中高水头水电站蜗壳的计算分析

(1.河南省中安建筑工程有限公司 河南 郑州 450000)

(2.中国葛洲坝集团路桥工程有限公司 湖北 宜昌 444330)

一、基本资料

流域多年平均流量341.5m3/s，径流总量108×108m3。年际变化大，最丰年5000m3/s，最枯年148m3/s，水电站实测21年平均的年最大洪峰流量为8050m3/s，大洪水多发生在7月及9月。水库正常高水位为410.0m，死水位为400.0m，最低死水位为393.0m，水电站为坝后式厂房，装机容量为135000kW，最高净水头47.5m，最低水头26.3m，平均水头42m，设计水头39m，按枯水期调节后的流量80m3/s相应的下游尾水位为361.3m高程。

二、蜗壳形式的选择

由水电站的水头范围26.3-47.5m，可知电站水头较高，所以本设计采用了采用钢蜗壳。为了改善金属蜗壳的受力状态，其断面采用接近于圆形的断面，在接近于鼻端，由于和座环蝶形边光滑过渡及焊接上的需要，断面形状接近于椭圆形。由于其包角较大，平面外形尺寸相对也较大。

三、蜗壳断面形状及包角的计算分析

蜗壳在座环外缘包围的角度称为蜗壳的包角(也就是从蜗壳的鼻端至蜗壳进口断面之间的夹角称为蜗壳包角，常用来表示，对于金属蜗壳的包角较大，通常采用包角为345°左右，由于金属蜗壳(也称鼻端)的结构尺寸及座环蝶边连接上的要求，包角不能尾部达到360°本设计选择345°断面形式使用圆形，本设计采用了圆形。

根据水电站规模本电站采用金属蜗壳由《水力机械》附表以及附表二查得HL240型水轮机Da=5800mm。

四、进口断面面积及尺寸的确定

进口断面流速

式中K查《水电站》金属蜗壳的流速系数与设计设计水头的关系图的推荐曲线3得K=0.99

进口断面流量

其中设计流量Qmax=99.92m3/s

进口断面面积

进水断面的半径

从水轮机主轴中心线到蜗壳进口外边缘的半径为

Rmax=ra+2ρmax

对于中间任一断面，流量为

断面半径为

式中：φi—自蜗壳鼻端起算至计算断面的角度。

从主轴中心到该断面的外缘距离

Ri=ra+2ρi

式中ra—水轮机座环的固定导叶外半径

Ri计算如表1所示，蜗壳单线图如图1所示。

表1 蜗壳进口断面尺寸计算表

图1蜗壳单线图 单位(cm)

五、结论与展望

本文通过数值计算，对中高水头钢蜗壳进行了水力计算，所得成果为工程优化设计提供了理论计算支撑，也对同类型工程具有良好的参考价值。基于本工程实例的计算分析，有以下三方面展望。

1.对于中高水头钢结构蜗壳，由于结构尺寸大、受力状态复杂，理论计算的精准度更需要模型试验与运行工程的现实问题而得到进一步优化。

2.钢蜗壳投资造价较高于混凝土蜗壳，考虑使用预应力钢筋混凝土蜗壳，或者钢纤维混凝土蜗壳，同时也要考虑重点部位的应力应变和温度效应问题。

3.兼顾投资造价与安全运行两方面因素，钢衬混凝土蜗壳也得到广泛的应用，通过计算分析可以在今后相似类型工程中使用。