蜗壳及尾水管的水力计算
蜗壳计算讲解
第五章 蜗壳 88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：H k v v c = (84)式中 c v —蜗壳中的进水速度；H —有效水头；v k —速度系数，约为1.0。
中水头或高水头则常应用下列关系：30v c H k v = (85)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：30c H v 5.1=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：gh ηu v u v r u u 2211=-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。
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
水道水力过渡过程计算大纲范本
FJD34270 FJD水利水电工程技术设计阶段水道水力过渡过程计算大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网1998年3月1水电站技术设计阶段水道水力过渡过程计算大纲主编单位:主编单位总工程师:参编单位:主要编写人员:软件开发单位:软件编写人员:勘测设计研究院年月2目次1. 引言 (4)2. 设计依据文件和规范 (4)3.计算基本资料 (4)4.大波动水力过渡过程计算 (7)5.小波动水力过渡过程计算 (15)6.专题研究（必要时） (16)7.应提供的设计成果 (17)3１引言＿＿抽水蓄能电站位于＿＿，在电力系统中的功能是＿＿。
电站总装机容量＿＿MW，单机容量＿＿MW。
机组型号＿＿。
电站开发方式(首部开发、中部开发、尾部开发) ＿＿。
引水系统由＿＿组成。
本工程为＿＿等工程。
可行性研究报告于＿＿年＿＿月审查通过。
2 设计依据文件和规范2.1 有关本工程文件(1) 工程可行性研究报告；(2) 工程可行性研究报告审批文件；(3) 技术设计任务书。
2.2 主要设计规范(1) SD 303—88 水电站进水口设计规范(2) SD 144—85 水电站压力钢管设计规范(试行)(3) DL/T 5058-1996 水电站调压室设计规范(4) SDJ 173—85 水力发电厂机电设计技术规范(5) SD 134—84 水工隧洞设计规范(试行)(6) GB 9652—88 水轮机调速器与油压装置技术条件2.3 参考资料和手册《水电站机电设计手册》(水力机械部分)。
3 计算基本资料3.1 水库(水池)特征水位(1)上库(上水池)水位：正常蓄水位＿ｍ；死水位＿ｍ。
(2) 下库(下水池)水位：正常蓄水位＿ｍ；死水位＿ｍ。
4提示：对于混合式抽水蓄能电站，尚应补充上、下库设计、校核洪水位。
3.2 引水系统布置(1)引水系统平面布置(2)引水系统纵剖面布置(3)引水系统特征参数，见表1表1 引水系统特征参数表管道编号部位直径m面积m2长度m管道末端高程m水头损失系数，×Q2备注局部水头损失沿程水头损失水轮机工况水泵工况最大值平均值最小值1…注：（1）引水系统编号示意图，可表示在上表备注栏中。
金属蜗壳水力计算和尾水管设计
金属蜗壳的水力计算在选定包角ϕ0及进口断面平均流速v 0后，根据设计流量Q r ，即可求出进口断面面积F 0。
由于要求水流沿圆周均匀地进入导水机构，蜗壳任一断面ϕi 通过的流量Q ϕ应为 Q Q ir ϕϕ=360（7—6）于是，蜗壳进口断面的流量为 Q Q r 00360=ϕ（7—7）进口断面的面积为F Q v Qv r 00000360==ϕ （7—8） 圆形断面蜗壳的进口断面半径为 ρπϕπmax ==F Q v r00360 （7—9）采用等速度矩方法计算蜗壳内其它断面的参数。
取蜗壳中的任一断面，其包角为ϕi ，如图7—15所示，通过该断面的流量为Q v bdr u r R aiϕ=⎰（7—10）因v r K u =，则v K r u =/，代入式（7—10）得： Q Kbrdr r R aiϕ=⎰（7—11） 式中：r a ──座环固定导叶的外切圆 半径；R i ──蜗壳断面外缘到水轮机轴线半径；r ──任一断面上微小面积到水轮机轴线的半径： b ──任一断面上微小面积的高度。
一、圆形断面蜗壳的主要参数计算对圆形断面的蜗壳，断面参数b 从图7—15中的几何关系可得b r a i i =--222ρ() （7—12） 式中：ρi ──蜗壳任一断面的半径；a i ──任一断面中心到水轮机轴线距离。
图7—15 金属蜗壳的平面图和断面图水轮机轴r aa ir R id rρibv uv rviϕ将式（7—12）代入式（7—11），并进行积分得：Q K a a i i i ϕπρ=--222() （7—13） 由式（7—6）与式（6-13）得ϕπρi r i i i KQ a a =--72022 () （7—14） 令C KQ r=720 π，称为蜗壳系数，则有ϕρi i i i C a a =--()22 （7—15）或 ρϕϕi i ii a C C =-⎛⎝ ⎫⎭⎪22（7—16）以上两式中的蜗壳系数C 可由进口断面作为边界条件求得。
蜗壳及尾水管设计
蜗壳及尾水管设计（1）蜗壳水力计算从蜗壳鼻端至蜗壳进口断面0-0之间的夹角称为蜗壳的包角，常用φ0表示，蜗壳的鼻端即位于蜗壳末端连接在一起的那一个特殊固定导叶的出水边，一般采用φ0=345°蜗壳进口断面平均流速V c是决定蜗壳尺寸的主要参数。
V c值根据水轮机设计水头Hr从图中查得V c=4.5 m/s1主要参数H r=31.0 m Q max=13.17 m3/s D a=2.42m 包角φ0=345 D a/2=2.42/2=1.21 m2 蜗壳计算表水轮机蜗壳单线图（2）尾水管设计根据以往经验,弯肘形尾说管不但可以减少开挖深度,而且具有良好的水力性能尾水管尺寸表弯肘型尾水管有进口直锥段.中间肘管段和出口扩散段和出口扩散段三部分组成.A 进口直锥段混流式水轮机单边扩散角009~7=θ,这里取 80.B 中间弯肘段是一段900转弯的变截面弯管,进口断面为圆形,出口断面为矩形.C 出口扩散段是一段水平放置,两侧平行,顶板上翘的矩形扩散管.起顶板仰角一般取0013~10=α,这里取13.应用第三种比例情况进行尺寸计算:h=2..6×1.4=3.64 m L=4.5×1.4=6.30 m B 5=2.72*1.4=3.808m D 4=1.35×1.4=1.89 m h 4=1.35×1.4=1.89 mh 6=0.675×1.4=0.945mL 1=0.94×1.4=2.548 m h 5=1.22×1.4=1.708m尾水管高度指水轮机底环平面至尾水管底版的高度.h=2.6*D 1=2.6*1.4=3.64m 满足最低要求,宽度B= 3.808m,同样满足要求. 尾水管长度指机组中心线至尾水管出口断面的距离. L=(3.5~4.5)D 1 这里取4 则L=4*1.4=5.6m。
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
水锤计算方法
第一节概述一、水电站的不稳定工况机组在稳定运行时，水轮机的出力与负荷相互平衡，这时机组转速不变，水电站有压引水系统(压力隧洞、压力管道、蜗壳及尾水管)中水流处于恒定流状态。
在实际运行过程中，电力系统的负荷有时会发生突然变化(如因事故突然丢弃负荷，或在较短的时间内启动机组或增加负荷)，破坏了水轮机与发电机负荷之间的平衡，机组转速就会发生变化。
此时水电站的自动调速器迅速调节导叶开度，改变水轮机的引用流量，使水轮机的出力与发电机负荷达到新的平衡，机组转速恢复到原来的额定转速。
由于负荷的变化而引起导水叶开度、水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况。
其主要表现为：(1) 引起机组转速的较大变化由于发电机负荷的变化是瞬时发生的，而导叶的启闭需要一定时间，水轮机出力不能及时地发生相应变化，因而破坏了水轮机出力和发电机负荷之间的平衡，导致了机组转速的变化。
丢弃负荷时，水轮机在导叶关闭过程中产生的剩余能量将转化为机组转动部分的动能，从而使机组转速升高。
反之增加负荷时机组转速降低。
(2) 在有压引水管道中发生“水锤”现象当水轮机流量发生变化时，管道中的流量和流速也要发生急剧变化，由于水流惯性的影响，流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的压力随之变化，即产生水锤。
导叶关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则造成压力下降。
反之导叶开启时，在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中引起压力上升。
(3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。
无压引水系统中产生的水位波动计算在第八章已介绍。
二、调节保证计算的任务水锤压力和机组转速变化的计算，一般称为调节保证计算。
调节保证计算的任务及目的是：(1) 计算有压引水系统的最大和最小内水压力。
最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据之一；最小内水压力作为压力管道线路布置、防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据。
水电站课程设计计算书
水电站厂房课程设计计算书1．蜗壳单线图的绘制 1.1 蜗壳的型式根据给定的基本资料和设计依据，电站设计水头Hp=46.2m ，水轮机型号 ：HL220-LJ-225。
可知采用金属蜗壳。
又Hp=46.2m>40m ，满足《水电站》（第4版）P32页对于蜗壳型式选择的要求。
1.2 蜗壳主要参数的选择金属蜗壳的断面形状为圆形，根据《水电站》（第4版）P35页可知：为了获得良好的水力性能及考虑到其结构和加工工艺条件的限制，一般取蜗壳的包角为0345ϕ=。
通过计算得出最大引用流量max Q 值，计算如下： ○1水轮机额定出力：15000156250.96frfN N KW η=== 式中：60000150004f KWN KW ==，0.96f η=。
○2'31max 3322221156251.11 1.159.819.812.2546.20.904rp N Q m s D H η===<⨯⨯⨯（水轮机在该工况下单位流量''311 1.15M Q Q m s ==由表3-6查得）。
○3'23max1max 1 1.11 2.2538.2Q Q D m s ==⨯=。
由蜗壳进口断面流量max 0360c Q Q ϕ=，得334538.236.61/360c Q m s =⨯=。
蜗壳进口断面平均流速V c 由《水电站》（第4版）P36页图2-8（a ）查得，5.6/c V m s =。
由《水力机械》第二版，水利水电出版社）附录二表5查得：3250,3850b a D mm D mm ==，则1625 1.625,1925 1.925b a r mm m r mm m ====。
其中：b D —座环内径；a D —座环外径；b r —座环内半径；a r —座环外半径。
座环示意图如下图所示：图1 座环示意图（单位：mm ）1.3 蜗壳的水力计算（1）对于蜗壳进口断面（断面0）： 断面面积 35375.66.561.36m V Q F c c c ===断面的半径 m F cc 443.1537.6===ππρ从轴中心到蜗壳外缘的半径：m r R c a c 811.4443.12925.12=⨯+=+=ρ 即断面0：m 443.10=ρ，m r r a 925.10==，m R R c 811.40==。
水锤计算方法
第一节概述一、水电站的不稳定工况机组在稳定运行时，水轮机的出力与负荷相互平衡，这时机组转速不变，水电站有压引水系统(压力隧洞、压力管道、蜗壳及尾水管)中水流处于恒定流状态。
在实际运行过程中，电力系统的负荷有时会发生突然变化(如因事故突然丢弃负荷，或在较短的时间内启动机组或增加负荷)，破坏了水轮机与发电机负荷之间的平衡，机组转速就会发生变化。
此时水电站的自动调速器迅速调节导叶开度，改变水轮机的引用流量，使水轮机的出力与发电机负荷达到新的平衡，机组转速恢复到原来的额定转速。
由于负荷的变化而引起导水叶开度、水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况。
其主要表现为：(1) 引起机组转速的较大变化由于发电机负荷的变化是瞬时发生的，而导叶的启闭需要一定时间，水轮机出力不能及时地发生相应变化，因而破坏了水轮机出力和发电机负荷之间的平衡，导致了机组转速的变化。
丢弃负荷时，水轮机在导叶关闭过程中产生的剩余能量将转化为机组转动部分的动能，从而使机组转速升高。
反之增加负荷时机组转速降低。
(2) 在有压引水管道中发生“水锤”现象当水轮机流量发生变化时，管道中的流量和流速也要发生急剧变化，由于水流惯性的影响，流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的压力随之变化，即产生水锤。
导叶关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则造成压力下降。
反之导叶开启时，在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中引起压力上升。
(3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。
无压引水系统中产生的水位波动计算在第八章已介绍。
二、调节保证计算的任务水锤压力和机组转速变化的计算，一般称为调节保证计算。
调节保证计算的任务及目的是：(1) 计算有压引水系统的最大和最小内水压力。
最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据之一；最小内水压力作为压力管道线路布置、防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据。
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。
14
(2) 混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)
15
(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。
1
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)
21
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。
蜗壳及尾水管尺寸PPT课件
混凝土
进口流速与水头关 系曲线
金属
进口流速系数与水头关系曲线
第5页/共14页
蜗壳及尾水管的尺寸
三、蜗壳水力计算
1、目的：绘出平面单线图，为厂房设计提供依据
蜗壳平面单线图 第6页/共14页
蜗壳及尾水管的尺寸
三、蜗壳水力计算
1、目的：绘出平面单线图，为厂房设计提供依据
厂房蜗壳层平面图
第7页/共14页
蜗壳及尾水管的尺寸
三、蜗壳水力计算
2、计算原理
蜗壳平面单线图
第8页/共14页
蜗壳及尾水管的尺寸
三、蜗壳水力计算
4、混凝土蜗壳的水力计算
第9页/共14页
蜗壳及尾水管的尺寸
作业
已知某轴流式水轮机的参数如下：设计水头hr=38.1m,设 计水头下的最大Q0=54.7m3/s，转轮标称直径D1=3.3m,水轮机导 叶高度b0=0.4D1，座环外径Da=5.3m, 座环内径Da=4.5m。此外， 因水电站条件限制，厂房布置场地比较狭窄，要求选择蜗壳型 式时考虑缩小机组段长度。试计算蜗壳的断面及平面尺寸，并 绘出平面单线图。
蜗壳及尾水管的尺寸
蜗壳的中间断面
第1页/共14页Biblioteka 壳及尾水管的尺寸二、蜗壳的参数
1、尺寸参数
蜗壳的尺寸参数
第2页/共14页
蜗壳及尾水管的尺寸
二、蜗壳的参数
2、包角
蜗壳的进口 断面
蜗壳的包角
第3页/共14页
鼻端
蜗壳及尾水管的尺寸
二、蜗壳的参数
2、包角
蜗壳包角
第4页/共14页
蜗壳及尾水管的尺寸
二、蜗壳的参数
第10页/共14页
本文观看结束！！！ 第11页/共14页
蜗壳计算
第二章、蜗壳计算第一节参数的选择1.蜗壳形式的选择由最大水头为257m,决定采用金属蜗壳，根据D1=2.0m,查水轮机课本P121 257：sun=”a13”sun1=”1”给定2.0：sun=”s2”sun1=”1”给定2.座环参数座环进口直径D a=1.64D1=3.28m,座环出口直径D b=1.37D1=2.74m,蜗壳常数K=0.1m ,r=0.2m 。
1.64：sun=”w1”sun1=”1”给定3.28: sun=”w2”sun1=”2”由公式D a=1.64D1得1.37: sun=”w4”sun1=”1”给定2.74：sun=”w3”sun1=”2”由公式D b=1.37D1得第二节进口断面参数选择（1）包角=345。
345：sun=”w5”sun1=”1”给定（2）进口断面平均流速υ0=K H其中K为金属蜗壳流速系数由原型机A520-40型综合特性曲线查得H=233m ,由H查水轮机课本图5—40得K=0.6 ，则0.6：sun=”w9”sun1=”1”给定υ0=K H=0.6×233=9.16 m/s ,(3)进口断面流量9.16：sun=”w4”sun1=”2”由公式υ0=K H得根据H=233m，n11=nD1H =500×2233=65.51r min233：sun=”a14”sun1=”1”给定65.51：sun=”w15”sun1=”1”由公式n11=nD1H得由模型综合特性曲线查得Q11=0.407(m3/s)0.407：sun=”w17”sun1=”1”给定Q0=φ0360=φ0360Q11限D2H=345360×0.407×4×233=25.81 (m3/s)360：sun=”w19”sun1=”1”给定0.47：sun=”w20”sun1=”1”给定25.81：sun=”w21”sun1=”2”由公式Q0=φ0360=φ0360Q11限D2H得(4)计算进口断面积F0F0=Q0υ0=25.819.16=2.82 (m2)2.82：sun=”w23”sun1=”2”由公式F0=Q0υ0得(5)进口断面的内半径ρ0=F0π=2.823.14=0.947m3.14：sun=”w26”sun1=”1”给定0.947：sun=”w27”sun1=”2”有公式ρ0=F0π得（6）确定进口端面的中心距a0由b0=D1×(0.1+0.00065n)-s=2×(0.1+0.00065 119.92)=0.36 m119.92：sun=”w29”sun1=”1”给定0.36：sun=”w30”sun1=”2”有公式b0=D1×(0.1+0.00065n)-s则a0=r0+ ρ02−h2=2.63m2.63；sun=”w32”sun1=”2”有公式a0=r0+ ρ02−h2的（7）进口断面的外半径RR0=a0+ρ0=2.63+0.947=3.58m3.58：sun=”s3”sun1=”2”有公式R0=a0+ρ0的第三节座环尺寸的确定（1）确定蝶形边锥角一般由座环的工艺决定取=55。
蜗壳及尾水管的水力计算
第二章蜗壳及尾水管的水力计算第1节蜗壳水力计算一.蜗壳尺寸确定水轮机的引水室是水流进入水轮机的第一个部件，是还击式水轮机的重要组成局部。
引水室的作用是将水流顺畅且轴对称的引向导水机构。
引水室有开敞式、罐式和蜗壳式三种。
蜗壳式是还击式水轮机中应用最普遍的一种引水室。
它是用钢筋混凝土或者金属制造的封闭式布置，可以适应各种水头和流量的要求。
水轮机的蜗壳可分为金属蜗壳和混凝土蜗壳两种。
1.蜗壳形式蜗壳自鼻端到进口断面所包围的角度称为蜗壳的包角，水头大于40m时一般采用混凝土蜗壳，包角；当水头较高时需要在混凝土中布置大量的钢筋，造价可能比混凝土蜗壳还要高，同时钢筋布置过密会造成施工困难，因此多采用金属蜗壳，包角。
本电站最高水头为174m，故采用金属蜗壳。
2.座环参数根据水轮机转轮直径D1查[1].P 128页表2—16得：座环出口直径:座环进口直径:蜗壳常数K=100〔mm〕、r=200〔mm〕3.蝶形边锥角ɑ取4.蝶形边座环半径5.蝶形边高度h6.蜗壳圆形断面和椭圆形断面界定值s7.座环蝶形边斜线L8.座环蝶形边锥角顶点至水轮机轴线的距离二.蜗壳进口断面参数计算1.蜗壳进口流量Q0的计算由HLD10运转综合特性曲线查得: Pr=35833.3(kW)、Hr=158.75〔m〕、ηT=0.9052.蜗壳进口断面面积F0的计算根据水头查设计手册图2—21得：v0=11m/s3.蜗壳进口断面半径ρ0的计算4.进口断面圆心至水轮机中心线的距离α0查[1].P128表2—16金属蜗壳座环尺寸系列得：k=0.1m、D a=3.25m、D b=2.725m5.蜗壳系数C的计算6.进口断面外半径R0三.蜗壳圆形断面参数计算1. 蜗壳圆形断面参数计算：见表2—1表2—1 蜗壳圆形断面计算表四.蜗壳椭圆形断面参数计算1.蜗壳椭圆形断面参数计算：见表2—2表2—2 蜗壳椭圆形断面计算表四.蜗壳单线图的绘制HLD10蜗壳单线图见附图4第2节尾水管尺寸的计算一.尾水管根本尺寸确实定1.尾水管型式的选择水流在转轮中完成了能量交换后，将通过尾水管流向下游，这是尾水管的根本作用。
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 88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：H k v v c = (84)式中 c v —蜗壳中的进水速度；H —有效水头；v k —速度系数，约为1.0。
中水头或高水头则常应用下列关系：30v c H k v = (85)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：30c H v 5.1=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：gh ηu v u v r u u 2211=-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。
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：
蜗壳的水力计算
蜗壳的水力计算蜗壳水力计算的目的是要确定在中间不同包角i ϕ时蜗壳断面的形状和尺寸。
计算是在给定的水轮机设计水头r H 、最大引流量max Q 、导叶高度0b 、座环尺寸(外径a D 、内径b D 等)和选择的蜗壳断面形式、包角0ϕ、进口平均流速c V 的情祝下进行的．水流在进入蜗壳后，其流速可分解为园周速度u V 和径向速度r V ，在进入导叶时，按照均匀轴对称的入流要求，则r V 应为—常数；其值为r V =max 0a Q Db π 对于圆周速度u V 的变化规律，计算时有不同的假定，一般常用的有下列两种假定：（一）速度矩u V r=C(C 为一常数)假定蜗壳中的水流是一种轴对称的有势流动，并忽略其内摩擦力，这样就可以近似的认为水流除了绕轴的旋转外，没有任何外力作用在水流上并使其能量发生变化，即()u d mV r dt=0 则 u mV r = C u V r = C上式说明蜗壳中距水轮机轴线半径r 相同的各点上，其水流的园周速度是相同的，u V 随着半径r 的增大而减小。
（二）圆周速度u V =C此假定即认为蜗壳各断面的圆周速度u V 不变，且等于蜗壳进口断面的平均流速c V 。
这样使得在蜗壳尾部的流速较以u V r=C 所得出的流速为小，得出的断面尺寸较大，从而减小了水力损失并便于加工制造．按照这种假定计算蜗壳的尺寸，方法简单，所得出的结果与前一种假定的结果也很近似。
以下仅介绍按照假定u V =c V =C 的计算方法，对于按照假定u V r=C 的计算可参考其他有关书籍。
1．金属蜗壳的水力计算1）对于进口断面断面的面积0F =0c Q V =max 0360c Q V ϕ︒断面的半径max ρ=从轴中心线到蜗壳边缘的半径max R =a r +2max ρ2）对中间任一断面i Q =max 360iQ ϕ︒i ρi R =a r +2i ρ式中 a r ——座环外半径；i ϕ——从蜗壳鼻端起算至计算断面的角度；i Q 、i ρ、i R ——分别为计算断面i ϕ处的流量、断面半径及边缘半径。
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）
蜗壳计算
第二节 蜗壳计算一、 蜗壳形式、进口断面参数选择1、蜗壳形式选择由于应力强度的限制，钢筋混凝土的蜗壳只能在40m 水头以下的电站中采用，而对于40m 以上水头的电站来说，只能采用金属蜗壳。
根据原始资料，本次设计电站的最大水头为110m ，故应选择金属蜗壳。
2、蜗壳进口断面参数选择 （1） 包角ϕ的选择混凝土蜗壳包角ϕ通常选择在270~180之间，而金属蜗壳的包角通常在350~340之间，故选取包角345ϕ︒=。
（2） 选择进口断面平均流速0v增大平均流速v-可以在保证流量的前提下减小蜗壳尺寸，但过大的0v 又会增加损失从而降低效率，故应尽量合理选择。
v-=K H ＝0.79﹡.6103=8.05（m/s ） 参【1】P119K 为蜗壳的流速系数，与水头有关，查得0.79 参【2】P120 图（5-14） H 为水轮机设计水头。
（3） 确定进口断面的流量0Q 计算公式如下： 2000111360360T QQ Q D H ϕϕ==限 =251.5 m 3/s 参考【2】P 124ϕ0为进口断面的包角。
（4）计算进口断面面积0F 计算公式如下： 00v Q F ==251.5／8.05=31.24 ㎡/s （5）计算进口断面半径0ρ计算公式如下：πρ00F ==π4.231=3.15 m 参考【2】P 124（6）确定座环内外径a D 、b Dmr m K m D mD b a 4.015.06.68.7==== 参考【2】P 128表2-16（7） 确定碟形边锥角α由座环工艺决定，一般取55α︒=。
（8）计算碟形边高度h 计算公式如下：202s i n 22b h ktg r αα=++ (m)=0.9 m 010b b D ⨯= =5*0.27=1.35（9）计算碟形边半径0r计算公式如下：k D r a+=20=3.9+0.15=4.05 m 固定导叶外切圆半径ra ：r a=D a /2=7.8／2=3.9（10）确定进口断面的中心距0a计算公式如下： 22000h r a -+=ρ =22.905.135.04-+=7 m（11） 计算进口断面的外半径0R 计算公式如下：000ρ+=a R =7.35+3.15=10.15 m（12）计算蜗壳系数C 计算公式如下：202000ρϕ--=a a C 参考【2】P 124公式2-5。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
蜗壳常数 K=100（mm）、r=200（mm）
3.蝶形边锥角 ɑ
取
4.蝶形边座环半径
5.蝶形边高度 h
rD
Da 2
k
3.25 0.1 1.725m
2
h b0 k tan 0.76 0.1tan 55 0.29m
2
2
6.蜗壳圆形断面和椭圆形断面界定值 s
s h 0.29 0.51m
0 C a0
6.进口断面外半径 R0
a02 02
C a0
0
2300
a02 02
R0 a0 0 2.5 0.84 3.34m
三.蜗壳圆形断面参数计算
1. 蜗壳圆形断面参数计算：见表 2—1
表 2—1 蜗壳圆形断面计算表
断面号 i
i C
rD
2rD
i C
h2
2rD
i C
h2
2.座环参数
。本电站最高水头为 174m，故采用金属蜗壳。
根据水轮机转轮直径 D1 查[1].P 128 页表 2—16 得： 座环出口直径:
座环进口直径:
Db
2850 2600 1900 1800 2600
2000 1800
2725mm
Da
3400 3100 1900 1800 3100 3250mm
h 的确定，与水轮机型式有关。由于混流式和定桨式水轮机在偏离最优工况运行时，尾 水管中会出现涡带，引起机组振动，如果 h 太小，则机组振动加剧，故 h 选择时应综合考虑 能量指标和运行稳定性。根据经验，h 一般可作如下选择：
对于 D1>D2 的低比速混流式水轮机，h≥。取 h=。参考表 2—3，标准弯肘型尾水管可选 4H 系列。
xi
x
2 i
i
ai Ri
1 345
2 330
3 315 4 300
5 285
6 270 7 255 8 240 9 225 10 210 11 195 12 180 13 165 14 150
四.蜗壳椭圆形断面参数计算
1.蜗壳椭圆形断面参数计算：见表 2—2
表 2—2 蜗壳椭圆形断面计算表
断面号
i
5.尾水管进口直径 D3
h3
h h1 h2 D3 1 2tg
D3
h h1
h2
h3 1 2tg
210 (cm)
6.出口扩散段 查[1].P132，顶板仰角 ɑ=10°—13°，取 ɑ=12°。支墩的尺寸如下：
b 0.1— 0.15B5 0.13 520 .6 67.68cm R 3 6b 4 67.68 270 .72(cm)
3.蜗壳进口断面半径 ρ0 的计算
0
F0
2.2 0.84(m) 3.14
4.进口断面圆心至水轮机中心线的距离 α0
查[1].P128 表 2—16 金属蜗壳座环尺寸系列得：k=、Da=、Db=
a0 rD
2 0
h2
1.725
0.842 0.292 2.5(m)
5.蜗壳系数 C 的计算
一.尾水管基本尺寸的确定
1.尾水管型式的选择 水流在转轮中完成了能量交换后，将通过尾水管流向下游，这是尾水管的基本作用。但
是尾水管还有一个作用是使水轮机转轮出口处的水流能量有所降低，从而增加转轮前后的能 量差。回收一部分水流能量。尾水管有直锥型、弯曲型和弯肘型三种型式。大型立式机组， 由于土建投资占电厂总投资的比例很大，故一般选用弯肘形尾水管以降低水下开挖量和混凝 土量。 2.尾水管的高度 h
r 0.2 0.3b 0.25 67.68 16.92cm
l 1.4D1 1.41.9 266 cm
二.尾水管单线图的绘制
HLD10 尾水管单线图见附图 5
表 2—4
4H 型标准肘管主要参数
单位：m
尾水管参数 h / D1 D1 h L B5 D4 h4 h6 L1 h5
4H
1
D1=
参考表 2—5 可选出肘管各部分参数:
表 2—5
4 号系列肘管各部分参数表
单位：m
参数类型
D4 h4 B4 L1 h6 a R6 R7 a1 a2 R8
4A 4C 4E
4H 20 注：表中数值是对 D1 = 1m 而言。
i
1
Байду номын сангаас
i
2
1
C sin a C sin a
i 2 cot 2 a C
2r1
i C
i
L
A
15 135 16 120 17 105 18 90 19 75 20 60 21 45 22 30 23 15
四.蜗壳单线图的绘制
HLD10 蜗壳单线图见附图 4
R2 R1
ai Ri
第 2 节 尾水管尺寸的计算
表 2—5
4 号系列肘管各部分参数表
单位：m
尾水管参数 D4 h4 B4 L1 h6 a R6 R7 a1 a2 R8
4H D1=
4.进口单边锥角 β 对于混流式水轮机进口单边锥角 β 取值范围为 7°—9°。取 β=8° 由比转速 ns 查[1].P26 图 1—29 得： h1=×=(cm) h2=×=(cm) h3=h–h1–h2–h4=475–––=(cm)
第二章 蜗壳及尾水管的水力计算
第 1 节 蜗壳水力计算
一.蜗壳尺寸确定
水轮机的引水室是水流进入水轮机的第一个部件，是反击式水轮机的重要组成部分。引
水室的作用是将水流顺畅且轴对称的引向导水机构。引水室有开敞式、罐式和蜗壳式三种。
蜗壳式是反击式水轮机中应用最普遍的一种引水室。它是用钢筋混凝土或者金属制造的封闭
式布置，可以适应各种水头和流量的要求。水轮机的蜗壳可分为金属蜗壳和混凝土蜗壳两种。
1.蜗壳形式
蜗壳自鼻端到进口断面所包围的角度称为蜗壳的包角 ，水头大于 40m 时一般采用混
凝土蜗壳，包角
；当水头较高时需要在混凝土中布置大量的钢筋，造价可能
比混凝土蜗壳还要高，同时钢筋布置过密会造成施工困难，因此多采用金属蜗壳，包角
表 2—3
标准弯肘形尾水管主要参数
单位：m
尾水管型式 h / D1 D1 h L B5 D4 h4 h6 L1 h5
4A 4C 4E 4E 4H 4H 20
3.肘管的选择 肘管段的形状十分复杂，因为水流要在肘管内拐弯 90°，同时要由进口圆形断面逐渐过
渡到出口为矩形断面。它对尾水管的恢复系数影响很大，且肘管中的水力损失最大。肘管难 以用理论公式计算，通常采用推荐的标准肘管，图 2—4 所示为 4 号系列肘管。图中各部分 的尺寸参数列于表 2—4 中。4H 型肘管主要参数见表 2—4 和 2—5
尾水管的高度 h 是指水轮机底环平面到尾水管底板的高度，它对尾水管的恢复系数、
水轮机运行稳定性及电站开挖量有直接影响。高度 h 越大，锥管段的高度可取大一些，因而 降低了锥管段出口即肘管段进口及其后部流道的流速，这对降低肘管中的水力损失有利。一 般情况下，通过尾水管的流量愈大，h 应采用较大的值，但 h 增大受到水下挖方量的限制。
Qr
Pr
9.81H rT
35833 .3
9.81 158 .75 0.905
25.4(m3 / s)
Q0
0 360
Qr
345 25.4 360
24.3(m3
/ s)
2.蜗壳进口断面面积 F0 的计算
F0
Q0 v0
24.3 2.2(m2 ) 11
根据水头查设计手册图 2—21 得：v0=11m/s
cos55 cos55
7.座环蝶形边斜线 L
L h 0.354m
sin 55 8.座环蝶形边锥角顶点至水轮机轴线的距离
r1
rD
h tan a
1.725
0.29 tan 55
1.522m
二.蜗壳进口断面参数计算
1.蜗壳进口流量 Q0 的计算
由 HLD10 运转综合特性曲线查得: Pr=(kW)、Hr=（m）、ηT=