狄青水电站(压力钢管分岔管结构设计专题)计算书.docx

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1、水利水电工程专业毕业设计目录目录1第1章 枢纽布置、挡水及泄水建筑物31.1混凝土非溢流坝31.1.1 剖面设计31.1.2 稳定与应力校核61.2 混凝土溢流坝231.2.1 溢流坝孔口尺寸的确定231.2.2 溢流坝堰顶高程的确定241.2.3 闸门的选择251.2.4 溢流坝剖面261.2.5 溢流坝稳定验算271.2.6 溢流坝的结构布置341.2.7 消能与防冲34第2章 水电站厂房362.1 水轮机的选择362.1.1 特征水头的选择362.1.2 水轮机型号选择382.1.3 水轮机安装高程432.2 厂房内部结构432.2.1 电机外形尺寸估算432.2.2 发电机重量估算45

2、2.2.3 水轮机蜗壳及尾水管452.2.4 调速系统，调速设备选择462.2.5 水轮机阀门及其附件482.2.6 起重机设备选择492.3 主厂房尺寸及布置492.3.1 长度492.3.2 宽度502.3.3 厂房各层高程确定50第3章 引水建筑物533.1 细部构造533.1.1 隧洞洞径533.1.2 隧洞进口段533.2 调压室553.2.1 设置调压室的条件553.2.2 压力管道设计553.2.3 计算托马断面563.2.4 计算最高涌波引水道水头损失603.2.5 计算最低涌波引水道水头损失633.2.6 调压室方案比较65第四章 岔管专题设计714.1结构设计714.1.1

3、 管壁厚度的计算714.1.2 岔管体形设计714.1.3 肋板计算74第1章 枢纽布置、挡水及泄水建筑物1.1混凝土非溢流坝1.1.1剖面设计1.1.1.1基本剖面1.1.1.1.1坝高的确定（1）按基本组合（正常情况）计算： 由（1）得 由（2）得由水工建筑物表212 查得 大坝级别1级 正常情况坝顶高程=设计洪水位+(2)按特殊组合（校核情况）计算： 由（1）得 由（2）得由水工建筑物表212 查得 大坝级别1级 非正常情况坝顶高程=校核洪水位+综上：坝顶高程取为240.35 m。1.1.1.1.2坝底宽的确定由于电站形式为引水式，故坝上游侧无有压进水口，上游坝坡坡度不受限制，取上游面坡

4、度，同时用应力条件和稳定条件公式确定坝底的最小宽度。（1） 按应力条件确定坝底最小宽度 为上游坡度，取时可以得到： 式中：B坝底宽度，m；基本剖面坝高，m坝体材料容重取值23.5KN/m3 水容重10KN/m3 扬压力折减系数,按规范坝基面取0.3（2） 按稳定条件确定坝底最小宽度假定上游库水位与三角形顶点平齐，上游水深=坝高=240.35m，下游无水坝的荷载只考虑上游水平水压力P，坝体自重G及扬压力U荷载设计值：重力设计值：扬压力设计值： 静水压力设计值：由水工建筑物表41查得1级水工建筑物 K=1.10所以坝底宽由稳定控制取m=0.79 B=101.41.1.1.2实用剖面1.1.1.2.

5、1坝顶宽度 坝顶宽度b=（8%10%）H=10.268m12.835m，且不小于2m。本设计取12m1.1.1.2.2剖面形态由上可知，稳定条件为限制条件，所以采用上游坝面上部铅直、而下部呈倾斜，这样可利用部分水重来增强坝的稳定性。折坡点起点位置应结合引水、挡水建筑物的进水高程来选定，一般为把高的 1/31/2（42.7885.57），取折坡高程为112+48=160.0m，坡度为1:0.15坝底总宽=1.1.2稳定与应力校核1.1.2.1设计状况:基本组合：（持久状况）（上游为正常蓄水位，下游水位为0）坝基面：图1-1 非溢流坝荷载计算简图（坝基面）荷载计算简式：自重：水压力：扬压力：浪压力

6、：表1-1 计算表格编号荷载垂直水平力臂力矩m正向逆向1自重406149.52010093619541.114876021050455.35567382水压力6962039.32738387676851.02207903451683扬压力477946.299422136297.3362222707448.9227934浪压力198.211514911417051承载能力极限状态： 抗滑稳定： 满足要求 坝址抗压强度 满足要求正常使用极限状态： 长期组合下坝踵拉应力验算：（运行期）满足要求 短期组合下坝址拉应力验算：（完建期）满足要求折坡面：图1-2 非溢流坝荷载计算简图（折坡面）荷载计算简式：

7、自重：水压力：扬压力：浪压力：表1-2 计算表格编号荷载垂直水平力臂力矩m正向逆向1自重2265925.74583235313942.58809962水压力2450023.335715853扬压力105028.743017750296.5833094151729.74468414浪压力19866.961327214966.369894承载能力极限状态： 坝址抗压强度 满足要求正常使用极限状态： 长期组合下坝踵拉应力验算：（运行期）满足要求 短期组合下坝址拉应力验算：（完建期）满足要求1.1.2.2设计状况:基本组合：（短暂状况）上游为设计洪水位，下游为设计洪水最大下泄流量5000（发电流量作为

8、安全储备）对应的下游水位坝基面：图1-3 非溢流坝荷载计算简图（坝基面）荷载计算简式：自重：水压力：扬压力：U4=10123.5-20.6-25.716.20.5浪压力：表1-3 计算表格编号荷载垂直水平力臂力矩m正向逆向1自重406149.52010093619541.114876021050455.35567382水压力7626141.2314196621226.914640716451.0365364167948.9820983扬压力22372000416846.2192539118857.386761625148.93056844浪压力86120.51036067119.97983承载

9、能力极限状态： 抗滑稳定： 满足要求 坝址抗压强度 满足要求正常使用极限状态： 长期组合下坝踵拉应力验算：（运行期）满足要求 短期组合下坝址拉应力验算：（完建期）满足要求折坡面：图1-4 非溢流坝荷载计算简图（折坡面）荷载计算简式：自重：水压力：扬压力：浪压力：表1-4 计算表格编号荷载垂直水平力臂力矩m正向逆向1自重2265925.74583235313942.58809962水压力2850125.177173783扬压力113328.743254854256.5835694.5169929.74505224浪压力8672.4662326771.864786承载能力极限状态： 坝址抗压强度

10、满足要求正常使用极限状态： 长期组合下坝踵拉应力验算：（运行期）满足要求 短期组合下坝址拉应力验算：（完建期）满足要求1.1.2.3校核状况:特殊组合：（偶然状况）上游为校核洪水位，下游为校核洪水最大下泄流量7000（发电流量作为安全储备）对应的下游水位坝基面：图1-5 非溢流坝荷载计算简图（坝基面）荷载计算简式：自重：水压力：扬压力：U4=10123.5-22.8-30.816.20.5浪压力;表1-5 计算表格编号荷载垂直水平力臂力矩m正向逆向1自重406149.52010093619541.114876021050455.35567382水压力7938042.0333396025997.

11、619754734451.0374397205248.399111.63扬压力24761000418046.2193098119207.387013626948.93065744浪压力86123.91065767123.68230承载能力极限状态： 抗滑稳定： 满足要求 坝址抗压强度 满足要求正常使用极限状态： 长期组合下坝踵拉应力验算：（运行期）满足要求折坡面：图1-6 非溢流坝荷载计算简图（折坡面）荷载计算简式：自重：水压力：扬压力：浪压力：表1-6 计算表格编号荷载垂直水平力臂力矩m正向逆向1自重2265925.74583235313942.58809962水压力304202679092

12、03扬压力117028.743362656046.5836876175529.74521944浪压力8675.9265296775.575033承载能力极限状态： 坝址抗压强度 满足要求正常使用极限状态： 长期组合下坝踵拉应力验算：（运行期）满足要求1.2 混凝土溢流坝1.2.1 溢流坝孔口尺寸的确定1.2.1.1 下泻流量的确定按千年一遇设计，假设最大下泄流量全部从溢流坝顶过流，可能遭遇检修或其他应急情况，故发电流量作为安全储备（设计） （校核）1.2.1.2 孔口尺寸设计情况：取单宽流量为溢流前沿总净宽按规范闸墩取为3.0m（1.4+0.82），边墩取为2.0m式中：溢流段总宽度 孔数 没

13、孔净宽 闸墩宽度 边墩宽度校核情况：取单宽流量为溢流前沿总净宽按规范闸墩取为3.0m（1.4+0.82），边墩取为2.0m故按校核情况设计1.2.2 溢流坝堰顶高程的确定设计情况：式中：L溢流前缘总净宽，m；m流量系数，与堰型有关，非真空实用剖面堰在设计水头下一般为0.490.50； 侧收缩系数，与闸墩形状，尺寸有关，一般为0.900.95； 重力加速度；坝顶溢流的堰顶水头，m 堰顶高程=设计洪水位-H校核情况： 堰顶高程=校核洪水位-H故堰顶高程取为223.3m1.2.3 闸门的选择闸门高度=正常蓄水位-堰顶高程+安全超高 =230-223.3+0.3=7.0m选择平面闸门，按规范所给值，又

14、闸孔净宽=12m，所以闸门取为13m7.0m。工作闸门一般布置在溢流堰顶点，以减少闸门高度。为了避免闸门局部开启时水舌脱离坝面而产生真空，将闸门布置在堰顶偏下游一些，以压低水舌使其贴坝面下泄。检修闸门位于工作闸门之前，为便于检修，两者之间留有13m的净宽，本设计取净宽1.5m。1.2.4 溢流坝剖面1.2.4.1 溢流前沿：取， 则 1.2.4.2 溢流段：（溢流面曲线采用WES曲线） 定型设计水头 K、n 与上游坝面坡度有关的系数和指数（查设计手册知k=2, n=1.85） 即： 1.2.4.3 直线段：直线段采用与基本剖面一样的坡度，直线段方程为：溢流段与直线段的切点的坐标为:(20.19

15、m, 13.82m)1.2.4.4 反弧段设计 选择挑流消能由校核洪水位下查得下游水位22.8m假设反孤段半径，取 鼻坎挑角，取鼻坎距下游水位一般为12m，故取鼻坎距坝底高：h=24m反弧段圆心距坝底距离：反弧段与直线段切点距坝底距离：鼻坎超出基本剖面距离：故无需验算超出段应力条件鼻坎最低点距坝底高试算临界水深： 式中：总有效水头，m；临界水深（校核洪水位闸门全开时反弧处水深），m；流速系数查表取0.95。经试算， 故满足要求 1.2.5 溢流坝稳定验算1.2.5.1设计状况:基本组合：（持久状况）（上游为正常蓄水位，下游水位为0）坝基面：图1-7 溢流坝荷载计算简图荷载计算简式：自重：静水压

16、力;扬压力：表1-7 计算表格编号荷载垂直水平力臂力矩m正向逆向1自重15292820.831854882静水压力6939639.12712674676851.33474693扬压力450846.5209743.3129477.4195937.3676249.2332869承载能力极限状态： 抗滑稳定： 满足要求 坝址抗压强度 满足要求正常使用极限状态： 长期组合下坝踵拉应力验算：（运行期）满足要求 短期组合下坝址拉应力验算：（完建期）满足要求1.2.5.2校核状况:特殊组合：（偶然状况）上游为校核洪水位，下游为校核洪水最大下泄流量7000（发电流量作为安全储备）对应的下游水位坝基面：图1-8

17、 溢流坝荷载计算简图荷载计算简式：自重：静水压力：扬压力：动水压力：表1-8 计算表格编号荷载垂直水平力臂力矩 正向逆向1自重15292820.8331854882静水压力7829939.093060729734451.3137682125997.6197543扬压力24911000418046.53194477120057.4188955626949.233086434动水压力76121.5916436.5397242.26167865承载能力极限状态： 抗滑稳定： 满足要求 坝址抗压强度 满足要求正常使用极限状态： 长期组合下坝踵拉应力验算：（运行期）满足要求1.2.6 溢流坝的结构布置纵

18、缝与非溢流坝段贯通。廊道取与非溢流坝段相同尺寸1.2.7 消能与防冲1.4.6.1 鼻坎的形势和尺寸鼻坎采用平顺连续式的,高程比下游水位高出两米,即坎顶高程为138m.1.4.6.2 挑射距离和冲刷坑深度的估算式中：水舌挑距（m），是鼻坎末端至冲坑最深点的水平距离；出坎流速（m/s），可取为坎顶表面流速的1.1倍；鼻坎挑射角度；坎顶平均水深在铅直方向的投影，即；坎顶至河床表面高差（m），如冲坑已形成，作为冲坑进一步发展时，可算出坑底；重力加速度，。式中： 冲刷坑深度（m），由河床表面算至坑底； 下游水深，由下游水位算至河床表面上下游水位差（m）；冲刷坑系数，对于坚硬完成岩石取；坚硬但完整性较差

19、的岩石；软弱破碎的岩石。计算结果为: 第2章 水电站厂房2.1 水轮机的选择2.1.1特征水头、选择2.1.1.1 设计低水位下，一台机组发电表2-1 试算表190120.0116.0074.000.9772247.0190140.0116.1373.870.9784140.1190141.5116.1473.860.9785030.1H1=71.64m2.1.1.2 设计低水位下，两台机组满发表2-2 试算表190200.0116.4773.530.97119646.9190300.0116.7673.240.97178768.3190290.0116.7373.270.97172874.5

20、190280.0116.7073.300.97166981.7190285.2116.7273.280.97170036.4H2=71.08m2.1.1.3 正常蓄水位下，一台机组发电表2-3 试算表23080.0115.72114.280.9774381.923090.0115.80114.200.9783621.023091.5115.81114.190.9785007.3H3=110.76m2.1.1.4 正常蓄水位下，两台机组满发表2-4 试算表230180.0116.37113.630.97166407.3230185.0116.40113.600.97170984.6230184.

21、0116.39113.610.97170075.3H4=110.20m2.1.1.5 设计洪水位下，两台机组满发表2-5 试算表235.5180.0+5000124.65110.850.97162336.1235.5188.0+5000124.66110.840.97169535.7235.5188.6+5000124.66110.840.97170076.8H5=107.51m2.1.1.6 校核洪水位下，两台机组满发表2-6 试算表238200.0+7000126.94110.060.97180715.1238190.0+7000126.93110.070.97171694.8238188

22、.2+7000126.93110.070.97170068.3H6=107.74m2.1.1.7 水头的确定（引水式电站）2.1.2 水轮机型号选择2.1.2.1 HL200型水轮机方案主要参数选择2.1.2.1.1转轮直径查水电站表3-6得，限制工况下单位流量，效率，由此初步假定原型水轮机在此工况下的单位流量,效率91.4。水轮机额定出力（对大中型发电机）设计水头取之相近标称直径。2.1.2.1.2转速n计算查表3-4可得HL200 型水轮机在最优工况下的单位转速初步假定 取与之接近的同步转速214.3r/min2.1.2.1.3效率修正值的计算HL200最优工况下,模型转轮直径则原型效率为

23、：则效率正修正值93.790.7%=3.0%考虑到模型与原型水轮机在制造工艺上的差异，上面求得的中减去1%，得最终的效率正修正值=2.0%，=+=90.7%+2.0%=92.7%（与假设相同）单位转速n的修正值故单位转速可不加修正，也可不加修正最后求得91.4%，=68r/min，n=214.3r/min2.1.2.1.4工作范围检验在已知=94.89，=87628.9Kw的条件下得：则水轮机最大引用流量：与特征水头、相对应的单位转速为在HL200型水轮机的模型综合特征曲线上分别绘出，=和=的直线，这三根直线所围成的区域就是水轮机的工作范围，基本上包含了较多的高效区。2.1.2.1.5吸出高度

24、Hs计算由水轮机设计工况下的参数 ，在水电站中图2-26查得 0.022.1.2.2 HL180型水轮机方案主要参数选择2.1.2.2.1转轮直径查水电站表3-6得，限制工况下单位流量，效率，由此初步假定原型水轮机在此工况下的单位流量,效率91.3。水轮机额定出力（对大中型发电机）设计水头取之相近标称直径。2.1.2.2.2转速n计算查表3-4可得HL180 型水轮机在最优工况下的单位转速初步假定 取与之接近的同步转速187.5r/min2.1.2.2.3效率修正值的计算HL180最优工况下,模型转轮直径则原型效率为：则效率正修正值94.892%=2.8%考虑到模型与原型水轮机在制造工艺上的差

25、异，上面求得的中的减去1%，得最终的效率正修正值=1.8%，=+=94.8%+1.8%=96.6%（与假设相同）单位转速n的修正值故单位转速可不加修正，也可不加修正最后求得91.3%，=68r/min，n=187.5r/min2.1.2.2.4工作范围检验在已知=94.89，=87628.9Kw的条件下得：则水轮机最大引用流量：与特征水头、相对应的单位转速为在HL180型水轮机的模型综合特征曲线上分别绘出，=和=的直线，这三根直线所围成的区域就是水轮机的工作范围，只包含较少的高效区。2.1.2.2.5吸出高度Hs计算由水轮机设计工况下的参数 ，在水电站中图2-26查得 0.02 2.1.2.3

26、HL200和HL180方案比较表2-7 方案参数对照表项 目HL200HL180模型参数推荐用水头范围（m）最优单位转速n110最优单位流量Q110（L/S）最高效率(%)气蚀系数包含高效率区的多少901256880090.7%0.09多901256772092%0.078少原型参数工作水头（m）转轮直径D1（m）转速n(r/min)额定出力Nr(kw)最大引用流量Qmax(m3/s)吸出高度（m）71.08110.763.3214.387628.9100.780.57m71.08110.763.8187.587628.9103.10.57m比较之后选择机型HL2002.1.3 水轮机安装高程

27、2.2 厂房内部结构2.2.1 发电机外形尺寸估算2.2.1.1基本尺寸（1）极距（2）定子内径 （3）定子铁芯长度（4）定子铁芯外径2.2.1.2平面尺寸 （1）定子机座外径 （2）风罩内径 （3）转子外径 （4）下机架最大跨度 为水轮机机坑直径，=460cm（5）推力轴承外径和励磁机外径 2.2.1.3轴向尺寸计算（1）定子机座高度时，（2）上机架高度判别型式 采用悬式发电机上机架高度 （3）推力轴承高度 励磁机高度和永磁机高度，副励磁机 取180cm 取220cm（其中机架高100cm） 取100cm 取80cm（4）下机架高度 悬式非承载机架 （5）定子支座支承面至下机架支承面或下挡风

28、板之间的距离悬式 （6）下机架支承面主主轴法兰底面距离 取100cm（7）转子磁轭轴向高度有风扇时 （8）发电机主轴高度 （9）定子铁芯水平中心线至法兰盘底面距2.2.2 发电机重量估算 所以，发电机转子重=260.6t2.2.3 水轮机蜗壳及尾水管水头范围大于40m，采用金属蜗壳，对于=3.3m，高头混流水轮机，采用圆形焊接或铸造结构蜗壳半径： 由水轮机转轮直径查得：座环外径=520cm，内径=440cm ， 则： 表2-8 蜗壳渐变段内径数据表00260.0260.03059.7319.7379.47594.4354.4448.8120119.4379.4498.8165140.0400.

29、0540.0210158.0418.0576.0255174.1434.1608.2300188.8448.8637.6345202.5462.5665.0尾水管尺寸 2.2.4 调速系统，调速设备选择2.2.4.1调速功计算 综上所述，属大型调速器，接力器和油压装置应分别进行计算和选择。2.2.4.2 接力器选择 接力器直径计算：采用两个接力器操作导水机构，选额定油压为2.5MPa，则每个接力器直径为： 接力器最大行程： 由 在模型综合特性曲线上查得 选 式中：水轮机导叶最大开度 采用系数1.8则 接力器容积计算：。2.2.4.3调速器的选择大型调速器的型号是以主配压阀的直径来表征的，主配压

30、阀的直径 选用， 选择与之相邻而偏大的DT-100型电气液压型调速器。表2-9 调速器型号尺寸图调速器机械柜尺寸基础板尺寸电器柜尺寸重量型号l1b1h1（mm）LB（mm）MNH（mm）（Kg）DT-10070080013001200150044080023601206图2-1 调速器尺寸示意图2.2.4.4油压装置 于是选用组合式油压装置HYZ-2.52.2.5水轮机阀门及其附件水头较大，故选用蝴蝶阀（配套设备：伸缩节、空气阀、旁通阀） 查蝴蝶阀的直径型谱图得，压力油源及设备，取组合式油压装置 HYZ-4.0表2-10 油压装置型号尺寸图型号油罐长度m（mm）宽n(mm)总高H(mm)油罐高

31、h(mm)油罐外径（mm）HYZ-4.029502000445030501300HYZ-2.524001700406028601024图2-2 组合式油压装置示意图2.2.6 起重机设备选择台数选择：最大起重量 260.6t，机组台数2台，选用一台双小车起重机，跨度16m（根据厂房净宽确定）2.3 主厂房尺寸及布置2.3.1长度2.3.1.1机组中心距需要根据下部块体以及各楼层的具体布置来确定。下部块体：机组中心距=蜗壳沿厂房纵轴线的长度+（L=5.40+6.60+3.0= 15.0m 取为16.0m）式中：保护层厚度1.5m考虑到柱子、发电机层楼梯布置、发电机风罩以及梁的相互位置关系要求L=

32、18.0米。2.3.1.2端机组段长度考虑到蜗壳层集水井和发电机层副厂房的布置，以及层间楼梯的布置与梁的冲突，端机组段长度为17.25米。2.3.1.3安装场长度机组段长度（其中发电机转子、水轮机转轮需要考虑2m的维修工作场地。）装配厂和发电机同高程，可利用端部机组段部分场地，再由吊车极限位置同时控制，确定装配场长为19.35m，厂房段总长64.15m。（其中主厂房长度为57.9m，6.25m为端部的副厂房。）2.3.2 宽度由于厂房设置蝴蝶阀，故厂房宽度取决于下部尺寸下游侧块体结构的厚度=中心线至下游侧蜗壳外缘尺寸+外墙厚度 =6.08+1.00+1.50=8.58m 取为8.50m上游侧块

33、体结构的厚度=中心线至上游侧蜗壳外缘尺寸+蝶阀室宽度+外墙厚 =4.49+1.00+4.00+1.50=10.99m 取为11.00m取主厂房宽度为8.50+11.00=19.50m副厂房宽取为8.00m尾水平台取为4.65m2.3.3 厂房各层高程确定2.3.3.1水轮机安装高程 2.3.3.2尾水管底板高程 式中：h尾水管高度（m）导叶高度（m）2.3.3.3水轮机层地面高程 式中：水轮机安装高程蜗壳尺寸蜗壳顶部外包混凝土的厚度2.3.3.4定子安装高程2.3.3.5发电机层地面高程校核洪水位126.93m2.3.3.6 装配场地面高程为方便布置公路，采用发电机层和装配场层同高方案，同时装配厂层和进场公路同高，并在尾水平台和公路低于校核洪水部分加设挡水墙。挡水墙高=校核洪水位+0.5m=127.43m2.