第三节反击式水轮机引水部件

第三节反击式水轮机引水部件一、引水室引水室和导水机构是水轮机的两大部件。引水室是水流进入水轮机的第一个部件。通过它将水引向导水机构并进入转轮区。在转轮区工作中对引水室提出下列基本要求。1．尽可能减少引水室中的水力损失以提高水轮机效率。2．保证导水机构周围的进水量均匀，水流呈轴对称，使转轮四周受水流的作用力均匀，以便提高运行的稳定性。3．水流进入导水机构前应具有一定的旋转（环量），以保证在水轮机的主要工况下导叶处在不大的冲角下被绕流。4．有合理的断面尺寸及形状，以降低电站厂房投资及便于电站辅助设备的布置（如导水机构的接力器及传动机构的布置）。5．具有必要的强度及合适的材料，以保证结构上的可靠性及抵抗水流的冲刷。显然上述各项要求之间是有矛盾的，例如要使水力损失小就须增大引水室尺寸，而增大引水室尺寸又会使厂房投资增加。因此，对上述各项要求应作统一，全面的考虑。为了适应不同的流量与水头条件，各种型式电水轮具有不同型式和结构的引水室。归纳起来有开敞式引水室，罐式引水室和蜗壳式引水室三大类型（图2-24）。1．开敞式引水室开敞式引水室（图2-25）是有水轮机导水机构外围作与一个开敞的水槽，为了保证水流轴对称及在引水室内水力损失小，其平面尺寸常很大。由于这种引水室一般是用砖石及混凝土做成，所以只能用于较低水头及小型水轮机。2．罐式引水室罐式引水室属于闭式，常见的有两种：一种如图2-26所示，水流沿轴向进入水轮机，在进入导水机构前流向急剧转弯致使水流不均匀。因此这种引水室只适用于小型水轮机。图2-24引水室的应用范围图2-25开敞式引水室图2-26罐式引水室3．蜗壳式引水室如前所述，由于保证沿外围圆周均匀地向水轮机导水机构和转轮径向进水，同时还造成一定的环量（周向流动），这样，进水室就必须做成过水断面逐渐减小的蜗壳形状。良好的蜗壳形进水室应能使水流流动损失最小，同时减小厂房尺寸，降低电站投资。蜗壳是反击式水轮机中应用最普遍的一种引水室，本章将主要介绍这种引水室。水轮机蜗壳可分为金属蜗壳和混凝土蜗壳。混凝土蜗壳一般用于水头在40m以下的机组。由于混凝土结构不能承受过大水压力，故在高水头时采用金属蜗壳。现在研究在高水头时应用高强度预应力混凝土蜗壳。此外钢板和混凝土联合作用的蜗壳也是一个新的研究课题。(1)金属蜗壳金属蜗壳按其制造方法有焊接，铸焊和铸造三种类型。金属蜗壳的结构类型与水轮机的水头尺寸关系密切。铸焊和铸造蜗壳一般用于直径31Dm的高水头混流式水轮机，尺寸较大的中低水头混流式水轮机一般都应用钢板焊接结构。图2-27是某水电站钢板焊接的结构。它由31节焊成，每节又由几块钢板拼成。蜗壳和座环之间也靠焊接联接。焊接蜗壳的节数不应太少，否则将影响蜗壳的水力性能。但为使蜗壳线型尽量光滑及改善其水力性能而采用过多的节数，则又会给制造和安装带来困难而且也是不经济的。金属蜗壳的断面采用圆形，为了节约钢材，钢板厚度应根据蜗壳断面受力不同的而异，通常蜗壳进口断面厚度较大，愈接近鼻端则厚度愈小，如图2-27的焊接蜗壳，进口断面的最大厚度为30mm，而在接近鼻端处厚度为15mm，此外，即使在同一断面上钢板的厚度也不应相同，如接近座环上，下端的钢板较断面中间的厚些，具体数值由强度计算确定。金属蜗壳的受力情况较复杂，除了内水压力所引起的薄壁应力外，还有蜗壳与座环连接处及同一轴截面内不同厚度钢板联接处因刚度不同而引起的局部应力。关于蜗壳的应力分布，国内一些运行机组和模型机组曾用电测法进行了测试。图2-28和图2-29为实测的应用分布图。从试验资料分析可得到以下初步结果。1）同一个圆断面上应力最高点发生在接近座环的边缘处，离开此点应力下降。整个的蜗壳应力较高点则发生在进口断面附近座环边缘处（图2-28）。2）靠近座环侧的蜗壳应力和座环的刚性关系很大，其应力值随着固定导叶的位置沿圆周作周期性的变化（蜗壳各节钢板厚度是按等强度设计的），与固定导叶进口端相对应的部位应力较高,而固定导叶间应力较低。图2-27焊接蜗壳结构图图2-28蜗壳应力分布图2-29椭圆形断面应力分析铸造蜗壳（图2-30）刚度较大能承受一定的外压力。常作为水轮机的支承点并在它上面直接布置导水机构及其传动装置。铸造蜗壳一般都不全部埋入混凝土。根据应用水头不同铸造蜗壳可采用不同的材料，水头小于120m的小型机组一般用铸铁，当水头大于120m时则多用铸钢。铸焊蜗壳与铸造蜗壳一样适用尺寸不大的高水头混流式水轮机。铸焊蜗壳的外壳用钢板压制而成，固定导叶的支柱和座环一般是铸造然后用焊接的方法把它们联成整体。焊接后需进行必要的热处理以消除应力。铸造蜗壳和不埋入混凝土的焊接蜗壳一般需作水压试验。当升压水头H小于250m时，试验水压取升压水头的1.5倍。当升压水头超过250m时，试验水压由510513.0HPcN/m2确定。试验时间为20h。埋入混凝土的焊接蜗壳一般只作焊缝质量检查。大中型机组的蜗壳上设有进人孔和排水孔。图2-30铸造蜗壳（2）混凝土蜗壳混凝土蜗壳（图2-31）一般用于大、中型低水头电站，它实际是直接在厂房下部分大体积混凝土中做成的蜗形空腔。浇筑厂房下部分时预先装好蜗形的模板，模板拆除后即成蜗壳。为加强蜗壳的强度在混凝土中加了很多钢筋，所以有时也称为钢筋混凝土蜗壳。混凝土蜗壳与座环或固定导叶的联接要有足够的拉筋。为避免冲刷与渗漏，必要时应加钢板护衬。为了便于作模板，施工及减少径向尺寸，混凝土蜗壳的断面形状一般均采用“T”形或“Г”形，如图2-32所示。混凝土蜗壳断面形状的选择与水电站的厂房布置，地质条件，尾水管高度及下游水位变化等条件有关。图2-31混凝土蜗壳图2-32混凝土蜗壳断面形状二、座环的结构形式水轮机的座环是承受水轮发电机组的重量，蜗壳上部部分混凝土重量以及水压力，并将其传递到电站基础上去的部件。在结构上它要求有足够的强度和刚度。座环的基本结构由上环、下环和固定导叶（支柱）组成，目前常用的结构形式有以下几种。1．与混凝土蜗壳联结的座环。与混凝土联结的座环，常用的有两种。一种是整体结构座环，即上环、下环和固定导叶，三者是一个整体结构，如图2-33所示。图2-33整体结构座环第二种是装配式结构，如图2-34所示它由支柱与上环组成。在电站，支柱与上环装配后埋入混凝土。此外，还有使用支柱式座环的，这种结构中没有上下环，单个支柱上下端面呈法兰状用以承受压力，在电站按一定位置埋入混凝土。在过流表面可敷设钢板以提高抗磨能力。图2-34装配式座环2．与金属蜗壳联结的座环。与金属蜗壳联结的座环大致可分为两种。一种是带碟形边的座环，这是一种常用的形式，如图2-35所示。它可以是铸造结构，铸焊结构和全焊结构。另一种是不带碟形边的座环。如图2-36所示。它适合于钢板焊接结构。其特点是上下环为箱形结构，刚度很好，与蜗壳的连结点远离支柱中心，改善了受力情况。在上下环外圆焊有圆形导流板，以改善流动条件。试验表明，不带碟形边的座环其水力性能与带碟形边的没明显差别。图2-35带碟形边的座环图2-36无碟形边的座环座环的尺寸与转轮型号、直径，结构型式等有关。支柱的断面形状取决于水力和强度计算。所以座环尺寸不能完全统一，但是作为初步设计时选择用厂家推荐有混凝土蜗壳座环和金属蜗壳座环两种尺寸系列。在有关手册中可以找到。