水轮机的蜗壳、尾水管

2、 蜗壳包角

定义:蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口断面之间 的中心角φ。


(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。

因此，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：

(1) 静力真空：(落差) H2 也称为吸出高度， 2 2 v v (2) 动力真空： 2 2 5 5
Hd
2g
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h25

有尾水管后转轮出口(2—2)能量损失：(换掉E2 中P2）
H 2 ( E2
2、 有尾水管时(设有一圆锥形尾水管)

尾水管的出口在水面以下，尾水管的全部保持 密闭)，由2—2到5—5断面间的能量方程：
p2

H2
2 2 v2
2g

p5

H5
2 5v5
2g
h25

简化为：(p2)
p2

H 2 (
2 2 2 v2 5 v5
2g
h25 )
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→厂房尺寸加大，一般L=( 3.5～ 4.5) D1。 推荐尾水管尺寸：表2-1
第三节 水轮机的气蚀及气蚀系数

一、气蚀概述


1、空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。水在一定压力下加温的汽化为沸腾； 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)。
2、水轮机的气蚀


(1)、气蚀破坏的机理 2 v p2 由 E Z C
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。体形复杂，一般通 过反复实验确定，目前有一些定型的标准 肘管。（课本表2-1） 为减小转弯处的脱流及涡流损失，肘管出 口收缩断面(h6)： 高/宽=0.25



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。 一、尾水管的工作原理（作用）


2、金属蜗壳：当H>40m时采用金属蜗壳。其 断面为圆形~椭圆，适用于中高水头的水轮机。 (1) 钢板焊接：H=40~200m，钢板拼装焊接。 (2) 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。
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


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。

(2)、水轮机气蚀定义

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，— 水轮机的气蚀。
二、 水轮机气蚀类型


1、翼形（叶片）气蚀： 转轮叶片背面出 口处产生的气蚀，与叶片形状、工况有关。 2、间隙气蚀：当水流通过间隙和较小的通 道时，局部流速增大，压力降低而产生气蚀。 3、空腔气蚀：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 进口处产生气蚀破坏，造成尾水管振动。 4、局部气蚀：在过流部件凹凸不平因脱流 而产生的气蚀。

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。

v v
2 2 2
2 5 5
2g
h25 ) H 2
v
2 2 2
2g
5v 2 5 / 2 g h2 5
3、尾水管的作用

有尾水管后水轮机多利用的能量（损失之 2 2 差） 2 v2 5 v5
E2 H 2 ( E E2 2g h 2 5 )
隔河岩1号水轮机转轮空蚀
尾水管内的真空涡带
尾水管内的真空涡带
三、
气蚀造成的危害
1、使过流部件机械强度降低，严重
时整个部件破坏。 2、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。 3、机组产生振动，严重时造成厂房 振动破坏。
四、

防止气蚀措施


流速和压力是产生气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，抗气蚀钢衬(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、运行维护：避开气蚀严重工况，合理 调度，及时补焊涂保护层、必要时在尾水 管补气。

Qmax Vr Da b0 Da：座环外经

圆周流速Vu的变化规律，有两种基本假定：
(1) 速度矩Vur=Const 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=Const：即假定Vu=Const


四、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 , Qmax , b0 , Da , Db ,0 ,Vc
及断面型式下进行(Db座环内径）。 按Vu=Const假定计算(也可按Vur=Const)


1、金属蜗壳水力计算
Qc 0 F Q 360 V c max 0 c (1）蜗壳进口断面： Vc

进口断面半径：
max
4H型尾水管几何形状以弯管段最为复杂，体 形如图所示，它是由圆环面(A)、斜圆锥面(B)、 斜平面(C)、水平圆柱面(D)、垂直圆柱面(E)、 立平面(F)及水平面(G)组成
3、出口扩散段
矩形扩散管，出口宽度B5=肘管出口宽度B6 顶板 α=10°~13°，L2 = L-L1=(2～ 3)D1 底板水平，B5很大时，加隔墩。
Fc


Qmax 0 0 360 VC

从轴心线到蜗壳外缘半径：
Rmax ra 2 max

(2) 中间任意断面( i
i
360 Q max 0
Fi Qi Qmaxi i 0 Vu 360 Vc
)
Q max i 360 0 VC
Qi
Ri ra 2i



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 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。 2 2 2 2 v2 5v5 2 v2 w ( h 25 ) / 2g 2g ηw >0.8 时，效果较好；≦0.3～0.4时，效果 较差。对于低水头水轮机更有意义。


（4）具有合理的断面形状和尺寸，以降 低厂房投资及便于导水机构的接力器和传 动机构的布置； （5）具有必要的强度及合适的材料，以 保证结构上的可靠性和抵抗水流的冲刷；
二、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。 (二)、型式 1、混凝土蜗壳：H≦40m。节约钢材， 钢筋混凝土浇筑，“T”形断面。当 H>40m时，可用钢板衬砌防渗。适用于 低水头大流量的水轮机。
无（有）尾水管
1 、无尾水管时

假定转轮出口高出下游尾水面H2(基准面 0—0)。水轮机出口处的总能量损失： 用相对压力表示为(p2=pa)：
E2 p2


H2
2 v2
2 v2
2g


H2 E2
2g
水流出转轮后，进入大气，自由落入下游 水面，H2和出口动能未被利用。
五、水轮机的气蚀系数
反击式水轮机发生气蚀破坏的根本原
因是过流通道中出现了P<P 的情况， 因此防止气蚀的措施是限制P的降低， 使P≥P 。影响水轮机效率的主要原因 是翼型气蚀，所以衡量水轮机气蚀性 能好坏一般是针对翼型气蚀而言，其 标志为气蚀系数。
第二章水轮机的蜗壳、尾水管 及气蚀
第一节 蜗壳的型式及其主要参数选择
一、蜗壳设计的基本要求



（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）水流在进入导水机构前应具有一定 的环量，以保证在主要的运行工况下水流 能以较小的冲角进入固定导叶和活动导叶， 减小导水机构的水力损失；

(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。 (iii) m>n: δ=20°~30°γ=10°~20°。 (iv) m≤n:δ=20°~30°，γ=20°~35°。 m=n时，称为对称型式。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。 m>n 和m=n较常用。
轴流式水轮机
混流式水轮机
5、尾水管局部尺寸的变更


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。 (1) 减小开挖，h不动，扩散段底板向上倾斜 6°~12°。（课本图2-19(a)) (2) 大型反击式水轮机，为减小厂房长度，尾水 管不对称布置。（课本图2-19(b)) (3) 地下电站：为使岩石稳定，尾水管采用窄深 断面 (4) 加长h3（直锥高度）、L
3、蜗壳进口断面平均流速
Q 进口断面流量： Qc max 0 360



Qmax——水轮机的单机最大引用流量。 Vc↑→Fc↓→hw↑；Vc↓→Fc↑→hw↓； 一般由Hr—VC曲线确定VC。(课本图2-8）
三、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(课本图2-9）。 进入座环时，按照蜗壳的要求，水流均匀、 轴对称入流的要求，Vr=常数。

三、尾水管型式及主要尺寸
(一)直锥形、(二)弯锥形
直锥形
弯锥形

（三）、弯肘形尾水管：大中型水轮机所 采用的尾水管，为了减小开挖深度，均采 用弯肘形尾水管。由直锥段、肘管、出口 扩散段组成。
主要尺寸
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)， 轴流式：与转轮室里衬相连接，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。