水利工程論文-燈泡貫流式水電站廠房三維靜動力分析(一)摘要：國內(nèi)水利水電工程建設(shè)目前正處于前所未有的蓬勃發(fā)展時期，許多低水頭徑流式水電站建設(shè)逐步在我國的江河上興建，其中燈泡貫流式水電站由于流道平坦，機(jī)組過流量大、單位轉(zhuǎn)速高、效率高、尺寸小、重量輕、能量及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好等優(yōu).點成為目前比較普遍的一種開發(fā)型式。然而，由于燈泡貫流式水電站廠房獨特的布置型式，致使應(yīng)力分布有不同于常規(guī)水電站廠房的特點，特別是在高地震烈度區(qū)修建的燈泡貫流式水電站。因此，本項目的研究分析具有十分重要的現(xiàn)實意義。關(guān)鍵詞：燈泡貫流式水電站靜動力計算分析有限元1緒論1.1燈泡貫流式水電站的概述水能資源是既能再生、又不污染環(huán)境的優(yōu)質(zhì)能源。根據(jù)普查，我國水能資源居世界第一位，其理論蘊藏量為6.8億KW，可供開發(fā)的水力資源達(dá)3.78億KW。根據(jù)我國當(dāng)前的能源結(jié)構(gòu)，面對石油、煤炭能源供應(yīng)緊缺的現(xiàn)實，水能資源在我國能源的組成中占有越來越重要的地位。新中國成立以來，我國水電建設(shè)事業(yè)取得了飛躍發(fā)展，特別是改革開放以來，隨著廣蓄、天生橋(高壩)、小浪底、二灘、三峽等一批世界級水電站的建設(shè)，中國已逐步進(jìn)入世界水電建設(shè)前列。但是由于我國特殊的地理和氣候條件，水資源總量雖然豐富，但分布又不平衡，水力資源主要集中在西南、西北地區(qū)，而華東、中南等沿海地區(qū)，水力資源比較緊缺，僅占全國水力資源總量的10%，可開發(fā)的中、高水頭水力資源在目前已剩下不多，為滿足這一地區(qū)工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展的需要，開發(fā)利用低水頭水力資源勢在必行。這種低水頭水電站由于靠近負(fù)荷小心，年發(fā)電利用小時較高，而且大壩較低，土建工程量小，施工技術(shù)簡單，施工場地開闊，交通運輸方便，因而可以加速建設(shè)速度，工期較短，34年第一臺機(jī)組即可投產(chǎn)發(fā)電，同時，低水頭電站還具有淹沒損失小，水力資源利用充分等優(yōu)點。但是，與高水頭水電站相比，低水頭水電站的出力由于水頭較低，而主要靠增大引用流量作功。因而在同樣出力下，水輪機(jī)的尺寸和重量相應(yīng)增加，機(jī)組單價提高，電站建設(shè)造價增大。為此，必須尋求優(yōu)化途徑，而建設(shè)燈泡貫流式水電站正是一條捷徑1,2,3。燈泡貫流式水電站是指采用燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組、開發(fā)低水頭水力資源而建設(shè)的水電站。這種水電站的樞紐布置、廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計、動能經(jīng)濟(jì)計算、裝機(jī)規(guī)模與機(jī)型選擇計算等與常規(guī)電站相比，有不同的要求和特點3。它與中、高水頭水電站、低水頭軸流式水電站相比，在投資、電站布置和運行多方面具有比較明顯的優(yōu)越性1,2,4。（1）流道型式好、尺寸小由于燈泡貫流式機(jī)組取消了平面上180拐彎的蝸殼和立面上90的肘形尾水管，而采用直軸式引水室其進(jìn)口斷面為矩形，在接近燈泡體的范圍內(nèi)逐漸過渡為圓環(huán)斷面以及直錐尾水管由圓斷面漸變?yōu)榫匦螖嗝?。由于流道平直對稱，避免了水流拐彎后形成流速分布不均而致使水流流態(tài)變壞的影響，水力損失小。這種直錐擴(kuò)大型尾水管能量恢復(fù)系數(shù)高達(dá)0.9（而常規(guī)彎肘形尾水管能量恢復(fù)系數(shù)在0.75以內(nèi)）。同時，由于取消了蝸殼與彎肘形尾水管，使燈泡機(jī)組流道尺寸減小。在轉(zhuǎn)輪直徑D1相同時，機(jī)組段水力尺寸僅相當(dāng)于軸流式機(jī)組地2/3左右，因而土建工程量與建設(shè)投資減少較多。（2）廠房土建工程量小在同樣條件下，燈泡貫流式機(jī)組水電站廠房工程量比軸流式機(jī)組少，理論上主要有三方面原因：基礎(chǔ)開挖深度的減小。由于燈泡貫流式機(jī)組省掉了蝸殼及高大的軸彎式尾水管等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，使尾水管底板至尾水位之間的高度降低，即廠房基礎(chǔ)開挖深度減小，使廠房的土建工程量減少。廠房長度的減少。燈泡貫流式機(jī)組沒有呈旋轉(zhuǎn)狀的蝸殼，流道采用喇叭口形進(jìn)水口、錐形導(dǎo)流機(jī)構(gòu)以及直錐尾水管，整個流道為一條順暢的通道，使其機(jī)組的間距大大縮小，與軸流式機(jī)組相比可縮窄30左右，這樣整個廠房的長度也將大為縮短。機(jī)組的結(jié)構(gòu)緊湊，有利于工程的布置，特別是廠房布置在長度上受限時，將更為明顯。廠房高度的降低。在一般情況下，由于燈泡貫流式機(jī)組的發(fā)電機(jī)放在燈泡體內(nèi)，機(jī)組水平放置，流道呈直管形，沒有高大的軸彎式尾水管，這些決定了其廠房高度應(yīng)比軸流機(jī)組水電站廠房有較明顯的降低，廠房的混凝土和鋼材量顯著減少。（3）運行性能好、管理方便、適應(yīng)范圍大首先，燈泡貫流式水電站運行經(jīng)濟(jì)好。這種水電站機(jī)組的運行效率高，加權(quán)平均效率比軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組高4%左右，即年發(fā)電量可增加4%左右，這是燈泡貫流式水電站的最大優(yōu)勢。其次，燈泡貫流式電站與軸流式機(jī)組電站相比，電站的維護(hù)更為方便。例如，必須大規(guī)模拆卸發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)之后才能對軸流機(jī)組的轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉進(jìn)行大修，而燈泡貫流機(jī)組則不必。另外，對燈泡貫流式機(jī)組內(nèi)的風(fēng)扇、軸承、泵及其他部件均能通過水輪機(jī)或發(fā)電機(jī)豎井進(jìn)行更換。這些無疑為燈泡貫流式水電站的運行帶來了很大的方便。另外，燈泡貫流式水電站對水頭的適應(yīng)范圍大1,2，可在425m水頭段可靠而又高效地運行。國內(nèi)首次研制的白垢燈泡貫流式水電站曾在水頭僅1.3m工況下正常運行，可以充分利用汛期水能。另外，國外燈泡貫流式水電站已在30m水頭左右運行，更提高了其水頭運用范圍。（4）機(jī)組消耗材料量小。燈泡貫流式機(jī)組流道平順，過流量大，其單位過流量比軸流機(jī)組大20以上，即在同一轉(zhuǎn)輪和相同水頭下，出力可提高20以上。反之，在出力相同的條件下，貫流機(jī)組的轉(zhuǎn)輪直徑可小13，也就是轉(zhuǎn)輪直徑可小12級(以0.5m為一級)。同容量的機(jī)組相比，燈泡貫流式機(jī)組比軸流機(jī)組重量減輕2027，單位千瓦的耗金屬量少，例如黑龍江二道溝水電站貫流機(jī)組和軸流機(jī)組分別為23kgkw，29kgkW(僅包括水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)重量)，廣東省白垢水電站分別為65kgkW，81kgkW。在燈泡貫流式機(jī)組應(yīng)用較早的國家，如法國、奧地利等，同容量的機(jī)組，燈泡貫流式機(jī)組價格便宜1015。而我國由于生產(chǎn)燈泡貫流式機(jī)組較晚，限于技術(shù)等方面的原因，制造同容量的機(jī)組，雖重量可適當(dāng)減輕，但價格卻要貴些，隨著技術(shù)的改進(jìn)，這種局面會逐漸改變。1.2國內(nèi)外燈泡貫流式水電站的發(fā)展概況1,2,5171.2.1燈泡貫流式水電站的發(fā)展簡史燈泡貫流式水電站是隨著燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的研制發(fā)展而發(fā)展的。為了克服全貫流式機(jī)組密封技術(shù)困難的問題，1933年，瑞士愛舍維司斯公司提出了將發(fā)電機(jī)密閉于一個容器中且前置于水輪機(jī)前流道的全新設(shè)計方案，并于同年正式獲得專利。首臺燈泡貫流式機(jī)組于1936年安裝在波蘭的諾斯汀(Rostin)電站并成功投產(chǎn)。該水電站機(jī)組容量為195KW，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑為1.95m，發(fā)電水頭3.7m。因這種發(fā)電機(jī)外形類似于白熾燈泡的形狀而被稱為燈泡貫流式機(jī)組。由于燈泡貫流式水輪機(jī)在結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能等許多方面均優(yōu)于全貫流式機(jī)組，20世紀(jì)5060年代因西方能源危機(jī)轉(zhuǎn)而進(jìn)入重視開發(fā)低水頭電站的時期，這類機(jī)組便顯示了強(qiáng)大的生命力。1966年由法國奈爾皮克(Neyrpic)公司制造的機(jī)組，安裝在法國羅納河的皮埃爾.貝尼特電站上，單機(jī)出力為20MW，轉(zhuǎn)輪直徑為6.25m，水頭為8m，標(biāo)志著燈泡貫流式機(jī)組技術(shù)已成熟。到了70年代，低水頭水力資源的開發(fā)在一些國家形成高潮，大型燈泡貫流式機(jī)組也相繼問世，燈泡貫流式水電站建設(shè)也達(dá)到了成熟發(fā)展的新階段。80年代，燈泡貫流式水電站建設(shè)又有了新的發(fā)展。日本建設(shè)的只見水電站成為當(dāng)時世界上單機(jī)裝機(jī)容量最大的燈泡貫流式水電站，于1989年8月開始投入運行，電站設(shè)計水頭20.7m，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑6.7m，出力達(dá)65.8MW目前全世界建設(shè)的燈泡貫流式水電站已有幾千座，總裝機(jī)容量已超過6000MW。已運行的燈泡貫流式水電站中裝機(jī)容量最大的為美國石島電站，共8臺機(jī)組，總裝機(jī)為432MW，單機(jī)出力54MW，轉(zhuǎn)輪直徑7.4m，水頭12.1m。單