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1、本章主要内容: 1水电站的基本原理 2水电站的基本类型。 3水电站组成建筑物。 重点：电站水能利用原理 坝式、引水式、混合式开发的水电站原理、类型和适用。抽水蓄能电站及潮汐电站原理。 组成建筑物,第一章 绪论,水电站的基本原理,典型布置型式分类,坝式,引水式,混合式,抽水蓄能电站,潮汐电站,河道坡降较缓，流量较大，适筑坝建库。,坡降大, 流量较小的山区性河段; 河道裁弯和跨流域引水。无压引水式和有压引水式,上游有良好的筑坝条件，下游部分坡降大时。,原理：利用上库存储电能。两个过程：1、抽水蓄能 2、放水发电,利用潮水涨、落产生的水位差所具有势能来发电。单向和双向。,坝式水电站,河床式 ( H3
2、040m),坝后式,厂房位置,引水道布置于坝内,引水道布置于河岸,坝后式厂房,坝内式厂房,溢流式厂房,河岸式厂房,坝式水电站分类,挑流式厂房,厂房位置,河床式电站,河岸式厂房,坝后式厂房,坝内式厂房,挑流式厂房,溢流式厂房,无压引水式水电站,有压引水式水电站,二、发电建筑物 进水建筑物 ：进水口、沉沙池 引水建筑物 ：引水道、压力管道、尾水道 平水建筑物：前池、调压室 厂区枢纽 ：主厂房、副厂房、变电站、开关站等,水电站组成建筑物,一、枢纽建筑物 挡水建筑物 ：坝、闸 泄水建筑物 ：溢洪道、泄水洞、溢流坝 过坝建筑物 ：过船、过木、过鱼,本章主要内容: 1进水口的基本知识。 2有压进水口和无压
3、进水口。 重点： 进水口功用和要求 有压进水口的类型及适用条件、位置选择原则、高程及轮廓尺寸的拟定，进水口主要设备。,第二章1 进水口,功用：位于输水系统首部，按负荷要求引进发电用水。,进水口的功用及要求,要求： （1）要有足够的进水能力 （2）水质要符合要求 （3）可控制流量 （4）水头损失要小 （5）满足建筑物的一般要求,1无压进水口：供水入无压水道。 适用：一般用于无压引水式电站。,2有压进水口：供水入压力水道。 适用：河流水位变幅大或从水库引水的水电站，即有压引水式、坝后式和混合式电站。,进水口的分类,有压进水口,1、位置： 保持水流平顺、对称，不发生回流和漩涡，不出现淤积，不聚集污物
4、，泄洪时仍能正常进水。 进水口后接压力隧洞，应与洞线布置协调一致，要选择地形、地质及水流条件均较好的位置。,有压进水口, 顶部高程: 保证在最低运行水位以下有足够淹没深度，防止引水道出现负压。, 底部高程：进水口的底部高程通常在水库设计淤沙高程以上0.51.0m。,2、高程, 满足分期发电要求 （大型）,有压进水口,3、轮廓尺寸, 进水口的形状应平滑渐变，使水流平顺。 进口流速不宜太大，控制在1.5m/s左右。,控制断面： 拦污栅断面 闸门断面 隧洞断面,有压进水口,洞式进水口,墙式进水口,塔式进水口,坝式进水口,4、分类,地质条件好，山坡坡度适宜，易于开挖平洞和竖井。,进口处地质条件较差，或
5、岸坡陡峻，不易挖井的情况。,进口处地质条件较差或岸坡坡度平缓。,混凝土坝的坝式电站,洞式进水口,墙式进水口,塔式进水口,坝式进水口,有压进水口,拦污栅：有效防止漂木、树枝、浮冰等漂浮物进入进水口。 检修闸门：检修工作闸门及其门槽时用于堵水。一般在静水中开启和关闭。 工作闸门：事故时紧急切断水流或检修引水道。一般在静水中开启，动水中关闭。 充水阀：开启闸门前向引水道充水，平衡闸门前后水压，以便在静水中开启闸门，减小启门力。 通气孔：引水道充水时排气，事故闸门紧急关闭、放空引水道时，补气以防出现有害真空。,5、主要设备,第二章2 引水建筑物,本部分主要内容: 1. 沉沙池 2. 水电站的引水道 3
6、. 压力前池 重点掌握： 沉沙池作用、原理、位置。 引水道的作用和分类，涌波和消落波。 压力前池的作用、位置。, 作用：将已经进入进水口的悬移质泥沙中的有害颗粒沉淀下来，并排走。 作用原理：加大过水断面，减小水流的流速及其挟沙能力，使其有害泥沙沉淀在沉沙池内，将清水引入引水道。 3. 位置：无压进水口之后，引水道之前。,沉沙池,引水道,功用：集中落差，形成水头，并将水流输送到压力管道引入机组，然后将发电后的水流排到下游。按水力特性可分为：,a 、非恒定流概念：水电站水轮机的引用流量是变化的，最典型的就是突然丢弃负荷和增加负荷。此时渠道末端流量瞬时发生变化，但是渠道中水流只能逐渐变化，造成渠道内
7、各点流量随时间变化的流动，即非恒定流。,渠道的非恒定流计算,b 、涌波：电站丢弃负荷时，水轮机引用流量突然减小，但渠道的来流量还来不及减小，多余水量蓄积起来，渠道水位由下游向上游依次逐渐升高，这种升高现象是由渠道末向渠首逐步传递的，称为涌波。 c 、消落波：电站增加负荷时，水轮机引用流量突然增加，但渠道的来流量还来不及增加，渠道末水量被引走，水位逐渐降低，这种水位降低现象是也是由渠道末向渠首逐步传递的，称为消落波。,概念：压力前池是把无压引水道的无压流变为压力管道的有压流的连接建筑物。实际上是扩大断面的渠道。 主要作用： 分配水量 平稳水压 防污、防沙、防冰,压力前池,压力前池位置示意图,日调
8、节池： 调节水电站一 天的发电用水。,压力前池： 平稳水流， 分配水量。,沉沙池： 排走有害颗粒。,本章主要内容: 1压力管道功用、特点、基本参数和类型。 2压力管道的线路选择原则、压力管道的供水方式和管径确定。 重点：压力管道的功用和基本类型、供水方式、直径的选择。,第三章1 压力管道总论,压力管道的功用和特点,特点： 坡度陡 ； 承受电站的最大水头，且承受水锤产生的动水压力比较大； 靠近厂房。,压力管道的基本参数： HD(m2),压力管道的类型,压力管道的供水方式,单元供水 联合供水 分组供水,压力管道的直径通过动能经济计算确定。 一般做法是：初拟几个直径，进行动能经济比较，选定最优直径。
9、 初设时可用下列经验公式初定管道直径。,Qmax钢管的最大设计流量，单位：m3/s Hp设计水头，m。,压力管道直径的选择,K为系数，它与摩阻、材料价格、折旧费、维修费、电价、管道年运行小时等因素有关。,第三章2 明钢管,重点掌握： 1、明管受力构件、线路选择和布置 2、钢材的基本性能 3、钢材的强度校核 4、明钢管敷设方式 5、明钢管的管身应力分析及结构设计（跨中断面） 6、明钢管外压稳定校核,管道的受力构件有管壁、加劲环、支承环、支座滚轮、支承板等。,明管受力构件,钢材的屈服强度 抗拉强度 （屈强比 / ） 断裂时的延伸率 冲击韧性 （反映材料抵抗冲击能力） 塑性指标（伸长率和断面收缩率）
10、,机械性能,辊轧 冷弯（塑性变形、冷作强化、冷脆） 焊接（工艺简单 ，无裂纹和残余应力）,加工性能,化学成分：主要是钢材的化学和合金的含量方面的要求。它们影响钢材的强度、焊接性能。,钢材的基本性能,第四强度理论:,其中： 焊缝系数一般可取0.9 - 0.95, 与焊缝方法、探伤标准、建筑物等级有关。,可忽略时，强度校核可近似表示作：,钢材的强度校核,钢管环向，径向和轴向应力;,钢管各方面剪应力;,明管线路选择,(1)管道线路应尽可能短而直。 (2)选择良好的地质条件，使钢管支承在坚固的地基上。 (3)尽量减少管道线路的起伏波折。,明管的线路选择应与水电站引水系统中其他建筑物，特别是前池或调压室
11、还有和水电站厂房的布置统一考虑。,正向引进： 钢管轴线与厂房纵轴线垂直。 优点：水流平顺，水头损失小。缺点：管道破裂，高压水流对厂房和人员的威胁大。 适用：中低水头电站,斜向引进： 介于正向引进和纵向引进之间。 当地形、地质、引水系统及厂房布置要求适宜时采用这种布置方式。 适用：分组供水和联合供水的水电站,纵向引进： 钢管轴线与厂房纵轴线平行。 优点：减轻了对厂房人员威胁。 缺点：水头损失增加，开挖量增加 适用：高中水头电站,明管布置,明钢管一般敷设在一系列支墩上，支墩仅起支承管身的作用；转弯处设镇墩，将水管完全固定，相当于梁的固定端。 按两镇墩间是否设伸缩节，明钢管敷设方式可划分为：,明钢管
12、敷设方式,连续式,分段式,伸缩节作用： 消除了管壁内的大部分温度应力； 减小了作用在镇墩上的作用力； 适应少量的不均匀沉陷和变形。,连续式,分段式,明钢管的支墩和镇墩,支墩 1、作用：支承钢管，承受管重和水重的法向分力，相当于梁的滚动支承。,滑动式支座（鞍式、支承环式）； 滚动式支座； 摇摆式支座。,2、类型：,镇墩 1、作用：,将钢管固定在山坡上，主要承受因管道转弯而产生的轴向不平衡力，不允许管道在镇墩处发生任何位移。镇墩是依靠自重来维持稳定。,2、位置：,在水管转弯处。,3、类型：,按钢管在镇墩上的固定方式，分为封闭式和开敞式两种形式。,明钢管的管身应力分析及结构设计,按照设计规范要求，明
13、钢管要求进行承载能力极限状态验算，主要内容： 主要结构构件的承载能力计算，管壁和加劲环的抗外压稳定计算。 承载能力极限状态：指钢管结构或构件，或达到最大承载能力、或丧失弹性稳定、或出现不适合于继续承载的变形。,管壁厚度估算,0.75：因未考虑其他荷载，降低 0.25；按上式估算厚度需另加2mm防锈厚度。,为允许应力； 焊缝系数，可由规范选取。,可由应力求壁厚：,根据力的平衡：,(锅炉公式),选取计算断面： 1、跨中断面1-1； 2、支承环旁管壁膜应力区边缘，断面2-2； 3、加劲环及其旁管壁，断面3-3。 4、支承环及其旁管壁，断面4-4。,管身应力计算： 跨中断面 1-1,内水压力产生的环向
14、正应力,水重和管重的法向分力产生的轴向正应力,轴向力产生的轴向正应力,内水压力产生的径向正应力,水管自重的 轴向分力,作用在阀门上的内水压力,水管转弯处的内水压力,水管直径变化处的内水压力,伸缩节端部的水压力,温度变化时伸缩节填料的摩擦力,温度变化时水管与支墩的摩擦力,管轴线方向上的力,水流对管壁产生的摩阻力,法向力引起的弯矩和剪力,法向分力产生的轴向正应力,钢管强度校核,钢管的强度校核，目前多采用第四强度理论，其强度条件为：,式中 为焊缝系数，取0.9-0.95. 由于 一般较小，故上式可简化为：,按第四强度理论公式校核，如不满足要求，需重新调整壁厚或支墩间距，直到满足要求为止。,某电站引水
15、钢管如图所示。设D=4m，v0=4m/s，=30。在1-1断面处，管中心线上水头为50m。 管厚=14mm，计算厚度取12mm。又因温度升高已使伸缩节处发生相对滑动，设A6=200kN，支墩滚动摩擦系数f=0.1。钢管内糙率n=0.0135，钢的容重s=78.5kN/m3，=120MPa，焊缝系数=0.9。试校核钢管1-1断面顶部A点是否安全。,第三章 例题,计算水头 H=H0+H=50+500.3=65 m 内水压力 p=H=9.8110365=6.3765105 Pa 每米管重： qs=Ds=40.0147.851039.81 =1.3548104 N/m (考虑支承环等附加重量，采用=0
16、.014m) 每米管长水体重： qw=D2/4=429.81103/4=1.2328105 N/m 每个支墩的法向反力： G=(qs+qw)l cos =(1.3548104+1.2328105)10cos30 =1.1850106 N,1、跨中断面 1-1应力计算,内水压力产生的环向正应力,水重和管重的法向分力产生的轴向正应力,轴向力产生的轴向正应力,内水压力产生的径向正应力,当管厚取计算厚度0.012m时，内水压力产生的环向正应力为：,径向内水压力在管壁内缘产生的径向应力（在外缘为零）,水重和管重的法向分力产生的轴向正应力,轴向力产生的轴向正应力,水管自重的 轴向分力,作用在阀门上的内水压力,水管转弯处的内水压力,水
