第五章反击式水轮机的基本结构三

参数选择原则: 一方面要尾水管有较高的能量指标，增加尾水管的高度， 即恢复系数要大，这会对电站带来长期的经济效益； 另一方面又要求减小电站水下开挖量及混凝土量，土建工 程最小，即减少电站一次性投资。
影响弯肘形尾水管性能的三个因素：
（1）尾水管的深度 尾水管深度h：水轮机导水机构底环 平面至尾水管底板平面之间的距离。
水轮机形式 全贯流式
灯泡贯流式
贯流式水轮机适用范围
适用水头 流量
容量
（m） （m3/s） （MW）
小于40 8~900 1.5~90
小于25 4~900 2.5~90
备注
新型结构、轮缘式 发电机
轴伸贯流式
整装齿轮传动灯 泡式
整装皮带传动全 贯流式
竖井贯流式
小于25 小于8 小于12 小于9
4~90 0.25~30 3~21 0.1~1 7~100 0.4~6 4~500 0.1~30
二、尾水管的基本形式
1.直锥形尾水管 恢复系数比较高，
可达到83%以上。
2．弯曲形尾水管 三部分组成：进口锥管，肘管
及扩散管。 弯肘形尾水管增加了转弯的附
加水力损失及出口水流不均匀性 的水力损失，因此这种尾水管的 恢复系数较直锥形尾水管低。
三、尾水管选择
小型机组上多采用圆形断面的直锥形尾水管。 大型卧式机组（例如大型贯流式水轮机），为了减少水 电站的土建投资并保证尾水管有足够的淹没深度，通常将直 锥管的出口做成矩形断面，加大水平方向尺寸而减少高度方 向尺寸。 大型立式机组，由于土建投资占电厂投资比例很大，因 此在电站设计中，要尽量降低水下开挖量和混凝土量，应选 用弯肘形尾水管。
第五节 反击式水轮机尾水管
一、尾水管的作用
尾水管的性能直接影响到水轮机的效率和稳定性。
反击式水轮机尾水管作用： 1．将转轮出口处的水流引向下游； 2．利用下游水面至转轮出口处的高程差（如转轮安装得低于下 游水位，则此功能不存在），形成转轮出口处的静力真空；
3．利用转轮出口的水流动能， 将其转换成为转轮出口处的 动力真空。
二、贯流式水轮机的分类
根据贯流式水轮机机组布置形式划分： 1、轴伸贯流式
水轮发电机组基本上采用 卧式布置，水流基本上沿轴 向流经叶片的进出口，出叶 片后，经弯形（或称S形）尾 水管流出，水轮机卧式轴穿 出尾水管与发电机大轴连 接，发电机水平布置在厂房 内。
前伸式 后伸式
斜伸式
2、竖井贯流式
将发电机布置在水轮机上游侧的一个混凝土竖井中，发电机 与水轮机的连接通过齿轮或皮带等增速装置连在一起。
口的距离。
肘管型式一定，长度决定了水
平扩散段的长度，增加L可使尾水
管出口动能下降，提高效率，但L
太长了将增加沿程损失和增大厂
房水下部分尺寸。
增长L的效益不如增加高度h的
效益显著。
L 4.5D1
四、减轻尾水管振动的措施
1. 尾水管加导流隔板 目的：消除或减弱偏心尾水管涡带。 产生偏心涡带的根本原因：转轮出口水流有环量存在。
贯流式与其它机型相比的显著特点：
（1）从进水到出水方向轴向贯通形状简单，过流通道的水力损 失减小，施工方便，另外它效率较高，其尾水管恢复功能可占 总水头的40%以上。 （2）贯流式机组有较高的过滤能力和比转速，所以在水头与功 率相同的条件下，贯流式的要比转桨式的直径小10%左右。
贯流式与其它机型相比的显著特点：
1.直锥形尾水管的设计
（4）决定排水渠道尺寸 对于立式小型机组，设计时先根据当地地质条件
按h/D5 =0.6～1.0确定h值； 然后再由曲线查出b/D5 ，算出b； 并取C=0.85b。
3.弯肘形尾水管的选择及计算
与直锥型尾水管不同之处在于弯肘形尾水管的轴心线为曲 线，整个尾水管由不同的断面形状组织而成，选择弯肘形尾水 管就是根据电站机组的具体条件选择各组合断面的几何参数。
式，故要求水导轴承除承受径向力外，还应适应悬臂引起的挠 度（转角）变化。
（5）组合轴承 对于双支点结构的灯泡机组，以电机侧的导轴承与正反方向推
力轴承组合在一起成为承受径向力又受力轴向力的组合轴承。
1—顶轴千斤顶； 2—发电机导轴瓦； 3—轴承支持环； 4—配合垫片； 5—发电机导轴承壳体； 6—反推力瓦； 7—护板； 8—推力环； 9—正推力瓦； 10—推力轴承壳体； 11—抗重螺钉； 12—主轴
理想恢复功能的比值。


V22 2g
h V22
V52 2g

2g
尾水管恢复系数表征了尾 水管的质量，反映了其转换动 能的能力，故也称为尾水管的 效率。
水流经尾水管总的损失为内部水 力损失与出口动能损失之和：


V22 2g
h V22
V52 2g

E2

(H d

Pa )
g
( P2
g

V22 ) 2g
E

Hd
V22 2g
一、尾水管的作用
2.圆形尾水管
E

E1

E2

(H d

Pa )
g
( P2
g

V22 ) 2g
h
Hs

P2
g
V22 2g


Pa
g

h


V2 25
2g
h
P2
g

Pa
三、灯泡贯流式水轮机的基本结构
灯泡贯流式水轮机适用水头范围广，效率高，较其它类型贯 流式机组有突出的优点。
灯泡贯流式机组总体布置方式： 1、以管形壳为主要支撑的布置方式
整台机组的受力主要通过管形壳传递至厂房基础。 2、以固定导叶（座环）为主要支撑的布置方式
灯泡机组主要通过固定导叶（座环）将转动部分、定 子等的受力传至厂房基础。
3.扩散型尾水管
断面2处 的真空值
Pa P2
g

Hs


V22 Vs2 2g
h
动力真空
设想扩散形尾水管内没有水力损失：
hw=0，且出口断面为无穷大V5=0，没有 动能损失。
此时断面2处的理想动力真空就等于
转轮出口的全部功能：V22 2g
尾水管的恢复系数：实际恢复动能与
一、尾水管的作用
转轮所能利用的水流能量
E

E1

E2

(H d

Pa ) ( P2
g g
V22 ) 2g
由于三种情况下，转轮出口处压力P2 及V2 的差异，导致转 轮前后能量差的不同。
没有尾水管
圆形尾水管
扩散形尾水管
一、尾水管的作用
1.没有尾水管
P2 Pa
g g
E

E1

（3）贯流式水轮机适合作了逆式水泵水轮机运行，由于进出 水流道没有急转弯，使水泵工况和水轮机工况均能获得较好的 水力性能。如应用于潮汐电站上可具有双向发电，双向抽水和 双向泄水等六种功能，很适合综合开发利用低水头水力资源， 另外在一般平原地区的排灌站上可作为可逆式水泵水轮机运 行，应用范围比较广泛。 （4）贯流式水电站一般比立轴的轴流式水电站建设周期短、 投资小、收效快、淹没移民少，电站靠近城镇，有利于发挥地 区兴建电站的积极性。
影响弯肘形尾水管性能的三个因素：
（1）尾水管的深度 水下部分的开挖和施工常常很困难而且牵涉面较广，尾水管
的深度会出现施工和运行二者的矛盾。
混流式水轮机： 当转轮进口直径D1小于转轮出口直径D2时，h≥2.6D1 要求降低尾水管深度时, h=2.3D1 当高水头转轮直径D1＞D2时，h≥2.2D1 直锥段单边扩散角：β≤70～90


h
V52 2g


V23 2g
1

2g
尾水管相对水力损失：
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H

1



V23 2gH
尾水管的恢复系数≠尾水管的相对损失 高比转速水轮机的转轮出口动能占总水头的40%左右，而低 比转速水轮机却不到1%。以尾水管的恢复系数都等于75%来估 算，则高比转速水轮机尾水管的相对水力损失达10%，而低比 转速的仅为0.25%左右。 尾水管对高比转速轴流式水轮机比对混流式水轮机更重要。
深度越大直锥段的长度可以取大 一些，因而降低其出口即肘管段进口 及其后部流道的流速，这对降低肘管 中的损失较有利。
尾水管深度对水轮机的运行稳定性影响很大。特别是混流 式水轮机因叶片角度不能调整而容易产生偏心涡带及振动，实 践及研究表明，采用较大的深度可改善尾水管偏心涡带所引起 的振动,因此常常需要限制尾水管深度的最小值。
1.直锥形尾水管的设计 （1）尾水管出口速度V5：
V5 0.008H 1.2
（2）确定尾水管出口断面面积：
F5

Q V5
D5
4 Q 1.13 Q
V5
V5
（3）确定锥角θ及管长L 根据扩散管中水力损失最小原则，一般选锥角θ=120～160，
管长L可由进口断面面积和出口断面面积值及θ值算出。
应设置事故配压阀关闭导叶。
（3）转轮与转轮室 灯泡式水轮机转轮，按叶片操作方式可采用：
活塞套筒式 操作架式 缸动方式
1—转轮体；2—连杆；3—转臂； 4—叶片；5—活塞缸；6—活塞；
7—泄水锥；8—泄水锥头； 9—操作油管
缸动方式转轮结构
（4） 水导轴承 水轮机导轴承位于水轮机转轮侧，由于水轮机转轮为悬臂
h
断面2处 的真空值
Pa P2
g

Hs


V22 V52 2g

h

动力真空
E

Hd

V22 2g

H s

h


V22 2g

V52 2g

圆形尾水管
E

Hd

V22 2g

(Hs

h )
没有尾水管
E

Hd
V22 2g
一、尾水管的作用
3、灯泡贯流式 水力效率比较高，有较大的单位流量和较高的单位转速，在
同一水头，同一出力下，发电机与水轮机尺寸都较小，是一种 新型机组。
4、全贯流式 机组采用卧式布置，发电机的转子磁极与水轮机的转轮叶片
合为一体，发电机磁极直接安装在水轮机叶片的边缘上，密封 隔离磁极与流道内的水流，防止渗漏。
5、其它形式 明槽式和虹吸式等。
转桨式水轮机： 当转轮进口直径D1 小于转轮出口直径D2 时，h≥2.3D1 要求降低尾水管深度时, h=2.0D1 直锥段单边扩散角：β≤80～100
影响弯肘形尾水管性能的三个因素：
（2）肘管型式
肘管形状对整个尾水管的性能影响很大，推荐定型的标准肘管。
（3）水平长度
水平长度L：机组中心到尾水管出
3、灯泡贯流式机组的结构 （1）埋设部件
包括尾水管里衬、管形壳（内壳体，外壳体）发电机进人 孔架、盖板、墩子盖板，接力器基础以及下部支承，侧向支承 基础板等。
（2）导水机构 灯泡机组的导水机构与立式机组不同，为锥形导水机构。 由控制环、连杆、拐臂锥形导叶和内、外导水环等组成等。
当调速器失去油压时,为防止机组飞逸，设有关闭重锤。 当有油压而调速器的主配压阀卡住时，难以实现快速关闭，
g

Hs
h
静力真空
Pa P2
g

Hs
h
E

Hd

V22 2g

(Hs

h
)
没有尾水管
E

Hd
V22 2g
一、尾水管的作用
3.扩散型尾水管
E

E1

E2

(H d

Pa )
g
( P2
g

V22 ) 2g
P2
g

Pa
g
Hs
V22 V52 2g
2. 尾水管补气 目的：减少压力脉动和由它引起的尾水管振动，以及为了
在混流式水轮机的某些运行工况下，破坏尾水管的真空。
第三节 贯流式水轮机基本结构
一、贯流式水轮机的特点
贯流式水轮机开发低水头水力资源，25m以下的水头。 卧轴水轮机流道呈直线状，提高了机组的过水能力和水力效率； 转轮形状与轴流式相似，也有定桨和转桨之分。