高落差水泵水轮机引水和导水机构设计

2012-11-18王丹萍邓亚新

中国重型装备 2012年2期

王丹萍赵燕邓亚新

(1.上海勘测设计研究院，上海 200434;2.浙江富春江水电设备股份有限公司，浙江 410013;3.新安江水力发电厂，浙江 311608)

水泵水轮机的引水、导水机构包括蜗壳、固定导叶和活动导叶三部分，其中蜗壳是水轮机引水部件的重要组成部分之一，其断面从进口到尾部逐渐减小，这样就可以不仅使水流在导水机构前形成一定的环量，而且还使水流沿整个圆周均匀地流入导水机构。常规的设计方法假定:蜗壳内的水流轴对称，蜗壳出流轴向均匀。

目前广泛采用的蜗壳设计方法有等速度矩法、变速度矩法和变周向平均速度法。根据蜗壳形式，按这些方法设计出的蜗壳认为在设计工况下在蜗壳出口为周向均匀出流。本文采用周向平均速度法，即以假定蜗壳中的水流速度的圆周分速度恒定为基础的计算方法，其特点是蜗壳各断面的水流流速的圆周分量相等。这种方法计算得到的蜗壳断面较宽，不仅减小了水力损失，而且尾部便于加工制造［1］。

1 蜗壳的设计

1.1 蜗壳的型式及其选择

蜗壳有多边形断面的混凝土蜗壳及圆形断面的金属蜗壳两种型式。蜗壳的选择与水头和功率有关。本文中的高落差水泵水轮机，一般采用铸钢蜗壳。

1.2 蜗壳主要参数的选择

对于高落差水轮机的蜗壳，它承受着较大的内水压力。当水管为圆形时，其材料可以获得充分利用，管壁内应力分布均匀。因此，金属蜗壳(实质是弯曲的断面逐渐收缩的水管)除小部分外均采用圆形断面。在断面很小的尾部，蜗壳的断面可以为椭圆形，以便与高度不变的座环相连接。将蜗壳各断面重叠地绘在一个图上，就可以看出面积小的断面应为椭圆形［2，3］。

座环用于焊接固定蜗壳及安装导叶，本设计中座环的参数设计为:BSV=0.0597 m，BSR=0.16 m，Rbel=0.015 m，Abel=0.000 707 m2，HbelEND=0.059 85 m，RSRo=0.50 955 m(第0～5 断面)、0.500 65 m(第6～10 断面)、0.493 7 m(第11～15 断面)、0.487 35 m(第16～19 断面)。

蜗壳设计为20 节，包角设计为342°，蜗壳断面参数Lcoff=0.65 m，第0 断面Ro=0.825 m，Rc=0.65 m。图1 为座环、蜗壳0 断面截面图。

确定0 断面参数后，再一一确定1～19 断面的参数，主要参数包括:Ro、Rc、Ri。其中，Ri为蜗壳圆锥管道与座环焊缝处到蜗壳中心线的距离。在设计蜗壳参数时应尽可能满足:各断面Ri相等，Ri=Rc－［(Ro－Rc)2－(BSR/2)2)］1/2;Ro－n曲线光滑;Rc－n 曲线光滑;Vθ恒定。

其中n 表示断面序列，Vθ为蜗壳内流体切向速度，Rc为各断面半径，Ro为轴线到外缘处半径。设计所得蜗壳的参数如表1 所示。

Ro－n 曲线见图2，Rc－n 曲线见图3，Vθ－n曲线见图4。从图中可以看出，Ro－n 曲线和Rc－n 曲线较为光滑，且Vθ值基本恒定不变，参数设计随断面过渡平稳，能较好的满足设计要求。