水輪機效率試驗用流速儀支架結構的設計

李 科

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

水輪機流量測量是水輪機現場效率測試中最重要的環節之一，也是測試中難度最大的一項工作，其對整個測試精度起到重要影響。

水輪機效率試驗對直徑大于5 m的鋼管內流速測量多采用超聲波測速，但采用超聲波測流速時要求鋼管的直段長度大于、等于15D(D為鋼管直徑)。蘇布雷水電站壓力鋼管直段長度僅為2.4D，不滿足要求，因此，需要采用機械式流速儀測水流速度。該電站流速儀支架安裝在蝸殼入口處，直徑為7.1 m，理論流速為6.2 m/s，同時要考慮機組振動的影響。技術人員采用PKPM鋼結構計算軟件對支架結構進行了計算，確保了試驗安全受控。筆者對計算采用的參數、計算結果、應用優化等過程進行了總結，以供同類型工程參考。

2 設計依據

流速儀支架結構見圖1、2，主要桿件為外徑89 mm的不銹鋼管，支架所占迎水面積為2.46 m2，過流斷面為39.94 m2，支架所占過流斷面的比例為0.61%。根據試驗規程，支架所占過流斷面的比例應不大于0.6%，故其超出規范要求。后來經過對不銹鋼管進行加工(加工為橢圓形)，垂直水流方向寬度為50 mm，調整后的占比為0.34%，滿足規范要求，同時改善了受力結構。

3 結構設計

流速儀支架安裝在蝸殼進口段，直徑7 133 mm，支架采用外徑89 mm、壁厚5 mm、材質為304不銹鋼熱軋無縫圓鋼管，將鋼管截面加工成橢圓形，迎水面方向寬度為50 mm；局部連接件采用∠70 mm×70 mm×5 mm角鋼；端部封堵板和連接板采用18 mm厚普通鋼板；連接螺栓為直徑20 mm的高強螺栓。

圖1 迎水面布置圖

圖2 支撐系統結構圖(單個半徑下游側支撐)

由于采用的鋼管材質為不銹鋼，坡口不能采用氣割而只能用機械切割打磨。若采用鋼管與鋼管直接焊接，坡口加工難度大、時間長,焊接應力無法釋放。項目部結合現場實際，采用垂直切口，端部焊封堵鋼板后再焊接立板，在立板上打孔，采用高強螺栓連接。大部分焊縫可以在加工車間完成，可使施工速度大大加快，即解決了焊接應力問題，又滿足了強度要求，而且方便安裝拆卸，可以重復利用。根據規范要求[3]，流速儀測點位置rn由下式求得：

式中rn為 自圓心至第n號測點的距離，m；R為鋼管半徑；N為 除中心點外每個半徑的測點數，取 8。經計算，流速儀的布置位置和間距見圖3。

流速儀的安裝位置、水平度等精度要求高，現場安裝調試困難，為提高安裝效率，項目部創新采用整條鋼板，在車間內將孔位加工好，現場只需調整好兩端位置即可將單個支架的流速儀位置全部確定。

4 荷載錄入及計算

蝸殼入口位置的鋼管直徑為7 133 mm，試驗過程中最大流量預計為 262 m3/s，求得水流平均速度v：

v=Q/S= 262/π×7.1332/4 = 6.56(m/s)

水流力F計算公式：

F=C×ρ×v2×A

式中 常數C取較大值，1；ρ為水密度，1 000 kg/m3；水流速度v=6.56 m/s；每延米鋼管受力面積A=0.05×1=0.05(m2)。求得F=2.15 kN。因此，在PKPM建模中，迎水面桿件恒載取值為3 kN/m。

由于蝸殼入口位置臨近水輪機組，在40%～60%的工況下機組振動明顯[4]，在PKPM計算過程中利用地震作用模擬機組振動，計算水平與豎向地震作用；地震烈度選9；地震效應增大系數取1.2。PKPM鋼結構支架建模計算結果見圖4，支架桿件最大應力為174.15 N/mm2，小于設計允許應力215 N/mm2，因此，該支架經計算其穩定性滿足規范要求[5]。

5 注意事項

支架主材鋼管為圓管，加工成橢圓形鋼管可以減少水流的沖擊力，減少對流速儀的影響。但將圓管加工成橢圓形比較麻煩，需提前做好準備；如要避免加工的麻煩，也可在市場上采購其它異形鋼材代替，但必須按照鋼材參數進行力學計算，并需滿足受力要求。

由于水庫內的漂浮物可能對支架造成沖擊，因此，待試驗的機組在閘門開啟前應將上下游水位調整合格，避免用待試驗的機組調整水位而耽誤時間，亦增加了支架被漂浮物沖擊的概率。整個試驗過程應連續，建議試驗持續時間不超過2 h[6]。

圖3 根據規范計算的流速儀位置圖

說明：圖中桿件左側數值為鋼結構應力比，即桿件最大應力與設計允許應力的比值。圖4 鋼結構應力比圖

機組在額定功率40%～60%的工況下運轉時振動非常明顯，為支架最不利的受力工況，因此，試驗過程應盡快完成，不應在此區間耽誤太長時間。

流速儀的間距和水平度精度要求高，需要采用儀器進行檢查，待驗收合格后再進行布線、拆腳手架，避免造成二次返工。

6 結 語

經實踐檢驗得知：蘇布雷水電站1#機組水輪機試驗結束后，對蝸殼實施排水并檢查了流速儀支架，支架各處正常，無變形或裂縫，證明上述建模和受力分析正確且合理，證明支架受水流沖擊力的計算合理，水力計算的常數取值亦合理。在計算過程中，利用計算軟件的地震荷載模擬機組振動的方式是可取的。