第二章 水轮机的蜗壳,尾水管及气蚀
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
水轮机(泵)气蚀分析及解决方案
水轮机（泵）气蚀分析及解决方案水轮机（泵）汽蚀问题分析：气蚀是与流体力学相关联的一种现象，它受流体力学特性和材料的物理特性制约，为流体机械所特有。
在水流顺着水轮机过流部件表面运动的过程中，由于水的动能和势能转化为机械能而出现局部压力下降，若局部压力低于液体在该温度下的气化压力，则存在于液体内的杂质、微小固体颗粒以及液体与固体接触面缝隙中的气体就会形成气核，气核在液体的低压区内生长，当其核半径R大于临界半径RC时，就会失稳，并很快长成可见的气泡。
这些气泡随着水流运动，同时承受着动水压力和自身的表面张力。
当动水压力超过维持气泡成球状的表面张力时，气泡被迫改变形状而分裂成很多微小气泡。
大量的微小气泡汇聚成群并随着高速水流运动，当它们进入到高压区时便瞬间溃灭。
气泡瞬间溃灭的同时伴随两种性质的水击压力，一种是由于流体力学在瞬间充满该空间而产生的冲击压力，另一种是由于球状气泡自由溃灭所产生的聚能压力。
在气泡溃灭的瞬间这两种水击压力共同形成极高的射流速度，产生对过流边界的高速冲击。
根据特里林的计算，空泡溃灭时最大的压力可达到2200大气压，如果这种压力作用在固体部件表面，就会对其表面产生破坏，这就是气蚀。
气蚀对固体部件表面的破坏产生的原理是非常复杂的，实验证明，气泡的行程、发展和溃灭所产生的水锤效应以每秒十万乃至二十万次的频率进行，使水轮机过流表面局部承受反复的冲击载荷。
在反复的冲击载荷下，金属材料会产生疲劳破坏，这是产生气蚀现象的主要原因。
其次，气泡在压缩时释放出一定的能量，同时，由于水击压力对金属表面的反复冲击而导致局部温度升高，这样气泡中所含的气体就会对金属表面起到氧化作用。
另外，气泡在高温作用下会产生放电现象，即产生电化作用，从而使金属表面发生电解。
因此，气蚀是由上述机械、化学、和电化作用共同产生的结果。
气蚀存在于水泵、水轮机、阀门和闸阀、螺旋桨、航空发动机和清洗设备等。
气蚀破坏可使过流部件表面的光洁度降低，严重时局部被侵蚀成连片的、呈蜂窝状的孔洞，甚至变成海绵状态；气蚀破坏可导致设备使用效率降低，甚至损坏，造成的后果和影响很大。
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。
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，
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
水轮机的吸出高度及安装高程
D1：转轮标称直径，m； X：轴流式水轮机的高度系数。
3、卧轴反击式水轮机：Zs w Hs D1 2
第 四 节第二水章轮水机轮的机吸的蜗出壳高、度尾及水安管和装气高蚀程
4、水斗式水轮机： 立轴： Zs wm hp
卧轴： Zs wm hp D1 2
3、卧轴反击式水轮机：转轮叶片的最高点到设计尾 水位的垂直高度。
第 四 节第二水章轮水机轮的机吸的蜗出壳高、度尾及水安管和装气高蚀程
二、水轮机的安装高程
1、立轴混流式水轮机： Zs w Hs b0 2 （导叶中心的位置高程）
w ：设计尾水位，m ； b0：导叶高度，m 。
第 四 节第二水章轮水机轮的机吸的蜗出壳高、度尾及水安管和装气高蚀程
900
(mH 2O)
▽：水轮机安装位置的海拔高程
第 四 节第二水章轮水机轮的机吸的蜗出壳高、度尾及水安管和装气高蚀程
PB
：汽化压力，水温5℃~20℃，
PB
=0.09~0.24mH2O。
σ：水轮机实际运行的气蚀系数， m 或 K m
（Kσ：气蚀系数的安全系数，取1.1~1.35）
第 四 节第二水章轮水机轮的机吸的蜗出壳高、度尾及水安管和装气高蚀程
一、水轮机的吸出高度HS
通过选择适宜的吸出高度Hs来控制k点的真空值
由
Pk
Pa
Hs
H
pB
可得避免发生翼型气蚀的吸出高度Hs为：
Hs
Pa
PB
H
Pa
：水轮机安装位置的大气压，
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：
水电站教学大纲
《水电站》教学大纲(附: 说明书)河海大学水电系水电站教研室《水电站》教学大纲课程名称：水电站，４个学分预修课程：水力学，结构力学水利水电规划水电站电气设备教授对象：水利水电建筑工程专业本科班水电站教研室编１９９５. ５印一、课程内容第一章水轮机类型及组成部分水轮机主要类型(反击式、冲击式、混流式、轴流式、可逆式等)及其特点。
水轮机工作参数：水头、流量、出力、效率、力矩和转速等。
混流式水轮机主要组成部分：转轮、导水机构、蜗壳、尾水管。
轴流式水轮机主要组成部分：转轮(轮毂、叶片、泄水锥)、导水机构、蜗壳、尾水管。
水斗式水轮机主要组成部分：转轮、喷嘴、折流板。
蜗壳的功用和型式：蜗壳主要参数(包角、进口流速)选择。
蜗壳主要尺寸的确定。
尾水管的功用、类型和主要尺寸的确定。
第二章水轮机工作原理水流在转轮中的运动。
水轮机基本方程。
水轮机能量损失及效率：水力损失及水力效率，机械损失及机械效率，流量损失及流量效率。
水轮机汽蚀的物理过程及类型、翼型汽蚀的特性。
水轮机的汽蚀系数、吸出高度及安装高程。
第三章水轮机的特性及选型水轮机的相似条件：几何相似、运动相似和动力相似。
水轮机的相似定律及相似公式：单位转速、单位流量、比转速。
混流式水轮机主要综合特性曲线：等开度线、等效率线、出力限制线、等汽蚀系数线；轴流式水轮机主要综合特性曲线。
水轮机运转特性曲线、运转特性曲线的绘制、效率修正、飞逸转速。
水轮机台数和型号的确定，用图表选择水轮机主要参数的方法，水轮机选型中方案比较概念。
第四章水轮机调速设备水轮机调节的任务、水轮机调速器的基本原理、调速器的动特性和静特性、调速器的类型。
第五章水电站的典型布置及组成建筑物水电站的典型布置：坝式、河床式、引水式。
水电站的组成建筑物：挡水建筑物、泄水建筑物、水电站进水建筑物、水电站引水建筑物、水电站平水建筑物、发电、受电和配电建筑物、其它建筑物。
第六章水电站的进水建筑物水电站的进水建筑物的功用和要求。
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。
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管及气蚀
V22 2g
减少
2g
四川农业大学水建系
综合1-3得
V22 E ( H d H s ) 2 g h
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： 静力真空：Hs(落差)，也称为吸出高度Hs； 动力真空(转轮出口的部分动能)
四川农业大学水建系
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。
四川农业大学水建系
第三节 水轮机的汽蚀及汽蚀系数
一、汽蚀的概念
1893年，人们首次发现汽蚀现象。之后，对螺旋桨、水轮机 和水泵等水力机械的汽蚀问题进行了大量研究。随着机器越来 越向高速运转方向发展，汽蚀一直是水力机械中很重要的问题。
H kv
四川农业大学水建系
Wk2 W22 V22 Hs ( w ) 2g 2g pa pk
H kv H s hkv
静力真空 Hs是吸出高度，与水轮机的安装高程有关，与
水轮机的型式和性能无关；取决于转轮相对下游水面的位
置高程. H s Z k Z a
有关），一般用动能恢复系数ηw表示
w (
2 2 2 v2 5 v5
2g
h 2 5 ) /
2 2 v2
2g
ηw >0.8 时，效果较好； ≦0.3～0.4时，效果较差。
四川农业大学水建系
二、尾水管型式及其主要尺寸
型式：
直锥形——用于小型水轮机 弯锥形——用于卧轴水轮机
弯肘形——（大中型电站）
四川农业大学水建系
水力机械第二章12讲解
（3）水轮机加权平均水头Hw ：是指在规定的运行条件 下，考虑功率和工作历时的水轮机工作水头的加权平 均值。
（4）水轮机设计水头Hd ：是指水轮机在最高效率点运 行时的工作水头。
（5）水轮机额定水头 Hr ：是指水轮机在额定转速下， 发出额定功率时所需的最小工作水头。
a1= a0
—对于中、高比转速混流式水轮机和轴流式水轮机，从导
叶出口至转轮叶片进口有一定距离，但根据动量矩定理可证明 其速度矩保持不变，由此可推导出
vu1
Q
D1ib0
ctga0
vu1的方向与u1方向相同
（4）转轮叶片出口相对速度 w2的方向 出口相对速度w2 的方向角b2 ，按转轮叶片为无限多、无限
为了研究水流对水轮机主轴产生的作用力矩，可
将绝对速度v 分解成圆周切向分速度 vu 和轴面分 速度 vm ，轴面分速度vm 还可以再分解为径向 分速度 vr 和轴向分速度vz，即
v vr vz vu vm vu
相对速度亦 可做这样的 分解 。
研究水轮机 工作过程最 有意义和最 有代表性的 是转轮进、
方向：与u1和u2的方向垂直
进口：
vm1
Q F1
出口：
Q vm2 F2
式中，F1 和F2分别为转轮叶片进、出口过计算点 的过水断面积，m2。
（3）转轮叶片进口绝对速度 v1 的方向或圆周切向分速度 vu1 的大小和方向
—对于应用水头较高的低比转速混流式水轮机，转轮叶片 进口与导水叶出口相距很近，进口绝对速度 v1 的方向角a1 ，可 以近似的认为等于该工况时导水叶的出口安放角a0，即
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
水轮机的汽蚀系数
式中的P2 ，可用2点和下游水位a点的伯诺 里方程式求得：
由于下游水位处水流的行进速度很小，可以近
似地认为
，则可写出P2 的表达式为：
将(2—32)式代人(2—31)式并整理后得：
由于K、2两点相距很近，Hk - 2，可忽略不计， 则损失主要为尾水管的水力损失h 2-a，可写
为
上式可写为：
，L为尾水管的水力损失系数，则
为了保证水轮机不发生翼型汽蚀，则必须限制 K点的压力PK ，并使其大于或等于水的汽化压力 PB，由此(2-36)式可写为：
在设计水电站时则可采取选择合宜的安装高 程，即选择吸出高 Hs 以达到限制汽蚀的目的，为 此 Hs 应满足：
上式可写为：
当引入安全系数k 时：
一般可取k =1. 1～1. 2。 对立轴混流式水轮机，如前所述应为K点到 下游水面的垂直高度，但K点的位置在计算时很 难确定，同时在工况不同时K点的位置亦有所改 变，所以对不同类型和不同装置方式的水轮机， 工程上作了如下的规定， 如图2—17所示：
第二章 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
第二节 水轮机工作的基本方程式
单位时间内水流流进转轮外缘的动量矩为 ，如图2—2所示，流离转轮内缘的动量
矩
矩的增加
所以在单位时间内水流质量
动量
应等于此质量在转轮出口与
进口间的动量矩之差，即
水流对转轮的作用力矩M，根据作用力与反作 用力的定律，它与上述外力矩Mo在数值上相等而方 向相反，即 M一Mo，则有：
整理后得：
第五节
水轮机的汽蚀
在水轮机的运行和检修中，为了比较和说明水轮机汽蚀 的严重程度，我国采用以单位时间内叶片背面单位面积上的 平均浸蚀深度作为标准，也称为浸蚀指数，用K表示，即
水轮机的气蚀系数
Hs称为静力真空
第 三第二章 节 水轮机的气蚀及气蚀系数 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
Wk2 W22 V22 H kv：k点真空值， H kv H s ( w ) 2g 2g Pa Pk
2 2 2 W W V 2 k点动力真空值， hkv k w 2 2g 2g
混流式水轮机：
• 最低压力Pk是研究翼形气蚀的 控制参数： • K点和叶片出口边2点的相对 运动伯努利方程式
Wk Uk Zk 2g 2ghk 2 2g 2g
2 2
2
第 三第二章 节 水轮机的气蚀及气蚀系数 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
动力压差＞表面
形成巨大的冲击压力或高速射流 机械剥蚀（主要）+氧化腐蚀
第 三第二章 节 水轮机的气蚀及气蚀系数 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
气蚀的破坏作用：
1、破坏水轮机的过流部件
2、降低水轮机的出力和效率 3、气蚀严重时，可能使机组发生强烈的振动、噪 音及负荷波动，导致机组不能安全稳定运行。 4、缩短了机组的检修周期，增加了机组检修的复 杂性。
5、尾水管长度加长，因厂房布置需要。 注意防止抬机（甩负荷时，尾水管 水倒流的力量使得机组转动部分抬 高上升）。 轴流式水轮机尤甚
第二节 尾水管的作用、型式及其主要尺寸的确定 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
四、尾水管尺寸确定
1、确定转轮直径；
2、选择尾水管型式； 3、初步确定尾水管主要尺寸 • 按模型尺寸放大； • 查表确定；
从而可得
P2
V22 Z2 (1 w ) 2g Pa
Pk
Wk2 W22 V22 Hs ( w ) 2g 2g Pa
或写成
东农大水电站网上作业题
东北农业大学网络教育学院水电站网上作业题第一章 水轮机的类型、构造及工作原理一 名词解释 1.反击式水轮机 2.冲击式水轮机 3.HL240—LJ —250 4.2QJ30—W —1021505.尾水管高度6.比转速7.单位流量8.单位转速9.水轮机最优工况 10.水轮机出力 11.设计水头二 填空题1.水电站产生电能的过程是有能水流通过水轮机，将转变，水轮机又带动水轮发电机转动，再将转变为。
2.水轮机是将水能转变为旋转机械能的动力设备。
根据水能转换的特征，可将水轮机分为和两大类。
3.混流式水轮机的转轮直径是指；轴流式水轮机的转轮直径是指。
4.水轮机引水室有与两大类。
5.封闭式进水室中水流不具有自由水面，常见的形式有： 、和 三种。
6.水轮机工作过程中的能量损失主要包括三部分，即 、和。
7.水轮机的总效率η包括 、 、 ，其关系是η=ηj ·ηv ·ηs 。
8.ZZ440---LH---550的含义是。
三选择题1.水流流经混流式水轮机转轮时，水流是（）。
（A ）轴向流入、轴向流出（B ）径向流入，轴向流出（C ）径向流入，径向流出（D ）轴向流入、径向流出 2.叶片角度可以调整的水轮机有（）。
（A ）斜击式与双击式（B ）混流式与双击式 (C)轴流式与斜流式（D ）贯流式与混流式 3.水轮机的工作水头是（）。
（A ）水电站上下游水位差 (B)水轮机进口断面和出口断面单位重量水流的能量差4.水轮机的效率是（）。
（A ）水轮机发电出力与水流出力之比（B ）水轮机出力与水流出力之比5.请选择冲击式水轮机的主要过流部件。
主要过流部件按水流流经方向进行填写，（ ）→（ ）→（ ）→（ ）。
（A ） 转轮 （B ） 蜗壳 （C ） 喷嘴 （D ） 座环与导叶 （E ） 折流板 （F ） 尾水管（G ） 机壳6.水轮机型号选择是在已知（ ）的情况下进行的。
（A ） 机组容量和水头范围 （B ） 机组容量和最大水头 （C ） 机组容量和最小水头 7.请选择下列哪些为反击式水轮机（ ），哪些为冲击式水轮机（ ）。
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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的确定一、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。
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。
(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。
金属蜗壳混凝土蜗壳二、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。
有四种型式：( i ) n=0 ：平顶蜗壳，b/a=1.5—1.7 ，γ =10 °—15 °。
使用较多。
特点：接力器布置方便，减小下部块体混凝土，但水流条件不太好。
( ii ) m=0 ：上伸式：b/a=1.5—1.7 ，δ =30 ° ，厂房开挖量小，采用较少。
( iii ) m>n ， 1.85, 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。
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 °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，断面为椭圆，但仍按圆形计算。
(2) 混凝土蜗壳：Q 大，为减小平面尺寸，φ0 =180 °—270 °，一般取180 °，有时φ0 =135 °，使水轮机布置在机组段中间。
（一大部分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转轮不利）3 、蜗壳进口平均流速：进口断面流量：Qmax ——水轮机的最大引用流量。
Vc ↑→ Fc ↓→ hw ↑；Vc ↓→ Fc ↑→ hw ↓；一般由Hr — VC 曲线确定VC 。
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 。
进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求，Vr = 常数。
圆周流速的变化规律，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 =VC =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：等断面型式下进行：按Vu =VC =Const 假定计算( 也可按Vur=Const)1 、金属蜗壳水力计算(1）蜗壳进口断面：断面半径：从轴心线到蜗壳外缘半径：(2) 中间断面( )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 。
2 混凝土蜗壳的水力计算( 半解析法)(1) 按求进口断面积；(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(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，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。
第二章水轮机的蜗壳，尾水管及气蚀第二节尾水管的型式及其主要尺寸的确定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。
尾水管尺寸越大，η越高，工程量及投资增大。
型式：直锥形、弯锥形、弯肘形（大中型电站）一、直锥形尾水管（小型电站）适用于：卧轴混流式水轮机，布置方便，见图4-34 ，其水头损失大，。
二、弯肘型尾水管大中型水轮机所采用的尾水管，为了减小开挖深度，均采用弯肘型尾水管。
由直锥段、肘管、出口扩散段组成。
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) ，轴流式：与转轮室里衬相连接，D3 =0.937D1 ，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=0.253 、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 肘管高度确定，不易变动。
H 取决于h3 。
h3 大→ hw 小→ηw 大→开挖加大，工程投资大；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-17 、4-186 、尾水管局部尺寸的变更厂房设计中，由于地形、地质条件，布置厂房的原因，在不影响尾水管能量指标的前提下，对选出的尾水管尺寸可作局部变更。
(1) 减小开挖，h 不动，扩散段底板向上倾斜6 °—12 °(2) 大型反击式水轮机，为减小厂房长度，尾水管不对称布置(3) 地下电站：为使岩石稳定，尾水管采用窄深断面(4) 加长h3 、L2第三节水轮机的汽蚀及气蚀系数一、汽蚀概述1、空化(cavitation)及汽化压力(vapouring)的概念水沸腾为汽化，汽化是由气压和水温决定的。
水在一定压力下加温的汽化为沸腾；环境温度不变压力降低引起的汽化叫空化。
在给定温度下，液体开始汽化的临界压力为该温度下的汽化压力(Pb)。
2、水轮机的汽蚀(1)、汽蚀破坏的机理由可知，当V↑→P↓,当P=Pb时，水开始汽化→汽泡（水蒸气+空气）→进入高压区（汽泡时蒸气变成水，汽泡内气体稀薄，出现强大真空，汽泡外面的水流质点在内外压差的作用下急速向汽泡中心压缩、冲击）在汽泡内形成很大的微观水击压力（可达几百大气压）；汽泡产生反作用力向外膨胀，压力升高，水流质点向外冲击。
大量汽泡连续不断地产生与溃灭，水流质点反复冲击，使过流通道的金属表面遭到严重破坏—→机械破坏，叫疲劳剥蚀。
汽泡被压缩，由于体积缩小，汽化破坏时水流质点相互撞击，引起局部升高(300度)，汽泡的氧原子与金属发生化学反应，造成腐蚀；同时由于温度升高，产生电解作用-→化学腐蚀。
(2)、水轮机汽蚀定义汽泡在溃灭过程中，由于汽泡中心压力发生周期性变化，使周围的水流质点发生巨大的反复冲击，对水轮机过流金属表面产生机械剥蚀和化学腐蚀破坏的现象，—水轮机的汽蚀。
二、水轮机汽蚀类型1翼形（叶片）汽蚀：转轮叶片背面出口处产生的汽蚀，与叶片形状、工况有关。
2间隙汽蚀：当水流通过间隙和较小的通道时，局部流速增大，压力降低而产生汽蚀。
3空腔汽蚀：在非最优工况时，水流在尾水管中发生旋转形成一种对称真空涡带，引起尾水管中水流速度和压力脉动，在尾水管进口处产生汽蚀破坏，造成尾水管振动。
4局部汽蚀：在过流部件凹凸不平因脱流而产生的汽蚀。
三、水轮机的汽蚀系数反击式水轮机发生汽蚀破坏的根本原因是过流通道中出现了p<pb的情况，因此防止汽蚀的措施是限制p的降低，使p≥pb。
影响水轮机效率的主要原因是翼型汽蚀，所以衡量水轮机汽蚀性能好坏一般是针对翼型汽蚀而言，其标志为汽蚀系数。
汽蚀系数б是水轮机汽蚀特征的一个标志，б越大，越容易破坏。
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：K点的真空值Hk.v：Hs——叶片K点致下游尾水的距离Hk.v由动力真空与静力真空组成。
静力真空Hs是吸出高度，取决于水轮机的安装高程，与水轮机的性能无关，，动力真空hk与转轮叶型、水轮机工况、尾水管性能有关，因此表明汽蚀性能的只是动力真空：(1)б称水轮机的汽蚀系数，是动力真空的相对值。
(2)б与叶型、工况有关(影响Wk,W2和叶道压力分布)Wk大——W2大——б大。
(3)б与尾水管的性能有关，ηw↑→б↑，汽蚀性能差。
(4)几何形状相似的水轮机，工况相似，б相同；对任一水轮机在既定工况下，б也是定值。
(5)б值影响因素复杂，理论难以确定，广泛使用的方法是进行水轮机模型试验得出бm,并认为б=бm。
四、汽蚀造成的危害1使过流部件机械强度降低，严重时整个部件破坏。
2增加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降低，流量减小，出力下降。
3机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏。
五、防止汽蚀措施流速和压力是产生汽蚀最重要的两个原因，因此要控制流速和压力的急剧变化。
1设计制造方面：合理选型，叶型流线设计，表面光滑，抗汽蚀钢衬(不锈钢)。
2工程措施：合理选择安装高程，采取防沙、排沙措施，防止泥沙进入水轮机。
3运行方面：避开低负荷、低水头运行，合理调度，必要时在尾水管补气。
第四节水轮机的吸出高度及安装高程一、水轮机的吸出高度保证水轮机内不发生汽蚀的条件：pk≥pb由工况一定，бH 一定，因此，选择限制pk降低。
则：或水轮机吸出高度Hs是转轮叶片压力最低点到下游水面的垂直高度Zk，但一般K点较难确定，并随工况而改变，规定如下：(1)立轴混流式水轮机：Hs导叶下部底环平面到下游尾水垂直高度(2)立轴轴流式水轮机：Hs转轮叶片轴线到下游尾水垂直高度(3)卧轴贯流式水轮机：Hs叶片出口最高点到下游尾水垂直高度(4)设计尾水位高于上述高程Hs为负，反之为正(5)为保证水轮机在运行中不发生汽蚀，对各种工况下Hs进行试验，取其中较小值。