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        水 斗 式 機(jī) 組 廠 房 設(shè) 計(jì)

        2012-12-19 02:44:50彭薇薇譚可奇
        水電站設(shè)計(jì) 2012年2期
        關(guān)鍵詞:斗式臥式轉(zhuǎn)輪

        彭薇薇,譚可奇

        (中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610072)

        1 前 言

        水輪機(jī)是一種將水能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的機(jī)器,水輪機(jī)通過主軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)又將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能,水輪發(fā)電機(jī)是水電站的主要設(shè)備。按水流能量的轉(zhuǎn)換特征,水輪機(jī)可分為反擊式和沖擊式兩大類。反擊式水輪機(jī)主要包括混流式水輪機(jī)、軸流式水輪機(jī)、斜流式水輪機(jī)、貫流式水輪機(jī)等;沖擊式水輪機(jī)按射流沖擊轉(zhuǎn)輪的方式不同可分為水斗式、斜擊式和雙擊式三種。斜擊式和雙擊式效率較低,多用于小型水電站。水斗式水輪機(jī)效率高,工作穩(wěn)定,是最常用的沖擊式水輪機(jī)。

        水斗式水輪機(jī)有臥式和立式兩種,適用水頭一般為100~2 000m。水斗式水輪機(jī)由噴嘴出來的射流沿圓周切線方向沖擊轉(zhuǎn)輪上的水斗而作功。因此,與反擊式水輪機(jī)相比,其特點(diǎn)是在轉(zhuǎn)輪工作過程中,噴嘴射流沖擊部分導(dǎo)葉,轉(zhuǎn)輪部分接觸水流;整個(gè)作功過程在大氣壓下進(jìn)行;水輪機(jī)依靠噴嘴的射流沖擊力使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng),利用水的動(dòng)能作功。

        2 水斗式機(jī)組廠房布置

        水斗式機(jī)組廠房布置除應(yīng)遵照反擊式水輪機(jī)組廠房一般布置原則之外,尚應(yīng)根據(jù)水斗式水輪機(jī)的工作特點(diǎn),遵循以下布置原則:

        (1)噴嘴噴出的水束沖動(dòng)水斗后落入尾水流道,使尾水流道水面劇烈波動(dòng),為保證振蕩水面不影響轉(zhuǎn)輪運(yùn)行,水輪機(jī)安裝高程要比尾水槽中水位高一個(gè)轉(zhuǎn)輪直徑以上,故廠房的建基面較高。

        (2)水輪機(jī)安裝高程一般高于下游河道最高尾水位,但對于水位變幅較大的河流,為充分利用水頭,汛期采用避峰運(yùn)行,可適當(dāng)降低安裝高程。這種情況應(yīng)進(jìn)行動(dòng)能經(jīng)濟(jì)比較確定。

        (3)由于水頭較高,水流通過壓力鋼管后面的進(jìn)水閥后進(jìn)入配水環(huán)管,再經(jīng)噴嘴釋壓,因此進(jìn)水閥體積一般較大,基礎(chǔ)受力較大且較復(fù)雜,進(jìn)水閥底板應(yīng)有足夠的厚度和強(qiáng)度,或采取專門的錨固措施。進(jìn)水閥室一般設(shè)在主廠房內(nèi)上游側(cè)或設(shè)在主廠房外。

        (4)正常情況下,尾水均為無壓出流,流道較簡單。若采用降低安裝高程、汛期避峰運(yùn)行的布置方式,尾水槽末端應(yīng)設(shè)控制閘門,以免被洪水淹沒。

        3 臥式水斗式機(jī)組廠房布置

        臥式水斗式機(jī)組一般適用單機(jī)容量較小的電站,其廠房布置除應(yīng)遵循以上原則外,還根據(jù)臥式廠房特點(diǎn),考慮以下3方面因素:

        (1)機(jī)組軸線一般沿廠房縱軸線方向布置。

        (2)機(jī)組安裝高程Hs(水輪機(jī)主軸中心線高程)可按下式確定:

        Hs=▽+hp+0.5D1

        式中 ▽為設(shè)計(jì)尾水位,一般取下游最高尾水位,對于選取最高尾水位而水頭損失較大者,宜進(jìn)行動(dòng)能經(jīng)濟(jì)比較,選取合適水位;D1為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑;hp為排水高度,hp=(1.0~1.5)D1+hr,hr為通風(fēng)高度,一般不小于0.4m。hp一般由機(jī)電專業(yè)提供。

        (3)臥式水斗式機(jī)組廠房一般分兩層布置,上層為運(yùn)行層,其主要結(jié)構(gòu)跟其他型式廠房上部結(jié)構(gòu)一致;下層為流道層或管道層。臥式水斗式機(jī)組廠房典型布置見圖1、2。

        圖1 臥式水斗式機(jī)組廠房橫剖面

        圖2 臥式水斗式機(jī)組廠房平面

        4 立式水斗式機(jī)組廠房布置

        立式水斗式機(jī)組廠房布置很多方面與混流式機(jī)組相似,在遵循水斗式機(jī)組廠房布置原則的前提下,通常還有以下特點(diǎn):

        (1)立式水斗式水輪機(jī)安裝高程Hs(噴嘴射流中心線高程):Hs=▽+hp,其中 ▽為設(shè)計(jì)尾水位,一般取下游最高尾水位,對于選取最高尾水位而水頭損失較大者,宜進(jìn)行動(dòng)能經(jīng)濟(jì)比較,選取合適水位;hp為排水高度,hp=(1.0~1.5)D1+hr;D1為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑,立式水斗式機(jī)組一般取大值;hr為通風(fēng)高度,hr一般不小于0.4m。hp一般由機(jī)電專業(yè)提供。

        (2)立式水斗式機(jī)組廠房一般分四層布置,第一層為發(fā)電機(jī)層,第二層為電氣夾層,第三層為水輪機(jī)層,第四層為流道層。水輪機(jī)層以上結(jié)構(gòu)與其他型式廠房上部結(jié)構(gòu)基本一致。立式水斗式機(jī)組廠房典型布置見圖3、4。

        國內(nèi)主要大型立式機(jī)組參數(shù)見表1。

        表1 國內(nèi)主要大型立式機(jī)組參數(shù)

        圖3 某立式水斗式機(jī)組廠房橫剖面

        5 尾水槽及尾水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        尾水槽內(nèi)最高水位要求在射流驟然偏轉(zhuǎn)時(shí),其涌浪水面不能超過轉(zhuǎn)輪下沿,并且有足夠的通氣高度,一般不小于0.4m。

        尾水槽一般不設(shè)控制閘門,但設(shè)置有匯水室的尾水槽應(yīng)單獨(dú)設(shè)置檢修閘門。對采用降低安裝高程、汛期避峰運(yùn)行布置方式的尾水槽,其末端應(yīng)設(shè)控制閘門。

        水斗式水輪機(jī)尾水為無壓自由出流,尾水系統(tǒng)一般為尾水渠或無壓尾水洞型式,若尾水較長,可在尾水系統(tǒng)中前段設(shè)置匯水室,其后無壓出流,與原河道相接。

        6 配水環(huán)管設(shè)計(jì)

        配水環(huán)管與反擊式機(jī)組的金屬蝸殼基本相同,由于流量較小,水頭較高,配水環(huán)管尺寸較小,承受內(nèi)水壓力較大。

        6.1 配水環(huán)管外圍混凝土結(jié)構(gòu)型式

        根據(jù)配水環(huán)管外部混凝土受力情況,可分為三種結(jié)構(gòu)型式:

        (1)墊層式。墊層式配水環(huán)管是在配水環(huán)管外一定范圍內(nèi)鋪設(shè)軟墊層,再澆筑外圍混凝土。這種結(jié)構(gòu)型式由配水環(huán)管承擔(dān)大部分的內(nèi)水壓力,配水環(huán)管外圍混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)較小的內(nèi)水壓力,主要承擔(dān)水輪發(fā)電機(jī)荷載以及主廠房上部結(jié)構(gòu)荷載。由于鋼板與混凝土間軟墊層的存在,使混凝土對配水環(huán)管的約束降低,對機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性有一定影響。

        (2)充水保壓式。充水保壓式配水環(huán)管是在配水環(huán)管充水保壓狀態(tài)下澆筑外圍混凝土。這種結(jié)構(gòu)型式配水環(huán)管與外包混凝土內(nèi)拉應(yīng)力比較均勻,并且配水環(huán)管與外包混凝土之間的荷載分配可以根據(jù)需要調(diào)整,內(nèi)水壓超過保壓值時(shí)配水環(huán)管與鋼筋混凝土聯(lián)合承受內(nèi)水壓力。在運(yùn)行時(shí),配水環(huán)管能緊貼外包混凝土,使座環(huán)、配水環(huán)管與外包混凝土能結(jié)合成整體,增加了機(jī)組的剛性,提高了抗疲勞性能,可以依靠外包混凝土減少配水環(huán)管及座環(huán)的扭轉(zhuǎn)變形,有利于減少機(jī)組的振動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行。

        根據(jù)國內(nèi)外已建工程,充水保壓值一般為0.5~1.0倍最大靜水頭,規(guī)范建議采用0.5~0.8倍最大靜水頭。充水保壓值越高,外圍混凝土受力越??;但是保壓值越高,配水環(huán)管與外包混凝土間的縫隙越大,對機(jī)組的運(yùn)行不利。因此需對保壓值進(jìn)行充分論證,使鋼筋混凝土配筋受力滿足要求,同時(shí)也需滿足機(jī)組特性、電站運(yùn)行要求等。

        圖4 某立式水斗式機(jī)組廠房平面

        (3)直埋式。直埋式配水環(huán)管是在配水環(huán)管外直接澆筑混凝土,既不設(shè)墊層也不充內(nèi)壓。外圍鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和配水環(huán)管完全聯(lián)合承受內(nèi)水壓力,配水環(huán)管和座環(huán)受力小,因而可以減薄鋼板厚度;但混凝土受力較大以致開裂,需配置較多的鋼筋。

        臥式機(jī)組常用無外包混凝土的配水環(huán)管型式。立式水斗式機(jī)組配水環(huán)管由于水頭較高、流量較小,采用墊層式配水環(huán)管單獨(dú)運(yùn)行較難保證穩(wěn)定;采用直埋式配水環(huán)管外圍混凝土受力較大,混凝土結(jié)構(gòu)較難滿足要求。故立式水斗式機(jī)組一般采用充水保壓式配水環(huán)管。

        6.2 配水環(huán)管外圍混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        6.2.1 外圍混凝土荷載

        配水環(huán)管外圍混凝土承受的主要荷載有:正常運(yùn)行下各層樓面活載、機(jī)組運(yùn)行時(shí)各種荷載、配水環(huán)管內(nèi)水壓力(包括正常運(yùn)行與甩負(fù)荷工況)等。

        6.2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

        配水環(huán)管外圍混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算與反擊式機(jī)組蝸殼外圍混凝土計(jì)算基本一致,宜采用三維有限元分析計(jì)算,或通過工程類比確定配筋。配水環(huán)管外圍混凝土厚度受配水環(huán)管外圍混凝土結(jié)構(gòu)型式和水頭影響,至少為1~1.5m。

        水斗式機(jī)組電站廠房的上部結(jié)構(gòu)與反擊式廠房結(jié)構(gòu)相同,包括板梁柱系統(tǒng)、吊車梁,屋頂結(jié)構(gòu)等,下部結(jié)構(gòu)包括配水環(huán)管、尾水流道、下部墻、廠房底板等。下部墻和底板作為整個(gè)廠房的基礎(chǔ),與反擊式廠房結(jié)構(gòu)一致。尾水流道較簡單,立式水斗式機(jī)組水流通過噴嘴沖擊轉(zhuǎn)輪,通過穩(wěn)水格柵傳到尾水流道底板;臥式水斗式機(jī)組水流通過噴嘴沖擊轉(zhuǎn)輪直接傳到尾水流道底板。尾水流道結(jié)構(gòu)可按平面框架計(jì)算內(nèi)力和配筋。

        7 結(jié)束語

        水斗式水輪機(jī)適用于高水頭小流量的機(jī)組,因此,現(xiàn)有較多如此特征的水電站采用水斗式機(jī)組。從已發(fā)電運(yùn)行的水電站廠房看,機(jī)組運(yùn)行良好,配水環(huán)管與外包鋼筋混凝土采用打壓埋入式運(yùn)行可靠,廠房結(jié)構(gòu)相對較簡單,有較好的適應(yīng)性。

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