水轮机的蜗壳、尾水管资料.
水轮机的蜗壳、尾水管讲述
三、蜗壳的主要参数
1、断面型式与断面参数 (1) 金属蜗壳：圆形。结构参数：座环外
径、内径、导叶高度、蜗壳断面半径、蜗 壳外缘半径
(2) 混凝土蜗壳：“T”形。便于施工和减小其径 向尺寸，降低厂房土建投资有四种型式：
(i) n=0：平顶蜗壳。特点：接力器布置方便， 减小下部混凝土，但水流条件不太好。
2g
h 25 )
作用：(1)、汇集转轮出口水流，排往下 游。
(2)、当H2>0时，利用这一高度水流 所具有的位能。
(3)、回收转轮出口水流的部分动能。
二、尾水管的动能恢复系数
尾水管H2取决于水轮机的安装高程，与尾水管
的性能无关；衡量尾水管性能好坏的标志是恢
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Qi 、 Fi、ρi、Ri。
第二节 尾水管的作用、型式及其主要 尺寸确定
尾水管是反击式水轮机的重要过流部件。 其型式、尺寸影响、厂房基础开挖、下部 块体混凝土尺寸。尾水管尺寸越大，η越 高，工程量及投资增大。合理确定是非常 重要的。
(1) 金属蜗壳：φ0=340°~350°，常取 345°
φ0大，过流条件好，但平面尺寸增大，厂 房尺寸加大。金属蜗壳的流量小，尺寸小， 一般取较大包角；从构造上讲，最后 100°内，断面演变成为椭圆。
(2)、混凝土蜗壳：Q大，为减小平面尺寸， φ0=180°~270°，一般取180°，一 部分水流未进入蜗形流道，从而减小了蜗 壳进口断面尺寸，这部分水流直接进入导 叶，为非对称入流，加重了导叶的负担， 因此在非蜗形流道处，固定导叶断面形状 常需特殊设计。
四、蜗壳的水力计算
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
水电站机电设备之第二章讲解
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
2、蜗壳的断面形式 金属蜗壳：圆形（进口断面） 椭圆形，以改善其受力条件，与蝶形边座 环焊接，=550。 混凝土蜗壳：梯形断面 m≥n：减低厂房高度，缩短主轴长度
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
三、蜗壳的水力计算
水力计算 确定蜗 壳各断面的几何形状和尺 寸 绘制蜗壳平面和断 面单线图。
已知条件：Hr、Qmax、b0、 Da、Db，蜗壳类型， 0 、Vc 。
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
1、蜗壳中的水流运动
V Vr Vu
：
（1）径向分速度
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
4、蜗壳进口断面的平均流速 Vc
1 Vc Ac
，对于相同的过流量，Vc 大，则蜗壳断面
小，但水力损失增大。由水轮机设计水头Hr从图2-8
中查取。
一般情况下，可取图中的中间值；金属或钢衬混 凝土蜗壳，可取上限值；布置不受限制时可取下限值。 但 ≥引V水c 道中的流速。
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
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 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 0 代入 Q0 , 0 , a0和R0值，即得。
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
注：a、一般以45o间隔选取不同断面计算 ； b、接近鼻端应以等面积原则修正为椭圆。
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。
水电站第2章
s
pa
pB
H
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管及气蚀
第四节 水轮机的吸出高度及安装高程
其中：
（1）水轮机安装位置的大气压：
pa 900
10 . 33
( mH
2
O)
（2）考虑到水电站压力管道中的水温一般为520 C，
Qi Q max i 360
0
近似取断面i的面积为圆形断面面积， 则据假定2及上式得该断面的尺寸：
i
Qi Q max i 360
0
Vc
Vc
a i ra i R i ra 2 i
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管及气蚀
第一节 蜗壳的型式及其主要参数选择
（2）蜗壳进口断面的尺寸 将i=0代入以上各式即可确定进口断面的各尺寸。 （3）绘制蜗壳单线图 按一定的中心角间隔，绘制蜗壳平面及断面单线图。
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管及气蚀
第三节 水轮机的气蚀及气蚀系数
四、水轮机气蚀的防护
1．设计制造：采用合理的翼型；提高翼型曲线的加工精度 和叶片表面的光洁度；选用耐蚀、耐磨性能 较好的材料等。 2．运行维护：拟定合理的水电站运行方式；在尾水管进口 补气等。 3．工程措施：选择合理的水轮机安装高程；设置沉沙、排 沙设施等。
D a b0
常数
径向各点Vu分布规律的两种假定：
假定 1： V u r K
假定 2： V u C V c
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管及气蚀
第一节 蜗壳的型式及其主要参数选择
2. 金属蜗壳的水力计算
（1）蜗壳任一断面的尺寸 为保证水流从四周均匀进入导水机构，通过任一断面i的流量：
蜗壳及尾水管尺寸
蜗壳平面单线图
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
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
一、蜗壳的断面型式
金属蜗壳 混凝土蜗壳
蜗壳及尾水管的尺寸
蜗壳的中间断面
蜗壳及尾水管的尺寸
二、蜗壳的参数
1、尺寸参数
蜗壳的尺寸参数
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
鼻端
蜗壳的包角
蜗壳及尾水管的尺寸
二、蜗壳的参数
2、包角
蜗壳包角
蜗壳及尾水管的尺寸
二、蜗壳的参数
3、进口流速
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蜗壳及尾来自管的尺寸三、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
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
蜗壳及尾水管的尺寸
三、蜗壳水力计算
2、计算原理
水轮机4部件及作用
使水轮机多利用一部分位置水头；
由于尾水管出口截面变大，降低了出口流速，
减少了水轮机出口动能损失，
使转轮出口的动能恢复为动力真空，
使水轮机多利用一部分水流动能，
从而提高了水轮机的效率。
励磁系统的作用：
主要作用是给同步发电机的转子提供励磁电流。作用体现在以下几个方面：
二、电压互感器和电流互感器的原理：
电流互感器的工作原理相当于2次侧短路的变压器，用来变流，
在二次侧接入电流表测量电流(可以串联多个电流表)。电流互感器的二次侧不能开路。
电压互感器的工作原理相当于2次侧开路的变压器，用来变压，
在二次侧接入电压表测量电压(可以并联多个电压表)。电压互感器的二次侧不能短路。
（1） 调节励磁，维持机端或系统中某一点的电压在给定的水平；
（2） 调节励磁，可以改变发电机无功功率的数值，可使并联运行机组间的无功功率合理分配；
（3） 采用完善的励磁系统及其自动调节装置，可以提高输送功率极限，扩大静态稳定运行的范围；
（4） 发生短路时，强励有利于提高动态稳定能力；
引水部件（蜗壳），导水部件（导叶），工作部件（转轮），泄水部件（尾水管）
作用：（1）、蜗壳：保证把来自压力水管的水流以较小的水流损失，
均匀、轴对称地引入导水机构，使转轮四周所受的水流作用力均匀；
使水流产生一定的旋转量（环速度和方向引入转轮，
2、将一次系统的高电压、大电流变换为二次侧的低电压（标准值100V、100/根号3V）、
小电流（标准值5A、1A），使测量、计量仪表和继电器等装置标准化、小型化，
并降低了对二次设备的绝缘要求；
3、将二次测设备以及二次系统与一次系统高压设备在电气方面很好地隔离，
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
水轮机选型及蜗壳尾水管设计
图1
图2
(6) 运转综合特性曲线的绘制
以水头为纵坐标，出力为横坐标，绘出坐标系。 见图2。 在图2上绘出几个特征水头的水平线。 在图1上选取几个整数效率值，画出水平线，与辅 助曲线形成一些交点。
B，即为H<Hr时的出力限
制线。
2. 出力限制线的绘制
① 根据表中三个水头下所得到的出力，可以在运转综合特 性曲线上绘出三个点。连接着三个点即可得到斜向阴影 线。
② 在高水头下，水轮机的出力受发电机最大限制出力的限
制，作竖向阴影线N=Nf。 ③ 整个出力限制线由两部分组成：N=Nf的竖直线段和三个
M n1
N ηM Q'1
nD1 n1 H
η
nD1 n1 H
η
nD1 n1 H
η
nD1 n1 H
η N
Q'1
Q'1
5%出力限制 线
① 为了保证绘制运转综合特性曲线的精确性，在H、 N网格上至少绘出三个水头，其中包括Hmax、Hmin 和Hr(或Hav)。对每一个水头，计算出对应的n'1。 ② 在轮系综合特性曲线上绘制n'1的水平线，并查出其 与等效率线交点的坐标(η M, Q'1)； ③ 计算出原型水轮机的效率； ④ 按照公式N=9.81Q'1D12H3/2η 计算水轮机的出力；
三、所需要的有关资料
1. 水轮机产品技术资料：系列型谱、生产厂家、产品目 录、模型综合特性曲线。 2. 水电站技术资料：河流梯级开发方案、水库的调节性 能、水电站布置方案、地形、地质、水质、泥沙情况、 总装机容量、水电站运输、安装技术条件；水文资料： 特征流量及特征水头、下游水位流量关系曲线。 3. 水电站有关经济资料：机电设备价格、工程单价、年 运行费等。 4. 电力系统资料：系统负荷构成，水电站的作用及运行 方式等。
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、尾水管
绘制蜗壳单线图 1、蜗壳的型式型式：由于水电站特征水头大于40米，所以选用断面形状为圆形的金属蜗壳。
2、蜗壳主要参数的选择（主要参考《水力机械》第二版，水利水电出版社） 依据《水力机械》第二版P98知圆断面金属蜗壳的进口断面的包角︒︒=345ϕ； 蜗壳进口断面的流量s m 3.373453609.38360Q Q 3max c =⨯==︒︒ϕ，设计水头=46.2m 。
查《水力机械》第二版P99图4—30(a)曲线得C V =6.15m/s 。
依据水轮机的型号HL220—LJ —225知《水力机械》第二版P162的附表五得：当水轮机的转轮直径D 1=2250mm 时，金属蜗壳的座环外径为mm 3850D a =，座环内径为mm 3250D b =。
因此此金属蜗壳的座环外半径为a r =1925mm ， 金属蜗壳座环的内半径为b r =1625mm 。
座环示意图如图所示：3、蜗壳的水力计算（1）对于蜗壳进口断面：依据《水力机械》第二版P100计算如下：断面的面积：2c c c 065.615.63.37V F m Q ===断面的半径：390.114.3065.6max ===πρcF m 从轴中心线到蜗壳外缘的半径：m r a 705.4390.12925.12R max max =⨯+=+=ρ （2）、对于中间任一断面（规范）设i ϕ为从蜗壳鼻端起算至计算断面i 处的包角，则该计算断面处： 0i i max Q =/360Q ϕ（） i a i R =r +2ρ i m a x i C =Q /360V ρϕπ（）分别取i ϕ为0003075.....345、列表计算如下：i ϕ ρi Ri0.000 0.000 1.925 15.000 0.290 2.504 30.000 0.410 2.744 45.000 0.502 2.929 60.000 0.579 3.084 75.000 0.648 3.221 90.000 0.710 3.344 105.000 0.767 3.458 120.000 0.819 3.564 135.000 0.869 3.663 150.000 0.916 3.757 165.000 0.961 3.847 180.000 1.004 3.932 195.000 1.045 4.014 210.000 1.084 4.093 225.000 1.122 4.169 240.000 1.159 4.243 255.000 1.195 4.314 270.000 1.229 4.383 285.000 1.263 4.451 300.000 1.296 4.516 315.000 1.328 4.580 330.000 1.359 4.643 345.000 1.3894.705尾水管单线图的绘制根据前面已知的资料，结合水轮机的型号HL220—LJ —225，参考《水力机械》第二版可知：选用水轮机的标称直径为1 2.25D m =，当水轮机的出口直径21D D >的混流式水轮机，由《水力机械》第二版表4-17知： 当11D m =hL 5B 4D 4h 6h 1L 5h 2.64.52.7201.351.350.6751.821.22当1 2.25D m =时，h L 5B 4D 4h 6h 1L 5h 5.8510.1256.123.0383.0381.5194.0952.745为了减少尾水管的开挖深度，采用弯肘形尾水管，弯肘形尾水管由进口直段、肘管和出口扩散段三部分组成。
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。
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D 1查[1].P 128页表2—16得： 座环出口直径:()()mm D b 27252600180019001800200026002850=+---=座环进口直径:()()mm D a 32503100180019001800200031003400=+---=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()m k D r a D 725.11.0225.32=+=+=5.蝶形边高度h()m k b h 29.055tan 1.0276.0tan 20=+=+=ϕ 6.蜗壳圆形断面和椭圆形断面界定值s()m h s 51.055cos 29.055cos ==7.座环蝶形边斜线L()m hL 354.055sin ==8.座环蝶形边锥角顶点至水轮机轴线的距离()m a h r r D 522.155tan 29.0725.1tan 1=+=+=二.蜗壳进口断面参数计算1.蜗壳进口流量Q 0的计算由HLD10运转综合特性曲线查得: Pr =35833.3(kW)、Hr =158.75（m ）、ηT =0.905)/(4.25905.075.15881.93.3583381.93s m H P Q T r r r =⨯⨯==η)/(3.244.25360345360300s m Q Q r =⨯==ϕ 2.蜗壳进口断面面积F 0的计算)(2.2113.242000m v Q F ===根据水头查设计手册图2—21得：v 0=11m/s 3.蜗壳进口断面半径ρ0的计算)(84.014.32.200m F ===πρ4.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 =2.725m)(5.229.084.0725.1222200m h r a D =-+=-+=ρ5.蜗壳系数C 的计算()230020200202000=--=⇒--=ρϑρϑa a C a a C6.进口断面外半径R 0()m a R 34.384.05.2000=+=+=ρ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。
尾水管资料
二、压力脉动引起的机组振动
1．尾水管中的压力脉动 尾水管内产生压力脉动的原因，是由于在尾水管
内产生螺旋状空腔涡带，此涡带在尾水管内处在偏心 位置，由于尾水管内压力分布不均匀，所以涡带旋转 时，在尾水管壁的固定点上就形成了周期性的压力脉 动。 尾水管压力脉动的研究, 主要有4种方法: 理论分析; 模型实验; 数值模拟（全流道进行非定常三维湍流数 值模拟）; 真机试验。
2、尾水管补气 其目的在于破坏尾水管的真空，方法有两种：
一是自然补气；二是强迫补气。补气的位置通常是 在直锥段。
应该指出，补气也会引起某些不良现象。例如
，在正常运行工况下，水轮机出力会降低，有时转 轮后面的压力脉动反会增大，此外，已发现补气可 以引起飞逸转速增大。
3、改进结构 改进止漏装置、转轮叶片出水边的形状和厚度
等等的结构。 4、合理安排机组的运行范围 5、对尾水管改型优化设计
三、消除和减轻振动的措施
1、尾水管加导流隔板 因产生偏心涡带的根本原因是转轮出口水流有环
量存在。因此用加隔导流板的办法来消除环流，其 目的在于消除或减弱偏心涡带。导流隔板大概有以 下几种：一是在尾水管直锥段进口部位加置十字形 隔板；二是在直锥段进口管壁加置导流隔板；三是 在弯肘段前后加置导流隔板。
H d
pa
p2
2 2
2g
h0 2 (1)
下面分三种情况来讨论：
（1）转轮出口没有装置尾水管
水轮机没有装置尾水管，转轮出口直接与大气
相通，则
p2 pa
p2 pa 代入（1）式可得转轮所利用的能量为
水电站机电设备之第二章
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
（3）绘制 f ( R ) 辅助曲线
外半径 Ri
ai Ri ra
可求出对应每一个Ri中间断面的尺寸
ai , ni , mi 及 bi b0 ni mi
中间断面面积为
1 2 1 2 Fi ai bi mi tg ni tg 2 2 ( i 1,2 ,.....)
p动力 V22 V52 ( h d ) 2g 2g d 2 V2 V22 2g 2g 显然， 5、h d 越小， d 越大 V
问题： ηd或动力真 空值越大越好吗？
d 0.4 ~ 0.85
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
对于低水头轴流式水轮机，其
2V22
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
④尾水管的高度h：是指水轮机底
环平面至尾水管底板的高度，它
决定尾水管性能的主要参数，直 接影响尾水管效率、厂房土建投
资、机组运行的稳定性。
转桨式水轮机：h≥2.3D1，最低不得小于2.0D1； 高水头混流式水轮机：（D1＞D2），h≥2.2D1； 低水头混流式水轮机：（D1<D2），h≥2.6D1，最低不得小 于2.3D1。
（1）径向分速度 V ： r
Qmax Vr constant Da b0
（水流必须均匀地、 轴对称地进入导水机构）
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
（2）圆周分速度 Vu ：沿径向的变化有两种假定
a. Vu r K（K为蜗壳常数）保证水流环量分布满
足均匀、轴对称的要求
b. Vu C 不能保证水流环量分布满足均匀、轴对 称的要求，影响稳定性，但减小了水头损失。
水轮机的蜗壳尾水管及气蚀课件
尾水管内的压力分布会影响水流速度和能量回收效果，需要对尾水 管内的压力分布进行详细分析，以指导尾水管设计。
04
气蚀现象与防治措施
气蚀现象的产生原因与危害
产生原因
气蚀是由于水流在低压区域产生气泡 ，随后在高压区域破裂的现象。气泡 破裂时产生的冲击力和高温对材料表 面造成破坏。
危害
气蚀会导致材料表面的剥蚀、坑蚀、 疲劳破坏等，严重影响水轮机的性能 和寿命。
气蚀的影响因素与机理
影响因素
水流速度、压力变化、材料性质、气泡大小及数量等。
机理
当水流经过低ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ区域时，溶解在水中的气体析出形成气泡。气泡随水流进入高压 区域后迅速破裂，产生高能冲击和局部高温，对材料表面造成破坏。
气蚀的防治措施与方法
选用抗气蚀性能 良好的材料
采用具有高韧性、高强度和 良好耐蚀性的材料，如不锈 钢、钛合金等，以提高材料 的抗气蚀能力。
长度与转弯半径
蜗壳的长度和转弯半径应 设计得足够大，以减小水 流的速度和涡旋强度，降 低能量损失。
蜗壳的性能分析与优化
压力分布
通过对蜗壳内水流压力分布的分析，可以评估蜗壳设计的合理性， 以及发现可能存在的气蚀风险。
湍流强度
降低蜗壳内的湍流强度有助于提高水轮机的效率，可以通过优化蜗 壳的几何形状和尺寸来实现。
水轮机的故障诊断与预防
振动故障诊断
01
通过对水轮机振动信号的监测和分析，可以判断设备是否存在
故障，以及故障的位置和程度。
气蚀故障诊断
02
气蚀是水轮机的一种常见故障，通过对设备表面的检查和探测
，可以发现气蚀的存在，并及时采取修复措施。
预防性维护
03
蜗壳尾水管设计
蜗壳的型式及主要参数选择一、蜗壳的作用及型式(一) 作用保证把来自压力水管的水流以较小的水流损失，均匀、轴对称地引入导水机构，使转轮四周所受的水流作用力均匀；使水流产生一定的旋转量（环量），以满足转轮的需要。
(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)2. 金属蜗壳● 当H>40m时采用金属蜗壳。
其断面为圆形，适用于中高水头的水轮机。
● 钢板焊接：H=40~200m，钢板拼装焊接。
● 铸钢蜗壳：H>200m时，钢板太厚，不易焊接，与座环一起铸造而成的铸钢蜗壳，其运输困难。
● 二、蜗壳的主要参数● 1.断面型式与断面参数。
● 金属蜗壳：圆形结构参数：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。
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）(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）尾水管的作用、型式及其主要尺寸确定一、尾水管的作用(1) 汇集转轮出口水流，排往下游。
(2) 当Hs>0时，利用静力真空。
(3) 利用动力真空Hd。
二、尾水管型式及其主要尺寸● 尾水管的作用是排水、回收能量。
其型式、尺寸影响、厂房基础开挖、下部块体混凝土尺寸。
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2、金属蜗壳：当H>40m时采用金属蜗壳。其 断面为圆形~椭圆，适用于中高水头的水轮机。 (1) 钢板焊接：H=40~200m，钢板拼装焊接。 (2) 铸钢蜗壳：H>200m时，钢板太厚，不易 焊接，与座环一起铸造而成的铸钢蜗壳，其运 输困难。
三、蜗壳的主要参数
1、断面型式与断面参数 (1) 金属蜗壳：圆形。结构参数：座环外 径、内径、导叶高度、蜗壳断面半径、蜗 壳外缘半径
Qmax Vr Da b0 Da：座环外经
圆周流速Vu的变化规律，有两种基本假定：
(1) 速度矩Vur=Const 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=Const：即假定Vu=Const
四、蜗壳的水力计算
水力计算的目的：确定蜗壳各中间断面的 尺寸，绘出蜗壳单线图，为厂房设计提供 依据。已知：
v v
2 2 2
2 5 5
2g
h25 ) H 2
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Qi 、 Fi、ρi、Ri。
第二节 尾水管的作用、型式及其主要 尺寸确定
尾水管是反击式水轮机的重要过流部件。 其型式、尺寸影响、厂房基础开挖、下部 块体混凝土尺寸。尾水管尺寸越大，η越 高，工程量及投资增大。合理确定是非常 重要的。 一、尾水管的工作原理（作用）
H r , Qmax , b0 , Da , Db ,0 ,Vc
及断面型式下进行(Db座环内径）。 按Vu=Const假定计算(也可按Vur=Const)
1、金属蜗壳水力计算
Qc 0 F Q 360 V c max 0 c (1）蜗壳进口断面： Vc
进口断面半径：
max
2、 蜗壳包角
定义:蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口断面之间 的中心角φ。
(1) 金属蜗壳：φ0=340°~350°，常取 345° φ0大，过流条件好，但平面尺寸增大，厂 房尺寸加大。金属蜗壳的流量小，尺寸小， 一般取较大包角；从构造上讲，最后 100°内，断面演变成为椭圆。
(2)、混凝土蜗壳：Q大，为减小平面尺寸， φ0=180°~270°，一般取180°，一 部分水流未进入蜗形流道，从而减小了蜗 壳进口断面尺寸，这部分水流直接进入导 叶，为非对称入流，加重了导叶的负担， 因此在非蜗形流道处，固口断面流量： Qc max 0 360
Qmax——水轮机的单机最大引用流量。 Vc↑→Fc↓→hw↑；Vc↓→Fc↑→hw↓； 一般由Hr—VC曲线确定VC。(课本图2-8）
三、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Vr、 Vu(课本图2-9）。 进入座环时，按照蜗壳的要求，水流均匀、 轴对称入流的要求，Vr=常数。
（4）具有合理的断面形状和尺寸，以降 低厂房投资及便于导水机构的接力器和传 动机构的布置； （5）具有必要的强度及合适的材料，以 保证结构上的可靠性和抵抗水流的冲刷；
二、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。 (二)、型式 1、混凝土蜗壳：H≦40m。节约钢材， 钢筋混凝土浇筑，“T”形断面。当 H>40m时，可用钢板衬砌防渗。适用于 低水头大流量的水轮机。
无（有）尾水管
1 、无尾水管时
假定转轮出口高出下游尾水面H2(基准面 0—0)。水轮机出口处的总能量损失： 用相对压力表示为(p2=pa)：
E2 p2
H2
2 v2
2 v2
2g
H2 E2
2g
水流出转轮后，进入大气，自由落入下游 水面，H2和出口动能未被利用。
第二章水轮机的蜗壳、尾水管 及气蚀
第一节 蜗壳的型式及其主要参数选择
一、蜗壳设计的基本要求
（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）水流在进入导水机构前应具有一定 的环量，以保证在主要的运行工况下水流 能以较小的冲角进入固定导叶和活动导叶， 减小导水机构的水力损失；
Fc
Qmax 0 0 360 VC
从轴心线到蜗壳外缘半径：
Rmax ra 2 max
(2) 中间任意断面( i
i
360 Q max 0
Fi Qi Qmaxi i 0 Vu 360 Vc
)
Q max i 360 0 VC
Qi
Ri ra 2i
因此，设置尾水管以后，在转轮出口形成了压 力降低，出现了真空现象，真空由两部分组成：
(1) 静力真空：(落差) H2 也称为吸出高度， 2 2 v v (2) 动力真空： 2 2 5 5
Hd
2g
h25
有尾水管后转轮出口(2—2)能量损失：(换掉E2 中P2）
H 2 ( E2
(2) 混凝土蜗壳：“T”形。便于施工和减小其径 向尺寸，降低厂房土建投资有四种型式： (i) n=0：平顶蜗壳。特点：接力器布置方便， 减小下部混凝土，但水流条件不太好。 (iii) m>n: δ=20°~30°γ=10°~20°。 (iv) m≤n:δ=20°~30°，γ=20°~35°。 m=n时，称为对称型式。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。 m>n 和m=n较常用。
2、 有尾水管时(设有一圆锥形尾水管)
尾水管的出口在水面以下，尾水管的全部保持 密闭)，由2—2到5—5断面间的能量方程：
p2
H2
2 2 v2
2g
p5
H5
2 5v5
2g
h25
简化为：(p2)
p2
H 2 (
2 2 2 v2 5 v5
2g
h25 )