水力机械现代设计方法第七章：引水部件的水力设计

混凝土涡壳的包角
水头H(m) <25 25 - 40 包角 135°- 225° 225°- 270°
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(三) 涡壳进口断面流速Ve的确定
Ve大小对损失及机组尺寸的影响。
Ve = α
Hr
(m / s)
对大型水轮机的涡壳，一般要进行专门的模型试验 研究和综合技术经济比较来确定涡壳进口流速。
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ρi =
其中：
2ai
ϕ i0
c
−(
ϕ i0
c
)2
来由？
720 π k c= Qr
问题：如何求出ai和常数c的值？？
HSJ
蜗壳与座环相连接的几何关系
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常数c按进口断面的边界条件确定：
ϕ i0
c = ai − a i2 − ρ i2
xi与φ0i的关系，即 ρi与φi的关系 ： xi =
ϕ i0
c
本章涉及的主要内容
引水室的型式 涡壳中的水流运动（本章的重点） 涡壳主要参数的选择 圆形断面涡壳的水力计算 座环支柱的水力计算
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第一节 引水室的型式
引水部件的功能： 在安全、经济的条件下使水流均匀地进入叶轮。 一、水轮机的引水部件 引水室的型式：金属蜗壳式和混凝土蜗壳式。
金属蜗壳
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蜗式引水室的优点
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在ρ<S的情况下，蜗壳断面可采用椭圆形
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关键是计算出ρi＝S断面的φi值：
ϕ i0( ρ = S ) = ( rD + 1 . 43 h −
2 rD − h 2 + 2 . 86 hr D ) c
0 0 凡是的 ϕ i < ϕ i ( ρ = S ) 断面，都应采用椭圆断面！！
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第五节 座环支柱的水力计算
(二) 蜗壳包角的选择
完全蜗壳和 不完全蜗壳
决定包角的因素
H来自百度文库J
结论：
对中高水头的混流式水轮机组，采用全包角的金 属涡壳（135°~ 270°），因为决定机组间距的是 发电机定子直径。 对低水头大流量的电站 (多采用轴流式水轮机)， 其机组间距主要取决于涡壳的平面尺寸，故采用不 完全涡壳。
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Q
i
=
ϕ
360
0 i
°
Q
r
任意断面的流量的截面图
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涡壳进口的流量
Qe =
ϕ 00
360 °
Qr
涡壳进口断面面积
0 Qe ϕ 0 Qr Fe = = ve 360 ° ve
涡壳进口断面半径
ρ max =
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Fe
π
=
ϕ 00 Q r 360 ° π v e
按vur＝k的规律计算蜗壳圆形断面的尺寸 蜗壳任一圆形断面的半径ρi与φi的关系式
假定：近似认为支柱（固定导叶）的水流为平面流动。 一、与完全蜗壳连接的座环支柱的水力设计 1、支柱不改变水流环量
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考虑到支柱的高度为B
vr Q tg δ = = = const vu 2π Bk
vr 根据流线方程： dr vu = du
vr dr Q tg δ = = = vu du 2πBk
水力损失较小，结构紧凑，克减少厂房尺寸和土建投资。 封闭式，因此可用于各种水头和流量的水轮机。 其断面从进口到尾部逐渐缩小，这样不仅可以使水流在 导水机构前形成一定的环量，而且使水流沿整个圆周均匀 地进入导水机构，因此在反击型水轮机中被广泛应用。
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二、泵的引水部件 直锥形吸水室 离心泵： 环形吸水室 半螺旋形吸水室 吸水室 吸入喇叭管 轴流泵： 直收缩管吸水室 肘形吸水室 钟形吸水室
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一、涡壳的型式及其选择 原则：
H<40m时采用混凝土蜗壳。 水头H>40m时采用金属蜗壳（铸铁、铸钢或钢板）。 水头H>200m时，则采用铸钢蜗壳。
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二、蜗壳主要参数的选择
（一）蜗壳的断面形状及其变化规律
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座环蝶形边的倾角
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蜗壳所占位置的比较
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混凝土涡壳的断面形状
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根据流函数ψ可得到：
Vu = Γ 2π r Vr = − Q 2π r
tg δ =
Vr Q = − = const Vu Γ
结论：
当Γ 为常数，即指定蜗 壳形成的环量，则有：
Γ Vur = = const 2π
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蜗壳设计的另外一种方法：
假定水流速度按Vu=const规律分布。 优点： 对计算蜗壳的尾部有利。 计算方法简单。 缺点： δ≠const，使导水机构进口环量不均匀 引起机组径向力不平衡而降低机组的 稳定性（对于大型机组不宜采用）。
+
2 rD
ϕ i0
c
− h2
ρi =
x i2 + h 2
a i = rD + x i Ri = ai + ρ i

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圆形断面涡壳的水力计算步骤：
确定涡壳包角φ00及进口断面流速ve 。 计算进口断面半径ρmax 。 根据水轮机设计手册确定座环尺寸。 计算出amax，将ρmax、amax及φ00，确定常数c。 选定计算断面数目，给出各计算断面的角度φ0i值， 计算出各断面的ρi、ai及Ri值。
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泵吸入室的类型
a) 直锥管
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b) 弯管
c) 肘管
d) 环形
e) 半螺旋形
第二节 蜗壳中的水流运动 理解：将涡壳中的流动视为中心处的涡、汇共同
诱导的平面流动。令涡的强度为Γ ，而在垂直于 流动平面方向单位长度上的流量为-Q。
于是在极坐标（r, ϕ） 中，流线方程为：
− Q ϕ Γ
r = Be
第四节 圆形断面涡壳的水力计算
前提： 选定了涡壳的型式、包角φ0及进口断面速度ve 蜗壳水力计算的任务： 给定设计水头Hr 、设计流量Qr 、导水机构高度b0 及 座环尺寸的条件下，确定涡壳各断面的形状和尺寸， 并绘出涡壳单线图。
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涡壳单线图
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按照水流均匀进入导水机构的要求， 流过涡壳任一断面的流量应为
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第三节 蜗壳型式及主要参数的选择
设计蜗壳应满足的要求： 保证水流在进入导水机构前形成一定的环量（即形 成Vu ），其内的平均流速和局部流速不超过水流损失 所容许的范围，同时保证蜗壳断面的尺寸不要过大。 保证水流能轴对称地进入导水机构，流量沿导水机 构圆周均匀分配。在主要工况下，水流皆以不大的冲 角绕流导叶。 涡壳的尺寸、断面形状及其外形结构等，应满足水 电站厂房布置和水轮机结构 (如导水机构接力器和空 放阀的布置)的要求 。 具有足够的强度。
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二、与不完全涡壳连接的座环支柱的水力设计
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2 π Bk du = Q
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dr
2、支柱改变水流环量
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操作步骤：
1、将涡壳出口水流角δ作为支柱进口角，而取导叶处于 最大开度与最优开度之间的中间位置时的进口角αav 作为支柱的出口角。 2、按上述进、出口角作直线AC、BC，使AC＝BC，再 作OA⊥AC，OB⊥BC，以O为中心，OA为半径作出 的圆弧AB即为支柱的骨线，然后按强度要求加厚成 型即可