水轮机的蜗壳
水轮机课程设计蜗壳设计
水轮机课程设计 蜗壳设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解水轮机蜗壳的基本结构及其在水力发电中的作用；2. 学生能够掌握蜗壳设计的基本原理，包括流速分布、水流角度和压力的计算；3. 学生能够了解并描述影响蜗壳效率的主要因素。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，进行蜗壳进出口直径、形状和长度的初步计算；2. 学生通过实际案例分析和模拟实验，培养解决蜗壳设计过程中遇到问题的能力；3. 学生能够运用CAD软件或其他绘图工具，绘制出符合技术要求的蜗壳结构图。
情感态度价值观目标：1. 学生通过课程学习，培养对水利工程学科的热爱和对水轮机蜗壳设计的兴趣；2. 学生在学习过程中，树立节能减排和可持续发展的观念，认识到蜗壳设计在环境保护和资源合理利用方面的重要性；3. 学生能够通过团队协作完成设计任务，培养沟通协调能力和集体荣誉感。
课程性质：本课程为应用实践性课程，结合理论知识和实际操作，提高学生的工程实践能力。
学生特点：学生为高中年级，具有一定的物理基础和数学计算能力，对工程设计和实践操作具有好奇心。
教学要求：注重理论与实践相结合，鼓励学生主动参与，培养其解决问题的能力和创新思维。
通过分解课程目标为具体学习成果，使学生在课程结束时能够达到预定的教学效果。
二、教学内容1. 引言：水轮机蜗壳的作用与结构简介，使学生了解蜗壳在水轮机中的重要性。
相关教材章节：第一章 水轮机概述2. 蜗壳设计原理：a. 流体力学基础，包括流速分布、水流角度和压力的计算；b. 蜗壳设计的基本参数及其相互关系；c. 影响蜗壳效率的因素。
相关教材章节：第二章 水轮机蜗壳设计原理3. 蜗壳设计计算：a. 蜗壳进出口直径、形状和长度的计算方法；b. 实际案例分析，以加深学生对蜗壳设计的理解；c. 模拟实验，锻炼学生解决实际问题的能力。
相关教材章节：第三章 蜗壳设计计算4. 蜗壳设计实践：a. 运用CAD软件或其他绘图工具进行蜗壳结构图的绘制；b. 团队协作完成蜗壳设计任务，培养学生的沟通协调能力；c. 针对设计方案进行评价和优化。
蜗壳的作用、型式、主要尺寸的选择与计算
➢混凝土蜗壳：梯形断面
➢m≥n：减低厂房高度， 缩短主轴长度
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
• 混凝土蜗壳进口断面形状选择：
（1）δ一般为20°~30°， 常取δ=30°；
（2）当n=0时，γ=10°~15°，
b/a=1.5~1.7，可达 2.0；
2、金属蜗壳的水力计算
通过任一断面i 的流量为： Qi Qmaxi / 360
（ i ：从蜗壳鼻端至断面i 的包角）
又 Vu C Vc 的假定
∴断面半径
i
Qi
Vc
Qmax i 360Vc
断面中心矩： ai ra i 断面外半径：Ri ra 2i
对进口断面，将 i 代入0 公式
Q0 , ，0 , a即0和得R0。值
面和断面单线图。
已知条件：Hr、Qmax、b0、 Da、Db，蜗壳类型，
0、Vc 。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
1、蜗壳中的水流运动 V Vr Vu
（1）径向分速度 V：r
Vr
Qmax
Dab0
constant
（水流必须均匀地、 轴对称地进入导水机构）
（3）当m＞n时，γ=10°~20°，
(b-n)/a=1.2~1.7，可达1.85；
（4）当m≤n时，γ=25°~35°，
(b-m)/a=1.2~1.7，可达1.85；
中间断面形状的确定： 直线过渡或抛物线过渡。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
3、蜗壳的包角 0：从蜗壳鼻端至蜗壳进口断面
可求出对应每一个Ri中间断面的尺寸 ai ,ni ,mi及
水轮机工作原理
水轮机工作原理一水轮机中水流运动1、蜗壳中的水流运动反击式水轮机蜗壳的主要作用是能将引水管渠引来的水，进一步以最小的水力损失、最经济的断面尺寸引至转轮前的导水机构内。
并且，为了提高作用于工作轮上的有效谁能及转轮的有效稳定性，则要求进入工作轮前的水流具有一定的水流旋转环量和呈轴对称流动。
蜗壳的水利设计就是以完成蜗壳的上述任务为前提。
而蜗壳中的水流运动规律又取决于蜗壳的内壁轮廓线。
故蜗壳内壁轮廓线的形状控制了蜗壳内的水流运动规律。
关于蜗壳的水流运动规律，有不同的简化表达方式。
一般认为，蜗壳中的水流运动，可看成符合等速度距（C =r v u ）变化规律，简称“等速度距律”。
即位于蜗壳内任一点水流速度的切向分量u v ，与该点距水轮机轴线的半径r 的乘积保持不变；也有人认为，蜗壳中的水流运动，按u v 从蜗壳进口至鼻端呈递增规律变化。
实践证明，水轮机用按“等速度距律”设计蜗壳其性能较好。
下面即介绍蜗壳中按“等速度距律”的水流运动规律。
“等速度距律”对蜗壳中的水流运动作如下假设：（1）忽略水流粘性及其与管壁的摩擦损失。
实际上它们的影响所占比例很小，很小影响水流运动规律。
（2）蜗壳内壁是光滑的，没有引起使水流产生涡旋的异物。
认为蜗壳中的水流运动是无旋运动。
这要求蜗壳内壁比较光滑，对蜗壳的制造和施工提出了严格要求。
（3）蜗壳中的水流运动是以水轮机轴为对称的运动。
则蜗壳内水流速度v 、压力p 、等运动要素有：0θp 0θv =∂∂=∂∂，。
由上假设表明，蜗壳内的水流运动为理想液体作轴对称有势流动。
将蜗壳中的水流简化成上述流体力学模型后，其运动有以下规律：（1）蜗壳中位于任一点的水流速度距r v u 为常数。
记为K r v u =式中 积分常数。
半径；研究点距水轮机轴线的）；的圆周分量（图某一点水流速度---K r 1-2v v u上述结论是不难证明的。
由流体力学知，。
蜗壳的型式及主要尺寸的确定
蜗壳的型式及主要尺寸的确定根据设计资料提供，水轮机型号为 HL160—LJ —410及水电站工作水头H=118.5m>40m ，故采用金属蜗壳。
金属蜗壳只承受内水压力，而机墩传下的荷载和水轮机层的荷载是由金属蜗壳外围的混凝土承受。
为使金属蜗壳与其外围混凝土分开，受力互不传递，我国通常是在金属蜗壳上半部表面铺设沥青、麻刀、锯末或软木沥青、塑料软垫3——5cm 厚的软垫层，靠近座环处不铺。
使外压不传到金属蜗壳，内水压力不传到蜗壳外的混凝土上。
蜗壳主要参数的选择① 设计资料提供，每台机组的最大引用流量，则蜗壳进口处的流量s m Q Q 300max 00088.117123360345360=⨯==ϕ②、蜗壳进口断面平均流速《水力机械》第二版P99图4—30(b)曲线得s m V c 9= ③、座环内、外径选择由水轮机的型号 HL160—LJ —410，查到cm D 4101=的座环尺寸， 当H=118.5m<170m 时，其座环内径mm D b 5450=, 115m<H=118.5m<170m,其座环外径mm D a 6450= 金属蜗壳的水力计算设i ϕ为从蜗壳鼻端起算至计算断面i 的包角，则该计算断面处的ma x360Q Q ii ϕ=cii V Q πϕρ0m a x 360=i a i r R ρ2+=蜗壳断面计算表0 0 0 0 3.23 15 5.13 0.57 0.43 4.08 30 10.25 1.14 0.60 4.43 45 15.38 1.71 0.74 4.70 60 20.50 2.28 0.85 4.93 75 25.63 2.85 0.95 5.13 90 30.75 3.42 1.04 5.31 105 35.88 3.99 1.13 5.48 120 41.00 4.56 1.20 5.63 135 46.13 5.13 1.28 5.78 150 51.25 5.69 1.35 5.92 165 56.38 6.26 1.41 6.05 180 61.50 6.83 1.48 6.18 195 66.63 7.40 1.54 6.30 210 71.75 7.97 1.59 6.41 225 76.88 8.54 1.65 6.52 240 82.00 9.11 1.70 6.63 255 87.13 9.68 1.76 6.74 270 92.25 10.25 1.81 6.84 285 97.38 10.82 1.86 6.94 300 102.50 11.39 1.90 7.03 315 107.63 11.96 1.95 7.13 330 112.75 12.53 2.00 7.22 345117.8813.102.047.31根据计算结果作蜗壳单线图。
第3章 水轮机结构(蜗壳及尾水管)课件
顶板 α=10°~13°，底板水平。
4.尾水管的高度与水平长度
尾水管的总高度和总长度是影响尾水管性能的重要 因素。
H=h1+h2+h3+h4 h1，h2由转轮结构确定; h4为肘管 高度，不易变动。 H取决于h3(直锥段长度)。h3大→开挖加大，工程 投资增大； L：机组中心到尾水管出口，L大→F出大→V出小 →ηw大→hf大→厂房尺寸加大，一般L=( 3.5～4.5) D1。 5.推荐尾水管尺寸：表4-15。
参数：座环外径、内
径、导叶高度、蜗壳
断面半径、蜗壳外缘
半径。
混凝土蜗壳：“T”形。 (1) m=n时：称为对称型式 (2) m>n：下伸式 (3) m<n：上伸式
(4) n=0：平顶蜗壳
中间断面：
蜗壳顶点、底角点的变化规律按直线或抛物线确 定。
蜗壳中间断面
金属蜗壳
混凝土蜗壳
2. 蜗壳包角
蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口断面之间的中心角φ0 (1) 金属蜗壳：φ0=340°~350°,常取345° (2) 混凝土蜗壳：φ0=180°~270°,一般取180°，一 大部分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转轮 不利）
断面半径：
max
Fc
Qmax 0 3600 VC
从轴心线到蜗壳外缘半径：
Rmax ra 2 max
(ii) 中间断面( i )
Qi
i
i
360
Q max 0
Qi Qmaxi Fi Vu 3600Vc
Q max i 360 0 VC
板衬砌防渗(H 最大达Leabharlann 80m)2. 金属蜗壳
20水轮机金属蜗壳安装焊接工艺导则【DL T5070-1997】
中华人民共和国电力行业标准水轮机金属蜗壳安装焊接工艺导则发布实施中华人民共和国电力行业标准水轮机金属蜗壳安装焊接工艺导则主编部门中国水利水电第七工程局中国水利水电工程总公司批准部门中华人民共和国电力工业部批准文号号前言本标准是根据电力工业部本标准是水电站水轮发电机组安装一系列工艺导则的一部分导则的内容和要求是在总结国内大型水电站水轮机金属蜗壳安装施工经验的基础上提出尤其是归纳了近期投产的口等新一批百万千瓦级水电站的施工设备的成熟工艺并加以总结提高而编写的对工程施工和质量保证具有一定的指导意义和它主要包括以下基本内容般技术要求蜗壳管节的组装与焊接与蜗壳焊接检验蜗壳关于蜗壳的水压试为了统一多年来施工中经常采用的技术名称和术语赋予其真实的物理概念和工程单列一章给出了语的定义同时规定了标准的适用本标准制订工作始于年代当水利水电建设局提中式水轮机分瓣转轮组装焊项标准交中国水利水电第七工程局中国水利水电第七工程局按计划时间提出了征求意分发各单位征求意该征求意见稿编写的依据是基于当时已建成的以口等为代表的几个大型电站的施工经验和实由于机构变任务的影响及主要编写人员的人事变使上述两项工艺导则的编制工作中站水轮发电机标准化技术靠在中国水利水电工程总公于行政业务和施工技术归口管理的为按照电力工业部标准化体系表的要求水轮发电机组安装系列工艺导则已基本制订和分发下上述两项工艺导则应该在补充峡等电站施工经验的基础上重新列计划制发投入使在中国电力企业联合会标准化部的领导下在电力工业部水农司的大力支持新制订工作由中国水利水电工程总公司和电力工业部水电站水轮发电机标准化技术委员会负责组织在制订过程中电力工业部水电站水轮发电机标准化技术委员会对标准的报批行了多次的技术审查和规范化整理及校对使得制订工作能按计划完本标准的附录提示的本标准由中国电力企业联合会标准化部提本标准由电力工业部水电站水轮发电机标准化技术委员会和水电站水轮机标准化技术委员会本标准起草单位本标准主要起草人李国本标准由电力工业部水电站水轮发电机标准化技术委员会负责目次前言范围引用标准术一般技术要求蜗壳管节的拼装与焊接蜗壳焊接蜗壳焊接检验蜗壳蜗壳水压试验附录示的蜗壳安装推荐控制测点及布置范围本导则规定了大中型竖轴式水轮机金属蜗壳现场组合安及本导则适用于以低合金结构钢为基本材料其抗拉强度等级小于或等于小型水轮机金属蜗壳的安装和焊接可参照本导则执本导则系根据有关范并结合实践中行之有效的施工经验和工艺方法而制执行中不排斥先进施工技术的推广和应引用标准下列标准的条文通过在本标准中引用而构成为本标准的条本标推出版本均为有所有标准都会被修订使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能钢制压力容器附录钢制压力容器渗透探伤钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级钢制压力容器磁粉探伤水轮发电机组安装技术规范钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级压力钢管制造安装及验收规范水工金属结构焊工考试规则劳人号关于颁压力容器焊工考试通知中华人民共和国劳动人事部术语定义蜗壳瓦片组成单节蜗壳的最小基本单元一般由一片或多片瓦片组成一个蜗壳蜗壳单节组成蜗壳的基本单一台水轮机金属蜗壳由多节蜗壳单节组纵缝与蜗壳环向水流方向一致的焊蜗壳瓦片间组合焊环缝与蜗壳环向水流方向垂直的焊蜗壳单节间的组合焊蝶形边焊缝端与座环相结合的环形焊接定位节首先安装的起确定位置作用的第一节蜗壳凑合节蜗壳安装中最后合拢的大舌板蜗壳进口部接带过渡板管节和座环固定导叶的舌形耳板蜗壳进口部称设置在座环面连接座环与带过渡板管节的导流环设置在无蝶形边结构的座环环与蜗壳连接的环形焊缝内水环状弧形一般技术要求蜗壳瓦片质量蜗壳瓦片用样板检查弧度其偏差应符合表弧度偏差超过规定时应进行修表蜗壳瓦片弧度允许偏差蜗壳瓦片应进行外观检有或锈蚀等缺陷应经有关部门研究处理使蜗壳瓦片坡口几何尺寸应进行检查坡口应磨出金属光泽坡口边缘不小于范围的等应清除干蜗壳瓦片坡口不能立即组装焊接的部位应在干燥状态下涂上虫胶漆片或坡口装虫胶漆片溶液或坡口漆的瓦片存放时应垫上方焊接材料检查厂家提供的焊剂牌号是否符合图纸其质量和焊接工艺性能应符合有关合格证或标号不清者禁止使施工单位首次使用的焊剂应做焊接工艺评并根据评定成果制订出焊接工艺规程方可焊剂必须按照说明书要求的温度和时间进行当温度降至转入保温箱内保焊剂烘焙和管理应有专人每箱焊剂的烘焙温度和时间应作出记经烘焙的焊条严禁使焊工每次携带的焊条应放于保温筒内随用随取严禁露天使用后剩余的焊条应存入干燥箱内再次烘焙才准使重复干燥后没有用完的焊能再用于重要焊缝焊工凡参加蜗壳焊接工作的焊工应按照中华人民共和国劳动人事压力容器焊工考试的规定考试凡参加新钢种蜗壳和新焊接材料经过一段时间的操作其焊接工艺并作焊接试板试其焊缝外观质量应符合表焊工必须携带和保温筒等焊接工具每条焊缝焊接完后焊工应进行自检并打上钢施工技术人员负责员应由从事金属结构施工参加过型电站蜗壳或钢管安装的人员担施工技术人员除负责安装工程有关技术工作外应及时对安装尺寸误焊工焊接部工现场条度出记焊缝分类蜗壳焊缝按重要性分为一类焊缝蜗壳蜗壳凑合节蜗壳与钢管连接的凑合节纵缝及环缝蝶形边焊二类焊缝蜗壳与座环固定导叶的连接焊三类焊缝不属于类焊缝的其它焊焊接工艺一般规定在新钢种蜗壳焊接前应按第节的规定进行焊接工艺评定并根据评定成果报告的要求制订蜗壳应采用多层多道度一般不超过道宽度应根据焊接方式和焊接材料确每层焊前必须将上一层焊渣彻底间接头应错开蜗壳不预热焊接的最低环境温度应符合表的规定但应加温除焊接环境温度低于表使壁厚小于规定不应预热的蜗壳焊件也应适当予以表蜗壳允许不预热焊接的最低环境温度厚钢板焊前可参照表的规定缝每侧预热宽度应不小于板厚的要求焊前预热的焊件在焊接过程层间温度不应低于预热温度且不高于表蜗壳厚钢板焊前预热温度焊接时环境条件如有下列情况之一无特殊可靠防护措不得进下雪或有滴下低气高湿以上的强没有特殊规定焊缝均应采用分段退步焊分段长度为焊缝装配间隙为配间隙若大于应先进行补焊完才允许整条焊缝进行封底严禁在钢板表面引弧点和收弧点均应熔化在焊缝内且不应有未填满的弧定位焊缝长度为发现有等缺陷均应清除重焊需预热焊接的焊位焊时也应要求与主缝焊接相高强钢蜗壳正式焊接时应将定位焊缝焊后应清根的高强钢焊缝焊后应清用碳弧气刨清根应用砂轮机磨掉渗封底焊后不清根的焊缝应用软质焊焊条或直径下焊条进采用单面焊双面成型工调节焊接线能量和预热温度应兼顾各方面的般线能量控制在蜗壳焊缝外观质量应符合表的规定表焊缝外观质量标准焊缝出现裂纹时应进行质量分出出措施方可处理同一部位焊缝缺陷返修次数一般不应超过两次特殊情况下超过两次以上的焊缝返修处理应经施工监理工程师做好记焊接对装拉板所用的焊条及工艺方法应与主缝焊接要求相去除各种拉板时不应使用锤击用碳弧气刨切氧一乙炔再用砂轮磨禁损伤母蜗壳表面防腐蜗壳安装全部结束对焊缝部位及安装中表面受损部位进行机械清按设计规定补刷底漆注蜗壳管节的拼装与焊接单节蜗壳拼装与焊接单节蜗壳拼装应在钢平台上进行瓦片拼成单节形坡口纵缝处用弧度样板检查其偏差应符合表形坡口纵缝应预留反变形值一般可参照表表蜗壳变形推荐值蜗壳纵缝接头要求内壁完整齐其错牙值不得大于装间隙蜗壳拼装的允许偏差应符合表表蜗壳拼装允许偏差图蜗壳单节图蜗壳拼装后管口平面度应符合五月表蜗壳拼装后管口平面度坡口纵缝应先在使角度变形值向继续增加的一侧打底图焊接两遍后进行清根后纵缝两面应对称焊接每焊接一遍后用样板检查弧度变角变形程度调整其焊接顺形坡口纵缝焊接两遍后进行清根据角变形程度调整焊接顺焊缝表面及内部质量检查合格后进行圆度和开口尺寸的调应符合表后根据管节大小在单节内焊上各型支在高强钢蜗壳上焊接支撑材料应与主缝焊接相在蜗壳单节内外侧用油漆标明节中心箭头指示为先焊接图图坡口始焊侧示意图凸凹状态点还应打上对装找正用的标蜗壳对装与焊接为加快安装进度减少现场安装和焊接工作量可根据现场安装具体条件预先将两个单节蜗壳对装焊接在一一大蜗壳对装宜在钢平台上进行环缝对装应先从上下蝶形边开始向腰线压相邻管节的周长差应均匀分布在整个周长上蜗壳内壁错牙值不应大于板厚的应特别注意单节内不同厚度瓦片对周长值的环缝对装间隙为蜗壳环缝对装后用样板检查蝶形边的弧偏差不应大于检查时注意样板与蝶形边的角度变化同时校核对装后蜗壳蝶形边的弦长和开口处尺寸以及对装后蜗壳开口处对角线环缝焊接应根据焊缝长度确定焊接人般每位焊工施焊长度不宜超过从腰线开始向蜗壳与座环连接的开口处对焊如图环缝开口处宜先留出焊或只根以减少蜗壳与座环蝶形边对装时的刚蜗壳与座环蝶形边对装后再补焊满补焊前应彻底清理干净并检查有无裂纹以免留下示前进方示退焊方向图组装环缝焊接方向示意图拼装和对装后的纵和环缝经无损探伤检验合格后焊接吊耳焊接应由合格焊工施采用与蜗壳焊接相同注焊条注焊蜗壳安装蜗壳安装应具备的条件座环安装完期混凝土浇筑后回填灌浆养护合格座环基础螺栓已板已点焊固座环水平重新复顶盖或特制的座环内支蜗壳安装的控制点线已按座环安装后的实际中心和高程测附录座环内应搭好平盖应采用防护措施防止碰伤加工部施工具已备应正焊接环境条件应满足和蜗壳安装顺序蜗壳如有两个凑合分个工作面进图第工作面应从与十方向轴线重合的第一定位节开向顺时针方向安装至第一凑合第工作面从第一定位节进口向上游安装至与钢管连接的凑合工作面从座环特殊导叶由小舌板向逆时针方向安装至第二凑合面两个凑合节之间的安装顺序和方向可根据第两个工作面的进度而为防止环缝焊接应力过环缝条数不应超过正在焊接的环缝两部单节安装允许增加一安装凑合槽流环及其附凑合凑合口渐变段图蜗壳安装顺序图蜗壳安装方法及要求定位节安装在定位节进口断面座环上下蝶形边上各点焊一块挡板与控制点用钢线连成控制图蜗壳定位节吊装就位座环和蜗壳上蝶形边的对装间隙和错时要求过水面齐平局部错牙最大值应少于蜗壳板厚的且不大于隙为加以固一般先对装上蝶形根据蜗壳开口情况和高程起落定位节用与上蝶形边相同的对装方法和要求固定下蝶形调整定位节几何尺寸和安装误调整时按下列数据控制定位节进口断面中心偏差在高程偏差十管口与控制线倾斜应小于远点半径偏差小于好为负因为一般当加固后取去吊具蜗壳高程稍降低最远点半径稍增定位节出口断面只测量挡图定位节安装示意图高程和最远点半定位节必须加固后再松去吊装工后应有足够的刚最后复测安装尺寸符合表做好记录进行验表蜗壳安装允许偏差其它管节安装用与定位节相同的方法和要求固定好蝶形用吊式起重机和拉紧器等初调环缝对装间隙在间隙过大压缝时拉不拢或间隙过小压缝时顶不对装环缝应先由蝶形边开始向腰线进行压对装间隙应为牙应均匀地分布在整条环缝最大错牙值不应大于板厚的调整管口的高程和最远点半径直到符合表的规安装永久千斤顶和拉紧复测高程和员远点半做好记带过渡板管节的安装在带过渡板管节出口断面和定位节进口断面管口腰线各点焊一块定位挡中心点焊两对托板将带过渡板管节吊装就调整间隙按测量的周长和计算修正值预留错腰线开始向蜗壳开口处压此时应特别注意制造厂组装标调整高程和中心至符合表的规定安装永久螺旋千斤顶和拉紧小块过先进行试认板块位置无误时再根据实际情况修出坡缝安装也可安装固定后再修正坡尾节安装由座环特殊固定导叶向上游安装尾节导中心线和环固定导叶对注意制造厂组装时的标安装时导板座环蝶形边过渡区的角缝应边修正边拉拢同时要照顾进口断面的最远点半径和座环上蜗壳分度点对当蜗壳进口管节安装焊接后即可安装尾盖板和筋图座环盖盖板图尾部上下盖板和筋板图一般情况盖板尺寸偏配时一般修正靠蜗壳进口一侧不允许修割靠座环蝶形边一盖板安装后割出混凝土浇筑凑合节安装蜗壳凑合节应在其它环缝焊接完再下料时将瓦片覆盖缝器和相邻管节压紧凑合节板块应尽量向出口断面放环向长度较切割时应细致操作以满足装配间隙不致过出口两侧同时按实际尺寸用碳弧气刨修正坡从蝶形边向腰线方向切割压缝切割一段即压一段缝不宜整块板切完再压缝以防止切割时变形引起间隙过最后一条纵缝切割时应特别注纵缝对口间隙过蜗壳与钢管联接的凑合节下料方法与蜗壳凑合节下料方法相在焊接蜗壳侧环缝时与钢管联接一侧的拉板应断以便在焊接时能自由收引起座环在安装蜗壳与钢管联接段时应充分考虑平滑过加强板安装座环与蜗壳上蝶形边的加强板应按实际情况做样板下加强板运至现场后再按实际部位试装修座环蜗壳蝶形边贴加强板应在蝶形边焊接检查合格后再装配点附件安装蜗壳进入孔应按图纸放考虑廊道的实际位置必须保证入孔盖板座焊接和盖板门开关的方开孔装环缝检查合格后安装蜗壳排水槽钢用棉布临时封堵排水性层时必须取出封堵堵塞排水系装配时应力求与水流方向坡度一蜗壳焊接蜗壳环缝焊接蜗壳环缝焊接顺定位节开始按顺时针方向进行尾部自导板向逆时针方向进根据周长不同确定同时施焊人与组装环缝焊接相同焊接方法采用多图图蜗壳环缝焊接示意图环缝开形坡口时一般先焊仰焊一蜗壳环缝焊接过程最好连续进行中断焊接前最小焊接厚度不得小于板厚的三分之采用预热焊接中断焊接应采取保温措高强钢焊接应连续焊完并按设计要求作后热消氢处耳板焊接与座环固定导叶的连接焊缝焊接难度较质由经验丰富和焊接质量一贯优良的焊工施焊前应仔细加固点焊的拉清理坡口的氧化铁等切割为防止焊接面焊缝焊接两遍后进行清根焊接背采用焊接工艺措施控制焊接变形为焊接顺序见图耳板立焊中间横焊与固定导叶的立焊缝带过渡板的渐变段与带过渡板渐变段的横焊缝带过渡板渐变段下游带过渡板渐变段上游环缝图焊接顺序图凑合节焊接蜗壳凑合节的纵缝和第一条环缝焊接方法与蜗壳其它纵缝和环缝焊接要求相凑合节第二条环缝为封闭力较焊时宜采用叠图缝焊接应连续完第二条环缝从第二层焊接开始到盖面前最后一层焊接止应配合锤击锤头应磨成圆形其圆弧半径不应小于击的非过水后在内侧清焊接内蝶形边焊接应连续进行直至焊对高强钢焊缝应作后热消氢处蝶形边焊接前后均应测量座环水平焊接过程中宜应加强对座环水平的监加强板焊接加强板与座环筋板先焊座环一焊与蜗壳相接的一侧见图蜗壳蝶形边焊板加强图加强板焊接顺序图加强板与座环筋板搭应先焊接蜗壳一侧后焊接与座环筋板搭接一侧的角焊加强板与蝶形边焊缝十字相交处应在蝶形边焊缝两侧各断开不免焊缝交图导流环焊接导流环焊接在蝶形边焊缝焊接检查合格后进与座环下环板的联接应平滑过渡与座环蝶形边的焊缝按角焊缝的规范要求施焊焊后一般进行外观检查或磁粉探伤检蜗壳焊接检验蜗壳焊缝应作无损探伤检焊缝内部质量可选用射重要焊缝按设计要求可增加磁粉探伤或着色查长度环缝为纵缝和蝶形边为缝质量按应达到级纵缝和蝶形边焊缝应达到级射线透照质量为发现不合格不能确定缺陷深度时应用超声波探伤进行深度定位以免增加焊缝返修范围和次采用超声波探伤时检查长度和蝶形边均为缝应达到级纵缝和蝶形边焊缝应达到级检验等级为对超声波探伤有怀疑的部位应酌情进行复磁粉探伤和着色探伤分别按和钢制压力容器渗透探伤执蜗壳焊缝的无损探伤具有一定基础知识和相应方法探伤经验的级或级以上持证资格人员担蜗壳焊缝的探伤应在焊后或热处理结束后进对怀疑有延迟裂纹的部位应在后再进行复焊缝中缺陷返修后应按原探伤条件进行复探复探时应向返修段两端各延长至少扩大蜗壳探伤工作结束记录整理成册并按规范要求的内容及时编写出探伤报蜗壳加固与变形监测蜗壳安装焊接结束后应进行全面检测和加固加固前应编制加固方案然后保证加固具有足够的强度和刚在蜗壳混凝土浇筑对蜗壳和座环进行蜗壳水压试验如设计有特殊要求应按设计要求进行蜗壳水压试当仅仅以检验钢板材料性能或质量为主要目的而要求水压试验多台机组相同结构和同种材质采用的钢板性能温韧性好施工时能严格按评定的统一焊接工艺施及蝶形边焊缝按损焊后热处理的焊缝进行了热处理则可仅做其中一台的水压试验或不做水压试附录蜗壳安装推荐控制测点及布置表蜗壳安装推荐控制测点表连线应与钢管轴线校核蜗壳安装控制测点布置图。
第3章 水轮机结构(蜗壳及尾水管)(参考研究)
Ri ra 2i
由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为：
(i) 确定φ0 和VC ； (ii) 求Fc、ρmax、Rmax； (iii) 由φi确定Fi、ρi、Ri。
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(2) 混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)
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(1) 按进口流速求进口断面积；
(2) 根据水电站具体情况选择断面型式，并确定断面尺 寸，使其 F Fc
第四节 水轮机蜗壳的形式及尺寸确定
一、蜗壳的功用及型式 (一) 功用
蜗壳是水轮机的进水部件，把水流以较小的水头 损失，均匀对称地引向导水机构，进入转轮。设 置在尾水管末端。 (二) 型式 混凝土蜗壳和钢蜗壳。
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1. 混凝土蜗壳
适用于低水头大流量 的水轮机。 H≦40m, 钢筋混凝土 浇筑，“T”形断面。 当H>40m时，可用钢 板衬砌防渗(H 最大达 80m)
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2. 肘管： 90°变断面的弯管，进口为圆形断面，出口为 矩形断面。F进/F出=1.3
❖ 曲率半径R小——离心力大——压力、流速分布 不均匀—hw大。R=(0.6~1.0)D4
❖ 为减小转弯处的脱 流及涡流损失，肘 管出口收缩断面 (口扩散段： ❖ 矩形扩散管，出口宽度B5， ❖B5很大时，加隔墩d5=(0.1~0.15) B5 ❖顶板 α=10°~13°，底板水平。
(3) 选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线)，以 虚线表示并画出1、2、3…….等中间断面。
(4) 测算出各断面的面积，绘出：F = f(R)关系曲线。
(5) 按
Fi
Qi Vu
Qm axi
360 0Vc
绘出F = f(Φ)直线。
(6) 根据φi确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。
水轮机金属蜗壳安装焊接工艺导则条文说明
条文说明中华人民共和国电力行业标准DL／T 5070－1997水轮机金属蜗壳安装焊接工艺导则条文说明主编部门：中国水利水电第七工程局中国水利水电工程总公司批准部门：中华人民共和国电力工业部中国电力出版社1997 北京目次1 范围2 引用标准3 术语、定义4 一般技术要求5 蜗壳管节的拼装与焊接6 蜗壳安装7 蜗壳焊接8 蜗壳焊接检验9 蜗壳加固与变形监测10 蜗壳水压试验条文说明1 范围1. 0. 1～1. 0. 3 明确指出了本导则仅用于以抗拉强度等于或小于600MPa级钢材为基本材料的大中型混流式水轮机金属蜗壳现场组合安装焊接及检验工作。
1．0．4 明确了本导则编制的依据是现行的有关规程、规范和蜗壳安装实践中行之有效的施工经验和工艺方法。
2 引用标准本章中列出了本导则引用的国家标准、行业标准。
3 术语、定义本章对导则中出现的常用术语作出了明确的定义。
4 一般技术要求4．1 蜗壳瓦片质量4．1．1 蜗壳瓦片是组成蜗壳的最基本单元。
蜗壳瓦片质量的优劣是整台蜗壳安装质量的关键。
本条规定必须用一定弦长的样板检查蜗壳瓦片的弧度，并给出了允许的间隙值（详见正文表4.1.l）。
4．1. 2～4．1．3 条文规定了蜗壳安装前在现场对蜗壳瓦片的外观质量及焊接坡口进行检查，只有在检查合格后方可使用。
4．1．4 对不能立即组装焊接的蜗壳瓦片坡口涂刷虫胶漆片或坡口漆是保护焊接坡口清洁，防止生锈的行之有效的措施，在龚咀电站、岩滩电站都曾使用过、效果良好。
4．2 焊接材料4．2．1～4．2．2 焊接材料与钢材是否配套，焊接材料性能是否稳定，是直接影响焊缝质量的重要因素，施工单位在使用前应进行核实检查，并通过焊接工艺评定给以确认，无合格证、质保书、性能不稳定、评定不合格的焊接材料严禁使用。
4．2. 3、4．2．5 焊条、焊剂使用前的烘焙处理是焊接质量保证中的重要一环，应设专人管理。
未按说明书要求烘焙的焊材不得使用。
焊条经两次烘焙没有用完，不能再用于重要焊缝焊接。
百万机组水轮机埋件蜗壳瓦块下料和压制研究
百万机组水轮机埋件蜗壳瓦块下料和压制研究摘要：近年来，随着水电站发展，单机组容量越来越大，蜗壳新材料780MPa 高强钢随之投入使用，蜗壳材料板厚亦加大。
其坡口型式较多且复杂，坡口质量要求较高，拟采用改造的半自动切割机进行坡口切割。
对半径较小的蜗壳瓦块采用大型卷板机难以进行压制及卷制成型，蜗壳瓦块成型质量直接影响到蜗壳后期装配质量。
为解决蜗壳难以卷制成型的问题，需采用有效的压制工装进行压制成型，满足蜗壳瓦块成型质量。
由此780MPa级别钢材的超厚板下料和压制成型技术将为今后国产780MPa级别超厚钢材大批量应用奠定基础，更好地为我国后续高水头机组的流道设计制造提供系统可借鉴的参考资料。
关键字：蜗壳瓦块；超厚板；780MPa；下料；压制；1 引言作为世界首台单机容量百万机组的白鹤滩水电站，其水轮机埋件蜗壳额定水头202m，蜗壳材料为SX780CF，单台蜗壳共34节管节，仅单节蜗壳瓦块上的纵缝和环缝存在22种坡口型式，且每小段内坡口为渐变型式，在坡口制备上存在较大难度。
蜗壳最小卷板半径为1500mm，最大宽度为2500mm，最大板厚97mm，瓦块长宽尺寸大部分未超过2m。
根据公司现有的最大卷板设备140卷板机特性计算（在卷板半径3米和卷板宽度2米情况下，SX780CF材料最大卷板厚度为83mm），且140卷板机两下辊中心调整范围为1100-1560mm（其两辊中心距离已超过部分瓦块的外形尺寸），对此部分蜗壳瓦块无法采用140卷板机进行卷制成型。
为满足瓦块下料和压制成型质量要求，拟采用改造的半自动切割机和高强钢压制成型模具进行制造施工。
其下料和压制成型成功案例具有较大的推广价值。
2 概况作为世界首台单机容量百万机组的白鹤滩水电站，其水轮机埋件蜗壳额定水头202m，蜗壳材料为SX780CF，蜗壳材料为SX780CF，材料要求低碳(≤0.09%)、低碳当量(≤0.52)、低焊接裂纹敏感型指数(≤0.25%),但同时又具备780MPa级的高强度和良好的低温冲击韧性。
浅谈百万机组水轮机埋件蜗壳780MPa材料焊接技术
浅谈百万机组水轮机埋件蜗壳780MPa材料焊接技术摘要：前期国内水电站水轮机埋件蜗壳基本采用的610MPA级别钢材制造，在水电站中采用国产780MPA级别97MM超厚钢材尚属首次，780MPA级别钢板为目前国内外最高级别水电用钢，此种板厚及高级别钢材实物应用于蜗壳在国内外也极为罕见，由此780MPA级别钢材的超厚板焊接技术将为国产780MPA级别超厚钢材今后大批量应用奠定基础，更好地为我国后续高水头机组的流道设计提供系统可借鉴的参考资料。
关键词：百万机组；蜗壳；超厚板；780MPa；焊接一、引言作为世界首台单机容量百万机组的白鹤滩水电站，其水轮机埋件蜗壳额定水头202m，瓦块最大卷板半径和最小卷板半径分为4300mm和1500mm，最大宽度为2500mm，最大板厚97mm，共34节管节，蜗壳为管节整节交货，单节最大运输尺寸为φ8744-2200mm。
蜗壳材料为SX780CF，材料要求低碳(≤0.09%)、低碳当量(≤0.52)、低焊接裂纹敏感型指数(≤0.25%)，但同时又必须具备780MPa级的高强度和良好的低温冲击韧性，其高强度SX780CF材料在水电行业为首次应用，其焊接要求极高，并无前期经验可借鉴。
作为国家政治工程，其质量要求为精品工程，其焊接成功案例具有较大的推广价值。
二、焊接工艺（1）蜗壳母材为采用宝钢生产的SX780CF，焊材选用伯乐焊条TPhoenix11018。
钢板材料在使用前需取样送第三方检验，入厂需进行无损检测。
（2）焊工资格及焊接工艺评定：按ASME《锅炉和压力容器规程》的有关规定，和合同有关文件规定，采用宝钢钢板分别与伯乐、大西洋和西野高强钢焊材做了焊接工艺评定，经对各参数比较，采用宝钢与伯乐焊材焊接性能均优于其他两家焊材，其焊接线能量最高达到35KJ/cm。
焊前对焊工组织技术要求交底及现场实际操作培训，并经过理论考试和实际操作考试取证上岗，且中途更换焊工均需经过培训及考试上岗。
混流式水轮机组蜗壳渗水原因分析与检修处理
34第44卷 第3期2021年3月Vol.44 No.3Mar.2021水 电 站 机 电 技 术Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station0 引言某水电站机组于20世纪80年代末期投产发电，为一洞双机式电站，引水隧洞全长1 592 m，装有两台混流式水轮发电机组，水轮机型号为HL200-LJ-380，设计水头70 m，最大水头93.3 m，最小水头62 m，正常尾水位30.29 ｍ，单机容量为75 MW，运行至今接近30年。
近年某一天发现1号机组在备用中水轮机层机墩外围分段关闭装置附近出现轻微渗水，之后渗水范围沿顺时针方向扩散到水车室门右侧，并沿机墩外圆逐渐扩大渗水范围，约占整个机墩圆周的80%。
通过观察，机组运行中此种现象发生不明显，甚至消失，机组停机备用后现象反复。
由于机组存在很多混凝土预埋管路，无法直观检查渗漏点，给原因查找带来很大困难。
1 原因检查及分析判断机组机墩墙体渗水产生的原因比较复杂，查找起来也相对比较困难，特别是运行年代久远的老旧机组，其预埋管路因长期受潮、水腐蚀等原因形成砂眼，在其它外部因素的作用下受损而造成渗漏，渗漏水通过混凝土震动裂纹形成的空隙扩散反应，或从蜗壳焊接处裂缝通过已破坏的弹性层密封结构渗漏流出扩散。
本文结合该电站缺陷实际的发生情况，综合机组运行、厂房渗漏情况等各种因素分析，认为该电站出现渗水的主要原因有以下几个方面：一是机组压力钢管段技术供水取水系统中间段有漏点造成渗水，从混凝土缝隙中反渗反应；二是机组长期运行造成混凝土基础松动，裂纹破坏弹性层原止漏结构，雨季降雨渗水反应或机组尾水位高于水轮机层由尾水反充水造成；三是蜗壳分瓣焊缝、蜗壳与座环连接焊缝、技术供水蜗壳取水管焊缝等部位有裂纹，蜗壳内的水从混凝土缝隙中反渗反应导致积水产生；四是蜗壳测压管管路中间破裂渗水从混凝土缝隙中反渗反应。
滩坑水电站水轮机蜗壳安装与焊接质量控制-2019年文档资料
滩坑水电站水轮机蜗壳安装与焊接质量控制-2019年文档资料一、简介水轮机蜗壳是水轮机的重要组成部分，它起着定向导流、增加水轮机进口总面积、提高水轮机进口平均速度和水轮机出口进量的作用。
同时，水轮机蜗壳还是水轮机叶轮的外形支撑部分。
在滩坑水电站水轮机蜗壳的安装过程中，焊接质量的控制是关键，对于保证水轮机蜗壳的性能和寿命具有重要作用。
本文将探讨滩坑水电站水轮机蜗壳安装与焊接质量控制的相关知识。
二、水轮机蜗壳安装1. 工艺流程蜗壳安装的工艺流程如下：1.装配前准备工作：清理、标号、检查。
2.装配定位：根据设计图纸、顶底板、轴套，确定水轮机蜗壳的位置并进行定位。
3.轴与蜗壳配合：按设计要求调整轴线尺寸，并与轴套及密封垫配合。
4.拉紧：将蜗壳上下法兰和轴套紧固螺栓分别按一定顺序分次拧紧，并测量蜗壳相对轴线的位置误差。
5.牵引试压：进行牵引试压，检查密封性和装配质量，并测量泄漏率。
6.毒化：蜗壳内腔喷涂底漆、中漆、面漆。
2. 注意事项1.定位准确：在安装前，应认真检查蜗壳的相关尺寸与轴线位置是否符合要求，确保蜗壳安装位置准确。
2.拉紧顺序正确：在蜗壳上下法兰和轴套的紧固螺栓拧紧时，应按照一定的顺序分次拧紧，避免产生扭曲变形。
3.牵引试压保证质量：在进行牵引试压时，应保证压力均匀，防止蜗壳变形和破裂，并进行泄漏率的检测。
三、焊接质量控制1. 焊接材料蜗壳一般采用碳素钢或低合金钢材料，焊接材料为符合要求的焊接电极和焊丝。
2. 焊接工艺1.焊接前处理：对于有油污和难以清除的表面，应先进行清洗，部位的油脂、焊接渣等物质应清除干净。
2.焊缝准备：焊缝准备应符合设计要求，划好焊接线，并检查焊枪头是否干净。
3.焊接前预热：大型的蜗壳需要预热。
4.焊接质量检验：焊接质量检验应符合国家标准要求，检查焊缝质量是否符合设计规定，在质量检验中要使用倍增器进行检查和评定。
5.焊接参数控制：主要是控制电流、电压、速度和焊接时间等参数，选择合适的参数可以保证焊缝的质量。
蜗壳焊接工艺
水轮机金属蜗壳安装焊接工艺导则前言本标准是根据电力工业部1995 年电力行业标准计划项目(第二批)(技综［1995］44 号文) 的安排制定的，在编写格式和规划上以GB/T1.1《标准化工作导则》为基础，并符合DL/T600 《电力标准编写的基本规定》。
本标准是水电站水轮发电机组安装一系列工艺导则的一部分，对水轮机金属蜗壳在现场的组装、安装、焊接和焊接检验的工艺方法、操作程序、技术要求作出了规定。
导则的内容和要求是在总结国内大型水电站水轮机金属蜗壳安装施工经验的基础上提出的。
尤其是归纳了近期投产的龙羊峡、岩滩、漫湾、五强溪、隔河岩、安康、水口等新一批百万千瓦级水电站的施工设备的成熟工艺，并加以总结提高而编写的，对工程施工和质量保证具有一定的指导意义和实用价值。
它主要包括以下基本内容：(1)蜗壳安装、焊接的一般技术要求；(2)蜗壳管节的组装与焊接；(3)蜗壳安(挂)装与焊接；(4)蜗壳焊接检验；(5)蜗壳加固与变形监测；(6)关于蜗壳的水压试验。
为了统一多年来施工中经常采用的技术名称和术语，赋予其真实的物理概念和工程含义，本标准单列一章给出了有关名称、术语的定义，同时规定了标准的适用范围。
本标准制订工作始于80 年代中。
当时，原水利水电建设局提出了一系列水轮发电机组安装工艺导则的编制计划，其中将《水轮机金属蜗壳安装焊接工艺导则》、《混流式水轮机分瓣转轮组装焊接工艺导则》两项标准交中国水利水电第七工程局负责起草。
中国水利水电第七工程局按计划时间提出了征求意见稿，曾分发各单位征求意见。
该征求意见稿编写的依据是基于当时已建成的以龚咀、刘家峡、丹江口等为代表的几个大型电站的施工经验和实践。
由于机构变动、工程任务的影响及主要编写人员的人事变动，使上述两项工艺导则的编制工作中断。
1995 年，电力工业部水电站水轮发电机标准化技术委员会(挂靠在中国水利水电工程总公司)出于行政业务和施工技术归口管理的原因，认为按照电力工业部标准化体系表的要求，水轮发电机组安装系列工艺导则已基本制订和分发齐全，仅剩下上述两项工艺导则应该在补充龙羊峡、白山、安康、岩滩、漫湾、李家峡等电站施工经验的基础上重新列计划制订，使之早日颁发投入使用。
水电站教程课件 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管及空化空蚀
表 2-1
混凝土蜗壳断面尺寸
混凝土蜗壳 形式
断面尺寸 参数
特点
对称式 （m=n）
b/a =1.20～1.85； γ=0°～35°
水力性能好， 常采用
下伸式
上伸式
（m>n）
（m<n）
(b-m)/a=1.20～1.85；
(b-n)/a=1.20～1.85； b/a≤2.00 ～2.20(需缩短
机组间距时取大值)；
42
下部分时预先装好蜗形的模板，模板拆除后即成蜗壳。为加强
蜗壳的强度需在混凝土中配钢筋，又称钢筋混凝土蜗壳。混凝
土蜗壳与座环或固定导叶的联接要有足够的拉筋。
(二) 蜗壳的断面形状及包角
1.金属蜗壳
金属蜗壳断面采用圆形断面形状，便于铸造和焊接，水力
性能好，强度高。断面面积和半径随着由进口到尾部流量的减
小而减小，约在最后 90°的尾部，由于圆断面面积小到不能和 座环蝶形边连接，因此这部分断面形状由圆过渡到椭圆。
图 2-3 混凝土蜗壳
蜗壳的末端（称为鼻端），通常和座环的某个固定导叶连接在一起。从鼻端到蜗壳进口断面之
间的中心角 φ0，称为蜗壳的包角（逆时针），如图 2-4 所示，图中 Da、Db 分别为座环固定导叶外 径和内径。
三、蜗壳的水力计算
蜗壳水力计算的目的，是确定蜗壳各断面的几何形状和尺寸，并绘制蜗壳平面和断面单线图。 这是水电站厂房布置设计中的一项重要工作。
44
蜗壳设计是在已知水轮机额定水头 Hr 及其相 应的最大引用流量 Q、导叶高度 b0、座环固定导 叶外径 Da 和内径 Db，以及选定蜗壳进口断面形
状、包角 φ0 和平均流速 v0 的情况下进行的。根据
（3）铸焊蜗壳：与铸造蜗壳一样，适用于
蜗壳计算讲解
第五章蜗壳45蜗壳形式与其主要尺寸的选择现代的中型及大型水轮机都是用蜗壳引导进水的。
各种水力实验中所进行的试验指出，设计合理的蜗壳，它的引水能力及效率与小型水轮机所采用的明槽式装置及罐式机壳相比较并无明显的降低。
蜗壳的优点是可以大大缩短机组之间的距离，这在选择电站厂房的大小时，有着很大的意义。
从蜗壳的研究当中，可以确定各种不同水头下蜗壳内的最佳水流速度，最合理的蜗壳形式，经及制造它的材料。
大部分的转桨式及螺桨式水轮机都采用梯形截面的混凝土蜗壳。
目前设计混凝土蜗壳的最高水头是30～35公尺。
然而，有很多大型水电站，在水头低于35公尺时还应用金属蜗壳。
轴向辐流式水轮机通常采用金属蜗壳，按照水头及功率的不同，金属蜗壳可由铸铁或铸钢浇铸（图62），焊接（图63）或铆接而成。
图64所示是根据水轮机的水头及功率，对于各种不同型式蜗壳通常所建议采用的范围。
蜗壳的大小决定了它的进水截面，而进水截面是与所采取的进水速度有关的。
最通用的进水速度与水头之间的关系，对于12～15公尺以下的水头来说如下式所示：v k Hc(84)v式中v c—蜗壳中的进水速度；H—有效水头；k v—速度系数，约为 1.0。
中水头或高水头则常应用下列关系：v c k3H(85)v0如果把列宁格勒斯大林金属工厂和其它制造厂所出品的中水头及高水头水轮机的现有蜗壳进水速度画在圆上，那么对于水头超过12～15公尺时，我们可得符合下式的曲线：v c 1.5H3然而，有许多由列宁格勒斯大林金属工厂及外国厂家制造的良好的蜗壳，进水速度大大超过了所示的数值。
图65所示为根据有效水头选择蜗壳进水速度用的诺模图，此图是根据上述的公式而做成的。
46蜗壳的水力计算当工质—水，流经水轮机的运动机构—转轮时，由于运动量的变化而产生流体能量的转变。
这可用水轮机的基本方程式来表示：ghv u v u u ruη1 21 2由蜗壳所产生的环流（旋转）及速度v u1只与当时一瞬间的流量Q和蜗壳尺寸有关。
水轮机蜗壳的结构设计问题探究
摘要 ： 国近年 来引进 的机 组 其蜗 壳焊接后 多数要 在 工地进行 蜗 壳的水压 试验 ， 我 水压试 验尽 管可 以消 除部分 残余应 力 ， 量值有 限 ， 压蜗 壳 但 又 ｌ 的设 计应 力不大 、 计技 术 比较 成熟 、 和制造 工艺稳定 ， 设 焊接 而且有有 效的检 测手段 和经验 ， 以我 国水 电站 的蜗 壳可 不要求做 工地 水压 试验 。 所
余先源 Ｙ ａ ｙａ ｕＸｉｎ ｕ ｎ
（ 贵州黔 水建 设工 程有 限公 司 ， 阳 ５ ０ ０ ） 贵 ５ ０ ５ Ｇ ｉ ｏ ｉ ｓｕ Ｃ ｎｔ ｃ ｏ ｎ ｉ ｅ ｎ ｏ， ｕｙｎ ５ ０ ５ Ｃ ｉａ ｕ ｈ ｕＱ ａ ｈ ｉ ｏ ｓ ｕｔ ｎＥ ｇ ｅ ｒ ｇＣ ． ｉ ｇ５ ０ ０ ， ｈｎ ） ｚ ｎ ｒ ｉ ｎ ｉ Ｇ ａ
Ｖａｕ ｎ ｉ ｅ ｒ ｇ ｌ ｅ Ｅ ｇｎ ｅ ｉ ｎ
・１９ ・ ８
水 轮 机蜗 壳 的 结构 设 计 问题 探 究
Ｅｘ ｌ ｒ ｔｏ ｆｔ ｅ Ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｄ ｏ ｕ ｂ ｎ ｐ ｒ ｌＣａ ｉ ｇ ｐ ｏ ａ ｉ ｎ ｏ ｈ ｔ ｕ ｔ ｒ ｓｇ ｆＨｙ ｒ ｔ ｒ ｉ ｅ Ｓ ｉ ａ ｓｎ
中 图分 类 号 ：Ｈ１ Ｔ ２
文献标识码 ： Ａ
文 章 编 号 ：０ ６ ４ １ （０ ０）６ ０ ８ — １ １ ０ — ３ ２ １ ３ — １９ ０ １
４１随着机组使 用水头和容量 的不断提高， ． 大型中、 高水头混流 １ 文章要探究的几个 问题 １１钢 蜗 壳 的 外 层 。 钢 蜗 壳 的外 层 包 有 钢 筋 混 凝 土 ， 者 之 间 式水轮机的蜗 壳钢板越来越厚。 ． 两 或填 以弹性垫层 ， 或预留间隙， 形成不同材料组合的联合承载结构 ， ４２由于蜗壳的残余应 力很高 ，现场又不可能有效地进行去应 ． 力处理。 这种接近屈服 强度 的残余应力 ， 再加上工作应力， 以使壳 可 如 何 才 能 保证 载 荷 分 配 比的 实 现 ， 且 可 靠 。 而 １２钢 蜗 壳 的支 撑 方式 。 钢 蜗 壳 是 大 型 薄璧 构 件 ， 经 历 挂 装 、 体 某 些 小 “ 纹 ” 在 区域 实际 上 处 于 全 面 屈服 。 － 要 裂 所 ４３蜗 壳 在 服役 期 内 会经 历 多 次 充 水 和 放 空过 程 ，从 受 力 角度 ． 焊 接 、 水压 试 验 ）（ （ 、 充压 ） 混凝 土 浇 筑 充 水 、 空 等 不 同工 作 状 态 ， 放 这 应 对 蜗 壳采 用什 么样 的支 撑 方 式 。 看 ， 有 多次 应 力 循 环 。 就 １３压 力 容 器 补 强 问题 。在 水 轮 机 运 行 时 ， 壳 是 一 个 形 如 蜗 ． 蜗 ４４模 型 试 验和 电站 运行 业 已证 实 ， 壳 内亦 存 在 压 力脉 动 ， ． 蜗 其 牛 、 侧开 口的 引 水 管道 ； 内 当水 轮 机 停 机 而 压 力 水 不 放 空 时 ， 壳又 量 值 一 般 不超 过运 行 水 头 的 ５ ７ 蜗 ％一 ％。 是一个开 口压 力容器。 蜗壳上的进人 门、 排水阀、 测量表计 等孔 口是 ４５由于蜗壳会有很 大的残余应力存在 ， ． 对大型蜗壳的选材 、 坡 口型式、 凑合节位置的选定 、 焊接材料和工 艺、 前预 热和焊后 的后 焊 否应按压 力容器规范补强。 １４防 水措 施 。 不 管 是 设 弹 性 垫层 、 是 充压 浇筑 混 凝 土 ， 运 热处理都 应特 别重视。 ． 还 在 行 中钢蜗 壳和 混凝土之间的间隙中都 不允许充有水 ， 采用什么措施 ５ 凑合节的位置 来保证。 凑合节 的焊缝最后焊 接 ， 此时焊接结构 刚度 大 ， 焊接残余应 力 １５焊 接 残 余 应 力 。 随 着 机 组 水 头 和 容 量 的 不 断 增 大 ， 壳 钢 也高。 ． 蜗 因此 ， 设计上应注意凑合节位置的选择。 国的设计 习惯 为减 我 总 同厚 度 蜗 壳 节 的 壳 板 的厚度 已经达到 ７ ｍｍ以上， ０ 如何考虑和解决焊接残余应力及其 少 钢 板 规 格 ， 是 数 节蜗 壳 采 用 同一 规 格 厚 度 ， 影响。 半 径 越 小 ， 工 作 应 力越 低 。 其 １６蜗壳有没有 必要做水压试验 。 ． ６ 水 压 试 验 ２ 设弹性垫层和充压浇筑混凝土 ６１蜗壳是一个开 口的特殊压力容器 ，其工作条件较一般 意义 ． ２１充压 浇筑法。充压后蜗壳 自由变形 ， ． 此时浇筑混凝土 ， 当水 的压力容器要好。 压撤去后蜗 壳与混凝土间能够 形成设计预期 的间隙。 就保证 了给定 ６２蜗壳设计上取水锤升压作为工作压 力，对高强度钢板 许用 ． ／ 实际蜗 壳又 与外 围混凝土联 合受力， ３ 工 的载荷分配比例。充水压力以下的内水压 力全部由钢蜗 壳承 担 ， 充 应力取材料屈服 强度 的 １ 。 水压力以上部 分的压力则 由钢蜗壳和外包混凝土联合承担 。 作 应 力 将 更低 。 ６３尽 管 蜗 壳焊 缝有 很 大 的残 余 应 力 ，但只 要设 计 上 对 蜗 壳 进 ． ２２垫层法。① 而蜗壳上半 圆敷 设弹性垫层时 ， ＿ 情况就要 不利 些垫层材料必须具 有弹性模 量低 、 吸水性差 、 老化 、 抗 抗腐 蚀 、 徐 行临界裂纹尺 寸和低周疲劳校核 ， 蜗壳 的安全性完全可以保证。 变小且稳定 、 造价低廉 、 施工方便等性 能。②水 电站 的寿命很 长， 如 ６４ 水压 试 验 尽 管 可 以消 除 部 分 残 余应 力 ， 量值 有 限。 ． 但 ６５蜗壳设计技术很成熟 ， ． 选材谨慎 ， 制造工 艺稳定。 国 内丰满水 电站 已有 ６ Ｏ多年历史 ，世界上还能找到年过百岁仍在 ６６我国有专业化 的水 电施工队伍 ，有安装和焊接蜗壳的丰富 ． 服役的水 电站 。③弹性垫层 一般都敷设在设计规定的范围内。
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管及气蚀
如果K点的压力降 低至汽化压力，则 将发生翼型气蚀
K点的最低压力pk 是研究翼型气蚀的 控制参数
对K点的压力进行 研究
通过研究叶片上的压力分布情况，得 到叶片上压力最低点（一般为叶片背面 靠近转轮叶片出口处)K点的压力为：
pk
蜗壳单线图，为厂房设计提供依据。
已知：
H r ,Qm ax, b0 , Da , Db ,0 ,Vc
1.水流在蜗壳中的运动规律
水流进入蜗壳后，形成一种旋转运动(环流)，之 后进入导叶，水流速度分解为径向分速Vr、圆周分 速Vu。
进入座环时，按照均匀轴 对称入流的要求，Vr=常数。
Vr
Qm a x
pa
Hs
(Wk2 W22 2g
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管及气蚀
§2.1 蜗壳的型式及主要参数选择
一、蜗壳设计的要求
蜗壳是反击式水轮机的重要引水部件，对水轮机的效率及 运行安全稳定性有很大影响，通常对蜗壳设计提出如下要求：
（1）过水表面应光滑、平顺，水力损失小； （2）保证水流均匀、轴对称地进入导水机构； （3）水流进入导水机构前应具有一定的环量； （4）具有合理的断面形状和尺寸； （5）具有必要的强度及合格的材料。
转轮获得能量：
EA
E1
E2A
H1
(H2
2V22 )
2g
2.
设尾水管时： E1 (H1
pa )
E2B
H2
p2
2V22
2g
根据2-2至5-5断面能量方程：
水轮机的基本结构及其主要部件的作用
水轮机的基本结构及其主要部件的作用水轮机总体由引水、导水、工作和排水四大部分组成。
1、水轮机的引水部件：主要指蜗壳及座环等，水流由蜗壳引进，经过座环后才进入导水机构。
蜗壳的作用是使进入导叶以前的水流形成一定的旋转，并轴对称地、均匀地将水流引入导水机构；座环的作用是：承受整个机组及其上部混凝土的重量以及水轮机的轴向水推力；以最小的水力损失将水流引入导水机构；机组安装时以它为基准。
所以，座环既是承重件，又是过流件，也是基准件。
因此，要求座环必须有足够的强度、刚度和良好的水力性能。
2、水轮机的导水机构：导水机构主要由操纵机构（推拉杆、接力器及其锁锭装置）、导叶传动机构（包括控制环、拐臂、连杆和连接板等）、执行机构（导叶及其轴套等）和支撑机构（顶盖、底环等）四大部分组成。
其作用使进入转轮前的水流形成旋转，并可改变水流的入射角度，当发电机负荷发生变化时，用它来调节流量，正常与事故停机时，用它来截断水流。
导水机构的操纵机构导水机构的操纵机构的作用是：在压力油的作用下，克服导叶的水力矩及传动机构的摩擦力矩，形成对导叶在各种开度下的操作力矩。
导水机构的操纵机构分为直缸式和环形接力器两大类。
调速环或接力器锁锭装置锁锭装置的作用是：当导叶全关闭后，锁锭投入，可阻止接力器活塞向开侧移动；一旦关侧油压消失，又可防止导叶被水冲开。
导水机构的传动机构导水机构的传动机构的作用：是将操纵机构的操作力矩传递给导叶轴并使之发生转动。
其型式主要有叉头式和耳柄式两种。
太站为耳柄式，长站为叉头式。
正常运行时应着重检查控制环、拐臂、连杆和连接板之间的连接销有无串出或脱落。
剪断销及引线是否完好。
导水机构的执行机构导水机构的执行机构包括导叶和轴套，为了操作导叶使其转动，既减少摩擦阻力又不摆动，在水轮机导叶上均装有三个滑动轴承。
下轴套装在底环上，上、中轴套装在导叶套筒内，套筒固定在顶盖上。
为了减少沿轴颈的漏水量和减轻泥沙对轴颈的磨损，导叶轴颈均装有密封，当密封损坏时可能造成顶盖水位升高。
水轮机工作原理
水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率
1、水力损失和水力效率 当水流通过水轮机时，为克服各过流部件的水力阻力而引起的水头损
失称为水力损失。
水力损失包括：从蜗壳进口断面开始，经蜗壳、座环、导水机构、转 轮、尾水管直到出口断面所有过流部件的沿程摩擦损失和局部撞击、漩涡 、脱流等引起的局部阻力损失，以及尾水管的出口损失（速度水头）。 沿程摩擦损失与流速及过流部件的表面粗糙度有关。而局部损失除与 流速分布有关外，更主要取决于各过流部件流线形状及运行工况。 在水轮机各种损失中，以水力损失最大。
三、转轮中的水流运动 水流通过水轮机转轮流道时，一方面沿着弯曲的转轮叶片做相对运 动，另一方面又随转轮旋转。因此，转轮中的水流形成一种复杂运动。 为简化问题，一般假定转轮叶片数和导叶数为无限多，且水流在水轮 机中的运动可做如下假设： ⑴稳定流：认为在水头、流量和转速一定的情况下(即固定工况下)， 水流在引水室、导水机构、尾水管中的流动以及在转轮中相对于叶片的 流动是稳定的，即不随时间而改变运动状况。 ⑵轴对称流：认为水流对称于水轮机轴线流向导叶和转轮，即导叶周
转轮的力矩关系。水轮机的基本方程式就是在理论上建立这个关系。 根据动量矩定理，单位时间内水流质量对定轴的动量矩变化等于作用 在该质量上的全部外力对定轴的力矩和，即
Ma
d mV u r dt
式中
Ma——外力矩。
水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率
考虑水流通过转轮时动量矩的变化： 在时刻 t ，水流质量充满转轮流道 ABCD ，经过时间 dt 后，这部分质量
水轮机中的水流运动
水轮机各过流部件水流运动的特点 一、蜗壳中的水流运动
蜗壳是水流进入水轮机的第一个部件。通过它将水引向导水机构并进
高清图文+水轮机蜗壳的型式及主要参数选择
Vr=常数。
Vr
Q max
D ab0
圆周流速Vu的变化规律，有两种基本假 定：
(1) 速度矩Vur= C 假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流，忽 略粘 性及摩擦力，Vu会随r的增加而减 小。
(2) 圆周流速Vu=C：即假定Vu=VC=C
2. 蜗壳的水力计算按(Vu=VC=C)
水轮机蜗壳的型式及主要参数选择
一、蜗壳的功用及型式
(一) 功用 蜗壳是水轮机的进水部件，把水流以较小的水
头损失，均匀对称地引向导水机构，进入转轮。 设置在尾水管末端。
(二) 型式
1. 混凝土蜗壳 适用于低水头大流量的 水轮机。 H≦40m, 钢筋混凝土 浇筑，“T”形断面。 当H>40m时，可用钢 板衬砌防渗(H 达80m)
Qmax
Fi
Qi Vu
Qmaxi
3600Vc
i
Qmaxi 3600VC
Ri ra 2i
由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为：
(a) 确定φ0 和VC ； (b) 求Fc、ρmax、Rmax； (c) 由φi确定Fi、ρi、Ri。
混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)
(1) 按求进口断面积；
混凝土蜗壳：“T”形。
(1) m=n时：称为对称型 式
(2) m>n：下伸式 (3) m<n ：上伸式 (4) n=0：平顶蜗壳 中间断面：
蜗壳顶点、底角点的变 化规律按直线或抛物线 确定。
2.蜗壳包角
蜗壳末端(鼻端)到蜗壳0°,常取345°
(2) 混凝土蜗壳： φ0=180°~270°,一般取 180°，一大部分水流直接 进入导叶，为非对称入流， 对转轮不利）
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Hd
2V22 5V52
2g
h25
3. 尾水管的作用
(1) 汇集转轮出口水流，排往下游。 (2) 当Hs>0时，利用静力真空。 (3) 利用动力真空Hd。
尾水管的动能恢复系数
尾水管的静力真空Hs取决于水轮机的安装高程，与尾水管的性能无关；
衡量尾水管性能好坏的标志是恢复动能的程度（与尾水管尺寸有
由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为：
(a) 确定φ0 和VC ； (b) 求Fc、ρmax、Rmax； (c) 由φi确定Fi、ρi、Ri。
混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)
(1) 按求进口断面积；
(2) 根据水电站具体情况选择断面型式，并确定断面尺寸， 使其 F Fc
(3) 选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线)，以虚线表 示并画出1、2、3…….等中间断面。
Vr=常数。
Vr
Qmax
Da b0
圆周流速Vu的变化规律，有两种基本假定： (1) 速度矩Vur= C 假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流，忽 略粘 性及摩擦力，Vu会随r的增加而减小。 (2) 圆周流速Vu=C：即假定Vu=VC=C
2. 蜗壳的水力计算按(Vu=VC=C)
金属蜗壳水力计算
(1）蜗壳进口断面：
混凝土蜗壳：“T”形。
(1) m=n时：称为对称型 式
(2) m>n：下伸式 (3) m<n ：上伸式 (4) n=0：平顶蜗壳 中间断面：
蜗壳顶点、底角点的变 化规律按直线或抛物线 确定。
2.蜗壳包角
蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口 断面之间的中心角φ0
(1) 金属蜗壳：φ0=340°~350°, 常取345°
(4) 测算出各断面的面积，绘出：F = f(R)关系曲线。
(5) 按
Fi
Qi Vu
Q绘m出axFi = f(Φ)直线。
360 0Vc
(6) 根据φi确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。
第二节 尾水管的作用、型式及其主要尺寸确定 一、尾水管的作用
转轮所获得能量等于转轮进出口之间的能量差：
h25
可得：
p2
pa
H2
(2V22 5V52
2g
h25 )
设尾水管后，转轮所获得能量：
EB
E1
E2B
H1
(2V22
2g
h25)
水轮机多获得的能量：
E
EB
EA
H2
(2V22 5V52
2g
h25)
设置尾水管以后，在转轮出口形成了压力降低，出现了 真空现象，真空由两部分组成：
静力真空：H2(落差)，也称为吸出高度Hs；
θ=8°~ 10°。 h3——直锥段高度，其长度增加将会导致开挖
量增加。一般在直锥段加钢板衬。
2. 肘管：
90°变断面的弯管，进口为圆形断面，出口为矩形断面。F 进/F出=1.3 曲率半径R小——离心力大——压力、流速分布不均匀— hw大。R=(0.6~1.0)D4 为减小转弯处的脱流及涡流损失，肘管出口收缩断面(hc)： 高/宽=0.25 3、出口扩散段： 矩形扩散管，出口宽度B5， B5很大时，加隔墩d5=(0.1~0.15) B5 顶板 α=10°~13°，底板水平。
Fc
Qc Vc
Qmax0
360 0Vc
断面半径：
max
Fc
Qmax 0 3600VC
从轴心线到蜗壳外缘半径： Rmax ra 2max
(2) 中间断面( ) i
Qi
i
3600
Qmax
i
Qm ax i 3600VC
Fi
Qi Vu
Qm ax i
360 0Vc
Ri ra 2i
三、蜗壳的水力计算
水力计算的目的: 确定蜗壳各中间断面的尺寸，绘出蜗壳单 线图，为厂房设计提供依据。
已知：
H r ,Qm ax, b0 , Da , Db ,0 ,Vc
1. 水流在蜗壳中的运动规律
水流进入蜗壳后，形成一种旋转运动(环流)，之 后进入导叶,水流速度分解为Vr、Vu。
进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求，
(2) 混凝土蜗壳：φ0=180°~270°, 一般取180°，一大部分水流 直接进入导叶，为非对称入 流，对转轮不利）
3、蜗壳进口平均流速：
进口断面流量
Qc
Qmax 360
0
Qmax——水轮机的最大引用流量。
Vc↑→Fc↓→hw↑；Vc↓→Fc↑→hw↓；
V c c Hr
一般由Hr~VC曲线确定VC
弯肘型尾水管
减小厂房开挖深度，水力性能好，大中型号水轮机均采用 弯肘型尾水管。 组成：直锥段、肘管、出口扩散段。
1. 进口直锥段： 进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管，D3为
直锥管进口直径，θ为锥管单边扩散角。 混流式：直锥管与基础环相接，(转轮出口直径)，
θ=7°~ 9° 轴流式：与转轮室里衬相连接，D3=0.937D1，
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管及汽蚀
第一节 蜗壳的型式及主要参数选择
一、蜗壳的功用及型式
(一) 功用 蜗壳是水轮机的进水部件，把水流以较小的水头 损失，均匀对称地引向导水机构，进入转轮。设 置在尾水管末端。
(二) 型式
1. 混凝土蜗壳 适用于低水头大流量的 水轮机。 H≦40m, 钢筋混凝土 浇筑，“T”形断面。 当H>40m时，可用钢 板衬砌防渗(H 达80m)
2. 金属蜗壳
当H>40m时采用金属蜗壳。 其断面为圆形，适用于中 高水头的水轮机。
钢板焊接：H=40~200m， 钢板拼装焊接。
铸钢蜗壳：H>200m时，钢 板太厚，不易焊接，与座 环一起铸造而成的铸钢蜗
壳，其运输困难。
二、蜗壳的主要参数
1.断面型式与断面参数 金属蜗壳：圆形结构 参数：座环外径、内 径、导叶高度、蜗壳 断面半径、蜗壳外缘 半径
E
E1
E2
(H1
pa )
E2
1.无尾水管时： E1 (H1
pa )
E2 A
H2
pa
2V22
2g
转轮获得能量：
EA
E1
E2 A
H1
(H2
2V22
2g
)
2 . 设尾水管时：
E1 ( H1
pa )
E2B
H2
p2
2V22
2g
根据2-2至5-5断面能量方程：
p2
H2
2V22
2gΒιβλιοθήκη pa5V522g
关），一般用动能恢复系数ηw表示
w
(
2
v
2 2
5v52
2g
h
25
)
/
2
2
v
2 2
g
Hd
/
2 v22
2g
ηw >0.8 时，效果较好；≦0.3～0.4时，效果较差。
w 1 w
二、尾水管型式及其主要尺寸
尾水管的作用是排水、回收能量。其型式、尺寸 影响、厂房基础开挖、下部块体混凝土尺寸。
尾水管尺寸越大，η越高，工程量及投资增大。 型式： 直锥形——用于小型水轮机 弯锥形——用于卧轴水轮机 弯肘形——（大中型电站）