水轮机蜗壳尾水管

(2) 根据水电站具体情况选择断面型式，并确定断面尺寸， 使其 F = F c
(3) 选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线)，以虚线 表示并画出1、2、3…….等中间断面。
(4) 测算出各断面的面积，绘出：F = f(R)关系曲线。
(5) 按
Fi
= Qi Vu
=
Q max φ i
360 0 V c
z 机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏 。 z 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；
二、水轮机汽蚀类型
z 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。反击式水轮机主要汽蚀形式。
z 间隙汽蚀：当水流通过间隙和较小的通道时，局部流速 增大，压力降低而产生汽蚀。
σ
=
hk
/
H
=
1 2gH
(Wk2
− W22
+ ηwV22 )
z б称水轮机的汽蚀系数，是动力真空的相对值。 z б与叶型、工况有关，Wk大—— V2大——б大。
z б与尾水管的性能有关，ηw↑→б↑，汽蚀性能差。
z 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。
z 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。
进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求，
Vr=常数。
Vr
=
Q max
πD ab0
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
2. 蜗壳的水力计算按(Vu=VC=C)
−
kσσ m H
z 水轮机吸出高度Hs是转轮叶片压力最低点到下游水面的垂 直高度Zk，随工况而改变，规定如下： (1) 立轴混流式水轮机： 导叶下部底环平面到下游尾水垂直高度 (2) 立轴轴流式水轮机： 转轮叶片轴线到下游尾水垂直高度 (3) 卧轴贯流式水轮机： Hs 叶片出口最高点到下游尾水垂直高度 (4) 设计尾水位高于上述高程Hs为负，反之为正 (5) 为保证水轮机在运行中不发生汽蚀，对各种工况下Hs 进行试验，取其中较小值。
有关），一般用动能恢复系数ηw表示
ηw
=
(
α
2
v
2 2
− α5v52
2g
−h
2−5
)
/
α2
2
v
2 2
g
=
Hd
/
α2v22
2g
ηw >0.8 时，效果较好；≦0.3～0.4时，效果较差。
ηw = 1 − ξw
二、尾水管型式及其主要尺寸
z 尾水管的作用是排水、回收能量。其型式、尺寸 影响、厂房基础开挖、下部块体混凝土尺寸。
四、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)。
2.工程措施：合理选择安装高程，采取防 沙、排沙措施，防止泥沙进入水轮机。
3.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。
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。
3. 汽蚀造成的危害
z 使过流部件机械强度降低，严重时整个部件破 坏。
z 增加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降 低，流量减小，出力下降。
三、蜗壳的水力计算
水力计算的目的: 确定蜗壳各中间断面的尺寸，绘出蜗壳单 线图，为厂房设计提供依据。
已知： H r , Q max , b 0 , D a , D b , φ 0 , V c
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Vr、Vu。
z 静力真空：H2(落差)，也称为吸出高度Hs；
z 动力真空(转轮出口的部分动能)
Hd
=
α
2V
2 2
−
α
5V
2 5
2g
− ∆h2−5
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。
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
直锥管进口直径，θ为锥管单边扩散角。
z 混流式：直锥管与基础环相接，(转轮出口直径)，
θ=7°~ 9°
z 轴流式：与转轮室里衬相连接，D3=0.937D1，
θ=8°~ 10°。
z 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 z 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 z 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： z 矩形扩散管，出口宽度B5， z B5很大时，加隔墩d5=(0.1~0.15) B5 z 顶板 α=10°~13°，底板水平。
z 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。
z 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。
(2) 水轮机汽蚀定义
第三节 水轮机的汽蚀
一、汽蚀的物理过程
1.空化及汽化压力的概念 z 水沸腾为汽化，汽化是由气压
和水温决定的。 z 水在一定压力下加温的汽化为
沸腾； z 环境温度不变压力降低引起的
汽化叫空化。 z 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)
2. 水轮机的汽蚀
(1) 汽蚀破坏的机理
4.尾水管的高度与水平长度
z 尾水管的总高度和总长度是影响尾水管性能的重要因素。
z 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； z 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。
z 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。
z 局部汽蚀：在过流部件凹凸不平因脱流而产生的汽蚀。
三、水轮机的汽蚀系数
z 反击式水轮机发生汽蚀破坏的根本原因是过流通道中出现 了p<pb的情况，因此防止汽蚀的措施是限制p的降低，使
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
一、蜗壳的功用及型式
(一) 功用 蜗壳是水轮机的进水部件，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。 设置在尾水管末端。
(二) 型式
1. 混凝土蜗壳 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。 当H>40m时，可用钢 板衬砌防渗(H 达80m)
(2) 混凝土蜗壳： φ0=180°~270°,一般取 180°，一大部分水流直接 进入导叶，为非对称入流， 对转轮不利）
3、蜗壳进口平均流速：
进口断面流量
Qc
=
Q max 360 o
φ0
Qmax——水轮机的最大引用流量。
Vc↑→Fc↓→hw↑；Vc↓→Fc↑→hw↓；
V c= α c H r
一般由Hr~VC曲线确定VC
p≥pb。影响水轮机效率的主要原因是翼型汽蚀，所以衡
量水轮机汽蚀性能好坏一般是针对翼型汽蚀而言，其标志 为汽蚀系数。 z 汽蚀系数б是水轮机汽蚀特征的一个标志，б越大，越容 易破坏
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
γ
=
pa
−
(
α
2V
2 2
−
α
5V
2 5
2g
− ∆h2−5 )
设尾水管后，转轮所获得能量：
EB
=
E1
−
E2B
=
H1
− ( α 2V22
2g
+ ∆h2−5 )
水轮机多获得的能量：
∆E
=
EB
−
EA
=
H2
+ (α2V22 − α5V52
2g
− ∆h2−5)
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：
Fi
= Qi Vu
= Qmaxφi
3600Vc
ρi =
Qmaxφi 3600VCπ
Ri = ra + 2ρi
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。
混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)
(1) 按求进口断面积；
z 尾水管尺寸越大，η越高，工程量及投资增大。 z 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）
弯肘型尾水管
z 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： z 进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管，D3为
2. 金属蜗壳
z 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。
z 钢板焊接：H=40~200m， 钢板拼装焊接。
z 铸钢蜗壳：H>200m时，钢 板太厚，不易焊接，与座 环一起铸造而成的铸钢蜗
壳，其运输困难。
二、蜗壳的主要参数
1.断面型式与断面参数 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
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
pk
γ
=
pa
γ
−Hs
−(Wk2 −W22 2g
+ηw
V22 ) 2g
=
pa
γ
− Hs
− σH
保证水轮机内不发生汽蚀的条件： pk≥ pB
Hs ≤
pa
γ
−
pB
γ
− σH
Hs
= 10.0 −
∇ 900
−
(σ m
+
∆σ )H
Hs
= 10 .0 −
∇ 900
γ
+ α2V22
2g
转轮获得能量：
EA
=
E1
−
E2 A
=
H1
−
(H2
+
α2V22
2g
)
2.
设尾水管时：
E 1= ( H 1 +
pa )
γ
E2B
=
H2
+
p2
γ
+
α2V22
2g
根据2-2至5-5断面能量方程：
p2
γ
+
H2
+
α 2V22
2g
=
pa
γ
+ α5V52
2g
+ ∆h2−5
可得：
p2
γ
=
pa
γ
−
H2
5.推荐尾水管尺寸：表2-1
6.尾水管局部尺寸的变更
z 厂房设计中，由于地形、地质条件，布置厂房的原因，在 不影响尾水管能量指标的前提下，对选出的尾水管尺寸可 作局部变更。
z (1) 减小开挖，h不动，扩散段底板向上倾斜6°~12° z (2) 大型反击式水轮机，为减小厂房长度，尾水管不对称
布置 z (3) 地下电站：为使岩石稳定，尾水管采用窄深断面 z (4) 加长h3、L2
绘出F = f(Φ)直线。
(6) 根据φi确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。
第二节 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
−
E2
=
(H1
+
pa ) −
γ
E2
1.无尾水管时：E 1= ( H 1 +
pa )
γ
E2 A
=
H2
+
pa
z由
E=
p2
αv2
+Z+
=C
γ
2g
可知，当V↑→P↓,当P= Pb时，水开始汽化→汽泡（水蒸气 +空气）→进入高压区（汽泡时蒸气变成水，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）；汽泡产生反作用力向外膨胀， 压力升高，水流质点向外冲击。
金属蜗壳水力计算
(1）蜗壳进口断面：
Fc
=
Qc Vc
= Q max φ 0
360 0 V c
z 断面半径：
ρ max =
Fc =
π
Q max φ 0 360 0 V C π
z 从轴心线到蜗壳外缘半径： Rmax = ra + 2ρ max
(2) 中间断面( φ = φ i )
Qi
=
φi
3600
Qmax
γ
− Hs
− (Wk2 − W22 2g
+
η
w
V22 2g
)
K点的真空值Hk.v：
Hkv
=
pa
γ
ห้องสมุดไป่ตู้
−
pk
γ
= Hs
+(Wk2 −W22 2g
+ηw
V22 2g
)
z 静力真空Hs是吸出高度，取决于水轮机的安装高程，与水轮机的性能 无关；
z 动力真空hk与转轮叶型、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：
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 z 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。
2.蜗壳包角
z 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°