第三節(jié)反擊式水輪機引水部件

1、第三節(jié) 反擊式水輪機引水部件一、引水室引水室和導水機構是水輪機的兩大部件。引水室是水流進入水輪機的第一個部件。通過它將水引向導水機構并進入轉輪區(qū)。在轉輪區(qū)工作中對引水室提出下列基本要求。1盡可能減少引水室中的水力損失以提高水輪機效率。2保證導水機構周圍的進水量均勻，水流呈軸對稱，使轉輪四周受水流的作用力均勻，以便提高運行的穩(wěn)定性。3水流進入導水機構前應具有一定的旋轉（環(huán)量），以保證在水輪機的主要工況下導葉處在不大的沖角下被繞流。4有合理的斷面尺寸及形狀，以降低電站廠房投資及便于電站輔助設備的布置（如導水機構的接力器及傳動機構的布置）。5具有必要的強度及合適的材料，以保證結構上的可靠性及抵抗水流

2、的沖刷。顯然上述各項要求之間是有矛盾的，例如要使水力損失小就須增大引水室尺寸，而增大引水室尺寸又會使廠房投資增加。因此，對上述各項要求應作統(tǒng)一，全面的考慮。為了適應不同的流量與水頭條件，各種型式電水輪具有不同型式和結構的引水室。歸納起來有開敞式引水室，罐式引水室和蝸殼式引水室三大類型（圖2-24）。1開敞式引水室開敞式引水室（圖2-25）是有水輪機導水機構外圍作與一個開敞的水槽，為了保證水流軸對稱及在引水室內水力損失小，其平面尺寸常很大。由于這種引水室一般是用磚石及混凝土做成，所以只能用于較低水頭及小型水輪機。2罐式引水室罐式引水室屬于閉式，常見的有兩種：一種如圖2-26所示，水流沿軸向進入水

3、輪機，在進入導水機構前流向急劇轉彎致使水流不均勻。因此這種引水室只適用于小型水輪機。圖2-24引水室的應用范圍圖2-25 開敞式引水室圖2-26 罐式引水室3蝸殼式引水室如前所述，由于保證沿外圍圓周均勻地向水輪機導水機構和轉輪徑向進水，同時還造成一定的環(huán)量（周向流動），這樣，進水室就必須做成過水斷面逐漸減小的蝸殼形狀。良好的蝸殼形進水室應能使水流流動損失最小，同時減小廠房尺寸，降低電站投資。蝸殼是反擊式水輪機中應用最普遍的一種引水室，本章將主要介紹這種引水室。水輪機蝸殼可分為金屬蝸殼和混凝土蝸殼。混凝土蝸殼一般用于水頭在40m以下的機組。由于混凝土結構不能承受過大水壓力，故在高水頭時采用金屬蝸

4、殼?，F(xiàn)在研究在高水頭時應用高強度預應力混凝土蝸殼。此外鋼板和混凝土聯(lián)合作用的蝸殼也是一個新的研究課題。(1)金屬蝸殼金屬蝸殼按其制造方法有焊接，鑄焊和鑄造三種類型。金屬蝸殼的結構類型與水輪機的水頭尺寸關系密切。鑄焊和鑄造蝸殼一般用于直徑m的高水頭混流式水輪機，尺寸較大的中低水頭混流式水輪機一般都應用鋼板焊接結構。圖2-27是某水電站鋼板焊接的結構。它由31節(jié)焊成，每節(jié)又由幾塊鋼板拼成。蝸殼和座環(huán)之間也靠焊接聯(lián)接。焊接蝸殼的節(jié)數(shù)不應太少，否則將影響蝸殼的水力性能。但為使蝸殼線型盡量光滑及改善其水力性能而采用過多的節(jié)數(shù)，則又會給制造和安裝帶來困難而且也是不經濟的。金屬蝸殼的斷面采用圓形，為了節(jié)約鋼

5、材，鋼板厚度應根據(jù)蝸殼斷面受力不同的而異，通常蝸殼進口斷面厚度較大，愈接近鼻端則厚度愈小，如圖2-27的焊接蝸殼，進口斷面的最大厚度為30mm，而在接近鼻端處厚度為15mm，此外，即使在同一斷面上鋼板的厚度也不應相同，如接近座環(huán)上，下端的鋼板較斷面中間的厚些，具體數(shù)值由強度計算確定。金屬蝸殼的受力情況較復雜，除了內水壓力所引起的薄壁應力外，還有蝸殼與座環(huán)連接處及同一軸截面內不同厚度鋼板聯(lián)接處因剛度不同而引起的局部應力。關于蝸殼的應力分布，國內一些運行機組和模型機組曾用電測法進行了測試。圖2-28和圖2-29為實測的應用分布圖。從試驗資料分析可得到以下初步結果。1）同一個圓斷面上應力最高點發(fā)生在

6、接近座環(huán)的邊緣處，離開此點應力下降。整個的蝸殼應力較高點則發(fā)生在進口斷面附近座環(huán)邊緣處（圖2-28）。2）靠近座環(huán)側的蝸殼應力和座環(huán)的剛性關系很大，其應力值隨著固定導葉的位置沿圓周作周期性的變化（蝸殼各節(jié)鋼板厚度是按等強度設計的），與固定導葉進口端相對應的部位應力較高,而固定導葉間應力較低。 圖2-27 焊接蝸殼結構圖 圖2-28 蝸殼應力分布 圖2-29 橢圓形斷面應力分析鑄造蝸殼（圖2-30）剛度較大能承受一定的外壓力。常作為水輪機的支承點并在它上面直接布置導水機構及其傳動裝置。鑄造蝸殼一般都不全部埋入混凝土。根據(jù)應用水頭不同鑄造蝸殼可采用不同的材料，水頭小于

7、120m的小型機組一般用鑄鐵，當水頭大于120m時則多用鑄鋼。鑄焊蝸殼與鑄造蝸殼一樣適用尺寸不大的高水頭混流式水輪機。鑄焊蝸殼的外殼用鋼板壓制而成，固定導葉的支柱和座環(huán)一般是鑄造然后用焊接的方法把它們聯(lián)成整體。焊接后需進行必要的熱處理以消除應力。鑄造蝸殼和不埋入混凝土的焊接蝸殼一般需作水壓試驗。當升壓水頭小于250m時，試驗水壓取升壓水頭的1.5倍。當升壓水頭超過250m時，試驗水壓由N/m2確定。試驗時間為20h。埋入混凝土的焊接蝸殼一般只作焊縫質量檢查。大中型機組的蝸殼上設有進人孔和排水孔。圖2-30 鑄造蝸殼（2）混凝土蝸殼混凝土蝸殼（圖2-31）一般用于大、中型低水頭電站，它實際是直接

8、在廠房下部分大體積混凝土中做成的蝸形空腔。澆筑廠房下部分時預先裝好蝸形的模板，模板拆除后即成蝸殼。為加強蝸殼的強度在混凝土中加了很多鋼筋，所以有時也稱為鋼筋混凝土蝸殼?；炷廖仛づc座環(huán)或固定導葉的聯(lián)接要有足夠的拉筋。為避免沖刷與滲漏，必要時應加鋼板護襯。為了便于作模板，施工及減少徑向尺寸，混凝土蝸殼的斷面形狀一般均采用“T”形或“”形，如圖2-32所示?；炷廖仛嗝嫘螤畹倪x擇與水電站的廠房布置，地質條件，尾水管高度及下游水位變化等條件有關。 圖2-31 混凝土蝸殼圖2-32 混凝土蝸殼斷面形狀二、座環(huán)的結構形式水輪機的座環(huán)是承受水輪發(fā)電機組的重量，蝸殼上部部分混凝土重量以及水壓力，

9、并將其傳遞到電站基礎上去的部件。在結構上它要求有足夠的強度和剛度。座環(huán)的基本結構由上環(huán)、下環(huán)和固定導葉（支柱）組成，目前常用的結構形式有以下幾種。1與混凝土蝸殼聯(lián)結的座環(huán)。與混凝土聯(lián)結的座環(huán)，常用的有兩種。一種是整體結構座環(huán)，即上環(huán)、下環(huán)和固定導葉，三者是一個整體結構，如圖2-33所示。圖2-33整體結構座環(huán)第二種是裝配式結構，如圖2-34所示它由支柱與上環(huán)組成。在電站，支柱與上環(huán)裝配后埋入混凝土。此外，還有使用支柱式座環(huán)的，這種結構中沒有上下環(huán)，單個支柱上下端面呈法蘭狀用以承受壓力，在電站按一定位置埋入混凝土。在過流表面可敷設鋼板以提高抗磨能力。圖2-34 裝配式座環(huán)2與金屬蝸殼聯(lián)結的座環(huán)。與金屬蝸殼聯(lián)結的座環(huán)大致可分為兩種。一種是帶碟形邊的座環(huán)，這是一種常用的形式，如圖2-35所示。它可以是鑄造結構，鑄焊結構和全焊結構。另一種是不帶碟形邊的座環(huán)。如圖2-36所示。它適合于鋼板焊接結構。其特點是上下環(huán)為箱形結構，剛度很好，與蝸殼的連結點遠離支柱中心，改善了受力情況。在上下環(huán)外圓焊有圓形導流板，以改善流動條件。試驗表明，不帶碟形邊的座環(huán)