【文章內(nèi)容簡介】 直徑計算由水輪機(jī)選擇計算知，水輪機(jī)單機(jī)最大引用流量為，為減少水頭損失。引水道經(jīng)濟(jì)直徑為 按經(jīng)濟(jì)流速計算 取為減小引水道內(nèi)的水錘壓力值，引水道直徑取稍大值，這里取D=6m。 進(jìn)水口尺寸計算進(jìn)水口的尺寸計算應(yīng)主要包括進(jìn)口段尺寸計算、漸變段尺寸計算、閘門段尺寸計算等。 進(jìn)口段尺寸計算進(jìn)口段頂板曲線采用1/4橢圓曲線。其中為橢圓曲線的長半軸，一般?。?~）D，=。 b為橢圓曲線的短半軸，一般?。?/3~1/2)D，本設(shè)計取1/3D=2m。則橢圓曲線為。一般情況下 漸變段尺寸計算漸變段是閘門段到壓力管道的過渡段，其斷面面積和流速應(yīng)逐漸變化，使水流不產(chǎn)生漏流并盡可能減少水頭損失。由矩形變成圓形通常采用四角加圓角過渡圓弧的中心位置和圓角半徑r均按直線變化，漸變段長度根據(jù)經(jīng)驗，~。收縮角不超過10度，以6~9度為宜，本設(shè)計取為6度。漸變段長度 收縮角取為 圖4—1 進(jìn)水口漸變段剖面圖 圖4—2 進(jìn)水口漸變段平面圖 圖4—3 進(jìn)水口漸變段斷面圖 閘門段尺寸計算閘門段是引水道和進(jìn)口段的連接段，考慮進(jìn)口的穩(wěn)定性，進(jìn)水口設(shè)支墩。閘門段設(shè)計為橫斷面為矩形的水平段，高度取為7m。如下圖： 圖4—4 進(jìn)水口閘門段斷面圖 進(jìn)水口尺寸驗算為保證水流流態(tài)的穩(wěn)定性，進(jìn)水口的水流流速不宜過大。進(jìn)口的面積應(yīng)不小于下式的計算值：式中：為進(jìn)口斷面的面積 為引水?dāng)嗝娴拿娣e（按漸變段末端計算） 為引水道中心線水平面間夾角，本設(shè)計取 為收縮系數(shù)，~，本設(shè)計取由上式計算得：進(jìn)口面積為 滿足流速要求 進(jìn)水口尺寸示意圖由前面的計算得出進(jìn)水口的尺寸示意圖如下： 圖4—5 進(jìn)水口結(jié)構(gòu)尺寸示意圖 通氣孔和進(jìn)人孔為保證當(dāng)引水道充水時可以排氣，在事故閘門之后設(shè)置一通氣孔，同時可保證引水道排水時供氣，避免引水道內(nèi)產(chǎn)生較大負(fù)壓。通氣孔面積按下式計算： 為進(jìn)水口流量，這里取單機(jī)最大引用流量。為通氣孔進(jìn)氣流速，一般為30~50m/s，這里取為40m/s。則通氣孔面積為： 為了便于進(jìn)水口及壓力管道的維護(hù)與檢修，需設(shè)進(jìn)人孔，其位置設(shè)在工作閘門之后。 進(jìn)水口高程計算為保證進(jìn)水口處于有壓狀態(tài)，以使水流流態(tài)穩(wěn)定，進(jìn)水口的高程應(yīng)低于運(yùn)行中可能出現(xiàn)的最低水位，并有一定的淹沒深度。~，但本水電站樞紐的水庫淤沙高程較低，不影響進(jìn)水口高程的選擇與布置，因此該因素不予考慮。為避免進(jìn)水口前出現(xiàn)吸氣漏斗和漩渦的臨界深度按下式計算： 式中：為無漩渦的臨界淹沒水深 為經(jīng)驗系數(shù)，~，對稱進(jìn)水時取小值，側(cè)面進(jìn)水時取大值。 為閘門斷面的水流流速，取閘門段面最大引用流量時的流速。 為閘門孔口凈高。經(jīng)計算得：綜合分析并考慮到風(fēng)浪的影響。則進(jìn)水口底板高程為： 引水道設(shè)計引水道的路線選擇是設(shè)計中的關(guān)鍵，它關(guān)系到隧洞的造價，施工難易，工程進(jìn)度，運(yùn)行可靠性等方面。 線路比較根據(jù)洞線選擇條件初步選擇兩條引水線路，從工程地質(zhì)平面圖上可以看出，因壩址處距離下游大峽溝溝口處較近，且根據(jù)上游地質(zhì)條件選擇的進(jìn)水口位置距離壩址也較近，使得引水線路距離較短，因此整段引水線路均采用壓力鋼管布置。所選擇的兩條引水線路分別以1和2表示，2的進(jìn)水口均布置在左岸上游側(cè)140m處，穿過左岸山體布置引水管道?，F(xiàn)分別就所選兩條線路從各方面進(jìn)行比較，以選擇合理的方案進(jìn)行設(shè)計。從進(jìn)水口處的地質(zhì)條件來看，1和2的進(jìn)水口相同，地質(zhì)條件均較好，岸坡處無破碎帶，穩(wěn)定性均較好。從線路距離來看，1和2線路距離相差不大，所以從洞線的開挖、壓力鋼管的耗用量、施工工期、工作量等方面來說，1和2線路均差不多。從施工干擾程度來看，2線路距離壩體過近，因此與主壩體的施工干擾程度大，而1在這一方面則較有優(yōu)勢，距離主壩體較遠(yuǎn)，互相施工影響小。從引水線路地質(zhì)條件來看，1線路的地質(zhì)條件較好，而2線路在上、下游均有小部分距離經(jīng)過地質(zhì)條件不好的區(qū)域，但基本上不影響壓力管道的安全性。另外考慮因素，2線路的優(yōu)勢在于進(jìn)廠公路較好布置，1優(yōu)勢在于管道線路的轉(zhuǎn)彎角度較小，且尾水線路較短，開挖量小。綜合以上因素，并考慮到廠房的位置布置，以及尾水道的布置，確定1線路為最終引水線路設(shè)計方案。 調(diào)壓室設(shè)計 調(diào)壓室作用在引水線路上設(shè)置調(diào)壓室后，利用調(diào)壓室擴(kuò)大的斷面積和自由水面，水錘波就會在調(diào)壓室反射到下游去。這樣就相當(dāng)于把引水系統(tǒng)分為兩段，調(diào)壓室以前這段引水道，基本上可以避免水錘壓力的影響；調(diào)壓室以后的壓力管道，由于縮短了水錘波傳遞的路程，從而減少了壓力管道中的水錘值，改善了機(jī)組運(yùn)行條件及供電質(zhì)量。 調(diào)壓室的設(shè)置判斷由于設(shè)置調(diào)壓室增加了建造費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)，調(diào)壓室的投資有時幾乎占引水系統(tǒng)投資的1/~1/5，相當(dāng)于廠房的土建投資，因此是否設(shè)置調(diào)壓室，必須經(jīng)過電站的引水系統(tǒng)與機(jī)組聯(lián)合調(diào)節(jié)保證計算及電站穩(wěn)定運(yùn)行綜合分析，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較加以論證。初步分析時，可用表征壓力引水系統(tǒng)慣性大小的水流加速時間，也稱作壓力引水道的慣性時間常數(shù)值來判斷設(shè)置上游調(diào)壓室的條件，其式為：上式中：為壓力引水道（包括蝸殼及尾水管）各段之長度； 為上述各段水道相應(yīng)的流速； 為重力加速度； 為水輪機(jī)的設(shè)計水頭； 為的允許值，一般取為2~4s。根據(jù)在地質(zhì)平面圖上引水線路的布置，由比例測量出壓力水道長度約為460m。壓力水道中的流速取為各段水道的平均流速，取為4m/s。則綜合經(jīng)濟(jì)比較后，不設(shè)置調(diào)壓室。 調(diào)節(jié)保證計算 調(diào)節(jié)保證計算的任務(wù)計算有壓引水系統(tǒng)的最大和最小內(nèi)水壓力，最大內(nèi)水壓力作為設(shè)計或校核壓力管道、蝸殼和水輪機(jī)強(qiáng)度的依據(jù)；最小內(nèi)水壓力作為壓力管道線路布置，防止管道中產(chǎn)生負(fù)壓和校核尾水管內(nèi)真空度的依據(jù)。計算丟棄負(fù)荷和增加負(fù)荷時轉(zhuǎn)速變化率，并檢驗其是否在允許的范圍內(nèi)。選擇調(diào)速器合理的調(diào)節(jié)時間和調(diào)節(jié)規(guī)律，保證壓力和轉(zhuǎn)速變化不超過規(guī)定的允許值。研究減小水擊壓強(qiáng)及機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的措施。 調(diào)節(jié)保證計算的目的正確合理地解決導(dǎo)葉啟閉時間、水擊壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升值三者之間的關(guān)系，最后選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)葉啟閉時間和方式，使水擊壓力和轉(zhuǎn)速上升值均在經(jīng)濟(jì)合理的允許范圍內(nèi)。 調(diào)節(jié)保證計算的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組在丟棄負(fù)荷的過程中，一般情況下，最大轉(zhuǎn)速上升率，對于大型電站，對于沖擊式機(jī)組。機(jī)組在丟棄全負(fù)荷時，若電站設(shè)計水頭小于40m，~，若電站的設(shè)計水頭大于40m小于100m，~，若電站的設(shè)計水頭大于100m。 調(diào)節(jié)保證計算的內(nèi)容丟棄全負(fù)荷或部分負(fù)荷時：機(jī)組轉(zhuǎn)速最大升高值、壓力管道及蝸殼內(nèi)的最大水擊壓強(qiáng)、尾水管真空度校核，同時應(yīng)注意開度變化時的反擊水擊是否超過了增加負(fù)荷時的水擊值。增加全負(fù)荷或部分負(fù)荷時：機(jī)組轉(zhuǎn)速最大降低值，只對單獨(dú)運(yùn)行的電站計算，加入系統(tǒng)運(yùn)行的地在那還能，轉(zhuǎn)速受系統(tǒng)頻率的制約，不可能有很大的降低、壓力管道和蝸殼內(nèi)最大壓力降低值。 調(diào)節(jié)保證計算過程水電站的調(diào)節(jié)保證計算一般按以下兩種工況計算，并取較大值：在設(shè)計水頭下丟棄全負(fù)荷，通常發(fā)生最大轉(zhuǎn)速上升率。在最大水頭下丟棄全負(fù)荷，通常發(fā)生最大水錘壓力。 調(diào)節(jié)保證計算基本數(shù)據(jù)由前面計算可知，壓力管道長度取為460m，壓力鋼管直徑為6m。壓力鋼管屬于地下埋式鋼管，則水擊波速為1200m/s。機(jī)組轉(zhuǎn)速為150r/min，單機(jī)最大引用流量為。導(dǎo)葉啟閉時間初選為6s，計算結(jié)果如不滿足要求，依次按7s、8s、9s計算。 設(shè)計水頭下丟棄全負(fù)荷計算相長為： 導(dǎo)葉啟閉時間為：，因此此時發(fā)生的是間接水錘。水流最大速度為：管道特性系數(shù)為： 丟棄全負(fù)荷時：，所以發(fā)生末相水擊。 根據(jù)調(diào)節(jié)保證計算標(biāo)準(zhǔn)，水錘壓力上升率不滿足要求，不再計算轉(zhuǎn)速上升率。取導(dǎo)葉啟閉時間為7s，同上述計算一樣，發(fā)生間接水錘。水流最大速度為：管道特性系數(shù)為： 丟棄全負(fù)荷時：，所以發(fā)生末相水擊。 水錘壓力值為： 總壓力值為： 轉(zhuǎn)速上升率為（按列寧格勒金屬工廠公式計算）： 上式中：為機(jī)組額定容量。 為導(dǎo)葉關(guān)閉至空轉(zhuǎn)開度的歷時，對于混流式和水斗式水輪機(jī)，對于軸流式水輪機(jī)。 這里取。 為水錘影響系數(shù)，查水電站建筑物教材141頁圖915水錘影響系數(shù)根據(jù)管道特性系數(shù)得。飛輪轉(zhuǎn)矩的計算： 上式中：為經(jīng)驗系數(shù)，查水電站機(jī)電設(shè)計手冊水力機(jī)械分冊167頁表310，根據(jù)轉(zhuǎn)速為150r/。 為定子鐵芯內(nèi)徑（m）。 為定子鐵芯長度（m）。則將以上數(shù)值代入轉(zhuǎn)速上升率公式得： 機(jī)組轉(zhuǎn)速最高值： 由以上計算知，當(dāng)導(dǎo)葉啟閉時間為7s時，在設(shè)計水頭下丟棄全負(fù)荷，水錘壓力上升值與轉(zhuǎn)速上升率均在規(guī)定范圍內(nèi)。 在最大水頭下丟棄全負(fù)荷計算導(dǎo)葉啟閉時間為：，因此此時發(fā)生的是間接水錘。水流最大速度為：管道特性系數(shù)為： 丟棄全負(fù)荷時：，所以發(fā)生末相水擊。水錘壓力值為： 總壓力值為： 轉(zhuǎn)速上升率為（按列寧格勒金屬工廠公式計算）：上式中：為機(jī)組額定容量。 為導(dǎo)葉關(guān)閉至空轉(zhuǎn)開度的歷時，對于混流式和水斗式水輪機(jī)，對于軸流式水輪機(jī)。 這里取。 為水錘影響系數(shù)，查水電站建筑物教材141頁圖915水錘影響系數(shù)根據(jù)管道特性系數(shù)得。同設(shè)計水頭下丟棄全負(fù)荷計算一樣，飛輪轉(zhuǎn)矩為： 將以上數(shù)值代入轉(zhuǎn)速上升率公式得： 機(jī)組轉(zhuǎn)速最高值： 由以上計算知，當(dāng)導(dǎo)葉啟閉時間為7s時，在最大水頭下丟棄全負(fù)荷，水錘壓力上升值與轉(zhuǎn)速上升率均在規(guī)定范圍內(nèi)。因整個有壓引水系統(tǒng)的壓力上升值與轉(zhuǎn)速上升率均在規(guī)定范圍內(nèi)，若按管道、蝸殼以及尾水管三部分的水體動量為權(quán)，對水錘壓力進(jìn)行分配，則管道和蝸殼的水錘壓力值必然也在規(guī)定范圍內(nèi)。 尾水管進(jìn)口處負(fù)壓計算尾水管進(jìn)口處水錘壓力計算：取尾水管平均流速與引水系統(tǒng)平均流速一致，取尾水管長度為30m。則尾水管進(jìn)口處水錘壓力為： 尾水管進(jìn)口處真空度為： 滿足要求。 水頭損失計算引水系統(tǒng)中水頭損失主要包括沿程水頭損失和局部水頭損失兩種。 沿程水頭損失計算沿程水頭損失一般計算公式為：上式中：為沿程水頭損失系數(shù)，其值與管壁光滑程度有關(guān)，查《水電站建筑物設(shè)計參考資料》。 為鋼管內(nèi)徑，即6m。 為水流速度。 為計算管段長度，取進(jìn)水口到蝸殼處距離，約為420m。則 局部水頭損失計算壓力管道的局部水頭損失包括進(jìn)口損失（進(jìn)口水流收縮、攔污柵、閘門槽、漸變段等）、鋼管轉(zhuǎn)彎損失、漸變錐管處損失、分岔管損失和閘門損失等。 局部水頭損失公式為：上式中：為局部水頭損失系數(shù)，與周界變化的幾何形狀、尺寸有關(guān)。查水電站建筑物設(shè)計參考資料知各部分局部損失系數(shù)如下：喇叭進(jìn)口，~。攔污柵處。閘門槽，~。漸變段。轉(zhuǎn)彎，局部水頭損失系數(shù)為：本引水線路中共有3處轉(zhuǎn)彎，平面轉(zhuǎn)彎1處，立面轉(zhuǎn)彎2處。上式中：D為鋼管直徑； R為轉(zhuǎn)彎半徑； 為轉(zhuǎn)彎角度。平面轉(zhuǎn)彎局部水頭損失系數(shù)為： 立面轉(zhuǎn)彎局部水頭損失系數(shù)為： 則整個引水線路局部水頭損失系數(shù)之和為：局部水頭損失為： 壓坡線的繪制 圖4—6 引水系統(tǒng)布置示意圖 圖4—7 壓坡線示意圖5 廠房布置設(shè)計廠房的布置設(shè)計包括平面設(shè)計、剖面設(shè)計和立面設(shè)計三個部分。需要根據(jù)地形資料、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料、水文資料、氣象資料、水能規(guī)劃資料、主機(jī)組和機(jī)電設(shè)備資料、建筑材料供應(yīng)和交通運(yùn)輸情況等來進(jìn)行布置設(shè)計。 蝸殼尺寸的確定本水電站樞紐工程的總裝機(jī)容量為15W千瓦，查表知屬于中型工程。本建筑物的初步設(shè)計是建立在已經(jīng)選定的水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)型號基礎(chǔ)上的。水輪機(jī)的型號是HL220。本水電站設(shè)計水頭為 因此選用金屬蝸殼對任一蝸殼斷面有 其中： 為任一蝸殼斷面流量 為水輪機(jī)最大流量 為進(jìn)口斷面平均流速 為斷面半徑 為斷面外半徑斷面平均流速 上式中K為流速系數(shù)，。對于進(jìn)口斷面：斷面流量為 斷面面積為 斷面半徑為 同時根據(jù)轉(zhuǎn)輪直徑以及設(shè)計水頭，查《水力機(jī)械》附錄二得：座環(huán)外徑 內(nèi)徑座環(huán)外半徑 內(nèi)半徑則從軸中心線到蝸殼外緣半徑 圖5—1 座環(huán)尺寸圖對蝸殼內(nèi)任