1、 元木山水电站设计（3 台轴流机组）目录1 设计资料 11.1 概述 .11.2 水文 .11.3 工程地质 .21.4 水库水位 .31.5 灌溉 .31.6 旅游 .31.7 航运 .31.8 养殖 .41.9 其它 .42 枢纽布置 .62.1 工程等级及主要建筑物级别的确定 .62.2 坝型的选择 .62.3 厂房型式选择 .72.4 枢纽总体布置 .73 水轮发电机组选择 .103.1 水轮机的选型 .103.2 确定水轮机的尺寸 .113.3 蜗壳尺寸估算 .183.4 尾水管 .213.5 发电机、调速器、油压装置的选择 .244 进水口设计 .34元木山水电站设计（3 台轴流机
2、组）4.1 进水口的进口高程选择 .344.2 进水口的主要设备 .355 水电站厂房布置 .375.1 立轴反击式机组的布置 .375.2 机组附属设备的布置 .405.3 安装场的布置及尺寸的确定 .425.4 主厂房主要尺寸的确定 .445.5 副厂房的布置 .515.6 厂房的通风、空调、采暖与采光 545.7 厂房结构布置 .566 结构计算 .606.1 厂房稳定性计算 .606.2 吊车梁计算 .71参考文献 .87致谢 .88附录附件 1 开题报告附件 2 译文及原文影印件元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 1 页 共 88 页1 设计资料1.1 概述元木山水电站位于湖南省隆
3、回县境内，资水主源赧水下游，距隆回县城 3.2km。工程以发电为主，兼有通航、旅游等综合效益。坝址控制流域面积 6656km2，占赧水总流域面积 7103km2的 93.71%，多年平均流量 175m3/s，总装机容量 18MW。1.2 水文1.2.1 气象工程区地处亚热带湿润性季风气候区,气候温暖、湿润，雨量充沛，四季分明，严寒期短，无霜期长，56 月为梅雨季节，天气沉闷湿度大，78 月在西太平洋副热带高压控制下，极端最高气温达 41，秋季极地气团势力增强，天气晴朗少雨，冬季受蒙古高压控制多出现东北风，入春后赤道低压北移，低纬海洋暖湿气流增强，由东南越岭向北移与极地气团相遇，是形成汛期暴雨洪
4、水的主要原因。工程范围内多年平均降水天数为 162 天，无霜期 278 天。1.2.2 径流元木山径流系列本次采用 19552007 年共计 53 年资料。径流资料系列长，包含丰、中、枯水年份，具有较好的代表性。本工程径流计算采用长系列法，逐日计算元木山坝址多年平均流量 190.9m3/s，多年平均径流量为 70.24 亿 m3。1.2.3 洪水资水流域洪水由暴雨形成，洪水陡涨陡落，一般洪水历时 35 天，主要发生在57 月，坝址各频率设计洪水见表 1-1。表 1-1 元木山坝址设计洪水成果表频 率项 目0.5% 1% 2% 3.33% 5% 10% 20% 50%设 计 洪 水 103006
5、 9320 8260 7590 6860 5770 4640 3060元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 2 页 共 88 页1.2.4 泥沙元木山坝址泥沙根据罗家庙站泥沙资料，多年平均悬移质含沙量为 0.138kg/m3，推得天然情况下元木山多年平均悬移质输沙量 78 万 t。1.3 工程地质（1） 本工程区位于祁阳山字型构造前弧外带，主要构造线方向为 NENEE 向，坝址区外围有两条较大断层通过，但根据历史地震记载和区域稳定构造分析，区内无孕震构造，属相对稳定地块，根据 GB18306-2001 版 1/400 万中国地震动峰值加速度区划图和中国地震动反应谱特征周期区划图 ，本区地震动峰
6、值加速度为 0.05g，地震动反应谱特征周期为 0.35s，相应地震烈度为度区。（2）本水库设计正常蓄水位高程为 253.4m，按 50%洪水回水成果计算，其回水长度为 11+633 m，回水区在隆回大桥以上，仍在原河床内，对库岸环境条件无影响。在隆回大桥以下则有一些地质灾害出现，主要是右岸紫阳市、七里坪、黄花洲，左岸的小江口茅坪里、寺山湾的局部地段有小范围浸没；级阶地，河漫滩松散堆积物构成的库岸将会被库水冲刷再造，应采用排水、修建防洪堤和护岸的方法进行处理。（3）选定初设上坝址地形开阔，左岸坝肩为较坚硬的泥质灰岩和灰岩构成的反向低倾角基岩坡，稳定条件好。右岸为一开阔的级阶地，阶面高程达 24
7、8.3 m，应防止绕坝渗漏，河床阔达 300 m，有利于枢纽建筑物的布置，但坝线左岸下游坡脚有一基岩组成的突出山嘴，上游出现回流和深潭。（4）大坝坝基表部为厚 2.04.7 m 的砂卵砾石覆盖，结构松散，透水性强，应彻底清除。下伏基岩为石炭系下统岩关阶的灰色灰黑色的灰岩、泥质灰岩夹泥灰岩、碳质页岩和钙质灰岩。可以其弱风化层中上部和弱岩溶体作为建基面。因为左岸 C1y 1-1-3 和 C1y 1-2岩体中有强烈发育的岩溶洞隙且充填的软塑可塑的泥炭和粘土不密实，中等透水强透水。（5）工程区内和周边有较为丰富的天然建筑材料，储量大，质量优。大部分交通运输条件好，可满足设计对材料的要求，可采购或自采。
8、元木山电站正常蓄水位 253.4.0m，装机 18MW，保证出力 2.515MW，多年平均发电量 5804 亿 kW.h。坝址地质条件简单，施工条件好，淹没损失较少，是资水上游赧水流域水力资源开发较好的电源点之一，因此，元木山电站的建设对缓解隆回县乃至邵阳元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 3 页 共 88 页市缺电的局面可起到较好的作用，该工程的兴建是十分必要的。元木山电站开发任务主要为发电，同时兼有航运、养殖、旅游开发等综合利用功能。1.4 水库水位（1）正常蓄水位元木山水电站坝址位于隆回县城下游，距隆回县城 3.2km，距隆回资江大桥5.3km。元木山水电站坝址上游可能受影响的工程有隆
9、回县城防洪堤工程及城市排水系统出水口。隆回县城防洪堤防洪标准 20 年一遇，设计洪水位 249.28256.59m，县城排水系统出水口 246.73247.003m，正常蓄水位 253.4m。（2）调节库容及死水位元木山水电站是一处低水头电站，为取得最大发电效益，应尽量在高水位运行，另外考虑今后电网实行调峰，水库应预留一定调节库容，通过县电网日负荷图，以及日保证流量计算日调节容量为 410 万 m3左右，即死水位为 244m。1.5 灌溉元木山电站库区和坝址下游河两岸农田土地肥沃，但附近百姓苦于无水灌溉，经调查有 2/3 的农田是靠天田，河岸两边都需提水灌溉。提水扬程较高，一般提水扬程有 68
10、m，最高处达 10 多米，元木山水电站的修建，使原赧水元木山至县城河段正常水位提高了 6.0m 左右，大大降低了提水扬程，很大程度上改善了库区及坝址两岸农田的灌溉条件。1.6 旅游隆回县城经过多年建设，县城各项事业发展很快，城市建设已初具规模，基础设施大为改善，但由于县城段河道流量丰枯差别大，水环境较差，城市发展很不平衡，旅游业的开发尚处于空白状态，由于无完善的旅游设施，致使旅游业长期得不到发展。工程建成后，抬高了县城段河道水位，使县城水环境大大改善，结合沿河两岸风光带及基础设施建设，将迅速提高城市品位，改善投资环境，促进县城旅游设施的建设，特别是工程兴建，形成一个比较宽阔的水域，将更快地促进
11、隆回县城山水园林旅游城元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 4 页 共 88 页市的形成，加速县域经济的发展。1.7 航运元木山电站工程建成后上游正常蓄水位达 253.4m,平均水深达 6.0m 左右可常年通航，改善了上游航道，有利于上游航运业的发展。枢纽工程布置了双向斜面式升船机，单船吨位 50t，年货运能力 70 万 t。1.8 养殖元木山电站枢纽建成后，在正常蓄水位 253.4m 情况下，水库水面面积达3.94km2，为发展渔业提供了有利条件，水库有 1 处库叉可进行网箱养鱼，总水面面积2583 亩。1.9 其它元木山电站水库是以发电为主，兼顾灌溉、旅游、航运、水产养殖等综合效益的水利水
12、电工程。水库调度运用将首先考虑发电的要求，但工程位于隆回县城下游，其运用需以不影响城市防洪为原则，在汛期当来水量大于发电流量且小于 1627.8m3/s 时（停机临界流量） ，在保证正常蓄水位 253.40m 情况下，就要开闸泄洪，以控制县城的防洪水位；大于停机临界流量时，水库敞泄。该工程虽有灌溉、旅游、航运及养殖等任务。但对发电无影响，水库运行方式不受此限制。（1） 水库水位正常蓄水位 253.40m设计洪水位 256.59m （P=3.33%）校核洪水位 260.47m (P=0.5%)（2） 下游水位一台机满发时下游水位 238.11m二台机满发时下游水位 238.59m三台机满发时下游
13、水位 239.10m最低尾水位 238.00m元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 5 页 共 88 页（3） 水头最大水头 15.60m最小水头 10.63m加权平均水头 15.35m额定水头 15.00m（4） 水能指标装机容量 18 MW（5） 岩石容重：2.7t/ 3m（6） 岩石内摩擦角：抗剪 = ，抗剪断 =。 50。（7） 沿厂基摩擦系数： =0.25，软弱夹层倾向下游倾角2f 2.5。（8） 沿厂基摩擦系数： =0.65t（9） 厂房混凝土容重：2.45t/ 3m（10） 泥沙浮容重：0.6 t/（11） 库区最大风速：30m/s（12） 库区最大吹程：20Km（13） 地震烈
14、度：8 度元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 6 页 共 88 页2 枢纽布置由于水电站的开发方式、枢纽布置、水头、流量、装机容量、水轮机组型式等因素、水文、地形、地质等条件等不同，加上政治、经济、技术、生态及国防等因素的影响，厂房的布置形式也各不相同，所以厂房的类型有不同的划分方法。2.1 工程等级及主要建筑物级别的确定元木山水电站主要为发电任务，同时兼有航运、养殖、旅游开发等综合利用效益功能。水库正常蓄水位 253.4m,装机容量 18MW，根据水利水电工程分等指标及本次电站设计资料中库容可查得，该工程规模为小（1）型，工程等别为 IV 等，永久建筑物大坝、厂房为 4 级建筑物，临时建筑
15、物为 5 级。表 2-1 永久性建筑物的级别永久性建筑物的级别工程等别主要建筑物 次要性建筑物 1 3 2 3 3 4 4 5 5 52.2 坝型的选择大坝的型式有多种，它包括重力坝、土石坝、拱坝及水闸，根据坝址区的地形、地质条件、河流洪水特性及工程布置要求，本阶段设计考虑在主河床布置泄洪坝段。 本工程属低水头河床式电站，水库无调节能力，汛期洪水流量大，历时短，要求洪水全部经由大坝枢纽宣泄。本工程可利用的最大水头为 15.6m，上游库区内的隆回县城区高程较高（高程 255.0m 以上） ，拱坝因其特殊的地形地质要求而不能满足本次设计的要求，而土石坝需要有足够的泄洪能力，而地形图左岸、右岸均为山
16、体，不便于施工导流，对于混凝土重力坝能满足本设计要求，故综上采用混凝土重力坝。元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 7 页 共 88 页2.3 厂房型式选择根据工程地形、地质情况，有三种参考方案可选择，分别为：方案一：河床式厂房河床式厂房本身能承受上游水压力，成为挡水建筑物的一个组成部分，这类电站适用于较低水头，一般小于 3040m.方案二：坝后式厂房当水头较大，机组及厂房的尺寸相对较小，厂房难于独立承受上游水压力，因此需要用坝挡水，将厂房置于坝后，称为坝后式厂房。方案三：引水式厂房引水式水电站是建立在河段上游筑闸或低坝取水，经人工引水道引水到河段下游来集中落差所建的水电站，引水道式电站适用于
17、坡降大的河段。元木山水电站设计水头 15m,最大水头 15.6m,属于低水头水电站，故根据水头范围不宜选择坝后式厂房，根据坝轴线处地形可知，河流坡降较缓，不适合选用引水式电站，故初步选择厂房型式为河床式厂房。2.4 枢纽总体布置厂区枢纽是水电站主厂房、副厂房、引水道、尾水道、主变压器场、高压开关站、交通道路和行政及生活区建筑物等的组合体。厂区布置的目的是确定厂房和厂区其他建筑物的相对位置，使厂房与上游的进水口和下游的尾水道之间衔接好，水流顺畅；确定副厂房、主变压器场和高压开关站的位置和对外交通的连接等，也就是要使各建筑物间配合协调，发挥各自的功能，满足运行安全可靠。副厂房设在主厂房的上游侧,主
18、变压器场在主厂房及开关站位置选定后，布置在主厂房右侧，靠近主厂房布置，并根据进厂交通要求，安装间放在主厂房左侧，这样布置，开关站、主变压器场、安装间及进厂交通都有较合理。另外，在厂房靠近安装间一侧设一条公路，以方便厂区与外界的运输,交通道宽为 6 米。本枢纽主要建筑物包括溢流坝、电站厂房、通航建筑物等。在枢纽布置选择时，以尽量减小库区淹没损失，尽量减少发电和航运的相互干扰，尽量有利于施工导流、缩短工期，尽量方便运行管理，确保枢纽的安全运行，发挥工程的最大效益为原则，优先考虑溢流坝的布置，将溢流坝尽量置于河槽的中部，厂房和升船机分置两岸。本元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 8 页 共 88
19、页阶段对左岸厂房和右岸厂房两个枢纽布置方案，在对外交通、地形地质、施工、通航、运行条件以及经济指标等方面进行比较，本电站采用河床式发电厂房，坝轴线左岸有进场公路，便于水轮机、发电机及其他大型设备进场，且右岸岸坡较平直，水流紊动较少，便于轮船进入船闸，故将河床式厂房布置在河流左岸，右岸布置船闸。根据上述布置方案比选，本阶段推荐采用左岸厂房方案，具体布置如下：左岸：布置河床式厂房，主厂房紧靠左岸岸边非溢流坝段布置，占用河床宽44m，顺水流向流道长 65m，主厂房上游侧布置 6m 宽坝顶公路桥和拦污栅、检修门启闭门机及工作门启闭台，主厂房左侧布置 10.62m 长的安装场，在安装场下游侧布置主变压，
20、安装场下游侧场地内布置室外开关站，左岸非溢流坝、开关站、安装间、副厂房之间围成的区域修建回车坪，且保证其转弯半径不小于 20m,便于大型车辆运输大型机电设备。河槽中部：布置六孔溢流坝，闸墩顶设 6m 宽公路桥；在溢流坝与厂房、溢流坝与船闸交接处设置导墙，防止水流相互干扰，造成岸坡冲刷严重，甚至会导致厂房内水流倒灌。右岸：布置垂直升船机，采用预埋门机轨道梁过坝，升船机上游引航道长 40m，上游段利用溢流坝导墙作引航导墙，与坝轴线垂直，下游同样利用溢流坝导墙做引航道导墙。2.4.1 主厂房位置选择由前知，本电站采用河床式发电厂房，坝轴线左岸有进场公路，便于水轮机、发电机及其他大型设备进场，且右岸岸
21、坡较平直，水流紊动较少，便于轮船进入船闸，故将河床式厂房布置在河流左岸，右岸布置船闸。2.4.2 副厂房位置选择为便于副厂房采光，副厂房不宜布置在主厂房的下游，因为为河床式厂房，故上游为保障交通，副厂房也不宜布置在厂房上游，根据地形图可知为了便于车辆进入主厂房安装间，故不宜将副厂房并排布置在主厂房左岸，故初步设计将副厂房布置在主厂房安装场下游段，具体位置宜根据采光、地形及地质而定。2.4.3 主变压器场及开关站选择主变压器场在主厂房及开关站位置选定后，布置在主厂房安装场的下游侧，靠近主厂房布置，并根据进厂交通要求布置，开关站布置在左侧坝段下游侧，这样使副厂元木山水电站设计（3 台轴流机组）第
22、9 页 共 88 页房、主变压器场、开关站、安装间及进厂交通都较合理。2.4.4 厂区交通及附属建筑物布置（1） 厂区交通在厂房靠近安装间一侧设一条公路，以方便厂区与外界的运输。交通道宽为 6 米，在公路与安装场处设置一回车场，以便于车辆掉头。（2） 附属建筑物主要附属建筑物有绝缘油库、油处理室、事故油池、机修间、仓库等。2.4.5 尾水渠布置尾水渠布置在主厂房的下游侧，用于排走下游尾水，防止尾水与从溢流坝下泄的水流相互干扰，导致岸坡、下游河床被水流严重冲刷。元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 10 页 共 88 页3 水轮发电机组选择3.1 水轮机的选型3.1.1 水轮机选择的基本资料装机
23、容量 18zNMWmHmHavr 3.15,63.10,6.5,inax 3.1.2 机组台数及单机容量的选择水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。根据已确定的装机容量，就可以拟定可能的机组台数方案。在选择机组台数时可从下列方面考虑：（1） 机组台数与机电设备制造的关系机组台数增多时，机组单机容量减小，尺寸减小，因而制造及运输都有比较容易，这对于制造能力和运输条件较差的地区是有利的。但实际上小机组单位千瓦消耗的材料多，制造也较麻烦，故一般都希望选用较大的机组。（2） 机组台数与水电站投资的关系当选用的机组台数较多时，不仅机组本身单位千瓦的造价高，而且随着机组台数的增加。相应的闸门、管道
24、、调速器，辅助设备和电气设备的套数就要增加，电气结线也较复杂，厂房平面尺寸也需加大，机组安装维护的工作量也增加，因此从这些方面来看，水电站单位千瓦的投资将随台数的增加而增加。但另一方面，采用小机组则厂房的起重能力、安装场地、机坑开挖量都可缩减，因此又可减小一些水电站投资。总的来说，机组台数变化要引起水电站投资变化，在大多数情况下，台数增多将增大投资。（3）机组台数与水电站运行效率的关系机组台数增多能够增加水电站的电能，但当增多到一定程度，再增多时对水电站的运行效率就不会有显著的影响了。当水电站在电力系统中担任基荷工作时，选择机组台数少，可使水轮机在较长时间内以最优工况运行，使水电站保持较高的平
25、均效率。元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 11 页 共 88 页（4）机组台数与水电站运行维护工作的关系机组台数多，单机容量小，运行方式就比较灵活，机组发生事故后所产生的影响小，检修也较容易安排。但因运行操作次数随之增加，发生事故的机率增高了，同时管理人员增多，运行费用也提高了。因此不宜选用过多的机组台数。在技术经济条件相近时，应尽量采用机组台数较少的方案，但为了水电站运行的可靠性和灵活性，一般应不少于两台。故综合考虑，采用三台机组，单机容量为 。MWNf6（3-fNr=1）式中： 水轮机的额定出力r发电机的额定出力fN发电机效率，对于中小型水轮机，可取 =0.950.96，故本次选f f
26、为 0.95 KWNrf 366 102.1032.%953.1.3 水轮机型号的选择根据设计水头 ，参照水工设计手册 ，可以有两种选型方案，当mHr1H30m 时，可选择 型水轮机；当 10mH22m 时，可选择 型水轮机，故30L 560Z在以下设计中对两种不同型式的水轮机进行方案比选。3.2 确定水轮机的尺寸3.2.1 HL310 型水轮机主要参数的确定3.2.1.1 转轮直径的计算（3-HrQ81.91ND2）式中： =6.32103KWr元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 12 页 共 88 页=15 rHm由金钟元水力机械附表 1 查得该型水轮机在限制工况下的， =82.6% .
27、由此可假定水轮机在该工况下的效率为3140/1./QLSsM85.1%。将以上各值代入公式得：mD05.3%1.854.18.90632.131 选用与之接近的标准直径 =3.0 .D3.2.1.2 效率修正值的计算由附表 1 查得： 型水轮机在最优工况下模型的最高效率 =89.6%,模型310HL maxM转轮的直径 =0.39 . 则原型水轮机的最高效率MDm（3-51axmax /DM3） 50.3/986.01= 93.1%考虑到制造水平的情况，取 =1.0%,由于所应用的蜗壳和尾水管型式与模型基本1相似，故取 =0,则效率修正值为：2（3-1maxaxM4）=0.9310.8960.
28、01=0.025由此可求得水轮机在限制工况的效率应为：（3-M5）=0.826+0.025=0.851(与原来假定的数值相同)元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 13 页 共 88 页3.2.1.3 转速的计算（3-2110/DHnav6）式中 （3-110nM7）由附表 1 查得在最优工况下的 =88.3 r/min，同时由于：M10（3-1896./3./maxax10 MMn8）=0.0190.03所以 可忽略不计，则以 =88.3 r/min 代入上式得：1nMn10=(88.3 )/3.0=115.3 r/min35.选用与之接近而偏大的同步转速 rpm253.2.1.4 工作范围
29、的检验计算在选定的 =3.0 ， 的情况下，水轮机在最大的 和各种特征水1Dmrn1 max1Q头下相应的 值分别为：n在设计水头 =15 以额定出力 Nr工作时，其相应的最大单位流量为rH（3-851.010.38.962rD81.9 5.1.52max1 Q9） =1.3751.4 3/ms则水轮机的最大引用流量为：（3-HrQ21maxax10）= 1.3753.02 =47.93 53/ms对 值：在设计水头 =15 时1nr元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 14 页 共 88 页（3-min/8.96150.3211 rHrnDr 11）在最大水头 =15.6 时max（3-mi
30、n/9.46.15032ax1in1 rHD12）在最小水头 =10.63 时min（3-min/1.563.102inmax1 rHDn13）在 型水轮机的主要综合特性曲线图上,分别画出30L=115.1r/min， =94.9 ， =1375L/S 的直线，由图可见，由这两根max1nmin1in/rmax1Q直线与效率线所围成的水轮机工作范围包含的特性曲线的高效率区较少。3.2.1.5 吸出高的计算由水电站机电设计手册（水力机械） 知，对于 转轮，其吸出高可按下式310HL计算： （3-HHzs90114）式中 为电站装置系数，查得z 36.0z当机组台数为 34 台时，水电站建成后下游
31、设计最低水位的确定采用一台机组满发时对应的下游水位，且设计资料中已知一台机组满发时下游水位为 238.11m ，故有：= （3-1minXDHST15）式中： 水轮机的转轮直径；1元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 15 页 共 88 页X系数，其值约为 0.41；水电站厂房建成后下游设计最低尾水位；minT=238.11+1.64+0.41 2.75=240.88m故有： Hzs901m3.41536.8.23.2.2 ZZ560 型水轮机主要参数的确定3.2.2.1 转轮直径的计算 HrQ81.91ND式中： =6.32103KWr=15 rm由水工设计手册查得该型水轮机在限制工况下的
32、，同3120/./QLSms时查得汽蚀系数 =0.75,在允许吸出高 =-1 时，相应的装置汽蚀系数SH（3-HSZ90.116）代入数据后有： =0.7160.751590.238.Z为了满足对吸出高的限制， 值可在 ZZ560 型水轮机模型综合特性曲线上根据工Q况点（ =130， =0.716）查得为 1910L/S, 同时查得该工况下 =81.9%，假设该工10n M况下水轮机的效率为 85.9%，将以上各值代入下式有：mD60.2%9.85190.81.632.31 选用与之接近的标准直径 =2.75 .D元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 16 页 共 88 页3.2.2.2 效率
33、修正值的计算对轴流转浆式水轮机，叶片在不同转角时最大效率 可用下式计算：max即 ： =1-（1- ） （0.3+0.7 ） maxaxM51/DM0/rH（3-17）已知： =0.46m， =3.0m, =2.75m， =15m，将上值代入上式后有：MD1MH1DrH=1-（1- ） （0.3+0.7 ）maxmax51/M0/r=1-0.717（1- ）表 3-1 ZZ560 型水轮机效率修正值计算表-10 -5 0 5 10 15 20 25（%）maxM87.7 88.4 88.9 88.2 87.2 85.9 83.5 80.4（%）91.2 91.7 92 91.5 90.8 89
34、.9 88.2 85.9（%）maxaxM3.5 3.3 3.1 3.2 3.6 4 4.7 5.5（%）2.5 2.3 2.1 2.2 2.6 3 3.7 4.5考虑到制造水平的情况，取 =1.0%,由于所应用的蜗壳和尾水管型式与模型基本1相似，故取 =0,则效率修正值为：21maxaxM查表可知最优工况下，模型的最高效率 =89%，由于接近 =0 时的等转角线，maxM故采用效率修正值 =2.1%，由此可得原型水轮机最高效率为：=0.89+0.021=0.911max已知在限制工况（ ） 模型的效率为 , 而该 1013,90/nrpQLS 81.9%M点处在 之间，由内差法求得该点效率修
35、正值为 4%，故水轮机在限制工况下205的效率为：元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 17 页 共 88 页81.9%485.9与原来假定的数值相同，故不需要进行校正。3.2.2.3 转速的计算2110/DHnav式中 0nM由附表 1 查得在最优工况下的 =88.3 r/min，同时由于：M1089././maxax10 MMn=0.0240.03所以 可忽略不计，则以 =130r/min 代入上式得：1 Mn10=(130 )/2.75=185.21 r/minn35.选用与之接近而偏大的同步转速 rpm5.873.2.2.4 工作范围的检验计算在选定的 =2.75 ， 的情况下，水轮机
36、在最大的 和各种特征1Dmrn.1 max1Q水头下相应的 值分别为：n在设计水头 =15 以额定出力 Nr工作时，其相应的最大单位流量为：rH859.0175.281.963rD81.9 5.1.52max1 Q=1.47m3/s2.0 m 3/s则水轮机的最大引用流量为：Hr21maxax=1.472.752 =43.06 m3/s5对 值：在设计水头 =15 时1nrin/1.3157.28HrDr 元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 18 页 共 88 页在最大水头 =15.6 时maxHmin/5.1306.72518axmin1 rD在最小水头 =10.63 时min in/1.
37、5863.10728in1max1 rHn在 ZZ560 型水轮机转轮综合特性曲线图上,分别画出=158.1r/min， =130.5 ， =1470L/S 的直线，由图可见，由这三max1nmin1in/rmax1Q根直线与效率线所围成的水轮机工作范围包含了大部分特性曲线的高效率区。3.2.2.5 水轮机吸出高 的计算SH在设计工况（ ）时，查转轮特性曲线得汽蚀系数 1013.,470/nrpLS=0.47，同时查得 =0.07（3-HHs )(9018）故取水轮机的吸出高 HS 15)07.4(908.21m163.3.2.3 水轮机方案比选为了方便分析比较，现将两种方案有关参数列表（表
38、3-2）如下： 表 3-2 水轮机方案参数对照表序号 项目 HL310 ZZ5601 推荐使用的水头范围（m） 30 10m22m2 最优单位转速 （r/min）10n88.3 1303 最优单位流量 （L/S）Q1220 9404模型转轮参数限制工况单位流量 （L/S）1max1400 2000元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 19 页 共 88 页序号 项目 HL310 ZZ5605 最高效率 （%）maxM89.6 896 设计工况汽蚀系数 0.36 0.477 工作水头范围 10.63m15.6m 10.63m15.6m8 转轮直径 (m)1D3 2.759 转速 n(r/min)
39、 125 187.510 最高效率 （%）max93.1 91.111 额定出力 Nr(KW) 6315.8 6315.812 最大引用流量 3ax(/)Qs47.93 43.0613原型水轮机参数吸出高 HS 4.33 1.63从上表对照中可以看出：两种不同型式的水轮机型方案在同样水头下同时满足额定处理的情况下，ZZ560 与 HL310 相比较来看，ZZ560 高效率范围更大，这可以提高水电站的发电量，转速较高，可以选用较小尺寸的发电机以节省水电站的投资，但其吸出高比 HL310 小，会增加厂房的开挖量，会增加投资，初步设计阶段，选择 ZZ560 型水轮机。3.3 蜗壳尺寸估算3.3.1
40、蜗壳型式及应用水头大中型水轮机的蜗壳，当最大工作水头在 40m 以下时，一般用混凝土蜗壳，40m以上时用钢板焊接蜗壳，本次设计中最大工作水头为 15.6m，故蜗壳型式采用混凝土蜗壳。 3.3.2 断面形式混凝土蜗壳常用梯形断面。它有较小的水力损失和平面尺寸，便于施工。蜗壳顶角点和底角点的变化形式有直线和抛物线两种。直线变化结构简单，水力损失大，物线变化结构复杂，水力损失小。为便于施工，故选用直线变化规律。断面形式如图 2-1 所示。本次设计取 n=0, , ，85.1ab30152元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 20 页 共 88 页3.3.3 蜗壳的水力计算3.3.3.1 进口断面面积
41、 根据水头为 15m，查水电站机电设计手册（水力机械） ，进口断面流速 VC=3.3/s，故所需的进口断面面积为：m（3-20max 5.63.180.436mvQFcc 19）3.3.3.2 蜗壳进口断面各部分尺寸计算= +m, （3-1b020）= - （3-1Fa21m21）（3-21atgb22）式中： =1.1m, = , =6.52015。 F2m假定一系列 m 值，按下表计算：表 3-3 蜗壳进口断面尺寸计算表1F121b5tg215tg215mtgF1a1b6.52 1.0 1 2.2 0.268 0.268 0.134 3.025 0.7276.52 2.0 4 3.1 0.
42、268 1.072 0.536 2.276 1.3626.52 2.5 6.25 3.6 0.268 1.675 0.838 2.04 1.765元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 21 页 共 88 页图 3-1 蜗壳进口断面尺寸 （单位 cm）3.3.3.3 蜗壳中间断面尺寸计算1） 作 曲线，按下表计算()Ffr表 3-4 计算表()Ffrira0irib0imb21iab215mtgiF4.1 2.15 1.875 3.45 2.35 5.52 6.469 0.74 5.7294.0 2.15 1.775 3.3 2.20 4.84 5.858 0.649 5.2093.8 2.15
43、 1.575 3.05 1.95 3.8 4.804 0.509 4.2753.5 2.15 1.275 2.70 1.6 2.56 3.443 0.343 3.103.2 2.15 0.975 2.3 1.2 1.44 2.243 0.109 2.052.9 2.15 0.675 2.0 0.9 0.81 1.35 0.109 1.2412.6 2.15 0.375 1.6 0.5 0.25 0.6 0.033 0.5672.5 2.15 0.275 1.45 0.35 0.12 0.399 0.016 0.3832） 作 曲线()Ff曲线为一条直线，当包角 时，断面面积 =0，当包角 时，
44、f 10iF180断面面积 ，以此两点，以 为横坐标，F 为纵坐标，可以绘制出 。216.5m ()Ff元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 22 页 共 88 页图 3-2 及 曲线（单位 cm）()Ffr()f3）混凝土蜗壳单线图绘制在 和 两条线上，每隔 在图上查得相应的断面半径 值，列表如()Ffr()f45 ir下：表 3-5 混凝土蜗壳单线图计算表断面编号 1 2 3 4 5包角( )180 135 90 45 0断面面积( )2m6.52 4.89 3.26 1.63 0断面半径（m） 4.23 3.98 3.65 3.27 0根据以上各值可画出蜗壳平面单线如图 3-3 所示：图
45、 3-3 混凝土蜗壳单线图：(单位：cm)3.4 尾水管3.4.1 尾水管的功用尾水管是反击式水轮机的一个重要通流部件，其性能的好坏直接影响水轮机的效元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 23 页 共 88 页率，若尺寸选择不当，还可能引起机组的振动，尾水管的功能归纳起来有如下几点：1）将转轮出口的水流引向下游；2）如转轮装置在下游之上，可在转轮出口形成静力真空，从而利用转轮高出下游水位的吸出高度 HS；3）减少转轮出口的能量损失，使转轮出口处动能恢复为动力真空，从而提高水轮机的效率。3.4.2 水轮机尾水管的类型为提高尾水管的效率和满足水力稳定性的要求，尾水管应有合理的形状，尾水管的基本型式
46、有直锥形和弯肘型两种。直锥形尾水管形式简单，内部水流均匀，水力损失少，但往往开挖量较大，为减少电站的基础开挖量，常用弯肘型尾水管。弯肘型尾水管有进口锥管段、肘管段和出口扩散段三部分组成，由于弯肘形尾水管形状复杂，对水轮机的效率及运行稳定性影响较大，一般在中小型水电站特别是小型水电站设计中时，不单独对尾水管进行设计，可根据厂家提供的弯肘形尾水管尺寸进行电站厂房尺寸的设计，如尚未得到厂家资料，可根据模型转轮所配用的尾水管和电站有关参数，选用标准尺寸的弯肘形尾水管，尾水管直锥段由厂家提供，肘形段和扩散出口段一般在现场用混凝土浇筑。3.4.3 弯肘形尾水管尺寸计算3.4.3.1 进口直锥段进口直锥段是
47、一垂直的圆锥形扩散管，D3 为直椎管的进口直径，对混流式水轮机由于直椎管与基础环连接，可取 D3 等于转轮出口直径 D2，对轴流转浆式水轮机，直椎管与室里衬相连接，可取 D3=0.973D1,椎管的单边扩散角，对混流式水轮机可取为，对轴流转浆式水轮机可取 ，h3 为圆锥管的高度，增大 h3 可以97 108减少肘管的入口流速，以减少水头损失，为防止旋转水流和涡动脉动压力对管壁的破坏，一般在混泥土内壁做钢板里衬，里衬亦可作施工时的内模板，对本次设计中，水轮机为轴流式水轮机，故 D3= =2.676m,单边扩散角为 = 。10.973D93.4.3.2 肘管肘管是一 断面的弯管，其进口为圆断面，出
48、口为机型断面，水流在肘管中由于90元木山水电站设计（3 台轴流机组）第 24 页 共 88 页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，因而在肘管中形成了较大的水力损失，影响这种损失最重要的因素是转弯的曲率半径和肘管的断面变化规律，半径越小产生的离心力越大，一般推荐使用的合理半径 R=（0.61.07）D4,外壁 R6 用上限，内壁用下限，为了减少水流在转弯处的脱流及涡流损失，一次将肘管出口作用收缩断面，并使断面的高度缩小，高度增大。3.4.3.3 出口扩散段出口扩散段是一水平放置，断面为矩形的扩散管，其出口宽度一般与肘管出口宽度相等，其顶板向上倾斜，倾角 =
