水轮机全蜗壳圆形断面的水力优化设计方法

张仁江　李富彧

【摘 要】近年来，我国水利水电工程得到了长足的发展，其在满足我国电力能源供需要求的同时为我国可持续发展战略的落实打下坚实的基础。经过多年的工作实践总结得出，水利水电工程建设在减少煤炭资源能耗、加强水资源利用率、完善环境保护措施方面发挥了重要作用，为我国环保工作的开展提供了坚定的平台。蜗壳作为水轮机最为重要的部件之一，做好其优化设计工作极为关键。本文针对目前是轮机蜗壳常规水利设计方法中存在的问题进行分析，提出了有关优化设计方法，旨在提高水轮机蜗壳水利性能，增加水电站工作效率。

【关键词】水轮机；蜗壳；水力损失；优化设计

自新中国成立至今，我国环境问题愈演愈烈，极大的威胁着人类身体健康、制约着社会经济发展。在这种时代背景下，节能、环保以及可持续发展观念不断提出且得到了极大的落实，成为社会经济发展的主导方向，这也为水利水电事业提供了广阔的发展空间，是水利水电事业发展的基础前提。水轮机作为水利水电工程中的重要组成部分，在现代化建设中发挥着重要作用和意义。蜗壳作为水轮机中的重要组成，做好其优化设计方法受到业内工作人士的重视。

1.水轮机蜗壳概述

就我国水利水电工程而言，由于工程建设时间长短不一、投入的设备和技术也存在着一定的差异，这就造成了一部分水利水电工程的水轮机设施存在着极为严重的问题。随着社会经济的飞速发展和水轮机制造技术的不断进步，传统的水轮机已经无法满足现代化社会发展的需求，这就要求我们在工作中对水轮机进行改造和优化。蜗壳作为水轮机重要组成部分，其问题尤为明显，因此，我们有必要对蜗壳中存在问题进行归纳和总结。

1.1水轮机蜗壳概念

蜗壳是水轮机中极为重要的基础设施，是过流系统中不可缺少的一部分，它的主要作用在于尽量让水流在进入导叶之前均匀分配，并且具有一定的环量，使得水流对称和向心流之间的方向产生一定的变化。所谓的蜗壳主要是水轮机中的一种那个蜗壳式的引水式，它主要是因为外观上看起来极像蜗牛壳，为此被广泛的称之为蜗壳。这种设施的应用中，为了保证向导水机构均匀的提供水资源，所以蜗壳的断面面积逐渐在缩小，同时它也是导水机构中不可缺少的基础设施。

1.2蜗壳分类

水轮机蜗壳可分为金属蜗壳和混凝土蜗壳。

1.2.1金属蜗壳

蜗壳自鼻端至进口断面所包围的角度称为蜗壳的包角。高水头水轮机多采用金属蜗壳。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。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。

1.2.2混凝土蜗壳

一般用于大、中型水头在40m以下的低水头电站，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。

2.水轮机蜗壳设计问题

在传统的水轮机蜗壳设计工作中，主要的方法可以分为等速度矩法和轴向平均速度法两种。在设计的过程中等速度矩法是利用蜗壳中出现的水流流速的对称原理来进行分析，的这种设计方法在应用中不足之处主要在于原断面极容易产生破坏问题，破坏了设计原理和设计要求。而采用轴向平均速度法是利用树六方向的变动来进行分析的，其与等速度矩法恰好想法，是根据蜗壳尾部断面要求来分析，使得水利损失显著的降低和减少，但是其由于流出的水力损失减小、分布不均匀从而容易引起叶片产生固定不合理问题，给工作带来严重的影响。为此，在工作中我们有必要对这两种设计方法进行优化和改进，从而提高设计效益和流程。

3.水轮机全蜗壳圆形断面设计优化方法

根据技术先进、工作可靠、投资少、改造工期短的技改思路，目前，针对YT或GT系列的水轮机调速器技术改造主要采用保留液压装置、主接力器以及主配压阀，将机械液压柜改造为先进的电气部分及其配套机械液压机构组成的电调控制柜等思路进行改造。通过这一思路的技术改造能够使改造后的水轮机调速系统具有电调的特点、其通过可编程、体积小抗干扰能力的电气系统改善传统调速系统存在的不足。提高自动化程度，为保障水轮机组安全、稳定运行提供良好的技术支持。而且，现代电器调速系统还能够记录相关运行信息、提供预警系统、实现在线诊断等功能。在这一技改思路的指导下，我国许多水电站都根据这一思路进行水轮机调速系统的技术改造。通过近年来改造结果可以看出，这一技术具有了成熟改造的基础，是现代水轮机调速系统技改的首选方案。对于水轮机蜗壳的优化设计而言，其在工作之中需要从水轮机蜗壳工作原理、工作特点和工作条件等多个环节入手去分析，结合实际工作要点提出科学、合理的设计方法。

3.1优化目标的建立

水轮机蜗壳中的水力损失是由进口直管的沿程摩擦损失□H1、蜗形段的沿程摩擦损失ΔH2和水流流向座环时的局部收缩损失ΔH3组成。由于进口直管段不在本文所要优化的蜗形部分范围内，因而这部分损失暂不考虑，即不考虑ΔH1，则蜗壳的总水力损失ΔH为ΔH=ΔH2+ΔH3。

3.2磨损问题分析

速度矩沿周向断面的分布规律的系数为优化参数，同时考虑含沙水流中蜗壳的水力损失和泥沙磨损，以水力损失和泥沙磨损为2个目标函数，则这里的优化问题属于双目标最优化问题。本文采用一适当的权重系数w，把2个目标函数结合成一总目标函数，这样就把双目标最优化问题转化为单目标最优化问题。其函数公式f定义为：f=h+ws。

由经验和理论可知，为改善蜗壳尾部的水力损失，需降低其流速，即增大尾部断面面积，而根据均匀入流条件知，各断面径向速度分量Vr一样。因而只有降低尾部的速度矩，也即降低周向速度分量Vu，才能达到降低尾部速度的要求；同时必须保证蜗壳断面面积从进口到特殊导叶位置持续降低，以防止断面面积突然扩大而引起不必要的水力损失。因此从进口到隔舌的速度矩必须单调递增，也即K（Υ）单调递增，且保证降低水力损失和减轻泥沙磨损；隔舌处必须有速度系数确定，根据流动参数和几何条件，则可确定进口速度矩，因而不管速度矩的变化规律如何，其在进口处的值必须等于该值。

4.结束语

通过分析水轮机蜗壳中的水力损失和泥沙磨损特性，以水力损失和泥沙磨损特征量建立了蜗壳优化的双目标函数，对沿蜗壳周向断面的环量分布规律进行了优化.通过实际编程设计证明，本文提出的方法和建立的目标函数合理可行，设计出的蜗壳 可以降低水力损失，减轻泥沙磨损.但数学模型中的权重系数w及环量分布规律K（Υ）在设计时应根据具体条件确定。

【参考文献】

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