彭薇薇，譚可奇

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，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，利用水的動能作功。

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(zhuǎn)輪運(yùn)行，水輪機(jī)安裝高程要比尾水槽中水位高一個轉(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

尾水槽內(nèi)最高水位要求在射流驟然偏轉(zhuǎn)時，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

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，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，外圍混凝土受力越小；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

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)計算

配水環(huán)管外圍混凝土結(jié)構(gòu)計算與反擊式機(jī)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(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。