使學生對水電站初步規劃階段的水能利用、水電站開發方式選擇、水電站出力估算、水輪發電機組選擇設計和廠房布置等工作內容有全面了解、重點掌握水電站裝機容量和機組台數確定、水輪機選擇設計、引數計算等工作內容和程式。通過工程設計例項的訓練，培養學生獨立工作及綜合分析、解決問題的能力，以便將來承擔水電站工程設計任務。
擬設計某一引水式水電站，已經過水文水能計算，其各種技術引數及設計要求如下：
1．電站最大水頭，加權平均水頭，設計水頭，最小水頭；壓力管道長度l=260m，管中最大流速;
2．電站最大可引用流量；
3．擬選用水輪發電機組額定出力（單機容量）及台數：
4．水電站站址海拔高程；
5．下游水位流量關係曲線（略）；
6．要求最大允許吸出高。
1．計算確定水電站裝機容量（通過估算水電站出力確定）及台數；
2．水輪機型號的選擇及主要引數計算；
3．水輪機調速裝置及水輪機發電機的選配；
4．蝸殼、尾水管型式選擇及各有關尺寸計算；
5. 取進行調節保證計算，校驗水擊並決定是否設定調壓室；
6．廠房布置設計（水電站主廠房各層平面及剖面圖）。
1．設計說明書、計算書乙份，要求如下：
（1）設計說明書、計算書要做到書寫整潔（用計算機列印最好）、文字流暢、論點明確、計算準確、思路清晰、文中引用的重點公式、引數選定、方案比較等均交代清楚，有理有據。
（2）設計說明書、計算書應有目錄、計算程式及過程，必要的插圖（如特性曲線等），方案比較及對所選定方案優缺點的分析說明，有關參考文獻等。
2．設計圖紙及要求，包括以下內容：
（1）水輪機運轉特性曲線（包括一台、二台、三颱等的工作及運轉特性曲線）；
（2）主廠房各層平面布置圖（標明主機組段的平面尺寸、機電裝置布置等內容）；
（3）廠房橫剖面圖（應標註水輪機安裝高程及各種高程尺寸等）；
（4）電氣主接線及油氣水系統圖（如有困難，油氣水系統圖可不作）。
以上圖紙盡可能採用計算機作圖，一般用a3圖幅，圖樣質量要求達到工程初步規劃設計標準。按學校教務處關於課程設計檔案封面印製及裝訂的統一規範印刷裝訂，第十九周週末按時上交。
通過本課程設計，要求學生加深和鞏固課堂學習內容，掌握水電站初步規劃設計及水力機組選型設計的基本方法和技能，為學生畢業後從事水電站設計，尤其水動專業學生對水力機組選型設計工作打好基礎。要求學生在學習掌握課本學習內容和本文後面工程設計例項的基礎上，動手查閱有關設計資料，在規定的時間內完成上述設計任務。
為使設計工作順利進行，特提供以下提綱及指導，供同學們在具體設計過程中參考。
式中係數的取值，對大型水電站，；中小型水電站，；
可用三種簡化方法（即裝機容量年利用小時數法，保證出力倍比法和套用定型機組法等）之一，最好套用定型機組（可查閱參考已成電站資料）；
可通過查型譜表和水輪機應用範圍總圖，按給定的水頭、流量、出力等引數選擇。如有兩種以上的機型符合條件時，則應將各種可供選擇方案均作為待選機型，通過方案比較後決定取捨，從中選出最優方案。
可利用水輪機應用範圍圖初選n、d1及hs，再用公式詳細計算選擇，經對效率等引數進行修正後，最終確定出符合各引數標準數字系列的引數。
式中：水輪機額定出力由發電機額定出力（機組出力）和發電機效率換算得出：
—發電機效率，對大中型發電機：，對中小型發電機
水輪機單位流量可由附表查取，即水輪機在以額定出力工作時,選用限制工況下的值。對混流式水輪機，該是由5%出力限制線條件得到；對於軸流式水輪機，是由汽蝕限制條件得到；由於軸流式水輪機限制工況下的汽蝕係數偏高，造成水電站廠房挖方過大，因此有些水電站採取限制水輪機吸出高以達到減小挖方的目的，而使相應的和值均有所減小（如本設計例項）。
當水輪機限制吸出高為時，相應的裝置汽蝕係數為
此時，值可在該型水輪機主要綜合特性曲線上選取，作法是：在圖上作一最優單位轉速平線，與上式所求得的等值線右端相交，其交點的值即為新限制條件下的，並可求得該點的效率值。
為水輪機的設計水頭值。
應為原型水輪機在限制工況下的效率，但由於此時轉輪直徑尚未求得，不能計算，故得不出確切的值，計算時可先按經驗初步選取，即從附表中查出限制工況下的模型水輪機效率值，再加1～2%的裕量，先代入上式中試算，待求得轉輪直徑後再作校核。
計算的出的值還需按規定的尺寸系列化整為相近的標準直徑(參閱附表)。通常選用較計算值稍大的標準直徑。
由上式求得的轉輪直徑，和查附表求得模型水輪機在最優工況下的最高效率，按以下公式可求得原型水輪機的最高工作效率：
對混流式水輪機，當時，則：
當時，則：
對軸流式水輪機：
由此可求得效率修正值為：
式中：—考慮工藝水平影響的效率修正值；
考慮異形部件影響的效率修正值。
由此便可得出水輪機在限制工況下的效率為：
其—模型水輪機在限制工況下的效率，查附表可得。由此式計算得出的值與原計算時假定的值相比較，應與之接近或相符，否則，可將上式求得的值代入計算公式重新計算。
對於軸流轉槳式水輪機，的計算應按不同葉片轉角分別予以計算和選用。
按照水輪機相似率公式，水輪機的轉速應為
式中：應採用最優單位轉速，目的是使水輪機在加權平均水頭下有最高的效率，故水頭應取加權平均水頭，故上式可寫為：
式中:—原型水輪機的最優單位轉速，
計算得出的轉速亦需按規定選用相近而偏大的發電機標準同步轉速，從而可使發電機具有較小的尺寸和重量。
按照已選定的和值，在主要綜合特性曲線上給出水輪機的相似工作範圍，並檢驗該工作範圍是否包括了高效率區。
作法：以水輪機的最大水頭，最小水頭，以及選定的和，計算出單位轉速的和；按設計水頭和選定的計算出水輪機在額定出力工作時的最大單位流量。然後在水輪機主要綜合特性曲線圖上分別作以，和為常數的直線，這些直線所包括的範圍即給出了水輪機的相似工作範圍，若此範圍包括了主要綜合特性曲線的高效率區時，則認為所選定的和是滿意的，否則必須適當調整和的數值。
上述相似工作範圍尚不足以反映水輪機的真實運**況，精確地分析水輪機運**況應根據其運轉特性曲線來進行。故上述對和的確定和評定還是初步的。
在方案比較階段吸出高可按設計工況下的值進行計算，用設計水頭及選定的和值按下式求得：，用在主要綜合特性曲線上作平線，與對應點的即為設計工況下的值。
所以計算得出的尚應滿足本例題提出的限制條件：，否則，由於主廠房開挖深度過大而不可行。
軸流轉漿式水輪機引數計算中，對效率修正的計算，與上述不同之處是還應按不同的葉片轉角下進行計算，其限制工況下的效率修正值取與之相接近的轉角所對應的修正值。
蝸殼水力計算的目的是要確定在中間不同包角時蝸殼斷面的形狀和尺寸。計算是在給定的水輪機設計水頭、最大引流量、導葉高度、座環尺寸(外徑、內徑等)和選擇的蝸殼斷面形式、包角、進口平均流速的情祝下進行的．
水流在進入蝸殼後，其流速可分解為園周速度和徑向速度，在進入導葉時，按照均勻軸對稱的入流要求，則應為—常數；其值為
= 對於圓周速度的變化規律，計算時有不同的假定，一般常用的有下列兩種假定：
（一）速度矩r=c(c為一常數)
假定蝸殼中的水流是一種軸對稱的有勢流動，並忽略其內摩擦力，這樣就可以近似的認為水流除了繞軸的旋轉外，沒有任何外力作用在水流上並使其能量發生變化，即
=0則cc
上式說明蝸殼中距水輪機軸線半徑r相同的各點上，其水流的園周速度是相同的，隨著半徑r的增大而減小。
（二）圓周速度=c
此假定即認為蝸殼各斷面的圓周速度不變，且等於蝸殼進口斷面的平均流速。這樣使得在蝸殼尾部的流速較以r=c所得出的流速為小，得出的斷面尺寸較大，從而減小了水力損失並便於加工製造．按照這種假定計算蝸殼的尺寸，方法簡單，所得出的結果與前一種假定的結果也很近似。
以下僅介紹按照假定==c的計算方法，對於按照假定r=c的計算可參考其他有關書籍。
1． 金屬蝸殼的水力計算
1）對於進口斷面
斷面的面積 ==
斷面的半徑
= 從軸中心線到蝸殼邊緣的半徑
=+22）對中間任一斷面
2式中 ——座環外半徑；——從蝸殼鼻端起算至計算斷面的角度；
、、——分別為計算斷面處的流量、斷面半徑及邊緣半徑。
由此便可繪製出蝸殼斷面和平面的單線圖。
2．混凝土蝸殼的水力計算
混凝土蝸殼的水力計算採用半**法極為方便，如下圖所示，現將其計算方法及步驟分述如下：
1）按下式計算蝸殼進口斷面的面積
= 2）根據水電站的具體情況選擇斷面形式，並規劃進口斷面的尺寸使其包括的面積符合的要求，然後將進口斷面畫在圖的右上方；
3）選擇頂角和底角的變化規律(圖中選擇的是直線變化規律)，以虛線表示，並畫出若干個中間斷面(如圖上1、2、3、……斷面)；
4）計算各斷面的面積，並在斷面圖的下面對應地繪製出f=f(r)的關係曲線；
5）按下列關係式在左下方並列繪製出f=f()的直線，
6）根據所需要的角度在圖上便可查得該處蝸殼斷面面積及其相應的外半徑和斷面尺寸，由此便可繪製出蝸殼斷面和平面的單線圖(如下圖所示)。
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