水电站课程设计The final revision was on November 23, 2020（中国通常称水头大于70m 为高水头水电站，低于30m 为低水头水电站，30～70m 为中水头水电站）（混流式安装高程以导叶中心线为基准,轴流式则以叶片中心线为基准,卧式机组以主轴水平中心线为基准）.一、水轮机发电机组的选择（1）选择机组台数、单机容量及水轮机型号（*）；选用4台HL310型机组，单机容量为（总装机容量=机组台数）（2）确定水轮机的尺寸(包括水轮机标称直径D1、转速n 、吸出高度Hs 、安装高程Za)； 转轮直径为D 1=6.5m ，转速为n =72r/min ，水电站厂房所在地点海拔高程为=252m,，模型气蚀系数修正值为σz =σ+?σ=0.36,则水轮机的吸出高度为H s =10.0−900−σH r =10.0−252900−0.36×23.30=1.332m .导叶高度为b 0=0.1~0.39D 1，取b 0=0.3D 1=0.3×6.5=1.95m ,由于有4台机组，设计尾水位取1台机组流量相应的水位，ω可按如下过程确定：一台水轮机工作时的流量为Q =Q ′D 12√H r ,而Q ′=N r 9.81D 1 2H r 32η⁄其中：η取水轮机最优工况下的模型效率，即ηMmax =0.896, 此时D 1m =0.39m.限制工况下的模型效率为ηM =0.826则原型最优工况下效率为ηmax =1−（1−ηMmax ）（D 1m D 1）15=0.941 修正值为η=k (ηmax −ηMmax )=0.030其中k 取0.5~1.03，这里取则修正后的模型限制工况下效率为η=ηM +η=0.856单位流量为Q ′=N r 9.81D 1 2H r 32η=350009.81×6.52×23.32×0.856=0.877m 3s ⁄流量Q =Q ′D 12√H r =0.877×6.52×√23.3=178.88m 3s ⁄则H =2×10−12×Q 3−8×10−8×Q 2+0.0015×Q 2+264.65=264.83m因H =264.83<266，则H 取266m.则水轮机的安装高程为Z s =ω+H s +b 02=266+1.332+1.952=268.31m .（3）选择尾水管的型式及尺寸；①根据已得到的资料，知该水轮机为低水头水轮机（D 1<D 2），得可此水电站尾水管对应的尺寸如下 ： （单位：m ）为了减小开挖深度以及具有良好的水力性能，可采用弯肘形尾水管，它由进口直锥段、中间弯肘段、出口扩散段三部分组成。
② 进口直锥段：进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散观，D 3为至椎管的进口直径；对于混流式水轮机由于至椎管与基础环相连接，可取D 3与出口直径D 2相等，其椎管的单边扩散角θ可取7°~9°；ℎ3为直锥管的高度，增大ℎ3可减小肘管的入口流量，减小流速对管壁的冲刷。
③肘管：肘管是一变截面弯管，其进口为圆断面，出口为矩形断面，水流在肘管中由于转弯受到离心力作用，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的原因是转弯的我、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，一般推荐使用的合理半径为R= (0.6~1.0)D1，外壁R6用上限，内壁R7用作下限，则有. R6=1.0×6.5=6.5m,R7=0.6×6.5=3.9m.④出口扩散段：出口扩散段是一水平放置断面为矩形的扩散段，起出口宽度一般与肘管出口宽度相等；其顶板向上倾斜，根据其出口宽度并不是很大，所以不需要加设中间支墩。
仰角为α=arctanℎ5−ℎ6L2=arctan7.93−4.387517.42=11.50°，其中L2=L-L1.⑤尾水段的高度和水平长度尾水管的总高度h和总长度l是影响尾水管性能的重要因素。
总高度h是由导叶底环平面到尾水管地板之间的垂直高度。
在描述进口直锥管中已经说明D1<D2,属于低速混流式水轮机。
增大尾水管的高度h，对减小水力损失和提高ℎω是有利的，特别是对大流量的轴流式水轮机更为显着。
但对混流式水轮机尾水管中产生的真空涡带在严重的情况下不仅影响机组的正常运行还会延伸到尾水管地板引起机组和厂房的振动。
为了改善这一情况，常采取增大尾水管高度的方法，但将会增大开挖量，经过试验，对于低转速混流式水轮机，应采取h> 2.2D1，由上述可知，h=16.9>2.2D1=2.2×6.5=14.3，满足要求。
(4)选择相应发电机型号、尺寸已知水轮机单机容量为，根据《水电站机电手册——水力机械》查得，选择发电机的型号为SF50-44/920的半伞式发动机组4台。
主要参数为：额定容量58800KVA;重量：转子375t，定子190t，总重685t；最大运输部件外形尺寸××m,最大50t；定子铁芯主要尺寸：外径, 内径, 长度，定子机座高度2540mm，上机架高度835mm，推力轴承高度1100mm，励磁机高度2400mm,机座外径10400mm，风罩内径13000mm，定子外壳高度为，转子外径8590mm，下机架最大跨度6470mm，水轮机基坑直径5600mm，推力轴承装置直径3600mm，励磁机外径2660/3400.二、厂区枢纽及电站厂房的布置设计⑴主厂房总长度的确定：厂房总长度包括机组段的长度（机组中心距）、端机组端的长度和安装间的长度。
总长L= nL C+L1+L2+L a.布置图如下：其中n为机组台数，L C为机组段长度，L a为装配场长度，L1为左机组段长度，L2为右机组段长度，为便于安装，厂房左端增加长度L。
①机组段的长度L c的确定机组的长度L c主要由蜗壳尾水管，尾水管，发电机等设备在x轴方向(厂房纵向)的尺寸来决定，同时还考虑机组附属设备即主要通道，吊物孔的布置及其所需尺寸。
机组段长度L c可按下式计算：L c=L+x+L−x.其中：L+x表示机组段+x方向的最大长度；L−x表示机组段−x方向的最大长度；计算机组长度时可按蜗壳层、尾水层和发电机层分别计算，然后取其中最大值，再调节其他两个，使其相等。
<1>按蜗壳层推求：L c=R1+R2+δ1+δ2其中：δ1和δ2表示蜗壳外部混凝土厚度，一般为1.2~1.5m，这里取；R1蜗壳+x方向最大平面尺寸，经计算为6.4m；R2蜗壳−x方向最大平面尺寸，经计算为4.8m；则L c=R1+R2+δ1+δ2=6.4+4.8+1.2+1.2=13.6m.<2>按尾水管层推求：L c=B5+2δ2其中：B5为尾水管出口宽度，其值为17.68m；δ2为尾水管混凝土边敦厚度（大型水电站取5~7m，中型水电站取3~4m，小型水电站取1~2m），这里取1.2m.则L c=B5+2δ2=17.68+2×1.2=20.08m.<3>按发电机层推求：L c=3+b+2δ3其中：δ3表示发电机风壁厚，一般取0.3~0.4m，这里取0.4m；b表示相邻两风罩外壁净距，一般取1.5~2.0m，这里取1.8m；3表示发电机风罩内径，由上述资料知其值为13m.则L c=3+b+2δ3=13+1.8+2×0.4=15.6m.结论：根据以上三种结构的计算情况，厂房的机组间距由尾水管层推求的长度决定即L c=20.08m，为便于施工，取L c=21m.②左端机组段附加长度为L1=0.8D1=0.8×6.5=5.2m.③右端机组段附加长度为L2=0.2D1=0.2×6.5=1.3m.④安装间长度为L a=（1.2~1.5）L c，这里取L a=1.4L c=1.4×21=29.4m.结论：主厂房的长度为L=nL C+L1+L2+L a=4×21+5.2+1.3+29.4=119.9m，取120m.⑵主厂房的宽度①以机组中心线为界，厂房宽度B可分为上游侧宽度B s和下游侧宽度B x两部分,关于这两部分的计算可用以下经验公式计算：B=B s+B x.其中：B s=αD1，当水轮机的转轮直径D1=6.0~10.0m时，相应的α取值为1.8~6.0，这里α取，则：B s=αD1=2.4×6.5=15.6m.B x=(3.5~4.5)D1, 这里取B x=4.5D1=4.5×6.5=29.25m.结论：主厂房的宽度为B=B s+B x=15.6+29.25=44.85m.⑶主厂房的剖面尺寸确定①水轮机的安装高程由上述资料可知为：Z s=ω+H s+b02=266+1.332+1.952=268.31m.②尾水管地板的高程为：1=Z s−b02−ℎω.其中：Z s表示水轮机安装高程；b0表示导叶高度；ℎω表示底环顶面至尾水管的距离，ℎω=h−b02.则1=Z s−b02−ℎω=268.31−1.952−(16.9−1.952)=251.14m.③主厂房基础开挖高程F=Z s−（h1+h）其中：h1表示尾水管地板混凝土厚度,取1.8m；h表示尾水管高度.则F=Z s−(h1+h)=266−(1.8+16.9)=247.3m.④水轮机层地面高程2=Z s+b02+ℎ2其中：ℎ2表示蜗壳顶部混凝土厚度，这里取1m.则2=Z s+b02+ℎ2=268.31+1.952+1=270.285m.⑤发电机层地面高程3=Z s+ℎ5+ℎ1+ℎ0.其中：ℎ5表示进入孔高度，许满足水轮机附属设备油气水管道和发电机出线布置要求的高度，一般为1.8m~2.0m，这里取2.0m；ℎ1表示混凝土厚度,取1.0m；ℎ0表示定子高度，为2.54m.则3=Z s+ℎ5+ℎ1+ℎ0=268.31+2.0+1.0+2.54=273.85m.⑥起重机的安装高程（轨顶高程）4=3+ℎ6+ℎ7+ℎ8+ℎ9+ℎ10.其中：ℎ6表示吊运设备时需跨越的固定设备或建筑物的高度，取0.8m；h7表示吊运部件与固定物之间的垂直安全高度，不小于0.3m，取0.6m；h8表示起吊设备的高度（发电机主轴高度取6.2m）；h9表示吊柱钩与吊运部件之间的距离一般为0.8~1.0m ,取0.9m；h10表示吊车主钩至轨顶的最小距离，取1.2m.则4=3+ℎ6+ℎ7+ℎ8+ℎ9+ℎ10=273.85+0.8+0.6+6.2+0.9+1.2=283.55m.⑦屋顶高程：6=4+H+ℎ13其中：H表示轨道中型至起重机顶端距离，取3.692m；ℎ13表示检修吊车在车上的留有高度，取0.15m.则6=4+H+ℎ13=283.55+3.692+0.15=287.392m.⑧主厂房的高度H主=6−F=287.392−247.3=40.092m.⑶主厂房的布置1）主厂房的平面设计①主厂房的上部结构部分<1>主机室主机室包括发电机层，装设有水轮发电机组和调速器操作柜、油压装置、机旁盘、励磁盘等设备。