水电站厂房设计引水隧洞和厂房毕业设计说明书

'西华大学毕业设计说明书水电站厂房设计(引水隧洞和厂房)毕业设计说明书目录摘要1前言31基本资料41.1工程概况41.2工程地质41.3枢纽布置情况71.4工程特性表82枢纽布置112.1厂房类型确定113主要设备的选择123.1水轮机型号及主要参数选择123.1.1水轮机机组台数和单机容量选择123.1.2水轮机型号选择133.1.3水轮机主要参数选择133.2水轮机重量估算163.3转轮重量估算163.4发电机型号的选择163.5起重设备的选择173.5.1起重机的型号确定174引水系统的设计194.1进水口设计194.1.1进水口的类型1972 西华大学毕业设计说明书4.1.2供水方式的选择194.1.3引水道直径计算194.1.4进水口尺寸计算204.1.5进水口高程计算234.2引水道设计244.2.1线路比较244.3调压室设计254.3.1调压室作用254.3.2调压室的设置判断254.4调节保证计算264.4.1调节保证计算的任务264.4.2调节保证计算的目的274.4.3调节保证计算的标准274.4.4调节保证计算的内容274.4.5调节保证计算过程274.5水头损失计算324.5.1沿程水头损失计算324.5.2局部水头损失计算324.6压坡线的绘制345厂房布置设计355.1蜗壳尺寸的确定355.2尾水管单线图的绘制385.2.1进口直锥段计算385.2.2肘管计算385.2.3出口扩散段计算3972 西华大学毕业设计说明书5.2.4尾水管高度395.2.5尾水管单线图395.3厂房平面尺寸计算395.3.1主厂房长度计算405.3.2主厂房宽度计算425.3.3主厂房的剖面设计445.4厂房枢纽布置475.4.1安装间的位置选择及计算475.4.2尾水平台的布置475.4.3厂房电气设备布置486结构设计496.1工作闸门结构设计496.1.1闸门基本资料496.1.2闸门的结构形式及布置496.1.3面板设计506.1.4水平次梁、顶梁和底梁设计516.1.5主梁设计566.1.6横隔板设计626.1.7纵向连接系设计636.1.8边梁设计656.2闸门附属结构设计686.2.1行走支承设计686.2.2轨道设计69结论7172 西华大学毕业设计说明书总结与体会72谢辞73参考文献7472 西华大学毕业设计说明书摘要本次毕业设计的题目是湖北黄龙滩水电站厂房设计。其设计的主要内容包括枢纽布置、主要设备型号选择计算、引水系统设计、调节保证计算、厂房布置设计和结构设计。整个设计过程主要通过课程所学知识、查阅相关设计规范以及设计手册等有关资料并在老师的指导下完成。主要的设计成果有以下内容：水轮机型号为HL220—LJ—380，发电机型号为SF75—40/854，起重机为400/100t单小车桥式起重机，进水口类型为岸边式，引水管道直径为6m，主厂房长度为62m，主厂房宽度为22.2m。关键词：枢纽布置引水系统布置设计结构设计72 西华大学毕业设计说明书AbstractThesubjectofthisgraduationprojectisofHubeiHuanglongtanhydropowerplantdesign.Themaincontentofthisdesignincludethelayoutofthehub,theselectionandcalculationofthemodelofthemainequipment,designofthediversionsystem,adjusttoensurethatthecalculation,plantlayoutandstructuraldesign.Throughoutthedesignprocess,mainlythroughclassroomknowledge,accesstotherelevantdesignspecificationsanddesignmanuals,andcompletedundertheguidanceoftheirteachers.Majordesignachievementsinclude:themodeloftheturbineHL220-LJ-380generatormodelSF75-40/854,cranebridgecrane400/100tsinglecar,typeofinletforshore-style,diversionthediameterofthepipelineis6m,thelengthofthemainplantis62m,thewidthofthemainplantis22.2m.Keywords:Projectlayout，Waterdiversionsystem,layoutdesign，Structuredesign72 西华大学毕业设计说明书前言本毕业设计的主要目的是对我这几年专业学习成绩的一个检验，当然这次毕业设计的意义不仅仅是对学习的一个检验。检验学习的成绩只是一个基本的要求，在完成设计的过程中更是锻炼了让我们在遇到新知识时勇于去学习、解决的能力。选择水电站厂房设计作为这次的毕业设计主要是因为厂房在水电站中占有较大的投资比例，且其具有极大的重要性。并且想通过这次的设计将所学知识合理的运用到设计中去，让自己所学的知识在设计中体现，以顺利完成该设计的目标和要求。这次设计的主要范围是引水系统和厂房两部分，设计达到的深度大致为主要结构尺寸确定和部分设备、线路的布置描述。厂房是整个水电站枢纽建筑物中的一个主要建筑物，它的正确设计对于水电站的正常运行以及经济效益都有重大影响，不管是在国内还是在国外的水电站，对水电站厂房的设计都很重视。这次设计主要需解决的问题在于各种主要设备的参数、尺寸等的计算，以此根据相关资料选择经济合理的设备型号；引水系统的布置以及进水口尺寸、管道尺寸的计算和选择；厂房的平面尺寸以及立面尺寸的计算和选择；潜孔闸门的尺寸计算、选择以及强度等验算。72 西华大学毕业设计说明书1基本资料1.1工程概况本枢纽工程是堵河最下游的一个梯级电站。以发电为主，并兼有工业供水、农田灌溉、改善航运、发展渔业等，是以综合利用的水利枢纽。供电对象主要是本地区以第二汽车厂为中心的机械工业，铁路运输业以及其他工业，同时为农田电力排灌及市政照明提供电力负荷。堵河系汉江中上游南岸的一大支流。位于湖北省西北部，发源于大巴山脉北麓的崇山峻岭之中。有两源：南源名官渡河，西源称泗河，以西源为主源。泗河在陕西境内自南向北流，进入湖北境内转自西向东行；官渡河有南向北来，两源汇合于竹山县城上游约30公里的两河口后，称堵河，有西南向东北汇入汉江。河流全长318公里，流域总面积11.725平方公里。黄龙滩电站位于堵河干流下段，在黄龙滩镇上首之大峡沟口处，距堵河口约25公里，集水面积11.140平方公里，占流域总面积的95%。堵河系山溪性河流，河谷狭窄，滩多流急，河道平均坡降约为上游15‰、中游约3‰、下游约1‰。本流域地理位置在北纬310.21o～320.50o，东经109.031o～110.041o之间，属北亚热带江北湿润区，为付热带季风气候，流域平均气温，平均为15.4℃，最高为43.4℃，最低零下9.9℃。年平均相湿度为76%。流域平均风速为每秒1.1米，最大风速可达每秒20米以上；地面风向受地形影响以偏东风居多。1.2工程地质坝址位于堵河下游长700米的峡谷出口段，两岸第一排山脊均高于300米高程，岸坡350—500。常水位标高162.0米，河西宽70～90米，水深2～8米。河床中偏右为一顺河向深槽，复盖沙砾石层厚12～14米。本枢纽所处大构造单元为武当隆起区，下游基本以黄龙—草店大断层为界，毗邻北秦岭海西准褶皱带。地质构造线与上述两大地质构造单元的北西西构造线基本相符。枢纽区经多次构造运动，断裂构造和节理裂隙比较发育。右坝肩山高坡陡，断裂构造发育，岩石较破碎。在长期物理地质作用下，岸坡表层稳定条件较差，但不存在大的整体滑动变形。72 西华大学毕业设计说明书枢纽区出露基岩为古老的结晶片岩，计有正，付片岩两类。付片岩属元古界武当山扬坪组上部（PtW1Y3），正片岩系褶皱早期基性侵入岩变质而成。按其所含矿物成分和含量不同，可分为如下几种主要岩性：付片岩有局部含石榴子石白云母石英纳长片岩（Y23）、富含白云母石英纳长片岩（Y2y3），富含大颗粒石榴子石白云母石英纳长片岩（Y2s3），富含小颗粒石榴子白云母石英纳长片岩（Y2‘3）；正片岩有绿泥阳起钠长片岩（U1y2），绿泥钠长片岩（U1n2）。正、付片岩穿插分布频繁，规律性很差。在正、付片岩接触带附近，常有宽度不等的硅化，云母化、绿泥化等接触蚀变现象。左岸台地2～15米厚砂质粘土层，右坝肩有5～15米厚残坡积层。付片岩呈面状风化，正片岩以裹状风化较为显著。岩石风化带厚：河床0～10米，左岸10～35米，右岸30～60米。其岩石主要物理力学性质指标见下表：岩石力学性质指标表岩石名称风项化程度目正片岩付片岩绿泥化带构造破碎带新鲜容量（吨/立米）3.02.68～2.7饱和抗压强度（公斤/平方厘米）大于800500～600软化系数0.7～0.80.74～0.77饱和吸水率（%）0.330.23～0.49变形模量（公斤/平方厘米）11～24×10415～22×104摩擦系数（f）0.650.70弱风化容量（吨/立米）2.68饱和抗压强度（公斤/平方厘米）700～800200～400小于50饱和吸水率（%）2.57变形模量（公斤/平方厘米）3.5～5.8×1042.2～12×1040.2～1.0×104摩擦系数（f）0.5572 西华大学毕业设计说明书设计采用基岩与大坝混凝土接触面的摩擦系数为0.57～0.67。引水遂洞一般选用岩石坚固系数为2～7；单位弹性抗力系数为100～600。本区地震基本烈度，经中国科学院地球物理研究所鉴定为6度，场地设防烈度采用7～7.5度。坝址区水文地质条件简单，地下水为基岩裂隙潜水，含水层埋藏深度：左岸14～33米，右岸25～62米。两岸地下水补给河水。相对阻水层（W〈0.01升/分〉顶板埋藏深度：河床5～25米，左岸25～35米，右岸25～90米。一般正片岩透水性大于付片岩。河水及地下水均为重碳酸钙镁型水PH值为7～8，呈微弱碱性，对混凝土无侵蚀性。引水隧洞地质条件：引水隧洞通过地带沿线出露有正、付片岩两类：付片岩主要为白云母石英纳长片岩，正片岩为绿泥钠长片岩，绿泥阳起钠长片岩。岩石饱和抗压强度约为300～700公斤/平方厘米，属中等坚硬岩石。岩石坚固系数f和单位弹性抗力系数K0的选定方法：因无试验资料，参考已建的相类似的工程比较选取。单位弹性抗力系数K0是应用野外岩体静弹试验资料，选用以下公式计算作基本依据，再类比一些已建工程确定。K0=E0/（rb（1+µ））式中E0——岩石变形模量；µ——岩石泊桑比；rb——遂洞跨度之半，取1米代入。围岩不同岩石坚固系数f值及单位弹性抗力系数K0值表：岩性fK0绿泥钠长片岩岩石呈弱风化1～250～70白云母石英钠长片岩新鲜完整6～7600绿泥阳起钠长片岩新鲜完整6～7500白云母石英钠长片岩岩石呈弱风化370～100厂区地质条件：发电厂房位于大峡沟右侧，尾水经由尾水渠泄入大峡沟，再流入堵河河道。主、副厂房基础出露的付片岩主要为白云母石英钠长片岩，正片岩为绿泥钠长片岩。后者呈穿插分布。片理产状忌的趋势走向北西西，侧向北北东，倾角大于60o在高程159.0以下呈微风化或新鲜状态，其上均呈弱风化状态。72 西华大学毕业设计说明书岩性白云母石英钠长片岩硅化白云母石英钠长片岩绿泥钠长片岩绿泥化带断层破碎带风化程度新鲜或微风化弱风化新鲜微风化新鲜微风化弱风化弱风化容量（吨/立方米）2.72.652.752.852.80饱和抗压强度（公斤/平方厘米）400～500250700700~800小于700小于50变形模量E0=A×104（公斤/平方厘米）10—152—310—1210—125—60.04—0.050.5各种岩石饱和抗压强度Ru，变形模量E0等物理力学性质指标如下表：1.3枢纽布置情况坝顶高程：▽252m；防浪墙▽253.5坝段说明：坝段号坝段长（米）说明218.5320420520620升船机716非常溢洪道（表孔），溢流面高程▽2388~1316潜孔溢洪道，溢流面高程▽2231420原导流明渠底坎高160.5后封填，设197泄水孔1516放坝顶门库，15~16之间的沿带放电梯井202.5与对外道路相连1616坝顶变压器室1718厂房坝段D=6.51818厂房坝段D=6.51916油泵间202122231681616与上坝公路相接1.4工程特性表枢纽水文特性72 西华大学毕业设计说明书序号名称单位数量备注1流域面积全流域平方公里11，725坝址以上平方公里11，1402利用水文系列年限年313多年平均年迳流量亿立米60.24代表性流量多年平均流量立米/秒191实测最大流量立米/秒10，6001937年9月26日调查历史最大流量立米/秒12，3001867年设计洪水流量（p=1%）立米/秒13，300坝址洪水校核洪水流量（p=0.2%）立米/秒16，600坝址洪水非常洪水流量（p=0.1%）立米/秒17，800坝址洪水施工初期导流流量立米/秒800枯水期5年一遇5泥沙多年平均年输沙量万吨858多年平均含沙量公斤/立米1．37实测最大含沙量公斤/立米456天然水位下游常水位米162实测最低水位米160.42黄龙滩站1958年2月25日（相应流量）立米/秒19实测最高洪水位米176.46黄龙滩站1937年9月26日（相应流量）立米/秒160，00调查最高洪水位米178.18黄龙滩站1867年水库特性序号名称单位数量备注1水库水位正常高水位米247.0设计洪水位（p=1%）米248.2坝址洪水位校核洪水位（p=0.2%）米251.9坝址洪水位非常洪水位（p=0.1%）米253．5坝址洪水位死水位米222.0非常死水位米218.52水库面积平方公里32正常高水位3水库容量总库容亿立米12.28校核洪水位以下调节库容亿立米5.99死库容亿立米4.14222.0米以下4库容系数0.15调节特性季调节6径流利用系数0.718枢纽下泄流量及相应下游水位序号名称单位数量备注1立米/秒12，13072 西华大学毕业设计说明书设计洪水时最大下泄流量相应下游水位米176.42校核洪水时最大下泄流量立米/秒14，250相应下游水位米178．03非常洪水时最大下泄流量立米/秒14.860相应下游水位178.74设计枯水段调节流量（p=95%）立米/秒84.3相应下游水位米161．6主要建筑物特性序号名称单位数量备注1拦河坝坝型混凝土重力坝坝顶高程米252最大坝高米107坝顶总长米371拦河坝控制点米{X=3616955.338；Y=37455240.863}{X=361729.730；Y=3745038.054}2泄洪建筑物⑴潜孔溢洪道孔数孔6堰顶高程米227堰顶宽度米12一孔单宽流量立米/秒，米116设计情况消能方式挑流差动式鼻坎闸门尺寸（宽×高）米12×10设计泄洪量（p=1%）立米/秒11，140六孔校核泄洪量（p=0.2%）立米/秒12，220六孔⑵表孔非常溢洪道孔数孔1堰顶高程米238堰顶宽度米10单宽流量立米/秒，米101校核情况消能方式挑流扭曲斜鼻坎闸门尺寸（宽×高）米10×12最大泄洪量（p=0.2%）立米/秒1，010.⑶深式泄水孔孔数孔1堰顶高程米197单宽流量立米/秒，米164校核情况消能方式挑流平滑鼻坎72 西华大学毕业设计说明书孔口尺寸（宽×高）米5×6设计泄洪量（p=1%）立米/秒790校核泄洪量（p=0.2%立米/秒82072 西华大学毕业设计说明书2枢纽布置2.1厂房类型确定本枢纽工程大坝坝体为混凝土重力坝，根据初步判定，厂房类型可选择的有坝后式厂房、河床式厂房、地下厂房和岸边引水式厂房。因本水电站枢纽坝址所在处河流堵河系山溪性河流，河谷狭窄、滩多流急，坝址处横向空间较小。因此布置河床式厂房较不适宜，因为倘若布置为河床式厂房，会使坝体段，特别是溢流坝段的长度减小，当与洪水时不通顺，不能达到要求的泄洪流量，不能达到防洪效果。同时，因坝体的溢流坝段按照防洪设计要求，占用了较长的坝体长度。若布置为坝后式厂房，溢流坝段泄洪时，所产生的水雾以及震动等将对厂房造成影响，甚至可能干扰厂房的正常运行。并且厂房的尾水与溢流段的水流相隔太近，尾水的消能效果得不到保证，对下游的冲刷影响较大。若采用地下厂房，根据地形资料以及地质资料，可以看到，仅有坝体右岸的山体内适宜开挖地下厂房，而左岸下游侧的地势较为平坦，开挖地下厂房的稳定性不好。但右岸侧的山体山高坡陡，断裂构造发育，岩石较为破碎，有多条岩层分界线。在长期的物理作用下，岸坡表层稳定条件较差。因此右岸山体内开挖地下厂房的条件同样不理想，且开挖地下厂房的投资成本较高。若厂房类型选用引水式厂房，则厂房只适宜布置在左岸下游侧，因右岸地形地势较陡，布置引水式厂房没有合适的位置，并且开挖量比较大，也很难保证稳定。而在左岸下游侧布置引水式厂房，则仅需开挖较少方量即可，且左岸的地质条件相比右岸好得多。综合考虑，因地形位置因素，河床式厂房与坝后式厂房均不适宜，因地质条件因素，地下厂房不适宜，且开挖地下厂房的成本较高。故本水电站枢纽工程厂房采用岸边引水式厂房，在左岸上游侧布置进水口，通过引水隧洞或管道引水至左岸下游侧的厂房。72 西华大学毕业设计说明书3主要设备的选择3.1水轮机型号及主要参数选择水轮机是水电站中最主要的动力设备之一，它关系到水电站的工程投资、安全运行、动能指标及经济效益等重大问题，因此在水能规划的基础上，根据水电站水头和负荷的工作范围，正确的进行水轮机的选择是水电站设计中的主要任务之一。水轮机的选择，在确定水轮机的型号和有关参数时，应结合枢纽布置、工期安排以及水轮机的制造、运输、安装和运行维护等方面的因素，列出可能的水轮机待选方案，进行各方案之间的动能经济比较和综合分析，力求选出技术上先进可靠，经济上合理的水轮机．3.1.1水轮机机组台数和单机容量选择当机组台数不同时，单机容量不同，水轮机的直径、转速、效率和吸出高等也就不同，从而引起工程投资、运行效益及产品供应等情况的不同。本水电站总装机容量为15W千瓦，可考虑机组台数为1台、2台、3台、4台。从机组台数与机电设备制造的方面考虑，采用3台机组和4台机组的情况下，单位千瓦消耗的材料太多，且制造工作量大，安装时间也较多。且每台机组的容量过小，水轮机和发电机的生产都较为麻烦。从机组台数与水电站投资的方面考虑，机组台数过多时，相应的辅助设备等也会增多，势必会增加投资。但采用小机组时，厂房的起重能力、安装场地、基坑开挖量等可缩减，减少投资。但在大多数情况下，机组台数增多将会增加投资。从机组台数与水电站运行效率的方面考虑，较多机组台数能使水电站有较高的平均效率。因此若选用1台机组不适宜。从机组台数与水电站运行维护的关系方面考虑，机组台数多，运行方式较为灵活，但同时管理人员增多，因此也不适宜选用过多的机组台数。为了水电站的运行可靠性和灵活性，一般应不少于两台机组。并且为了接线等对称，大多数情况下都希望选用偶数组机组台数。综合考虑，本水电站枢纽选用两台机组，单机容量预算为7.5W千瓦。72 西华大学毕业设计说明书3.1.2水轮机型号选择根据水文资料等，已知本水电站的设计水头，最大水头，最小水头。可供选择的水轮机基本类型有混流式和轴流式。但混流式水轮机的适用水头范围广、且结构简单、运行稳定、效率高。相比轴流式水轮机应用也较为普遍，因此本水电站厂房工程采用混流式水轮机。根据电站的水头范围58.0m~84.3m，通过《水力机械》第二版附表一中模型转轮主要参数中的适宜水头范围选择HL220型水轮机。3.1.3水轮机主要参数选择3.1.3.1转轮直径的计算转轮直径式中为水轮机的额定出力，，式中为发电机效率，对大中型水轮发电机可取0.95~0.98，这里取为0.95。查表得HL220型水轮机在限制工况下的单位流量，效率取为0.91，设计水头为73m。计算得转轮直径为，根据系列尺寸选用接近而偏大的标准直径3.8m，以使水轮机有一定的富裕容量。3.1.3.2效率修正值的计算查水轮机模型参数表得，模型水轮机转轮直径为0.46m。考虑到制造工艺水平的情况取，由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管型式与模型基本相似，故认为，则效率修正值为：72 西华大学毕业设计说明书由此求得水轮机在限制工况下的效率为：与原来假定的效率91%相同。3.1.3.3转速的计算其中，为最优工况下原型水轮机相应的最优转速。且式中，查表得为70r/min。所以可忽略不计，则以代入计算。为避免水轮机转速过高，选择与之接近的标准同步转速150r/min。3.1.3.4工作范围的验算在选定的3.8m转轮直径、n=150r/min的情况下，水轮机的和各种特征水头下相应的转速值分别为：则水轮机的最大引用流量为：对值：在设计水头时，在最大水头时，72 西华大学毕业设计说明书在最小水头时，查HL220水轮机模型综合特性曲线图，分别画出，和的直线。可以看出这些直线所围成的范围基本上包括了特性曲线的高效率区，所以所选择的水轮机参数都比较合理。HL220模型特性综合曲线如下图：3.1.3.5水轮机吸出高的计算由水轮机的设计工况，在上图可查得相应的气蚀系数；由设计水头，在图上可查得，则可求得水轮机的吸出高为：72 西华大学毕业设计说明书3.2水轮机重量估算查《水电站设计手册水力机械分册》142页图2-55水轮机总重量估算曲线，根据转轮直径可得水轮机总重为210吨。3.3转轮重量估算查《水电站设计手册水力机械分册》143页图2-56水轮机转轮重量估算曲线，根据转轮直径及水头大小可查得水轮机转轮重量为45吨。3.4发电机型号的选择根据水轮机的转轮直径、转速等计算，同时根据发电机的额定容量参考资料选择发电机型号为SF75—40/854，悬式发电机。其各参数如下：额定转速定子铁芯外径定子铁芯内径定子铁芯长度定子机座高度上机架高度励磁机高度发电机主轴高度机座外径风罩内径转子外径水轮机基坑直径转子重定子重总重最大运输部件长宽高尺寸为7.8m、2.93m、2.3m3.5起重设备的选择水电站厂房起重设备一般采用桥式起重机或门式起重机，而桥式起重机又有单小车和双小车两种。72 西华大学毕业设计说明书3.5.1起重机的型号确定由发电机的型号选择以及水轮机重量知吊运件最重重量为330吨，查大吨位单小车桥式起重机主要参数表选择400/100t起重机，其各主要参数如下：主钩起升高度为26m副钩起升高度为35m主钩起升速度为副钩起升速度为小车运行速度为大车运行速度为主吊钩至轨面距离为900mm主吊钩至轨道中心距离副吊钩至轨道中心距离小车轨距小车长度起重机最大宽度轨面至起重机顶端距离轨面至缓冲器距离荐用大车轨道QU100起重机总重208吨小车重113吨两主钩之间距离轨道面至平衡梁挂钩的距离挂钩中心至上下环底距离72 西华大学毕业设计说明书图3—1单小车桥式起重机结构图72 西华大学毕业设计说明书4引水系统的设计4.1进水口设计在水利水电工程中，为发电供水等综合利用的目的，往往需要在天然河道、湖泊和调节池中取水，深式进水口及有压进水口为了适应这一需要而设置的一种水工建筑物，深式进水口应满足水工建筑物的一般要求，即结构安全、布置简单、施工方便、造价低廉以及可靠并适应注意美观。4.1.1进水口的类型为保证有较好的水流条件及水流流态，进水口采用有压进水口。有压进水口中分为坝式、岸式、塔式等几种。因坝式进水口适用于坝后式厂房和河床式厂房，而本水电站枢纽工程的厂房类型为岸边引水式，故坝式进水口不适用。岸式与塔式相比，岸式适用于岸坡地质条件良好的地方，且比较经济。而塔式则适用于岸坡地质条件较差的地方。而坝体左坝肩部分的地形地质条件都较好，因而考虑经济成本因素，本水电站枢纽工程厂房的进水口采用岸边式进水口。4.1.2供水方式的选择压力管道向多台机组供水的方式有三种，单元供水、联合供水和分组供水。本水电站仅设计有两台机组，因此分组供水不适用。联合供水方式在布置上较单元供水容易，但估算本水电站的单机引用流量较大，因此若采用联合供水，则主管道的规模较大，对于管道的生产以及运输安装都有较大的问题。且本水电站的引水道不长，因此设置单元供水管道的成本也不会很高。考虑到本水电站仅有两台机组，为保证发电的稳定性，最终决定采用单元供水方式。4.1.3引水道直径计算由水轮机选择计算知，水轮机单机最大引用流量为，为减少水头损失，流速应控制在1.5m/s左右。引水道经济直径为72 西华大学毕业设计说明书按经济流速计算取为减小引水道内的水锤压力值，引水道直径取稍大值，这里取D=6m。4.1.4进水口尺寸计算进水口的尺寸计算应主要包括进口段尺寸计算、渐变段尺寸计算、闸门段尺寸计算等。4.1.4.1进口段尺寸计算进口段顶板曲线采用1/4椭圆曲线。其中为椭圆曲线的长半轴，一般取（1~1.5）D，本设计取1.1D=6.6m。b为椭圆曲线的短半轴，一般取（1/3~1/2)D，本设计取1/3D=2m。则椭圆曲线为。一般情况下4.1.4.2渐变段尺寸计算渐变段是闸门段到压力管道的过渡段，其断面面积和流速应逐渐变化，使水流不产生漏流并尽可能减少水头损失。由矩形变成圆形通常采用四角加圆角过渡圆弧的中心位置和圆角半径r均按直线变化，渐变段长度根据经验，一般为压力管道的1.5~2.0倍，本设计取为1.6倍，即渐变段长度为9.6m。收缩角不超过10度，以6~9度为宜，本设计取为6度。渐变段长度收缩角取为72 西华大学毕业设计说明书图4—1进水口渐变段剖面图图4—2进水口渐变段平面图图4—3进水口渐变段断面图4.1.4.3闸门段尺寸计算闸门段是引水道和进口段的连接段，考虑进口的稳定性，进水口设支墩。闸门段设计为横断面为矩形的水平段，高度取为7m。如下图：72 西华大学毕业设计说明书图4—4进水口闸门段断面图4.1.4.4进水口尺寸验算为保证水流流态的稳定性，进水口的水流流速不宜过大。进口的面积应不小于下式的计算值：式中：为进口断面的面积为引水断面的面积（按渐变段末端计算）为引水道中心线水平面间夹角，本设计取为收缩系数，一般取0.6~0.7，本设计取由上式计算得：进口面积为满足流速要求4.1.4.5进水口尺寸示意图由前面的计算得出进水口的尺寸示意图如下：72 西华大学毕业设计说明书图4—5进水口结构尺寸示意图4.1.4.6通气孔和进人孔为保证当引水道充水时可以排气，在事故闸门之后设置一通气孔，同时可保证引水道排水时供气，避免引水道内产生较大负压。通气孔面积按下式计算：为进水口流量，这里取单机最大引用流量。为通气孔进气流速，一般为30~50m/s，这里取为40m/s。则通气孔面积为：为了便于进水口及压力管道的维护与检修，需设进人孔，其位置设在工作闸门之后。4.1.5进水口高程计算为保证进水口处于有压状态，以使水流流态稳定，进水口的高程应低于运行中可能出现的最低水位，并有一定的淹没深度。并应使进水口的底板高程高于水库淤沙高程1.0m~1.5m，但本水电站枢纽的水库淤沙高程较低，不影响进水口高程的选择与布置，因此该因素不予考虑。为避免进水口前出现吸气漏斗和漩涡的临界深度按下式计算：式中：为无漩涡的临界淹没水深72 西华大学毕业设计说明书为经验系数，一般取为0.55~0.73，对称进水时取小值，侧面进水时取大值，本设计取0.55计算。为闸门断面的水流流速，取闸门段面最大引用流量时的流速。为闸门孔口净高，本设计为7.0m。经计算得：综合分析并考虑到风浪的影响，取淹没深度为6.0m。则进水口底板高程为：4.2引水道设计引水道的路线选择是设计中的关键，它关系到隧洞的造价，施工难易，工程进度，运行可靠性等方面。4.2.1线路比较根据洞线选择条件初步选择两条引水线路，从工程地质平面图上可以看出，因坝址处距离下游大峡沟沟口处较近，且根据上游地质条件选择的进水口位置距离坝址也较近，使得引水线路距离较短，因此整段引水线路均采用压力钢管布置。所选择的两条引水线路分别以1#和2#表示，1#、2#的进水口均布置在左岸上游侧140m处，穿过左岸山体布置引水管道。现分别就所选两条线路从各方面进行比较，以选择合理的方案进行设计。从进水口处的地质条件来看，1#和2#的进水口相同，地质条件均较好，岸坡处无破碎带，稳定性均较好。从线路距离来看，1#和2#线路距离相差不大，所以从洞线的开挖、压力钢管的耗用量、施工工期、工作量等方面来说，1#和2#线路均差不多。从施工干扰程度来看，2#线路距离坝体过近，因此与主坝体的施工干扰程度大，而1#在这一方面则较有优势，距离主坝体较远，互相施工影响小。从引水线路地质条件来看，1#线路的地质条件较好，而2#线路在上、下游均有小部分距离经过地质条件不好的区域，但基本上不影响压力管道的安全性。另外考虑因素，2#线路的优势在于进厂公路较好布置，1#优势在于管道线路的转弯角度较小，且尾水线路较短，开挖量小。72 西华大学毕业设计说明书综合以上因素，并考虑到厂房的位置布置，以及尾水道的布置，确定1#线路为最终引水线路设计方案。4.3调压室设计4.3.1调压室作用在引水线路上设置调压室后，利用调压室扩大的断面积和自由水面，水锤波就会在调压室反射到下游去。这样就相当于把引水系统分为两段，调压室以前这段引水道，基本上可以避免水锤压力的影响；调压室以后的压力管道，由于缩短了水锤波传递的路程，从而减少了压力管道中的水锤值，改善了机组运行条件及供电质量。4.3.2调压室的设置判断由于设置调压室增加了建造费用和维护费，调压室的投资有时几乎占引水系统投资的1/~1/5，相当于厂房的土建投资，因此是否设置调压室，必须经过电站的引水系统与机组联合调节保证计算及电站稳定运行综合分析，进行技术经济比较加以论证。72 西华大学毕业设计说明书初步分析时，可用表征压力引水系统惯性大小的水流加速时间，也称作压力引水道的惯性时间常数值来判断设置上游调压室的条件，其式为：上式中：为压力引水道（包括蜗壳及尾水管）各段之长度；为上述各段水道相应的流速；为重力加速度；为水轮机的设计水头；为的允许值，一般取为2~4s。根据在地质平面图上引水线路的布置，由比例测量出压力水道长度约为460m。压力水道中的流速取为各段水道的平均流速，取为4m/s。设计水头为73.0m。则综合经济比较后，不设置调压室。4.4调节保证计算4.4.1调节保证计算的任务计算有压引水系统的最大和最小内水压力，最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据；最小内水压力作为压力管道线路布置，防止管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据。计算丢弃负荷和增加负荷时转速变化率，并检验其是否在允许的范围内。选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证压力和转速变化不超过规定的允许值。研究减小水击压强及机组转速变化的措施。4.4.2调节保证计算的目的正确合理地解决导叶启闭时间、水击压力和机组转速上升值三者之间的关系，最后选择适当的导叶启闭时间和方式，使水击压力和转速上升值均在经济合理的允许范围内。72 西华大学毕业设计说明书4.4.3调节保证计算的标准机组在丢弃负荷的过程中，一般情况下，最大转速上升率，对于大型电站，对于冲击式机组。机组在丢弃全负荷时，若电站设计水头小于40m，允许的最大压力上升率为0.5~0.7，若电站的设计水头大于40m小于100m，允许的最大压力上升率为0.3~0.5，若电站的设计水头大于100m，允许的最大压力上升率为小于0.3。4.4.4调节保证计算的内容丢弃全负荷或部分负荷时：机组转速最大升高值、压力管道及蜗壳内的最大水击压强、尾水管真空度校核，同时应注意开度变化时的反击水击是否超过了增加负荷时的水击值。增加全负荷或部分负荷时：机组转速最大降低值，只对单独运行的电站计算，加入系统运行的地在那还能，转速受系统频率的制约，不可能有很大的降低、压力管道和蜗壳内最大压力降低值。4.4.5调节保证计算过程水电站的调节保证计算一般按以下两种工况计算，并取较大值：在设计水头下丢弃全负荷，通常发生最大转速上升率。在最大水头下丢弃全负荷，通常发生最大水锤压力。4.4.5.1调节保证计算基本数据由前面计算可知，压力管道长度取为460m，压力钢管直径为6m。压力钢管属于地下埋式钢管，则水击波速为1200m/s。机组转速为150r/min，单机最大引用流量为。导叶启闭时间初选为6s，计算结果如不满足要求，依次按7s、8s、9s计算。水电站设计水头为73.0m。水电站最大水头为84.3m。4.4.5.2设计水头下丢弃全负荷计算72 西华大学毕业设计说明书相长为：导叶启闭时间为：，因此此时发生的是间接水锤。水流最大速度为：管道特性系数为：丢弃全负荷时：，，所以发生末相水击。根据调节保证计算标准，水锤压力上升率不满足要求，不再计算转速上升率。取导叶启闭时间为7s，同上述计算一样，发生间接水锤。水流最大速度为：管道特性系数为：丢弃全负荷时：，，所以发生末相水击。水锤压力值为：总压力值为：72 西华大学毕业设计说明书转速上升率为（按列宁格勒金属工厂公式计算）：上式中：为机组额定容量，为7.5万KW。为导叶关闭至空转开度的历时，对于混流式和水斗式水轮机，对于轴流式水轮机。这里取。为水锤影响系数，查水电站建筑物教材141页图9-15水锤影响系数根据管道特性系数得。飞轮转矩的计算：上式中：为经验系数，查水电站机电设计手册水力机械分册167页表3-10，根据转速为150r/min查得该系数为5.2。为定子铁芯内径（m）。为定子铁芯长度（m）。则将以上数值代入转速上升率公式得：机组转速最高值：由以上计算知，当导叶启闭时间为7s时，在设计水头下丢弃全负荷，水锤压力上升值与转速上升率均在规定范围内。4.4.5.3在最大水头下丢弃全负荷计算导叶启闭时间为：，因此此时发生的是间接水锤。72 西华大学毕业设计说明书水流最大速度为：管道特性系数为：丢弃全负荷时：，，所以发生末相水击。水锤压力值为：总压力值为：转速上升率为（按列宁格勒金属工厂公式计算）：上式中：为机组额定容量，为7.5万KW。为导叶关闭至空转开度的历时，对于混流式和水斗式水轮机，对于轴流式水轮机。这里取。为水锤影响系数，查水电站建筑物教材141页图9-15水锤影响系数根据管道特性系数得。同设计水头下丢弃全负荷计算一样，飞轮转矩为：将以上数值代入转速上升率公式得：72 西华大学毕业设计说明书机组转速最高值：由以上计算知，当导叶启闭时间为7s时，在最大水头下丢弃全负荷，水锤压力上升值与转速上升率均在规定范围内。因整个有压引水系统的压力上升值与转速上升率均在规定范围内，若按管道、蜗壳以及尾水管三部分的水体动量为权，对水锤压力进行分配，则管道和蜗壳的水锤压力值必然也在规定范围内。4.4.5.4尾水管进口处负压计算尾水管进口处水锤压力计算：取尾水管平均流速与引水系统平均流速一致，为4.28m/s，取尾水管长度为30m。则尾水管进口处水锤压力为：尾水管进口处真空度为：满足要求。4.5水头损失计算引水系统中水头损失主要包括沿程水头损失和局部水头损失两种。4.5.1沿程水头损失计算沿程水头损失一般计算公式为：上式中：为沿程水头损失系数，其值与管壁光滑程度有关，查《水电站建筑物设计参考资料》得其值为0.007。为钢管内径，即6m。为水流速度，即4.28m/s。72 西华大学毕业设计说明书为计算管段长度，取进水口到蜗壳处距离，约为420m。则4.5.2局部水头损失计算压力管道的局部水头损失包括进口损失（进口水流收缩、拦污栅、闸门槽、渐变段等）、钢管转弯损失、渐变锥管处损失、分岔管损失和闸门损失等。局部水头损失公式为：上式中：为局部水头损失系数，与周界变化的几何形状、尺寸有关。查水电站建筑物设计参考资料知各部分局部损失系数如下：喇叭进口，局部水头损失系数一般为0.01~0.05，这里取为0.02。拦污栅处，局部水头损失系数取为0.1。闸门槽，局部水头损失系数一般为0.05~0.20，这里取为0.1。渐变段，局部水头损失系数取为0.05。转弯，局部水头损失系数为：本引水线路中共有3处转弯，平面转弯1处，立面转弯2处。上式中：D为钢管直径；R为转弯半径；为转弯角度。平面转弯局部水头损失系数为：立面转弯局部水头损失系数为：72 西华大学毕业设计说明书则整个引水线路局部水头损失系数之和为：局部水头损失为：4.6压坡线的绘制图4—6引水系统布置示意图图4—7压坡线示意图72 西华大学毕业设计说明书5厂房布置设计厂房的布置设计包括平面设计、剖面设计和立面设计三个部分。需要根据地形资料、工程地质和水文地质资料、水文资料、气象资料、水能规划资料、主机组和机电设备资料、建筑材料供应和交通运输情况等来进行布置设计。5.1蜗壳尺寸的确定本水电站枢纽工程的总装机容量为15W千瓦，查表知属于中型工程。本建筑物的初步设计是建立在已经选定的水轮机和发电机型号基础上的。水轮机的型号是HL220，转轮直径3.8m。本水电站设计水头为因此选用金属蜗壳对任一蜗壳断面有其中：为任一蜗壳断面流量为水轮机最大流量为进口断面平均流速为断面半径为断面外半径断面平均流速上式中K为流速系数，3.0m时为1.0，300.0m时为0.57，采用内插法取得其值为0.9。对于进口断面：断面流量为断面面积为断面半径为同时根据转轮直径以及设计水头，查《水力机械》附录二得：座环外径内径72 西华大学毕业设计说明书座环外半径内半径则从轴中心线到蜗壳外缘半径图5—1座环尺寸图对蜗壳内任一断面，根据计算要求，取若干个包角计算断面，便可绘制出蜗壳断面单线图，计算结果如下表：表5—1蜗壳断面计算成果表00002.925155.040.660.463.8453010.011.300.644.2054515.111.960.794.5056020.152.620.914.7457525.193.281.024.9659030.233.931.125.16510535.264.591.215.34512040.305.241.295.50513545.345.901.375.66515050.386.551.445.80572 西华大学毕业设计说明书16555.417.211.515.94518060.457.861.586.08519565.498.521.656.22521020.539.171.716.34522575.569.831.776.46524080.6010.481.836.58525585.6411.141.886.68527090.6811.771.946.80528595.7112.451.996.905300100.7513.102.047.005315105.7913.762.097.105330110.8314.412.147.205345115.8615.072.197.305图5—2金属蜗壳单线图72 西华大学毕业设计说明书5.2尾水管单线图的绘制根据水轮机的选择计算知水轮机型号为HL220—LJ—380，水轮机转轮标称直径为3.8m。查《水力机械》第二版表4—7得尾水管参数及尺寸如下表：型式参数2.64.52.721.351.350.6751.821.22尺寸9.8817.110.3365.135.132.5656.9164.636为减少尾水管的开挖深度，采用弯肘形尾水管，弯肘形尾水管由进口直锥段、肘管和出口扩散段组成。5.2.1进口直锥段计算查《水电站机电手册》水力机械分册知，。则进口锥管高度为。对混流式水轮机锥管的单边扩散角可取7~9度，出口直径。则锥管的单边扩散角为。进口锥管上下直径：。5.2.2肘管计算肘管是一90度变截面弯管，其进口为圆断面，出口为矩形断面，水流在肘管中由于转弯收到离心力作用，使得压力和流速分布很不均匀，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，一般推荐使用合理半径。外壁用上限，内壁用下限。5.2.3出口扩散段计算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。72 西华大学毕业设计说明书顶板仰角一般为10~13度，这里取为11.5度。则，在（2~3）范围内。5.2.4尾水管高度尾水管总高度是由导叶底环平面到尾水管之间的垂直高度，对于混流式水轮机可取。取5.2.5尾水管单线图图5—3尾水管尺寸图5.3厂房平面尺寸计算主厂房的上部结构部分有主机室和装配场。主机室又称主机间，其内部布置必须与厂房枢纽各建筑物相协调，布置要求合理，运行安全，维护方便。5.3.1主厂房长度计算主厂房的长度为：上式中：为机组台数为机组段长为端机组附加长为安装间长度72 西华大学毕业设计说明书5.3.1.1机组段长的确定机组段的长度主要由蜗壳层、尾水管层和发电机层的尺寸确定。机组段的长度，其中为机组段+x方向的最大长度，为机组段-x方向的最大长度。计算机组段长度时按蜗壳层、发电机层、尾水管层分别进行计算，然后取其中的最大值。5.3.1.1.1按蜗壳层计算机组段长按蜗壳层计算时，。其中：为时的半径，则。为时的半径，则。、为蜗壳外部混凝土厚度，初步设计时取1.2m~1.5m，这里取为1.4m。则。5.3.1.1.2按尾水管层计算机组段长按尾水管层计算时，。其中：B为尾水管出口宽度。为混凝土边墩厚度，初步设计时取1.5m~2.0m，这里取1.8m。则。5.3.1.1.3按发电机层计算机组段长按发电机层计算时，。其中：为发电机风罩内径。为发电机风罩壁厚，一般取0.3m~0.4m，这里取0.4m。为两台机组风罩外壁净距，一般取1.5m~2.0m，这里取1.8m。则。由上述三个层面对机组段长的计算，取最大值，并且为了保证上下楼梯、励磁装置、出线和引水管道的布置需要，取机组段长为17.5m。72 西华大学毕业设计说明书5.3.1.1.4尺寸调整为保证三个层面的计算长度统一，需对尺寸进行调整。蜗壳层的混凝土厚度取为2.215m。则尾水管层混凝土边墩厚度取为3.582。则发电机层机组风罩外壁净距取为2.0m，发电机风罩壁厚取为1.35m。则5.3.1.2安装间长度的计算本设计中，取装配室与主机室宽度相等，以便利用起重机沿主厂房纵向运行。装配场长度一般约为机组段长的1.0~1.5倍，这里取为1.4倍。则安装间长度为。5.3.1.3端机组附加长的计算端机组附加长一般为转轮直径的0.1~1.0倍，这里取为0.5倍。则。5.3.1.4厂房的总长度由上述三部分的计算，得到主厂房的长度为：。最终取厂房宽度为62m。5.3.2主厂房宽度计算4.3.2.1按上下游厂房宽度计算以机组中心线为界，厂房宽度B分为上游宽度和下游宽度两部分。5.3.2.1.1上游侧宽度计算72 西华大学毕业设计说明书上游侧宽度为：其中：为发电机风罩内径。为发电机风罩壁厚，一般取0.3m~0.4m，这里取0.4m。为风罩外壁到上游墙内侧的净距，本设计取为5m。则。5.3.2.1.2下游侧宽度计算需满足蜗壳在—y方向的尺寸和蜗壳外混凝土厚度的要求。对发电机层：，同上游侧一样，发电机风罩内径为12.6m，发电机风罩壁厚为0.4m。A为风罩外壁到下游墙内侧的净距，主要用于主通道，一般取为2m。则。对蜗壳—y方向：其中：为时的，即。为混凝土保护层厚度，取为1.5m。则。由上述计算，取计算最大值，则。经计算，厂房宽度为：。5.3.2.2根据桥机跨度计算厂房宽度根据前面起重机的选择知，桥机的跨度为19m。由牛腿上部计算：式中：为桥机跨度，为19m。为桥机端部与轨道中心线的距离，取0.4m。为桥机端部与上柱内面间距取0.4m。72 西华大学毕业设计说明书为牛腿上部立柱截面高度取0.8m。则由牛腿下部计算：式中：为桥机跨度，为19m。为为偏心距，取0.25m。为牛腿下部立柱截面高度，取1m。则由上述计算各分类计算取最大值，得厂房宽度为22.2m。图5—4桥机端部结构示意图5.3.3主厂房的剖面设计主厂房的剖面设计又称竖向设计，主要是解决垂直方向空间处理上有关问题。它与平面设计是一个整体，设计时必须统一考虑。根据水电站生产电能的需要，合理的确定主、副厂房上、下结构各部分的高程，满足通风、采光需要及发电、配电的合理安排，全面综合分析研究做出经济合理、技术可能的方案，为运行人员的操作运行管理创造优良的工作环境。5.3.3.1水轮机安装高程计算主厂房剖面设计中具有决定意义的是水轮机安装高程，属于控制性高程，它取决于水轮机的机型、允许的吸出高度和电站建成后的厂房下游最低水位。72 西华大学毕业设计说明书本水电站所采用的是竖轴混流式水轮机，则其安装高程为：式中：为水电站厂房建成后下游设计最低水位，全厂有1~2台机组时，取1/2台机组流量相应的尾水位；有3台或4台机组时，取1台机组流量相应的尾水位；有5台机组及5台以上机组时，取1.5~2台机组流量相应的尾水位。本水电站设计中，机组台数为2台，因此所取流量为120.9/2=60.45，查流量~水位图得相应的下游水位为161.3m。为导水叶高度，一般为，本设计取为0.25倍，则。吸出高由前面的计算已知，即。则5.3.3.2主厂房基础开挖高程计算从水轮机安装高程向下量取到尾水管出口顶面的距离，加上所选用的尾水管出口高度及尾水管底板混凝土厚度，就得到厂房基础开挖高程，可用下式表示：上式中：可由尾水管尺寸计算过程得到，即。尾水管底板混凝土厚度，根据地基性质和尾水管结构形式而定，本设计取为1.5m。则5.3.3.3水轮机层地面高程计算从水轮机安装高程向上量取蜗壳进口半径和蜗壳顶混凝土层，可得水轮机层地面高程。金属蜗壳的保护层一般不少于1.0m。水轮机层地面高程一般取100mm的整倍数。可用下式表示：72 西华大学毕业设计说明书上式中：从蜗壳水力计算表中可以得到蜗壳进口直径为蜗壳包角为时的半径，即为2.19m。蜗壳顶部混凝土厚度可取1m。则这里取水轮机层地面高程为167.8m。5.3.3.4发电机装置高程计算从水轮机地面高程加上发电机机墩进人孔高度和进人孔顶部厚度，就可得到发电机定子装置高程。可用下式表示：上式中：一般取为1.8~2.0m，本设计取为2.0m。一般取为1.0m。则5.3.3.5发电机层楼板高程计算从水轮机层地面高程加上机墩高、定子高和上机架埋深即可得发电机层楼板高程。则发电机层楼板高程为：=172.8m为保证下游洪水不淹厂房，需保证满足要求。下游最高尾水位162.5m<172.8m，满足要求。则发电机层楼板高程为172.8m。5.3.3.6起重机（吊车）安装高程从发电机层楼板高程加上发电机在楼板以上出露部分高度、（发电机转子带轴、水轮机转轮带轴、主变）三者中的高度最大值、起吊设备与地面的安全距离、设备顶与吊钩间距离、吊钩至轨顶面距离即可得吊车的安装高程。可用下式表示：72 西华大学毕业设计说明书上式中：为发电机定子高度和上机架高度之和（如果发电机定子为埋入式布置），则仅为上机架高度。本设计中为1.56m。为吊运部件与固定的机组或设备间的垂直净距，这里取为1.0m。为最大吊运部件的高度，根据发电机最大吊运部件尺寸得高度为8.16m。为吊运部件与吊钩之间的距离，一般为1.0~1.5m左右，这里取为1.5m。为主钩最高位置至轨顶面距离，从起重机参数表中查得为0.9m。5.3.3.7屋顶高程计算当吊车轨顶高程确定后，根据已知轨顶至吊车顶端高度，加上为检修吊车需在小车上留有0.5m的高度，根据屋面大梁的高度、屋面板厚度、屋面保温防护层厚度，确定屋顶上缘高程。根据起重机参数得轨顶至吊车顶部高度为6450mm。屋面大梁高通常为1/8~1/12厂房宽度，这里取为1/10厂房宽度，即2.22m。混凝土屋面板厚度取为0.2m。保温防护层厚度取为0.1m。则5.3.3.8装配场楼板高程计算因发电机层楼板高程高于下游水位，则为运输方便装配场楼板高程取与发电机层楼板高程相同，即为172.8m。5.4厂房枢纽布置5.4.1安装间的位置选择及计算因为进厂的公路在主厂房的左侧，为了运输方便，把安装间布置在厂房的左侧。由前面的计算已知安装间的长度72 西华大学毕业设计说明书，宽与主厂房同宽为22.2m。安装间地面高程为174.3m与发电机层同高，这样可以利用紧邻的机组场地进行安装、检修。为满足主变能推入安装间进行维修，在安装间下游侧设置了尺寸为的变压器坑，在厂房上游侧设有的吊物孔，供调运设备用，靠上游侧设有检修运行用的楼梯。对安装间的具体说明如下：发电机转子直径周围应有2.0m的空隙，以供安装磁极之用。发电机上机架周围留有1.0m的间隙，供作通道用。水轮机顶盖及转轮周围有1.0m的空隙，以作通道之用。由于主变压器较为高大，要检修主变压器，必须沿轨道将主变压器推进装配场，要利用主厂房内的起重机将变压器铁芯从芯壳内吊出。5.4.2尾水平台的布置每台机组的尾水管出口分为两孔，本水电站共4个尾水出口。每孔尺寸为，中间墩宽为1.0m。尾水闸门尺寸为。两台机组共设有2套闸门，4个尾水出口共用两套闸门，并通过一台电动活动式尾水闸门启闭机移动闸门。5.4.3厂房电气设备布置5.4.3.1主变压器的布置因主变压器电压较高，故主变压器应布置在厂外。同时应尽量靠近厂房内的机组，可缩短昂贵的发电机电压母线的长度，减少电能损失和故障机会，并应满足防火、防雷等安全要求。根据以上要求以及地形上的限制，现将主变压器布置在厂房的上游侧，并紧靠厂房上游面。5.4.3.2开关站的布置从运行上来看，开关站应与升压变压器布置在统一高程，多数布置在岸边，以便于运行人员检查和维护。为节省高压导线和简化构架，要求开关站尽可能靠近升压变压器场。本设计中开关站布置在厂房上游侧，主变压器场的右侧，并紧邻主变压器场72 西华大学毕业设计说明书5.4.3.3副厂房的布置通常引水式电站的副厂房布置在主厂房的上游侧，但考虑到本枢纽的主厂房位置处的山体高程，若在主厂房上游侧布置副厂房，则开挖量较大，且副厂房上游侧的通风、采光条件均不好。依据地形条件，选择副厂房布置在主厂房左侧。则主变站和开关站均布置在主厂房的上游侧，这样也有利于减小高压母线的长度，减小成本，且布线较为方便。主变站靠左侧，开关站靠右侧。72 西华大学毕业设计说明书6结构设计6.1工作闸门结构设计6.1.1闸门基本资料闸门形式：潜孔式平面钢闸门；孔口净宽：6.0m；孔口净高：7.0m；结构材料：选用Q235钢；设计水头：31.0m。6.1.2闸门的结构形式及布置6.1.2.1闸门的尺寸确定闸门高度：考虑防漏等要求，闸门高度取为7.2m；闸门的荷载跨度为两侧止水的间距6m；闸门的计算跨度为6.1.2.2主梁的形式主梁是平面钢闸门的主要受力构件，根据闸门的跨度和水头大小，主梁的形式有扎成梁、组合梁和桁架。扎成梁用于小跨度，低水头的闸门，可采用实腹式和桁架式；对于中等跨度（5~10m）常采用实腹式和组合梁，为缩小门槽宽度和节约钢材，常采用变高度的主梁；对于大跨度的闸门，则宜采用桁架式闸门。本设计跨度为6m，则选用实腹式组合梁的形式。6.1.2.3主梁的布置根据闸门的高跨比初步选择两根主梁，经计算所需面板厚度达30mm，钢板的制造较难。因本闸门的水头较大，闸门上下部分所承受的水压力相差不大，这里改选选用主梁均匀布置的形式，根据水头的大小，选择均匀布置五主梁。则主梁间距为1.2m。72 西华大学毕业设计说明书6.1.2.4梁格的布置和形式梁格采用等高布置，水平次梁穿过横隔板上的预留孔并被横隔板所支承。水平次梁为连续梁，其间距也均匀布置，两主梁之间布置一水平次梁。6.1.2.5连接系的布置和形式横向连接系，根据主梁的跨度以及水头大小，决定布置7道横隔板，其间距为0.8m，横隔板兼做竖直次梁。6.1.3面板设计根据SL—74—95《水利水电工程钢闸门设计规范》修订送审稿，关于面板的计算，应先估算面板厚度，然后在主梁界面选择之后再验算面板的局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力。6.1.3.1估算面板厚度面板的厚度按下式计算：当时，，则当时，，则列表计算如下：表6—1面板厚度的估算区格a（mm）b(mm)b/akP(N/mm2)t(mm)1（顶梁）6007901.320.4980.2360.34314.4126007901.320.4170.2420.31813.363（主梁）6007901.320.4170.2480.32213.5246007901.320.4170.2540.32513.655（主梁）6007901.320.4170.2600.32913.8266007901.320.4170.2660.33313.9972 西华大学毕业设计说明书7（主梁）6007901.320.4170.2710.33614.1186007901.320.4170.2780.34014.289（主梁）6007901.320.4170.2840.34414.45106007901.320.4170.2890.34714.5711（主梁）6007901.320.4170.2950.35114.74126007901.320.4170.3010.35414.8713（底梁）6007901.320.4980.3070.39116.42根据上表的计算，选用面板厚度为t=16mm。6.1.3.2面板与梁格的连接计算面板局部挠曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横拉力P按下式计算，已知面板的厚度为16mm，并且近似地取板中最大弯应力，则面板与主梁连接焊缝方向单位长度内的剪力为：面板与主梁连接的焊缝厚度为：面板与梁格连接的焊缝取为。6.1.4水平次梁、顶梁和底梁设计6.1.4.1荷载与内力计算水平次梁和顶、底梁都是支承在横隔板上的连续梁，作用在它们上面的水压力可按下式计算：荷载计算如下表：72 西华大学毕业设计说明书表6—2水平次梁、顶梁和底梁均布荷载的计算梁号梁轴线处水压力强度p（kN/mm2）梁间距（m）（m）（kN/m）1（顶梁）00.62239.360.6143.620.63（主梁）245.250.6147.150.64251.140.6150.680.65（主梁）257.020.6154.210.66262.910.6157.750.67（主梁）268.790.6161.210.68274.680.6164.810.69（主梁）280.570.6168.340.610286.450.6171.870.611（主梁）292.340.6175.400.612298.220.6178.930.613（底梁）304.110.6182.47因顶梁所在位置无水压力，故不计算。根据上表计算得水平次梁计算荷载取为178.93kN/m，水平次梁为八跨连续梁，跨度为0.8m，水平次梁弯曲时的边跨中弯矩为：支座B处的负弯矩为：72 西华大学毕业设计说明书图6—1水平次梁荷载示意图6.1.4.2截面选择根据所需的截面模量，查表初步选择[14a，由附表知：面板参加次梁工作有效跨度分别按下式计算，然后取其中较小值。式1式2（对跨间正弯矩段）（对支座负弯矩段）按12号梁计算，梁间距为600mm，确定式2中面板有效宽度系数时，需要知道梁弯矩零点之间的距离与梁间距b之比值。对于第一跨中正弯矩段取。对于支座负弯矩段取。根据值查表得：对于，得。则对于，得。则对第一跨中选用B=254mm，则水平次梁组合截面面积为：72 西华大学毕业设计说明书图6—2第一跨中面板参加水平次梁工作组合截面（单位：mm）组合截面形心到槽钢中心线的距离为：跨中组合截面的惯性矩及截面模量为：对支座选用B=102mm，则组合截面面积为：组合截面形心到槽钢中心线距离为：支座处组合截面的惯性矩及截面模量为：72 西华大学毕业设计说明书图6—3支座处面板参加水平次梁工作组合截面（单位：mm）6.1.4.3水平次梁的强度验算由于支座B处弯矩最大，而截面模量最小，故只需验算支座B处截面的抗弯强度，则有：因此，水平次梁选用槽钢14a满足要求。6.1.4.4水平次梁的挠度验算受均布荷载的等跨连续梁，最大挠度发生在边跨，由于水平次梁在B支座处的截面弯矩已经求得，则边跨挠度可近似地按下式计算：则水平次梁选用槽钢14a满足强度和刚度要求。6.1.4.5顶梁和底梁顶梁所承受的荷载很小，为保证刚度要求，顶梁和底梁都选用槽钢14a。72 西华大学毕业设计说明书6.1.5主梁设计6.1.5.1设计基本数据主梁跨度：净跨为6.0m，计算跨度为6.4m，荷载跨度为6.0m；闸门总水压力为1888KN/m，则主梁荷载为377.6KN/m，五根主梁均匀分布，最下面的主梁所承受的荷载最大，这里取400KN/m计算；横向隔板间距为0.8m；主梁容许挠度为。6.1.5.2主梁计算主梁计算内容包括：截面选择、梁高改变、翼缘焊缝、腹板局部稳定验算、面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力验算。6.1.5.2.1截面选择弯矩与剪力。弯矩与剪力的计算如下：需要的截面模量。已知Q235钢的容许应力为，考虑钢闸门的自重引起的附加应力的作用，取容许应力为。则需要的截面模量为：腹板高度选择。按刚度要求的最小梁高为：经济梁高为：72 西华大学毕业设计说明书由于钢闸门中的横向隔板重量将随主梁增高而增加，故主梁的高度宜选得比经济梁高小，但不小于最小梁高。现选用腹板高度为。腹板厚度选择。按经验公式计算：考虑弯矩较大，这里选用腹板厚度为2cm。翼缘截面选择。每个翼缘需要截面面积为：下翼缘选用需要，选用，在之间。上翼缘的部分面积可利用面板，故只需设置较小的上翼缘板同面板相连，选用。面板兼做主梁上翼缘的有效宽度为：上翼缘面积为：弯应力强度验算。主梁跨中截面的几何特性如下表：表6—2主梁跨中截面的几何特性部位截面尺寸（）截面面积A（）各形心离面板表面距离各形心离中和轴距离（）面板部分185.60.8148.5-45.6385929上翼缘板402.6104-43.878738腹板24063.61526417.271002下翼缘78124.69718.878.2476989合计543.625235101065872 西华大学毕业设计说明书截面形心矩为：截面惯性矩为：截面模量为：上翼缘顶边下翼缘底边弯应力为：（安全）图6—4主梁跨中截面尺寸结构图（单位：mm）整体稳定性与挠度验算。因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按规范规定可不必验算整体稳定性。又因梁高大于按刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。6.1.5.2.2截面改变72 西华大学毕业设计说明书因主梁跨度较大，为减小门槽宽度和支撑边梁高度以节省钢材，有必要将主梁支承端腹板高度减小为。梁高开始改变的位置取在邻近支承端的横向隔板下翼缘的外侧，离开支承端的距离为800-10=790mm。剪切强度验算，考虑到主梁端部的腹板及翼缘都分别同支承边梁的腹板及翼缘相焊接，故可按工字形截面来验算剪应力强度。主梁支承端截面的集合特性如下表：表6—3主梁端部截面的几何特性部位截面尺寸（）截面面积A（）各形心离面板表面距离各形心离中和轴距离（）面板部分185.60.8148.5-25.6121635上翼缘板402.6104-23.822658腹板14436.64702.413.225091下翼缘7876.65974.850.2196563合计447.611800365947截面形心矩为：截面惯性矩为：截面下半部对中和轴的面积矩为：剪应力为：72 西华大学毕业设计说明书（安全）图6—5主梁支承端截面尺寸结构图（单位：mm）6.1.5.2.3翼缘焊缝翼缘焊缝厚度按受力最大的支承端截面计算。最大剪力为，截面惯性矩为。上翼缘对中和轴的面积矩为：下翼缘对中和轴的面积矩为：需要的焊缝厚度为：全梁的上、下翼缘焊缝均采用。6.1.5.2.4面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算72 西华大学毕业设计说明书从面板的厚度计算可见，直接与主梁相邻的面板区格，只有区格11所需要的板厚较大，这意味着该区格的长边中点应力也较大，所以选取区格11按下面各式验算其长边中点的折算应力。面板区格11在长边中点的局部弯曲应力为：对应于面板区格11在长边中点的主梁弯矩和弯应力为：面板区格11的长边中点的折算应力为：上面各式中、和的取值均以拉应力为正号，压应力为负号。故面板厚度选用16mm，满足强度要求。6.1.6横隔板设计6.1.6.1荷载和内力计算横隔板同时兼做竖直次梁，它主要承受水平次梁、顶梁和底梁传来的集中荷载以及面板传来的分布荷载，计算时可把这些荷载用以三角形分布的水压力来代替，并且把横隔板作为支承在主梁上的双悬臂梁。则每片横隔板在上悬臂的最大负弯矩为：横隔板截面选择和强度验算。横隔板腹板选用与主梁腹板同高，采用，上翼缘利用面板，下翼缘采用的扁钢。上翼缘可利用面板的宽度按72 西华大学毕业设计说明书确定，其中b=800mm，按，查表得。则，取B=500mm。计算横隔板截面几何特性：截面形心到腹板中心线的距离为：截面惯性矩为：截面模量为：验算弯应力：由于横隔板截面高度较大，剪切强度更不必验算。横隔板翼缘焊缝采用最小焊缝厚度。图6—6横隔板结构尺寸图（单位：mm）72 西华大学毕业设计说明书6.1.7纵向连接系设计6.1.7.1荷载和内力计算纵向连接系承受闸门自重。潜孔式平面滚轮闸门门叶自重按下式计算：上式中：为孔口面积；为闸门工作性质系数，对于工作闸门与事故闸门，对于检修闸门与导流闸门；孔口高宽比修正系数，当时，，当时，其它情况。水头修正系数，当时，，当时，。则闸门自重为：下游纵向连接系承受6.1.7.2斜杆截面计算采用两根斜杆连接各主梁，则斜杆内承受的最大拉力为90.7kN，同时考虑闸门偶然扭曲时可能承受压力，故长细比的限制应与压杆相同，即。选用单角钢└，查表得：截面面积为：回转半径为：斜杆计算长度为：长细比为：72 西华大学毕业设计说明书验算斜杆强度：考虑单角钢受力偏心的影响，将容许应力降低15%进行强度验算。6.1.8边梁设计边梁的截面形式有单腹式和双腹式两种。单腹式边梁构造简单，便于与主梁连接，但抗扭刚度差，这对于因闸门弯曲变形、温度变化引起的胀缩及其他偶然力作用而在边梁中产生扭距的情况是不利的。单腹式截面的边梁主要适用于滑道式支承的闸门，也适于悬臂轮式的小型定轮闸门，但必须在边梁腹板内侧的两主梁之间增加一道轮轴支承板。双腹式边梁抗扭刚度大，也便于设置滚轮和吊轴，但构造复杂且用钢量较多，双腹式边梁广泛用于定轮闸门。本设计边梁选用双腹式，边梁的截面尺寸按构造要求确定，即截面高度与主梁端部高度相同，腹板厚度与主梁腹板厚度相同，为了便于安装压合胶木滑块，下翼缘宽度不宜小于300mm。这里选择上翼缘尺寸为，腹板尺寸为，下翼缘尺寸为。边梁是闸门的重要受力构件，由于受力情况复杂，故在设计时可将容许应力值降低20%作为考虑受扭影响的安全储备。6.1.8.1荷载和内力计算72 西华大学毕业设计说明书图6—7边梁尺寸结构图（单位：mm）图6—8滚轮布置图图6—9结构弯矩图（单位KN·m）72 西华大学毕业设计说明书图6—10结构剪力图(单位：KN)在每侧边梁各设5个滚轮，其布置位置为：闸门下侧4根主梁的位置对应4个滚轮，第一根主梁和顶梁中点设一个滚轮。由前面计算得主梁上最大作用力为1200KN，这里为保证安全，考虑为所有主梁的作用力均为最大值1200KN，滚轮布置图以及通过结构力学求解器求得的内力结果图如上。由图知，最大弯矩值为，最大剪力值为。最大轴向力为作用在一个边梁上的起吊力，估计为250KN。在最大玩具作用截面上的轴向力，等于起吊力减去滚轮的摩阻力，该轴向力为：6.1.8.2边梁的强度验算截面面积为：截面形心矩为：上半部分对中和轴的面积矩为：下半部分对中和轴的面积矩为：72 西华大学毕业设计说明书截面惯性矩为：截面抵抗矩为：截面边缘最大剪应力验算：腹板最大剪力验算：腹板与下翼缘连接处折算应力验算：72 西华大学毕业设计说明书以上验算均满足强度要求。6.2闸门附属结构设计6.2.1行走支承设计滚轮计算：滚轮采用合金铸钢ZG50Mn2,。由计算得下滚轮受力最大为1664kN，设滚轮轮缘宽度b=200mm，轮径D=600mm，轮轴直径d=200mm，轴套工作长度。则接触应力为：轴和轴套间接触应力为：取，则轴和轴承板之间的紧密接触局部承压应力为：72 西华大学毕业设计说明书以上滚轮计算均满足要求。6.2.2轨道设计6.2.2.1确定轨道底板宽度轨道底板采用Q235钢，查得其容许承压力为，其最小宽度应大于滚轮轮缘宽度。按承压强度计算所需底板宽度为：取宽度为B=220mm。则轨道地面的压应力为：6.2.2.2确定轨道底板的厚度轨道底板的最大弯应力为：取t=12mm。72 西华大学毕业设计说明书结论本毕业设计是针对黄龙滩水电站枢纽的厂房设计，通过设计让我把平时课堂中学习到的只是与实际紧密的联系在了一起，让书本上的知识转换成为现实设计中的成果。依托书本教材、有关设计规范等资料以及老师的指导，让我在厂房设计这一部分的理解与认识更加深了一个层次。但在设计中尚存在一些问题，例如对引水系统的选择与布置、副厂房的安排等考虑还是不太完善。在考虑的因素上、考虑的深度上、考虑的全面性等都还有一定值得提高的部分。虽然在设计中遇到了很多的问题，但在不断的阅读多种有关规范以及各类资料后，在老师的帮助中，让我对设计中的各种设计条件、设计要求等都有了更多的认识和熟悉，这不仅仅只是帮助我较为顺利的完成了毕业设计，更是帮助了我再以后的工作中如何来运用这些知识、规范，所以对今后的工作也是有很大的帮助。设计的过程中，也因为很多的原因导致了设计时间计划的安排出现了一些变动。其中主要的有一点原因就是设计资料的不全面，使得设计中断断续续的出现问题，却无法解决。也是因为资料的问题，设计的原始资料需要经过一些软件来处理帮助设计。所以在这个设计的过程中也是让我更多的学习到了一些软件的应用以及常用功能或者是在今后工作中可能遇到的需要解决的同样的问题的解决办法。总体而言，本设计在设计的思路上还是比较清晰的，但在设计中的一些细节问题的考虑终究还是不那么尽如人意，有些不周全的地方。72 西华大学毕业设计说明书总结与体会本次毕业设计经过两个月的时间圆满完成，设计的主要内容基本上属于所学的专业知识，包括水电站建筑物、水工钢结构等。虽然在以前课程学习时对这些也做过课程设计，但相对于这次的毕业设计而言，以前做的设计设计内容都要浅显一些，对设计的考虑也不够全面，有所欠缺。所以这次的毕业设计也算是对所学知识的再一次应用和补充学习，同时也通过对这些知识的学习不断的让我对本专业的相关知识有了更多的认识和熟悉。在设计的过程中，我也因为部分知识的学习不够透彻以及新知识的不了解，使得设计遇到了各种各样的难题。但在各位老师以及本专业同学的帮助下，我都逐一的将问题解决。这也让我感觉到了团队协作的重要性，只有团队的力量才是最强大的。毕业设计对我们来说，不仅是一种学习成果的检验，也是一种学习，还是对今后工作的一种演练。通过毕业设计，让我认识到了今后工作中可能会遇到的一些问题以及解决办法。所以，毕业设计的进行，对于我们以后的工作也是很有帮助。总的来说，毕业设计使我在专业知识、思想等各方面都有所提高、有所进步。72 西华大学毕业设计说明书谢辞在毕业设计的撰写过程中，我遇到了很多的问题，但这些问题因为老师以及同学的帮助，我都一一顺利的解决了。所以在此我不得不郑重的对各位老师、同学以及各类专业文献的编写者们，因为你们的帮助，才让我顺利的完成了本次毕业设计，也让我学到了更多的知识。在此，我还要特别的感谢一下我们尊敬的杨耀老师。在以前的课程学习中，我便觉得杨老师是一位对知识很细致的老师，而在本次毕业设计中，我遇到的大多数问题都是杨老师认真仔细的给我一一讲解、细心指导，更让我感受到了杨老师对我们学生的的关系与细心。所以，在毕业设计即将完成之际，我在此再次向各位老师、各位同学以及前辈教授们表示感谢，请接受我的这份真挚的谢意。72 西华大学毕业设计说明书参考文献[1]清华大学．水电站建筑物设计图册．[2]水电站机电设计手册．水力机械分册．北京：水利电力出版社，1987．[3]顾鹏飞，喻远光．水电站厂房设计．北京：水利电力出版社，1987．[4]华东水利学院．水工设计手册（第七卷）水电站建筑物．北京：水利电力出版社，1989．[5]中华人民共和国行业标准．水电站厂房设计规范（SL266-2001）．北京：中国水利电力出版社，2001．[6]中华人民共和国电力行业标准．水电站压力钢管设计规范(DL/T5141-2001)．北京：中国电力出版社，2002．[7]杨欣先，李彦硕．水电站进水口设计．大连：大连理工大学出版社，1990．[8]四川联合大学．水电站建筑物设计参考资料．[9]王世泽．水电站建筑物．北京：水利电力出版社，1987．[10]王树人，董毓新．水电站建筑物．北京：清华大学出版社，1984．[11]马善定，汪如泽．水电站建筑物．北京：水利水电出版社，1996．[12]华东水利学院，华北水利水电学院．水电站．北京：水利电力出版社，1980．[13]大连工学院，武汉水利电力学院，天津大学．水电站建筑物．北京：水利水电出版社，1996．[14]金钟元，伏义淑．水电站，北京：水利水电出版社，1994．孙72'