張仁江　李富彧

【摘 要】近年來(lái)，我國(guó)水利水電工程得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，其在滿足我國(guó)電力能源供需要求的同時(shí)為我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的落實(shí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)多年的工作實(shí)踐總結(jié)得出，水利水電工程建設(shè)在減少煤炭資源能耗、加強(qiáng)水資源利用率、完善環(huán)境保護(hù)措施方面發(fā)揮了重要作用，為我國(guó)環(huán)保工作的開(kāi)展提供了堅(jiān)定的平臺(tái)。蝸殼作為水輪機(jī)最為重要的部件之一，做好其優(yōu)化設(shè)計(jì)工作極為關(guān)鍵。本文針對(duì)目前是輪機(jī)蝸殼常規(guī)水利設(shè)計(jì)方法中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，提出了有關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，旨在提高水輪機(jī)蝸殼水利性能，增加水電站工作效率。

【關(guān)鍵詞】水輪機(jī)；蝸殼；水力損失；優(yōu)化設(shè)計(jì)

自新中國(guó)成立至今，我國(guó)環(huán)境問(wèn)題愈演愈烈，極大的威脅著人類(lèi)身體健康、制約著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在這種時(shí)代背景下，節(jié)能、環(huán)保以及可持續(xù)發(fā)展觀念不斷提出且得到了極大的落實(shí)，成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主導(dǎo)方向，這也為水利水電事業(yè)提供了廣闊的發(fā)展空間，是水利水電事業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)前提。水輪機(jī)作為水利水電工程中的重要組成部分，在現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮著重要作用和意義。蝸殼作為水輪機(jī)中的重要組成，做好其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法受到業(yè)內(nèi)工作人士的重視。

1.水輪機(jī)蝸殼概述

就我國(guó)水利水電工程而言，由于工程建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)短不一、投入的設(shè)備和技術(shù)也存在著一定的差異，這就造成了一部分水利水電工程的水輪機(jī)設(shè)施存在著極為嚴(yán)重的問(wèn)題。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和水輪機(jī)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的水輪機(jī)已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代化社會(huì)發(fā)展的需求，這就要求我們?cè)诠ぷ髦袑?duì)水輪機(jī)進(jìn)行改造和優(yōu)化。蝸殼作為水輪機(jī)重要組成部分，其問(wèn)題尤為明顯，因此，我們有必要對(duì)蝸殼中存在問(wèn)題進(jìn)行歸納和總結(jié)。

1.1水輪機(jī)蝸殼概念

蝸殼是水輪機(jī)中極為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，是過(guò)流系統(tǒng)中不可缺少的一部分，它的主要作用在于盡量讓水流在進(jìn)入導(dǎo)葉之前均勻分配，并且具有一定的環(huán)量，使得水流對(duì)稱和向心流之間的方向產(chǎn)生一定的變化。所謂的蝸殼主要是水輪機(jī)中的一種那個(gè)蝸殼式的引水式，它主要是因?yàn)橥庥^上看起來(lái)極像蝸牛殼，為此被廣泛的稱之為蝸殼。這種設(shè)施的應(yīng)用中，為了保證向?qū)畽C(jī)構(gòu)均勻的提供水資源，所以蝸殼的斷面面積逐漸在縮小，同時(shí)它也是導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施。

1.2蝸殼分類(lèi)

水輪機(jī)蝸殼可分為金屬蝸殼和混凝土蝸殼。

1.2.1金屬蝸殼

蝸殼自鼻端至進(jìn)口斷面所包圍的角度稱為蝸殼的包角。高水頭水輪機(jī)多采用金屬蝸殼。金屬蝸殼按其制造方法有焊接、鑄焊和鑄造三種類(lèi)型。金屬蝸殼的結(jié)構(gòu)類(lèi)型與水輪機(jī)的水頭及尺寸關(guān)系密切。鑄焊和鑄造蝸殼一般用于直徑D1<3m的高水頭混流式水輪機(jī)。金屬蝸殼的斷面采用圓形為節(jié)約鋼材，鋼板厚度應(yīng)根據(jù)蝸殼斷面受力不同而異，通常蝸殼進(jìn)口斷面厚度較大，愈接近鼻端則厚度愈小。

1.2.2混凝土蝸殼

一般用于大、中型水頭在40m以下的低水頭電站，它實(shí)際上是直接在廠房水下部分大體積混凝土中做成的蝸形空腔。澆筑廠房水下部分時(shí)預(yù)先裝好蝸形的模板，模板拆除后即成蝸殼。為加強(qiáng)蝸殼的強(qiáng)度在混凝土中加了很多鋼筋，所以有時(shí)也稱為鋼筋混凝土蝸殼。

2.水輪機(jī)蝸殼設(shè)計(jì)問(wèn)題

在傳統(tǒng)的水輪機(jī)蝸殼設(shè)計(jì)工作中，主要的方法可以分為等速度矩法和軸向平均速度法兩種。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中等速度矩法是利用蝸殼中出現(xiàn)的水流流速的對(duì)稱原理來(lái)進(jìn)行分析，的這種設(shè)計(jì)方法在應(yīng)用中不足之處主要在于原斷面極容易產(chǎn)生破壞問(wèn)題，破壞了設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)要求。而采用軸向平均速度法是利用樹(shù)六方向的變動(dòng)來(lái)進(jìn)行分析的，其與等速度矩法恰好想法，是根據(jù)蝸殼尾部斷面要求來(lái)分析，使得水利損失顯著的降低和減少，但是其由于流出的水力損失減小、分布不均勻從而容易引起葉片產(chǎn)生固定不合理問(wèn)題，給工作帶來(lái)嚴(yán)重的影響。為此，在工作中我們有必要對(duì)這兩種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，從而提高設(shè)計(jì)效益和流程。

3.水輪機(jī)全蝸殼圓形斷面設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

根據(jù)技術(shù)先進(jìn)、工作可靠、投資少、改造工期短的技改思路，目前，針對(duì)YT或GT系列的水輪機(jī)調(diào)速器技術(shù)改造主要采用保留液壓裝置、主接力器以及主配壓閥，將機(jī)械液壓柜改造為先進(jìn)的電氣部分及其配套機(jī)械液壓機(jī)構(gòu)組成的電調(diào)控制柜等思路進(jìn)行改造。通過(guò)這一思路的技術(shù)改造能夠使改造后的水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有電調(diào)的特點(diǎn)、其通過(guò)可編程、體積小抗干擾能力的電氣系統(tǒng)改善傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)存在的不足。提高自動(dòng)化程度，為保障水輪機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供良好的技術(shù)支持。而且，現(xiàn)代電器調(diào)速系統(tǒng)還能夠記錄相關(guān)運(yùn)行信息、提供預(yù)警系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)在線診斷等功能。在這一技改思路的指導(dǎo)下，我國(guó)許多水電站都根據(jù)這一思路進(jìn)行水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)改造。通過(guò)近年來(lái)改造結(jié)果可以看出，這一技術(shù)具有了成熟改造的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)技改的首選方案。對(duì)于水輪機(jī)蝸殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)而言，其在工作之中需要從水輪機(jī)蝸殼工作原理、工作特點(diǎn)和工作條件等多個(gè)環(huán)節(jié)入手去分析，結(jié)合實(shí)際工作要點(diǎn)提出科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)方法。

3.1優(yōu)化目標(biāo)的建立

水輪機(jī)蝸殼中的水力損失是由進(jìn)口直管的沿程摩擦損失□H1、蝸形段的沿程摩擦損失ΔH2和水流流向座環(huán)時(shí)的局部收縮損失ΔH3組成。由于進(jìn)口直管段不在本文所要優(yōu)化的蝸形部分范圍內(nèi)，因而這部分損失暫不考慮，即不考慮ΔH1，則蝸殼的總水力損失ΔH為ΔH=ΔH2+ΔH3。

3.2磨損問(wèn)題分析

速度矩沿周向斷面的分布規(guī)律的系數(shù)為優(yōu)化參數(shù)，同時(shí)考慮含沙水流中蝸殼的水力損失和泥沙磨損，以水力損失和泥沙磨損為2個(gè)目標(biāo)函數(shù)，則這里的優(yōu)化問(wèn)題屬于雙目標(biāo)最優(yōu)化問(wèn)題。本文采用一適當(dāng)?shù)臋?quán)重系數(shù)w，把2個(gè)目標(biāo)函數(shù)結(jié)合成一總目標(biāo)函數(shù)，這樣就把雙目標(biāo)最優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)最優(yōu)化問(wèn)題。其函數(shù)公式f定義為：f=h+ws。

由經(jīng)驗(yàn)和理論可知，為改善蝸殼尾部的水力損失，需降低其流速，即增大尾部斷面面積，而根據(jù)均勻入流條件知，各斷面徑向速度分量Vr一樣。因而只有降低尾部的速度矩，也即降低周向速度分量Vu，才能達(dá)到降低尾部速度的要求；同時(shí)必須保證蝸殼斷面面積從進(jìn)口到特殊導(dǎo)葉位置持續(xù)降低，以防止斷面面積突然擴(kuò)大而引起不必要的水力損失。因此從進(jìn)口到隔舌的速度矩必須單調(diào)遞增，也即K（Υ）單調(diào)遞增，且保證降低水力損失和減輕泥沙磨損；隔舌處必須有速度系數(shù)確定，根據(jù)流動(dòng)參數(shù)和幾何條件，則可確定進(jìn)口速度矩，因而不管速度矩的變化規(guī)律如何，其在進(jìn)口處的值必須等于該值。

4.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析水輪機(jī)蝸殼中的水力損失和泥沙磨損特性，以水力損失和泥沙磨損特征量建立了蝸殼優(yōu)化的雙目標(biāo)函數(shù)，對(duì)沿蝸殼周向斷面的環(huán)量分布規(guī)律進(jìn)行了優(yōu)化.通過(guò)實(shí)際編程設(shè)計(jì)證明，本文提出的方法和建立的目標(biāo)函數(shù)合理可行，設(shè)計(jì)出的蝸殼 可以降低水力損失，減輕泥沙磨損.但數(shù)學(xué)模型中的權(quán)重系數(shù)w及環(huán)量分布規(guī)律K（Υ）在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體條件確定。

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