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1、目录前言1第一部分水电站厂房2-、设计资料2二、水轮机选型22.1 水轮机型号选择22.2 水轮机参数计算2三、水轮机蜗壳设计133.1 蜗壳形式的选择133.2 断面形状及包角的选择133.3 进口断面面积及尺寸的确定13四、尾水管设计154.1 尾水管的形式154.2 弯肘型尾水管主要尺寸的确定15五、发电机外形尺寸175.1 发电机型式的选择175.2 水轮发电机的结构尺寸17六、厂房尺寸确定196.1 主厂房长度的确定196.2 主厂房的宽度206.3 主厂房各层高程的确定21第二部分吊车梁设计24七、吊车梁截面形式24八、吊车梁荷载计算258.1 均布恒荷载q258.2 垂直最大轮压
2、25九、吊车梁内力计算259.1 弯矩计算2592剪力计算26十、吊车梁正截面及斜截面抗剪强度计算2710.1 吊车梁正截面承载力计算2710.2 斜截面抗剪强度计算29十一、挠度计算30十二、裂缝宽度验算31结语32参考文献33如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知!、/.、一月U百本课程设计主要是水利水电枢纽工程中水电站厂房设计的部分工作。设计目的在于培养学生正确的设讣思想，理论联系实际工作的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。培养学生综合运用所学水电站知识，分析和解决水电工程技术问题的能力；通过课程设计实践训练并提高学生解决水利水电工程实际问题的能力。进一步巩固和加
3、深厂房部分的理论知识，培养学生独立思考、分析问题及运用理论知识解决实际问题的能力，提高学主制图、使用现行规范、查阅技术资料、使用技术资料的能力以及编写设讣说明书的能力。根据已有的原始资料和设计要求进行设计，主要内容有：水电站总体布置、水轮机型号的选择以及水轮机特性曲线的绘制、蜗壳尺寸的确定、绘制蜗壳平面和断面单线图、尾水管尺寸的确定及草图、水电站厂房尺寸的确定以及吊车梁内力讣算和吊车梁配筋讣算等，并根据要求绘制相应的平面布置图和剖面图。第一部分水电站厂房一、设计资料资料：某水利枢纽工程，具有防洪、灌溉、发电、养殖、旅游等功能。水电站厂房为坝后式，通过水能计算该水电站装机容量为25Mw,厂房所在
4、处平均地面高程440.60m1 .水位经多水位方案比较，最终采用正常蓄水位为:470.00m,死水位为:459.00m,距厂房下游100m处下游水位流量关系见下表：下游水位流最关刁线流量m*s5.610.615.620.630.640.660.680.6水位m430.8430.95431.06431.16431.35431.5431.75431.952机组供水方式：采用单元供水3.水头该水电站水头范=39.00m,Hmin=28.OOm,加权平均水头Ha=33.OOm二、水轮机选型2.1水轮机型号选择水轮机型号的选择中起主要作用的是水头，本电站工作水头范围为28.00m39.00m,根据水头范
5、围从水轮机系列型谱中查得轴流式ZZ440型适应水头20m36m,混流式H1.240型适应水头2545m两种型座位备选方案。经方案比较后确定水轮机型号。2.2水轮机参数计算2.2.1H1.240型水轮机方案主要参数选择(两台机组)H1.240水轮机水头范围2345,H1.240水轮机模型参数，见下表2-1勰型号实验水头H1D(mm)翰niofmin)mu况下解W量Qio(Us)就就下的孵州限制血单MtQMs)效率咖H1.240446072110092124090.41.转轮直径的计算根据水轮机型号H1.240查上表得H1.240型水轮机在限制工况下的单位流量Q：M二124n?/s,效率Tm=90
6、.4%,由此可以初步假定原水轮机的单位流量=Q；M二1.241117s,效率水轮机额定水头4=三J9.81X7JXQ(H2式中：D水轮机标称直径Q;水轮机单位流量查得Q;二12401./S二1.24加、心Hr一一设计水头，对于坝后式水电站Hr=(0.90.95)弘，取Hr=Q.95Ha=0.95X33.0=31.35m3一水轮机额定出力，山发电机的额定处理求得，对于中小型水电站砌二0920.95,Pr=PetJg=2o00020.95=13158kW代入式中得=I二二2.59m,根据上式计J9.81xrXQ:XH2N9.81X0.92X1.24X31.352算出的转轮直径259cm,查表312
7、水轮机转轮标称直径系列，选用相近而偏大的标准直径：D=275cm2 .转速计算-niH-7233nD12.75=150.4rmin式中皿一一单位转速采用最优单位转速龙二72rminH采用设计水头33.OOmD：采用选用的标准直径D产2.75m山额定转速系列表3-13查的相近而偏大的转速n=150rmin3 .效率及单位参数修正(1)效率修正。查表39可得H1.240型水轮机在最优工况下的模型最高效率riMmai0%,模型转轮直径De二46cm,则原型水轮机最高效率=1-lMmax)SJ=I-(卜0.92)效率修正值Aq=TimaX-r)Mmax一5一2二944-0.92-0.01=0.014式
8、中:句为考虑到原型与模型水轮机工艺水平影响的效率修正值，取S二1%2%；习为考虑到原型与模型水轮机异性部件影响的效率修正值，取2二瑰3%,本列题中因原型与模型水轮机异性部件基本相似，故认为?=0。限制工况下的原型水轮机效率：n=M二0.904+0.014=0.918可见，与计算转轮直径时所假定的原型水轮机在限制工况下的效率相符。说明所选的久适合。(2)单位转速修正。单位转速修正计算公示如下An=no-noMMmax式中：加。为原型水轮机最优单位转速Wmin:加。的为模型水轮机最优单位转速Wmin:如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！77m为最优工况下的模型水轮机的效率，查表得Tm,3=92%
9、;“皿为最优工况下的原型水轮机的效率，r2M3八二0.92+0.014=0.934由上两式得弊二（匡匚石二（叵E1）=0.87%aIOMyjHMmaxy0,92J因An；0.03n；om时，可不必进行修正。故计算的n值适合。单位流量也不加修饰。4 .工作范围检验在水轮机的直径和转速选定之后，还需要在模型综合特性曲线图上绘出水轮机的相似_1.作范围并检验该_1.作范围是否包括了高效率区，以论证所选定的直径和转速的合理性。（1）按水轮机的额定水头和选定的直径久计算水轮机以额定出力工作时的最大单位流里QlmaxOIII水轮机的额定出力几的表达式二9.8109孑属.、/77刁导出最大单位流量Q计算式（
10、限制工况下的Q；）p13158X皿；J-1X2,aX3I.35V-31.35XO1s1-I。NAV1.24n则水轮机的最大引用流量为Qmz二Q&gDf再=IOlX2.752XV31.35=46.62m?/s（2）按最大水头最小水头以及选定的Z,n分别计算出最小和最大单位转速加加九和Vmax11Dx150X2.75/150X2.75,ms=66.05r/minUmaxn是满意的。图2-1H1.240水轮机模型综合特性曲线及工作范围检验(两台机组)5确定吸出高度由设计工况参数皿”z7.，73.67r/min,Q；WaX=IlOI1.s,查图3-21得。二0197,在空化系数修正曲线中查得Ao二0.
11、035o则吸出高度为440.6比二l7go(0.195+0.035)X31.35=2.30(m)-4-Om说明H1.240水轮机方案的吸出高度满足电站要求。2.2.2轴流转桨ZZ440水轮机主要参数的计算(两台水轮机)1转轮直径Di的计算山于轴流式水轮机的限制工况山空蚀条件决定，为防止开挖过大，水电站常采用限制水轮机吸出高度的办法反推Q；和6根据水轮机型号ZZ440查表3-10得在限制工况下的单位流量Q；二1.6511,空蚀系数0=0.72.在空蚀系数修正曲线图2-28查的Aa=O.04o在允许的吸出高度比二4m时，其相应的空蚀系数为aJ角fJQ-JA+4-o.O35=0.396-4.0m90
12、0故满足电站要求。2.2.3H1.240型水轮机与ZZ440型水轮机两种方案的比较经过上述讣算，两方案的相关参数如下表水轮机方案参数对比表序号项目H1.240ZZ4401更论曲莫涔参推荐使用的水头范围H(m)254520362最优单位转速Mo(rmin)721153最优单位流量Go(1.Zs)IlOO8004最高效率加皿“借)92895空化系数。0.1950.046原型水轮机参数工作水头范围H(Hl)283928397转轮直径久(m)2.752.758转速1502509最效率耳max(%)91.891.410额定出力P(kW)131581315811最大引用流量Q(m)46.6247.8512
13、吸出高度Hs(m)2.30-3.66由上表可以看出，两种机型方案的水轮机标称直径均为2.75m。H1.240型方案的工作范围包含了更多的高效率区域，运行效率高，空化系数较小，安装高程也高，对提高年发电量和减小厂房开挖量有利。ZZ440型方案的转速高，可减小发电机尺寸。但山于该机型水轮机及其调速系统复杂，所以总体造价较高。综合考虑，本电站选择H1.240型方案更为合理。2.2.4H1.240型水轮机四台机组方案主要参数选择1.选择转轮标称直径Di由资料可知该水电站装机容量为25MW,选择四台机组，则单机装机容量为6.25MW。山此可得该水轮机的额定功率根据水轮机型号H1.240查上表得H1.24
14、0型水轮机在限制JJ兄下的单位流量Q;M=1.24m7s,效率T/M二90.4%,山此可以初步假定原水轮机的单位流量Q；=Q二1-24m7s,效率二92%.水轮机额定水头二093HQ二0.95x33.0=31.35mPrDi=_19.81X7/x式中：Di一一水轮机标称直径Q;一一水轮机单位流量查得Q;二12401./S二124”儿Hr设计水头从=31.35m几一水轮机额定出力，由发电机的额定处理求得，对于中小型水电站偏二0920.95凡二4/彼亍二25000/4/0.95=6579kWPr6S79代入式中得2=33=1.83m,根据上式计算出9.81XJXQxH9.81X0.92X1.24X
15、31.3S2的转轮直径183cm,查表312水轮机转轮标称直径系列，选用相近而偏大的标准直径6二200cm2 .转速计算二沁更二206.8rminDx200式中加一一单位转速采用最优单位转速时=72rminH采用设计水头33.OOm采用选用的标准直径Df2.OOm山额定转速系列表3-13查的相近而偏大的转速n二214.3rmin3 .效率及单位参数修正(1)效率修正。查表39可得H1.240型水轮机在最优工况下的模型最高效率加皿“二92.0%,模型转轮直径D,m=46c叫则原型水轮机最高效率rima=1-1-waJjN-d-O.92)詹O.940效率修正值Aq=r)max-rjM加一S-勺二O
16、.944-0.92-0.01=0.01式中：可为考虑到原型与模型水轮机工艺水平影响的效率修正值，取句=1%2%;习为考虑到原型与模型水轮机异性部件影响的效率修正值，取S2=l%3孰本列题中因原型与模型水轮机异性部件基本相似，故认为习二。限制工况下的原型水轮机效率：T=Z/M+A?=0.904+0.01=0.914可见，与计算转轮直径时所假定的原型水轮机在限制工况下的效率相符。说明所选的6适合。(2)单位转速修正。单位转速修正计算公示如下10-hIOMylmaxJMmax式中：加。为原型水轮机最优单位转速，r/min；砒为模型水轮机最优单位转速，r/min：为最优工况下的模型水轮机的效率，查表得
17、T)MmaX=92%,“皿为最优工况下的原型水轮机的效率，利Mma/Aq=0.92+0.010=0.930由上两式得Z/77/10.930一二(_1凹-J)=1二O54%nioMyMnutxy0.92J因An；0.03n；OM时，可不必进行修正。故计算的n值适合。单位流量也不加修饰。4 .工作范围检验在水轮机的直径和转速选定之后，还需要在模型综合特性曲线图上绘出水轮机的相似，作范围并检验该乍范围是否包括了高效率区，以论证所选定的直径和转速的合理性。(1)按水轮机的额定水头弘和选定的直径久计算水轮机以额定出力工作时的最大单位流量山水轮机的额定出力几的表达式E二9.阿m导出最大单位流量计算式4二6
18、579AIZ9.8iDiHr7779.81X2.02X3135X31.35X0.914=1.045m-4-Om说明H1.240水轮机四台方案的吸出高度满足电站要求。通过比较发现，在转轮直径相同，吸出高度相同的条件下，H1.240型两台机组方案的工作范围包含了更多的高效率区域，运行效率高。因此此电站选择H1.240两台机组的方案。三、水轮机蜗壳设计3.1蜗壳形式的选择蜗壳形式有金属蜗壳和混凝土蜗壳，金属蜗壳适用于水头大于40m或小型卧式机组，混凝土蜗壳适用于水头小于40m,金属蜗壳适用于水头大于40m的水电站。因为本次课设水电站的水头范RI28.00-39.OOm,水头运行范圉大，最大水头接近4
19、0m水头，所以本设计采用了金属蜗壳。3.2断面形状及包角的选择从蜗壳的鼻端至蜗壳进口断面之间的夹角称为蜗壳包角，常用00来表示,对于金属蜗壳由于流量较小，流速较大，通常采用包角为270。345。，且金属蜗壳通常采用的蜗壳包角为345。，故本设计选择345。包角。3.3进口断面面积及尺寸的确定1座环尺寸：座环固定导叶外径相对值：551.64座环固定导叶内径相对值：式中：久为水轮机的标称直径，Di=2.75m3.2m；故Q二1-64X2.75=4.51m,Db=1.37X2.75=3.77m2.任意断面i的断面尺寸：断面半径:断面中心距:Q(P360o7TV=raPt断面外半径：Rt=ra+2pt
20、则第i+1断面的包角为Ti+、=(Pi-b(p,(/=0,1,2,3)式中：40为包角增量，一般取1.S=I5。或30。蜗壳进口断面平均流速：VQ=K环Hf=31.35m,根据图2-6,查得心二0.9,则Vo=O.9XxM35=5.04ms典型断面计算表：如下3二O.928X2.75=2.552mHD.ZlO.054/?二0054X2.75=0.1485mhJD、=0.16/?2=0.16X2.75=0.44mhjD、=0.593z=0.593X2.75=1.631m3.尾水管示意图五、发电机外形尺寸1.1 发电机型式的选择水轮发电机的结构型式主要取决于水轮机的型式和转速，同时要兼顾厂房的布置
21、要求，本设计水轮机的额定转速产150/111150/01瓶故采用悬式水轮发电机。5. 2水轮发电机的结构尺寸极距S10i,匡亟=42Cm,yJ2pyJ2X20式中K-系数，&二9.012.5(中容量)或8.310.7(大容量，高速的取上限)Sn水轮发电机额定视在功率(kw)P磁极对数。(2)定子铁芯内径6(Cm)的确定一洽驾严强5Cm(3)定子铁芯长度b(cm)的计算Sn_C12500D(Tipj-5X10-6X535.52%150058,zn581(4)外形尺寸估算发电机部件参数计算式结果(mm)定子机座外径Dx=1.150+6000讦6758机座高度h=h+2.5T74=1421风洞内径二
22、D+2000D2=8758转子直径QD3=PD3=535o上机架h2=0.25Di彼二1339下机架跨距为Z)4=Ds+500为二4400高度Jhh7=0.I2Di/17=643推力轴承装置及励磁机架外径6=300006=3000励磁机外径6D7=2500D7=2500推力轴承高度褊h3=1500i3=15OO励磁机高度觞九二2400九二2400副励磁机高度饥i5=1000h5=100O永励磁机高度饥ti6=800h6=S00定子机座支承面到下机架支承面或到下挡风板距离=0.15Qh8=803下机架支承面到大轴法兰距离/79=1000/79=1000转子磁辄轴向高度俎OhiQ=Zt+500ho
23、=1081定子支承面到大轴法兰距离11/ill=/Ig+hg=1803定子铁芯轴向中心线到法兰盘距离屁2h2=0.46/ii+hh2=2457发电机大轴高度俎3h13=0.8H/3=8210定子机座支承面到发电机顶部俎414=+禺+八3+匕4+九5+人6h4-8460发电机总高HH叽+hi4H二10263(5)水轮发电机重量估算如二发电机重量G可按下式估算：&尸二心焉=IOXJ皤昇=190.8t心-估算系数，悬式取810。转子带轴重量G,.为Gr=(0.440.55)GF=0.5X190.8=95.4t(6)起重设备的选择根据转子带轴的重量为95.41,选择起重设备具体选择见下表。吊钩起重量吊
24、钩型式吊钩尺寸配用的平衡梁高度h(mm)A(mm)Dl(mm)1.l(mm)1.2(mm)1.3(mm)100双钩547200600745395700双小车系列吊钩起重呈小车轨距1.t小车轮距Kt大车轮距K大梁底面至轨道面距离F起重机最大宽度B小车桥机轨道面至起重机顶端距离(mm)10044002000440065092003700六、厂房尺寸确定6. 1主厂房长度的确定主厂房的长度山主机间和安装间的长度确定，而主机间的长度则主要取决于机组台数、机组段的长度和边机组的加长，因此，主厂房的长度1.可以表达为1.=n1.o+A1.功S安式中：n为机组台数；ZA。为机组段长度；A1.汝为边机组段加长
25、；ZA丈为安装间长度。1.发电机层机组段长度=。代+b=03+26+b式中：D饨为发电机风罩外缘直径；03为发电机风罩内径；为风罩壁厚，一般为0.30.4m,取0.3m；b为相邻两风罩外缘之间通道的宽度，一般取1.52.0m,取加。则1.o=8.76+2X0.3+2=11.36m2 .蜗壳层机组段长度A。=G+2A1.式中：V为蜗壳在厂房纵向的最大尺寸；4公为蜗壳混凝土厚度，对于金属蜗壳，应满足蜗壳安装所需要的空间要求，最小空间尺寸不宜小于0.8m,取0.8nu则1.o二5.62+4.58+2X0.8=11.8m3 .尾水管层机组段长度1.o=Bw+2A1.式中:为尾水管的宽度;AZA为尾水管
26、边墩的混凝土厚度,至少取0.8-1.Om,大型机组可达加。则1.o=7.48+2X0.8=9.08m取三者中的最大值，即机组段长度1.o=II.8m4 .边机组段加长A1.边么炒=(0.11.0；D式中：久为水轮机的标称直径，该设计安装间在厂房的右端，则取大值A1.1.0X2.75=2.75m5 .安装间长度ZA艺二(1.251.5)o因发电机为悬式发电机，则取小值1.丈二1.25X1I.8=I4.75m综上所述，主厂房的长度1.=nO+A1.+A文=2X11.8+2.75+14.75=41Am6 .2主厂房的宽度发电机层：Bu=AllD风Bd=+A（iAu.分别为发电机层风罩外缘至上游侧墙、
27、下游侧墙的宽度D风8.76占1.=+Au=-y+5=9.38m。阂8.76Bd=-Ad=-3=738m水轮机层：水轮机层一般上下游侧分别布置水轮机辅助设备（即油、水、气管路等）和发电机辅助设备（电流、电压互感器、电缆等）。这些设备布置一般靠墙、风罩壁布置或在顶板布置，不影响水轮机层交通，因此对厂房的宽度影响不大。蜗壳层：Bu=wuA1.+兮Bd=匚眩+A1.血分别为蜗壳在厂房横向上游侧、下游侧的最大尺寸；为蜗壳外围的混凝土结构厚度，取1m：力才为主阀室宽度，取4m。Bll=1.wu+兮二3.83+1+4=8.83mBd1.wd+A1.=5.15+1=6.15m厂房的上游侧宽度和下游侧宽度应取各
28、层上、下游侧宽度的最大值，即Bu-max（BBd=max(Ed)则主厂房总宽度B二+Bd=9-38+7.3816.76m6. 3主厂房各层高程的确定1 .水轮机安装高程山于本设讣选择混流H1.240,QmQX=4662m3s,根据下表确定设计尾水位的水轮机过流量。确定设计尾水位的水轮机过流量电站装机台数水轮机过流量1台或2台1台水轮机50%的额定流量3台或4台1台水轮机的额定流量5台以上1.52台水轮机的额定流量Q=50%X46.62=23.31m3s根据所给资料中流量与下游水位的关系可得，设计尾水位二431.21m下游力匕位流星关系曲线流m355.610.615.620.630.640.66
29、0.680.6水位m430.8430.95431.06431.16431.35431.5431.75431.95432143243194318431.7431.6431.5自431.4431.3431.2431.1431430.9430.8430.70510152025303540455055606570758085流量mVs则立轴混流式水轮机的安装高程0.365X2.75=434.0ImZs=%+#=431.21+2.30+2 .主阀室地板高程7尸什必_牛_X式中：D为压力管道直径；俎为人的高度1.82.0m：压力管道直径(彭德舒公式得)D=轻罂+2T一.0ImVf=Zs-h=434.01一
30、岁一2二430.1m3 .尾水管底板高程Vve式中：b包括尾水管高度和尾水管顶部至导叶底部的高度。WD=Zs-Yj,2=434.01-曲户S-(0.44+1.63+3.71)=427.73m4 .主厂房基础开挖高程Vfc=VwdAH式中：AH为尾水管底板混凝土厚度，AH应根据地基性质、电站大小和尾水管结构形式而定，初设阶段，小型电站或岩质基础取12m；大中型电站或土基取34m。本次设计为岩质基础取2m。Vk=7wd-H=427.73-2=425.73m5,水轮机层地面高程%D=Zs+P+彼式中：P-蜗壳从安装高程向上的最大尺寸，对于金属蜗壳，为其进口尺寸；-蜗壳顶部混凝土层卑度，初设阶段可根据
31、国内外已建电站的经验采用，一般至少取O.81.0m,此设计取为ImVSD=Zs+p+A3=434.014-1.69+1=436.7m6 .发电机装置高程7磁7 FZ=7SD+4+5式中：怎进入孔高度取2m；h5进入孔顶部厚度取ImVfz=Vsd+h4+h5=436.7+2+1=439.7m7 .发电机层地面高程7肋采用定子埋入式习PD=7FZ+匕7式中：协定子高度Vfd=Vfz+h7=439.7+1.42=441.12m8 .安装间地面高程巾I乙=VFD=441.12m9 .桥吊梁轨顶高程VG%=Vfd+h9+ho4-/in+hi2+hi3式中：h9-采用定子埋入式布置，为上机架的高度；力/Q
32、一吊运部件与固定的机组或设备间的垂直净距，取为1m；-一最大吊运部件的高度,/i】2-吊运部件与吊钩间的距离，取为0.8m：瓜3一主钩最高位置（上极限位置）至轨顶面距离1.84mo%=VFD+hg+hQ+/in4-h12+13=441.121.34+1+8.2+0.8+1.84=454.3m10 .梁底高程V习1.D=VG+h4+h5式中:hl4一起重机轨顶至小车顶面的净空尺寸，此处取3.7m；hi5-小车顶面与屋面大梁或屋架下弦底面的净距，一般取0.5m。习1.D=VG+ii4+/its=454.3+3.7+0.5=458.5m11 .厂房顶高程VaACD=习1.D”6式中：h6一屋面大梁的
33、宽度、屋面板的厚度、屋面保温防水层的厚度之和，取0.5moVcd=Vld+hi6=458.5+0.5=459.0m第二部分吊车梁设计七、吊车梁截面形式此电站单机容量为12500KW,电站厂房吊车梁为两跨连续梁，总厂房长度为41.4m,设置6根连续梁。跨长为6.9米，梁的截面形式为T型，其截面尺寸如图1-1所示。800400吊车跨度S=16m,根据最大起重重量G=95.41.选用100t双钩双小车桥式起重机。吊车其他数据为：吊车主钩极限位置ZX=1.Im,吊车重G2=94t,单个小车重G2=19t,吊车两边轮数沪2,吊车轨道及埋件600Nmo1高度：根据T型梁截面混凝土梁的截面一般为跨度的1/51/8,即为6900/56900/8,即1380862.5,取h二1000mm。2 .梁肋宽:梁肋宽为梁高的1/21/3,即500333,取b二50Omm。3 .翼板厚度:翼板片度常为梁高的1/71/10,但不小于100mm,取为13Omm。4.翼板宽度除考虑受力要求外，还应有足够尺寸以布置钢轨及埋件钢轨附件，一般不小于35Omm,在梁端部，肋宽宜适当加大，以利于主筋的锚固。这里取800mm。3.设计原则及混凝土强度等级、钢筋型号按混凝土结构设计规范(S1.191-2008)。吊车梁混凝土标号为C40,纵筋采用HRB335,箍筋为HPB235。八、吊车梁荷载计算
