水电站设计

水电站设计基本资料

水利枢纽工程具有防洪,灌溉,发电,养殖等功能.水电站厂房为坝后式,水电站装机容量为7MW,厂房所在平均地面高程440.0m.

水位:正常蓄水位为470.00m.死水位:459.00m.距厂房下游100m处水位流量关系见下表格 流量 5 10 15 20 30 40 60 80 水位430.8 430.95 431.06 431.15 431.35 431.50 431.75 431.95 m

机组供水方式: 采用单元供水

水电站水头范围:HMAX=39M, HMIN=28M, HAV=33M

第一部分水轮机选型

（1） 初选机型

该水电站为坝后式水电站。故设计水头Hr =0.95* Hav =0.95*33=31m,该水电站

装机容量为7MW，拟选顶两台机组，发电机效率设为96%，因此水轮机额定出力Nr =7*103/2*96%= 36kw

特征水头 Hmax=39.0 m Hmin=28.0 m Hav =33m Hr =31 m

根据该水电站的水头变化范围28~39m。在机组系列型谱表中查得合适的机型有HL240和ZZ440两种，现将这两种水轮机作为初选方案，分别计算出相关参数，并进行比较分析：

1 HL240型水轮机方案的主要参数选择

a 转轮直径D1的计算

HL240型水轮机在工况下的单位流量Q′1M=1.24 m3/s,效率η=90.4％

由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量Q′1= Q′1M=1.24 m3/s，效率η=91％，上述Q′1，η和Nr=6300/0.96=6562.5 kw，Hr=37.5 m

D1Nr9.81QHrHr369.811.2431310.911.384

选用与之接近而偏大的标称直径D1=1.4 m

b 转速n的计算

HL240水轮机在最优工况下单位转速n′10m=72 r/min，初步假定n′10=n′10m， 代入式

n'n10HavD17233295r/min 1.4选用与之接近而偏大的同步转速n=300 r/min。

c 效率及单位参数修正

HL240型水轮机在最优工况下模型最高效率ηMmax=92%，模型标称直径D1M=0.46 m

D1M0.461(19200593.600 D11.4Max1(1Mmax)5则效率修正值 Δη=93.6%－92%=1.6%

考虑到模型与原型水轮机在制造工艺质量上的差异，常在已求的Δη值上再减去一个修正值ξ，取ξ=1.0%

则可得效率修正值Δη=0.6 %

由此可得原型水轮机在最优工况和工况下的效率为

MaxMmax92%0.6%92.6%

M90.4%0.6%91.0% （与上述假定值相同）

单位转速的修正值按下式计算

'n1'n10M(max

Mmax1)maxn1'92.6%则'110.32%

Mmax92%n10M由于Δ′n1/ n′10M=0.32%<3.0%，按规定单位转速可不加修正，同时单位流量Q′1也可不加修正。

由上可见，原假定的η=91% ，Q′1= Q′1M，n′1=n′10M 是正确的，那么上述计算及选用的结果D1=1.4 m ，n=300 r/min也是正确的。

d 工作范围的检验

在选定D1=1.4m ，n=300 r/min后，水轮机的Q′1max及各特征水头相对应的n′1即可计算出来。

水轮机在Hr下工作时，其Q′1即为Q′1max，故

Q1'maxNr9.81D12HrHr369.811.4231310.911.2071.24m3/s

则水轮机最大引用流量为

QmaxQ1'maxD12Hr1.2071.423113.17m3/s

与特征水头Hmax ，Hmin ，Hr相对应的单位转速为

n1'minnD1HmaxnD1Hmin3001.4393001.42867.25r/min

n1'man79.37r/min

n1'rnD1Hr3001.43175.43r/min

在HL240型水轮机模型综合特性曲线上分别绘出

Q′1max=1.207 m3/s n′1max=79.37r/min n′1min=67.25 r/min三条直线 由图可见，这三条直线所围成的水轮机工作范围基本上包含了该特性曲线的高效率区

所以对于HL240型水轮机方案，所选定的参数D1=1.4 m 和n=300 r/min是合理的。

e 吸出高度的计算

由水轮机的设计工况参数，n′1r=75.43 r/min，Q′1max=1.027m3/s。在水轮机模型特性曲线上查得相应的气蚀系数=0.197，并在《水电站》P49Hr～Δσ曲线上查得Δ=0.032，由此可求出水轮机的吸出高度为

Hs10440()H10(0.1970.038)312.231m900900

f 水轮机安装高程计算

根据下游水位和流量关系表格 （参见首页设计基本资料）

在画图纸上画出下游水位和流量关系，

w

确定水轮机安装高程的尾水位，通常称为设计尾水位。设计尾水位根据下面的表

格水轮机过流量从下游水位与流量关系曲线中查取

电站装机台数 水轮机过流量 1台或者2 台 1 台水轮机50%的额定流量 3台或者4台 1 台水轮机的额定流量 5 台以上 1.5~2台水轮机的额定流量 3因为此次设计中选取2 台水轮机，额定流量是13.17m/s.取 额定流量的50%，从下游水位和流量关系曲线中查取设计尾水位为430.85m

ws安装高程Z= + H+b/2 =430.85+2.23+0.511/2=433.34m 2 ZZ440型水轮机方案的主要参数选择

a 转轮直径D1的计算

ZZ440型水轮机在工况下的单位流量Q′1M=1.650 m3/s ,效率η=81.0％

由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量Q′1= Q′1M=1.650 m3/s，效率η=82.7％，则

D1Nr9.81QHrHr369.811.6531310.8271.256m

选用与之接近而偏大的标称直径D1=1.4m

b 转速n的计算

ZZ440水轮机在最优工况下单位转速n′10m=115r/min，初步假定n′10=n′10m，则

n'n10HavD111533471.87r/min

1.4选用与之接近而偏大的同步转速n=500 r/min。

c 效率及单位参数修正

ZZ440型水轮机在最优工况下模型最高效率ηMmax=.0%，模型标称直径D1M=0.46 m

Max1(1Mmax)(0.30.75D1M10HM/H10.75(1Mmax) D1叶片在不同的转角时Mmax的值可以有模型综合特征曲线查得从而求出相应的值的原型水轮机最高效率的Mmax当选用效率考虑到制造工艺的修正值1%，从而计算各种角度的修正值。

叶片转角 —10 84.9 88.7 —5 88.0 91.0 3.0 2.0 0 88.8 91.6 2.8 1.8 +5 88.3 91.2 2.9 1.9 +10 87.2 90.4 3.2 2.2 +15 86.0 .5 3.5 2.5 Mmax% Mmax% Mmax-max% 3.8 % 2.8

查表ZZ440型水轮机在最优工况下模型效率Mmax=%，由于最优工况接近于角度为0时的等转角线，因此采用=1.8%做为其修正值。

由此可得原型水轮机在最优工况和工况下的效率为

MaxMmax.0%1.8%90.8%

M81%1.8%82.8% （与上述假定值接近）

'n1'n10M(max

Mmax1)Maxn1'90.8%则 '111.01%

Mmax%n10M由于Δn′1/ n′10M=1.01%<3.0%，按规定单位转速可不加修正，同时单位流量Q′1也可

不加修正。由上可见，所以原假定的η=82.7% ，Q′1= Q′1M ，n′1∕n′10M是正确的，那么上述计算及选用的结果D1=1.4 m ，n=500 r/min也是正确的。

d 工作范围的检验

在选定D1=1.4 m ，n=500 r/min后，水轮机的Q′1max及各特征水头相对应的n′1即可计算出来。

水轮机在Hr下工作时，其Q′1即为Q′1max，故

Q1'maxNr9.81D12HrHr369.811.4231310.8281.3271.65m3/s

则水轮机最大引用流量为

QmaxQ1'maxD12Hr1.3271.423114.48m3/s

与特征水头Hmax ，Hmin ，Hr相对应的单位转速为

n1'minnD1HmaxnD1Hmin5001.439112.18r/min

n1'man5001.6528132.30r/min

n1'rnD1Hr5001.431125.67r/min

在ZZ440型水轮机模型综合特性曲线上分别绘出

Q′1max=1.327 m3/s n′1max=132.30r/min n′1min=112.18 r/min三条直线 由图可见，这三条直线所围成的水轮机工作范围基本上包含了该特性曲线的高效率区

所以对于ZZ440方案，所选定的参数D1=1.4m 和n=500 r/min是合理的。

e 吸出高度的计算

由水轮机的设计工况参数，n′1r=125.67r/min，Q′1max=1.327m3/s。在水轮机模型特性曲线上查得相应的气蚀系数=0.48，并在《水电站》P49Hr～Δσ曲线上查得Δ=0.038，

由此可求出水轮机的吸出高度为

Hs10440()H10(0.480.038)316.7900900

(2) 比较分析

序号 项目 HL240 ZZ440 1 模型 推荐使用水头范围 25-40 20-36 2 水轮 最优单位转速 72 115 3 机 最优单位流量 1100 800 4 参数 最高效率 92 5 气蚀系数 0.197 0.48 6 原型 工作范围水头 28-39 28-39 7 水轮机 转轮直径 1.4 1.4 8 参数 转速 300 500 9 最高效率 93.6% 90.8% 10 额定出力 36 36 11 最大引用流量 13.17 14.48 12 吸出高度 2.231 -6.7

通过比较,两种水轮机型号的直径相同,均为1.4m. 从模型图中可以看到，HL240型的包含的高效率范围要大于ZZ440型的水轮机，运行效率较高，气蚀系数较小 ，安装高程叫高，有利于提高年发电量和减少水电站厂房的开挖工程量，ZZ440型水轮机的机组转速大，有利于减少发电机尺寸，降低发电机组的造价，但水轮机本身造价很高！综合以上原因，决定选取HL240型水轮机为最优方案！

（3）发电机型号选择

水轮发电机按其轴线位置可分为立式和卧式布置两大类。

大型机组一般采取立式布置，卧式布置通常用于中小型机组及贯流式机组。 HL240型水轮机单机出力为36KW，那么发电机应与之配套，故发电机额定容量分

别为36KW,转速为300r/min

1. 发电机计算 根据下式判断发电机型式：

发电机示意图 a 极矩τ Kj4Sf2P

式中： Sƒ——发电机额定容量

P——磁极对数（查同步转速与磁极对数关系表） Kj——系数 一般为8～10，容量大，线速度高的取上限

Kj = 9 94b 定子内径Di

Di2p3633.07cm 210

D121033.07210.6cm

c 定子铁芯外径

当n≥166.7rpm DaDi

D1210.633.07243.67cm

d 通过下式判断发电机型式

lt36137.1mm 62210210.6300

Di210.60.00510.035 Ltn137.1300故采用悬式发电机

由上面计算可初步确定发电机型号为： TSL 325/36—20。

2. 发电机水平向尺寸的确定 a 定子机座外径D1

当300≤n＜500 rpm D1=1.25Da 则 D1=1.25×2.43=3.0m b 风罩内径D2

当Sƒ ≤20000 KVA时 D2= D1+2.0 m D2= 3.0+2.0=5.0 m c 转子外径D3

D3= Di+2σ

式中：σ——单边空气间隙初步计算 σ可忽略不计 D3= Di

D3=2.08 m d 下机架最大跨度D4

D4= D5+0.6 m

式中： D5——为水轮机机坑宽度

D4= 3.0+0.6=3.6 m

e 推力轴承外径D6和励磁机外径D7

D6=2 m D7=1.4 m (根据发电机装机容量 ) 3. 发电机轴向尺寸计算 a 定子机座高度h1

当 n≥214 rpm时 h1=lt=2τ 式中： lt——定子铁芯长度

ltsfcdn2ie

式中： sf——发电机额定容量 ne——额定转速 di——顶子内径

c——系数，根据规范取2×10-6

lt362.m 622102.106300故定子机座高度：

h12.20.333.20m

b 上机架高度h2

悬式承载机架 h2=0.25Di h2=0.25×2.106=0.526m

c 力轴承高度h3，励磁机高度h4和永磁机高度h6

根据规范发电机额定容量小于20000 kw时

h3取1 m h4取1.5 m h5取0.6 m h6取0.5 m d 下机架高度h7

悬式非承载机架 h7=0.12Di h7=0.12×2.106=0.253 m

e 定子支座支承面至下机架支承面或下挡风板之间的距离h8

h 8=0.15Di

h8=0.15×2.106=0.316 m

f 下机架支承面至主轴法兰底面之间的距离h9

按已生产的发电机统计资料，h9一般取700～1500 mm h9取850 mm

g 转子磁轭轴向高度h10

有风扇时：h10= lt +（700～1000）mm

h10=2.+0.8=3.34m h 发电机主轴高度h10

h11=（0.7～0.9）H

H——发电机总高度，即由主轴法兰盘底面至发电机顶部的高度 H= h1+ h2+ h4+ h5+ h6+ h8+ h9

H=3.20+0.526+1.5+0.6+0.5+0.316+0.85=7.492 m h11=0.8×7.492=5.994m

i 定子铁芯水平中心线至主轴法兰盘底面距离h12

h12=0.46 h1+ h10

h12=0.46×3.20+3.34=4.81m TSL 325/36—20型发电机尺寸表

平面尺寸 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 3.0 5.0 2.08 2.5 2.5 2 1.4 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7 H8 H9 h10 h11 h12 纵向尺寸 3.20 0.526 1 1.5 0.6 0.5 0.25 0.316 0.850 3.34 5.994 4.81

第二部分 蜗壳及尾水管设计

（1） 蜗壳水力计算

从蜗壳鼻端至蜗壳进口断面0-0之间的夹角称为蜗壳的包角，常用φ0表示，蜗壳的鼻端即位于蜗壳末端连接在一起的那一个特殊固定导叶的出水边，一般采用φ0=345°

蜗壳进口断面平均流速Vc是决定蜗壳尺寸的主要参数。Vc值根据水轮机设计水头Hr从图中查得 Vc=4.5 m/s

1主要参数

Hr=31.0 m Qmax=13.17 m3/s Da=2.42m 包角φ0=345 Da/2=2.42/2=1.21 m 2 蜗壳计算表

角度 345 300 255 210 165 120 75 30 Qi 12.62 10.975 9.329 7.683 6.036 4.390 2.744 1.0975 ρi 0.945 0.881 0.813 0.737 0.6 0.557 0.441 0.279 ai 2.150 2.091 2.023 1.947 1.8 1.767 1.651 1.4 Ri 3.10 2.972 2.836 2.684 2.518 2.324 2.092 1.768

水轮机蜗壳单线图

（2）尾水管设计

根据以往经验,弯肘形尾说管不但可以减少开挖深度,而且具有良好的水力性能

尾水管尺寸表

h/D1 L/D1 B5/D1 D4/D1 h4/D1 h6/D1 2.2 2.3 2.6

弯肘型尾水管有进口直锥段.中间肘管段和出口扩散段和出口扩散段三部分组成. 4.5 4.5 4.5 1.808 2.420 2.720 1.10 1.20 1.35 1.10 0.574 1.20 0.600 1.35 0.675 L1/D1 h5/D1 0.94 1.62 1.82 1.30 1.27 1.22 肘管形式 适用范围 金属里衬肘管混流式h4/D1=1.1 D1>D2 标准混凝土肘管 轴流式 混流式标准混凝土肘管 D1≤D2

A进口直锥段

混流式水轮机单边扩散角70~90,这里取 80.

B中间弯肘段

是一段900转弯的变截面弯管,进口断面为圆形,出口断面为矩形.

C出口扩散段是一段水平放置,两侧平行,顶板上翘的矩形扩散管.起顶板仰角一般取

100~130,这里取13.

应用第三种比例情况进行尺寸计算:

h=2..6×1.4=3. m L=4.5×1.4=6.30 m B5=2.72*1.4=3.808m D4=1.35×1.4=1. m h4=1.35×1.4=1. m h6=0.675×1.4=0.945m L1=0.94×1.4=2.8 m h5=1.22×1.4=1.708m

尾水管高度指水轮机底环平面至尾水管底版的高度.

h=2.6*D1=2.6*1.4=3.m 满足最低要求,宽度B= 3.808m,同样满足要求. 尾水管长度

指机组中心线至尾水管出口断面的距离. L=(3.5~4.5)D1 这里取4 则L=4*1.4=5.6m

第三部分 厂房的布置设计

主厂房的布置设计

1 水轮机安装高程的确定：

HL240型水轮机安装高程

ZsZahsb0430.852.2310.511/2433.34m 22 尾水管底板高程：

尾433.340.511/23.429.44m

3 厂房基础开挖高程：

挖尾底板厚S429.441428.44m

4 确定水轮机的地面高程：

水Zs433.343.10/21435.m

5 主阀廊道地面高程：

主Zsr1.8433.341.651.8429.m

6 发电机层的地面高程：

发435.212440.m

7 尾水平台高程：与发电机层同高。 8 安装间高程：与发电机高程同高。 9 吊车轨顶高程的确定：

吊＝440.4.50.51.00.8＝447.69m

10 厂房天花板顶高程：

天＝447.692.70.4＝450.79m

11 厂房顶部高程：

房＝天屋顶高度（取0.7m）＝450.790.7＝451.49m

第四部分 主厂房尺寸的确定

厂房长度的布置

1 机组间距L机

机组间距取蜗壳最大尺寸，尾水管最大尺寸和发电机尺寸中的最大值。 A>

蜗壳尺寸控制时：

L机=3.10+2.518+2*1=7.618 m B>

由尾水管尺寸控制时 L机=B+T=3.98+2=5.98 m C>

由发电机控制时 L机=3.25+2×0.8+2=6.85 m

机组间距取上述三者中的最大值：L机=7.618 m

2 边机组段附加长度

为了保证边机组和主伐均在桥机吊钩工作范围之内，以及楼梯及其他设备的需要，对边机组需要加适当长度l

根据水电站动力设备手册可以计算l(0.2~1.0)D11*1.41.4m 3 装配厂长度La

La=（1.25～1.5）×7.62=11.43m

取La=11.5 m 4 主厂房的总长度：

L=2*7.62+11.5+1.4=28.14m

主厂房宽度的布置

1 主厂房水下部分宽度

查取《水电站动力设备设计手册》按照经验公式进行计算： 水轮机直径和系数的关系大致为D为6.0~1.0相应的系数为1.8~~6.0 下游侧宽度B1

B1=4.5D1=4.5*1.4=6.3m 大于尾水管的长度，满足要求。 上游侧宽度B2 B2=D1=5.6*1.4=7.84m B下=6.3+7.84=14.14 m

2 电机层上下游宽度的确定

上游侧宽度B1：由于是金属蜗壳，主要取决于发电机外径的大小，调速器操作柜的布置，油质装置布置及机旁盘的布置，由于厂内装有主阀，如果考虑由厂内桥吊吊装时，此时可以考虑机组大修时的大部件从厂内上游通过时确定B1，大部件及发电机风罩，其直径为6.3m,所以取B1=6.3m.

下游侧宽度B2：主厂房下游侧宽度主要取决于蜗壳尺寸，加上外围二期混凝土1.0～1.5m和仪器水下槽1m左右的厚度

上游侧宽度B1： B1=6.3 m 下游侧宽度B2：

B2=R0+1.2+1=3.10+1.2+1.0=5.3 m B=6.3+5.3=11.6 m

由1、2计算结果取大值：取B=14.14 m 取标准吊跨度13m

主厂房高度的确定

主厂房由水下部分和水上部分组成：

H下=h+ρ+h1+h2+ h2=3.0+1.02+2+2+2=10.660 m H 尾水管高度

h1 蜗壳顶部混凝土厚度 h2 进入孔高度

h2 进入孔顶到发电机层厚度

H上= h4+h5+h6+h7+h8+h9+h10+h11

=0.75+4.3+1.0+0.95+2.736+0.3+1.5 =11.536 m

h4发电机定子外露高度

h5转子起吊时候与发电机或地平的垂直安全高度 h6 发电机转子轴长

h7 h8 h9 由吊物扬程和吊车及小车高度确定 h10 小车顶与屋架下泫或大梁底下的最小净宽 h11 屋架与屋面系统结构高度