水电站厂房课程设计计算书1

⽔电站⼚房课程设计计算书1
⽔电站⼚房课程设计说明书
1 绘制蜗壳单线图
1.1蜗壳的型式：
⾸先，本⽔电站⽔轮机的最⼤⼯作⽔头80.440＞=m H m m ，应采⽤⾦属蜗壳；其次，由⽔轮机的型号HL220—LJ —120，可知本⽔电站采⽤⾦属蜗壳。

1.2蜗壳主要参数的选择
⾦属蜗壳的断⾯形状为圆形
为了获得良好的⽔⼒性能，圆形断⾯⾦属蜗壳的包⾓⼀般取φ0 =345°（P98）。

由基本资料可知: 3max 12.03m /s =Q 蜗壳进⼝断⾯流量max
0360
=
c Q Q 3345
12.0311.53/360
=
=c Q m s 。

由图4—30（P99）查得蜗壳进⼝断⾯平均流速 6.6/=c V m s 。

1.3座环尺⼨
查⾦属蜗壳座环尺⼨系列表可知，表中最⼩转轮直径为1800mm 。

对表中数据进⾏分析，发现转轮直径和座环内外径成线性关系，利⽤excel 拟合直线，求出
17.3074983.11+=D D a ， 54.1852938.11+=D D b 。

当11200=D mm 时
mm D a 2105=，mm D b 1738=，则mm r a 5.1052=，mm
r b 869=。

其中：b D —座环内径；a D —座环外径；b r —座环内半径；a r —座环外半径。

座环⽰意图如下图所⽰
座环尺⼨（单位：mm ），⽐例1:100
1.4蜗壳的⽔⼒计算
1.4.1对于蜗壳进⼝断⾯（P100）
断⾯⾯积20max 34512.03 1.75360360 6.6
=
===?c c c c Q Q F m V V
断⾯的半径0max
max 0.746360360 6.6ρπ
π
=
=
=
=c m V 。

从轴中⼼线到蜗壳外缘的半径：max max 2 1.052520.746 2.545ρ=+=+?=a R r m 。

1.4.2对于断⾯形状为圆形的任⼀断⾯的计算
设i ?为从蜗壳⿐端起算⾄计算⾯i 处的包⾓，则该计算断⾯处的max 360
i
i
Q Q ?=
2i a i R r ρ=+。

其中：3max 12.03/=Q m s ， 6.6/=c V m s ， 1052.5 1.0525==a r mm m 。

表１—１
根据计算结果表１－１，画蜗壳单线图，如下图所⽰:
蜗壳单线图（单位：m ）⽐例1:50
2 尾⽔管单线图的绘制
为了减少尾⽔管的开挖深度，采⽤弯肘形尾⽔管，由进⼝直锥段、肘管和出⼝扩散段三部分组成。

由以下公式:
1
958.022000038.096.0100038.096.0121<=?+=+=s n D D
可得12 1.2
1.2530.9580.958
=
==D D m 当混流式⽔轮机出⼝直径21＞D D 时，由《⽔利机械》（第⼆版）表4-17知，当1=1D m 时
当1=1.2D m 时,乘以直径数即得所需尾⽔管尺⼨。

2.1进⼝直锥段
2.1.1导叶底环⾄转轮出⼝⾼度
m D n h s 2028.02.1)117.02200013.0()117.00013.0(11=?-?=-=
2.2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的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率越⼤，⼀般推荐使⽤的合理半径4(0.6~1.0)R D =，外壁6R ⽤上限，内壁7R ⽤下限。

则64741.0 1.62,0.60.6 1.620.972=?==?=?=R D m R D m 。

2.3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，
长度()()1123~2216.3D m L L L ∈=-=
仰⾓()() 13~1049.11265∈=-=L h h arctg α
因为出⼝宽度m m B 10264.35<=，所以尾⽔管出⼝扩散段之间不设中间⽀墩。

2.4尾⽔段的⾼度
总⾼度h 是由导叶底环平⾯到尾⽔管之间的垂直⾼度。

因为D1
⽐速混流式⽔轮机。

增⼤尾⽔管的⾼度h ，对减⼩⽔⼒损失和提⾼ωη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，常采取增⼤尾⽔管⾼度的办法，但将会增⼤开挖量，从⽽引起⼯程投资的增加，经过试验，⼀般对于⾼⽐速取12.6h D ≥。

因此，m D m h 12.36.212.31=≥=,满⾜要求。

()15.4~5.34.5D L ∈=,满⾜要求。

2.5尾⽔管单线图
根据以上的数据绘制单线图
3 拟定转轮流道尺⼨
根据⽔电站动⼒设备设计⼿册中混流式⽔轮机转轮流道尺⼨表，已知转轮型号为HL220型的尺⼨如下：
当
1=1
D m时，转轮流道尺⼨如图所⽰：
转轮流道尺⼨（1=1D m ）（单位：mm ）⽐例1:10
当1=1.2D m 时，转轮流道尺⼨在上图各数据基础上乘1.2即可。

4 ⼚房起重设备的设计
⽔电站⼚房内桥式起重机的容量⼤⼩通常取决于起吊最重件(发电机转⼦带轴重)的重量，其跨度决定于桥式起重机标准系列尺⼨，起重机台数取决于机组台数的多少，⼤⼩和机组安装检修⽅式。

⽔轮发电机重量估算
由于发电机型号为SF630-12/2600得出该⽔轮机为⽴式空⽓冷却的⽔轮发电机，额定容量为6300kV A ，发电机极数为12，定⼦铁芯外径a D 为2600mm 。

查⽔轮发电机的标准额定转速与极数对照表，122=p ，得出min /500r n e =。

由机电设计⼿册得出：
K cm τ=== 定⼦铁芯内径2183.1i p
D cm τπ
=
=
定⼦铁芯长度262
6300
93.96410183.1500
f t i e S l cm CD n -===（当f S ＜10000kV A 时，C 取6410-?）。

⽔轮发电机重量估算：（⼤于150/min r 的⾼转速机组多半采⽤悬式⽀承⽅式）⽔轮发电机总重量：2
31(
)=f f e
S G K n
式中： f G ——发电机总重量（t ）； f S ——发电机额定容量（kW ）；
e n ——额定转速（/min r ）；
1K ——系数，对于悬式发电机取18~10=K ，这⾥取19=K 。

代⼊数据得：23
63009()48.73500
f
G t =?=
发电机转⼦带轴重：0.524.4==z f G G t 。

显然，根据起重量系列GB783-65，且机组
台数3=n ，故选1台单⼩车桥式起重机，型号为t 125/630。

查⽔电站动⼒设备设计⼿册中⽔电站⼤吨位单⼩车桥机主要参数，其具体数据如下：
取跨度：16L m =；起重机最⼤轮压：35.9T ；起重机总重：77.3T ；⼩车轨距：4400T L mm =；⼩车轮距：2900T K mm =；⼤车轮距；6250K mm =；
⼤梁底⾯⾄轨道⾯距离：130F mm =；起重机最⼤宽度：8616B mm =；轨道中⼼⾄起重机外端距离：1400B mm =；轨道中⼼⾄起重机顶端距离：3692H mm =；主钩⾄轨⾯距离：1474h mm =；
吊钩⾄轨道中⼼距离（主）：122655,1900L mm L mm ==；
副吊钩⾄轨道中⼼距离：341300,2355L mm L mm ==；轨道型号：100QU 。

⼚房轮廓尺⼨
5.1主⼚房总长度的确定：
⼚房总长度取决于机组段的长度、机组台数和装配场长度。

主⼚房的总长度：12=++?L nL L L 。

其中n 为机组台数，1L 为机组段长度， 2L 为装配⼚长度，L ?为端机组段附加长
度。

机组段的长度1L 按下式计算：1x x L L L +-=+。

其中，+x L 和-x L 分别为机组段+x 与
-x ⽅向的最⼤长度。

+x L 和-x L 可⽤表12-1中公式按蜗壳层、尾⽔管层和发电机层分别
计算，然后取其中的最⼤值。

（１）蜗壳层：11222.544, 1.5, 2.084δδ====R m m R m
11 4.044δ+=+=x L R m
22 3.584δ-=+=x L R m
则1 4.044 3.5847.628+-=+=+=x x L L L m 。

（2）尾⽔管层：523.264, 1.5δ===B B m m 2 3.264 1.5 3.13222
δ+-==
+=+=x x B L L m 则1 3.132 3.132 6.264+-=+=+=x x L L L m 。

（3）发电机层：
查《⽔电站机电设计⼿册》可知：当500/min ≥e n r 时，定⼦机座外径
1.30=j a D D ；当20000≤f S kVA 时，发电机风罩内径21
2.0=+D D m .⽽由发电机型号
63012/2600-SF 可知，定⼦铁芯外径2600 2.6==a D mm m ，则
发电机风罩内径3 1.30 2.6 2.0 5.38φ=?+=m
由于⼀般取发电机风罩壁厚m 4.0~3.03=δ，这⾥取30.3δ=m ；两台机组之间风罩外壁净距⼀般取1.52m ，此处取2m 。

3
3 5.3820.3 3.992222
φδ+-==
++=++=x x b L L m 则17.98+-=+=x x L L L m 。

由以上计算的各层1L ，其中发电机层1L 最⼤为7.98m ，故取17.98=L m 。

其中:1R ——蜗壳x +⽅向最⼤平⾯尺⼨；
2R ——蜗壳x -⽅向最⼤平⾯尺⼨；
1δ——蜗壳层外部混凝⼟厚度，初步设计时取1.2~1.5m ，此处取1.5m ； B ——尾⽔管宽度（已知资料）
； 2δ——尾⽔管边墩混凝⼟厚度，⼀般取1.5~2.0m ； 3φ——发电机风罩内径；
3δ——发电机风罩壁厚，⼀般取0.3~0.4m ；
b ——两台机组之间风罩外壁静距，⼀般取1.5~2m ，如设楼梯取3~4m 。

5.1.2端机组段长度的确定
取10.20.2 1.20.24?==?=L D m （附加长度1(0.1~1.0)?=L D ），其中：?L ——安全裕量，采⽤⼀台起重机吊装发电机转⼦时取0.2~0.3。

217.980.248.22=+?=+=L L L m
5.1.3安装⼚尺⼨确定
装配⼚与主机室宽度相等，以便利⽤起重机沿主⼚房纵向运⾏。

装配⼚长度⼀般约为
机组段1L 的1.0~1.5倍。

对于混流式和悬式发电机采⽤偏⼩值，因此取1.2。

311.2 1.27.989.576==?=L L m 。

以机组中⼼线为界，⼚房宽度B 可分为上游侧宽度s B 和下游侧宽度x B 两部分。

s x B B B =+，
3
32
s B A φδ=
++。

其中，A ——风罩外壁⾄上游内侧的静距，由上游侧电⽓设备和附属设备的布置及通道尺⼨确定，取值4m 。

所以，3
3 5.38
0.34 6.992
2
φδ=
++=
++=s B A m 。

x B 除满⾜发电机层要求，还要满⾜蜗壳y -⽅向和混凝⼟厚要求。

对于发电机层：3
32
x B A φδ=++。

其中，A ——风罩外壁⾄下游墙内侧的静距，主要
⽤于主通道取2m 。

所以，3
3 5.38
0.32 4.992
2
φδ=
++=
++=s B A m 。

对于蜗壳层y -⽅向为：32.3350.32.635发δ-=+=+=
32.335,
0.3δ-==x L m m 。

故取 4.99=x B m 。

因此， 6.99 4.9911.98=+=+=s x B B B m 。

5.3⼚房各层⾼程的确定
5.3.1⽔轮机组安装⾼程T ?
⽴轴混流式⽔轮机安装⾼程由下式计算，0
min 2
T T s b H ?=?++
其中：⽔轮机导叶⾼度010.250.25 1.20.3==?=b D m ，由资料知：
由于3=n ，故取1台机组流量相应的尾⽔位，得出下游设计最低⽔位
m 2.244min =?下，对于⽔轮机安装处的海拔⾼程?初步计算时可采⽤下游平均⽔位⾼程，
得到m 625.2504
2
.2446.2516.2531.253=+++=
查附录⼀（附表1）可知汽蚀系数0.133σ=，由图2-16可知安全裕量0.022σ?= ，
⽽10.3()1900
s H H σσ?
=-+?-
-，所以 250.625
10.3(0.1330.022)62.510.666900
=-+?--=-s H m ，
则：0min 0.3
244.20.666243.68422
下?=?++=-+=T s b H m 。

其中：s H ——吸出⾼度；0b ——导叶⾼度；min T ?——下游设计最低⽔位。

5.3.2主⼚房基础开挖⾼程?F 321()?=?-++F T h h h
其中1h 为尾⽔管底板混凝⼟厚度，取为1m ；
2h 为出⼝⾼度，m
h h w 464.152==；
3h 为从⽔轮机安装⾼程?T 向下量取到尾⽔管出⼝顶⾯的距离，
m h h h h h w
w w w 453.1464.102028.012.35213=---=---=。

所以，321()243.684(1 1.464 1.453)239.767?=?-++=-++=F T h h h m
5.3.3⽔轮机层地⾯⾼程1?
'
4
41h h c T T ++?=+?=?ρ
式中：
c ρ—蜗壳进⼝半径max 0.746ρρ==c m ；
'4h —蜗壳顶混凝⼟层，取为1m
144
243.6840.7461245.43245.5ρ?=?+=?++=++=≈T T c h h m （⽔轮机层地⾯⾼程⼀般取100mm 的整倍数）。

5.3.4发电机装置⾼程G ?
456156?=?+?++=?++G T h h h h 。

其中：5h —进⼈孔⾼度，⼀般取1.8~2.0m ，此处取1.9m ；6h —进⼈孔顶部厚度，
⼀般为1.0m 左右，此处取1.0m 。

则：156245.5 1.91248.4?=?++=++=G h h m 。

5.3.5发电机层楼板⾯⾼程2?
⼀般情况下，发电机层楼板⾼程2? 应满⾜下列条件：
(1) 保证以下各层⾼度和设备布置及运⾏上的需要。

⽔轮机层的净⾼j h 不少于
3.5～
4.0m ，否则发电机出线和油⽓⽔管道布置困难。

如果发电机层楼板⾯与⽔轮机层地⾯之间加设出线层，则出线层底⾯到⽔轮机层地⾯净⾼也不宜少于3.5m 。

(2) 保证下游设计洪⽔不淹⼚房。

⼀般情况下，发电机层楼板⾯和装配场楼板⾯
⾼程齐平。

⼤中型⽔电站⼚房总是希望将发电机层楼板⾯设在下游设计洪⽔位以上
0.5~1.0m 。

(3) 当河流洪⽔期与枯⽔期⽔位相差悬殊，若将发电机层楼板⾯设在下游设计洪
⽔位以上是不经济的。

不仅会增加⼚房下部结构部分的混凝⼟⼯程量。

将发电机层楼板⾯⾼程布置在下游设计洪⽔位以下。

在⼚房⼤门和对外的交通
⼝，设置临时性插板以挡洪⽔，沿进⼚的交通道路设防⽔墙。

()m m h j 0.4~5.312≥?-?=取m h j 0.4=得2249.5?=m
5.3.6起重机（吊车）的安装⾼程 ?c 27891011?=?+++++c h h h h h
其中：7h ——发电机定⼦⾼度和上机架⾼度之和，由于m in /214m in /500r r n e ≥=，得到定⼦机座⾼度：
293.96247.9189.76 1.90d t h l cm m τ=+=+?==，由于是悬式机架0.250.25183.145.7750.46s i h D cm m ==?=
=
.由于为
埋⼊式布置，因此70.46s h h m ==；
h 8——吊运部件与固定的机组或设备间的垂直净距；固定的机组、设备、墙、
柱、地⾯之间保持⽔平净距0.3m ，垂直净距0.6～1.0m(如采⽤刚性夹具，垂直净距可减⼩为0.25～0.5m)，取值0.8m 。

h 9——最⼤吊运部件的⾼度(往往是发电机转⼦带轮或⽔轮机转轮带轴)；
由机电设计⼿册知；查推⼒轴承、励磁机和永磁机的⾼度表得
由于630020000f S kVA kVA =≤ 推⼒轴承的⾼度1000t h mm =。

主励磁机的⾼度1500~1800zl h mm =，取值1700mm 。

副励磁机的⾼度600fl h mm =。

永磁机的⾼度500yc h mm =。

由于是悬式机架下机架⾼度为
0.120.12183.121.972219.72x i h D cm mm ==?== 定⼦⽀座⽀承⾯⼦下机架⽀承⾯或下挡风板之间的距离
0.150.15183.127.465274.65dx i h D cm mm ==?==
由于有风扇，转⼦磁轭轴向⾼度()700~1000zc t h l mm =+
939.6
8001739.6 1.
zc h mm m =+==
由于在上机架上有主副励磁机，定⼦机座⽀承⾯到发电机顶部
1.900.46 1.0 1.70.60.85 5.51df d s t zl fl h h h h h h m =++++=+++++= 定⼦⽀承⾯到⼤轴法兰⾯的距离
274.6511001374.65 1.375dd dx xz h h h mm m =+=+==
定⼦铁芯轴向中⼼线到法兰盘的距离
0.460.46 1.90 1.375 2.249dt d dd h h h m =+=?+=
发电机总⾼
5.51 2.2497.759f df dt h h h m =+=+=
发电机主轴⾼()f fz h h 9.0~7.0=，取0.8 6.21fz f h h m ==
9 6.21fz h h m ==
h 10——吊运部件与吊钩间的距离(⼀般在1.0～1.5m 左右)，取决于发
电机起吊⽅式和挂索、卡具，取值1.25m ； h 11——主钩最⾼位置(上极限位置)⾄轨顶⾯距离，由起重机主要参数
查出为830mm 。

则，249.430.460.8 6.21 1.250.83258.98?=+++++=c m 。

5.3.7屋顶⾼程?R
121314258.98 3.6920.50.15263.32R c h h h m ?=?+++=+++=
其中，12h ——轨道⾯⾄起重机顶部距离12 3.692h m =； 13h ——吊车检修⾼度0.5m ； 14h ——屋⾯板厚度；0.15m
5.3.8尾⽔管底板⾼程?W 0
2
=-
-w W T b h 其中，w h —底环顶⾯⾄尾⽔管的距离m h w 12.3=；0b —导叶⾼度m b 3.00=。

00.3243.684 3.12240.41422
=-
-=--=w W T b h m
6⼚区布置
7 主⼚房的布置
7.1发电机层设备布置
发电机层为安放⽔轮发电机组及辅助设备和仪表表盘的场地，也是运⾏⼈员巡回检查机组、监视仪表的场所。

主要设备有：1．机旁盘(⾃动、保护、量测、动⼒盘)。

与调速器布置在同⼀侧，靠近⼚房的上游或下游墙。

2．调速柜。

应与下层的接⼒器相协调，尽可能靠近机组，并在吊车的⼯作范围之内。

3．励磁盘。

控制励磁机运⾏，常布置在发电机近旁。

4．蝶阀孔。

如果在⽔轮机前装设蝴蝶阀，则其检修需要在发电机层的安装间内进⾏，在发电机层与其相应的部位预留吊孔，以⽅便检修和安装。

5．楼梯。

⼀般两台机组设置⼀个楼梯。

由发电机层到⽔轮机层⾄少设两个楼梯，分设在主⼚房的两端，便于运⾏⼈员到⽔轮机层巡视和操作、及时处理事故。

楼梯不应破坏发电机层楼板的梁格系统。

6．吊物孔。

在吊车起吊范围内应设供安装检修的吊物孔，以勾通上下层之间的运输，⼀般布置在既不影响交通、⼜不影响设备布置的地⽅，其⼤⼩与吊运设备的⼤⼩相适应，平时⽤铁盖板盖住。

发电机层平⾯设备布置应考虑在吊车主、副钩的⼯作范围内，以便楼⾯所有设备都能由⼚内吊车起
吊。

7.2⽔轮机层设备布置
⽔轮机层是指发电机层以下，蜗壳⼤块混凝⼟以上的这部分空间。

在⽔轮机层⼀般布置：
1．调速器的接⼒器。

位于调速器柜的下⽅，与⽔轮机顶盖连在⼀起，并布置在蜗壳最⼩断⾯处，因为该处的混凝⼟厚度最⼤。

2．电⽓设备的布置。

发电机引出线和中性点侧都装有电流互感器，⼀般安装在风罩外壁或机座外壁上。

⼩型⽔电站⼀般不设专门的出线层，引出母线敷设在⽔轮机层上⽅，⽽各种电缆架设在其下⽅。

⽔轮机层⽐较潮湿，对电缆不利。

对发电机引出母线要加装保护⽹。

3．油、⽓、⽔管道。

⼀般沿墙敷设或布置在沟内。

管道的布置应与使⽤和供应地点相协调，同时避免与其他设备相互⼲扰，且与电缆分别布置在上下游侧，防⽌油⽓⽔渗漏对电缆造成影响。