《水電站》課程復(fù)習(xí)提要

1、水電站課程復(fù)習(xí)提要緒  論要求：建立水力發(fā)電的概念，了解水力發(fā)電的特點(diǎn)、我國(guó)水能資源的特點(diǎn)及水電事業(yè)發(fā)展?fàn)顩r；理解本課程的性質(zhì)，明確本課程的任務(wù)。重點(diǎn)：水電站和水力發(fā)電的概念，本課程的內(nèi)容及任務(wù)。本章主要內(nèi)容:1在天然河流上，修建水工建筑物，集中水頭，通過一定的流量將“載能水”輸送到水輪機(jī)中，使水能旋轉(zhuǎn)機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電輸電線路用戶。  2在水力發(fā)電的過程中，為了實(shí)現(xiàn)電能的連續(xù)產(chǎn)生需要修建一系列水工建筑物，如進(jìn)水、引水、廠房、排水等，安裝水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備和變電站的總體稱為水電站(水、機(jī)、電的綜合體)。3水電站是水利水電工程專業(yè)的專業(yè)課程，主要任務(wù)是使學(xué)生獲得有關(guān)

2、水電站的基本理論、基本知識(shí)與基本技能，訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生綜合的思維方法及分析問題和解決問題的能力，為今后從事水電站工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行和管理的打下基礎(chǔ)。第一章  水輪機(jī)的類型、構(gòu)造及工作原理要求：掌握水輪機(jī)的基本類型、特點(diǎn)及其適用情況，各種水輪機(jī)的構(gòu)造和工作原理。重點(diǎn)：各種水輪機(jī)的基本類型、特點(diǎn)及其適用情況。本章主要內(nèi)容：1水輪機(jī)的基本參數(shù)包括工作水頭H、流量Q、出力N、效率，此外還有工作力矩M、機(jī)組轉(zhuǎn)速n。水輪機(jī)的特征水頭表示了水輪機(jī)的運(yùn)行范圍和運(yùn)行工況，包括：最大工作水頭、最小工作水頭、設(shè)計(jì)水頭和平均水頭。2水輪機(jī)主要分為反擊式水輪機(jī)和沖擊式水輪機(jī)兩大類，另外還有可逆式水輪機(jī)。其中

3、反擊式水輪機(jī)又分為混流式、軸流式(又分成軸流定漿和軸流轉(zhuǎn)漿)、斜流式和貫流式(包括全貫流式和半貫流式兩種，半貫流式又分成燈泡式、軸伸式和豎井式)四種；沖擊式水輪機(jī)分成水斗式、雙擊式、斜擊式三種。要掌握各種水輪機(jī)的特點(diǎn)及其適用情況。3反擊式水輪機(jī)的主要組成部件：進(jìn)水(引水)部件蝸殼，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪，尾水管。沖擊式水輪機(jī)的主要組成部件：噴管、折流板、轉(zhuǎn)輪、機(jī)殼、尾水槽。4水輪機(jī)的最優(yōu)工況是指效率最高的工況。一般情況下，對(duì)起主要作用的是水力損失，流量損失和機(jī)械損失相對(duì)較小，且基本不變，在水力損失中撞擊和渦流損失最大。第二章 水輪機(jī)的蝸殼、尾水管及汽蝕要求：掌握蝸殼和尾水管的基本類型、特點(diǎn)及其適用情況

4、，蝸殼和尾水管的水力計(jì)算及其尺寸確定，汽蝕的概念及其預(yù)防措施。重點(diǎn)：蝸殼和尾水管的基本類型、特點(diǎn)、適用情況及其水力計(jì)算，防止汽蝕的措施。本章主要內(nèi)容：1蝸殼主要分為金屬蝸殼和混凝土蝸殼兩種，其主要參數(shù)包括座環(huán)外徑、內(nèi)徑、導(dǎo)葉高度、蝸殼斷面半徑、蝸殼外緣半徑，蝸殼的水力計(jì)算。2尾水管的作用：匯集轉(zhuǎn)輪出口水流，排往下游；當(dāng)Hs>0時(shí)，利用靜力真空；利用動(dòng)力真空Hd。尾水管分為直錐形、彎錐形和彎肘形三種。3汽泡在潰滅過程中，由于汽泡中心壓力發(fā)生周期性變化，使周圍的水流質(zhì)點(diǎn)發(fā)生巨大的反復(fù)沖擊，對(duì)水輪機(jī)過流金屬表面產(chǎn)生機(jī)械剝蝕和化學(xué)腐蝕破壞的現(xiàn)象，稱水輪機(jī)的汽蝕。防止汽蝕的措施：流速和壓力是產(chǎn)生汽

5、蝕最重要的兩個(gè)原因，因此要控制流速和壓力的急劇變化。設(shè)計(jì)制造方面： 合理選型，葉型流線設(shè)計(jì)，表面光滑，抗汽蝕鋼襯(不銹鋼)。工程措施：合理選擇安裝高程，采取防沙、排沙措施，防止泥沙進(jìn)入水輪機(jī)。運(yùn)行方面：避開低負(fù)荷、低水頭運(yùn)行，合理調(diào)度，必要時(shí)在尾水管補(bǔ)氣。4水輪機(jī)吸出高度和安裝高程的確定。第三章 水輪機(jī)的特性及選型要求：掌握水輪機(jī)單位參數(shù)的概念，水輪機(jī)的效率修正和單位參數(shù)的修正方法，水輪機(jī)特性曲線的繪制，水輪機(jī)選型的方法。重點(diǎn)：水輪機(jī)的單位參數(shù)修正方法，水輪機(jī)選型。本章主要內(nèi)容：1將模型試驗(yàn)結(jié)果化成為D1M=1m，HM=1m標(biāo)準(zhǔn)情況下的參數(shù)稱為單位參數(shù)，分別用Q'1, n'1,

6、 N'1表示。單位參數(shù)的確定和修正方法。2水輪機(jī)的特性曲線及其繪制。3水輪機(jī)選擇的主要內(nèi)容：(1) 確定機(jī)組臺(tái)數(shù)及單機(jī)容量；(2) 選擇水輪機(jī)型式（型號(hào)）及裝置方式；(3) 確定水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D1、n、Hs、Za；Z0、d0；(4) 繪制水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線；(5) 估算水輪機(jī)的外形尺寸、重量及價(jià)格、蝸殼、尾水管的形式、尺寸、調(diào)速器及油壓裝置選擇；(6) 根據(jù)選定水輪機(jī)型式和參數(shù)，結(jié)合水輪機(jī)在結(jié)構(gòu)上、材料、運(yùn)行等方面的要求，擬定并向廠家提出制造任務(wù)書，最終由雙方共同商定機(jī)組的技術(shù)條件，作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的依據(jù)。水輪機(jī)選型的方法。第四章 水輪機(jī)調(diào)節(jié)要求：掌握水輪機(jī)調(diào)節(jié)的概念和調(diào)節(jié)途徑，調(diào)速器的

7、種類和適用情況、油壓裝置的選擇。重點(diǎn)：水輪機(jī)調(diào)節(jié)的途徑，調(diào)速器和油壓裝置的選擇。本章主要內(nèi)容：1水輪機(jī)調(diào)節(jié)的任務(wù)：隨外界負(fù)荷的變化，迅速改變機(jī)組的出力，保持機(jī)組轉(zhuǎn)速和頻率變化在規(guī)定范圍內(nèi)，啟動(dòng)、停機(jī)、增減負(fù)荷，對(duì)并入電網(wǎng)的機(jī)組進(jìn)行成組調(diào)節(jié)(負(fù)荷分配)。水輪機(jī)調(diào)節(jié)是靠調(diào)節(jié)通過水輪機(jī)的流量實(shí)現(xiàn)的。2水輪機(jī)調(diào)速器的種類：按調(diào)速器元件結(jié)構(gòu)分：機(jī)械液壓(機(jī)調(diào))和電氣液壓(電調(diào))；按調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)數(shù)分：?jiǎn)握{(diào)、雙調(diào)；按大?。ㄈ萘浚┓譃椋捍笮汀⒅行秃托⌒?。3調(diào)速器和油壓裝置的選型。第五章 水電站的布置形式及組成建筑物要求：掌握水電站的基本布置形式及基本組成建筑物。重點(diǎn)：壩式、引水式、混合式開發(fā)的水電站的布置特點(diǎn)及組

8、成建筑物。本章主要內(nèi)容:1水電站的基本類型有壩式、引水式及混合式。壩式水電站分為河床式、壩后式(包括：壩后溢流式、壩內(nèi)式、壩后河岸引水式)；引水式水電站分有壓引水式和無壓引水式電站；混合式開發(fā)多為有壓引水式電站。就其建筑物的組成及結(jié)構(gòu)型式而言，壩后河岸引水、混合式及有壓引水式電站是相同的。2抽水蓄能電站和潮汐電站也是水能利用的重要型式。抽水蓄能電站主要解決電力系統(tǒng)的調(diào)峰問題，尤其在我國(guó)東北、華北、華東等水能資源相對(duì)短缺的地區(qū)，加快抽水蓄能電站的建設(shè)速度很有必要；潮汐電站是開發(fā)海水能源的主要型式。3水電站建筑物由引水系統(tǒng)和廠區(qū)樞紐兩大部分組成。其中引水系統(tǒng)包括進(jìn)水建筑物、引水建筑物和平水建筑物，

9、水電站的類型不同，建筑物的組成有所不同；廠區(qū)樞紐包括廠房建筑物和變電站。第六章 水電站進(jìn)水口要求：了解進(jìn)水口功用和要求；掌握水電站有壓進(jìn)水口的類型、適用條件及設(shè)計(jì)原則。重點(diǎn)：水電站有壓進(jìn)水口的類型及適用條件、位置選擇原則、高程及輪廓尺寸的擬定，及進(jìn)水口設(shè)備的布置。本章主要內(nèi)容:1進(jìn)水口的基本要求：要有足夠的進(jìn)水能力；合理安排其位置和高程，水流平順并有足夠的斷面尺寸；水質(zhì)要符合要求；要設(shè)置攔污、防冰、攔沙、沉沙及沖沙設(shè)備；水頭損失??；位置合理，輪廓平順、流速較小，盡可能減小水頭損失；可控制流量；進(jìn)水口須設(shè)置閘門；滿足水工建筑物的一般要求。2水電站進(jìn)水口分有壓進(jìn)水口和無壓進(jìn)水口。有壓進(jìn)水口分洞式進(jìn)

10、水口、墻式進(jìn)水口、塔式進(jìn)水口和壩式進(jìn)水口。有壓進(jìn)水口的主要設(shè)備有攔污柵、工作閘門、檢修閘門、通氣孔和旁通閥。第七章 水電站的渠道及隧洞要求：掌握引水渠道和有壓隧洞、沉沙池及壓力前池的布置設(shè)計(jì)原則和基本要求。重點(diǎn)：引水渠道和有壓隧洞的作用、線路選擇、斷面設(shè)計(jì)和水力計(jì)算方法；壓力前池的作用、組成及尺寸確定。本章主要內(nèi)容:1水電站引水道的功用是集中落差，形成水頭，輸送水流。引水道分無壓引水道和有壓引水道兩類。無壓引水道常用的是渠道或無壓隧洞，適用于無壓引水電站。有壓引水道主要是有壓隧洞，要了解其線路選擇原則、水力計(jì)算特點(diǎn)及斷面設(shè)計(jì)方法。2. 壓力前池是水電站的平水建筑物，其主要作用是平穩(wěn)水

11、壓、平衡水量， 攔阻雜物與排除泥沙，保證下游供水。壓力前池由擴(kuò)散段、池身、壓力墻式進(jìn)水口，有時(shí)還有溢流堰和排沙設(shè)備等。壓力前池布置應(yīng)注意穩(wěn)定和滲漏問題。日調(diào)節(jié)池適用于引水渠道較長(zhǎng)，且水電站擔(dān)任峰荷的水電站。應(yīng)了解其作用和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。第八章 水電站壓力管道要求：掌握壓力管道的工作特點(diǎn)、類型及總體布置，壓力管道的尺寸擬定，設(shè)計(jì)方法和步驟。重點(diǎn)：地面壓力管道的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度校核、外壓穩(wěn)定校核，地下埋管的計(jì)算原理。本章主要內(nèi)容:1壓力管道功用和基本類型。壓力管道是從水庫(kù)、壓力前池或調(diào)壓室向水輪機(jī)輸送水量的水管。主要特點(diǎn)是：坡度陡，內(nèi)水壓力大， 靠近廠房。按布置方式分：明管 (無壓引水式電站)、 地下埋管(有

12、壓引水電站)、混凝土壩身埋管 (凝土重力壩及重力拱壩)；按材料分鋼管(大中型水電站)、鋼筋混凝土管(小型電站)、鋼襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。中高水頭電站一般采用焊接鋼管，低水頭電站有時(shí)可采用鋼筋混凝土管。2壓力管道的線路選擇原則、壓力管道的供水方式和管徑確定。壓力管道的供水方式有單元供水、聯(lián)合供水、分組供水；應(yīng)根據(jù)電站的不同情況，結(jié)合電站的開發(fā)方式、水頭、流量及管道的長(zhǎng)短、地形、地質(zhì)條件確定壓力管道的供水方式和引進(jìn)方式。壓力管道直徑的確定是壓力管道的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容之一。大型壓力管道的經(jīng)濟(jì)直徑是動(dòng)能經(jīng)濟(jì)計(jì)算確定的，初步設(shè)計(jì)時(shí)可采用經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)濟(jì)流速方法。3明鋼管的敷設(shè)方式和支承方式。為了減小溫度應(yīng)力，明鋼

13、管的敷設(shè)方式通常采用分段式。 4作用在壓力管道上的荷載及其組合，明鋼管的設(shè)計(jì)計(jì)算。要求掌握明鋼管上的軸向力、法向力和徑向力的計(jì)算方法，明鋼管跨中斷面和跨端(不計(jì)支承環(huán)的影響)的應(yīng)力計(jì)算和強(qiáng)度校核，在外壓作用下管道的穩(wěn)定分析。5地下埋管的工作原理。要求掌握地下埋管的工作特點(diǎn)。壩內(nèi)壓力管道的布置方式和工作原理。第九章 水電站的水擊及調(diào)節(jié)保證計(jì)算要求：了解水電站有壓引水系統(tǒng)非恒定流現(xiàn)象和調(diào)節(jié)保證計(jì)算的任務(wù)，通過水擊沿管道的傳播和反射規(guī)律分析，理解水擊的物理本質(zhì)。掌握簡(jiǎn)單管水擊簡(jiǎn)化計(jì)算、復(fù)雜管路的水擊近似計(jì)算、機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的近似計(jì)算和改善調(diào)節(jié)保證的措施。重點(diǎn)：水擊計(jì)算解析方法和適用條件和機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的

14、計(jì)算方法。本章主要內(nèi)容:1造成水電站不穩(wěn)定工況的原因及在有壓引水系統(tǒng)引起的非恒定流現(xiàn)象；水電站調(diào)節(jié)保證計(jì)算的任務(wù)。2水擊波沿管道的傳播反射規(guī)律，水擊基本方程，水電站水擊計(jì)算的邊界條件。3直接水擊、間接水擊、第一相水擊和極限水擊的概念、開度依直線規(guī)律變化時(shí)的水擊計(jì)算，起始開度和關(guān)閉規(guī)律對(duì)水擊的影響，水擊壓力沿管線的分布，復(fù)雜管水擊計(jì)算。這也是本章的重點(diǎn)和難點(diǎn)。水擊計(jì)算最關(guān)心的是管道水擊的最大值和最小值，利用水擊計(jì)算簡(jiǎn)化公式可求出。計(jì)算時(shí)首先判斷水擊的類型，選擇相應(yīng)的計(jì)算公式。要求熟練掌握簡(jiǎn)單管的水擊計(jì)算步驟、判別水擊類型，復(fù)雜管路的水擊近似計(jì)算方法，并能繪制最大和最小水擊壓力沿管道的分布圖。 4

15、調(diào)節(jié)保證計(jì)算的目的在于選擇一個(gè)合理的導(dǎo)葉調(diào)節(jié)時(shí)間Ts和調(diào)節(jié)規(guī)律，使得壓力水管中水擊的變化和機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化都控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。不能滿足要求，應(yīng)采取相應(yīng)的改善措施，保證水電站的正常運(yùn)行。要求掌握機(jī)組轉(zhuǎn)速變化率的計(jì)算公式，調(diào)節(jié)保證計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)和改善調(diào)節(jié)保證的措施。 第十章  調(diào)壓室要求：掌握調(diào)壓室的作用及設(shè)置條件、布置形式和基本結(jié)構(gòu)類型；掌握調(diào)壓室水位波動(dòng)的解析方法，調(diào)壓室水位波動(dòng)的穩(wěn)定問題和調(diào)壓室的水力計(jì)算條件。重點(diǎn)：調(diào)壓室的功用、設(shè)置條件和設(shè)計(jì)方法(調(diào)壓室尺寸擬定)。本章主要內(nèi)容:1調(diào)壓室的作用是減小壓力水管的水擊值，防止水擊波進(jìn)入引水道。設(shè)置調(diào)壓室的依據(jù)是根據(jù)水流加速時(shí)間常數(shù)來判斷

16、的。因此要了解設(shè)置調(diào)壓室的目的，掌握設(shè)置調(diào)壓室的判別條件。2調(diào)壓室的基本方程是進(jìn)行調(diào)壓室水力計(jì)算的理論基礎(chǔ)，包括水流連續(xù)方程、水流運(yùn)動(dòng)方程和等出力方程，學(xué)習(xí)中要理解調(diào)壓室的基本工作原理，了解基本方程的內(nèi)容和含義。3. 根據(jù)引水系統(tǒng)的布置情況，調(diào)壓室的布置有四種型，即上游調(diào)壓室、下游調(diào)壓室、上游雙調(diào)壓室和上下游雙調(diào)壓室。調(diào)壓室的基本結(jié)構(gòu)類型有圓筒式、阻抗式、雙室式、溢流式、差動(dòng)式和氣墊式。要求掌握各種調(diào)壓室的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件。4. 調(diào)壓室的水位波動(dòng)計(jì)算方法主要介紹了解析法和差分計(jì)算的基本原理。解析法可以直接求出調(diào)壓室的最高水位和最低水位，方法簡(jiǎn)便，但只適用于圓筒式和阻抗式調(diào)壓室在丟棄全負(fù)荷的情況

17、，常用以初步擬定調(diào)壓室尺寸。差分法是建立在逐步積分的基礎(chǔ)上的，用有限差分方程代替基本微分方程，然后逐時(shí)段求解，得出水位、流速和時(shí)間的關(guān)系曲線。當(dāng)t取的適當(dāng)時(shí)，計(jì)算結(jié)果比較精確，是在已經(jīng)擬定調(diào)壓室尺寸的基礎(chǔ)上進(jìn)行的計(jì)算，一般用于最后設(shè)計(jì)階段，適用于各種類型的調(diào)壓室，是設(shè)計(jì)中常用的方法。應(yīng)掌握解析法的計(jì)算方法和適用條件及差分法的基本原理。5. 波動(dòng)穩(wěn)定是調(diào)壓室工作中的一個(gè)重要問題。調(diào)壓室應(yīng)在任何工作情況下都保證水位波動(dòng)是逐漸衰減的。調(diào)壓室的面積要滿足電站正常運(yùn)行要求，同時(shí)滿足在發(fā)生大、小波動(dòng)時(shí)波動(dòng)逐漸衰減并趨于穩(wěn)定。學(xué)習(xí)中應(yīng)理解調(diào)壓室波動(dòng)穩(wěn)定的概念，掌握小波動(dòng)穩(wěn)定斷面的計(jì)算方法。 第十一章

18、0; 引水式地面廠房要求：掌握水電站廠房功用、組成、設(shè)備布置和結(jié)構(gòu)布置的基本原則、確定主廠房輪廓尺寸的方法；對(duì)水電站廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則和特點(diǎn)、其它類型的廠房的特點(diǎn)及布置設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題作一般了解。重點(diǎn)：水電站廠房的布置設(shè)計(jì)，包括機(jī)電設(shè)備的組成及布置，廠房的結(jié)構(gòu)布置及主副廠房尺寸的確定，廠區(qū)布置設(shè)計(jì)原則。 本章主要內(nèi)容:1水電站廠房樞紐由主廠房、副廠房、主變壓器場(chǎng)、高壓開關(guān)站及交通道路組成；廠房?jī)?nèi)的機(jī)電設(shè)備分五大系統(tǒng)：水流系統(tǒng)、電流系統(tǒng)、機(jī)械控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備系統(tǒng)；主廠房分上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)。水電站廠房的基本類型有引水式廠房、壩后式廠房和河床式廠房。要求掌握水電站的廠區(qū)樞紐、設(shè)備組

19、成的五大系統(tǒng)。了解水電站的基本類型。2豎軸水輪發(fā)電機(jī)就其傳力方式可分為懸掛式、傘式發(fā)電機(jī)；要求能夠根據(jù)電站的具體情況，合理選擇發(fā)電機(jī)的型式及支承結(jié)構(gòu)方式。3輔助設(shè)備是保證機(jī)組正常運(yùn)行和安裝所必需的，主要有：調(diào)速系統(tǒng)、技術(shù)供水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、油壓系統(tǒng)、氣系統(tǒng)和起重設(shè)備。要求掌握油、水、氣系統(tǒng)組成及布置原則，起重設(shè)備的選擇。4發(fā)電機(jī)層布置的設(shè)備有發(fā)電機(jī)、調(diào)速器、油壓裝置、機(jī)旁盤、勵(lì)磁盤、蝶閥孔、樓梯、吊物孔等。在水輪機(jī)層一般布置調(diào)速器的接力器、水力機(jī)械輔助設(shè)備(如油、氣、水管路)、發(fā)電機(jī)附屬裝置(如主引出線、中性點(diǎn)引出線、接地、滅磁裝置等)、廠用電的配電設(shè)備。安裝間一般均布置在主廠房有對(duì)外道路的一端，其高程主要取決于對(duì)外道路的高程及發(fā)電機(jī)層樓板的高程，面積應(yīng)滿足一臺(tái)機(jī)解體大修的需要。要求掌握發(fā)電機(jī)層、水輪機(jī)層及安裝間的布置原則。5廠房長(zhǎng)度由機(jī)組段長(zhǎng)度、邊機(jī)組段加長(zhǎng)及安裝間長(zhǎng)度來確定。廠房寬度由上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)以及上、下游測(cè)設(shè)備布置、結(jié)構(gòu)尺寸、吊運(yùn)方式等確定。安裝高程是廠房控制性標(biāo)高。水輪機(jī)層高程由安裝高程、蝸殼尺寸及蝸殼上部混凝土厚度確定。發(fā)電機(jī)層高程要保證水輪機(jī)層有足夠空間，