第3章水轮机结构蜗壳及尾水管

(i) 蜗壳进口断面：
Fc
?
Qc Vc
? Q m ax ? 0
360 0 Vc
?断面半径： ? m ax ?
Fc ?
?
? Q m ax 0 360 0 V C ?
?从轴心线到蜗壳外缘半径：
Rmax ? ra ? 2? max
(ii) 中间断面 ( ? ? ? i)
Qi
?
?i
360 0
Q max
Fi
(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 ? 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
三、蜗壳的水力计算
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 , Q m ax , b 0 , D a , D b , ? 0 , V c
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。
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。
蜗壳中间断面
金属蜗壳
混凝土蜗壳
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
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↑→F c↓→hw↑； Vc↓→F c↑→hw↓ ；
Qc
?
Q max 360 ?
?
0
一般由Hr~VC曲线确定 VC
V c? ? c H r
金属蜗壳流速系数 混凝土蜗壳进口断面流速系数
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. 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)
? 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=0.25。
进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求， Vr=常
数。
Vr
?
Q max
?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
3. 蜗壳的水力计算按 (Vu=VC=C) （1）金属蜗壳水力计算
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。
弯锥形
弯肘形
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
混流式水轮机
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°
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。
5.推荐尾水管尺寸：表 4-15。
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。
?
Q m ax ? i
360 0 V c
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。
第五节 尾水管的型式及其主要尺寸
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）
常见尾水管的形式 直锥形
常见尾水管的形式
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
?
Qi Vu
?
Q m ax? i
360 0Vc
?i ?
Q max ? i 360 0VC?
Ri ? ra ? 2 ? i
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。
(2) 混凝土蜗壳的水力计算 (半解析法 )
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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。
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。