水轮机的蜗壳

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。
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
关），一般用动能恢复系数ηw表示
w
(
2
v
2 2
5v52
2g
h
25
)
/
2
2
v
2 2
g
Hd
/
2 v22
2g
ηw >0.8 时，效果较好；≦0.3～0.4时，效果较差。
w 1 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 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——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）
E
E1
E2
(H1
pa )
E2
1.无尾水管时： E1 (H1
pa )
E2 A
H2
pa
2V22
2g
转轮获得能量：
EA
E1
E2 A
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：
p2
H2
2V22
2g
pa
5V52
2g
(4) 测算出各断面的面积，绘出：F = f(R)关系曲线。
(5) 按
Fi
Qi Vu
Q绘m出axFi = f(Φ)直线。
360 0Vc
(6) 根据φi确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。
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
转轮所获得能量等于转轮进出口之间的能量差：
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，
Vr=常数。
ห้องสมุดไป่ตู้Vr
Qmax
Da b0
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
2. 蜗壳的水力计算按(Vu=VC=C)
金属蜗壳水力计算
(1）蜗壳进口断面：
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， B5很大时，加隔墩d5=(0.1~0.15) B5 顶板 α=10°~13°，底板水平。
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 2max
(2) 中间断面( ) i
Qi
i
3600
Qmax
i
Qm ax i 3600VC
Fi
Qi Vu
Qm ax i
360 0Vc
Ri ra 2i
h25
可得：
p2
pa
H2
(2V22 5V52
2g
h25 )
设尾水管后，转轮所获得能量：
EB
E1
E2B
H1
(2V22
2g
h25)
水轮机多获得的能量：
E
EB
EA
H2
(2V22 5V52
2g
h25)
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：H2(落差)，也称为吸出高度Hs；
(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）
3、蜗壳进口平均流速：
进口断面流量
Qc
Qmax 360
0
Qmax——水轮机的最大引用流量。
Vc↑→Fc↓→hw↑；Vc↓→Fc↑→hw↓；
V c c Hr
一般由Hr~VC曲线确定VC
动力真空(转轮出口的部分动能)
Hd
2V22 5V52
2g
h25
3. 尾水管的作用
(1) 汇集转轮出口水流，排往下游。 (2) 当Hs>0时，利用静力真空。 (3) 利用动力真空Hd。
尾水管的动能恢复系数
尾水管的静力真空Hs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复动能的程度（与尾水管尺寸有
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，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 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 达80m)
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。
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 F Fc
(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。
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。
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°
三、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：
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Vr、Vu。
进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求，