高落差水泵水轮机引水和导水机构设计

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。

图1 座环、蜗壳0 断面截面图Figure 1 Section drawing of stand ring and fracture 0 of spiral case

表1 蜗壳断面(0～9)参数Table 1 Fractures(0～9)parameters of spiral case

图2 Ro－n 曲线Figure 2 Ro－n curve

图3 Rc－n 曲线Figure 3 Rc－n curve

图4 Vθ－n 曲线Figure 4 Vθ－n curve

1.3 蜗壳设计

根据以上得到的设计参数，利用AutoCAD 软件设计得到的蜗壳单线图如图5 所示。

由图5 可以看出，各断面间结合良好，过渡平稳光滑。为降低损耗和震动奠定了良好的结构基础。

2 导叶的设计

2.1 设计要求

对于该水泵水轮机，要求固定导叶、活动导叶均为20 片，使水能够以等流量流过每片导叶，这样才能确保水轮机稳定运行。

2.2 导叶设计

对于固定导叶入口处的水流速度可以被分解为切向速度Vθ和径向速度Vr。其中:

式中，Anet为叶间流道净流通面积，Arem为叶片间隙面积，As为通道总面积。设计导叶时，为了能最大效率地利用水的能量，应使固定导叶水流入口处的切线方向与水流速度方向一致，如图6 所示。最终设计得出的导叶形状及导叶装配图如图7 所示。

图5 蜗壳单线图Figure 5 Single curve of spiral case

图6 固定导叶、活动导叶Figure 6 Stay vanes and movable vanes

图7 导叶装配图Figure 7 Assembly drawing of vane

3 结论

本文借助CAD 软件完成了高落差水泵水轮机引水、导水机构的结构设计，结论如下:

(1)采用的水轮机导水机构的设计方法是合理的，设计出的蜗壳断面较宽便于制造，且有利于减小水力损失;

(2)按本文中的方法设计得出的导叶能最大效率地利用水的能量，有利于提高水轮机的效率;

(3)本文设计的导水机构是水泵水轮机内流体流动仿真的前期工作，为高水头水泵水轮机的整体设计提供了很好的基础。

［1］程良骏.水轮机［M］.北京:机械工业出版社.2007.

［2］廖伟丽，李建中.混流式水轮机蜗壳内流动的数值研究［J］.大电机技术，2008(2):52－56.

［3］钟诗胜，李福军，王知行，等.大型水轮机选型设计系统的研究［J］.计算机集成制造系统，2000，06(02):70－74.