第3章 水轮机结构(蜗壳及尾水管)(参考研究)
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转轮出口的真空度和机组的抬机可能性。
25
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)
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，
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。
(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。
16
第五节 尾水管的型式及其主要尺寸
5.推荐尾水管尺寸：表4-15。
24
6.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、L(目前国内最长取到L=108D1)，但需要论证
数。
Vr
Qmax
Da b0
10
圆周流速Vu的变化规律，有两种基本假定： (1) 速度矩Vur= C 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=C：即假定Vu=VC=C
11
3. 蜗壳的水力计算按(Vu=VC=C) （1）金属蜗壳水力计算
1. 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：H r ,Qmax, b0 , Da , Db ,0 ,Vc
2. 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
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
23
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。
2
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。
3
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。
大部分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转轮 不利）
7
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↓；
Qc
Qmax 360
0
一般由Hr~VC曲线确定VC
V c c Hr
8
金属蜗壳流速系数
混凝土蜗壳进口断面流速系数
9
三、蜗壳的水力计算
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 (hc)： 高/宽=0.25。
22
3、出口扩散段： ❖ 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。
一、尾水管型式 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）
17
常见尾水管的形式
来自百度文库直锥形
18
常见尾水管的形式
弯锥形
弯肘形
19
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。
轴流式水轮机
20
混流式水轮机
12
(i) 蜗壳进口断面：
Fc
Qc Vc
Qmax0
360 0Vc
❖断面半径： max
Fc
Qmax 0 3600VC
❖ 从轴心线到蜗壳外缘半径：
Rmax ra 2 max
13
(ii) 中间断面( i)
Qi
i
3600
Qmax
Fi
Qi Vu
Q m a x i
360 0Vc
i
Qm ax i 3600VC
4
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。
5
蜗壳中间断面
金属蜗壳
混凝土蜗壳
6
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
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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。
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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)
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，
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。
(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。
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第五节 尾水管的型式及其主要尺寸
5.推荐尾水管尺寸：表4-15。
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6.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、L(目前国内最长取到L=108D1)，但需要论证
数。
Vr
Qmax
Da b0
10
圆周流速Vu的变化规律，有两种基本假定： (1) 速度矩Vur= C 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=C：即假定Vu=VC=C
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3. 蜗壳的水力计算按(Vu=VC=C) （1）金属蜗壳水力计算
1. 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：H r ,Qmax, b0 , Da , Db ,0 ,Vc
2. 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
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。
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(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
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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。
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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，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。
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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。
大部分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转轮 不利）
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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↓；
Qc
Qmax 360
0
一般由Hr~VC曲线确定VC
V c c Hr
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金属蜗壳流速系数
混凝土蜗壳进口断面流速系数
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三、蜗壳的水力计算
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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。
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3、出口扩散段： ❖ 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。
一、尾水管型式 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）
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常见尾水管的形式
来自百度文库直锥形
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常见尾水管的形式
弯锥形
弯肘形
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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。
轴流式水轮机
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混流式水轮机
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(i) 蜗壳进口断面：
Fc
Qc Vc
Qmax0
360 0Vc
❖断面半径： max
Fc
Qmax 0 3600VC
❖ 从轴心线到蜗壳外缘半径：
Rmax ra 2 max
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(ii) 中间断面( i)
Qi
i
3600
Qmax
Fi
Qi Vu
Q m a x i
360 0Vc
i
Qm ax i 3600VC
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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。
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蜗壳中间断面
金属蜗壳
混凝土蜗壳
6
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