第二章水輪機的蝸殼、尾水管(20133

1、第二章水輪機的蝸殼、尾水管第二章水輪機的蝸殼、尾水管及氣蝕及氣蝕第一節(jié)第一節(jié) 蝸殼的型式及其主要參數(shù)選擇蝸殼的型式及其主要參數(shù)選擇一、蝸殼設計的基本要求一、蝸殼設計的基本要求（1）過水表面應光滑、平順、水力損失）過水表面應光滑、平順、水力損失?。恍?；（2）保證水流均勻、軸對稱地進入導水）保證水流均勻、軸對稱地進入導水機構；機構；（3）水流在進入導水機構前應具有一定）水流在進入導水機構前應具有一定的環(huán)量，以保證在主要的運行工況下水流的環(huán)量，以保證在主要的運行工況下水流能以較小的沖角進入固定導葉和活動導葉，能以較小的沖角進入固定導葉和活動導葉，減小導水機構的水力損失；減小導水機構的水力損失；（4）

2、具有合理的斷面形狀和尺寸，以降）具有合理的斷面形狀和尺寸，以降低廠房投資及便于導水機構的接力器和傳低廠房投資及便于導水機構的接力器和傳動機構的布置；動機構的布置；（5）具有必要的強度及合適的材料，以）具有必要的強度及合適的材料，以保證結構上的可靠性和抵抗水流的沖刷；保證結構上的可靠性和抵抗水流的沖刷；二、蝸殼的功用及型式二、蝸殼的功用及型式(一)、功用功用：蝸殼是水輪機的進水部件，把水流以較小的水頭損失，均勻對稱地引向導水機構，進入轉輪。(二)、型式型式1、混凝土蝸殼混凝土蝸殼：H40m。節(jié)約鋼材，鋼筋混凝土澆筑，“T”形斷面。當H40m時，可用鋼板襯砌防滲。適用于低水頭大流量的水輪機。2、金

3、屬蝸殼金屬蝸殼：當H40m時采用金屬蝸殼。其斷面為圓形橢圓，適用于中高水頭的水輪機。(1) 鋼板焊接：H=40200m，鋼板拼裝焊接。(2) 鑄鋼蝸殼：H200m時，鋼板太厚，不易焊接，與座環(huán)一起鑄造而成的鑄鋼蝸殼，其運輸困難。三、蝸殼的主要參數(shù)三、蝸殼的主要參數(shù)1、斷面型式與斷面參數(shù)、斷面型式與斷面參數(shù)(1) 金屬蝸殼：圓形。結構參數(shù)：座環(huán)外徑、內徑、導葉高度、蝸殼斷面半徑、蝸殼外緣半徑(2) 混凝土蝸殼：“T”形。便于施工和減小其徑向尺寸，降低廠房土建投資有四種型式： (i) n=0：平頂蝸殼。特點：接力器布置方便，減小下部混凝土，但水流條件不太好。(iii) mn: =2030=1020

4、。(iv) mn:=2030，=2035。m=n時，稱為對稱型式。中間斷面：蝸殼頂點、底角點的變化規(guī)律按直線或拋物線確定。mn 和m=n較常用。2、 蝸殼包角蝸殼包角定義:蝸殼末端(鼻端)到蝸殼進口斷面之間的中心角。(1) 金屬蝸殼：0=340350，常取3450大，過流條件好，但平面尺寸增大，廠房尺寸加大。金屬蝸殼的流量小，尺寸小，一般取較大包角；從構造上講，最后100內，斷面演變成為橢圓。(2)、混凝土蝸殼：Q大，為減小平面尺寸，0=180270，一般取180，一部分水流未進入蝸形流道，從而減小了蝸殼進口斷面尺寸，這部分水流直接進入導葉，為非對稱入流，加重了導葉的負擔，因此在非蝸形流道處，

5、固定導葉斷面形狀常需特殊設計。3、蝸殼進口斷面平均流速、蝸殼進口斷面平均流速進口斷面流量：Qmax水輪機的單機最大引用流量。VcFchw；VcFchw；一般由HrVC曲線確定VC。(課本圖2-8）0max360QQc三、水流在蝸殼中的運動規(guī)律三、水流在蝸殼中的運動規(guī)律水流進入蝸殼后，形成一種旋轉運動(環(huán)流)，之后進入導葉。水流速度分解為Vr、Vu(課本圖2-9）。進入座環(huán)時，按照蝸殼的要求，水流均勻、軸對稱入流的要求，Vr=常數(shù)。 Da：座環(huán)外經 0maxbDQVar圓周流速Vu的變化規(guī)律，有兩種基本假定：(1) 速度矩Vur=Const假定蝸殼中的水流是一種軸對稱有勢流，忽略粘性及摩擦力，V

6、u會隨r的增加而減小。(2) 圓周流速Vu=Const：即假定Vu=Const四、蝸殼的水力計算四、蝸殼的水力計算水力計算的目的：確定蝸殼各中間斷面的尺寸，繪出蝸殼單線圖，為廠房設計提供依據。已知： 及斷面型式下進行(Db座環(huán)內徑）。按Vu=Const假定計算(也可按Vur=Const)cbarVDDbQH,00max1、金屬蝸殼水力計算、金屬蝸殼水力計算(1）蝸殼進口斷面：進口斷面半徑：從軸心線到蝸殼外緣半徑： ccccVQVQF00max360CcVQF00maxmax360maxmax2arR(2) 中間任意斷面( )由此可以繪出蝸殼平面圖單線圖。其步驟為：(a) 確定0 和VC ；(b

7、) 求Fc、max、Rmax；(c) 由i確定Qi 、 Fi、i、Ri。imax0360QQiiciuiiVQVQF0max360CiiVQ0max360iairR2第二節(jié)第二節(jié) 尾水管的作用、型式及其主要尾水管的作用、型式及其主要尺寸確定尺寸確定尾水管是反擊式水輪機的重要過流部件。其型式、尺寸影響、廠房基礎開挖、下部塊體混凝土尺寸。尾水管尺寸越大，越高，工程量及投資增大。合理確定是非常重要的。一、尾水管的工作原理（作用）一、尾水管的工作原理（作用）無（有）尾水管無（有）尾水管1 、無尾水管時無尾水管時假定轉輪出口高出下游尾水面H2(基準面00)。水輪機出口處的總能量損失總能量損失： 用相對壓

8、力表示為(p2=pa)： 水流出轉輪后，進入大氣，自由落入下游水面，H2和出口動能未被利用。gvHpE222222gvHE222222、 有尾水管時有尾水管時(設有一圓錐形尾水管設有一圓錐形尾水管)尾水管的出口在水面以下，尾水管的全部保持密閉)，由22到55斷面間的能量方程：簡化為：(p2)因此，設置尾水管以后，在轉輪出口形成了壓力降低，出現(xiàn)了真空現(xiàn)象，真空由兩部分組成： 52255552222222hgvHpgvHp)2(5225522222hgvvHp(1) 靜力真空靜力真空：(落差) H2 也稱為吸出高度，(2) 動力真空動力真空：有尾水管后轉輪出口(22)能量損失能量損失：(換掉E2中

9、P2） 522552222hgvvHd52255222252255222222/2)2( hgvgvHhgvvHE3、尾水管的作用、尾水管的作用有尾水管后水輪機多利用的能量（損失之差）作用：(1)、匯集轉輪出口水流，排往下游。 (2)、當H20時，利用這一高度水流所具有的位能。 (3)、回收轉輪出口水流的部分動能。)2(52255222222 hgvvHEEE二、尾水管的動能恢復系數(shù)二、尾水管的動能恢復系數(shù)尾水管H2取決于水輪機的安裝高程，與尾水管的性能無關；衡量尾水管性能好壞的標志是恢復動能的程度（與尾水管尺寸有關），一般用動能恢復系數(shù)w表示。w 0.8 時，效果較好；0.30.4時，效果較

10、差。對于低水頭水輪機更有意義。gvhgvvw2/ )2(22252255222三、尾水管型式及主要尺寸三、尾水管型式及主要尺寸 (一)直錐形、(二)彎錐形直錐形直錐形彎錐形彎錐形（三）、彎肘形尾水管：大中型水輪機所（三）、彎肘形尾水管：大中型水輪機所采用的尾水管，為了減小開挖深度，均采采用的尾水管，為了減小開挖深度，均采用彎肘形尾水管。由直錐段、肘管、出口用彎肘形尾水管。由直錐段、肘管、出口擴散段組成。擴散段組成。主要尺寸1、 進口直錐段進口直錐段進口直錐段是一個垂直的圓錐形擴散管，D3為直錐管進口直徑，為錐管單邊擴散角?；炝魇剑褐卞F管與基礎環(huán)相接，(轉輪出口直徑)，軸流式：與轉輪室里襯相連接

11、，=810。h3直錐段高度，其長度增加將會導致開挖量增加。一般在直錐段加鋼板襯。2、肘管、肘管90變斷面的彎管，進口為圓形斷面，出口為矩形斷面。F進/F出=1.3曲率半徑R小離心力大壓力、流速分布不均勻hw大。體形復雜，一般通過反復實驗確定，目前有一些定型的標準肘管。（課本表2-1）為減小轉彎處的脫流及渦流損失，肘管出口收縮斷面(h6)： 高/寬=0.254H型尾水管幾何形狀以彎管段最為復雜，體形如圖所示，它是由圓環(huán)面(A)、斜圓錐面(B)、斜平面(C)、水平圓柱面(D)、垂直圓柱面(E)、立平面(F)及水平面(G)組成 3、出口擴散段、出口擴散段 矩形擴散管，出口寬度B5=肘管出口寬度B6頂

12、板 =1013，L2 = L-L1=(23)D1 底板水平，B5很大時，加隔墩。4、尾水管的高度、尾水管的高度與水平長度與水平長度尾水管的總高度和總長度是影響尾水管性能的重尾水管的總高度和總長度是影響尾水管性能的重要因素。要因素。h=h1+h2+h3+h4 h1，h2由轉輪結構確由轉輪結構確定，定，h4肘管高度確定，不易變動。肘管高度確定，不易變動。h取決于取決于h3。h3大大hw小小w大大開挖加大，工程投資大；開挖加大，工程投資大；L：機組中心到尾水管出口，：機組中心到尾水管出口，L大大F出大出大V出出小小 w大大廠房尺寸加大，一般廠房尺寸加大，一般L=( 3.54.5) D1。推薦尾水管尺

13、寸：表推薦尾水管尺寸：表2-1 軸流式水輪機 混流式水輪機5、尾水管局部尺寸的變更、尾水管局部尺寸的變更廠房設計中，由于地形、地質條件，布置廠房的原因，在不影響尾水管能量指標的前提下，對選出的尾水管尺寸可作局部變更。(1) 減小開挖，h不動，擴散段底板向上傾斜612。（課本圖2-19(a)(2) 大型反擊式水輪機，為減小廠房長度，尾水管不對稱布置。（課本圖2-19(b)(3) 地下電站：為使巖石穩(wěn)定，尾水管采用窄深斷面(4) 加長h3（直錐高度）、L第三節(jié)第三節(jié) 水輪機的氣蝕及氣蝕系數(shù)水輪機的氣蝕及氣蝕系數(shù)一、氣蝕概述一、氣蝕概述1、空化及汽化壓力的概念、空化及汽化壓力的概念水沸騰為汽化，汽化

14、是由氣壓和水溫決定的。水在一定壓力下加溫的汽化為沸騰；環(huán)境溫度不變壓力降低引起的汽化叫空化。在給定溫度下，液體開始汽化的臨界壓力為該溫度下的汽化壓力(PB)。2、水輪機的氣蝕、水輪機的氣蝕(1)、氣蝕破壞的機理、氣蝕破壞的機理由由可知，當可知，當VP ，當，當P= PB時，水開始汽化時，水開始汽化汽泡（水蒸氣汽泡（水蒸氣+空氣）空氣）進入高壓區(qū)（汽泡時蒸進入高壓區(qū)（汽泡時蒸氣變成水，汽泡內氣體稀薄，出現(xiàn)強大真空，汽氣變成水，汽泡內氣體稀薄，出現(xiàn)強大真空，汽泡外面的水流質點在內外壓差的作用下急速向汽泡外面的水流質點在內外壓差的作用下急速向汽泡中心壓縮、沖擊）在汽泡內形成很大的微觀水泡中心壓縮、沖

15、擊）在汽泡內形成很大的微觀水擊壓力（可達幾百大氣壓）；汽泡產生反作用力擊壓力（可達幾百大氣壓）；汽泡產生反作用力向外膨脹，壓力升高，水流質點向外沖擊。向外膨脹，壓力升高，水流質點向外沖擊。CgvZpE222大量汽泡連續(xù)不斷地產生與潰滅，水流質點反復沖擊，使過流通道的金屬表面遭到嚴重破壞 機械破壞，叫疲勞剝蝕。汽泡被壓縮，由于體積縮小，汽化破壞時水流質點相互撞擊，引起局部升高(300度)，汽泡的氧原子與金屬發(fā)生化學反應，造成腐蝕；同時由于溫度升高，產生電解作用化學腐蝕。(2)、水輪機氣蝕定義、水輪機氣蝕定義 汽泡在潰滅過程中，由于汽泡中心壓力發(fā)生周期性變化，使周圍的水流質點發(fā)生巨大的反復沖擊，對

16、水輪機過流金屬表面產生機械剝蝕和化學腐蝕破壞的現(xiàn)象，水輪機的氣蝕。水輪機的氣蝕。二、二、 水輪機氣蝕類型水輪機氣蝕類型1、翼形（葉片）氣蝕： 轉輪葉片背面出口處產生的氣蝕，與葉片形狀、工況有關。2、間隙氣蝕：當水流通過間隙和較小的通道時，局部流速增大，壓力降低而產生氣蝕。3、空腔氣蝕：在非最優(yōu)工況時，水流在尾水管中發(fā)生旋轉形成一種對稱真空渦帶，引起尾水管中水流速度和壓力脈動，在尾水管進口處產生氣蝕破壞，造成尾水管振動。4、局部氣蝕：在過流部件凹凸不平因脫流而產生的氣蝕。 隔河巖隔河巖1號水輪機轉輪空蝕號水輪機轉輪空蝕尾水管內的真空渦帶尾水管內的真空渦帶三、三、 氣蝕造成的危害氣蝕造成的危害1、

17、使過流部件機械強度降低，嚴重時整個部件破壞。2、增加過流部件的糙率，水頭損失加大，效率降低，流量減小，出力下降。3、機組產生振動，嚴重時造成廠房振動破壞。四、四、 防止氣蝕措施防止氣蝕措施流速和壓力是產生氣蝕最重要的兩個原因，因此要控制流速和壓力的急劇變化。1、設計制造方面： 合理選型，葉型流線設計，表面光滑，抗氣蝕鋼襯(不銹鋼)。2、工程措施：合理選擇安裝高程，采取防沙、排沙措施，防止泥沙進入水輪機。3、運行維護：避開氣蝕嚴重工況，合理調度，及時補焊涂保護層、必要時在尾水管補氣。五、水輪機的氣蝕系數(shù)五、水輪機的氣蝕系數(shù)反擊式水輪機發(fā)生氣蝕破壞的根本原因是過流通道中出現(xiàn)了PPB的情況，因此防止

18、氣蝕的措施是限制P的降低，使PPB。影響水輪機效率的主要原因是翼型氣蝕，所以衡量水輪機氣蝕性能好壞一般是針對翼型氣蝕而言，其標志為氣蝕系數(shù)。 通過研究葉片上的壓力分布情況（課本圖2-24），得到葉片上壓力最低點（一般為葉片背面靠近轉輪葉片出口處)K點的壓力為：（相對運動方程）K點的真空值Hkv：Hs葉片K點距下游尾水面的距離 )22(22222gVgWWHppwksak)22(22222gVgWWHppHwkskakvHkv由動力真空與靜力真空組成。靜力真空Hs是吸出高度，取決于水輪機的安裝高程，與水輪機的性能無關，動力真空hkv與轉輪葉型、水輪機工況、尾水管性能有關，因此表明氣蝕性能的只是動力真空：用其相對值反映 )(21/22222vWWgHHhwkk(1)、氣蝕系數(shù)，是動力真空的相對值。氣蝕系數(shù)，是動力真空的相對值。(2)、與葉型、工況有關與葉型、工況有關(影響影響Wk ， W2和葉和葉道壓力分布道壓力分布) 。(3)、與尾水管的性能有關，與尾水管的性能有關，w，氣蝕，氣蝕性能差。性能差?；厥漳芰亢蜌馕g性能矛盾回收能量和氣蝕性能矛盾。(4)、幾何形狀相似的水輪機，工況相似，