水力機械蝸殼的研究

摘要：在水力機械中，蝸殼是非常重要的組成部分之一，其本身屬于一種過流部件，它的水力損失大小對水力機械的性能起著至關重要的影響。近年來，隨著水力機械的普遍應用，促進了專家學者對水力機械蝸殼的研究，這使得蝸殼的整體性能有了大幅度提高。基于此點，文章首先對水力機械蝸殼進行簡要介紹，并在此基礎上對水力機械蝸殼的相關問題展開研究。

關鍵詞：蝸殼；離心泵；水輪機

中圖分類號：TH311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）18-0038-02

1 水力機械蝸殼簡介

所謂的蝸殼具體是指蝸殼式引水室，由于該設備的外形與蝸牛殼極為相似，故此常被簡稱為蝸殼。蝸殼是反擊式水輪機當中應用非常普遍的一種引水室，它的主要作用是向導水機構均勻供水，為了確保這一作用的實現，蝸殼的斷面都是逐漸減小。較為常見的蝸殼有金屬蝸殼和混凝土蝸殼兩種，本文重點對金屬蝸殼進行研究。金屬蝸殼常被應用于高水頭的水輪機當中，按照制造方法的不同，金屬蝸殼又分為焊接、鑄焊和鑄造三種類型，其結構類型與水輪機的水頭和尺寸有著非常密切的關系。通常情況下，鑄焊型和鑄造型金屬蝸殼多用于直徑小于3m的高水頭混流式水輪機，由于蝸殼本身的受力情況較為復雜，所以必須根據內水壓力進行相應的強度計算，在這一過程中需要假定蝸殼內部的水壓力全部由其自身承受，由此確定出蝸殼鋼板的實際厚度，保證蝸殼能夠正常工作。

對于焊接蝸殼而言，其節數不宜過少，不然有可能影響到蝸殼本身的水力性能，但是這樣一來會給制造和安裝增添一定的難度，從而導致焊接蝸殼的經濟性較差，這也是制約其應用的主要原因之一；鑄造蝸殼最為顯著的特點是剛度較大，正因如此使其能夠承受一定的外壓力，所以常被用作水輪機的支撐點并在其上布置導水機構和傳動裝置；鑄焊蝸殼的外殼一般都是采用鋼板壓制而成，固定導葉和座環則是先鑄造再將它們焊接成整體。

2 水力機械蝸殼的相關問題研究

在水力機械中，蝸殼是非常重要的組成部分之一，正因如此，使得國內外的專家學者對蝸殼進行了大量的研究工作，研究的側重點一般都是在提高蝸殼的水力效率上。

2.1 外特性試驗方面的相關問題

利用外特性試驗能夠獲得過流部件的幾何參數對水力機械性能的影響規律。以離心泵為例，蝸殼的幾何參數具體包括斷面形狀、隔舌與葉輪外緣的間隙、喉部面積等等。較為常用的蝸殼截面形狀大體上有以下四種：矩形、梯形、圓形和梨形。在梯形與梨形斷面的蝸殼中，液流主要是從葉輪的出口進入到壓水室當中，在這一過程中，液流處于逐步擴大狀態，其水力性能相對較為良好，與梨形斷面蝸殼相比，梯形斷面的蝸殼在結構上更加簡單，故此它的應用也比較廣泛。因矩形斷面蝸殼具有梯形斷面蝸殼的所有優點，可適用于各種比轉數的泵，其工藝性在這些斷面形狀中是最好的一種，而圓形斷面蝸殼最為顯著的優點是受力情況好，適用于大型的高壓泵，但水力損失相對較大。有關專家通過試驗，對梨形和矩形斷面的蝸殼進行比較分析，結果顯示，對于低比轉數的中小型泵而言，應用矩形斷面形狀的蝸殼或是梨形蝸殼對泵的水力性能影響不大，所以，具體采用哪一種斷面形狀的蝸殼可以按照泵的實際結構以及生產制造工藝而定。此外，還有部分專家通過試驗論證了蝸殼喉部面積對泵性能的影響，結論如下：當蝸殼喉部面積增大且流量相應增大時，水力損失較小，能夠使泵的最高效率點無限偏向于大流量，當蝸殼喉部面積減小且流量也相應減小時，水力損失也會有所減小，此時則能夠使泵的最高效率無限偏向于小流量，由此可見，通過改變蝸殼的喉部面積，能夠使泵的最高效率點位置發生改變，換言之，改變蝸殼喉部面積可以使泵的性能發生改變，這種做法顯然要比改變葉輪的結構參數更加簡單易行。

2.2 數值模擬工具

在對水力機械進行研究時，數值模擬是一種非常實用的工具。近年來，隨著計算機技術的發展和進步，使流動計算模型和數值求解技術獲得了進一步完善，數值計算也隨之受到業內專家學者的關注和重視，因其能夠模擬出流場的真實情況，所以可對水力機械的性能設計進行指導。常用的流場計算一般都是基于NS方程，并通過建立相應的模型來封閉NS方程，隨后采用數值的方法進行離散求解，進而獲得流場。通常情況下，對于離心泵蝸殼的計算都是建立在標準的雙方程紊流模型這一基礎之上。現如今，更多的專家學者開始傾向于將葉輪與蝸殼的流場進行聯合計算，從而獲得更為符合實際情況的結果，在這一過程中，需要考慮的因素是怎樣處理好葉輪與蝸殼之間的相互影響。有的專家對螺旋型葉輪的泵進行了數值仿真計算，并聯合計算了蝸殼、葉輪以及頂端間隙的三維流場，在計算過程中采用的是CFX商用軟件，通過試驗比較和計算結果進一步驗證了其準確性。對于計算中蝸殼與葉輪的相互影響方面，采用了一個商用程序，即瞬時滑移界面，它實質上屬于一種約束條件，在具體計算過程中能夠確保在每個時間步長中將蝸殼與葉輪這兩者的計算數據相互傳遞，并且還能保證動量與流量守恒。

2.3 蝸殼水力設計

對于水力機械而言，蝸殼設計的優劣直接關系到水力機械的整體性能。傳統的蝸殼設計主要有以下兩種方法：一種是等速度矩法，另一種是等周向平均速度法。這兩種方法各具優缺點，采用等速度矩法設計出來的蝸殼具有出流均勻、成軸對稱分布等優點，其缺點是蝸殼尾部的過流面積相對較小，致使液流的摩擦損失較大，并且還非常容易形成二次流動；等周向平均速度法與等速度矩法恰恰相反，用該方法設計出來的蝸殼尾部斷面較寬，水力的損失相對較少，但出流角沿周向分布不夠均勻，導水機構環量沿周向分布也不均勻，從而使得固定導葉的翼型不同。由此可見，若是采用傳統的方法進行蝸殼設計，則很難進一步提高水力機械的整體性能，為此，對蝸殼優化設計方法的研究成為水力機械設計人員的非常感興趣的課題。通常情況下，一個比較完整的優化水力設計程序包括以下內容：初步設計、流場分析、性能預測以及優化設計。在這些內容中，優化設計是最為關鍵的環節之一，通過對大量相關的文獻進行研究發現，有很大一部分優化設計采用的是損失極值法，該方法具體是指建立各個損失與相關參數之間的關系，并在確保設計工況的流量與揚程不變的基礎上，通過參數的不同組合方式來使水力損失達到最小值。

3 結語

綜上所述，水力機械蝸殼的研究是一項較為復雜且系統的工作，由于該領域中涉及的內容既多且廣，所以還有許多問題值得深入具體的研究。因超低比轉數蝸殼效率對于水力機械具有非常重要的作用，應進一步加大對其的研究力度。除此之外，還應加強對蝸殼內的兩相流動機理及設計方法的研究，這對于提高水力機械的性能具有非常重要的現實意義。

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