金屬蝸殼

在水頭高于40m以上的水電站中，由于強度的需要，一般采用金屬蝸殼或金屬鋼板與混凝土聯(lián)合作用的蝸殼。金屬蝸殼按其制造方法，有焊接、鑄造、鑄焊三種類型。

這種蝸殼，包括座環(huán)在內(nèi)全部用焊接結(jié)構(gòu)，鋼板沿著整個圓周焊接到座環(huán)的上、下蝶形邊上。一般用在尺寸較大的中低水頭電站的混流式水輪機中。焊接蝸殼由若干個節(jié)組成，每節(jié)又由幾塊鋼板拼成，整個蝸殼的裝配和焊接在工地安裝時進行。工廠只完成鋼板下料和卷制成單個環(huán)形節(jié)。焊接蝸殼的節(jié)數(shù)不應太少，否則將影響蝸殼的水力性能。鋼板的厚度應根據(jù)有關(guān)強度計算確定，通常蝸殼進口斷面厚度較大，越接近鼻端厚度越小。同一斷面上鋼板厚度也不相同，在接近座環(huán)上、下端的鋼板較在斷面中間的要厚一些。焊接

蝸殼的焊縫應盡量減少，遇到十字交錯焊縫時必須錯開300mm以上。

焊接蝸殼平面尺寸較大，需全部埋入混凝土中。由于蝸殼壁薄、剛性差，不能承受外部荷載，所以在蝸殼上部與混凝土之間。一般要鋪設由瀝青、石棉、毛氈等材料組成的彈性墊層，以避免水壓直接傳遞到混凝土上和上部基礎(chǔ)傳來的外荷載直接作用在蝸殼上。目前，對于大型機組埋設蝸殼，多采用充水保壓新技術(shù)，取消了彈性墊層，增強了蝸殼的剛度，如三峽機組蝸殼即采用了這一新技術(shù)。

這種蝸殼的剛度較大，能承受一定的外壓，常作為水輪機的支承點并在它上面直接布，置導水機構(gòu)及其傳動裝置。鑄造蝸殼一般不全部埋入混凝土。根據(jù)應用水頭不同，鑄造蝸殼可采用不同的材料，水頭小于120m的小型機組一般用鑄鐵件，水頭大于120m時則多用鑄鋼制作。

這種蝸殼與鑄造蝸殼一樣，適用于尺寸不大的高水頭混流式水輪機。鑄焊蝸殼的外殼用鋼板壓制而成，固定導葉的支柱和座環(huán)一般是鑄造，然后用焊接方法把它們聯(lián)成整體。焊接后需進行必要的熱處理以消除焊接應力。

大中型機組的蝸殼上設有進入孔和排水孔。一般進入孔直徑為650mm，位置設在蝸殼的底部，并與蝸殼圓形斷面中垂線成15°，這樣是為了打開進入門時不會有積水漏出。

另外，在蝸殼內(nèi)部最低處，均設有排水閥，以便檢修時排出積水。在廠房的基礎(chǔ)上，設有若干個均布的支墩，用于安放蝸殼，并用千斤頂和拉桿拉緊，把金屬蝸殼牢固地固定在基礎(chǔ)上，以免澆注混凝土時蝸殼位置變動。

座環(huán)

座環(huán)，既是承重部件又是過流部件，還是混流式機組的一個重要安裝基準件。它承受水輪機的軸向水推力、機組的重量、座環(huán)上部混凝土的重量等荷載，并把荷載傳遞到下部基礎(chǔ)上，其強度、剛度必須滿足要求，其過流表面應為流線型。

座環(huán)位于蝸殼和活動導葉之間，是一個環(huán)形結(jié)構(gòu)部件。通常由上環(huán)、下環(huán)和若干個固定導葉組成。上環(huán)、下環(huán)的圓周與蝸殼相連接，上環(huán)內(nèi)圈法蘭與頂蓋連接，下環(huán)內(nèi)圈法蘭上安裝基礎(chǔ)環(huán)。

圖1 座環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖 (a)單個支柱型；(b)半整體型；(c)整體型

座環(huán)的結(jié)構(gòu)、工藝方案，主要取決于水輪機的參數(shù)、尺寸、制造和運輸能力等條件。

(1)單個支柱型。如圖1(a)所示，單個支柱帶有上、下法蘭，通過法蘭和地腳螺栓與混凝土牢固地結(jié)合在一起。在特大型低水頭軸流式水輪機中，由于制造與運輸?shù)膯栴}，常采用該結(jié)構(gòu)座環(huán)。

(2)半整體型。如圖1(b)所示，支柱下端法蘭直接固定在混凝土中，而上端則用螺栓連接或直接焊接在座環(huán)上。有的座環(huán)上環(huán)和頂蓋的頂環(huán)合二為一。

(3)整體型。如圖1(c)所示，座環(huán)的支柱、上環(huán)、下環(huán)為整體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)剛性好，在制造廠可進行預裝配，是一最佳結(jié)構(gòu)。

對于低水頭大型軸流式水輪機，其蝸殼一般為混凝土，其座環(huán)既可是分件也可是整體的，一般可采用上述三種結(jié)構(gòu)。而對于混流式水輪機，其座環(huán)通常采用整體型結(jié)構(gòu)。

如圖2所示，按座環(huán)的結(jié)構(gòu)工藝，可分為如下幾種形式。

(1)鑄造結(jié)構(gòu)。座環(huán)整鑄或分瓣鑄造。

(2)鑄焊結(jié)構(gòu)。座環(huán)的上環(huán)、下環(huán)和固定導葉分別鑄造后再焊成整體。

(3)全焊結(jié)構(gòu)。上環(huán)、下環(huán)和固定導葉均用鋼板壓制成形后再焊接成整體。全焊結(jié)構(gòu)的固定導葉數(shù)一般和導葉數(shù)相同，以減小導葉鋼板厚度，使之便于成形(其他結(jié)構(gòu)中為減小水力損失，固定導葉數(shù)為導葉數(shù)的一半)。這種座環(huán)的機械加工量小，耗材少，部件重量輕，施工靈活，易于保證質(zhì)量和精度，是大型機組中比較適合的結(jié)構(gòu)。

圖2帶蝶形邊座環(huán)的結(jié)構(gòu)工藝

按座環(huán)與金屬蝸殼的連接方式，還可分為：

(1)帶蝶形邊的座環(huán)，如圖2所示。座環(huán)的蝶形邊和蝸殼鋼板采用對接焊縫焊接。這種座環(huán)結(jié)構(gòu)受力不夠合理，蝸殼對固定導葉有附加彎矩作用，必須加厚鋼板；結(jié)構(gòu)較笨重，徑向尺寸較大；當用焊接結(jié)構(gòu)時，其蝶形邊需加壓成形，工藝復雜，精度也不易保證。

(2)無蝶形邊的箱型結(jié)構(gòu)座環(huán)，如圖3所示。座環(huán)徑向尺寸有所減小，適合于全焊接。其特點是上、下環(huán)為箱型結(jié)構(gòu)，剛度好，與蝸殼的聯(lián)結(jié)點離固定導葉中心近，改善了受力情況；上、下環(huán)外圓焊有圓形導流板，改善了座環(huán)進口的繞流條件。

圖3 無蝶形邊座環(huán)

基礎(chǔ)環(huán)與轉(zhuǎn)輪室

基礎(chǔ)環(huán)是混流式水輪機的埋設部件，預埋在混凝土中。其作用如下：

(1)基礎(chǔ)環(huán)是連接座環(huán)和尾水管進口直錐段的基礎(chǔ)部件。

(2)形成了混流式水輪機的轉(zhuǎn)輪室，轉(zhuǎn)輪的下環(huán)在其內(nèi)轉(zhuǎn)動，可能承受轉(zhuǎn)輪室傳來的水力振動，因而要求與混凝土結(jié)合牢固。

(3)基礎(chǔ)環(huán)是底環(huán)安裝的基礎(chǔ)部件，底環(huán)通過螺栓與基礎(chǔ)環(huán)把合。

(4)基礎(chǔ)環(huán)是布置混流式轉(zhuǎn)輪下靜止漏環(huán)的基礎(chǔ)。

(5)基礎(chǔ)環(huán)下法蘭面也是安裝和拆卸水輪機時落放轉(zhuǎn)輪的基礎(chǔ)，它與轉(zhuǎn)輪下環(huán)底面之間有一定的間隙，作為安裝時放置斜楔、調(diào)整轉(zhuǎn)輪水平之用。

基礎(chǔ)環(huán)通常與座環(huán)直接連接，或者與座環(huán)作成一個整體。大中型機組的基礎(chǔ)環(huán)一般采用鋼板焊接而成，其上部法蘭面與座環(huán)下環(huán)用螺栓把緊，其下法蘭直接與尾水管進口錐管里襯焊接；對于中小型水輪機，若運輸允許，可將基礎(chǔ)環(huán)和座環(huán)作成一整體。

水輪機轉(zhuǎn)輪室，主要是指轉(zhuǎn)輪在其內(nèi)轉(zhuǎn)動的圓周空間。如圖所示，軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪室是水輪機過流通道的一部分，其上部與底環(huán)連接(起部分支承作用)，其下部與尾水管的錐管段連接。其作用相當于上述混流式基礎(chǔ)環(huán)作用的“(2)”、“(3)”，但不與座環(huán)連接，對座環(huán)無支承作用。

轉(zhuǎn)輪室的外形和選用的轉(zhuǎn)輪型號有關(guān)。一般在葉片水平中心線以上為圓柱形，在中心線以下為球形，其形狀和葉片外緣相吻合，以保證葉片轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)輪仍具有最小的間隙。但也有采用全球形轉(zhuǎn)輪室的，如三門峽水電站1號機改造后即是如此，葉片在各工況下均有最小的間隙，進一步減小了水流漏損，但不足的是在檢修時需拆卸上半部轉(zhuǎn)輪室。

轉(zhuǎn)輪室的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)輪的大小、工作水頭有關(guān)。小型機組一般采用碳素鋼鑄造結(jié)構(gòu)，大中型機組一般采用焊接結(jié)構(gòu)。由于大型機組的轉(zhuǎn)輪室尺寸較大，多采用鋼板卷焊而成，一般可分為上、下環(huán)二部分(或上、中、下環(huán)三部分)，每一環(huán)分幾瓣，用法蘭及螺栓把合。轉(zhuǎn)輪室的內(nèi)壁在葉片出口處常產(chǎn)生嚴重的磨蝕，通常采取的抗磨蝕措施是在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁鋪焊不銹鋼板或堆焊不銹鋼保護層。

運行時由于水流的壓力脈動，在轉(zhuǎn)輪室上作用有很大的周期性荷載，為加強轉(zhuǎn)輪室的剛度和改善它與混凝土的結(jié)合，在其四周布有環(huán)向和豎向的加強筋，并用千斤頂和拉桿把轉(zhuǎn)輪室牢固地固定在二期混凝土中。千斤頂在安裝轉(zhuǎn)輪室時還起調(diào)整中心的作用。

另外，轉(zhuǎn)輪室一般設有進入孔，以便于進入轉(zhuǎn)輪室檢查葉片和修復葉片外緣。

尾水管

根據(jù)不同類型的機組和工作水頭，其尾水管的具體結(jié)構(gòu)有所不同。

對于軸流式和水頭小于200m的混流式水輪機，一般采用混凝土尾水管，但在直錐段內(nèi)襯有鋼板卷焊而成的里襯，以防水流沖刷。為增加里襯的剛度，在里襯的外壁需加焊足夠的環(huán)筋和豎筋。在混凝土中里襯要用拉桿或拉筋固定，以防機組運行時引起尾水管的振動。在里襯上還開有進人孔，以便于安裝和檢修時進入。

對于高水頭混流式機組，尾水管直錐段不用混凝土澆注而由鋼板焊接而成，一般不埋入混凝土中，而作成可拆卸式，用螺栓把合在基礎(chǔ)環(huán)上，以便于檢修轉(zhuǎn)輪時能從下面拆裝，而不必拆裝發(fā)電機。對于高水頭水輪機，其尾水管內(nèi)的水流流速較大，在混凝土肘管段內(nèi)也襯有金屬里襯以防沖刷。由于高水頭尾水管直錐段沒有混凝土固定，因此必須有足夠的剛度和強度，結(jié)構(gòu)上可根據(jù)機組的尺寸分為幾節(jié)．每節(jié)也可分瓣用螺栓把合。

另外，在尾水管底板的最低點，設有盤形閥、相應的操作機構(gòu)和排水管，以用于機組檢修時排除尾水管內(nèi)的積水。