水 斗 式 机 组 厂 房 设 计

彭薇薇，谭可奇

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

水轮机是一种将水能转换成旋转机械能的机器，水轮机通过主轴带动发电机又将旋转机械能转换成电能，水轮发电机是水电站的主要设备。按水流能量的转换特征，水轮机可分为反击式和冲击式两大类。反击式水轮机主要包括混流式水轮机、轴流式水轮机、斜流式水轮机、贯流式水轮机等；冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同可分为水斗式、斜击式和双击式三种。斜击式和双击式效率较低，多用于小型水电站。水斗式水轮机效率高，工作稳定，是最常用的冲击式水轮机。

水斗式水轮机有卧式和立式两种，适用水头一般为100～2 000m。水斗式水轮机由喷嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转轮上的水斗而作功。因此，与反击式水轮机相比，其特点是在转轮工作过程中，喷嘴射流冲击部分导叶，转轮部分接触水流；整个作功过程在大气压下进行；水轮机依靠喷嘴的射流冲击力使转轮转动，利用水的动能作功。

2 水斗式机组厂房布置

水斗式机组厂房布置除应遵照反击式水轮机组厂房一般布置原则之外，尚应根据水斗式水轮机的工作特点，遵循以下布置原则：

(1)喷嘴喷出的水束冲动水斗后落入尾水流道，使尾水流道水面剧烈波动，为保证振荡水面不影响转轮运行，水轮机安装高程要比尾水槽中水位高一个转轮直径以上，故厂房的建基面较高。

(2)水轮机安装高程一般高于下游河道最高尾水位，但对于水位变幅较大的河流，为充分利用水头，汛期采用避峰运行，可适当降低安装高程。这种情况应进行动能经济比较确定。

(3)由于水头较高，水流通过压力钢管后面的进水阀后进入配水环管，再经喷嘴释压，因此进水阀体积一般较大，基础受力较大且较复杂，进水阀底板应有足够的厚度和强度，或采取专门的锚固措施。进水阀室一般设在主厂房内上游侧或设在主厂房外。

(4)正常情况下，尾水均为无压出流，流道较简单。若采用降低安装高程、汛期避峰运行的布置方式，尾水槽末端应设控制闸门，以免被洪水淹没。

3 卧式水斗式机组厂房布置

卧式水斗式机组一般适用单机容量较小的电站，其厂房布置除应遵循以上原则外，还根据卧式厂房特点，考虑以下3方面因素：

(1)机组轴线一般沿厂房纵轴线方向布置。

(2)机组安装高程Hs(水轮机主轴中心线高程)可按下式确定：

Hs=▽+hp+0.5D1

式中 ▽为设计尾水位，一般取下游最高尾水位，对于选取最高尾水位而水头损失较大者，宜进行动能经济比较，选取合适水位；D1为水轮机转轮直径；hp为排水高度，hp=(1.0～1.5)D1+hr，hr为通风高度，一般不小于0.4m。hp一般由机电专业提供。

(3)卧式水斗式机组厂房一般分两层布置，上层为运行层，其主要结构跟其他型式厂房上部结构一致；下层为流道层或管道层。卧式水斗式机组厂房典型布置见图1、2。

图1 卧式水斗式机组厂房横剖面

图2 卧式水斗式机组厂房平面

4 立式水斗式机组厂房布置

立式水斗式机组厂房布置很多方面与混流式机组相似，在遵循水斗式机组厂房布置原则的前提下，通常还有以下特点：

(1)立式水斗式水轮机安装高程Hs(喷嘴射流中心线高程)：Hs=▽+hp，其中 ▽为设计尾水位，一般取下游最高尾水位，对于选取最高尾水位而水头损失较大者，宜进行动能经济比较，选取合适水位；hp为排水高度，hp=(1.0～1.5)D1+hr；D1为水轮机转轮直径，立式水斗式机组一般取大值；hr为通风高度，hr一般不小于0.4m。hp一般由机电专业提供。

(2)立式水斗式机组厂房一般分四层布置，第一层为发电机层，第二层为电气夹层，第三层为水轮机层，第四层为流道层。水轮机层以上结构与其他型式厂房上部结构基本一致。立式水斗式机组厂房典型布置见图3、4。

国内主要大型立式机组参数见表1。

表1 国内主要大型立式机组参数

图3 某立式水斗式机组厂房横剖面

5 尾水槽及尾水系统设计

尾水槽内最高水位要求在射流骤然偏转时，其涌浪水面不能超过转轮下沿，并且有足够的通气高度，一般不小于0.4m。

尾水槽一般不设控制闸门，但设置有汇水室的尾水槽应单独设置检修闸门。对采用降低安装高程、汛期避峰运行布置方式的尾水槽，其末端应设控制闸门。

水斗式水轮机尾水为无压自由出流，尾水系统一般为尾水渠或无压尾水洞型式，若尾水较长，可在尾水系统中前段设置汇水室，其后无压出流，与原河道相接。

6 配水环管设计

配水环管与反击式机组的金属蜗壳基本相同，由于流量较小，水头较高，配水环管尺寸较小，承受内水压力较大。

6.1 配水环管外围混凝土结构型式

根据配水环管外部混凝土受力情况，可分为三种结构型式：

(1)垫层式。垫层式配水环管是在配水环管外一定范围内铺设软垫层，再浇筑外围混凝土。这种结构型式由配水环管承担大部分的内水压力，配水环管外围混凝土结构承担较小的内水压力，主要承担水轮发电机荷载以及主厂房上部结构荷载。由于钢板与混凝土间软垫层的存在，使混凝土对配水环管的约束降低，对机组运行稳定性有一定影响。

(2)充水保压式。充水保压式配水环管是在配水环管充水保压状态下浇筑外围混凝土。这种结构型式配水环管与外包混凝土内拉应力比较均匀，并且配水环管与外包混凝土之间的荷载分配可以根据需要调整，内水压超过保压值时配水环管与钢筋混凝土联合承受内水压力。在运行时，配水环管能紧贴外包混凝土，使座环、配水环管与外包混凝土能结合成整体，增加了机组的刚性，提高了抗疲劳性能，可以依靠外包混凝土减少配水环管及座环的扭转变形，有利于减少机组的振动和稳定运行。

根据国内外已建工程，充水保压值一般为0.5～1.0倍最大静水头，规范建议采用0.5～0.8倍最大静水头。充水保压值越高，外围混凝土受力越小；但是保压值越高，配水环管与外包混凝土间的缝隙越大，对机组的运行不利。因此需对保压值进行充分论证，使钢筋混凝土配筋受力满足要求，同时也需满足机组特性、电站运行要求等。

图4 某立式水斗式机组厂房平面

(3)直埋式。直埋式配水环管是在配水环管外直接浇筑混凝土，既不设垫层也不充内压。外围钢筋混凝土结构和配水环管完全联合承受内水压力，配水环管和座环受力小，因而可以减薄钢板厚度；但混凝土受力较大以致开裂，需配置较多的钢筋。

卧式机组常用无外包混凝土的配水环管型式。立式水斗式机组配水环管由于水头较高、流量较小，采用垫层式配水环管单独运行较难保证稳定；采用直埋式配水环管外围混凝土受力较大，混凝土结构较难满足要求。故立式水斗式机组一般采用充水保压式配水环管。

6.2 配水环管外围混凝土结构设计

6.2.1 外围混凝土荷载

配水环管外围混凝土承受的主要荷载有：正常运行下各层楼面活载、机组运行时各种荷载、配水环管内水压力(包括正常运行与甩负荷工况)等。

6.2.2 结构计算

配水环管外围混凝土结构计算与反击式机组蜗壳外围混凝土计算基本一致，宜采用三维有限元分析计算，或通过工程类比确定配筋。配水环管外围混凝土厚度受配水环管外围混凝土结构型式和水头影响，至少为1～1.5m。

水斗式机组电站厂房的上部结构与反击式厂房结构相同，包括板梁柱系统、吊车梁，屋顶结构等，下部结构包括配水环管、尾水流道、下部墙、厂房底板等。下部墙和底板作为整个厂房的基础，与反击式厂房结构一致。尾水流道较简单，立式水斗式机组水流通过喷嘴冲击转轮，通过稳水格栅传到尾水流道底板；卧式水斗式机组水流通过喷嘴冲击转轮直接传到尾水流道底板。尾水流道结构可按平面框架计算内力和配筋。

7 结束语

水斗式水轮机适用于高水头小流量的机组，因此，现有较多如此特征的水电站采用水斗式机组。从已发电运行的水电站厂房看，机组运行良好，配水环管与外包钢筋混凝土采用打压埋入式运行可靠，厂房结构相对较简单，有较好的适应性。