水 斗 式 機 組 廠 房 設 計

彭薇薇，譚可奇

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

水輪機是一種將水能轉換成旋轉機械能的機器，水輪機通過主軸帶動發(fā)電機又將旋轉機械能轉換成電能，水輪發(fā)電機是水電站的主要設備。按水流能量的轉換特征，水輪機可分為反擊式和沖擊式兩大類。反擊式水輪機主要包括混流式水輪機、軸流式水輪機、斜流式水輪機、貫流式水輪機等；沖擊式水輪機按射流沖擊轉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。水斗式水輪機效率高，工作穩(wěn)定，是最常用的沖擊式水輪機。

水斗式水輪機有臥式和立式兩種，適用水頭一般為100～2 000m。水斗式水輪機由噴嘴出來的射流沿圓周切線方向沖擊轉輪上的水斗而作功。因此，與反擊式水輪機相比，其特點是在轉輪工作過程中，噴嘴射流沖擊部分導葉，轉輪部分接觸水流；整個作功過程在大氣壓下進行；水輪機依靠噴嘴的射流沖擊力使轉輪轉動，利用水的動能作功。

2 水斗式機組廠房布置

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

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

(2)水輪機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，汛期采用避峰運行，可適當降低安裝高程。這種情況應進行動能經(jīng)濟比較確定。

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

(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、汛期避峰運行的布置方式，尾水槽末端應設控制閘門，以免被洪水淹沒。

3 臥式水斗式機組廠房布置

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

(1)機組軸線一般沿廠房縱軸線方向布置。

(2)機組安裝高程Hs(水輪機主軸中心線高程)可按下式確定：

Hs=▽+hp+0.5D1

式中 ▽為設計尾水位，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，宜進行動能經(jīng)濟比較，選取合適水位；D1為水輪機轉輪直徑；hp為排水高度，hp=(1.0～1.5)D1+hr，hr為通風高度，一般不小于0.4m。hp一般由機電專業(yè)提供。

(3)臥式水斗式機組廠房一般分兩層布置，上層為運行層，其主要結構跟其他型式廠房上部結構一致；下層為流道層或管道層。臥式水斗式機組廠房典型布置見圖1、2。

圖1 臥式水斗式機組廠房橫剖面

圖2 臥式水斗式機組廠房平面

4 立式水斗式機組廠房布置

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

(1)立式水斗式水輪機安裝高程Hs(噴嘴射流中心線高程)：Hs=▽+hp，其中 ▽為設計尾水位，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，宜進行動能經(jīng)濟比較，選取合適水位；hp為排水高度，hp=(1.0～1.5)D1+hr；D1為水輪機轉輪直徑，立式水斗式機組一般取大值；hr為通風高度，hr一般不小于0.4m。hp一般由機電專業(yè)提供。

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

國內(nèi)主要大型立式機組參數(shù)見表1。

表1 國內(nèi)主要大型立式機組參數(shù)

圖3 某立式水斗式機組廠房橫剖面

5 尾水槽及尾水系統(tǒng)設計

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

尾水槽一般不設控制閘門，但設置有匯水室的尾水槽應單獨設置檢修閘門。對采用降低安裝高程、汛期避峰運行布置方式的尾水槽，其末端應設控制閘門。

水斗式水輪機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)中前段設置匯水室，其后無壓出流，與原河道相接。

6 配水環(huán)管設計

配水環(huán)管與反擊式機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)管外圍混凝土結構型式

根據(jù)配水環(huán)管外部混凝土受力情況，可分為三種結構型式：

(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)鋪設軟墊層，再澆筑外圍混凝土。這種結構型式由配水環(huán)管承擔大部分的內(nèi)水壓力，配水環(huán)管外圍混凝土結構承擔較小的內(nèi)水壓力，主要承擔水輪發(fā)電機荷載以及主廠房上部結構荷載。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，對機組運行穩(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。這種結構型式配水環(huán)管與外包混凝土內(nèi)拉應力比較均勻，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)水壓超過保壓值時配水環(huán)管與鋼筋混凝土聯(lián)合承受內(nèi)水壓力。在運行時，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合成整體，增加了機組的剛性，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)的扭轉變形，有利于減少機組的振動和穩(wěn)定運行。

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，對機組的運行不利。因此需對保壓值進行充分論證，使鋼筋混凝土配筋受力滿足要求，同時也需滿足機組特性、電站運行要求等。

圖4 某立式水斗式機組廠房平面

(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，既不設墊層也不充內(nèi)壓。外圍鋼筋混凝土結構和配水環(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。

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

6.2 配水環(huán)管外圍混凝土結構設計

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：正常運行下各層樓面活載、機組運行時各種荷載、配水環(huán)管內(nèi)水壓力(包括正常運行與甩負荷工況)等。

6.2.2 結構計算

配水環(huán)管外圍混凝土結構計算與反擊式機組蝸殼外圍混凝土計算基本一致，宜采用三維有限元分析計算，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)管外圍混凝土結構型式和水頭影響，至少為1～1.5m。

水斗式機組電站廠房的上部結構與反擊式廠房結構相同，包括板梁柱系統(tǒng)、吊車梁，屋頂結構等，下部結構包括配水環(huán)管、尾水流道、下部墻、廠房底板等。下部墻和底板作為整個廠房的基礎，與反擊式廠房結構一致。尾水流道較簡單，立式水斗式機組水流通過噴嘴沖擊轉輪，通過穩(wěn)水格柵傳到尾水流道底板；臥式水斗式機組水流通過噴嘴沖擊轉輪直接傳到尾水流道底板。尾水流道結構可按平面框架計算內(nèi)力和配筋。

7 結束語

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