反击式水轮机引水室的种类及优化设计方案

1.开敞式引水室

开敞式引水室（图5-28）是在水轮机导水机构外围作成一个开敞的水槽，以保证水流轴对称及在引水室内水力损失很小，其平面尺寸常常很大。由于这种引水室常常是用砖石及混凝土作成的，所以只能用于较低水头及小型水轮机上。

图5-28　开敞式引水室

2.罐式引水室

罐式引水室属于闭式结构，常见有两种：一种如图5-29所示，水流沿轴向进入水轮机，在进入导水机构前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；另一种如图5-30所示，用于贯流式水轮机，进入水轮机的水流方向不转弯，在这种引水室中水流呈均匀轴对称状，水力损失很小。但是在导水机构前不能形成环量，转轮所要求的进口环量全靠导叶形成，它只适用于低水头电站。

图5-29　罐式引水室

图5-30　贯流式引水室

3.蜗壳式引水室

蜗壳式引水室的外形很像蜗牛壳，故通常简称蜗壳。为保证向导水机构均匀供水，所以蜗壳的断面逐渐减小，同时它可在导水机构前形成必要的环量以减轻导水机构的工作强度。蜗壳应采用适当的尺寸以保证水力损失较小，又可减小厂房的尺寸及降低土建投资。它是用钢筋混凝土或金属制造的闭式布置，可以适应各种水头和容量的要求。蜗壳是反击式水轮机中应用最普遍的一种引水室，本节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。蜗壳自鼻端至进口断面所包围的角度称为蜗壳的包角φ0。混凝土蜗壳一般用于水头在40m 以下，包角φ0=180°～270°（图5-45）。高水头水轮机多采用金属蜗壳，包角φ0=340°～350°（图5-38）。

（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及尺寸关系密切。铸焊和铸造蜗壳一般用于直径D1<3m 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5-31为某水电站钢板焊接的蜗壳。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连接。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，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节约钢材，钢板厚度应根据蜗壳断面受力不同而异，通常蜗壳进口断面厚度较大，愈接近鼻端则厚度愈小。如图5-31所示的焊接蜗壳，进口断面的最大厚度为35mm，而在接近鼻端处厚度为25mm。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、下两端的钢板较在断面中间的厚些，具体数值由强度计算决定。

图5-31　焊接蜗壳（单位：mm）

金属蜗壳的受力情况较复杂，除了由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连接处因刚度不同而引起的局部应力。

蜗壳必须根据内水压力进行强度计算，并假定蜗壳内部的水压力全部由蜗壳本身承受，以决定蜗壳钢板的厚度从而保证其正常工作。除薄壁应力外，由于座环蝶形边（座环上、下环的外缘）的刚度很大、变形很小，蜗壳可认为是被刚性地连到座环上的，这种连接在蜗壳钢板中要产生附加的局部应力。此外，在同一轴截面不同厚度钢板连接处，由于钢板的厚度不同则刚度也不同，因此在连接处也将产生附加的局部应力，此情况与蜗壳和座环连接处的情况相类似，这一部分的强度计算可参照有关资料进行，本书不作详细介绍。

关于蜗壳的应力分布问题，国内一些运行机组和模型机组曾用电测法进行了测试。图5-32和图5-33为实测的应力分布图。从试验资料分析可得到以下初步结果：(www.xing528.com)

图5-32　蜗壳应力分布

1）同一个圆形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。整个蜗壳应力较高点则发生在进口断面附近座环边缘处（图5-32）。

2）椭圆形断面的应力最高点不一定发生在靠近座环的边缘，有时发生在蜗壳最外边缘处（图5-33）。

图5-33　椭圆形断面应力分布

3）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的应力较低。

铸造蜗壳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；当水头很高而水中含有较多的固体颗粒时，也可用不锈钢铸造蜗壳。图5-34为铸造蜗壳的基本结构。

图5-34　铸造蜗壳

铸焊蜗壳与铸造蜗壳一样适用于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，固定导叶和座环一般是铸造然后用焊接的方法把它们连成整体。焊接后需进行必要的热处理以消除焊接应力。

（2）混凝土蜗壳，如图5-35 所示。混凝土蜗壳一般用于大、中型低水头电站，它实际上是直接在厂房水下部分大体积混凝土中做成的蜗形空腔。浇筑厂房水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。

图5-35　混凝土蜗壳

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Γ形，如图5-36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。T 形向下延伸的断面[图5-36（b）]是采用得最普遍的断面形式。T 形向上延伸的形式[图5-36（c）]容易妨碍接力器在上方的布置，一般只在低的尾水管中采用。

图5-36　混凝土蜗壳的断面形状

（a）m=n；（b）m>n；（c）m<n；（d）n=0