第二章 水轮机的蜗壳、尾水管及气蚀

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2) 中间断面( i )
Qi
i
360
0
Qmax
Qmax i i 360 0 VC
Qi Q max i Fi Vu 360 0 Vc
Ri ra 2 i
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Fi、ρi、Ri。
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Pa P2 转轮出口 代入式得 g g
1 、没有尾水管时
V22 E H d 2g
说明，当没有尾水管时，转轮只利用了电站总水头中的 H d
部分，转轮后至下游水面高差 H s 没有利用，同时损失掉转轮 出口水流的全部功能 V 2g
2 2
。
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V22 整理得 E ( H d H s ) 2 g h
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。
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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°
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3 、蜗壳进口平均流速
3 水轮机汽蚀定义
汽泡在溃灭过程中，由于汽泡中心压力发生周期性变化，使 周围的水流质点发生巨大的反复冲击，对水轮机过流金属表 面产生机械剥蚀和化学腐蚀破坏的现象，称水轮机的汽蚀。
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4. 汽蚀造成的危害
过流部件的腐蚀破坏：使过流部件机械强度降低，
严重时整个部件破坏。
增加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降低，
2g
V22 2g
减少
2g
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综合1-3得
V22 E ( H d H s ) 2 g h
设置尾水管以后，在转轮出口形成了压力降低，出现了真空现
象，真空由两部分组成： 静力真空：Hs(落差)，也称为吸出高度Hs； 动力真空(转轮出口的部分动能)
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金属蜗壳
1 、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。
2 、金属蜗壳按照制造方法分为焊接、铸焊和铸造。
钢板焊接：中低水头的HL式水轮机，钢板拼装焊接。
铸焊和铸造 ：高水头的HL式水轮机。
混凝土蜗壳
1 、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。 H>40m 时，可用钢板衬砌防渗(H 达 80m)
1.汽化及汽化压力的概念 水沸腾为汽化，汽化是由气压和水温决定的。
(1)水在一定压力下加温的汽化为沸腾； (2)环境温度不变压力降低引起的汽化叫空化。
在给定温度下，液体开始汽化的临界压力为该温度下的汽化
压力( Pb)
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2 、汽蚀的物理过程

水轮机在运转中，若过流部件的局部 区域，因为某种原因，液体的绝对压 力下降到当时温度下的汽化压力时， 液体便在该处开始汽化，产生蒸汽、 形成气泡 。 这些气泡随液体向前流动，至某高压 处时，气泡周围的高压液体致使气泡 急骤地缩小以至破裂。在气泡破裂的 同时，液体质点将以高速填充空穴， 发生互相撞击而形成水击。 这种现象发生在固体壁上将使过流部 件受到腐蚀破坏。
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三、蜗壳主要尺寸参数
1. 蜗壳的断面形状
金属蜗壳 ：圆形 混凝土蜗壳：梯形
结构参数
座环外径Da、内径Db、 导叶高度、蜗壳断面
半径、蜗壳外缘半径R
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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
生反作用力向外膨胀，压力升高，水流质点向外冲击。
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大量汽泡连续不断地产生与溃灭，水流质点反复冲击，使过
流通道的金属表面遭到严重破坏→ 机械破坏，叫疲劳剥蚀。
汽泡被压缩，由于体积缩小，汽化破坏时水流质点相互撞击，
引起局部升高(300度)，汽泡的氧原子与金属发生化学反应， 造成腐蚀；同时由于温度升高，产生电解作用→化学腐蚀。
H kv
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Wk2 W22 V22 Hs ( w ) 2g 2g pa pk
H kv H s hkv
静力真空 Hs是吸出高度，与水轮机的安装高程有关，与
水轮机的型式和性能无关；取决于转轮相对下游水面的位
置高程. H s Z k Z a
流量减小，出力下降。
缩短了机组检修的周期，增加了检修的复杂性。消
耗钢材、延长工期；
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机组产生振动和噪音，严重时造成厂房振动破坏 。
由于汽蚀时，在高压区发生连续破灭产生强烈水击， 而产生噪声和振动，可以听到像爆豆似的劈劈啪啪的声音。 根据噪音可以检测汽蚀的初生。
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(1)б称水轮机的汽蚀系数，是动力真空的相对值。 (2) б与叶型、工况有关(影响Wk,W2和叶道压力分布) W k 大 —б大。 (3) б与尾水管的性能有关，ηw↑→б↑，汽蚀性能差。 (4) 几何形状相似的水轮机，工况相似，б相同 对任一水轮机在既定工况下，б也是定值。 (5) б值影响因素复杂，理论难以确定，广泛使用的方法是 进行水轮机模型试验得出бm,并认为б=бm，再进行修正。
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管及汽蚀
第一节 蜗壳的型式及主要参数选择 第二节 尾水管的作用、型式及主要尺寸确定 第三节 水轮机的汽蚀及汽蚀系数 第四节 水轮机的吸出高度及安装高程
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第一节 蜗壳型式及主要参数选择
一、蜗壳的设计要求
二、蜗壳的功用及型式 1、功用 蜗壳是水轮机的进水部件，是把水流以较小的水 头损失，均匀对称地引向导水机构，进入转轮。 2、型式 分为金属蜗壳和混凝土蜗壳
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3、蜗壳的水力计算按(Vu=VC=C)
金属蜗壳水力计算
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1）蜗壳进口断面：
Qc Fc Q max 0 360 0 Vc Vc

断面半径： m ax
Fc


Q m ax 0 360 0 VC
Rmax 从轴心线到蜗壳外缘半径：
ra 2 max
二、水轮机汽蚀类型
翼型汽蚀是发生在水轮机转轮叶片 上的汽蚀。
翼形（叶片）汽蚀：转轮叶片背面
出口处产生的汽蚀，与叶片形状、 工况有关。反击式水轮机（尤其是
HL式）主要汽蚀形式。
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叶型汽蚀
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间隙汽蚀：当水流通过间隙和狭小的
流道时，局部流速增大，从而引起压
力降低而产生负压所形成产生汽蚀。 轴流转桨式
泥沙进入水轮机。 选择合理的安装高程
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四、水轮机汽蚀系数
几何吸出高度： 是最低压力点K与下游水面 a的高程差
1）列点K和点2相对运动的伯努利方程
2）列点2和点a绝对运动的伯努利方程
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hk a
v2 w 2g
H s Zk Za
Wk2 W22 pv pa pk v2 Hs 1 w g g 2g 2g
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局部汽蚀： 水轮机过流部件局部凸 凹不平时，因脱流引起局部真空形 成局部气蚀。
空腔汽蚀：在非最优工况时，水流
在尾水管中发生旋转形成一种对称 真空涡带，引起尾水管中水流速度
和压力脉动，在尾水管进口处产生
汽蚀破坏，造成尾水管振动。反击 式水轮机特有的，尤其 HL式水轮机 最突出
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物理过程：
由
E
p2

Z
v 2
2g
C
可知，当V↑→P↓,当P= Pb时，水开始汽化→汽泡（水蒸气
+空气）并且发育成为较大汽泡→进入高压区（汽泡里蒸气
变成水，汽泡内气体稀薄，出现强大真空，汽泡外面的水流
质点在内外压差的作用下急速向汽泡中心压缩、冲击）在汽
泡内形成很大的微观水击压力（可达几百大气压）；汽泡产
Qmax 1、进口断面流量 Qc 0 360
Qmax—水轮机的最大引用流量。 2、 进口断面的流速VC Vc↑→Fc↓→hw↑；Vc↓→Fc↑→hw↓；
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图 2-28
图 2-29
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四、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，绘出蜗壳平面和断面 单线图，为厂房设计提供依据。 2、已知参数
三、防止汽蚀措施
流速和压力是产生汽蚀最重要的两个原因，因此要控制流
速和压力的急剧变化。 1. 设计制造方面： 合理选型，叶型流线设计，表面光滑，抗 汽蚀钢衬 (不锈钢)。 合理的翼型和光滑的叶片表面
2. 运行方面：避开低负荷、低水头运行，合理调度，必要时在
尾水管补气。 避免在汽蚀严重的工况区运行 3. 工程措施：合理选择安装高程，采取防沙、排沙措施，防止
动力真空 hkv由水轮机的转轮和尾水管形成，它与水轮
机各流速水头转轮叶片、尾水管几何形状有关。即与水轮
机叶型、水轮机工况、尾水管性能有关。 因此表明汽蚀性能的只是动力真空：
1 hkv / H (Wk2 W22 wV22 ) 2 gH
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1 hkv / H (Wk2 W22 wV22 ) 2 gH
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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。
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第三节 水轮机的汽蚀及汽蚀系数
一、汽蚀的概念
1893年，人们首次发现汽蚀现象。之后，对螺旋桨、水轮机 和水泵等水力机械的汽蚀问题进行了大量研究。随着机器越来 越向高速运转方向发展，汽蚀一直是水力机械中很重要的问题。
从式可见与没有尾水管时相对比较，此时多利用了吸出水头 H s，
V22 但动能 2g
仍然损失掉了，而且增加了尾水管内的损失 h
即此时多利用了数值为 H s h 的能量（静力真空值）。
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P2 将式中的 g 代入得扩散型尾水管转轮利用的水流能量
E
当用扩散形尾水管代替圆柱形尾水管后，出口动能损失由 2 V 5 到 ，又多利用了 V22 Vs2 。
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第四节 水轮机的吸出高度和安装高程
一、水轮机的吸出高度
2V22 5V52
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2g
h25
3. 尾水管的作用 (1) 汇集转轮出口水流，排往下游。 (2) 当Hs>0时，利用静力真空。 (3) 利用动力真空Hd。回收转轮出口水流的部分动能
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
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平面图绘制
i , Ri
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第二节 尾水管的作用、型式及主要尺寸 一、尾水管的作用
三种不同的水轮机装臵情况：没有尾水管；具有圆柱形尾水 管；具有扩散形尾水管。 图在三种情况下，转轮所能利用的水流能量均可用下式表示
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Pa P2 V22 E E1 E 2 ( H d )( ) g g 2 g
H r , Qmax , b0 , Da , Db , 0 ,Vc
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3 、蜗壳中的水流运动
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。 1、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
2 、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
有关），一般用动能恢复系数ηw表示
w (
2 2 2 v2 5 v5
2g
h 2 5 ) /
2 2 v2
2g
ηw >0.8 时，效果较好； ≦0.3～0.4时，效果较差。
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二、尾水管型式及其主要尺寸
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）