水轮机的蜗壳、尾水管讲述

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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

B5很大时，加隔墩d5=(0.1~0.15) B5
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

H
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：

水电站水轮机尾水管、蜗壳和机墩施工质量控制——以六堡水电站为例

蜗壳顶板受力比较复杂，计钢筋直径较大而且排间距较设
小，两层钢筋，进水口水下墙、机墩预埋钢筋较多，安装难度较
大。注意机墩下部钢筋和蜗壳顶盖钢筋焊接，顶盖重量大、受力复杂，浇筑前检查排架、模板的强度和刚度，确保施工安全。同时顶盖施工要与周边同步互相协调，保证整体性和连接性。
点和值得借鉴的施工经验。
关键词：电站；壳：水管机墩施工水蜗尾ｄｉ０３６／ｉｎ１０ — ５４０２６２ｏ：．９．ｓ．６８５．１．．５１９ｊｓ０２００
１六堡水电站施工
水管钢筋与间墙钢筋焊接，检查尾水排水预埋管安装位置是否
参考文献：
埋与机座座环底部连接的螺栓，待砼有一定的强度后，再安装
座环，座环底部和转轮室套壁内采用人工捣插侧面敲击，外壁用振捣器振动等方法使机座壁内砼密实，足设计要求。满
机墩上部的下支架基础螺栓预留孑和定子基础预留螺栓Ｌ
孔，待下支架和定子调试检测合格后，采用细石砼，３掺％的彭
２结语
电快报．０９６．２０（）
『唐红．２１小型水电站技术改造中应注意的几个ｆ题［．肃水－Ｊ甘Ｉ］
利水电技术．０６１．２０（）ｆ赵林明，陈辉，３］徐王利英，．轮机尾水管压力脉动分析等水
已不正常，则应检查站用配电屏的负荷开关、接触器、熔断器，检查所用变高压熔断器等情况，对发现的问题作相应处理。③ 检查冷却控制箱各负荷开关、接触器、断器、熔热继电器等工作状态是否正常，若有问题，即处理或手动复归。立

水轮机4部件及作用

从而可利用转轮高出下游水面的水头，
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

水轮机的工作原理

第一节水流在反击式水轮机转轮中的运动一、复杂的空间非恒定流水轮机内的水流运动是复杂的空间非恒定流1) 水头、流量在不断变化2) 叶片形状为空间扭曲面，水流在两叶片之间的流道内为复合运动，流速的大小、方向在不断地变化，而转轮本身也在运动。

二、恒定流状态水轮机在某一工作状况时，(H、Q、N、η不变)，水流在水轮机的蜗壳、导水叶及尾水管中的流动是恒定流。

水流在转轮内的流动相对于转轮旋转坐标而言，也是恒定流。

水流在转轮中的运动非常复杂，上述假定可以简化分析。

三、水流运动是空间三元流水流运动规律用速度三角形表达=V+WUV——水流绝对流速（相对于地球）U——水流随转轮旋转牵连流速W——水流沿叶片流动的相对流速用速度三角形分析水流运动的方法是研究转轮流速场的重要方法。

对于混流式水轮机，可以认为任一水流质点在转轮中的运动是沿着某一喇叭形的空间曲面(称之为流面)而作的螺旋形曲线运动。

流面即由某一流线绕主轴旋转而成的回旋曲面。

在整个转轮流道内有无数个这样的流面。

流面上每一个进口点的速度三角形是相同的；每一个出口点的速度三角形也是相同的。

根据恒定流假定可知，任一水流质点在转轮进口的运动状态及其流动到转轮出口的运动状态可由同一时刻该流面上任意进、出口点的速度三角形表示。

速度与分速度的空间矢量关系第二节水轮机工作的基本方程式一、动量矩定理单位时间内水流对转轮的动量矩改变，应等于作用在该水流上的外力的力矩总和。

即：)(2211r V r V gQ M u u e-=γ其中M 为水流对转轮的力矩，方程右端为水流本身速度矩的变化。

该式表达了水轮机中水流能量转换为旋转机械能的平衡关系。

二、水轮机的基本方程在稳定工况下(n 、Q 、H 均不变)，转轮内的水流运动时相对的恒定流，因此转轮的出力为：ϖγϖ)(2211r V r V gQ M N u u ee -==)(2211u u eV U V U gQ -=γs e e H Q N ηγ=所以，水轮机的基本方程为：2211u u s V U V U g H -=η该方程式对反击式、冲击式水轮机均适用。

水轮机选型及蜗壳尾水管设计

(5) 辅助曲线的绘制：以效率η 为纵坐标，出力N为横坐标，用表中的数据，对每个水头绘制一条工作特性曲线。见图1。
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。

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。

第二章水轮机的蜗壳、尾水管及气蚀

背面一直下降至最低点K点处（pk），然后回升至出口p2
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：

尾水管资料

在直线关闭规律下，无论一相还是末相水击，尾水管真空度均随有效关闭时间丁s增大而减小；但当了Ts的变化导致下游调压室水位变化较大时，真空度值将发生突变。
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

压力分布
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

水轮机工作原理

水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率
1、水力损失和水力效率当水流通过水轮机时，为克服各过流部件的水力阻力而引起的水头损
失称为水力损失。
水力损失包括：从蜗壳进口断面开始，经蜗壳、座环、导水机构、转轮、尾水管直到出口断面所有过流部件的沿程摩擦损失和局部撞击、漩涡、脱流等引起的局部阻力损失，以及尾水管的出口损失（速度水头）。沿程摩擦损失与流速及过流部件的表面粗糙度有关。而局部损失除与流速分布有关外，更主要取决于各过流部件流线形状及运行工况。在水轮机各种损失中，以水力损失最大。
三、转轮中的水流运动水流通过水轮机转轮流道时，一方面沿着弯曲的转轮叶片做相对运动，另一方面又随转轮旋转。因此，转轮中的水流形成一种复杂运动。为简化问题，一般假定转轮叶片数和导叶数为无限多，且水流在水轮机中的运动可做如下假设： ⑴稳定流：认为在水头、流量和转速一定的情况下(即固定工况下)，水流在引水室、导水机构、尾水管中的流动以及在转轮中相对于叶片的流动是稳定的，即不随时间而改变运动状况。 ⑵轴对称流：认为水流对称于水轮机轴线流向导叶和转轮，即导叶周
转轮的力矩关系。水轮机的基本方程式就是在理论上建立这个关系。根据动量矩定理，单位时间内水流质量对定轴的动量矩变化等于作用在该质量上的全部外力对定轴的力矩和，即
Ma
d mV u r dt
式中
Ma——外力矩。
水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率
考虑水流通过转轮时动量矩的变化：在时刻 t ，水流质量充满转轮流道 ABCD ，经过时间 dt 后，这部分质量
水轮机中的水流运动
水轮机各过流部件水流运动的特点一、蜗壳中的水流运动
蜗壳是水流进入水轮机的第一个部件。通过它将水引向导水机构并进