FJD34260 FJD水利水电工程技术设计阶段引水式水电站水道水利学计算大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网1998年1月1水电站技术设计阶段引水式水电站水道水力学计算大纲主编单位:主编单位总工程师:参编单位:主要编写人员:软件开发单位:软件编写人员:勘测设计研究院年月2目次1. 引言 (4)2. 设计依据文件和规范 (4)3.基本资料 (4)4.计算原则与假定 (6)5.计算内容与方法 (6)6.观测设计 (15)7.专题研究 (16)8.应提供的设计成果 (16)341 引言工程位于 ,是以 为主, 等综合利用的水利水电枢纽工程。

水库最高洪水位 m,正常蓄水位 m,死水位 m ，最大坝高 m 。

电站总装机容量 MW,单机容量 MW,共 台,保证出力MW电站设计水头 m,最大水头 m,最小水头 m 。

电站最大引用流量 m 3/s本工程初步设计于 年 月审查通过。

2 设计依据文件和规范2.1(1) 工程可行性研究报告;(2) 工程可行性研究报告审批文件; (3) 工程初步设计报告;(4) 工程初步设计报告审批文件; (5) 2.2 主要设计规范(1)SDJ 12—78 水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(山区、丘陵区部分) (试行)及补充规定; (2)SD 134—84 水工隧洞设计规范;(3)SD 303—88 水电站进水口设计规范(试行); (4)SD 144—85 水电站压力钢管设计规范(试行); (5)DL/T 5058-1996 水电站调压室设计规范;(6)DL/T 5079-1997 水电站引水渠道及前池设计规范 (7)SL 74—95 水利水电工程钢闸门设计规范； (8)SDL 173—85 水力发电厂机电设计技术规范。

3 基本资料3.1 工程等级及建筑物级别(1)根据SDJ 12—78规范表1确定本工程为(2)根据引水系统工程在水电站枢纽中所处的位置及其重要性,按SDJ 12—78确定建筑物级别为3.2(1)各种频率下的洪水流量,和经水库调节后相应的下泄流量; (2)多年平均流量; (3) 3.4设计计算中常用的各种水位流量资料如表1。

5表1 水位流量表3.5(1)最大坝高、坝型;(2)进水口主要高程及尺寸:进口底板高程及喇叭口尺寸、进口曲线型式;进口工作闸门中心线桩号、及其底版高程及孔口尺寸; 渐变段长度及尺寸;(3)引水隧洞直径、长度，渐变段末端桩号,隧洞起点底板或中心线高程,调压室与隧洞中心线交点处桩号及高程; (4)调压室的体型、尺寸,(5)压力管道主管直径、长度、坡度、弯段转弯半径，支管直径、长度、分岔型式,水轮3.6 机电设备及其主要参数 (1)机组额定转速 r/min; (2)机组飞逸转速 r/min; (3)机组轴向总推力 t; (4)机组旋转方向 ;(5)机组飞轮力矩GD 2 t/m 2; 3.6.1(1)水轮机型号为 ,转轮直径D 1= m; (2)水轮机的特性曲线;(3)水轮机调速时间 s,及其行程曲线图;(4)涡壳进口尺寸,涡壳设计最大水头H= m, 涡壳长度为 m,平均流速为 m/s; (5)尾水管型式 ,中心线长度 m,平均流速 m/s; (6)水轮机安装高程 m,水轮机吸出高度H s = m 3.6.2(1)额定容量 MVA; (2)额定电压 V; (3)额定电流 A; (4)额定功率 ;(5)额定频率 s -1; (6)相 数 3.7 运行方式根据水电站的运行方式,决定引水道的水力计算条件,6(1)丢弃负荷时,考虑瞬时全部关机，负荷从100 ％→0;相应的流量由Q max →0; (2)加负荷时，考虑其他机组正常运行时，瞬时开最后一台机组,管道内流量由Q p →(Qp ＋q)4 计算原则与假定4.1(1)引水系统的水力计算,除执行本《大纲》外,还应符合有关规程、规范、标准的规定(2)设计前应认真收集和分析有关水力计算的原始资料,落实电站的运行方式,并了解有(3)有关抽水蓄能电站水道水力设计，参见“抽水蓄能电站水道水力过渡过程计算大纲4.2 设计假定(1)根据建筑物的等级,确定洪水位的高程、下泄流量和相应的下游尾水位,作为设计的(2)按照电站在电网系统中的位置和运行的条件,(3)在计算调压室的最高和最低涌波以及进行压力管道内的水锤计算时,要计算电站的1)(4)引水系统水力计算选用糙率系数时,计算调压室内最高涌波时取小值,计算最低涌波取大值。

5 计算内容与方法5.17在设计水头时损失应分段计算:(1)自进水口至调压室与隧洞交叉处;(2)自调压室与隧洞交叉处到水轮机进口(即蜗壳进口);(3)蜗壳尾水管至尾水出口(如有尾水洞及尾水调压室的电站也应计算在内)。

计算情况又分为:(1)关机情况—采用小的糙率系数计算沿程损失; (2)开机情况— 5.3.1水流通过的管道自进水口到尾水出口均应包括在内, (1)谢才公式(Chezy)(1775)v ＝C(RJ)1/2(1) 沿程损失：式中：v 为断面平均流速; C 谢才系数;R 断面的水力半径,即R ＝A/P ； J 为水力坡度; Δh f 沿程水头损失; L 隧洞或管道长度; A 断面积； P(2)曼宁公式(Manning)(1890年)C=(1/n)R1/6(3)沿程损失：n 为糙率系数;A 过水面积; Q 过流量;R水力半径,园形断面 R ＝D/4; L 隧洞或管道长度； D 5.3.2局部水头损失,可参照有关规范进行计算(如进水口部分可参照SD 303—88附录四……等)。

其计算公式如下：()222Rc L v h f =∆()434222L R A Q n h f ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=∆8v 2／2gζ局部损失种类如下： (1)进口损失; (2)拦污栅损失; (3)渐变段损失; (4)闸门槽损失; (5)弯管段损失; (6)5.4根据枢纽和建筑物的特征及电站的等级,如表1列出校核情况和设计情况，并计算各种(1)引用流量计算公式N 电站出力，MW ；H 0 电站净水头，m ； η 效率系数。

(2)表2 各种计算工况表调压室的水力计算应满足DL/T 5058-1996 调压室的水力计算包括以下内容:(1)验算水力发电厂工作的稳定性,即确定调压室的稳定面积,以确保不稳定流逐步衰减;(2)决定调压室的最高涌波;(2) 5.5.1为了降低水轮机压力水道中的水锤压力,防止水锤波向隧洞内传播,应按DL/T 5058-1996中的不等式判定是否设置调压室:T W ＞〔T W 〕 (7)T W ＝ΣLV/(gH) 压力引水道中水流的惯性时间常数,s ;()522gv h ζ=∆()681.9οηH N Q =9L 压力引水道(包括涡壳和尾水管)各分段的长度,m ; V 各分段内相应的流速，m/s;g 重力加速度,g=9.81m/s 2; H 相应水头(最小水头)，m ; 〔T W 〕 T W 的允许值，一般取2s ～4s5.5.2计算最小稳定断面时,应按电站运行中可能出现的最小水头计算。

计算水头损失时,压力引水道应选用可能的最小糙率,压力管道选用可能的最大糙率。

调压室的稳定断面按托马(Thoma)公式计算并乘以系数K ：式中: L 压力引水道长度，m;f 引水隧洞断面积，m ２; Hj 电站最小净水头，m;α 自水库至调压室水头损失系数(包括局部损失与沿程摩擦损失)，在有连接管时应计入速头:K 系数，一般选用1.0 ～ 1.15.5.3调压室涌波计算按DL/T 5058-1996 (1)按上游水库正常蓄水位和电站机组满载运行瞬时丢弃全部负荷，或按上游水库设计洪水位，电站满载运行瞬时丢弃全部负荷，作为设计情况进行计算；并按上游水库校核洪水位,(2)调压室的最低涌波水位,按上游水库最低设计水位,电站由(m-1)台机组的过流量增至m 台的情况作计算。

(3)5.6 水轮机调节保证计算(包括水锤计算)()82jgaH KLf F =gV ha w212+=∑10图1则速率上升值小,(1)决定压力管道内最大内水压力,作为设计或校核压力管道、涡壳和水轮机强度的依据。

(2)决定管路内最小内水压力,作为布置管线及防止压力管道中产生真空和校核尾水管内5.6.3 (1) 1)压力过水系统末端(涡壳末端)的允许相对压力升高值ζmax,目前一般采用下列数值:11图2压力管道内水击压力分布示意图H o ＞100m 时, ζmax=0.15～0.30; 当H o =40m ～100m 时, ζmax=0.30～0.50; 当H o ＜40m 时, ζmax=0.5～0.7 2)在压力过水系统内任何位置不允许产生负压,且应有2 m ～3 m 的余压; 尾水管进口的允许最大真空度为8 m (2)甩满负荷时机组速率上升值β的允许值必须满足SDJ 173—85第2.2.3条中的规定: 当机组容量占电力系统工作总容量的比重较大,且担负调频任务时,宜小于45 ％;提示：经过专门论证后β值也可略超过555.6.412(1)水锤波传播速度a 计算式中:α 水锤波传播速度，m/s1425 为声音在水中的传播速度，m/s ;E 0 水的弹性模量, E 0＝2.1×103MPa ; E钢 E ＝2.1×105MPa ;生铁 E ＝1.0×105MPa ;钢筋 E ＝2.1×104MPa ; 橡皮 E ＝2MPa ～ 6 MPa ; D 管道直径,cm ; δ 管壁厚度，cm (2)1)直接水锤:水轮机关闭或开启时间Ts ≤t Φ=2L ／α (10)间接水锤:水轮机关闭或开启时间Ts ＞t Φ=2L ／α (11)式中: Ts 水轮机导叶关闭或开启的时间，s ； α 水锤波传播速度，m ／s ;t Φ 水锤波行驶两倍管路长度所需时间称为水锤的相; L 管道长度，m2) σ和μ 管道系数σ:管路断面系数μ:式中: V 0 管道中的初始流速，m/s ; α 水锤波传播速度，m/s ;H 0 静水头,即上游水位与尾水位之差，m; T ′s 水轮机导水叶关闭或开启时间，s;g 重力加速度, g ＝9.81m/s 2;ΣLV 为压力输水管L T V T ,涡壳L C V C 和尾水管L B V B 的总和， ΣLV ＝L T V T ＋L C V C ＋L B V B 。

根据管道特性系数σ和μ(3) 1)()()()911425δοD E E a +=()12'sTgH LVa ο∑=()132οομgH aV =13当μτ0＞1.5时, 最大水锤压力发生在末相:ξm ＝(σ/2)［σ±(σ2＋4)1/2］ (14)当μτ0＜1时,最大水锤发生在第一相末:ξ1＝2μ［τ0τ1(1±ξ1)1/2］ (15)式中:σ、μ 管道特性系数;ξm 末相水锤相对压力升高或降低; ξ 1 第一相水锤相对压力升高或降低; τ0 导水机构的初始相对开度; τ 1 ξ1:ξ1＝2μ{(τ0＋μτ21)－［(τ0＋μτ21)2－τ20＋τ21］1/2} (16) 2)当Ts ＜2L/α时为直接水锤,其压力升高值为ΔH,在完全关闭(τk ＝0)时: ΔH ＝αV 0/g (17) V 0(4)图31)压力管道的最大压力升高ξT 为:ξT ＝〔ΣL T V T /(ΣLV)〕ξmax (18) ΔH T ＝ξT H 0 (19)2)涡壳末端最大压力升高ξc 为:ξc ＝［(ΣL T V T ＋ΣL C V C )/(ΣLV)］ξmax (20)ΔHc ＝ξcH 0 (21)3)尾水管中的最大压力降低ηB 为:ηB ＝〔(ΣL B V B )/(ΣLV)〕ξmax (22) ΔH B ＝ηB H 0 (23)14图44)尾水管最大真空度H B 为:H B ＝H S ＋V 23/(2g)＋ΔH B (24)式中：H S 吸出高度，m ;V 3 尾水管进口流速，m/s 5.6.4.2甩全负荷时转速变化计算公式:ββ＝［(n max －n 0)/n 0］100 ％ (25)式中:n 0 初始转数,即甩负荷前机组的稳定转数;n max 甩负荷过程中机组所达到的最大瞬时转速。