蜗壳及尾水管设计

水电站混凝土蜗壳设计探析摘要：水电站为了提高运行稳定性、增加经济效益，经常会对混凝土蜗壳展开有效设计。

本文将从某水电站的工程概况出发，对其混凝土蜗壳的设计进行分析与探究，希望为相关人员提供一些帮助和建议，更好地设计水电站的蜗壳。

关键词：蜗壳设计；混凝土蜗壳；水电站引言在水轮机中，蜗壳是十分重要的一个过流部件，设计的蜗壳质量高低会对水电机组整体工作效率产生直接影响，并且关系到水电站布置的科学性与合理性，这要求水电站应结合自身实际情况，寻找设计混凝土蜗壳的依据，展开有效的蜗壳设计。

因此，研究设计混凝土蜗壳的策略具有一定现实意义。

一、工程概况某水电站安装了300MW水轮发电混流式机组，共计六台，安装的水轮机高程是128米，水头设计为113米，额定转速为每分钟106r，额定流量是每秒295立方米，额定出力为305MW，直径为6米。

其蜗壳的进口直径是7.3米，甩负荷压力的最大值是1.91兆帕，静水压力最大值为1.39兆帕。

水电站中的一些机组设备通过世界银行进行贷款，借助国际招标工作，最终由相关企业承包并建造。

在该水电站中，水轮发电的机组主要通过下机架进行支承，并将软垫层敷设于钢蜗壳的外部。

所有内水的压力都能被钢蜗壳承担，内水压力的设计值是1.92兆帕，蜗壳混凝土结构仅能够承受楼板、水轮发电机等上部结构产生的重力荷载。

二、水电站机组的荷载按照水电站布置的整体规定，连接机组和引水压力钢管的形式为一管一机。

蜗壳的进口内径是7.1米，压力钢管的直径是7.7米，把连接段设置到钢蜗壳和钢管间。

蜗壳钢板的厚度为20毫米至40毫米，厂房轴线和机组中心线存在11.5度的夹角。

此钢蜗壳具有较为复杂的混凝土结构受力情况与尺寸体型，在设计结构过程中，对围岩的压力、内外水的压力、发电机组的荷载、结构的自重、风罩传递的荷载等基本荷载类型均有涉及，水轮机的总重量是10500千牛，发电机的总重量是18600千牛。

三、设计混凝土蜗壳的混凝土结构在设计时，钢蜗壳断面使用了全埋型圆断面，安装的机组高程为128米，段长是26米，低于124米高程的部分宽23米，高出的部分宽25米。

金属蜗壳的水力计算在选定包角ϕ0及进口断面平均流速v 0后，根据设计流量Q r ，即可求出进口断面面积F 0。

由于要求水流沿圆周均匀地进入导水机构，蜗壳任一断面ϕi 通过的流量Q ϕ应为 Q Q ir ϕϕ=360（7—6）于是，蜗壳进口断面的流量为 Q Q r 00360=ϕ（7—7）进口断面的面积为F Q v Qv r 00000360==ϕ （7—8） 圆形断面蜗壳的进口断面半径为 ρπϕπmax ==F Q v r00360 （7—9）采用等速度矩方法计算蜗壳内其它断面的参数。

取蜗壳中的任一断面，其包角为ϕi ，如图7—15所示，通过该断面的流量为Q v bdr u r R aiϕ=⎰（7—10）因v r K u =，则v K r u =/，代入式（7—10）得： Q Kbrdr r R aiϕ=⎰（7—11） 式中：r a ──座环固定导叶的外切圆 半径；R i ──蜗壳断面外缘到水轮机轴线半径；r ──任一断面上微小面积到水轮机轴线的半径： b ──任一断面上微小面积的高度。

一、圆形断面蜗壳的主要参数计算对圆形断面的蜗壳，断面参数b 从图7—15中的几何关系可得b r a i i =--222ρ() （7—12） 式中：ρi ──蜗壳任一断面的半径；a i ──任一断面中心到水轮机轴线距离。

图7—15 金属蜗壳的平面图和断面图水轮机轴r aa ir R id rρibv uv rviϕ将式（7—12）代入式（7—11），并进行积分得：Q K a a i i i ϕπρ=--222() （7—13） 由式（7—6）与式（6-13）得ϕπρi r i i i KQ a a =--72022 () （7—14） 令C KQ r=720 π，称为蜗壳系数，则有ϕρi i i i C a a =--()22 （7—15）或 ρϕϕi i ii a C C =-⎛⎝ ⎫⎭⎪22（7—16）以上两式中的蜗壳系数C 可由进口断面作为边界条件求得。

第三节下部块体结构水电站厂房下部块体结构指水轮机层以下的厂房部分，它的形状及尺寸主要取决于水力系统的布置。

中、低水头的水电站的各种机电设备中，过流部件的尺寸相对较大，因此，下部结构的尺寸一般决定了主厂房的长度与宽度。

对于图16-3所示水电站，下部块体结构即高程116. 00 m以下部分，而水力系统包括压力钢管、蝴蝶阀、蜗壳、水轮机、尾水管、尾水闸门及它们的附属设备。

一、水轮机、蜗壳及尾水管的布置同一座水电站上，一般安装相同型号的机组，但有时却由于订货或其他原因不得已安装不同型号的机组。

图16-3所示水电站即属后者，其#3,#4水轮机是天津发电设备厂的HL-200-LJ-250型，转速250 r/min,而#1,#2机是杭州发电机厂的HL-009-LJ-250型。

安装不同型号的机组常给设计、安装、运行、检修带来一些额外的麻烦。

水轮机安装高程是厂房的一个控制性标高。

反击式水轮机的安装高程主要取决于气蚀。

确定安装高程时下游尾水位常取一台机满发时的尾水位。

若水电站建成后下游河床可能会被冲刷而导致水位降低的话，设计下游尾水位还要相应降低。

图16-3所示水电站采用竖轴混流式水轮机，其安装高程(113.70 m)为一台机满发时的下游尾水(115.50 m)加上允许吸出高度H,再加上导叶高度的一半。

厂址的地形地质条件有时也会影响水轮机的安装高程。

例如，基岩座落较深时，适当降低安装高程可使得厂房的基础安置在完好基石上。

引水式厂房内的混流式水轮机一般采用钢蜗壳，其几何尺寸由水轮机厂家提供。

钢蜗壳常埋人混凝土中以防止振动，并由混凝土承受部分不均衡的作用力。

蜗壳上要设进人孔供检修时使用。

进人孔常设在蝴蝶阀下游明钢管上，也可设在蜗壳顶部，从水轮机层地坪向下开孔进人。

竖轴水轮机常采用肘形尾水管，其几何尺寸也由水轮机厂家给出，但可在一定范围内修改（需征得厂家同意），以满足厂房布置的特殊需要。

如图16-3中，为了在尾水管之上布置副厂房，尾水管水平段长度由原来的11. 25 m增至15. 10 m，出口高度也略有增加。