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
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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 。
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1、蜗壳中的水流运动
V Vr Vu
：
（1）径向分速度
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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。
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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。
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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。
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3、混凝土蜗壳的水力计算 （1）确定进口断面尺寸
F0

Q0 Vc

Qmax 0
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3、蜗壳的包角 0 ：从蜗壳鼻端至蜗壳进口断
面之间的夹角。
• 金属蜗壳：过流量小， 水头大，允许流速大，其外 形尺寸对厂房造价影响较
小，0 345 ；
• 混凝土蜗壳：过流量大， 水头小，流速小，影响大，
0 180 ~ 270 。
注意：混凝土蜗壳导水机构的非对称入流，可能控制厂房的尺 寸；进口断面形成蜗形流道，加重了导叶的负担，固定导叶需 专门设计。
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
第一节 蜗壳的型式及其主要参数选择
一、蜗壳设计的基本要求 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、水流在进入导水机构前应具有一定的环量，以
有较小的冲角，减小水力损失； 4、断面形状和尺寸合理； 5、强度保证、材料合适、结构可靠，以抵抗水流
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
Fi

ai bi

1 2
mi 2tg

1 2
ni 2tg
(i 1,2,.....)
i

0
F0
Fi
( i 1,2,3 )
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• 混凝土蜗壳进口断面形状选择：
（1）δ一般为20°~30°， 常取δ=30°；
（2）当n=0时，γ=10°~15°， =1.5~1.7，可达 2.0；
（3）当m＞n时，γ=10°~20°， =1.2~1.7，可达1.85；
（4）当m≤n时，γ=25°~35°， =1.2~1.7，可达1.85；
中间断面形状的确定： 直线过渡或抛物线过渡。
（4）绘制出蜗壳断面单线图和蜗壳平面单线图
注：a、进口宽度B=R0+D1； b、鼻端附近由模型试验研究确定。
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第二节 尾水管的作用、型式及其主要尺寸的确定
尾水管与电站的土建投资、运行效率及稳定性密切相关。
一、尾水 管的作用
1、无尾水管
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单位重量水流通过这两台水轮机时，其转轮所获得的能 量均可表示成：
E

E1

E2

(
H1

Pa

)
E2
, 取决于E2
无尾水管情况（a）：
E2A

H2

Pa

2V22
2g
EA

E1

E2A

H1
(
H2

2V2 2
2g
)
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说明：无尾水管水轮机所利用的水能EA只占电站总
水头H1中的一部分，其余部分表现为转轮出口位置 水头H2和出口动能 2V22 已全部损失。
2g
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H1
2. 具有圆筒形尾水管
– 在转轮出口处形成真空， பைடு நூலகம்利用H2
– 尾水管出口处的动能仍 损失 V22 V52
2g 2g
Vr
：
Vr
Qmax
Da b0
constant
（水流必须均匀地、
轴对称地进入导水机构）
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（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。
的冲刷。
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二、蜗壳的型式及其主要参数选择
1、蜗壳的型式
（1）混凝土蜗壳：钢筋混凝土，钢板衬砌，混凝土预应力， 适用于大、中型低水头水电站，河床式水电站， H≤40m(H≤80m)；
（2）金属蜗壳：H＞40m，厚度由进口到鼻端从大到小 a. 焊接：适用于尺寸较大的中、低水头混流式水轮机， 适用较广，全埋，上加软性层； b. 铸焊：D1＜3m的高水头混流式水轮机； c. 铸造：同铸焊。刚度大，不全埋，直接承重，减低厂 房高度。
360Vc
a ,b,m ,n及R0
（依据不同型式）
（2）确定中间断面得顶角点、底角 点变化规律
顶角点AG线： ni k1ai
底角点CH线： mi k2ai
直线变化 k1，k2系数，可由进口断面
尺寸确定。
k1

n a
,k2

m a
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（3）绘制 f ( R ) 辅助曲线