计水轮机尾水管回收能量的认识与尾水管简单设计
第七章 水轮机尾水管
第一节 概述
直锥形尾水管
弯管形尾水管
能源动力工程学院 何宝海
第一节 概述
弯肘形尾水管
直锥段
肘管段
水平扩散段
能源动力工程学院 何宝海
第二节 尾水管的作用原理
一、尾水管作用原理
转轮进口的水流能量 转轮出口的水流能量 水轮机利用的能量
E1 H
1
pa
g
v2
2
E2
第七章 水轮机尾水管
第一节 概述 第二节 尾水管的作用原理 第三节 尾水管的选择
能源动力工程学院 何宝海
第一节 概述
一、尾水管的作用
1.将转轮出口水流平顺地引向下游 2.利用转轮出口动能，减少出口动能损失 3.当转轮装在下游水面以上时，利用转轮出口至下游水 面的高程差
二、尾水管的类型
1.直锥形尾水管: 结构简单，制造容易，性能好。 2.弯管形尾水管: 卧式机组。 3.弯肘型尾水管: 减少开挖工作量。性能较直锥形差。
第三节 尾水管的选择
弯肘型尾水管的选择
尾水管的高度、肘管形 式、水平段长度是影响 其性能的主要参数。
尾水管单线图的绘制
能源动力工程学院 何宝海
三、尾水管内的损失
hw v5
2
相对损失
hw v5 hw 2g
2
v5
2
2g
hw v2
2
H
h w 1 w v2
2
由于
2g
hw
2g
1 w 所以，有
2 gH
不同比速水轮机（水头不同），相对损失不同！何宝海 能源动力工程学院
尾水管选型计算[指南]
![尾水管选型计算[指南]](https://img.taocdn.com/s3/m/0f744e1f591b6bd97f192279168884868762b8e4.png)
第三节尾水管选型计算尾水管是水轮机重要通流部件之一，尾水管的作用是将流过水轮机转轮的水引向下游，同时回收一部分水流能量，因此水电站都设有尾水管。
其型式和尺寸对水轮机的效率和运行的稳定性有很大的影响。
大型立式机组，由于土建投资占电厂总投资的比例很大，故一般选用弯肘形尾水管以降低水下开挖量和混凝土量。
弯肘形尾水管的几何形状及主要参数，如图1—2—1所示。
图1—2—1 弯肘形尾水管一、尾水管类型选择尾水管分为直锥形尾水管和弯肘形尾水管两类。
该电站总容量为58.7万KW，为大型水轮机组，如采用直锥形尾水管，将会带来巨大的挖深，因而是不经济的，所以尽管弯肘形尾水管的水里损失大些且水里性能不如直锥形尾水管，但由于挖深较小因而采用弯肘形尾水管。
该电站最高水头为95m，肘管宜设金属里衬。
二、尾水管各部尺寸的选择1．尾水管的高度h尾水管的高度h是指水轮机底环平面到尾水管底板的高度，它对尾水管的恢复系数、水轮机运行稳定性及电站开挖量有直接影响。
高度h越大，锥管段的高度可取大一些，因而降低了锥管段出口即肘管段进口及其后部流道的流速，这对降低肘管中的水力损失有利。
一般情况下，通过尾水管的流量愈大，h应采用较大的值，但h增大受到水下挖方量的限制。
h的确定，与水轮机型式有关。
由于混流式和定桨式水轮机在偏离最优工况运行时，尾水管中会出现涡带，引起机组振动，如果h太小，则机组振动加剧，故h选择时应综合考虑能量指标和运行稳定性。
根据经验，h一般可作如下选择：H＜120 m的混流式及定桨式水轮机，取h≥（2.3～2.7）D，取1=2.5 4.5=11.25m。
h=2.5D12．肘管的选择肘管段的形状十分复杂，因为水流要在肘管内拐弯90 ，同时要由进口圆形断面逐渐过渡到出口为矩形断面。
它对尾水管的恢复系数影响很大，且肘管中的水力损失最大。
肘管难以用理论公式计算，通常采用推荐的标准肘管，图1—2—2所示为4号系列肘管。
图中各部分的尺寸参数列于表1—2—4中。
水轮机的蜗壳、尾水管讲述
三、蜗壳的主要参数
1、断面型式与断面参数 (1) 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
(2) 混凝土蜗壳：“T”形。便于施工和减小其径 向尺寸，降低厂房土建投资有四种型式：
(i) n=0：平顶蜗壳。特点：接力器布置方便， 减小下部混凝土，但水流条件不太好。
2g
h 25 )
作用：(1)、汇集转轮出口水流，排往下 游。
(2)、当H2>0时，利用这一高度水流 所具有的位能。
(3)、回收转轮出口水流的部分动能。
二、尾水管的动能恢复系数
尾水管H2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
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Qi 、 Fi、ρi、Ri。
第二节 尾水管的作用、型式及其主要 尺寸确定
尾水管是反击式水轮机的重要过流部件。 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。合理确定是非常 重要的。
(1) 金属蜗壳：φ0=340°~350°，常取 345°
φ0大，过流条件好，但平面尺寸增大，厂 房尺寸加大。金属蜗壳的流量小，尺寸小， 一般取较大包角；从构造上讲，最后 100°内，断面演变成为椭圆。
(2)、混凝土蜗壳：Q大，为减小平面尺寸， φ0=180°~270°，一般取180°，一 部分水流未进入蜗形流道，从而减小了蜗 壳进口断面尺寸，这部分水流直接进入导 叶，为非对称入流，加重了导叶的负担， 因此在非蜗形流道处，固定导叶断面形状 常需特殊设计。
四、蜗壳的水力计算
尾水管的作用和原理
尾水管的作用和原理
1. 尾水管安装在水轮机的尾水道中,用于收集和利用水轮机尾水的能量。
2. 水轮机使用水流产生动力时,水流动能没有完全转换为机械能,还有部分残余动能。
3. 尾水管可以收集和利用这部分残余的水流动能,提高水能的利用效率。
4. 水从水轮机排出后速度较大,进入尾水管,对管壁产生动量冲击压力。
5. 这个压力会使管壁变形,通过机械传动装置带动发电机转动发电。
6. 尾水管的橫截面积会逐渐增加,减慢水流,维持压力来驱动管壁运动。
7. 也可以通过调节尾水管出口的断面来控制压力,改变发电量。
8. 尾水管发电方式简单可靠,没有额外水头要求,可以有效发挥残余水能。
9. 但输出功率较小,因此多用作水电站的辅助发电方式。
10. 合理设计尾水管的尺寸、材质、传动等参数,可以提高发电效果。
10_水轮机尾水管
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，
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。
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肘管高度确定，
不易变动。 H取决于h3。h3大→hw小→ηw大→开挖加大，工程投资大； 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。
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
关），一般用动能恢复系数ηw表示
w(2v2 22 g5v5 2h25)/22g v2 2
Hd
/
2
v
2 2
2g
ηw >0.8 时，效果较好；≦0.3～0.4时，效果较差。
Hale Waihona Puke 第十章 水轮机尾水管第一节 尾水管的作用、型式
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：
EE1E2(H1p a)E2
1.无尾水管时： E1 (H1
pa )
E2A
H2
pa
2V22
2g
转轮获得能量：
EAE1E2AH1(H222V g22)
2 . 设尾水管时：
尾水管压力脉动与简单设计
尾水管压力脉动概述与常规设计1 前言目前，大型水轮机的稳定性已经成为日益关注的话题。
水轮机运行的稳定性，一直是困扰水电厂电力生产的难点，直接影响到水电厂能否稳定乃至安全生产，关系到国民经济的发展。
随着水轮机单机容量的提高，机组尺寸的增加，相对刚度的减弱，有些电站机组出现不同程度的振动，如国外的大古力、塔贝拉和古里电站，国内的岩滩和五强溪等电站，导致转轮叶片裂纹，尾水管壁撕裂，有的甚至引起厂房或相邻水工建筑物发生共振，危及电站安全运行，稳定性问题日益突出。
大量的文献研究表明，水力发电机组，特别是混流式或轴流式水轮机组的振动不稳定问题主要是由于尾水管压力脉动造成的。
而尾水压力脉动，除造成机组振动等危害外，还是机组出力摆动的主要根源，削弱了系统阻尼，严重时可能引发水力发电机组产生低频振荡，造成大面积停电等严重事故。
水轮机稳定性包括水力稳定性和非水力稳定性，非水力稳定性主要考虑：机械原因和电磁原因；水力稳定性从四个方面考虑：尾水管涡带、压力脉动、卡门涡和叶片出口边的脱硫，其中机组振动最主要的原因之一是由于尾水管涡带。
一般来讲，尾水管压力脉动主要是由部分负荷时尾水管涡带引起的压力脉动。
当导叶开度为0.4至0.7时或者最优流量在在0.3至0.8的范围内，此时涡带会经常出现。
而当导叶开度为0.5至0.6时，处在低负荷载载区，此时产生的压力脉动最为严重。
强烈的旋转压力脉动是当机组实际运行负荷为机组满负荷的1/3至1/5时，由涡带的旋转导致产生。
当机组部分负荷时，除了尾水管有旋转压力脉动外，有时还可以观察到同步压力波动，如果此时的尾水管涡带的扰动频率与水路系统的特征频率相符合，那么就会引起严重的压力峰值群，这将强烈导致机组振动，转轮叶片呈现裂纹，大轴松动，有时还可触发压力钢管破裂。
目前国内外，尾水管压力脉动，在混流式水轮机或轴流定浆式水轮机两种水轮机中存在普遍的现象，并且大多对机组的稳定性构成了不可评估的危害。
尾水管涡带主要指定桨式水轮机在部分负荷和超负荷的工况下尾水管中出现的一种极不稳定的水流，它所产生的压力脉动是造成这类机组振动和出力摆动的最主要的原因。
HL310水轮机尾水管的优化设计
ＨＬ １ ３ ０水轮机 尾水管的优化 设计
齐学义 王 飞 ， ，常一乐 ，李凤 成 ，刘永 明 ，邵元 忠
（．兰州理工大学 能源与动力工程学院 ， １ 甘肃 兰州 ７０５ ； ． ３００ ２ 郑州机械研究院 ， 河南 郑州 ４０５） ５０２
摘要 ： 用正交试 验法， 采 结合 Ｃ Ｄ数值计算方 法， ＨＬ １ 水轮机 尾水管进行 优化设计． 出一种新的造型 方法， Ｆ 对 ３０ 提
Ｔｈ ｏ ｌｘ ｔａ ｉ ｏ ａ ｅ ｉｎ ｍｅ ｈ ｓｉ ｒ ｖ ｄ ｂ ａ ｓ ｏ ｈ ｎ ｉｇ ｔ ｅ ｓ ａ ｅｏ ｕ ｅ ｃ ｏ ｓｓ ｅ ｅｃ ｍｐ ｅ ｒｄ ｔ ｎ ｌ ｓｇ ｔ ｏ ｗａ ｍｐ ｏ ｅ ｙ ｍｅ ｎ ｆｃ ａ ｇ ｎ ｈ ｈ ｐ ｆｔ ｂ ｒ ｓ ｅ － ｉ ｄ ｄ
ｔｏ ．Ｂｙ ｔｋ ｎ ｈ ｉ ｅ ｍｅ ｒｃｐ ｒ ｍｅｅ ｓｏ ｈ ｒ ｆ ｕ ｅａ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ａ ｔ ｒ ｎ ｈ ｒｓ ｕ ｅ ｉｎ ａ ｉ ｇ ｔ ｅ ｍａｎ ｇ ｏ ｔｉ ａ ａ ｔｒ ｆｔ ｅｄ ａｔｔ ｂ ｓ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｌｆｃｏ ｓａ ｄ ｔ ｅ ｐ ｅ ｓ ｒ
Ｚｅｇｈｕ ４０５ ｈ ｎ ｚ ｏ ５ ０ ２，Ｃｈｎ ） ｉａ
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｂｙ ｍｅ ｎ ｆｏ ｔ ｏ ｏ ａ ｅ ｔｍｅｈ ｄ ｃ ｍｂｎ ｄ ｗｉｈ ＣＦＤ ｕ ｒｃ ｌｍｅ ｈ ｄ ｈ ｐ ｉ ｚ ｔｏ ａ ｓｏ ｒｈ ｇ ｎ ｌｔ ｓ ｔ ｏ ｏ ｉｅ ｔ ｎ ｍｅ ｉａ ｔ ｏ ．ｔ ｅｏ ｔｍｉ ｉｎ ａ
ＱＩ ｅｙ － ｉ，Ｗ ＡＮＧ ｅ ，ＣＨＡＮＧ Ｙｉｄ ， Ｉ ｅ ｇ ｃ ｅ ｇ Ｘｕ Ｆｉ － ｌ Ｌ ｎ －ｈ ｎ Ｆ
ＬＩ Ｙｏ ｇ ｍｉ ｇ ，Ｓ Ｕ ｎ － ｎ ＨＡＯ ａ － ｈ ｎ Ｙｕ ｎ ｚ ｏ ｇ
项目五反击式水轮机的尾水管
项目五反击式水轮机的尾水管反击式水轮机的尾水管是指水力发电站的水轮机排放出的水流经过一段尾水管后再进入自然水体或者再次利用的管道。
在水力发电过程中，水流通过水轮机叶片的作用产生动能，然后通过尾水管将水流释放出去。
尾水管的设计和建造对水力发电站的运行效率和环境影响具有重要意义。
一、功能：1.尾水排放：反击式水轮机的主要功能是将水轮机排放的尾水排放到河流或其他水体中。
尾水管的设计需要考虑尾水的流量和速度，以确保尾水能够顺利排入水体，防止尾水冲击对水体造成负面影响。
2.压水：尾水管在排水的同时也可以利用水的动能，通过合理设计管道的倾斜度和直径，将水流压水送到下游。
这样不仅可以节省能源，还可以提高水力发电站的发电效率。
3.再利用：尾水管也可以将排放的尾水再次利用，例如用于农田灌溉、饮用水或者再次发电。
这需要对尾水进行进一步处理，例如进行沉淀过滤、杀菌消毒等工序。
二、设计要点：1.流量和速度：尾水管的设计需要根据水轮机的额定流量和尾水的排放要求确定。
一般来说，尾水管的直径要大于水轮机的出口直径，以保证水流的顺畅排放。
同时，尾水的流速也要适中，过小会增加管道的阻力，而过大会导致水流冲击。
2.倾斜度：尾水管的倾斜度也需要设计合理。
倾斜度过大会导致水流速度过快，增加了水流对水轮机的冲击力，从而损坏水轮机；倾斜度过小则会造成水流的堵塞，降低发电效率。
倾斜度的设计需要综合考虑水流的速度、管道的直径和水位控制等因素。
3.材料选择：尾水管需要承受尾水的冲击和压力，因此需要选择耐腐蚀、高强度的材料。
常用的材料有钢材、镍合金、铜等。
4.尾水管附属设施：尾水管的设计还需要考虑附属设施，如泄洪口、闸门等。
这些设施可以在尾水管的运行中实现尾水的控制和调节，以确保水流的稳定性和安全性。
三、尾水管的环境影响与处理措施：1.河流水质影响：尾水排放到河流中会对河流的水质产生一定影响，尤其是尾水中可能含有的沉淀物、悬浮物和有机污染物。
为了最大限度地减少对河流水质的影响，可以通过沉淀池、滤网等设施对尾水进行预处理，减少污染物的含量。
(三)水电站过流部件尾水管水力计算方法与案例
水电站过流部件尾水管水力计算方法与案例尾水管是反击式水轮机所特有的部件，尾水管的性能直接影响到水轮机的效率和稳定性，一般水轮机中均选用经过试验和实践证明性能良好的尾水管。
尾水管有直锥形和弯肘形两种。
除贯流式水轮机组外，大中型反击式水轮机均采用弯肘形尾水管，其型式一般不加里衬且不单独对尾水管进行设计，而是按照模拟水轮机所采用的标准尾水管放大选用，只有在特高比转速下才需要大高度尾水管，在无标准时方需单独设计。
为尽量降低水下开挖量和混凝土用量，本电站水轮机组选用弯肘形尾水管。
尾水管各部分尺寸的计算 1 尾水管的深度对转桨式水轮机，取13.2D h ≥。
2 进口锥管的计算对转桨式水轮机而言，进口锥管的锥角最优值通常取︒︒=10~8β，此处我们折中取︒=9β，而根据推荐的D D 001.13=，则3h =βtan 234D D -=︒⨯⨯-9tan 23.3001.146.4=66.3m 3 肘管型式肘管的形状十分复杂，它对整个尾水管的性能影响很大，一般推荐定型的标准肘管。
标准见参考资料[1]第168页表5-6.4 水平长度水平长度L是机组中心线到尾水管出口的距离。
肘管型式一定，长度L决定了水平扩散段的长度。
通常取L=4.5D.15 出口扩散段出口扩散段通常采用矩形断面，出口宽度一般与肘管出口宽度相等，顶角︒α，底板一般呈水平，少数情况下为了减少开挖而︒=1310~底板稍上台。
本电站取︒α，底板水平，尾水管的水平段宽度B=（2.3～2.7）=10D，不加支墩。
1则尾水管部分尺寸见下表3-1表3-1 尾水管部分尺寸单位：m尾水管单线图见图3-1，尾水管平面图见图3-2.图3-1 尾水管单线图图3-2 尾水管平面图——文档结束——。
高清图文+尾水管的作用、型式及其主要尺寸确定
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，
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：
E
E1
E
E2
1.无尾水管时：E 1 ( H 1
pa )
E2 A
H2
pa
2V22
2g
转轮获得能量：
EA
E1
E2 A
H1
(H2
2V22
2g
)
2
.
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，
E1
E2B
H1
( 2V22
2g
h25 )
水轮机多获得的能量：
E
EB
EA
H2
(2V22 5V52
尾水管的作用
一、尾水管得作用尾水管就是反击式水轮机所特有部件，冲击式水轮机无尾水管。
尾水管得性能直接影响到水轮机得效率与稳定性，一般水轮机中均选用经过试验与实践证明性能良好得尾水管。
反击式水轮机尾水管作用如下：1.将转轮出口处得水流引向下游；２.利用下游水面至转轮出口处得高程差，形成转轮出口处得静力真空；３。
利用转轮出口得水流动能,将其转换成为转轮出口处得动力真空。
图5-６９表示三种不同得水轮机装置情况：没有尾水管;具有圆柱形尾水管；具有扩散形尾水管。
图5－69在三种情况下，转轮所能利用得水流能量均可用下式表示(5—3８）式中——转轮前后单位水流得能量差；——转轮进口处得静水头;——大气压力；—-转轮出口处压力;-—转轮出口处水流速度。
在三种情况下，由于转轮出口处得压力及不同,从而引起使转轮前后能量差得变化。
图５—69 尾水管得作用１.没有尾水管时如图5-6９。
转轮出口代入式(5—３8)得（5-39）式（5-39）说明,当没有尾水管时，转轮只利用了电站总水头中得部分,转轮后至下游水面高差没有利用,同时损失掉转轮出口水流得全部功能。
2.具有圆柱形尾水管时如图5-69.为了求得转轮出口处得压力，列出转轮出口断面２及尾水管出口断面5得伯努利方程(5-40）式中——尾水管内得水头损失。
因此上式亦可写成（5—41)式中称为静力真空,就是在圆柱型尾水管作用下利用了所形成。
以值代入式(５-３８），得到采用圆柱型尾水管时,转轮利用得水流能量即（5-4２）从式（５-４２)可见与没有尾水管时相对比较，此时多利用了吸出水头，但动能仍然损失掉了,而且增加了尾水管内得损失,即此时多利用了数值为得能量（静力真空值)。
3。
具有扩散型尾水管时如图5—69。
此时根据伯努利方程可得出：断面2处得真空值为:（5—43)比较式（5-４3）与式（5-41）可见,此时在转轮后面除形成静力真空外，又增加数值为得真空称为动力真空，它就是因尾水管得扩散作用,使转轮出口处得流速由减小到形成得。
计水轮机尾水管回收能量的认识与尾水管简单设计
对水轮机尾水管回收动能机理的认识一、水轮机的尾水管的作用1、将转轮出口的水流平顺地引向下游。
2、利用下游水平面至转轮出口处的高程差，形成转轮出口处的静力真空，从而利用转轮的吸出高度 。
3、回收转轮出口的水流动能，将其转换为转轮出口处的动力真空,减少了转轮出口的动能损失,从而提高水轮机效率。
二、水轮机尾水管的工作原理由能量平衡方程：设转轮所利用的水流能量为ΔE△Ｅ=取2-2断面为基准面，则△Ｅ=（） （1）(1）转轮出口没有装置尾水管水轮机没有装置尾水管，转轮出口直接与大气相通,则代入（1）式可得转轮所利用的能量为a p p =2())2(20221-∆+-=∆E h gH d υ(2）转轮出口装置圆柱形尾水管（如图所示）取5—5断面为基准面，对2—2，5—5断面列能量平衡方程式,则:由于圆柱形尾水管出口断面面积相等,代入上式化简得：代入（1）式可得转轮所利用的能量为：（3）转轮出口装置扩散形尾水管同转轮出口装置园柱形尾水管一样列能量平衡方程式，则式中 由于扩散形尾水管，则： =代入（1）式可得转轮所利用的能量为:由以上可以看出：结论： ())2(20221-∆+-=∆E h gH d υ 52255222202-∆+++=+++h g p g p h H s υγυγ())2(50222-∆+-+=∆E h g H H s d υ52255222202-'∆+++=+++h g p g p h H s υγυγ ())2(50253-'∆+-+=∆E h g H H s d υ())2(50222-∆+-+=∆E h gH H s d υ(1)没有装置尾水管时，转轮只利用了电站总水头的部分，同时损失掉转轮出口水流的全部动能(2)装置圆柱形尾水管时，与没有装置尾水管相比，此时转轮多利用了的能量.这一多出部分称之为静力真空，它是在圆柱形尾水管作用下，转轮出口处不再是大气压而是相应的负压，由于负压存在相当于增加了作用在转轮两端的压力差。
尾水管的作用
一、尾水管的作用尾水管是反击式水轮机所特有部件，冲击式水轮机无尾水管。
尾水管的性能直接影响到水轮机的效率和稳定性，一般水轮机中均选用经过试验和实践证明性能良好的尾水管。
反击式水轮机尾水管作用如下：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，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。
图5-69表示三种不同的水轮机装置情况：没有尾水管；具有圆柱形尾水管；具有扩散形尾水管。
图5-69在三种情况下，转轮所能利用的水流能量均可用下式表示（5-38）式中——转轮前后单位水流的能量差；——转轮进口处的静水头；——大气压力；——转轮出口处压力；——转轮出口处水流速度。
在三种情况下，由于转轮出口处的压力及不同，从而引起使转轮前后能量差的变化。
图 5-69 尾水管的作用1．没有尾水管时如图5-69。
转轮出口代入式（5-38）得（5-39）式（5-39）说明，当没有尾水管时，转轮只利用了电站总水头中的部分，转轮后至下游水面高差没有利用，同时损失掉转轮出口水流的全部功能。
2．具有圆柱形尾水管时如图5-69。
为了求得转轮出口处的压力，列出转轮出口断面2及尾水管出口断面5的伯努利方程(5-40)式中——尾水管内的水头损失。
因此上式亦可写成（5-41）式中称为静力真空，是在圆柱型尾水管作用下利用了所形成。
以值代入式（5-38），得到采用圆柱型尾水管时，转轮利用的水流能量即（5-42）从式（5-42）可见与没有尾水管时相对比较，此时多利用了吸出水头，但动能仍然损失掉了，而且增加了尾水管内的损失，即此时多利用了数值为的能量（静力真空值）。
3．具有扩散型尾水管时如图5-69。
此时根据伯努利方程可得出：断面2处的真空值为：（5-43）比较式（5-43）与式（5-41）可见，此时在转轮后面除形成静力真空外，又增加数值为的真空称为动力真空，它是因尾水管的扩散作用，使转轮出口处的流速由减小到形成的。
水轮机尾水管课程设计
水轮机尾水管课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解水轮机尾水管的基本结构及其在水力发电过程中的作用；2. 学生能够掌握水轮机尾水管的设计原理和计算方法；3. 学生能够了解水轮机尾水管对水轮机性能的影响。
技能目标：1. 学生能够运用相关知识对水轮机尾水管进行简单的设计计算；2. 学生能够通过实例分析，评估不同尾水管设计对水轮机效率的影响；3. 学生能够运用绘图软件绘制水轮机尾水管的结构图。
情感态度价值观目标：1. 学生通过学习水轮机尾水管的设计，培养对水利工程建设的兴趣和热情；2. 学生在学习过程中，增强团队协作意识，提高沟通与交流能力；3. 学生能够认识到水轮机尾水管设计的重要性，增强对能源利用和环境保护的意识。
课程性质：本课程为应用实践型课程，以理论教学为基础，注重培养学生的实际操作能力和创新能力。
学生特点：初三学生，具有一定的物理基础和数学计算能力，对水利工程有一定的了解，好奇心强，喜欢动手实践。
教学要求：结合学生特点，采用讲授、实例分析、小组讨论等多种教学方法，引导学生掌握水轮机尾水管的设计原理和方法，提高学生的实际应用能力。
在教学过程中，注重学生的主体地位，激发学生的兴趣和积极性，培养学生的创新思维和团队协作精神。
通过课程学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续相关课程打下坚实基础。
二、教学内容1. 水轮机尾水管的结构与功能：介绍水轮机尾水管的基本结构，包括尾水管、弯头、扩散段等组成部分，分析其功能在水力发电过程中的作用。
2. 水轮机尾水管设计原理：讲解水轮机尾水管的设计原理，涉及流体力学的相关知识，如流速、流量、压力等，以及尾水管尺寸、形状与水轮机性能的关系。
3. 水轮机尾水管设计计算：依据教材相关章节，引导学生学习尾水管设计计算方法，包括流量计算、压力损失计算等，并通过实例进行讲解。
4. 水轮机尾水管对性能影响：分析不同尾水管设计对水轮机效率、稳定性等性能的影响，结合实际工程案例，让学生了解优化设计的重要性。
水轮机选型及蜗壳尾水管设计
图1
图2
(6) 运转综合特性曲线的绘制
以水头为纵坐标，出力为横坐标，绘出坐标系。 见图2。 在图2上绘出几个特征水头的水平线。 在图1上选取几个整数效率值，画出水平线，与辅 助曲线形成一些交点。
B，即为H<Hr时的出力限
制线。
2. 出力限制线的绘制
① 根据表中三个水头下所得到的出力，可以在运转综合特 性曲线上绘出三个点。连接着三个点即可得到斜向阴影 线。
② 在高水头下，水轮机的出力受发电机最大限制出力的限
制，作竖向阴影线N=Nf。 ③ 整个出力限制线由两部分组成：N=Nf的竖直线段和三个
M n1
N ηM Q'1
nD1 n1 H
η
nD1 n1 H
η
nD1 n1 H
η
nD1 n1 H
η N
Q'1
Q'1
5%出力限制 线
① 为了保证绘制运转综合特性曲线的精确性，在H、 N网格上至少绘出三个水头，其中包括Hmax、Hmin 和Hr(或Hav)。对每一个水头，计算出对应的n'1。 ② 在轮系综合特性曲线上绘制n'1的水平线，并查出其 与等效率线交点的坐标(η M, Q'1)； ③ 计算出原型水轮机的效率； ④ 按照公式N=9.81Q'1D12H3/2η 计算水轮机的出力；
三、所需要的有关资料
1. 水轮机产品技术资料：系列型谱、生产厂家、产品目 录、模型综合特性曲线。 2. 水电站技术资料：河流梯级开发方案、水库的调节性 能、水电站布置方案、地形、地质、水质、泥沙情况、 总装机容量、水电站运输、安装技术条件；水文资料： 特征流量及特征水头、下游水位流量关系曲线。 3. 水电站有关经济资料：机电设备价格、工程单价、年 运行费等。 4. 电力系统资料：系统负荷构成，水电站的作用及运行 方式等。
第七章 水轮机尾水管
三、尾水管内的损失
hw v5
2
相对损失
hw v5 hw 2g
2
v5
2
2g
hw v2
2
H
h w 1 w v2
2
由于
2g
hw
2g
1 w 所以，有
2 gH
不同比速水轮机（水头不同），相对损失不同！何宝海 能源动力工程学院
E H
1 2
v2
E H 1 H
s
v5
2
2g
v v5 2 hw 2g
2 2
2g
hw
E E H
s
由此看出，此能量差包括两部分：
H
2
s
：位能。
2
v2 v5 2g
hw
：动能、尾水管中的水力损失。
第七章 水轮机尾水管
第一节 概述 第二节 尾水管的作用原理 第三节 尾水管的选择
能源动力工程学院 何宝海
第一节 概述
一、尾水管的作用
1.将转轮出口水流平顺地引向下游 2.利用转轮出口动能，减少出口动能损失 3.当转轮装在下游水面以上时，利用转轮出口至下游水 面的高程差
尾水管的作用
一、尾水管得作用尾水管就是反击式水轮机所特有部件，冲击式水轮机无尾水管。
尾水管得性能直接影响到水轮机得效率与稳定性，一般水轮机中均选用经过试验与实践证明性能良好得尾水管。
反击式水轮机尾水管作用如下：1.将转轮出口处得水流引向下游；２.利用下游水面至转轮出口处得高程差，形成转轮出口处得静力真空；３。
利用转轮出口得水流动能,将其转换成为转轮出口处得动力真空。
图5-６９表示三种不同得水轮机装置情况：没有尾水管;具有圆柱形尾水管；具有扩散形尾水管。
图5－69在三种情况下，转轮所能利用得水流能量均可用下式表示(5—3８）式中——转轮前后单位水流得能量差；——转轮进口处得静水头;——大气压力；—-转轮出口处压力;-—转轮出口处水流速度。
在三种情况下，由于转轮出口处得压力及不同,从而引起使转轮前后能量差得变化。
图５—69 尾水管得作用１.没有尾水管时如图5-6９。
转轮出口代入式(5—３8)得（5-39）式（5-39）说明,当没有尾水管时，转轮只利用了电站总水头中得部分,转轮后至下游水面高差没有利用,同时损失掉转轮出口水流得全部功能。
2.具有圆柱形尾水管时如图5-69.为了求得转轮出口处得压力，列出转轮出口断面２及尾水管出口断面5得伯努利方程(5-40）式中——尾水管内得水头损失。
因此上式亦可写成（5—41)式中称为静力真空,就是在圆柱型尾水管作用下利用了所形成。
以值代入式(５-３８），得到采用圆柱型尾水管时,转轮利用得水流能量即（5-4２）从式（５-４２)可见与没有尾水管时相对比较，此时多利用了吸出水头，但动能仍然损失掉了,而且增加了尾水管内得损失,即此时多利用了数值为得能量（静力真空值)。
3。
具有扩散型尾水管时如图5—69。
此时根据伯努利方程可得出：断面2处得真空值为:（5—43)比较式（5-４3）与式（5-41）可见,此时在转轮后面除形成静力真空外，又增加数值为得真空称为动力真空，它就是因尾水管得扩散作用,使转轮出口处得流速由减小到形成得。
尾水管资料
二、压力脉动引起的机组振动
1．尾水管中的压力脉动 尾水管内产生压力脉动的原因，是由于在尾水管
内产生螺旋状空腔涡带，此涡带在尾水管内处在偏心 位置，由于尾水管内压力分布不均匀，所以涡带旋转 时，在尾水管壁的固定点上就形成了周期性的压力脉 动。 尾水管压力脉动的研究, 主要有4种方法: 理论分析; 模型实验; 数值模拟（全流道进行非定常三维湍流数 值模拟）; 真机试验。
2、尾水管补气 其目的在于破坏尾水管的真空，方法有两种：
一是自然补气；二是强迫补气。补气的位置通常是 在直锥段。
应该指出，补气也会引起某些不良现象。例如
，在正常运行工况下，水轮机出力会降低，有时转 轮后面的压力脉动反会增大，此外，已发现补气可 以引起飞逸转速增大。
3、改进结构 改进止漏装置、转轮叶片出水边的形状和厚度
等等的结构。 4、合理安排机组的运行范围 5、对尾水管改型优化设计
三、消除和减轻振动的措施
1、尾水管加导流隔板 因产生偏心涡带的根本原因是转轮出口水流有环
量存在。因此用加隔导流板的办法来消除环流，其 目的在于消除或减弱偏心涡带。导流隔板大概有以 下几种：一是在尾水管直锥段进口部位加置十字形 隔板；二是在直锥段进口管壁加置导流隔板；三是 在弯肘段前后加置导流隔板。
H d
pa
p2
2 2
2g
h0 2 (1)
下面分三种情况来讨论：
（1）转轮出口没有装置尾水管
水轮机没有装置尾水管，转轮出口直接与大气
相通，则
p2 pa
p2 pa 代入（1）式可得转轮所利用的能量为
项目五：反击式水轮机的尾水管
第五节：反击式水轮机的尾水管
• • • • • •
第五章 反击式水轮机的基本结构 第五节：反击式水轮机的尾水管 一、尾水管的作用 尾水管的作用 1.将转轮出口水流引向下游 2.利用下游水面至转轮出口处的高程差，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
（2）肘管型式 标准混凝土肘管
• （3）水平长度 • 水平长度是机组中心到尾水管出口的距离 • 通常取：L=4.5 扩散段与支敦
四、减轻尾水管振动的措施
• 1.尾水管加导流隔板 • 尾水管中装设导流板
2.尾水管补气
• • • • • •
第五章 反击式水轮机的基本结构 第五节：反击式水轮机的尾水管 一、尾水管的作用 尾水管的作用 1.将转轮出口水流引向下游 2.利用下游水面至转轮出口处的高程差，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 出口处的动能量差比较
• 1.没有尾水管 • 2.具有圆柱形尾水管 • 3.具有扩散型尾水管时
• 实际恢复的动能与理想恢复的功能的比值 称为尾水管的恢复系数
二、尾水管的基本类型
1.直锥形尾水管
• 2.弯曲线尾水管 • 弯肘形尾水管 • 弯锥形尾水管
• 三、尾水管选择 • 1.直锥形尾水管的设计 • （1）根据经验公式，决定尾水管的进口速 度 • （2）确定尾水管出口断面面积
• (3) 确定锥角 及管长 L • 根据扩散管中水力损失最小原则，一般选 锥角 ，管长L 可由进口断面面积 和出口断面面积 值及 值 算出。 • (4) 决定排水渠道尺寸
• （1）尾水管的深度 • 尾水管深度是指水轮机导水机构底环平面 至尾水管底板平面之间的距离。 • 对转轮进口直径 小于转轮出口直径 的混 流式水轮机取 ； • 对转桨式水轮机取 ， • 对转轮直径 的高水头混流式水轮机则 可取 。
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3、改ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ结构
改进止漏装置（顶盖密封的梳齿型的止漏装置，活动导叶密封的L型止漏装置，）、转轮叶片出水边的形状（葛洲坝转轮周围的裙边）和厚度等等的结构。
由能量平衡方程：
设转轮所利用的水流能量为ΔE
△Ｅ=
取2—2断面为基准面，则
△Ｅ=( ) (1)
（1）转轮出口没有装置尾水管
水轮机没有装置尾水管，转轮出口直接与大气相通，则
代入（1）式可得转轮所利用的能量为
（2）转轮出口装置圆柱形尾水管（如图所示）
取5—5断面为基准面，对2—2，5—5断面列能量平衡方程式，
导叶关闭规律对尾水管真空度的影响：在折线关闭规律下，先快后慢关闭时，尾水管真空度发生在折点处，且其值基本不随了Ts而变；先慢后快关闭时，尾水管真空度发生在导叶完全关闭时刻左右，且其值将随Ts的增大而减小。但当有效时间变化到一定范围，使前后两段斜率变化极小时，则类似直线规律关闭。折线关闭规律的选择决定于电站的工作水头以及水轮机的特性曲线，适当的折线关闭规律对尾水管真空度值是有利的。
则：
由于圆柱形尾水管出口断面面积相等，
代入上式化简得：
代入（1）式可得转轮所利用的能量为：
（3）转轮出口装置扩散形尾水管
同转轮出口装置园柱形尾水管一样列能量平衡方程式，则
式中
由于扩散形尾水管 ,则：
=
代入（1）式可得转轮所利用的能量为：
由以上可以看出：
结论：
(1)没有装置尾水管时，转轮只利用了电站总水头的 部分，同时损失掉转轮出口水流的全部动能
六、研究现状及展望
将流体机械的基本流动理论与计算流体力学和优化方法结合在一起，寻求最优组合。分析尾水管压力脉动的最终目的是为提高水轮机安全运行提出指导方案和建议。混流式水轮机稳定性的水力原因是一个有难度的课题，还有许多相关问题值得我们去研究，尤其是对尾水管压力脉动的理论研究工作。相信以后经过研究人员的努力，在计算机和边缘学科迅速发展的基础上，尾水管涡带压力脉动的理论研究定将有新的发展。
五、消除和减轻振动的措施：
1、尾水管加导流隔板
因产生偏心涡带的根本原因是转轮出口水流有环量存在。因此用加隔导流板的办法来消除环流，其目的在于消除或减弱偏心涡带。导流隔板大概有以下几种：一是在尾水管直锥段进口部位加置十字形隔板；二是在直锥段进口管壁加置导流隔板；三是在弯肘段前后加置导流隔板。
2、尾水管补气
(2)装置圆柱形尾水管时，与没有装置尾水管相比，此时转轮多利用了 的能量。这一多出部分称之为静力真空，它是在圆柱形尾水管作用下，转轮出口处不再是大气压而是相应的负压，由于负压存在相当于增加了作用在转轮两端的压力差。但水轮机仍然损失掉转轮出口水流的全部动能
(3)装置扩散形尾水管时，除多利用了 的能量外，由于尾水管出口断面的扩散作用，转轮出口处的流速由 降低到 ，与没有装置尾水管相比，又多利用了 部分的能量。这一部分称之为动力真空，它是在扩散形尾水管作用下，转轮出口处的流速由 降低到 而形成的。但水轮机转轮出口的动能损失变为
对水轮机尾水管回收动能机理的认识
一、水轮机的尾水管的作用
1、将转轮出口的水流平顺地引向下游。
2、利用下游水平面至转轮出口处的高程差，形成转轮出口处的静力真空，从而利用转轮的吸出高度 。
3、回收转轮出口的水流动能，将其转换为转轮出口处的动力真空，减少了转轮出口的动能损失，从而提高水轮机效率。
二、水轮机尾水管的工作原理
尾水管中心截面压力云图（左为原型，右为改形后）
图中色阶表示该截面的速度分布，红色为最大。容易发现，经改性后的尾水管流场更均匀，水流能在扩散段有较好的平稳流动。
尾水管流场流线云图
（左为原型，右为改形后）
从该图易见，改型前尾水管内部流体质点运动比较紊乱，极易产生涡流。经改型后，内部水流大致比较平顺，尽在弯管段外侧以及扩散段上部有一定的紊动。
5、对尾水管改型优化设计
有关资料研究表明：为了更好的显示原型和改形后尾水管的内部流动，现把流量参量介入其中加以考虑并比较，流量值的范围为2.9 ---7.6 从中选取三个典型流量分别作出它们的静压、速度云图、以及断面45°的速度云图和压力云图进行具体的比较。
（1）流量Q=4 时，两尾水管的流场显示及分析讨论如下
四、查询资料
在水电站运行中，常常出现振动，是由于在尾水管内产生螺旋状空腔涡带，此涡带在尾水管内处在偏心位置，由于尾水管内压力分布不均匀，所以涡带旋转时，在尾水管壁的固定点上就形成了周期性的压力脉动。压力脉动对尾水管真空度有着很大的影响，一般来讲，尾水管压力脉动主要是由部分负荷时尾水管涡带引起的压力脉动。当导叶开度为0.4至0.7时或者最优流量在在0.3至0.8的范围内，此时涡带会经常出现。而当导叶开度为0.5至0.6时，处在低负荷载载区，此时产生的压力脉动最为严重。强烈的旋转压力脉动是当机组实际运行负荷为机组满负荷的1/3至1/5时，由涡带的旋转导致产生。当机组部分负荷时，除了尾水管有旋转压力脉动外，有时还可以观察到同步压力波动，如果此时的尾水管涡带的扰动频率与水路系统的特征频率相符合，那么就会引起严重的压力峰值群，这将强烈导致机组振动，转轮叶片呈现裂纹，大轴松动，有时还可触发压力钢管破裂。
4、合理安排机组的运行范围，水轮机在偏离设计工况下运行，翼型的绕流条件与转轮的出口条件均会发生较大改变，在叶片进口产生较大冲角；在转轮出口形成较大环量，使尾水管内形成较强的空腔涡带。当然，实际运行中要有一定的环量，使水不易脱流，降低能量损失，所以，合理拟定水电厂的运行方式，尽可能避开振动区，并且不让机组在低负荷和超负荷下长期运行。
水轮机尾水管涡带研究指的是考虑影响涡带的各种水力因素，其包括水头、开度、空化系数等，探索涡带的发生的机理。并通过分析涡带的频率和引起的压力脉动的幅值等参数特性，从而如何控制尾水管涡带的破坏程度。依据当前技术条件局限性，水轮机尾水管涡带的研究的水力机械界常用的四种方法：理论分析;模型实验;数值模拟（全流道进行非定常三维湍流数值模拟）;真机试验。计算机技术处理系统自迅速发展以来，理论研究和实验研究的应用进展不大，但是CFD在水力机械技术上的应用研究发展很快、也很成熟。CFD在独立数值试验越来越显示出强大的功能和特有的优越性，数值模拟作为主要研究手段之一逐渐占据水力机械行业的重要地位。理论研究主要是靠的是数学的方法直接求解所研究探索的问题。理论研究方法主要是揭露物质运动的内在规律使其清晰、普遍的显示出来。水轮机内部流动极为复杂，特别是针对尾水管中的三维紊流流动，大小涡流再加上空化的影响，还有二次流，有时候甚至是汽液两相流的交叉影响。
三、思考
能否用其他方法来证明尾水管利用转轮的静力真空和动力真空？1.比如用fluent软件来模拟尾水管的流态，通过改变方程中的模拟量，类似于真空度数值模拟的计算方法来证明尾水管动能回收机理。2.模型试验，采用两个水力效应相同的弯肘形尾水管，通过控制流场内某些变量（压力……）的大小，实验结果是没有控制压力得尾水管效率较高，说明了利用静力真空。在我们本科生现有的知识水平来做这些研究还有很大的难度，只能从学术论文上看别人的来推理一些可能存在的情况，如果要做，还需对模拟软件，编程，高等数学等学科知识作为铺垫。