Проектирование судоходных шлюзов

Заключение

В состав данного гидроузла входят: бетонная водосливная плотина, здание ГЭС, земляная плотина, шлюз.
В данном курсовом проекте выбрана пойменная компоновка гидроузла. Водосливная плотина и здание ГЭС, расположены на правом берегу. Полная длина всего гидроузла в створе составляет 4124.1 м. Отметка гребня грунтовой плотины составляет 132 (м).
Водослив располагается на песчаном основании. Водосливной фронт состоит из 7-ми пролетов по 16 м. Полная ширина водослива с учетом быков составляет 136м. Высота – 19.11. Удельный расход составляет 41м/с2. Напор на гребне водослива равен 8,88. Отметка гребня находится на отметке 120,12.
Профиль водослива – практический (конструирование проводилось по методу Офицерова-Кригера). На нем расположе ...

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 2
1. РАСПОЛОЖЕНИЕ ШЛЮЗА В ГИДРОУЗЛЕ, СХЕМЫ ВЕРХОВОГО И НИЗОВОГО ПОДХОДОВ К ШЛЮЗУ 3
2. ПОДХОДЫ К ШЛЮЗАМ 5
3. ПРИЧАЛЬНЫЕ И НАПРАВЛЯЮЩИЕ СООРУЖЕНИЯ 7
4. ГРУЗОПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ ШЛЮЗА 8
5. ВЫБОР СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ, ТИПОВ КАМЕР И ГОЛОВ 11
6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ВОДОПРОВОДНОЙ СИСТЕМЫ ШЛЮЗА 12
7. ОБОРУДОВАНИЕ, КОНСТРУКЦИИ, ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ И СТАТИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ ГОЛОВ ШЛЮЗА 18
8.КОМПОНОВКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ ЗДАНИЯ ГЭС 21
9. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОДОСЛИВНОЙ ПЛОТИНЫ 36
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 57

Введение
Рациональное проектирование судоходных шлюзов и гидроэнергетических, воднотранспортных и комплексных узлах сооружений, а также на искусственных водных путях должно обеспечить нормальные условия их эксплуатации при наименьших объемах капиталовложений. Это достигается, главным образом, правильным выбором типа шлюза и компоновки его в гидроузле, системы его питания, основных конструкций и схем оборудования, наиболее отвечающих заданному напору на сооружение, а также природным и производственным условиям.
Состав данного курсового проекта:
1. Выбор при заданном напоре на гидроузле типа шлюза и определение полезных размеров его камеры в соответствии с заданным расчетным составом судов и грузооборотом;
2. Расположение судоходного сооруже ния в гидроузле с учетом топографических, гидрологических и геологических условий;
3. Выбор рациональной системы питания шлюза, типа стен и днища камеры, схемы голов и их оборудования, типа сооружений в подходах;
4. Основные (специфические для судоходных шлюзов) гидравлические и статические расчеты.

м контура затворов, которая принимается равной 4…5 л/с для обычных эксплуатационных условий подвижных уплотнений шлюзов при Hd < 15 м, принимаем ; – полная длина уплотнений по периметру ворот и затворов головы шлюза, равная.Тогда среднесуточный расход воды на шлюзе, м3/с, составляет 7. Оборудование, конструкции, основные размеры и статические расчёты голов шлюзаВодопроводные устройства и механическое оборудование размещаются в головах судоходных шлюзов (подводящие галереи – в днище камеры при принятой распределительной системе питания) – верхней и нижней. Компоновка и конструкции голов принимаются в зависимости от места, занимаемого головой в комплексе сооружений шлюза, вида грунтов основания, системы питания, габаритов шлюза и напора на него, типа механического оборудования и схемы его размещения, наличия мостовых переходов. Компонуя совместно элементы системы питания, конструкции и оборудования, выбирается схемы их размещения в головах и основные минимально возможные размеры. При этом особое внимание должно быть обращено на взаимное положение водопроводных затворов и механизмов ворот, дающее наименьшую длину и ширину голов. Учитывая вышесказанное принимаем компоновочные и конструктивные решения для верхней и нижней голов шлюза.Верхняя голова принимается со стенкой падения, что даёт пространство, в которое опускается плоский рабочий затвор. Нижняя голова по условиям пропуска через неё судов стенки падения не имеет.Головы шлюзов при нескальных грунтах основания в статическом отношении представляют собой неразрезную пространственную армированную бетонную конструкцию, состоящую из фундаментной плиты (стенки падения) и жёстко связанных с ней устоев.Верхняя голова шлюза имеет галереи, размещаемые в устоях. При донном расположении галерей (в камере) осуществляется перевод галерей из-под устоев к середине камеры. Водопроводные затворы должны располагаться вместе с их ремонтными заграждениями на прямолинейных участках галерей в устоях.Принимаем типовую при средних напорах компоновку нижней головы: основные двустворчатые ворота и водопроводные галереи в устоях. Ремонтные заграждения принимаем в виде двустворчатых ворот, шкафные ниши которых размещаются в упорном массиве.По известному напору и установленным габаритам шлюза могут быть определены размеры отдельных частей его голов – входной, шкафной и упорной. Входную часть верхней головы используем для размещения аварийно-ремонтных заграждений, входной части системы питания, механизмов; в этом случае определяется при компоновке оборудования. Входная часть нижней головы служит лишь для сопряжения со стенами камеры. Для голов с двустворчатыми воротами створки ворот при открытом положении размещаются в углублениях устоев – шкафах, длина которых . Упорную часть головы, воспринимающую распор от ворот, устраиваем длиной равной напору на камеру (Hd = 10,0м) для нижней головы и напору на пороге (hl = 3,5 м) для верхней.При предварительной компоновке и конструировании голов принимаем следующие размеры, необходимые для размещения оборудования:при двустворчатых воротах угол наклона створок к прямой, соединяющей оси вереяльных столбов, принимаем равным ;глубина шкафных ниш в устоях ;длина шкафных ниш ;глубина шкафной ниши в днище .Расстояние от верховой грани верхней головы до паза аварийно-ремонтного подъёмно-опускного затвора принимает равным ширине пазов, которую принимаем равной 3,0 м. Для нижней головы с двустворчатыми основными и ремонтными воротами, а также водопроводными галереями в устоях:длина входной части по конструктивным соображениям (для возможности устройства водопроводных галерей);ширина водопроводных галерей в устоях принимается равной ,где Аоп = 9,8 м2 – необходимая при опорожнении камеры площадь водопроводных галерей,hоп = 2,5 м – принятая высота водопроводных галерей в устоях;ширина водопроводных галерей на выходе при постоянной их высоте (hоп = 2,5 м) принимается равнойдлина от шкафной части до конца выходных отверстий водопроводной галереи,длина от водопроводной галереи до конца головы равна, где – длина створки ремонтных ворот, м, равная, тогда.Ширину устоя в шкафной части назначаем равной .Тогда ширина устоя равнаby = b + d2 = 6+ 1,5 = 7,5 м.Длина устоя равна.8.Компоновка и конструирование здания ГЭСВ курсовом проекте мы выбрали:ГЭС – деривационная с подземным машинным залом. В качестве аналога здания была взята ______________ ГЭСтип агрегата вертикальный с радиально-осевой турбинойПри решении всех компоновочных и конструктивных вопросов необходимо стремится к уменьшению объемов строительных работ и стоимости оборудования, с учетом обеспечения нормальных условий эксплуатации ГЭС.Описание компоновки здания ГЭСВ данном курсовом проекте рассматривается деривационное здание ГЭС. Оно имеет головную компоновку, следовательно, расположено ближе к НБ, а также имеет общий подводящий водовод и индивидуальные отводящие.Машинный зал – подземный, имеет 2-х зальную компоновку и включает:машинный залгалерею ремонтных затворов отсасывающей трубыЗдание ГЭС имеет горизонтальные и вертикальные коммуникации:горизонтальные – для транспорта, оборудования и людейвертикальные – для вывода токопроводов из здания ГЭС и для вентиляцииОбделка сводов и стен выполняется в соответствии с таблицей, где определяющими критериями являются окружающая порода и ширина машинного зала.fкрB0/d0dn/d0δ,мB0≤15B0≥15>820…301…1,51,5…20,4…0,54…815…201…21,5…2,50,4…1<410…151,5…2,52…31,2…1,5Агрегатные блоки выполнены с учётом «Норм технологического проектирования ГЭС»:Для осуществления главной функции ГЭС – выработки электроэнергии и регулирования мощности в энергосистеме – необходимы комплексы различного оборудования, от которого зависит надежность и эффективность эксплуатации станции. В связи с этим очень важно подобрать тип и параметры оборудования, решить вопросы его компоновки.Основное энергетическое оборудование включает в себя:Гидросиловое оборудование:Гидротурбины и гидрогенераторы. В зависимости от напора подбирается тип турбины.Система автоматического регулирования (САР) предназначена для управления турбиной путем изменения открытия НА.Также к гидросиловому оборудованию относятся: система возбуждения (СВ) и система охлаждения (СО).Электрическое оборудование. Электрическое оборудование включает в себя токопроводы от генератора, силовые трансформаторы, открытое распределительное устройство (ОРУ), системы собственных нужд (СН), систему контроля и управления (СКУ) и центральный пункт управления (ЦПУ).Механическое оборудование.Механическое оборудование зданий ГЭС включает затворы и подъемно-транспортные механизмы (краны, подъемники).Затворы:Предтурбинный затвор. Т.к. имеет место разветвлённый подводящий водовод, то необходима их установка. Затворы располагаются в здании машинного зала.Ремонтные затворы отсасывающих труб.Подъемно-транспортное оборудование:Кран машинного зала – мостовой кран. Выбирается с учётом грузоподъёмности и ширины машинного зала. В данном курсовом проекте кран выполнен с опорой на пяты свода.Кран для ремонтных затворов отсасывающих труб.Вспомогательное оборудованиеВспомогательное оборудование зданий ГЭС включает в себя систему технического водоснабжения (ТВ), пневматического хозяйства (ПХ), масляного хозяйства (МХ), откачки воды из проточной части (СОВ), противопожарную систему.Выбор формы и определение размеров турбинных камерФорма спиральной камеры определяется углом охвата 0 и формой поперечных сечений спирали. По типу станции принимаем металлическую спиральную камеру с углом охвата φ0=3450. Размеры поперечных сечений и очертаний спирали в плане устанавливается гидравлическим расчетом спиральной камеры. Исходными данными для гидравлического расчета спирали является равномерное поступление расхода в статор и направляющий аппарат по его периметру. Отсюда следует, что расход Qφ, проходящий через произвольное сечение спирали, определяемое углом φ равен:,гдеQр – расчётный расход турбины, Qр = 55.62 м3/с.Существует несколько методов расчёта. Воспользуемся приближенным методом расчёта по условию постоянства средних расходных составляющих скоростей в поперечных сечениях спирали: Vср= const.Расчётная величина средней скорости Vср определяется по графику зависимости Vср= f(H), и равна Vср = 10.2 м/спри расчётном напоре Нр = 117.55 м.Площадь произвольного поперечного сечения спирали находится по формуле:.Радиус поперечного сечения спирали определяется по формуле:.Наибольшие радиусы внешнего очертания спирали:, где – радиус окружности, по которой расположены входные кромки статорных колонн.Все вычисления производятся в табличной форме:Данные таблицы позволяют построить любое произвольное поперечное сечение и очертание спиральной камеры в плане. При этом поперечным сечением, примыкающим к зубу спирали, по условию сопряжения со статором турбины придают эллиптическую форму, вытянутую в направлении оси турбины с площадями, равными площадям, определённым расчётом или несколько большими.градFR00,000,002,30150,230,272,84300,450,383,06450,680,473,23600,910,543,38751,140,603,50901,360,663,621051,590,713,721201,820,763,821352,040,813,911502,270,854,001652,500,894,081802,730,934,161952,950,974,242103,181,014,312253,411,044,382403,641,084,452553,861,114,522704,091,144,582854,321,174,653004,541,204,713154,771,234,773305,001,264,823455,231,294,88Выбор типа и определение параметров предтурбинных затворовПредтурбинный затвор устанавливается в двух основных случаях:если имеет место разветвлённый турбинный водовод (для ремонта одного из агрегатов;на индивидуальных водоводах при больших напорах (для защиты НА от щелевой кавитации).Т.к. диаметр входного сечения Двх=2.58 м и расчётный напор Нр=117.55 м, то выбираю дисковый затвор с плоскоскошенным диском ЗДс260-120 со следующими характеристиками:Диаметр затвора – 2600 ммСтатический напор – 120 мДиаметр сервомотора – 600 ммЧисло сервомоторов – 1Время закрытия-открытия – 120 сМасса затвора – 20.5 т.Определение формы и размеров отсасывающих трубВ реактивных турбинах вода из рабочего колеса выпускается в отсасывающую трубу и по ней отводится в нижний бьеф. Отсасывающая труба существенно влияет на энергетические показатели турбин. Отсасывающая труба в значительной мере определяет размеры нижней части блока здания ГЭС и отметку заложения основания. Форму и размеры отсасывающих труб подбираем по рекомендациям заводов – изготовителей гидротурбин (ОСТ 24.023.11–72) с указанием типа турбин, с которыми они применяются, для радиально осевой турбины РО 170 с диаметром рабочего колеса D1 = 2.8м.В подземных ГЭС увеличение высоты трубы не приводит к ощутимому удорожанию, поэтому на этих станциях применяются высокие изогнутые трубы с цилиндрическим коленом, но стремятся ограничить ширину, для того, чтобы имелась возможность сохранить целики скалы между выработками. Это достигается за счёт высоты конической части и довольно длинного диффузора, который может иметь наклон от 0 до 30. Колено делается постоянного сечения и имеет форму тора. В пределах диффузора сечения изменяются с круглого на овальное с тем же углом конусности.Определение отметки отсасывающей трубыПлощадь поперечного сечения находится по формуле:, где Qр = 55.62 м3/с - расчётный расход турбины,Vэк = 3.5 м/с – экономически наивыгоднейшая скорость.Высота поперечного сечения находится по формуле:Определение уклона и отметок отводящего туннеля:,где- коэффициент шероховатости, Основными параметрами гидрогенераторов являются:величина номинальной мощности P, кВА;коэффициент мощности cos;частота вращения n, об/мин;напряжение на выходах U, кВ.Активная мощность каждого из генераторов, установленных на ГЭС (кВт), составляет:, где установленная мощность ГЭС, ;za количество установленных на ГЭС агрегатов, za = 4..Номинальная мощность генератора (кВА) находится по выражению:, гдегде cos = 0.85 0.90..Скорость вращения генераторов такая же, как и скорость вращения гидротурбин n, мин-1, n = 272.7мин-1.Габариты гидрогенераторов зависят от конструкции основных элементов и характеристик используемых материалов.Диаметр расточки статора (ротора) Дi (м) может быть определён по формуле:, гдеVu – окружная скорость ротора, Vu 160 м/с для генераторов номинальной мощностью P 175 МВА. Принимаем Vu = 160 м/сдля генератора номинальной мощностью P = 64МВА;nразг. – разгонная скорость вращения турбины (максимальная), равная nразг. = (1.7 2.0)n, мин-1. Принимаем ;.Высота активной стали (м) находится по выражению:, гдеСэ – коэффициент использования активных материалов, при форсированном воздушном охлаждении Сэ = 6 7, принимаем Сэ = 7;P – номинальная мощность генератора, кВА;Дi – диаметр расточки статора, м;n – номинальное число оборотов, мин-1;.Принимаем стандартную высоту активной стали lак = 1100 мм.Тип генератора определяется числом оборотов и отношением Дi/lак. При Дi/lак = 5.1 и n = 272.7мин-1 принимаем подвесной генератор со следующими габаритами:Элемент генератораПараметрЗначениеСтаторНаружный диаметр активной сталиДа6.2мДиаметр корпуса Дст7.0мВысота корпуса hст2.6мВерхняя крестовинаВысота hВ.К1.1мДиаметр лучей ДВ.К7.0мНижняя крестовинаВысота hН.К0.5мДиаметр лучей dН.К4.68мПодпятникВысота hп1.2мДиаметр кожуха2.8мНадстройкаВысота hв0.6мДиаметр dв1.2мКратерДиаметр dк.ох9.0мМинимальная ширина прохода0.4 мРасстояние от нижней крестовины до статораа = 0.3м для подвесного генератора, длина выступающей части валаС = 1.0м.Общая масса генератора определяется по следующей формуле:, гдеA = 35 45 т/м2, принимаем A = 40 т/м2..Масса ротора генератора с валом составляют 45 50% его общей массы.При проектировании ГЭС значение высокого напряжения, при котором передается энергия, выбирается в зависимости от дальности передачи электроэнергии и мощности, передаваемой по одной высоковольтной линии (ВЛ).В курсовом проекте применяем трехфазные трансформаторы, повышение напряжения осуществляется по схеме – одиночный блок, когда на каждый генератор устанавливается один трехфазный трансформатор.Повышающие трансформаторы ГЭС подбираются по суммарной номинальной мощности подключенных к ним генераторов:кВА , гдеР=64000кВА- номинальная (кажущаяся) мощность генератораηтр=0.99 – кпд трансформатора Допускается небольшая перегрузка трансформатора на 5…10 % Для откатки трансформатора с целью ремонта, на монтажную площадку и обратно на место установки, предусматриваются продольные и поперечные пути. Расстояние между осями рельсов продольного пути принимают равным 1524 мм, а поперечных при активной мощности от 20 до 175 МВт -2000 мм.Т.к. установленная мощность , то принимаю 2 линии электропередач (ЛЭП) по 120 МВт с напряжением U = 220 кВ.Габаритные размеры определяем по графикам:h=7мL=9мb=6мG=100т (масса выемной части-75т) На гидроэлектростанции необходимо создание системы электрических устройств и соединений, которая должна обеспечивать энергией всех подключенных к агрегатам станции потребителей, как при нормальных условиях эксплуатации, так и при выходе из строя одного или нескольких агрегатов. Структуру этой системы определяет главная электрическая схема, которая может быть условно разделена на две части – высокого напряжения и низкого напряжения, необходимого для питания собственных нужд станции. В зависимости от мощности станции, числа установленных агрегатов и характеристик потребителя энергии применяются различные схемы электрических соединений. Основой каждой схемы является соединение генераторов с трансформаторами и линиями электропередачи.Собственные нужды (см.схему):масляное хозяйствотехническое водоснабжение (ТВС) агрегатовпневматическое хозяйствосистема возбуждения генераторовпожаротушениеаварийное закрытие затворовприводы выключателей и разъединителейосвещениеосушение проточных частей агрегатаприводы затворов и задвижек9. Гидравлические расчеты и проектирование водосливной плотины1.Выбор удельного расхода.Рисберма – расположенный за водобоем участок крепления русла, где происходит дальнейшее уменьшение осредненных скоростей и пульсации скоростей.Выбор удельного расхода в курсовом проекте происходит после определения удельных расходов рисбермы по 3 методам.Расчетный расход в курсовом проекте выбираем равным Qвс=5600 м3с, с учета вычета расхода ГЭС. 1 – ый метод: по допустимым скоростям на рисберме. Задаемся допустимой скоростью в зависимости от вида грунта, в данном случае это песок среднезернистый:Vдоп=3мс Отметка дна ∇дна 101 м , отметка поверхности воды при Qв/с=5600 м3с определяется по кривой данной в задание ∇НБ=117,3 м.hрисб=∇НБ-∇дна=117,9-101=16,9 мqрисб=hрисб∙Vдоп=16,9∙3=50,7 м2с2 – ой метод: метод Студеничникова. По выданному зерновому составу определяем d50 -диаметр частиц грунта 50% обеспеченности. Задаемся примерной высотой ковша. По таблице определяем, что d50=0,3 ммqрисб=Vнр∙hя.р.β Яма размыва для песка равна hя.р.=(2-3)hрисб=33,8 мVнр=1,15g∙4d50∙hя.р.kp1.25=1.159.81∙40.0003∙33,81.11.25=1.11 мсqрисб=Vнр∙hя.р.β=1,1∙33,81,2=31,43 м2сβ- коэффициент учитывающий неравномерность распределения удельных расходов.При выборе ямы размыва 3hрисб=50,7м получаем удельный расход рисбермы qрисб=52,18 м2с3 – ий метод: метод Россинскогоqрисб=1,7V01hрисб1,2Принимаем V01=0.6 мс неразмывающая скорость при глубине потока на 1м, принятая для песка среднего.qрисб=1,7V01hрисб1,2=1,7∙0,6∙16,91,2=30,34 м2сДля того, чтобы выбрать удельный расход из определенных ранее тремя методами, необходимо проанализировать полученные результаты, по которым можно будет выбрать наиболее экономические выходной. Анализ выбора удельного расхода рисбермы - это затопленный гидравлический прыжок за водосливом, именно по этому критерию и будем определять удельный расход.Условие затопление прыжка hразд<1.1hбОпределение раздельной глубины:qводосл=1.25qрисб=1.25∙51=63,75 м2сТо=16.75 мhсж=qводφ2g(To-hсж)=63,750.972∙9.81∙(16,75-4,16)=4.18 мСжатая глубина рассчитывается последовательными приближениями (в данном случае приближения было 3)Vсж=qводhсж=63,754,18=15,24 мсhразд=hсж2(1+8αVсж2ghсж)-1=4,182(1+8∙1.1∙15,2429.81∙4,18)-1=12,81 м1.1hбыт=1,1∙16,3=18,59 мhразд <18,59 мПри удельном расходе равном qводосл=63,75 м2с прыжок затоплен.При удельных расходах qводосл=65,225 м2с и qводосл=39,28 м2с прыжок так же затоплен. Выбираем удельный расход qрисб=40м2с 2.