计水轮机尾水管回收能量的认识与尾水管简单设计
第七章 水轮机尾水管
第一节 概述
直锥形尾水管
弯管形尾水管
能源动力工程学院 何宝海
第一节 概述
弯肘形尾水管
直锥段
肘管段
水平扩散段
能源动力工程学院 何宝海
第二节 尾水管的作用原理
一、尾水管作用原理
转轮进口的水流能量 转轮出口的水流能量 水轮机利用的能量
E1 H
1
pa
g
v2
2
E2
第七章 水轮机尾水管
第一节 概述 第二节 尾水管的作用原理 第三节 尾水管的选择
能源动力工程学院 何宝海
第一节 概述
一、尾水管的作用
1.将转轮出口水流平顺地引向下游 2.利用转轮出口动能，减少出口动能损失 3.当转轮装在下游水面以上时，利用转轮出口至下游水 面的高程差
二、尾水管的类型
1.直锥形尾水管: 结构简单，制造容易，性能好。 2.弯管形尾水管: 卧式机组。 3.弯肘型尾水管: 减少开挖工作量。性能较直锥形差。
第三节 尾水管的选择
弯肘型尾水管的选择
尾水管的高度、肘管形 式、水平段长度是影响 其性能的主要参数。
尾水管单线图的绘制
能源动力工程学院 何宝海
三、尾水管内的损失
hw v5
2
相对损失
hw v5 hw 2g
2
v5
2
2g
hw v2
2
H
h w 1 w v2
2
由于
2g
hw
2g
1 w 所以，有
2 gH
不同比速水轮机（水头不同），相对损失不同！何宝海 能源动力工程学院
尾水管的作用和原理
尾水管的作用和原理
1. 尾水管安装在水轮机的尾水道中,用于收集和利用水轮机尾水的能量。
2. 水轮机使用水流产生动力时,水流动能没有完全转换为机械能,还有部分残余动能。
3. 尾水管可以收集和利用这部分残余的水流动能,提高水能的利用效率。
4. 水从水轮机排出后速度较大,进入尾水管,对管壁产生动量冲击压力。
5. 这个压力会使管壁变形,通过机械传动装置带动发电机转动发电。
6. 尾水管的橫截面积会逐渐增加,减慢水流,维持压力来驱动管壁运动。
7. 也可以通过调节尾水管出口的断面来控制压力,改变发电量。
8. 尾水管发电方式简单可靠,没有额外水头要求,可以有效发挥残余水能。
9. 但输出功率较小,因此多用作水电站的辅助发电方式。
10. 合理设计尾水管的尺寸、材质、传动等参数,可以提高发电效果。
尾水管选型计算
第三节尾水管选型计算尾水管是水轮机重要通流部件之一，尾水管的作用是将流过水轮机转轮的水引向下游，同时回收一部分水流能量，因此水电站都设有尾水管。
其型式和尺寸对水轮机的效率和运行的稳定性有很大的影响。
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。
弯肘形尾水管的几何形状及主要参数，如图1—2—1所示。
图1—2—1 弯肘形尾水管一、尾水管类型选择尾水管分为直锥形尾水管和弯肘形尾水管两类。
该电站总容量为58.7万KW，为大型水轮机组，如采用直锥形尾水管，将会带来巨大的挖深，因而是不经济的，所以尽管弯肘形尾水管的水里损失大些且水里性能不如直锥形尾水管，但由于挖深较小因而采用弯肘形尾水管。
该电站最高水头为95m，肘管宜设金属里衬。
二、尾水管各部尺寸的选择1．尾水管的高度h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。
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：H＜120 m的混流式及定桨式水轮机，取h≥（2.3～2.7）D，取1 =2.5 4.5=11.25m。
h=2.5D12．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1—2—2所示为4号系列肘管。
图中各部分的尺寸参数列于表1—2—4中。
高清图文+尾水管的作用、型式及其主要尺寸确定
弯肘型尾水管
减小厂房开挖深度，水力性能好，大中型号 水轮机均采用弯肘型尾水管。 组成：直锥段、肘管、出口扩散段。
1. 进口直锥段： 进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管，D3为
直锥管进口直径，θ为锥管单边扩散角。
混流式：直锥管与基础环相接，(转轮出口直
径)， θ=7°~ 9°
轴流式：与转轮室里衬相连接，D3=0.937D1，
尾水管的作用、型式及其主要尺寸确定 一、尾水管的作用
转轮所获得能量等于转轮进出口之间的能量差：
E
E1
E
E2
1.无尾水管时：E 1 ( H 1
pa )
E2 A
H2
pa
2V22
2g
转轮获得能量：
EA
E1
E2 A
H1
(H2
2V22
2g
)
2
.
θ=8°~ 10°。
h3——直锥段高度，其长度增加将会导致开挖 量增加。一般在直锥段加钢板衬。
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(hc)： 高/宽=0.25 3、出口扩散段： 矩形扩散管，出口宽度B5，
E1
E2B
H1
( 2V22
2g
h25 )
水轮机多获得的能量：
E
EB
EA
H2
(2V22 5V52
水轮机尾水管课程设计
水轮机尾水管课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解水轮机尾水管的基本结构及其在水力发电过程中的作用；2. 学生能够掌握水轮机尾水管的设计原理和计算方法；3. 学生能够了解水轮机尾水管对水轮机性能的影响。
技能目标：1. 学生能够运用相关知识对水轮机尾水管进行简单的设计计算；2. 学生能够通过实例分析，评估不同尾水管设计对水轮机效率的影响；3. 学生能够运用绘图软件绘制水轮机尾水管的结构图。
情感态度价值观目标：1. 学生通过学习水轮机尾水管的设计，培养对水利工程建设的兴趣和热情；2. 学生在学习过程中，增强团队协作意识，提高沟通与交流能力；3. 学生能够认识到水轮机尾水管设计的重要性，增强对能源利用和环境保护的意识。
课程性质：本课程为应用实践型课程，以理论教学为基础，注重培养学生的实际操作能力和创新能力。
学生特点：初三学生，具有一定的物理基础和数学计算能力，对水利工程有一定的了解，好奇心强，喜欢动手实践。
教学要求：结合学生特点，采用讲授、实例分析、小组讨论等多种教学方法，引导学生掌握水轮机尾水管的设计原理和方法，提高学生的实际应用能力。
在教学过程中，注重学生的主体地位，激发学生的兴趣和积极性，培养学生的创新思维和团队协作精神。
通过课程学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续相关课程打下坚实基础。
二、教学内容1. 水轮机尾水管的结构与功能：介绍水轮机尾水管的基本结构，包括尾水管、弯头、扩散段等组成部分，分析其功能在水力发电过程中的作用。
2. 水轮机尾水管设计原理：讲解水轮机尾水管的设计原理，涉及流体力学的相关知识，如流速、流量、压力等，以及尾水管尺寸、形状与水轮机性能的关系。
3. 水轮机尾水管设计计算：依据教材相关章节，引导学生学习尾水管设计计算方法，包括流量计算、压力损失计算等，并通过实例进行讲解。
4. 水轮机尾水管对性能影响：分析不同尾水管设计对水轮机效率、稳定性等性能的影响，结合实际工程案例，让学生了解优化设计的重要性。
水轮机尾水管设计原理与应用考核试卷
B.减少水流阻力
C.提高水流速度
D.降低尾水管重量
5.在水轮机尾水管设计中，尾水管直径与水轮机出力的关系是：（）
A.直径越大，出力越小
B.直径越小，出力越小
C.直径与出力成正比
D.直径与出力无关
6.下列哪种尾水管设计可提高水轮机的效率？（）
A.增加尾水管长度
B.减小尾水管直径
C.采用渐缩型尾水管
3.在设计水轮机尾水管时，如何选择合适的尾水管材料和结构形式？请结合实际工程案例进行说明。
4.请阐述水轮机尾水管设计中如何考虑尾水管的安全性和稳定性，并列举出确保尾水管安全运行的主要措施。
标准答案
一、单项选择题
1. A
2. C
3. D
4. D
5. C
6. C
7. B
8. D
9. A
10. C
11. C
D.采用直管型尾水管
7.水轮机尾水管设计中，尾水管出口流速一般应控制在：（）
A. 1~2m/s
B. 2~4m/s
C. 4~6m/s
D. 6~8m/s
8.以下哪个不是尾水管设计中需要避免的问题？（）
A.水流分离
B.水流湍流
C.水流加速
D.水流方向改变
9.在水轮机尾水管设计中，为了防止水流分离，可以采取的措施是：（）
A.水流速度
B.水流方向
C.尾水管材料
D.所有上述因素
18.以下哪个不是水轮机尾水管的结构类型？（）
A.直管型
B.渐缩型
C.扩散型
D.球形
19.在水轮机尾水管设计中，尾水管与水轮机转轮之间的距离应该：（）
A.越大越好
B.越小越好
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。
水电站课程设计1
水电站课程设计一:计算水轮机安装高程参考教材,立轴混流式水轮机的安装高程Z s 的计算方法如下:0/2s s Z H b ω=∇++式中ω∇为设计尾水位,取正常高尾水位1581。
20m ；0b 为导叶高度，1。
5m ；s H 为吸出高度，m 。
其中,10.0()900s m H H σσ∇=--+∆ 式中，∇为水轮机安装位置的海拔高程，在初始计算时可取为下游平均水位的海拔高程，设计取1580m ；m σ为模型气蚀系数，从该型号水轮机模型综合特性曲线(教材P69）查得m σ=0。
20，σ∆为气蚀系数的修正值，可在教材P52页图2—26中查得σ∆=0.029;H 为水轮机水头，一般取为设计水头，本设计取H=38m 。
水头H max 及其对应工况的m σ进行校核计算。
10.0()900s m H H σσ∇=--+∆=10.0-1580900—(0.2+0。
029）⨯38=-0。
458 0/2s s Z H b ω=∇++=1581.20—0。
458+1。
5/2=1581。
49m 。
二：绘制水轮机、蜗壳、尾水管和发电机图2。
1水轮机的计算图1。
1 转轮布置图如图所示,可得HL240具体尺寸：表1.11 转轮参数表2。
2 蜗壳计算进口断面尺寸计算 （1)进口断面流量的确定由资料，该水电站初步设计时确定该电站装机17.6×410kW,电站共设计装4台机组,故每台机组的单机容量为17。
6×410kW ÷4=4.4×410kW 。
由水轮机出力公式:9.81N QH QH ωγ===4.4×410kW 式中:Q 为水轮机设计流量（3/m s ）；H 为设计水头,m ；由设计资料得H=38.0m 。
所以,4×10//=118.039.81 4.4Q N H ω=⨯=（9.8138.0）（3/m s ）进口断面流量计算公式： 00360Q Q ϕ=0360Q Q ϕ==345118.03360⨯=113.11（3/m s ) 式中:ϕ0-蜗壳包角，通常均采用3450Q-水轮机设计流量，Q =118.03m 3/s （2)进口断面流速的确定蜗壳进口断面平均流速可由教材P36(图2-8a,已知设计水头38。
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
水轮机的蜗壳尾水管ppt课件
4H型尾水管几何形状以弯管段最为复杂，体 形如图所示，它是由圆环面(A)、斜圆锥面(B)、 斜平面(C)、水平圆柱面(D)、垂直圆柱面(E)、 立平面(F)及水平面(G)组成
35
3、出口扩散段
矩形扩散管，出口宽度B5=肘管出口宽度B6 顶板 α=10°~13°，L2 = L-L1=(2～
3)D1 底板水平，B5很大时，加隔墩。
9
(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。
10
(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。
w(2v2 22g5v5 2h25)/22g v2 2
ηw >0.8 时，效果较好；≦0.3～0.4时，效果 较差。对于低水头水轮机更有意义。
27
三、尾水管型式及主要尺寸
(一)直锥形、(二)弯锥形
直锥形
28
弯锥形
29
（三）、弯肘形尾水管：大中型水轮机所 采用的尾水管，为了减小开挖深度，均采 用弯肘形尾水管。由直锥段、肘管、出口 扩散段组成。
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。
Vr
Qmax
Da b0
Da：座环外经
14
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
尾水管的作用
一、尾水管得作用尾水管就是反击式水轮机所特有部件，冲击式水轮机无尾水管。
尾水管得性能直接影响到水轮机得效率与稳定性，一般水轮机中均选用经过试验与实践证明性能良好得尾水管。
反击式水轮机尾水管作用如下：1.将转轮出口处得水流引向下游；２.利用下游水面至转轮出口处得高程差，形成转轮出口处得静力真空；３。
利用转轮出口得水流动能,将其转换成为转轮出口处得动力真空。
图5-６９表示三种不同得水轮机装置情况：没有尾水管;具有圆柱形尾水管；具有扩散形尾水管。
图5－69在三种情况下，转轮所能利用得水流能量均可用下式表示(5—3８）式中——转轮前后单位水流得能量差；——转轮进口处得静水头;——大气压力；—-转轮出口处压力;-—转轮出口处水流速度。
在三种情况下，由于转轮出口处得压力及不同,从而引起使转轮前后能量差得变化。
图５—69 尾水管得作用１.没有尾水管时如图5-6９。
转轮出口代入式(5—３8)得（5-39）式（5-39）说明,当没有尾水管时，转轮只利用了电站总水头中得部分,转轮后至下游水面高差没有利用,同时损失掉转轮出口水流得全部功能。
2.具有圆柱形尾水管时如图5-69.为了求得转轮出口处得压力，列出转轮出口断面２及尾水管出口断面5得伯努利方程(5-40）式中——尾水管内得水头损失。
因此上式亦可写成（5—41)式中称为静力真空,就是在圆柱型尾水管作用下利用了所形成。
以值代入式(５-３８），得到采用圆柱型尾水管时,转轮利用得水流能量即（5-4２）从式（５-４２)可见与没有尾水管时相对比较，此时多利用了吸出水头，但动能仍然损失掉了,而且增加了尾水管内得损失,即此时多利用了数值为得能量（静力真空值)。
3。
具有扩散型尾水管时如图5—69。
此时根据伯努利方程可得出：断面2处得真空值为:（5—43)比较式（5-４3）与式（5-41）可见,此时在转轮后面除形成静力真空外，又增加数值为得真空称为动力真空，它就是因尾水管得扩散作用,使转轮出口处得流速由减小到形成得。
2023年一级造价师之建设工程技术与计量(水利)精选试题及答案一
2023年一级造价师之建设工程技术与计量（水利）精选试题及答案一单选题（共30题）1、地下厂房洞室群开挖过程中，（）的施工是地下厂房洞室群的关键，制约着整个施工进度。
A.主.副厂房的施工B.主变压器场C.低压开关站D.高压开关站【答案】 A2、排水设施是土石坝的重要组成部分，在排水型式分类中，（）伸入坝体内部。
A.棱体排水B.贴坡排水C.褥垫排水D.组合式排水【答案】 C3、填筑土石坝的黏性土料含水量偏低，应在（）加水。
A.料场B.运输途中C.填筑坝面D.养护期间【答案】 A4、土的液相指固体颗粒之间的水，分为( ) 和自由水两大类。
A.重力水B.毛细管水C.强结合水D.结合水【答案】 D5、拱坝坝址的地基处理措施不包括（）。
A.固结灌浆和接触灌浆B.基坑排水C.断层破碎带处理D.防渗帷幕【答案】 B6、物料称量系统是影响混凝土质量和混凝土生产成本的关键部件，主要分为骨料称量、粉料称量和液体称量三部分，在50m3/h以上的搅拌站中，多采用各种物料独立称量的方式，水泥称量精度（）。
A.≤0%B.≤0.1%C.≤1.0%D.≤2.0%【答案】 C7、根据施工场地的不同，铲运机常用的开行路线不包括（）。
A.圆形开行路线B.“8”字形开行路线C.大环形开行路线D.连续式开行路线【答案】 A8、下列不属于机电设备安装工程费的是（）。
A.安装前的开箱检查费用B.焊缝检查及处理费用C.仓储保管费用D.主体设备及随机成套供应的管路与附件安装费用【答案】 B9、岩体基本质量分级是根据岩体基本质量的定性特征和（）。
A.岩体基本质量指标B.岩石坚硬程度C.岩体完整程度D.岩石风化程度【答案】 A10、正铲挖掘机不适用于（）。
A.开挖高度大于1m的干燥基坑B. 开挖含水量不大于27%的Ⅰ～Ⅲ类土C. 可以挖掘大型干燥基坑和土丘D. 开挖停机面或地表以上的土【答案】 A11、土石方平衡调配的基本原则不包括（）。
A.料尽其用B.时间匹配C.容量适度D.安排合理【答案】 D12、下列关于造孔成槽的说法正确的是（）。
水轮机的蜗壳、尾水管PPT文档63页
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
水轮机的蜗壳、尾水管
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。—
水轮机的蜗壳、尾水管63页PPT
谢谢！
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
水轮机的蜗壳、尾水管
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46、寓形宇内复几时，曷不委心任去 留。
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47、采菊东篱下，悠然见南山。
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48、啸傲东轩下，聊复得此生。
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49、勤学如春起之苗，不见其增，日 有所长 。
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50、环堵萧然，不蔽风日；短褐穿结 ，箪瓢 屡空， 晏如也 。
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计水轮机尾水管回收能量的认识与尾水管简单设计
对水轮机尾水管回收动能机理的认识一、水轮机的尾水管的作用1、将转轮出口的水流平顺地引向下游.2、利用下游水平面至转轮出口处的高程差，形成转轮出口处的静力真空，从而利用转轮的吸出高度 。
3、回收转轮出口的水流动能，将其转换为转轮出口处的动力真空，减少了转轮出口的动能损失，从而提高水轮机效率。
二、水轮机尾水管的工作原理由能量平衡方程：设转轮所利用的水流能量为ΔE△Ｅ=取2-2断面为基准面，则△Ｅ=() (1）(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，则代入（1）式可得转轮所利用的能量为a p p =2())2(20221-∆+-=∆E h gH d υ（2）转轮出口装置圆柱形尾水管（如图所示）取5—5断面为基准面，对2—2，5—5断面列能量平衡方程式，则：由于圆柱形尾水管出口断面面积相等,代入上式化简得：代入(1）式可得转轮所利用的能量为：(3）转轮出口装置扩散形尾水管同转轮出口装置园柱形尾水管一样列能量平衡方程式,则式中 由于扩散形尾水管，则： =代入（1)式可得转轮所利用的能量为:由以上可以看出：结论： ())2(20221-∆+-=∆E h gH d υ 52255222202-∆+++=+++h g p g p h H s υγυγ())2(50222-∆+-+=∆E h g H H s d υ52255222202-'∆+++=+++h g p g p h H s υγυγ ())2(50253-'∆+-+=∆E h g H H s d υ())2(50222-∆+-+=∆E h g H H s d υ(1)没有装置尾水管时，转轮只利用了电站总水头的部分，同时损失掉转轮出口水流的全部动能(2)装置圆柱形尾水管时，与没有装置尾水管相比,此时转轮多利用了的能量。
这一多出部分称之为静力真空，它是在圆柱形尾水管作用下，转轮出口处不再是大气压而是相应的负压，由于负压存在相当于增加了作用在转轮两端的压力差。
基于相似理论的混流式水轮机尾水管设计
对于混流式水轮机的过流部件-尾水管而言,传统的设计分为两个步骤:(1)以机组的转轮型号为依据,建立尾水管的模型;(2)对模型进行水动试验,确定各断面尺寸。
该方法是基于试验的基础上的,因此,设计出的尾水管具有数据合理、流态良好、效率高等特点。
然而,由于试验本身的复杂性,该方法也存在相应的缺点。
例如,试验设备复杂、造价昂贵、试验周期长等。
针对上述问题,本文以相似理论为基础,直接构建尾水管三维模型,并对模型进行计算机仿真分析,其结果的合理性,为日后同类型产品的设计,提供了一个行之有效的方法。
1相似理论的设计方法相似原则[1]是指组成模型的每个要素必须与原型的对应要素相似,对水轮机而言,主要包括几何相似和动力学相似。
具体体现为由一系列尺寸等参数组成的场对应相似。
在尾水管设计中,也存在不少的电站利用该原则进行肘管断面展开的几何换算。
因此,结合过去对同类型机组(主要指转轮型号相同)的设计范例,其操作流程为:(1)以该电站的转轮型号为依据,参考过去设计且已投入运行的同转轮型号机组,选择与本设计机组的转轮直径偏差小、水头、流量、转速以及效率等参数最为接近的机组为原型机。
(2)以原型机的尾水管各断面尺寸为依据,按照几何相似的公式(1-1)进行等比变换。
D 1D 2=L 1L 2=…L y L m(1-1)(3)将等式变换后的L 2~L m 等断面尺寸,作为模型绘制尺寸。
(4)构建尾水管三维流场模型。
本文以某电站尾水管为例,按照上述操作步骤,构建的尾水管肘管段模型如图1所示。
图1尾水管模型2尾水管流场的计算机仿真2.1湍流模型的确定尾水管的流场分析中,湍流模型采用目前工程中使用最为广泛的标准k-ε双方程模型,其计算公式如下:∂(ρk )∂t +∂(ρku i )∂x i =∂∂x iμ+μt σk ()∂k ∂x i []+G k -ρε(1-2)式中,μt 为湍流涡粘系数,k 为湍流脉动动能,ε为湍流耗散率,G k是由于平均速度梯度引起的湍动能k 的生成项。
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入其中加以考虑并比较，流量值的范围为 2.9 ---7.6 从中选取三个典型流量分别作出它们 的静压、速度云图、以及断面 45°的速度云图和压力云图进行具体的比较。
（1）流量 Q=4 时，两尾水管的流场显示及分析讨论如下
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尾水管中心截面压力云图（左为原型，右为改形后） 图中色阶表示该截面的速度分布，红色为最大。容易发现，经改性后的尾水管流场更均匀， 水流能在扩散段有较好的平稳流动。
fluent 软件来模拟尾水管的流态，通过改变方程中的模拟量，类似于真空度数值
模拟的计算方法来证明尾水管动能回收机理。2.模型试验，采用两个水力效应相
同的弯肘形尾水管，通过控制流场内某些变量（压力……）的大小，实验结果是
没有控制压力得尾水管效率较高，说明了利用静力真空。在我们本科生现有的知
识水平来做这些研究还有很大的难度，只能从学术论文上看别人的来推理一些可
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尾水管流场流线云图 （左为原型，右为改形后） 从该图易见，改型前尾水管内部流体质点运动比较紊乱，极易产生涡流。经改型后，内部 水流大致比较平顺，尽在弯管段外侧以及扩散段上部有一的基本流动理论与计算流体力学和优化方法结合在一起，寻求最优组合。分析 尾水管压力脉动的最终目的是为提高水轮机安全运行提出指导方案和建议。混流式水轮机稳 定性的水力原因是一个有难度的课题，还有许多相关问题值得我们去研究，尤其是对尾水管 压力脉动的理论研究工作。相信以后经过研究人员的努力，在计算机和边缘学科迅速发展的 基础上，尾水管涡带压力脉动的理论研究定将有新的发展。
置通常是在直锥段。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（顶盖密封的梳齿型的止漏装置，活动导叶密封的 L 型止漏装置，）、转
轮叶片出水边的形状（葛洲坝转轮周围的裙边）和厚度等等的结构。 4、合理安排机组的运行范围，水轮机在偏离设计工况下运行，翼型的绕流条件与转轮的
能存在的情况，如果要做，还需对模拟软件，编程，高等数学等学科知识作为铺
垫。
四、查询资料
在水电站运行中，常常出现振动，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。压力脉动对尾水管真空度有着很大的影响，一般来讲， 尾水管压力脉动主要是由部分负荷时尾水管涡带引起的压力脉动。当导叶开度为 0.4 至 0.7 时或者最优流量在在 0.3 至 0.8 的范围内， 此时涡带会经常出现。 而当导叶开度为 0.5 至 0.6 时，处在低负荷载载区，此时产生的压力脉动最为严重。强烈的旋转压力脉动是当机组 实际运行负荷为机组满负荷的 1/3 至 1/5 时，由涡带的旋转导致产生。当机组部分负荷时， 除了尾水管有旋转压力脉动外，有时还可以观察到同步压力波动，如果此时的尾水管涡带的 扰动频率与水路系统的特征频率相符合，那么就会引起严重的压力峰值群，这将强烈导致机 组振动，转轮叶片呈现裂纹，大轴松动，有时还可触发压力钢管破裂。
由能量平衡方程：
设转轮所利用的水流能量为 ΔE △Ｅ= 取 2—2 断面为基准面，则
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△Ｅ=( （1）转轮出口没有装置尾水管
)
(1)
水轮机没有装置尾水管，转轮出口直接与大气相通，则
p2 pa
代入（1）式可得转轮所利用的能量为
1
H d
(
2 2
2g
h02 )
（2）转轮出口装置圆柱形尾水管（如图所示）
作用，转轮出口处的流速由 降低到 ，与没有装置尾水管相比，又多
利用了
部分的能量。这一部分称之为动力真空，它是在扩散形尾水
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管作用下，转轮出口处的流速由 降低到 而形成的。但水轮机转轮出
口的动能损失变为
三、思考
能 否 用 其 他 方 法 来 证 明 尾 水 管 利 用 转 轮 的 静 力 真 空 和 动 力 真 空 ？ 1. 比 如 用
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对水轮机尾水管回收动能机理的认识
一、水轮机的尾水管的作用
1、将转轮出口的水流平顺地引向下游。
2、利用下游水平面至转轮出口处的高程差，形成转轮出口处的静力真空，从而
利用转轮的吸出高度
。
3、回收转轮出口的水流动能，将其转换为转轮出口处的动力真空，减少了转轮
出口的动能损失，从而提高水轮机效率。
二、水轮机尾水管的工作原理
五、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。
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
同转轮出口装置园柱形尾水管一样列能量平衡方程式，则
2
H d
Hs
( 22 2g
h05 )
Hs
h
p2
2 2
2g
0
p5
52
2g
h25
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式中 由于扩散形尾水管
,则：
=
代入（1）式可得转轮所利用的能量为：
3
H d
H
s
(
52 2g
h05 )
由以上可以看出： 结论：
(1) 没有装置尾水管时，转轮只利用了电站总水头的 部分，同时损失掉转轮出
取 5—5 断面为基准面，对 2—2，5—5 断面列能量平衡方程式，
则：
1
H d
(
2 2
2g
h02 )
Hs
h
p2
2 2
2g
0
p5
2 5
2g
h25
由于圆柱形尾水管出口断面面积相等， 代入上式化简得：
代入（1）式可得转轮所利用的能量为：
2
H d
Hs
(
2 2
2g
h05 )
（3）转轮出口装置扩散形尾水管
口水流的全部动能 (2) 装置圆柱形尾水管时，与没有装置尾水管相比，此时转轮多利用了 的能量。
这一多出部分称之为静力真空，它是在圆柱形尾水管作用下，转轮出口处 不再是大气压而是相应的负压，由于负压存在相当于增加了作用在转轮两
端的压力差。但水轮机仍然损失掉转轮出口水流的全部动能 (3) 装置扩散形尾水管时，除多利用了 的能量外，由于尾水管出口断面的扩散
水轮机尾水管涡带研究指的是考虑影响涡带的各种水力因素，其包括水头、开度、空化 系数等，探索涡带的发生的机理。并通过分析涡带的频率和引起的压力脉动的幅值等参数特 性，从而如何控制尾水管涡带的破坏程度。依据当前技术条件局限性，水轮机尾水管涡带的
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研究的水力机械界常用的四种方法：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。计算机技术处理系统自迅速发展以来，理论研究和实验研究 的应用进展不大，但是 CFD 在水力机械技术上的应用研究发展很快、也很成熟。CFD 在独 立数值试验越来越显示出强大的功能和特有的优越性，数值模拟作为主要研究手段之一逐渐 占据水力机械行业的重要地位。理论研究主要是靠的是数学的方法直接求解所研究探索的问 题。理论研究方法主要是揭露物质运动的内在规律使其清晰、普遍的显示出来。水轮机内部 流动极为复杂，特别是针对尾水管中的三维紊流流动，大小涡流再加上空化的影响，还有二 次流，有时候甚至是汽液两相流的交叉影响。
出口条件均会发生较大改变，在叶片进口产生较大冲角；在转轮出口形成较大环量，使尾水 管内形成较强的空腔涡带。当然，实际运行中要有一定的环量，使水不易脱流，降低能量损 失，所以，合理拟定水电厂的运行方式，尽可能避开振动区，并且不让机组在低负荷和超负 荷下长期运行。
5、对尾水管改型优化设计 有关资料研究表明：为了更好的显示原型和改形后尾水管的内部流动，现把流量参量介