第3章水輪機結(jié)構(gòu)(蝸殼及尾水管)

1、第四節(jié)第四節(jié) 水輪機蝸殼的形式及尺寸確定水輪機蝸殼的形式及尺寸確定一、蝸殼的功用及型式一、蝸殼的功用及型式 ( (一一) ) 功用功用 蝸殼是水輪機的進水部件，把水流以較小的水頭蝸殼是水輪機的進水部件，把水流以較小的水頭損失，均勻?qū)ΨQ地引向?qū)畽C構(gòu)，進入轉(zhuǎn)輪。設(shè)損失，均勻?qū)ΨQ地引向?qū)畽C構(gòu)，進入轉(zhuǎn)輪。設(shè)置在尾水管末端。置在尾水管末端。( (二二) ) 型式型式 混凝土蝸殼和鋼蝸殼?；炷廖仛ず弯撐仛?。1. 混凝土蝸殼混凝土蝸殼 適用于適用于低水頭大流量低水頭大流量的水輪機。的水輪機。 H40m, 鋼筋混凝土鋼筋混凝土澆筑，澆筑，“T”形斷面。形斷面。 當(dāng)當(dāng)H40m時，可用鋼時，可用鋼板襯砌防滲

2、板襯砌防滲(H 最大達最大達80m)2. 金屬蝸殼金屬蝸殼v當(dāng)當(dāng)H40m時采用金屬蝸時采用金屬蝸殼。其斷面為圓形，適殼。其斷面為圓形，適用于用于中高水頭中高水頭的水輪機。的水輪機。v鋼板焊接：鋼板焊接：H=40200m，鋼板拼裝焊接。鋼板拼裝焊接。v鑄鋼蝸殼鑄鋼蝸殼：H200m時，鋼板太厚，不易焊接，與時，鋼板太厚，不易焊接，與座環(huán)一起鑄造而成的鑄鋼蝸殼，其運輸困座環(huán)一起鑄造而成的鑄鋼蝸殼，其運輸困難。難。 二、蝸殼的主要參數(shù)二、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) 金屬蝸殼金屬蝸殼：圓形結(jié)構(gòu)：圓形結(jié)構(gòu)參數(shù)參數(shù)：座環(huán)外徑、內(nèi)：座環(huán)外徑、內(nèi)徑、導(dǎo)葉高度、蝸殼徑、導(dǎo)葉高度、蝸殼

3、斷面半徑、蝸殼外緣斷面半徑、蝸殼外緣半徑。半徑。 混凝土蝸殼：混凝土蝸殼：“T”形。形。 (1) m=n時：稱為對稱型式時：稱為對稱型式 (2) mn：下伸式：下伸式 (3) mn：上伸式：上伸式 (4) n=0：平頂蝸殼：平頂蝸殼v中間斷面：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蝸殼頂點、底角點的變化規(guī)律按直線或拋物線確定。定。 蝸殼中間斷面蝸殼中間斷面金屬蝸殼金屬蝸殼 混凝土蝸殼混凝土蝸殼2. 蝸殼包角蝸殼包角 v蝸殼末端蝸殼末端(鼻端鼻端)到蝸殼進口斷面之間的中心角到蝸殼進口斷面之間的中心角0(1) 金屬蝸殼：金屬蝸殼：0=340350,常取常取345(2) 混凝土蝸殼：

4、混凝土蝸殼：0=180270,一般取一般取180，一，一大部分水流直接進入導(dǎo)葉，為非對稱入流，對轉(zhuǎn)輪大部分水流直接進入導(dǎo)葉，為非對稱入流，對轉(zhuǎn)輪不利）不利） 3、蝸殼進口平均流速：、蝸殼進口平均流速： 進口斷面流量進口斷面流量 Qmax水輪機的最大引用流量。水輪機的最大引用流量。 VcFchw；VcFchw； 一般由一般由HrVC曲線確定曲線確定VC 0max360QQcrccHV金屬蝸殼流速系數(shù)金屬蝸殼流速系數(shù)混凝土蝸殼進口斷面流速系數(shù)混凝土蝸殼進口斷面流速系數(shù)三、蝸殼的水力計算三、蝸殼的水力計算1. 水力計算的目的水力計算的目的: 確定蝸殼各中間斷面的尺寸，確定蝸殼各中間斷面的尺寸，繪出蝸

5、殼單線圖，為廠房設(shè)計提供依據(jù)。繪出蝸殼單線圖，為廠房設(shè)計提供依據(jù)。 已知：已知：2. 水流在蝸殼中的運動規(guī)律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(zhuǎn)運動水流進入蝸殼后，形成一種旋轉(zhuǎn)運動(環(huán)流環(huán)流)，之后，之后進入導(dǎo)葉進入導(dǎo)葉, 水流速度分解為水流速度分解為Vr、Vu。 進入座環(huán)時，按照均勻軸對稱入流的要求，進入座環(huán)時，按照均勻軸對稱入流的要求，Vr=常常數(shù)。數(shù)。cbarVDDbQH,00max0maxbDQVar 圓周流速圓周流速Vu的變化規(guī)律，有兩種基本假定：的變化規(guī)律，有兩種基本假定： (1) 速度矩速度矩Vur= C 假定蝸殼中的水流是一種軸對稱有勢流，忽略粘假定蝸殼中的水流

6、是一種軸對稱有勢流，忽略粘 性及摩擦力，性及摩擦力，Vu會隨會隨r的增加而減小。的增加而減小。 (2) 圓周流速圓周流速Vu=C：即假定：即假定Vu=VC=C3. 蝸殼的水力計算按蝸殼的水力計算按(Vu=VC=C) （1 1）金屬蝸殼水力計算）金屬蝸殼水力計算(i) 蝸殼進口斷面：蝸殼進口斷面：v斷面半徑：斷面半徑： v從軸心線到蝸殼外緣半徑：從軸心線到蝸殼外緣半徑： ccccVQVQF00max360CcVQF00maxmax360maxmax2arR(ii) 中間斷面中間斷面( )由此可以繪出蝸殼平面圖單線圖。其步驟為：由此可以繪出蝸殼平面圖單線圖。其步驟為：(i) 確定確定0 和和VC

7、；(ii) 求求Fc、max、Rmax；(iii) 由由i確定確定Fi、i、Ri。max0360QQiiciuiiVQVQF0max360CiiVQ0max360iairR2 i(2) 混凝土蝸殼的水力計算混凝土蝸殼的水力計算(半解析法半解析法) (1) 按進口流速求進口斷面積；按進口流速求進口斷面積；(2) 根據(jù)水電站具體情況選擇斷面型式，并確定斷面尺根據(jù)水電站具體情況選擇斷面型式，并確定斷面尺寸，使其寸，使其(3) 選擇頂角與底角點的變化規(guī)律選擇頂角與底角點的變化規(guī)律(直線或拋物線直線或拋物線)，以，以虛線表示并畫出虛線表示并畫出1、2、3.等中間斷面。等中間斷面。(4) 測算出各斷面的面

8、積，繪出：測算出各斷面的面積，繪出：F = f(R)關(guān)系曲線。關(guān)系曲線。(5) 按按 繪出繪出F = f()直線。直線。(6) 根據(jù)根據(jù)i確定確定Fi、Ri及斷面尺寸，繪出平面單線圖。及斷面尺寸，繪出平面單線圖。 ciuiiVQVQF0max360cFF第五節(jié)第五節(jié) 尾水管的型式及其主要尺寸尾水管的型式及其主要尺寸一、尾水管型式 直錐形直錐形用于小型水輪機用于小型水輪機 彎錐形彎錐形用于臥軸水輪機用于臥軸水輪機 彎肘形彎肘形（大中型電站）（大中型電站） 常見尾水管的形式常見尾水管的形式直錐形直錐形常見尾水管的形式常見尾水管的形式彎錐形彎錐形彎肘形彎肘形彎肘型尾水管彎肘型尾水管v減小廠房開挖深度

9、，水力性能好，大中型號水輪減小廠房開挖深度，水力性能好，大中型號水輪機均采用彎肘型尾水管。機均采用彎肘型尾水管。組成：組成：直錐段、肘管、出口擴散段。直錐段、肘管、出口擴散段。軸流式水輪機 混流式水輪機1. 進口直錐段：進口直錐段：v進口直錐段是一個垂直的圓錐形擴散管，進口直錐段是一個垂直的圓錐形擴散管，D3為為直錐管進口直徑，直錐管進口直徑，為錐管單邊擴散角。為錐管單邊擴散角。v混流式：直錐管與基礎(chǔ)環(huán)相接，混流式：直錐管與基礎(chǔ)環(huán)相接，(轉(zhuǎn)輪出口直徑轉(zhuǎn)輪出口直徑)， =7 9v軸流式：與轉(zhuǎn)輪室里襯相連接，軸流式：與轉(zhuǎn)輪室里襯相連接，D3=0.937D1，=8 10。vh3直錐段高度，其長度增加

10、將會導(dǎo)致開挖直錐段高度，其長度增加將會導(dǎo)致開挖量增加。一般在直錐段加鋼板襯。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，出口為變斷面的彎管，進口為圓形斷面，出口為矩形斷面。矩形斷面。F進進/F出出=1.3v曲率半徑曲率半徑R小小離心力大離心力大壓力、流速分布壓力、流速分布不均勻不均勻hw大。大。R=(0.61.0)D4v為減小轉(zhuǎn)彎處的脫為減小轉(zhuǎn)彎處的脫流及渦流損失，肘流及渦流損失，肘管出口收縮斷面管出口收縮斷面(hc)： 高高/寬寬=0.25。3、出口擴散段：、出口擴散段：v矩形擴散管，出口寬度矩形擴散管，出口寬度B5，vB5很大時，加隔墩很大時，加隔墩

11、d5=(0.10.15) B5v頂板頂板 =1013，底板水平。，底板水平。4.尾水管的高度與水平長度尾水管的高度與水平長度v尾水管的總高度和總長度是影響尾水管性能的重要尾水管的總高度和總長度是影響尾水管性能的重要因素。因素。vH=h1+h2+h3+h4 h1，h2由轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)確定由轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)確定; h4為肘管為肘管高度，不易變動。高度，不易變動。 H取決于取決于h3(直錐段長度直錐段長度)。h3大大開挖加大，工程開挖加大，工程投資增大；投資增大；vL：機組中心到尾水管出口，：機組中心到尾水管出口，L大大F出出大大V出出小小w大大hf大大廠房尺寸加大，一般廠房尺寸加大，一般L=( 3.54.5) D1。5.推薦尾水管尺寸：表推薦尾水管尺寸：表4-15。6.尾水管局部尺寸的變更尾水管局部尺寸的變更v廠房設(shè)計中，由于地形、地質(zhì)條件，布置廠房的廠房設(shè)計中，由于地形、地質(zhì)條件，布置廠房的原因，在不影響尾水管能量指標(biāo)的前提下，對選原因，在不影響尾水管能量指標(biāo)的前提下，對選出的尾水管尺寸可作局部變更。出的尾水管尺寸可作局部變更。減小開挖，減小開挖，h不動，擴散段底板向上傾斜不動，擴散