水轮机的蜗壳

转轮所获得能量等于转轮进出口之间的能量差： 转轮所获得能量等于转轮进出口之间的能量差：
E = E1 − E2 = ( H1 +
1.无尾水管时：E 1 = ( H 1 + 1.无尾水管时： 无尾水管时
pa
pa
γ
) − E2
E2 A = H2 + pa
γ
)
γ
+
α2V22
2g
转轮获得能量： 转轮获得能量：
Hd =
α 2V 22 − α 5V 52
2g
− ∆ h2 − 5
3. 尾水管的作用
(1) 汇集转轮出口水流，排往下游。 汇集转轮出口水流，排往下游。 (2) 当Hs>0时，利用静力真空。 时 利用静力真空。 (3) 利用动力真空 d。 利用动力真空H
尾水管的动能恢复系数
尾水管的静力真空H 取决于水轮机的安装高程， 尾水管的静力真空 s取决于水轮机的安装高程，与尾水管的性能无 衡量尾水管性能好坏的标志是恢复动能的程度（ 关；衡量尾水管性能好坏的标志是恢复动能的程度（与尾水管尺寸 有关），一般用动能恢复系数η 有关），一般用动能恢复系数 w表示 ），一般用动能恢复系数
5.推荐尾水管尺寸：表2-1 推荐尾水管尺寸： 推荐尾水管尺寸
6.尾水管局部尺寸的变更 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， 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， 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。 作局部变更。 (1) 减小开挖，h不动，扩散段底板向上倾斜 °~12° 减小开挖， 不动 扩散段底板向上倾斜6° 不动， ° (2) 大型反击式水轮机，为减小厂房长度，尾水管不对称 大型反击式水轮机，为减小厂房长度， 布置 (3) 地下电站：为使岩石稳定，尾水管采用窄深断面 地下电站：为使岩石稳定， (4) 加长 3、L2 加长h
V
r
Q max = π D ab0
圆周流速V 的变化规律，有两种基本假定： 圆周流速 u的变化规律，有两种基本假定： (1) 速度矩 ur= C 速度矩V 假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流，忽 假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流， 性及摩擦力， 会随r的增加而减小 的增加而减小。 略粘 性及摩擦力，Vu会随 的增加而减小。 (2) 圆周流速 u=C：即假定 u=VC=C 圆周流速V ：即假定V
EA = E1 − E2 A = H1 − ( H2 +
pa )
α2V22
2g
)
p2 α2V2 + γ 2g
2
设尾水管时： 2 . 设尾水管时： E 1 = ( H 1 + 根据2 Leabharlann Baidu据2-2至5-5断面能量方程： 断面能量方程：
γ
E2B = H2 +
p2
γ
+ H2 +
α 2V22
2g
=
pa
γ
+
α 5V52
2g
+ ∆ h2 − 5
p2 pa α 2V 22 − α 5V 52 可得： 可得： = − H2 − ( − ∆ h2 − 5 ) γ γ 2g
设尾水管后，转轮所获得能量： 设尾水管后，转轮所获得能量：
E B = E1 − E 2 B = H 1 − (
水轮机多获得的能量： 水轮机多获得的能量：
4.尾水管的高度与水平长度 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。 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， 由转轮结构确定; 肘管高度确定， 不易变动。 不易变动。 H取决于 3。h3大→hw小→ηw大→开挖加大，工程投资大； 取决于h 开挖加大， 取决于 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 ：机组中心到尾水管出口， 大 出大→V出小 出小→ηw大 出大 出小 →hf大→厂房尺寸加大，一般L=( 3.5～4.5) D1。 厂房尺寸加大，一般 ～ 厂房尺寸加大
蜗壳的水力计算按(V 2. 蜗壳的水力计算按 u=VC=C)
金属蜗壳水力计算
(1）蜗壳进口断面： (1）蜗壳进口断面：
Qc Fc = = Q max φ 0 360 0 V c Vc
断面半径： 断面半径：
ρ
max
=
Fc
π
=
Q max φ 0 360 0 V C π
从轴心线到蜗壳外缘半径： 从轴心线到蜗壳外缘半径：
3、蜗壳进口平均流速： 、蜗壳进口平均流速： 进口断面流量
Q max Qc = φ0 o 360
Qmax——水轮机的最大引用流量。 水轮机的最大引用流量。 水轮机的最大引用流量 Vc↑→Fc↓→hw↑；Vc↓→Fc↑→hw↓； ； ；
V c= α c H r
曲线确定V 一般由H 一般由 r~VC曲线确定 C
水轮机的蜗壳、 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管及汽蚀 第一节 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， 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。 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。 设置在尾水管末端。
α 2V2 2
2g
+ ∆ h2 − 5 )
∆E = EB − EA = H2 + (
α V −α V
2 2 2
2 5 5
2g
− ∆h2−5)
设置尾水管以后，在转轮出口形成了压力降低， 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： 真空现象，真空由两部分组成： 静力真空： 落差) 静力真空：H2(落差)，也称为吸出高度Hs； 动力真空(转轮出口的部分动能) 动力真空(转轮出口的部分动能)
弯肘型尾水管
减小厂房开挖深度，水力性能好， 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。 弯肘型尾水管。 组成：直锥段、肘管、出口扩散段。 组成：直锥段、肘管、出口扩散段。
1. 进口直锥段： 进口直锥段： 进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管， 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， 为锥管单边扩散角 为锥管单边扩散角。 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 转轮出口直径)， 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， 轴流式：与转轮室里衬相连接， θ=8°~ 10°。 ° ° h3——直锥段高度，其长度增加将会导致开挖 直锥段高度， 直锥段高度 量增加。一般在直锥段加钢板衬。 量增加。一般在直锥段加钢板衬。
ηw = (
α v −α v
2 2 2
2 5 5
2g
− h 2 −5 ) /
α v
2 2 2
2g
= Hd /
2 α 2 v2
2g
ηw >0.8 时，效果较好；≦0.3～0.4时，效果较差。 效果较好； ～ 时 效果较差。
η
w
= 1 − ξ
w
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 尾水管的作用是排水、回收能量。其型式、 影响、厂房基础开挖、下部块体混凝土尺寸。 影响、厂房基础开挖、下部块体混凝土尺寸。 尾水管尺寸越大， 越高，工程量及投资增大。 尾水管尺寸越大，η越高，工程量及投资增大。 型式： 型式： 直锥形——用于小型水轮机 用于小型水轮机 直锥形 弯锥形——用于卧轴水轮机 弯锥形 用于卧轴水轮机 弯肘形——（大中型电站） （大中型电站） 弯肘形
2.蜗壳包角 2.蜗壳包角
蜗壳末端(鼻端 到蜗壳进口 蜗壳末端 鼻端)到蜗壳进口 鼻端 断面之间的中心角φ 断面之间的中心角 0 (1) 金属蜗壳： 金属蜗壳： φ0=340°~350°,常取 常取345° ° ° 常取 ° (2) 混凝土蜗壳： 混凝土蜗壳： φ0=180°~270°,一般取 ° ° 一般取 180°，一大部分水流直接 ° 进入导叶，为非对称入流， 进入导叶，为非对称入流， 对转轮不利） 对转轮不利）
三、蜗壳的水力计算
水力计算的目的: 水力计算的目的 确定蜗壳各中间断面的尺寸， 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。 线图，为厂房设计提供依据。 已知： 已知：
H r ,Q
max
, b 0 , D a , D b , φ 0 ,V c
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 环流)， 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 之后进入导叶 水流速度分解为Vr、Vu。 水流速度分解为 进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求， 进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求， Vr=常数。 常数。 常数
Rmax = ra + 2 ρ max
中间断面( (2) 中间断面(
Qi =
ρi =
φ = φi
)
φi
360
Qmax 0
Qi Qmaxφi Fi = = 0 Vu 360 Vc
Q maxφ i 360 0 VC π
Ri = ra + 2 ρ i
由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为： 由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为： (a) 确定 0 和VC ； 确定φ (b) 求Fc、ρmax、Rmax； (c) 由φi确定 i、ρi、Ri。 确定F
Qi Q max φ i Fi = = Vu 360 0 V c
绘出F f(Φ)直线 直线。 绘出F = f(Φ)直线。
根据φ 确定F 及断面尺寸，绘出平面单线图。 (6) 根据φi确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。
尾水管的作用、 第二节 尾水管的作用、型式及其主要尺寸确定 一、尾水管的作用
(二) 型式
1. 混凝土蜗壳 适用于低水头大流量的 适用于低水头大流量的 低水头大流量 水轮机。 水轮机。 H≦ H≦40m, 钢筋混凝土 浇筑， 形断面。 浇筑，“T”形断面。 形断面 当H>40m时，可用钢 时 板衬砌防渗(H 板衬砌防渗 达80m)
2. 金属蜗壳
时采用金属蜗壳。 当H>40m时采用金属蜗壳。 时采用金属蜗壳 其断面为圆形，适用于中 其断面为圆形，适用于中 高水头的水轮机。 高水头的水轮机。 的水轮机 钢板焊接：H=40~200m， 钢板焊接： ， 钢板拼装焊接。 钢板拼装焊接。 铸钢蜗壳： 铸钢蜗壳：H>200m时，钢 时 板太厚，不易焊接， 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 1.断面型式与断面参数 金属蜗壳： 金属蜗壳：圆形结构 参数：座环外径、 参数：座环外径、内 导叶高度、 径、导叶高度、蜗壳 断面半径、 断面半径、蜗壳外缘 半径
混凝土蜗壳： 混凝土蜗壳：“T”形。 形 (1) m=n时：称为对称型 时 式 (2) m>n：下伸式 ： (3) m<n ：上伸式 (4) n=0：平顶蜗壳 ： 中间断面： 中间断面： 蜗壳顶点、 蜗壳顶点、底角点的变 化规律按直线或抛物线 确定。 确定。
2. 肘管： 肘管：
90°变断面的弯管，进口为圆形断面，出口为矩形断面。 °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 压力、 曲率半径 小——离心力大 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)： 为减小转弯处的脱流及涡流损失，肘管出口收缩断面 ： 高/宽=0.25 宽 3、出口扩散段： 、出口扩散段： 矩形扩散管，出口宽度 ， 矩形扩散管，出口宽度B5， B5很大时，加隔墩 5=(0.1~0.15) B5 很大时，加隔墩d 顶板 α=10°~13°，底板水平。 ° ° 底板水平。
混凝土蜗壳的水力计算(半解析法 混凝土蜗壳的水力计算 半解析法) 半解析法
按求进口断面积； (1) 按求进口断面积； 根据水电站具体情况选择断面型式，并确定断面尺寸， (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 = F c (3) 选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线)，以虚线 选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线) 表示并画出1 表示并画出1、2、3…….等中间断面。 .等中间断面。 测算出各断面的面积，绘出： f(R)关系曲线 关系曲线。 (4) 测算出各断面的面积，绘出：F = f(R)关系曲线。 (5) 按