Федеральное государственное автономное образовательное
Учреждение высшего образования
«Южно-Уральский государственный университет
(национальный исследовательский университет)»
Политехнический институт
Энергетический факультет
Кафедра Электрические станции, сети и системы электроснабжения
Методические указания
для самостоятельной работы магистрантов по направлению
13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника»
по программе: «Комплексное использование возобновляемых источников энергии»
РАСЧЕТ малых гидроэлектростанций
Челябинск
Методические указания предназначены для магистрантов очной и заочной форм обучения по направлению 13.04.02 Электроэнергетика и электротехника», обучающихся по программе: «Комплексное использование возобновляемых источников энергии» в соответствии с программой курса
Составители
Пташкина-Гирина О.С. – канд. техн. наук, доцент
Волкова О.С. - ассистент
Рецензенты
Годлевская Е.В. – канд.пед.наук, доцент
АННОТАЦИЯ
Курсовой проект по проектированию малого водохранилища для комплексного использования водных ресурсов имеет целью научить студента основам проектирования малых водохранилищ. Именно на этой стадии определяются основные параметры водохранилища, режим его эксплуатации, степень воздействия водохранилища на окружающую природную среду.
Курсовой проект, развивая навыки самостоятельной работы, позволяет студентам углубить знания по гидроустановкам, ознакомиться с литературой по данной отрасли техники и подготовиться к выполнению дипломного проекта.
Курсовой проект выполняется на основании индивидуального задания, содержащего исходные данные, и состоит из расчётно–пояснительной записки и графической части.
В записке излагаются обоснование выбора и расчёты главных параметров основных сооружений и механизмов при комплексном использовании водных ресурсов.
Графическая часть проекта должна содержать чертежи основных сооружений. Вся работа выполняется в изложенных ниже последовательности и объёме.
Исходные данные
Исходными данными для выполнения курсового проекта являются:
1. Топографические и гидрологические характеристики района;
2. Данные гидрологических наблюдений за режимом реки: среднесуточные и среднемесячные расходы воды за средний гидрологический год в створе проектируемой плотины, среднегодовые расходы за многолетний период наблюдений в том же створе.
Общая часть пояснительной записки должна включать введение, в котором приводится физико-географическая, климатическая и экономическая характеристика района. Эти характеристики составляются на основе детального изучения исходных данных. В пояснительной записке должны быть освещены данные о бассейне реки, его лесистости, заболоченности, рельефе, грунтах, растительном покрове. Необходимо привести сведения о наличии промышленных и сельскохозяйственных объектов, населённых пунктов, дорог, мостов и других объектов, которые должны быть предохранены от разрушения и затопления.
1 ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ
Гидрологическими расчётами определяются характеристики водотока, необходимые для выполнения водохозяйственных, водноэнергетических расчётов и для расчетов водопропускных сооружений ГЭС.
1.1. Определение среднемноголетнего расхода. Анализ многолетних колебаний годового стока
При производстве гидрологических расчетов возможны несколько случаев:
1. В предполагаемом створе строительства гидроузла имеется короткий ряд наблюдений за гидрометрическими величинами. В этом случае характеристики стока определяются косвенными методами, основанными, как правило, на общих закономерностях формирования стока в рассматриваемом регионе, т. е. находят реки - аналоги. Короткий ряд приводится к длинному по реке - аналогу с длинным рядом наблюдений, используя прямую регрессии в параллельные годы наблюдений (коэффициент корреляции r³0.8)
2. Если в створе отсутствуют наблюдения, то стоковые характеристики определяются по картам изолиний годового модуля стока (М0, л/с×км2) и картам изолиний коэффициента вариации (Cv) помещенных в СНиП 2.01.14-83 «Определение расчетных гидрологических характеристик». Коэффициент асимметрии (Сs) определяется методом подбора по рекам данного района.
3. В том случае, если имеется достаточно длинный ряд наблюдений за всеми характеристиками стока (40–60 лет), обработка их производится известными статистическими приемами, изложенными ниже.
По данным за многолетний период наблюдений строится кривая обеспеченности средних годовых расходов реки.
Для построения кривой обеспеченности необходимо:
Определить норму годового стока по формуле:
(1)
где Q ср – средний расход за данный период наблюдений (норма стока); Qi - средний годовой расход i – го члена ряда; п – число членов ряда.
1. Расположить средние годовые расходы воды в убывающем порядке.
2. Установить обеспеченность среднегодовых расходов р% по формуле Чегодаева Н. Н.:
(2)
где т – порядковый номер члена ряда (при расположении среднегодовых расходов в убывающем порядке); п – число членов ряда.
Результаты расчётов сводятся в таблицу 1.
Таблица 1. Расчет параметров распределения среднегодового стока методом моментов
| № п/п | год | Средние годовые расходы воды (Qi), м3/с | Средние годовые расходы воды (Qi,) в убывающем порядке, м3/с |
| Кi- 1 | (Кi- 1) 2 | (Кi- 1)3 | Эмпирическая вероятность
|
| n | ||||||||
| 
| 
| 
|
3. Построить кривую обеспеченности, откладывая по оси ординат среднегодовые расходы воды Qi (м3/с), а по оси абсцисс соответствующие им вероятность р%, как показано на рис. 1.
Условные обозначения: • – эмпирическая кривая; — – теоретическая кривая.
Рис.1. Кривые обеспеченности среднегодовых расходов воды
Для построения теоретической кривой обеспеченности необходимо определить кроме нормы стока параметры этой кривой – коэффициенты вариации CV и асимметрии Cs. Параметры распределения определяем методом моментов.
Коэффициент вариации (нормированное среднеквадратическое отклонение) характеризует степень отклонения членов ряда от среднего арифметического значения и вычисляется по формуле:
(3)
где Ki – модульный коэффициент i – го члена ряда, вычисляемый по формуле:
(4)
п – число членов ряда.
Коэффициент асимметрии выражает асимметричность ряда и определяется по формуле:
(5)
величина коэффициента асимметрии Cs может быть с достаточной точностью определена по формуле (5) только при наличии большого ряда наблюдений (превышающего 70 лет). При сравнительно небольшом ряде наблюдений (порядка 20 лет) расчётный коэффициент асимметрии находится путем подбора. Чаще всего принимается равным:
Сs = 2× CV (6)
где CV – величина коэффициента вариации, вычисляемая по зависимости (3).
Для оценки репрезентативности выбранного ряда наблюдений необходимо рассчитать ошибки определения каждого параметра распределения:
(допустимая ошибка 
); (7)
(допустимая ошибка 
). (8)
По вычисленным трем параметрам подбирается теоретическая кривая распределения, которая сглаживает эмпирическую и позволяет ее экстраполировать в низкие и высокие вероятности.
В гидрологических расчета наиболее применима кривая распределения Пирсона III типа и трехпараметрическое гамма – распределение. Нормированные координаты этих распределений можно найти в справочной литературе (приложение 1).
По теоретической кривой обеспеченности находятся среднегодовые расходы трех характерных лет: 25, 50 и 75 % обеспеченности.
1.2. Определение максимальных расходов
Максимальным стоком называется сток паводков и половодий. Особенности его формирования влияют на размеры водосбросных сооружений на гидроузле ГЭС.
В практике проектирования гидротехнических сооружений принято рассчитывать пропуск через них максимальных расходов при двух режимах: при нормальных условиях и при чрезвычайных условиях эксплуатации. Расчетная обеспеченность максимальных расходов зависит от класса сооружений. Сооружения небольших гидроузлов в сельской местности имеет капитальность не выше III, а чаще всего считают на IV класс, чему соответствуют расходы 5% и 1% обеспеченности.
В том случае, если есть наблюдения за срочными максимальными расходами, обеспеченные расходы определяются методом моментов аналогично расчетам среднегодового расхода.
В том случае, если нет наблюдений за срочными максимальными расходами, расчетный расход определяется по эмпирическим формулам.
Максимальные расходы талых вод с обеспеченностью 1% и 5% для различных площадей водосбора F определяются по формулам Д.Л. Соколовского:
при F> 100 км2
Qmax = k×At×F 0,75 ×d×d’, (9)
при 50< F <100 км2
(10)
при F< 50 км2
Q max = k×At×F, (11)
В этих формулах Qmax – максимальный расход в м3/с; Аτ – максимальный элементарный сток, определяемый по карте изолиний; k =0,278 – коэффициент перехода от стока, выраженного в мм/ч к максимальному расходу, выраженному в м3/с; δ – коэффициент, уменьшающий максимальный расход за счёт влияния озёрности и заболоченности; δ’ – коэффициент лесистости водосбора.
Значения δ определяются по формуле:
d = 1 - 0,6× lg ×(1 + a 0 + 0,2× b 0), (12)
где α 0 – площадь озёр, β 0 – площадь болот, % от всей площади водосбора.
Значения δ’ определяются по формуле:
d’ = 1 - g × (f – f 1), (13)
где g – коэффициент, зависящий от характера древесных пород (для лиственных лесов g = 0,3, для таёжных лесов g = 0,6); f – лесистость водосбора (устанавливается по карте) – отношение площади, покрытой лесом, ко всей площади водосбора в долях от единицы (должна быть больше 0,3); f 1 – средняя лесистость района.
Помимо максимальных расходов талых вод необходимо знать максимальные расходы дождевых паводков 1% и 5% обеспеченности. Эти расходы определяются по формуле Б. В. Полякова:
(14)
где Qmax – максимальный расход заданной обеспеченности в м3/с; Ag – расчётная интенсивность осадков с учётом потерь, определяется по картам изолиний; k = 0,278 – коэффициент перехода от стока, выраженного в мм/ч к максимальному расходу в м3/с; a – коэффициент озёрности водосбора; b – коэффициент заболоченности водосбора; F – площадь водосбора.
Коэффициенты 
и 
определяются по формулам:
(15)
(16)
где α0 – площадь озёр от всей площади водосбора F, км2; β0 – площадь болот от всей площади водосбора F, км2.
В качестве расчётного расхода Qmax в данном курсовом проекте следует принять наибольший по величине Qmax5% (сравнивается Q max5% талых вод и Qmax5% дождевых паводков).
1.3. Внутригодовое распределение стока
Для проведения водохозяйственных и водноэнергетических расчётов в курсовом проекте необходимо знать распределение стока (расхода реки) в течение года. Наиболее удобно выразить указанное распределение графически, построив график изменения расходов по месяцам, называемый гидрографом (рис. 2).
Рис. 2. Гидрограф стока
Построение гидрографов необходимо провести в курсовом проекте для среднемноговодного года с обеспеченностью 25%, средневодного года с обеспеченностью 50% и среднемаловодного года с обеспеченностью 75%. Для построения гидрографов находятся модульные коэффициенты среднемесячных расходов. Расход реки в рассматриваемом месяце вычисляется перемножением среднего расхода за год на модульный коэффициент данного месяца.
Если в задании указаны месячные расходы среднего года, то модульные коэффициенты месячных расходов определяются делением расхода реки данного месяца на средний. При отсутствии в задании месячных расходов модульные коэффициенты могут быть найдены для данной реки по гидрологическому справочнику. Если в справочнике нет данных для рассматриваемой реки, можно пользоваться модульными коэффициентами реки – аналога, имеющимися в справочнике.
При полном отсутствии данных о месячных расходах гидрограф может быть построен по имеющимся в литературе типовым схемам внутригодового распределения стока (Приложение 2).
2. ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ РАСЧЁТЫ
Водохозяйственные расчёты представляют собой очень важную часть проектирования водохозяйственных мероприятий и потому они должны быть выполнены с возможной тщательностью. Помимо всестороннего изучения режима водотока и учёта влияния на этот режим существующего его использования необходимо также правильно оценить потребности в воде со стороны всех отраслей народного хозяйства, удовлетворить запросы которых призваны проектируемые мероприятия, выявить требования к регулированию низкого и паводочного стока. Помимо гидрографа реки нужно знать характеристики водохранилища, которое будет образовано плотиной или существовало до её постройки.
В некоторых случаях в качестве водохранилища могут быть использованы существующие пруды или озёра, расположенные у створа плотины.
Выбор створа гидроузла необходимо начать с построения продольного профиля реки (дна и берегов). Река условно вытягивается в одну линию, которая принимается за ось абсцисс. В выбранном масштабе по оси абсцисс откладываются расстояния по длине реки. А по оси ординат – отметки дна и берегов.
Рис. 3. Продольный профиль реки и берегов.
По продольному профилю реки и берегов (рис. 3) в зависимости от топографии местности с учётом геологии и ширины русла намечаются варианты расположения створов плотин. Выбор створов и отметки горизонта воды в верхнем бьефе сооружения производится на основе технико – экономического сопоставления вариантов с учётом ущерба, наносимого затоплением, близости расположения водохранилища к обслуживаемым объектам, возможности использования местных строительных материалов и т. п.,
2.1. Характеристика нижнего бьефа
Для выбранного варианта составляется поперечный разрез русла в створе плотины и строится кривая расходов воды Q = f(h). Для определения зависимости Q = f(h) необходимо, пользуясь поперечным разрезом русла, вычислить для различных глубин, взятых с определённым интервалом (например, 0,5 м) гидравлические элементы потока: площадь поперечного сечения w (м2), ширину реки по урезу В (м), среднюю глубину 
(м).
Для определения расхода воды при равномерном движении используется формула Шези:
(17)
где i – уклон дна потока, определяемый по данным продольного профиля реки; V – средняя скорость, м/с; коэффициент Шези можно определить по формуле Маннинга
(18)
Если принять, что R » h cp ,, То для определения скорости получим формулу
(19)
n – коэффициент шероховатости, выбирается по гидравлическим справочникам в зависимости от характеристики шероховатости русла (в курсовом проекте можно принять п = 0,05 – 0,067).
Расчет сводится в таблицу 2.
Таблица 2
| Глубина п, м | Площадь живого сечения w, м2 | Ширина реки В, м | Средняя глубина h ср,м | h 0,67 | n | i |
| 
| Q = V×w |
| 0,0 | |||||||||
| 0,5 | |||||||||
| … | |||||||||
| n |
Полученная зависимость Q = f(h) наносится на поперечный профиль русла, при этом расходы воды Q откладываются по оси абсцисс в соответствующем масштабе, та глубины – по оси ординат (рис.4).
Рис. 4. Поперечный профиль русла реки в створе плотины
и кривая Q = f(h).
2.2. Характеристика верхнего бьефа водохранилища
Характеристиками водохранилища являются зависимости объема водохранилища и площади зеркала водохранилища от отметок горизонта воды в нем.
Для выполнения этих расчётов необходимо построить кривую зависимости площадей зеркала водохранилища от отметок уровня воды в верхнем бьефе W = f(H); зависимости объёмов водохранилища от отметок уровней воды в верхнем бьефе W = f1(H). Вычисления сводятся в таблицу 4.
Таблица 4
| Отметка уровня воды в верхнем бьефе Н, м | Высота слоя воды DН, м | Площадь зеркала Wi, м2 | Объём слоя воды
м3
| Ёмкость водохранилища на данном уровне
 ,м3
|
Для вычисления площадей зеркала водохранилища используется карта с нанесёнными на ней горизонталями (рис. 5).
Рис. 5. Схема расчета характеристик верхнего бьефа водохранилища
На основании данных табл. 4 строится график зависимостей W = f(H) и W = f1(H), при этом по оси абсцисс откладываются в определённом масштабе площади зеркала и объёмы водохранилища, а по оси ординат – соответствующие им отметки уровня воды (рис. 6).
Рис. 6. Кривые площади зеркала и объёма водохранилища (батиграфические кривые).
Полезный объём водохранилища Wn устанавливается по разности отметок НПГ и ГМО (горизонт мёртвого объёма). Отметка ГМО определяется допустимой сработкой водохранилища D Н. В курсовом проекте принимается D Н £ 0,2 Н, где Н – напор на плотине в метрах, соответствующий нормальному подпёртому горизонту воды в водохранилище (НПГ).
Следует учитывать, что не весь объём воды, заключённый в водохранилище, может быть использован для удовлетворения потребителя. Некоторый слой воды должен всегда оставаться в водохранилище неиспользованным как для обеспечения забора воды, так и для обеспечения дополнительной нерабочей ёмкости, связанной с отложениями наносов, образованием льда в зимний период и др. этот нерабочий объём носит название мёртвого объёма.
2.3 Расчет потерь из водохранилища
Основными потерями на водохранилища являются потери на испарение с водной поверхности, льдообразование и на фильтрацию.
Величина потерь на испарение с водной поверхности за год может быть определена по карте изолиний испарения с водной поверхности.
В тех случаях, когда площадь зеркала реки до устройства водохранилища в месте его сооружения, расчётное испарение для всего года может быть принято равным нулю.
Потери на льдообразование могут быть определены приближённо по следующей формуле:
Q л = 0,92×w ×h, (20)
где w – площадь зеркала водохранилища в м2; h – толщина льда в м (берётся по месяцам); 0,92 – плотность льда.
Фильтрация воды из водохранилища имеет место через тело плотины (земляные плотины), под плотиной и в обход плотины.
Расход воды на фильтрацию через тело плотины может быть приближённо определён по формуле:
(21)
где Н – глубина воды у плотины в м; В – длина плотины в м; k – коэффициент фильтрации грунта; L 1 = L 0 – 0.5×m×H, где L 0 – ширина основания плотины; т – коэффициент заложения откосов.
Суммарный фильтрационный расход воды под плотиной и в обход её может быть приближённо определён по формуле:
(22)
где w - площадь зеркала водохранилища в м2; L – расстояние от центра тяжести зеркала до нижней бровки плотины в м; остальные обозначения те же.
Для ориентировочных подсчётов можно так же пользоваться приближёнными нормами возможных потерь на фильтрацию, оценивающими суммарно все возможные виды потерь в % от соответствующего объёма воды в водохранилище:
1. Хорошие гидрогеологические условия (водонепроницаемые грунты в ложе водохранилища, наличие близких грунтовых вод на склоне) – от 5 до 10% от объёма в год;
2. Плохие гидрогеологические условия (водопроницаемые неводоносные породы) – от 20 до 40% от объёма;
3. Средние условия – 10–20 % от объёма в год.
Потери на фильтрацию в первые годы бывают особенно велики и могут превышать расчётные величины. В засушливых районах суммарные потери на испарение и фильтрацию следует брать не менее 50 % всего объёма водохранилища.
Подсчитав суммарную величину потерь из водохранилища за отдельные периоды, следует их вычесть из объёмов стока за те же периоды, и тогда получим сток нетто за каждый расчётный период.
2.4 Расчет регулирования стока
Расчеты по регулированию стока ведутся, в основном, графически. Эти расчеты имеют целью найти зависимость между зарегулированными расходами и полезными объемами водохранилища.
Для определения вида регулирования стока вычисляется коэффициент зарегулированности стока a по формуле:
(23)
где W – суммарный сток воды за средний гидрологический год, W п –полезный объем.
По величине коэффициента a можно установить вид регулирования стока воды водохранилищем (табл. 5).
Таблица 5
| Вид регулирования стока воды | a |
| Суточное | 0,00012 – 0,0004 |
| Недельное | 0,001 – 0,0025 |
| Сезонное (годичное) | 0,05 – 0,4 |
| Многолетнее | 0,35 – 0,7 |
Суточное регулирование вызывается непостоянством потребления в различные часы суток. Собирая избыток воды в водохранилище, можно за счёт этих избытков перекрыть недостачу в воде.
Недельное регулирование может иметь значение, если гидростанция обслуживает по преимуществу промышленные предприятия, работающие с общими выходными днями (например, гидростанция при заводе или фабрике).
Сезонное или годовое регулирование, в основном, сводится к выравниванию неравномерного притока за счёт задержания паводочного расхода воды и пополнения им стока в меженный период.
Многолетнее регулирование имеет своей задачей пополнение стока отдельных маловодных годов и целых маловодных периодов за счёт стока многоводных годов. Многолетнее регулирование требует создания водохранилищ весьма большого объёма.
Водохозяйственные расчёты по регулированию очень наглядно и удобно вести, пользуясь интегральными кривыми стока и потребления.
Интегральная кривая стока строится путём последовательного суммирования объёмов стока от какого либо начального момента времени. За начальный момент обычно принимают первый месяц года, когда начинается заполнение водохранилища.
Рис.7. Результирующий гидрограф стока реки (а)и интегральная кривая стока (б).
На оси абсцисс откладывается время, а в конце каждого интервала времени по оси ординат откладываются суммарные объёмы воды от начала отсчёта времени до конца рассматриваемого интервала. На рис. 7 представлен годовой график расходов (гидрограф) и соответствующая интегральная (суммарная) кривая стока. При комплексном использовании реки и наличии данных о расходах воды на орошение, водоснабжение и т. п., необходимо ввести поправку в расчетный гидрограф и лишь после этого вести расчеты регулирования.
Интегральная кривая может быть построена при наличии данных за любой период (пятидневка, декада, месяц, год и многолетие).
Для построения интегральной кривой обычно пользуются равенством:
(24)
где Dt – промежуток времени (день, декада, месяц и т. д.); Qi – соответствующий данному времени расход в реке.
Если начало и конец интегральной кривой, построенной для какого либо периода Т, соединить прямой линией ОГ, то такая прямая выражает средний расход за данный период, и величина этого расхода определяется как частное от деления ординаты всего объёма на число секунд во всём периоде, т. е.:
(25)
Имея интегральную кривую стока, построенную за определённый период, можно графически определить полезный объём водохранилища и соответствующий этому объему зарегулированный расход для полного регулирования и неполного регулирования. Неполное регулирование рассчитывается не менее чем для четырех – пяти расходов.
На основании полученных данных строится график зависимости зарегулированных расходов от полезного объема водохранилища.
3 ВОДНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ
3.1. Расчет энергетических возможностей створа
При выполнении водно – энергетических расчётов в курсовом проекте определяются расчётный напор, расчётная мощность, колебания напоров и мощности.
В одном и том же створе можно получить различные мощности в зависимости от высоты плотины. Высота плотины определяет не только напор, но и величину водохранилища, а, следовательно, и зарегулированный расход.
Чтобы выявить, какие мощности можно получить в данном створе, необходимо построить график зависимости мощности водотока от отметки нормального подпёртого горизонта, так называемую энергетику створа. Для построения этого графика используются полученные ранее характеристики водохранилища и нижнего бьефа и кривая зависимости между полезным объёмом воды и зарегулированным расходом.
Для какой либо отметки НПГ находится полезный объём водохранилища, по нему – зарегулированный расход. По величине расхода и характеристике нижнего бьефа находится отметка нижнего бьефа. Напор при этом определяется как разность отметок верхнего и нижнего бьефа, а мощность водотока вычисляется по формуле:
Q вод = 9,8× Q зар× Н, (26)
Проведя такие расчёты для 4 – 5 отметок верхнего бьефа, можно построить требуемую графическую зависимость.
3.2. Расчетный напор ГЭС
Выбор расчётного напора для ГЭС производится на основе учёта существующих гидросиловых установок (мельниц, ГЭС) и условий незатопления и неподтопления населённых пунктов и ценных сельскохозяйственных угодий, расположенных выше ГЭС.
Недопустимо по санитарным нормам создание пойменных водохранилищ с глубиной воды в них менее 0,5 м.
Напор гидростанции изменяется вместе с изменением горизонтов верхнего и нижнего бьефов, поэтому при подборе турбины вводится так называемый расчётный напор.
При наличии достаточных материалов по используемому водотоку (наличию расчётного гидрографа и кривых Q = f(H)) для определения расчётного напора турбин следует пользоваться формулой:
(27)
В тех случаях, когда необходимые данные по водотоку отсутствуют, а есть лишь сведения о максимальном и минимальном напоре, расчётный напор для выбора турбин может быть определён по формуле:
(28)
где Н mахи Н min – максимальный и минимальный напор в м.
3.3 Выбор гидросилового оборудования ГЭС
Выбор основного гидросилового оборудования гидротурбин и генераторов на основании полученных ранее расчётной мощности и расчётного напора.
Для подбора турбин в курсовом проекте следует пользоваться номограммой, представляющей свободный график областей применения турбин различных типов. Найдя по свободному графику для данных N расч и Н расч тип турбины, по частному графику выбранного типа находится: число оборотов турбины, диаметр колеса, высота всасывания (Приложение 3).
Для выбора генераторов также можно пользоваться номограммой, представляющей свободный график областей применения гидрогенераторов, построенный в координатах N расч и Н расч. Указанные в номограмме гидрогенераторы подобраны так, что достигнуто совпадение числа оборотов турбины и генератора. При несовпадении оборотов турбины и генератора число оборотов агрегата принимается равным числу оборотов генератора.
Одновременно необходимо проверить по универсальной характеристике сможет ли турбина удовлетворительно работать на новом числе оборотов, отличном от номинального. В зоне ниже 120 кВт число оборотов генератора не всегда увязывается с числом оборотов, развиваемых турбиной, поэтому при малых значениях напоров предусматривается применение плоскоремённой или клиноремённой передачи между валом турбины и валом генератора. При наличии передачи необходимо вычислить диаметры шкивов и размеры ремня.
4. ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ ГЭС
4.1 Плотина
При выполнении курсового проекта необходимо произвести выбор гидротехнических сооружений и провести по ним основные расчёты.
Тип плотины выбирается в зависимости от местных материалов и от геологических условий местности. Глухая плотина проектируется чаще всего в виде земляной или каменнонабросной с глиняным экраном. Профиль земляной плотины определяется шириной по гребню и величиной заложения откосов. Верховой и низовой откосы плотины должны иметь крепления.
При определении ширины гребня плотины необходимо исходить из условия проезда по её верху и руководствоваться техническими условиями и правилами проектирования автогужевых дорог. При отсутствии автогужевого движения ширину гребня плотины устанавливают: при высоте плотины до 10 м – не менее 2,5 м, а при высоте от 10 до 20 м – не менее 3,0 м.
Превышение гребня плотины над максимальным горизонтом водохранилища должно быть от 1,0 до 2,0 м. Для определения этой величины можно воспользоваться формулой:
d 0 = 1,2 + 0,1× L – для L – до 5 км (29)
– для L – более 5 км, (30)
где d0 – превышение гребня плотины над уровнем воды в м; L – длины зеркала водохранилища в км.
В зависимости от рода грунта откосам плотины придают различные заложения.
Таблица 6
| Грунты откосов | Заложение откосов | Примечание | |
| Верховые | Низовые | ||
| Песчаные | 4,5 – 3,5 | 3,0 – 2,5 | Большие цифры соответствуют глубине воды 6 м, меньшие – меньшей глубине. |
| Супесь | 3,5 – 3,0 | 2,5 – 2,0 | |
| Суглинок | 3,0 – 2,5 | 2,0 – 1,5 |
Для плотин с глубиной воды до 10 м верховые откосы делают ломаными, от верха плотины до половины её высоты откосы принимают по таблице 6, а внизу увеличивают на 0,5.
При низовых откосах на половине высоты плотины устраивают берму шириной в 1,0 – 1,5 м. Для плотин высотой более 10 м устойчивость принятых откосов должна быть проверена расчетом.
Для защиты верховых откосов от действия волн и ледяного покрова устраивают крепления. Наилучшим креплением следует считать покрытие камнем в плетневых клетках на слое щебня или гравия.
Низовые откосы плотин обычно крепятся или укладкой дёрна в клетку с засевом клеток травами или только засевом трав. Гребень плотины следует покрывать одиночной мостовой по слою гравия или щебня.
Вода находящаяся в водохранилище, просачивается через плотину, её основание и берега.
Движение грунтовых вод подчинено закону Дарси и выражается следующим основным уравнением:
V = k×J, (31)
где V – скорость движения воды; k – коэффициент фильтрации, представляющий скорость фильтрации при уклоне J = 1; J – пьезометрический уклон или гидравлический градиент (уклон депрессионной кривой).
Уклон депрессионной кривой зависит от водопроницаемости грунта и тщательности работ. Чем лучше уплотнён грунт, тем круче будет проходить кривая депрессии.
Если депрессионная кривая пересечёт низовой откос, то будет иметь место явление фильтрации воды или просачивания воды на низовом откосе по некоторым напором, что совершенно недопустимо, т. к. фильтрующаяся вода будет вымывать частицы грунта, что может привести к разрушению откоса и самой плотины. Поэтому низовой откос назначается с таким расчётом, чтобы депрессионная линия не пересекала его, или же понижения её путём