>=5.85m ，故满足要求。

对于总长度L ，通常取L =~D 1=~10.125m ，L =9.203m 。所以总长度也满足要求。 尾水管单线图

根据以上的数据绘制单线图如下图三。