第一章 绪论
1.1 研究本课题的背景及意义
由蜗壳和固定导叶组成的水轮机引水部件的水力设计对水轮机的性能有举足轻重的作用。我国西部地区受自然条件的限制，河流含泥沙量较大，传统的蜗壳设计方法基本上都是按照蜗壳内任意一点的设计的。随着蜗壳鼻端半径减小含泥沙水流速度增大会造成鼻端的局部损失得加大和严重磨蚀，从而影响水轮机的正常运行，降低蜗壳的使用寿命，造成严重的经济损失[3]。如青海省鼓浪堤水电站曾经出现水轮机蜗壳被磨穿造成停机了的严重后果。我国西部水力资源丰富，中小水电站星罗棋布，水轮机蜗壳的磨蚀是威胁机组安全运行的一个隐患。多年来，水轮机蜗壳中的磨损一直是国内外的一个研究课题[4]。近年来比较切实可行的做法是将磨蚀严重的鼻端割掉，重新焊接鼻端。本课题正是从蜗壳的改造而不是整体更换蜗壳的设想出发，希望能在改造过程中改变蜗壳磨蚀较为严重的鼻端部分的型线，使鼻端的水流速度比原设计速度有所降低，从而达到减轻磨蚀，提高蜗壳寿命的目的。这就需要从蜗壳水力设计方面着手，改进蜗壳的型线与结构以减小磨损使之能长期运行在多泥沙水流的恶劣工况下，从一定程度上解决蜗壳在多泥沙水流中的磨蚀问题，提高蜗壳使用寿命，减少因设备原因造成的出力下降甚至停机。 我国农村小水电资源丰富，可开发量达７１８７０ＭＷ，分布在全国１５００多个县（市）。到２００１年底，已建成农村水电站４万余座，装机容量达２８７９０ＭＷ，占全国农村水电资源可开发量的４０％，其中运行３０年以上的小水电站的装机容量１５３０ＭＷ，运行２０年以上的小水电站装机容量７５７０ＭＷ，分别占已建成的小水电站总装机容量的５．３％和２６．３％。这些小水电站的特点是：装机容量小（大多在５００ｋＷ～３０００ｋＷ以下），台数多，技术落后，效率低，制造质量差，安全生产隐患多［5］。有的已经改造或停运，有的正在改造，更多的则急需进行技术改造。如果仅用改造而不是整体更换设备的方法可以达到提高机组寿命和水力效率的目的，则产生的效益是不可估量的。
1.2蜗壳设计方法的研究现状
针对多泥沙水流设计特殊结构的蜗壳的思路在我国早就有人提出，但是由于蜗壳内流场的复杂性和实验手段落后，数值模拟方法无法准确的仿真实际流场等原因，长期以来很难找到蜗壳的流场的准确分布规律，这就给改进蜗壳型线从而减少水力损失带来了困难。从现有的资料来看我国仅有很少几例改变设计方法的新型蜗壳且实际应用的尝试，这些新型蜗壳在改型方法上主要是按进行设计，制造。国内在80年代前设计蜗壳型线时未考虑到与压力水管的经济流速相对应和减少蜗壳内的水流损失，多着重探讨蜗壳进口断面系数的值，并拟定不同水头时的推荐曲线。对混流式水轮机（设计水头米，值在0.9-0.6之间）在按等速度矩设计蜗壳型线时，为了减少机组段的宽度，我国将蝶形边角定为55［6］。这一时期，国外认为转轮是水能转换机械，是影响水轮机效率，稳定性，产生空蚀磨损的关键部件，将精力主要放在研究新型转轮的流态计算与结构改进上，而蜗壳内的流速较小，且在少泥沙水流中运行未发现严重破坏，故未予足够重视。
80年代后期东方电机厂采用，两种方法进行了蜗壳型线与模型试验，前者流速系数为0.836，后者为0.898。实验表明，后者的比前者高1.5r/min ,两者经试验效率相同［7］。这种用设计蜗壳型线的意图在于减小进口断面积增大尾部断面积，使机组间距不至加大，故该厂推荐用于大型机组，并为二滩水电站采用设计前半段蜗壳，用设计后半段蜗壳的方案。
与东方电机厂类似，西北勘测设计院与清华大学在拉希瓦水电厂（装机容量620MW，米）设计蜗壳时采用减小蜗壳进口断面（即增大流速系数），在鼻端附近放大断面（用设计新型蜗壳型线）的方案，并探讨了蜗壳和固定导叶的匹配。经模型试验后推算，可减少蜗壳水头损失米，年增加发电量8000万千瓦［8］。此外清华大学、中国水科院通过室内实验及三维流动计算等方式进行了蜗壳内流态的分析，哈尔滨大电机研究所在改造现有HL001-WJ转轮时，用有限元计算探讨了固定导叶的线型与活动导叶的匹配问题，并推荐用鳄鱼型固定导叶。该方案在仅改变固定导叶头部形状情况下，可使翼型头部最大流速下降17.3%，最大局部泥沙磨损减小43.5%。与此同时，东方电机厂与刘家峡水电站采用特殊结构以消除进口水流经蝶形边后流至固定导叶的漩涡。
本文立足于机组的改造，不同于一般的蜗壳常规设计，国内研究基本上都立足于新型蜗壳的设计，一般都是提出针对多泥沙水流蜗壳的整体设计方案，很少探讨对现有机型的改造。国外在90年代以后对这类情况的研究经查阅资料未找到有价值和应用于真机的实例。
1.3 按常规设计的蜗壳运行中存在的问题［9］
随着包角的减小蜗壳伸入到座环内的部分相对增大，会出现蜗壳的圆弧不与蝶形边相切，越小此现象越为严重。当小于某一临界角度时，为了使蜗壳与蝶形边部相接，只有人为地修改这部分型线，使其变成椭圆形断面。由于传统蜗壳是按照速度矩等于常数设计，小于临界角度时，随着半径的减小会导致鼻端附近水流速度增大，由于磨蚀量正比于水流速度2.7-3.2次方，如果长期运行于多泥沙水流的工况，将会造成鼻端附近的严重磨蚀，甚至穿孔。所以应该尽量降低蜗壳鼻端的水流速度，切向速度减小则磨蚀量减小。为了适应多泥沙水流需要设计出鼻端不同于传统型线的新型蜗壳，在保证出口环量满足要求的基础上适当的加大截面积，减小水流速度，从而减小含泥沙水流对鼻端的磨蚀及其引起的水力损失。现在通用的蜗壳型线的设计方法具有以下缺陷应予改进（即使是利用的方法设计蜗壳型线也是如此）。
国外已有的室内实验和三维流动分析得出，从鼻端附近水流蜗壳的周向、径向、立面高度方面普遍存在较严重的不均匀分布，这与二次回流、水流内外摩擦阻有关，用上述计算方法无法考虑减小时蜗壳壁面的侧面收缩的不均匀性（随减小，两相邻蜗壳断面间的收缩越大）并引起沿整个蜗壳周向尤其是在蝶形边附近的另一个附加涡流，因此，蜗壳内的流态与假定条件经计算后的蜗壳流态相差较大［10］。
(2) 蜗壳鼻端与进口相邻部分的水流掺混引起的流态紊乱［11］，蜗壳水流紊乱的最严重处是鼻端与进口衔接部分。该部分是用最后一个固定导叶作为隔板将鼻端水流域进口水流相隔。由于鼻端处的值大，并因外摩擦阻影响水流流向不完全沿固定导叶向内侧流动，而从钢管进入蜗壳的水流矢量在此尚未形成理想的对数螺线，在具有不同的压力、流速矢量的两种水流相遇后，易引起漩涡和流态混乱，波及到进口断面内一定范围的流场。
(3) 蝶形边角值对蜗壳内流态的影响［12］
确定蝶形边角值大小的因素有二：
(a) 不使蜗壳宽度B过大，尽量不增加机组宽度。
(b) 蜗壳中水流从蝶形边附近流入固定导叶区时，受及影响使进入固定导叶区的水流派生出附加紊流。
从以上分析可以得出，若将值减小，及影响小，可改善进入固定导叶的水流的流态，但及B增大；且值较小时，又引起在包角较小范围内出现用求得蜗壳断面型线内的误差。
无论是三维还是二维计算蜗壳内流场变化，为简化计算，一般假设蜗壳进口流速为均匀分布，由于水流在蜗形段中流动时受离