尾水管的作用
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。
第五章 反击式水轮机的基本结构(二)
相对开度：导叶在任意位置时的开度a0与最大径向开 度a0max的比值。
a0
a0 a0 max
a0 Z 0
D1
对几何相似的水轮机相对开度值相同： a0 a0M
a0
D1 D1M
aoM
中小型水轮机真机与模型的导水机构，由于结构原
因不能保持几何相似。为此使真机导水机构的出水角
与模型相等，来获得导水机构出口水流的相似关系。
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：水轮机 导水机构底环平面至尾水管底 板平面之间的距离。
深度越大直锥段的长度可 取大一些，因而降低其出口即 肘管段进口及后面的流速，有 利于降低肘管内损失。
尾水管深度对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，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。
D0 / D1 1.13 ~ 1.30
按导水机构能紧密关 闭的原则，确定叶栅密 度和翼弦长度L0：
L0Z0 1.1
D0
三、径向式导水机构的基本结构
基本要求 1.导水机构过流部件的尺寸应与模型水轮机相应部
件的尺寸保持几何相似，过流部件表面应光滑以减小 水力损失；
2.导水机构的最大开度要可靠并应留有一定的裕量， 以保证水轮有足够的过水能力；
1、4、6—尼龙轴瓦；2—导水机构底环；3—导叶；5—轴套； 7—水轮机顶盖；8—连接板；9—转臂；10—分半键；11—剪断销；
12—连杆；13—推拉杆；14—控制环；15—支座；16—补气阀
第五节 水轮机调节
电力系统向用户提供的电能质量：频率和电压应 保持在额定值附近的一定范围内。我国规定电力系 统频率为50Hz，偏差在0.2-0.5Hz。
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。
《流体机械原理》思考题
《流体机械原理》思考题1.绘制水轮机的分类图表2.绘制水泵的分类图表3.水轮机的主要过流部件有哪些？各部分的主要作用是什么？作用原理是什么？有哪些主要的形式？P30 P57（原理）(与ppt对照看)答：水轮机的主要过流部件有：引水室，导水机构，转轮，尾水管。
①引水室的作用是将水流按所需要的速度（大小和方向）引入转轮。
其原理是引水室内速度矩保持不变。
主要形式：开式引水室，闭式引水室。
②导水机构作用是控制和调节水轮机的流量，以改变水轮机的功率，适应负荷的变化；在非蜗壳式引水室中，导水机构还用来改变水流方向，以适应转轮需要。
其原理是导叶转动，改变了水流的方向及过水断面的大小，从而改变流量大小。
主要形式：径向导水机构（圆柱式），斜向或圆锥式导水机构，轴向或圆盘式导水机构。
③转轮作用是改变水流方向并产生能量。
其原理是水流对转轮叶片做功，使水的动能和压力能转换为转轮机械能。
主要形式：混流式，斜流式，轴流式（定桨式和转桨式）。
④尾水管作用是将离开转轮的水引导至下游并利用转轮出口水流的部分能量。
原理是能量守恒（伯努利方程）原理。
主要形式：直锥式，弯管，肘形。
4. 水泵的主要过流部件有哪些？各部分的主要作用是什么？作用原理是什么？有哪些主要的形式？ P32 P62（原理）（与ppt 对照看）答：水泵的主要过流部件有：吸水室，叶轮，压水室（扩压元件）。
① 吸水室作用是按要求的速度和方向将流体引入叶轮。
其原理是吸水室中速度矩不变和连续性原理。
主要形式：直锥管形（包括喇叭形），弯管形，半螺旋形，环形。
② 叶轮的作用是改变流体流动方向并对流体做功。
其原理是功能转换原理。
主要形式：离心式，混流式，斜流式，轴流式。
③ 压水室的作用是将从叶轮流出的流体收集起来并送往下一级或管道中，同时将其部分速度能转换成压力能以进一步提高压力。
原理是连续性定理和动量矩守恒定理。
主要形式：蜗壳，环形吸出室，叶片式扩压器（径向导叶），无叶扩压器，组合式，空间导叶，轴向导叶。
水轮机专业基础知识问答(附参考答案)
水轮机专业基础知识问答（附参考答案）第一部分简答1什么叫水轮机?答:将水能转变为旋转机械能的水力原动机叫做水轮机。
2简述冲击式水轮机与反击式水轮机的区别。
答:工作原理方面:利用水流的势能与动能做功的水轮机为反击式水轮机;利用水流的动能做功的水轮机为冲击式水轮机；流动特征方面:反击式水轮机转轮流道有压,封闭,全周进水;冲击式水轮机转轮流道无压,开放,部分进水；结构特征方面也显著不同.如转轮的差别,有无喷嘴,尾水管。
3简述反击式水轮机的过流部件及其作用。
引水室:作用是引水流进入导水机构。
导水机构:作用是调节水轮机过流量,并使水流能按一定方向进入转轮。
转轮:将水流能量转换为固体旋转机械能量的部件。
尾水管:作用是将水流排下下游,并回收转轮出口的剩余动能。
4简述冲击式水轮机的主要部件喷嘴:水轮机自由射流的形成装置。
喷针:与喷嘴共同完成流量控制(以行程变化喷嘴控制喷嘴出口过流面积)。
转轮:由轮盘和轮盘外周均匀排列的水斗构成的组件,转换水流能量为固体旋转机械能。
折向器:自由射流流程内部件,可遮断射流,以防止转轮飞逸。
5简述我国关于水轮机标准直径的定义。
混流式:转轮叶片进水边上最大直径。
浆叶式(轴流式,斜流式,贯流式):浆叶转动轴线与转轮室相交处直径。
冲击式:射流中心线与转轮相切处节圆直径。
6简述水轮机主要工作参数工作水头H:水轮机的进口和出口处单位重量水流的能量差值。
流量Q:单位时间内通过水轮机的水流体积。
转速n:水轮机转轮单位时间内旋转的次数。
出力P:水轮机轴端输出的功率。
效率η:水轮机的输入与输出功率之比。
7简述水轮机中水流运动的分解水轮机流道内水流空间运动,可用若干个简单运动表示的方法就是其水流运动的分解。
例如转轮中水流运动,为水流质点绝对运动(或绝对速度),为水流质点沿叶片的相对运动(或相对速度),为水流质点随转轮所用的周向牵连运动(或牵连速度).其相应的矢量关系图即为速度三角形。
8简述水轮机工况的概念水轮机的运行状态或运行条件称为水轮机的工况.水轮机的不同工况相应一组不同的工作参数。
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 g H 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。
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
尾水管的作用型式
E
pa p2
（出口压力降低）。
第二节 尾水管的第作二章用、水轮型机式的及蜗其壳主、尾要水尺管寸和的气确蚀 定
故：
E
EB
EA
( 2V22
2g
5V52
2g
h25 )
= 静力真空（静水头）+动力真空（利用扩散使动能减小）
Δ E 即为尾水管回收的水能
E pa p2
E2A
H2
Pa
2V22
2g
EA
E1
E2A
H1
(
H2
2V2 2
2g
)
第二节 尾水管的第作二章用、水轮型机式的及蜗其壳主、尾要水尺管寸和的气确蚀 定
EA
E1
E2A
H1
(
H2
2V2 2
2g
)
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
低不得小于2.3D1。
优先使用厂家提供的产品尺寸
第二节 尾水管的第作二章用、水轮型机式的及蜗其壳主、尾要水尺管寸和的气确蚀 定
⑤尾水管的水平长度（L）
定义：机组中心线到尾水管水平出的水口距离
增大L，使尾水管出口面积增大， 减小出口动能损失;但过分增大L，
尾水管内部水力损失以及厂房尺寸 增大.
通常取 L ( 3.5 ~ 4.5 )D1
（出口压力降低）。
第二节 尾水管的第作二章用、水轮型机式的及蜗其壳主、尾要水尺管寸和的气确蚀 定
尾水管的作用为： 1、汇集并引导转轮出口水流排往下游；
水力机械第二章12
式中
v w u
v wu
——绝对流速（相对于大地） ——相对速度（水流质点相对于转轮 叶片从流道进口移动到出口） ——牵连（圆周）速度（水流质点随 转轮一起旋转）
绝对速度 v 与牵连速 度 u 之间的夹角a ，称为 绝对速度的方向角；相对 速度 w 与牵连速度 u 之间 的夹角 b ，称为相对速度 的方向角。
三、转速n
水轮机转速是指水轮机转轮每分钟内旋转的次数， 单位为r/min。 水轮机在稳定运行时的转速是固定不变的，称为水 轮机额定转速，并与发电机的同步转速相等。
机组丢弃全部负荷同时调速系统失灵时，导水叶不 能关闭，水流能量使转轮转速增加达到的最大值， 称为飞逸转速nrun，飞逸转速可达额定转速的1.8~ 3.0倍。 机组发生飞逸时，离心力非常大，它对机组的设计、 制造，对机组支撑结构及水电站厂房的振动都有较 大的影响。
以水流流线为母线绕水轮机主轴轴线旋转所形成的 若干回转面，称之为水流流面。 将流线与转轮叶片相割的流面展开，便可得到由 一系列叶片
翼型（即为
流面切割
叶片所得到
的剖面）所 组成的叶栅
剖面图。
混流式 轴流式
为了便于研究反击式水轮机转轮中复杂的水流运 动，做了如下假定：
（1）水流为理想流体； （2）转轮中水流的相对运动为定常运动（稳定流）； （3）叶片数无穷多，且叶片厚度无限薄（叶片翼型剖 面可以简化成无厚的骨线）；
已知条件
Di n
60
（1）u1和u2的大小和方向
u1 u2
方向：圆周切向方向
式中，Di 为同一流面上的转轮叶片进、出口计算点 所在圆直径，m。
（2）vm1和vm2的大小和方向
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4部件及作用
使水轮机多利用一部分位置水头；
由于尾水管出口截面变大，降低了出口流速，
减少了水轮机出口动能损失，
使转轮出口的动能恢复为动力真空，
使水轮机多利用一部分水流动能，
从而提高了水轮机的效率。
励磁系统的作用：
主要作用是给同步发电机的转子提供励磁电流。作用体现在以下几个方面：
二、电压互感器和电流互感器的原理：
电流互感器的工作原理相当于2次侧短路的变压器，用来变流，
在二次侧接入电流表测量电流(可以串联多个电流表)。电流互感器的二次侧不能开路。
电压互感器的工作原理相当于2次侧开路的变压器，用来变压，
在二次侧接入电压表测量电压(可以并联多个电压表)。电压互感器的二次侧不能短路。
（1） 调节励磁，维持机端或系统中某一点的电压在给定的水平；
（2） 调节励磁，可以改变发电机无功功率的数值，可使并联运行机组间的无功功率合理分配；
（3） 采用完善的励磁系统及其自动调节装置，可以提高输送功率极限，扩大静态稳定运行的范围；
（4） 发生短路时，强励有利于提高动态稳定能力；
引水部件（蜗壳），导水部件（导叶），工作部件（转轮），泄水部件（尾水管）
作用：（1）、蜗壳：保证把来自压力水管的水流以较小的水流损失，
均匀、轴对称地引入导水机构，使转轮四周所受的水流作用力均匀；
使水流产生一定的旋转量（环速度和方向引入转轮，
2、将一次系统的高电压、大电流变换为二次侧的低电压（标准值100V、100/根号3V）、
小电流（标准值5A、1A），使测量、计量仪表和继电器等装置标准化、小型化，
并降低了对二次设备的绝缘要求；
3、将二次测设备以及二次系统与一次系统高压设备在电气方面很好地隔离，
水电站机电设备复习资料
蜗壳作用：使水流产生圆周运动并引导水流均匀的、轴对称的进入座环。
座环作用：支承水轮发电机组的重量及蜗壳上部部分混凝土的重量，并将此巨大的荷载通过支柱传给厂房基础。
导水机构作用：形成与改变进入转轮的水流速度矩并按照电力系统所需的功率调节水轮机流量，在关闭位置能切断水流使水轮机停止工作。
导叶开度a。
：两个相邻导叶间的最小开度。
尾水管作用：1、汇集并引导转轮出口水流排往下游。
2、当H2（静力真空）＞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能量。
折流板的作用都是用来改变液体流向，增加湍动用的。
减压阀是通过调节，将进口压力减至某一需要的出口压力，并依靠介质本身的能量，使出口压力自动保持稳定的阀门。
2CJ20-W-120/2×10表示转轮型号为20的水斗式水轮机，一根轴上装有2个转轮，卧轴，转轮直径为120cm，每个转轮具有2个喷嘴，设计射流直径为10cm。
SJ115-W-40/20,转轮宽度为20。
损失分为：水力损失（主要部分），容积损失，机械损失。
从蜗壳鼻端至蜗壳进口断面之间的夹角成为蜗壳的包角。
动能恢复系数：衡量尾水管性能好坏的主要指标。
弯肘型尾水管组成：进口直锥段、中间肘管段、出口扩散段。
尾水管变动局部变动形式：1、尾水管扩散段向上倾斜2、尾水管肘管段偏移3、采用窄而深的断面4、尾水管直锥段加高。
气蚀：指水轮机流道内流动水体中的微小气泡在形成、发展、溃裂过程中对水轮机过流部件表面所产生的物理化学侵蚀作用。
气蚀类型：翼型气蚀、间隙气蚀、空腔气蚀、局部气蚀。
吸出高度：从叶片背面压力最低点K到下游水面的垂直高度。
比转速：是一个与D1无关的综合单位参数，它表示同一系列水轮机在H=1m、N=1kW时的转速。
线性、综合特性曲线。
前者分为：工作、水头、转速特性曲线，后者分为：模型、运转综合特性曲线。
机组选型设计：1、尽可能选用相同型号的机组2、大多数情况下机组台数用偶数3、机组台数一般不少于2台4、不宜选择过多的机组台数。
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管及气蚀
如果K点的压力降 低至汽化压力，则 将发生翼型气蚀
K点的最低压力pk 是研究翼型气蚀的 控制参数
对K点的压力进行 研究
通过研究叶片上的压力分布情况，得 到叶片上压力最低点（一般为叶片背面 靠近转轮叶片出口处)K点的压力为：
pk
蜗壳单线图，为厂房设计提供依据。
已知：
H r ,Qm ax, b0 , Da , Db ,0 ,Vc
1.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，水流速度分解为径向分速Vr、圆周分 速Vu。
进入座环时，按照均匀轴 对称入流的要求，Vr=常数。
Vr
Qm a x
pa
Hs
(Wk2 W22 2g
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管及气蚀
§2.1 蜗壳的型式及主要参数选择
一、蜗壳设计的要求
蜗壳是反击式水轮机的重要引水部件，对水轮机的效率及 运行安全稳定性有很大影响，通常对蜗壳设计提出如下要求：
（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）水流进入导水机构前应具有一定的环量； （4）具有合理的断面形状和尺寸； （5）具有必要的强度及合格的材料。
转轮获得能量：
EA
E1
E2A
H1
(H2
2V22 )
2g
2.
设尾水管时： E1 (H1
pa )
E2B
H2
p2
2V22
2g
根据2-2至5-5断面能量方程：
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
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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
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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 。
水轮机简答填空判断例题
答：水轮机转轮下环的作用是将转轮叶片连成整体，以增加转轮的强度和刚度，并与上冠一起形成过流通道。
21、 混流式水轮机主轴的作用是什么？
答：主轴是水轮机重要部件之一，其作用是承受水轮机转动部分重量及轴向水推力所产生的拉力，同时传递转轮所产生扭矩，所以水轮机主轴要同时承受拉、扭及径向力综合作用。
答：首先空心轴可以满足强度要求，同时比实心轴节约大量的钢材，减轻了水轮机的重量，其次中心孔还可以用于转轮补气。
51．导叶漏水量大，可能造成哪些后果？
答：漏水量大，会增加水能损失，使停机困难，而且在机组调相运行是，还会使漏气量增加。
答：止漏装置的作用是减少转轮上下转动间隙的漏水量，它由转动固定止漏环两部分组成。
47、 机组产生飞逸有何危害？
答：机组运行中出现飞逸，容易造成烧瓦，特别是发电机转子容易造成连接件的松动，断裂及塑变，如果再有强烈振动，很可能造成较严惩的机械损坏事故，降低机组的使用寿命。
48、 机组的振动根据干扰力的不同可分为几种？
4、 座环的作用是什么？
答：座环是水轮机的承重部件。水轮机的轴向推力，发电机的重量及座环上混凝土的重量，均由座环承受。座环是水轮机零部件安装中的重量基准面。座环由上环、下环、固定导叶组成。固定导叶的断面为机翼型，以减少水流阻力。固定导叶的叶片数为活动导叶的1/2。水流通过蜗壳经固定导叶活动导叶按辐向均匀地进入转轮。
8、 水轮机安装的基本程序是什么？
答：①埋设件的安装；②主轴与转轮的组合检查；③导水机构的预装配；④水轮机正式安装；⑤与发电机连轴并进行轴线检查、调整；⑥主轴密封、导轴承的安装、调整；⑦附属装置安装；⑧机组的起动试运行。
9、 水轮机转动部分组装应达到的基本要求是什么？
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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。
将式(５—43)中得值代入式(５－38）得扩散型尾水管条件下转轮利用得水流能量为:（5—4４）比较式（5－4４）与式（5-42)可见，当用扩散形尾水管代替圆柱形尾水管后,出口动能损失由减少到，又多利用了数值为得能量,此值亦称为断面２处得附加动力真空,当然此时扩散形尾水管中得水头损失也有所增加。
故实际上在断面2处所恢复得功能为,比式（5-43）中定义得动力真空值少了管中得损失。
为了估计扩散形尾水管得恢复功能效能，设想扩散形尾水管内没有水力损失,且出口断面为无穷大，没有动能损失,则此时断面2处得理想动力真空就等于转轮出口得全部功能。
实际恢复得动能与理想恢复得功能得比值称为尾水管得恢复系数(5—４5）式（5-45）表明，尾水管内得水头损失及出口动能越小,则尾水管得恢复系数越高.因此恢复系数表征了尾水管得质量，反映了其转换功能得能力，故有时也称为尾水管得效率。
根据以上分析，水流经尾水管总得损失为内部水力损失与出口动能损失之与,即将式（5—45）代入上式得:(5-46）尾水管相对水力损失,即能量损失与水轮机水头H之比值为：由上式可见,尾水管得恢复系数不就是尾水管得相对损失，它只反映其转换动能得效果。
两个不同比转速得水轮机即使具有相同得尾水管恢复系数，而由于它们得转轮出口动能所占总水头得比重不同,其实际相对水力损失也不同。
高比转速水轮机得转轮出口动能占总水头得40％左右,而低比转速水轮机却不到1％。
以尾水管得恢复系数都等于75％来估算,则高比转速水轮机尾水管得相对水力损失达,而低比转速得仅为左右。
由此可见，尾水管对高比转速水轮机起着十分重要得作用。
从此也可以瞧到尾水管对轴流式水轮机比对混流式水轮机更重要。
二、尾水管得基本类型1．直锥形尾水管。
如图５-70所示，这就是一种简单得扩散形尾水管,广泛使用于中小型水电站中(转轮图 5-70 直锥形尾水管直径m）它制造容易,因为在直锥形尾水管内部水流均匀,阻力小，所以其水力损失小，恢复系数比较高，一般可以达到83%以上。
直锥形尾水管母线多就是直线，［图５－７０］,也有母线为曲线而使管子呈喇叭状［图5—70]。
图 5-71 弯肘形尾水管图 5-72 肘管1—锥面;2—水平圆柱面;3—垂直圆锥面;4—垂直面;5—斜面;6—圆环面;7—上翘面图5-73 弯锥形尾水管2。
弯曲形尾水管。
如图5－71所示,用于大中型水电站得立式水轮机中。
它由三部分组成。
进口锥管，肘管及扩散管。
进口锥管就是一个竖直得圆锥扩散管。
图 ５-7２ 肘管就是一个90°得弯管，它得进口断面为圆形，出口断面为矩形.出口扩散管就是一个水平放置得断面为矩形得扩散管。
这种尾水管得锥管段里衬由制造厂提供，尾水管在现场用钢筋混凝土完成.在大中型电站得立式水轮机中，如采用直锥形尾水管,由于管子长，需将下游控制得很深，大大增加土建工程量,以致实际上不可能实现,所以必须采用弯肘形尾水管。
在这种尾水管中,水流经过一段不长得直锥管后进入肘管,使水流变为水平方向,再经过水平得扩散段而流入下游。
弯肘形尾水管增加了转弯得附加水力损失及出口水流不均匀性得水力损失，因此这种尾水管得恢复系数较直锥形尾水管低。
如图５-７3所示，为小型卧式机组用得弯锥形尾水管,它由两部分组成，第一段为圆段面弯管,转弯角度一般为90°,第二段为竖直得圆锥管段。
弯管得形状比肘管简单，易于制造。
但由于弯管为等断面，其中水流速度较大,所以其水力损失很大。
此外，拐弯后速度分布不均匀，这就使得水流在直锥扩散管中流动状态恶化，故其回能系数较弯肘形尾水管得小，一般在0、4～0、6之间。
三、尾水管选择在设计尾水管时,首先要根据机组与电站得具体条件来确定与选择尾水管得形式。
目前在小型机组上多采用圆形断面得直锥形尾水管，对于大型卧式机组（例如大型贯流式水轮机)，为了减少水电站得土建投资并保证尾水管有足够得淹没深度,通常将直锥管得出口做成矩形断面，加大水平方向尺寸而减少高度方向尺寸。
而对于大型立式机组,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与混凝土量,应选用弯肘形尾水管，下面分别介绍这两种常用得尾水管得设计得方法。
1。
直锥形尾水管得设计直锥形尾水管由于结构简单，设计时一般可按下列步骤进行。
（１)根据经验公式，决定尾水管得进口速度(5—47）（2) 确定尾水管出口断面面积(５－4８)（5-４9）图5-74 排水渠道断面尺寸选择 排水渠道断面; 排水渠道尺寸选择曲线图5-75 弯肘形尾水管相对深度 与水轮机效率差值得关系(３） 确定锥角及管长根据扩散管中水力损失最小原则，一般选锥角，管长可由进口断面面积与出口断面面积值及值算出。
（４) 决定排水渠道尺寸为保证尾水管出口水流畅通；排水渠道必须有足够得尺寸。
对于立式小型机组可参考图5—74确定。
设计时先根据当地地质条件按确定值,然后再由曲线［图5－７4]查出，算出，并取。
2、弯肘形尾水管得选择及计算与直锥型尾水管不同之处在于弯肘形尾水管得轴心线为曲线,整个尾水管由不同得断面形状组织而成。
选择弯肘形尾水管就就是根据电站机组得具体条件选择各组合断面得几何参数，这些参数得选择原则就是设计出得尾水管要求有较高得得综合经济指标,即一方面要尾水管有较高得能量指标,即恢复系数要大,这会对电站带来长期得经济效益，同时又要求土建工程最小,即减少电站一次性投资。
而上述两种经济效益往往就是矛盾着得。
例如为了提高尾水管得恢复系数，应增加尾水管得高度,但随着得增加将会带来电站水下开挖量及混凝土量增加.因此在弯肘形尾水管各断面参数选择时应予综合考虑.弯肘形尾水管得性能受下面三个因素影响,选择时应着重加以考虑。
（1）尾水管得深度尾水管深度就是指水轮机导水机构底环平面至尾水管底板平面之间得距离.深度越大直锥段得长度可以取大一些，因而降低其出口即肘管段进口及其后部流道得流速，这对降低肘管中得损失较有利。
尾水管得深度变化对水轮机得效率，特别就是在大流量情况下影响很显著，这可从图5－75得曲线瞧出(代表效率差值)。
尾水管得深度对水轮机得运行稳定性影响很大。
特别就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，采用较大得深度可改善尾水管偏心涡带所引起得振动.因此常常需要限制尾水管深度得最小值。
但就是，尾水管得深度又就是影响工程量得最直接得一个因素。
水下部分得开挖与施工常常很困难而且牵涉面较广,甚至由于地质条件得限制而要求尾水管高度必须小于某一数值，会出现施工与运行二者得矛盾。
需要指出,当尾水管得深度要求采用小于正常推荐范围得数值时，必须事前进行充分得论证或试验研究,以确保安全运行。
根据实践经验一般可作如下选择。
对转轮进口直径小于转轮出口直径得混流式水轮机取;对转桨式水轮机取,在某些情况下必须要求降低尾水管深度时则前者取；对后者取。
对转轮直径得高水头混流式水轮机则可取.与上述尾水管深度推荐值相对应，直锥段得单边扩散角分别取下列数值:对混流式水轮机；对转桨式水轮机取(轮毂比大于0、４5时,取较小值）。
（2）肘管型式肘管得形状十分复杂，它对整个尾水管得性能影响很大，一般推荐定型得标准肘管.图表5—8 标准肘管尺寸5—7６所示为标准混凝土肘管。
此肘管，图中各线性尺寸列于表5－8。
此外，当水头高于200ｍ时,由于水流流速过大,此时可采用金属肘管，它们得形式与混凝土肘管不同.(３）水平长度水平长度就是机组中心到尾水管出口得距离.肘管型式一定，长度决定了水平扩散段得长度。
增加可使尾水管出口动能下降,提高效率。
但太长了将增加沿程损失与增大厂房水下部分尺寸。
增加得效益不如高度显著,通常取：。
图5-77 扩散段与支墩图 5-78 偏离机组中心线得尾水管图 5—7６ 标准混凝土肘管水平段得形状如下：两侧平行,顶板向上翘，倾角.底板一般水平,少数情况下,为了减少开挖要求尾水管上抬，此时一般不超过（低比转速水轮机取上限)。
转桨式水轮机得水平段宽度；混流式为。
当时,允许在出口段中加单支墩.支墩尺寸（图5—７７)为：;。
出口段最好不要加双支墩,试验表明双支墩会引起效率显著下降。
有些水电站因水工建筑得要求，尾水管得出口中心线往往需要偏离机组中心线(图5-78）。
此时，肘管水平段得俯视图按以下方法绘制：偏心距离由水工建筑要求决定,肘管得水平长保证标准值。
在以上两条件下，使肘管两侧面夹角得角平分线过机组中心(即图5-78所示两个角相等)。
而肘管段得断面形状则保持不变。
地下电站为了减小厂房与尾水流道尺寸，常采用高而窄得尾水管。
此时厂房得挖深一般不就是主要矛盾，这样就可用加大深度来弥补宽度得缩小。
实践证明这样做对水轮机效率影响不大。
四、减轻尾水管振动得措施当运行机组上出现尾水管偏心涡带引起得振动时，通常可采用以下几个措施来减轻其影响。