混流式水轮机水力设计及其性能分析

1、混流式水轮机水力设计及其性能分析 原始资料水轮机适用水头为H=120m，经济流速取v0=6m/s，轮机直径D1=1m，设计单位流量为Q11=0.67m/sAbstractHydraulic mechanical properties have important influence on the operation of power plant. The design of the hydraulic machinery is a more complex tasks, the use of a computer aided design (CAD) technology to the des

2、ign, it is very necessary and meaningful. This paper is the application of the modern design method for the spiral case was Francis turbine hydraulic design, namely the first application of CAD software and combined with the traditional design method used 2 d is designed, and then in 2 d, and on the

3、 basis of spiral case was generated by Solidworks 3 d model, and cut out calculation domain, for Fluent prepare analysis, finally Gambit in generating grid files, add Fluent simulation and analysis flow field, according to the analysis of the spiral case was improved ward to minimum shape of the hyd

4、raulic losses. Key word: diffuser design, 3 d modeling and flow analysis, CFD 摘 要摘要：水力机械性能对发电厂运行有着重要影响。水力机械的设计是一项较为复杂的工作，利用计算机辅助设计(CAD)技术对其进行设计，是非常必要和有意义的。本文主要是应用现代设计方法进行混流式水轮机蜗壳的水力设计，即首先应用CAD软件并结合传统设计方法蜗壳进行二维设计，然后在二维的基础上，通过Solidworks生成蜗壳三维模型，并截出计算域，为Fluent分析做准备，最后在Gambit中生成网格文件，再倒入Fluent模拟并分析流场，根据分

5、析结界改善蜗壳形状以达到最小的水力损失。关键字：蜗壳设计、三维造型、流场分析、CAD绪论5第一章 蜗壳的水力设计61.1 混流式水轮机蜗壳的设计原理61.1.1混流式轮机蜗壳的作用61.1.2蜗壳的分类61.1.3蜗壳中水流运动规律61.2 蜗壳的水力计算81.2.1 选择蜗壳类型81.2.2 蜗壳的水力计算8第二章 导水机构152.1导水机构的作用和分类152.1.1导水机构的作用152.1.2 导水机构的分类152.2导水机构的设计152.2.1导水机构的参数选择与计算152.2.2导水机构的尺寸确定15第三章 水轮机转轮水力设计173.1水轮机转轮的主要参数183.1.1 基本资料183

6、.1.2 参数的确定183.1.3 转轮的轴面流道203.2确定轴面流线和轴面速度213.3 转轮叶片木模图30第四章 尾水管的水力设计314.1尾水管原理314.1.1尾水管的作用314.1.2尾水管的类型314.1.2尾水管内的水流流动和水力损失324.2尾水管的水力计算324.2.1尾水管的选择324.2.2尾水管的参数计算324.3尾水管性能分析35绪论自然界有多种能源，目前被利用的能源主要有热能、水能、风能和核能。水能是一种最经济的能源，也是一种永远消耗不尽的能源。地球上江河湖海纵横，湖泊星罗棋布，海洋辽阔，蕴藏着丰富的水力资源。在电能结构中，水电以运行费用低、清洁、易于开发和具有多

7、种效益的优点而占据重要地位。我国水能资源十分丰富，根据国家发展和改革委员会于2005年11月发布的全国水力资源复查成果，我国大陆水力资源理论蕴藏量为6.94亿千瓦，年发电量为6.08万亿瓦时；技术可开发量为5.42亿千瓦，相应年发电量为2.47万亿瓦时，居世界第一位。由于水电开发投资大，见效慢，周期长，所以水电在过去的几十年中虽然有一定的的发展，单发展程度还不够，截止目前为止，水电装机还不足1.5亿千瓦，待开发程度相当大。水力发电还有很多突出的优点：水力发电不需要消耗有限的矿藏能源，发电成本低，机组启动时间短，运行方式灵活，操作简单，可迅速地投入系统，并在电网中扮演多种角色，发挥调峰，调频，调

8、相等功能。水轮机选型是水电站设计中的一项重要任务。水轮机的型式与参数的选择是否合理，对于水电站的动能经济指标与运行稳定性，可靠性都有很重要的影响。水轮机选型过程中，一般是很据水电站的开发方式、动能参数、水工建筑的布置等，并考虑国内外已生产的水轮机的参数及制造厂的生产水平，拟选若干个方案进行技术经济的综合比较，最后才能确定最经济最合理的的工程方案。随着国内大型水电站的兴建，水电站仿真技术引起人们更多的关注。水轮机调节系统的性能对水电站机组的安全稳定运行起着决定性的作用，如何设定和调整水轮机调节系统的性能和特性参数，更好地改善调节性能，长期以来，保证机组运行的可靠性和经济性，是一个十分重要的课题。

9、作为水利水电动力工程专业的学生，我们要树立为祖国水电事业做贡献的远大理想，认真学好本专业的知识，从点点滴滴做起，全方位的学习其他知识，争取做一个厚基础，善创新，有理想的青年。第一章 蜗壳的水力设计1.1 混流式水轮机蜗壳的设计原理1.1.1混流式轮机蜗壳的作用金属蜗壳作为该水轮机的引水室，是水流进入水轮机的第一个部件，蜗壳在水流经过时，尽量地将管道中的水流均匀地分配到转轮前导水叶的四周，并使水流尽可能地成对称状态流入导水机构，然后再流入转轮，以减少水力损失，并保证水轮机运行平稳，蜗壳在水流经过导叶前还能造成一定的环量，使水流以涡旋线形状均匀地流入导叶，防止强大的水流对导叶造成冲击。1.1.2蜗

10、壳的分类蜗壳按其制造方式，有焊接、铸造、铸焊三种类型，钢板沿着圆周连同座环在内全部焊接的焊接时蜗壳一般用在尺寸较大的中低水头电站的混流式水轮机中。1.1.3蜗壳中水流运动规律为了使蜗壳水力损失减小，并尽可能控制水流方向，可以根据设计者意图让水流跟从两种不同规律沿蜗壳流动，蜗壳的形状也会随之发生变化，以下为两种流动规律：（1）蜗壳断面的平均速度周向分量为常数的规律 为蜗壳进口断面的水流速度。进口断面的平均速度希望选得大一些，这样可以减小蜗壳的尺寸，但是过大的增加会增加损失，降低水轮机效率，因而减小了水轮机的输出效率。图2-1是建立在经验基础上的金属蜗壳和混凝土蜗壳 的速度系数与设计水头的关系图2

11、-1 金属蜗壳的流速系数与水头的关系知道了平均速度就可以就出蜗壳相应的轴截面面积式中表示从蜗壳鼻端到任意断面之间的角度，圆形断面金属蜗壳尺寸可按给出不同的角，并按上式算出每一个角相应的面积和半径2）蜗壳中水流按等速度距规律流动。按照流体力学原理，势流流动时没有损失的理想流体运动。蜗壳中管壁摩擦损失时很小的，如果认为水的粘性很小，而势流流动按推导应有式中水流速度的切向分量（图2-2）；r计算点半径；K蜗壳常数。至于蜗壳各断面所通过的流量，则根据通过水轮机转轮的流量沿圆周方向必须是均匀的这一原则，通过蜗壳任意断面的流量为而水流沿圆周方向均匀进入水轮机转轮，水流在座环进口的径向速度应等于图2-2 蜗

12、壳中水流运动式中r座环外径B座环高度Q水轮机的总流量上式同样可以用在蜗壳断面中，求任意一点的径向流速，不过其中r和b值不是常数。1.2 蜗壳的水力计算1.2.1、选择蜗壳类型HL160LJ水轮机水头较高，140H40，所以采用钢板焊接金属蜗壳，蜗壳包角取345水力效果较好，蜗壳断面为圆形，当蜗壳到尾部圆断面无法与座环蝶形边相连接时，则采用椭圆形断面。（蜗壳的包角是决定蜗壳尺寸的重要因素，大包角蜗壳水力效果好，导水效率高，水能损失少，但包角大尺寸也越大，因此会增加建造成本，受限制于发电机尺寸、水头高度、厂房大小，平衡水轮机工作效率，选择最合适的蜗壳包角。）1.2.2、蜗壳的水力计算：1、选择参数

13、该轮机蜗壳采用圆形断面，从入口开始，到鼻端的断面，各个圆截面作切线相切与导水机构中分线相交点为顶点，作角度线与水平轴线成角为，这里取55角，如图所示，在靠近鼻端断面事，圆形断面无法与座环形成良好的连接，故采用椭圆断面，而一般座环尺寸选取为Da=1.551.64，Db=1.331.37（其中Da、Db为座环进口和出口处直径与水轮机转轮尺寸D1的比值）（注：进口断面流速应尽量取大些，以此缩小蜗壳尺寸减少制造成本，但过大的进口流速会增大水流损失，降低水轮机的效率，水轮机的输出功率亦会受此影响，故经济流速取6m/s）由水轮机设计手册查的所选方案HL160 D=1m的具体尺寸 D1i(=s)时，采用圆断

14、面。因为=0.373522813s,所以iS时，采用圆断面连接计算的公式：x=i/C+(2r0*i/C-h) Ri=+ai=x+h i=rD+x为求精确，i的变化幅度的15根据公式算出圆断面各数值，由下表显示：圆断面计算断面号i()i/CrD2r0*i/ch(2r0*i/C-h)x(m)x(m)(m)a(m)R(m)13450.1437332240.840.2414718160.0449440.4433145790.5870478030.3446251230.6241547271.4270478032.05120252923300.1374839530.840.2309730410.04494

15、40.4313108410.5687947940.3235275180.6070185481.4087947942.01581334233150.1312346830.840.2204742670.0449440.4189633240.5501980060.3027178460.5896285661.3901980061.97982657343000.1249854120.840.2099754920.0449440.4062406820.5312260940.2822011630.5719660511.3712260941.94319214552850.1187361410.840.1994

16、767170.0449440.3931064960.5118426380.2619828860.5540098251.3518426381.90585246262700.1124868710.840.1889779430.0449440.379518040.4920049110.2420688320.5357357861.3320049111.86774069772550.10623760.840.1784791680.0449440.3654246410.4716622410.222465270.5171163021.3116622411.82877854382400.099988330.8

17、40.1679803940.0449440.350765440.4507537690.203178960.4981194241.2907537691.78887319392250.0937390590.840.1574816190.0449440.3354662710.429205330.1842172150.478707861.269205331.74791319102100.0874897880.840.1469828440.0449440.3194351960.4069249840.1655879430.45883761.2469249841.705762584111950.081240

18、5180.840.136484070.0449440.3025558950.3837964130.1472996870.4384560261.2237964131.662252439121800.0749912470.840.1259852950.0449440.2846775290.3596687760.1293616280.4174992551.1996687761.617168031131650.0687419770.840.1154865210.0449440.265598420.3343403960.1117835010.3958882431.1743403961.570228639

19、141500.0624927060.840.1049877460.0449440.2450382540.307530960.0945752920.3735228131.147530961.521053773151350.0562434350.840.0944889710.0449440.2225869970.2788304330.077746410.3502719091.1188304331.469102342161200.0499941650.840.0839901970.0449440.1976011050.247595270.0613034180.3259561591.087595271

20、.413551429171050.0437448940.840.0734914220.0449440.1689598240.2127047190.0452432970.3003121.0527047191.35301671818900.0374956240.840.0629926480.0449440.1343452550.1718408790.0295292880.2728979441.0118408791.284738823椭圆断面参数确定：L=h/sin=0.258892462ms=L*tan=0.369354063mr0-Ra=h/tan=0.148597802mRa=r0-h/tan

21、=0.691402198md=b0/tan=0.078504499m当i165时，圆断面半径s，此时蜗壳的圆形断面与蝶形边不能形成良好的接触，所以应该将圆断面过渡为椭圆断面，过渡时的原则为求出各个截面的圆形断面面积，根据蝶形边高度将其换算为面积相等的椭圆，并计算出相对应的1、2绘制合适的椭圆形断面 与蝶形边相接的金属蜗壳椭圆形断面尺寸图椭圆短半径2=(1.045*A+0.81L*L)-1.345L与圆的同等面积上式也可以写成：椭圆断面长半径1=L+2-2ctg椭圆短面中心距a=Ra+1.22*2椭圆断面外径R=a+1由此椭圆形断面数据如下表：断面号ii/CA21aR141500.0624927

22、060.3735257310.4468899260.373794120.3706819381.1474310241.518112962151350.0562434350.3503359410.3941812560.3345852970.3589558741.0995962611.458552135161200.0499941650.326307260.3431284880.2943312860.3469172291.0504863671.397403596171050.0437448940.301273250.2937963980.2528784290.3345200490.999913882

23、1.3344339318900.0374956240.2750050460.2462637190.2100333890.3217065120.9476429321.26934944419750.0312463530.2471727710.2006288520.1655479960.30840240.8933707531.20177315220600.0249970820.2172695370.1570195060.1190966920.2945103490.8367001631.13121051221450.0187478120.1844410630.1156106120.0702434440

24、.2798999560.77709921.05699915722300.0124985410.1470196470.0766629020.0184001010.2643953250.7138503220.97824564623150.0062492710.1006944670.04063014300.2588924620.6914021980.95029466由数据可绘制蜗壳单线图：第二章 导水机构2.1导水机构的作用和分类2.1.1导水机构的作用水轮机在运行时会因不同的条件而在不同的工况下工作，这时不同工况对应不同的流量，以使水轮机的功率和负荷达到平衡，而在许可的时间内使转速尽快地回到原来的

25、额定值，而流量大小就由导水机构控制。2.1.2 导水机构的分类不同的水轮机对应的导水机构也不同，大致根水轮机匹配工作的导水机构有三种：（1）径向导水机构：导叶轴线均匀分布在水轮机同心的圆柱面上，又称圆柱式导水机构，导叶传动机构为平面运动机构，结构较为简单。（2） 斜向导水机构：导叶轴线均匀分布在圆锥面上，又称圆锥式导水机构，主要用于灯泡式灌流式水轮机和斜流式水轮机，在灯泡式水轮机中可以省去大尺寸蜗壳，便于经济地布置机组；导叶的出水角度不尽相同，设计困难且难于保证完全关闭水流；这种导水机构结构较为复杂。（3） 轴向导水机构导叶轴线位于半径方向上，又称圆盘式导水机构，主要用于全贯流式水轮机，功能和

26、缺点同斜向导水机构，水力损失较大。2.2导水机构的设计2.2.1导水机构的参数选择与计算转轮的直径D1=1m，所以选取导叶数Z0=24，导叶开度a0的大小等于自一个导叶的出口边至相邻导叶表面的最短距离，根据水轮机设计手册查得，本设计中取D0/D1=1.13，即D0=D1*1.13=1.13m，叶片轴分布圆直径为1.13m，半径为r=0.5652m，选用对称形导叶，导叶尾部所在圆周直径为Dra，导叶的径向开度为a0ra=Dra/Z0=/Z0(D0-2L1)，大型水轮机采用标准化导叶，L1=（0.060.087）D1，本设计中，导叶尾半段长L1D0-D1=0.25m，则可以近似认为径向开度的公式为

27、a0ra=D1/Z02.2.2导叶形状的选择可采用标准化对称型翼型的导叶如下图所示由于此水轮机跟HL160水轮机工况近似，所以可以参考HL160-46转轮综合特性曲线，这里选取开度为a0=18时的工况曲线，则此时开度处接口圆直径可知R=D0/D1*a0=20.74mm选取合适开度，如下图所示导叶全关闭时导水机构全叶片在最优工况下：第三章 水轮机转轮水力设计 设计根据：二元理论（u0）二元理论设计方法同样假定转轮叶片无穷多，则液流运动是轴对称的，但却认为轴面速度在沿过水断面是不均匀分布。因此，轴面上任一点的运动必须由确定该点在轴面上的位置的两个座标来决定，在图中，这两个座标为过水断面的位置lm和

28、过水断面母线上A点距上冠的长度。中高比转速棍流式水轮机转轮轴面图流道拐弯的曲率半径较小，叶片大部分或全部位于流道的拐弯区，水流拐弯对轴面速度的影响较大，沿过水断面轴面速度自上冠向下环增大，这与二元理论中假定轴面有势流动的分布规律比较接近，故二元理论的方法多用于设计中高比转速的混流式转轮。近年来我国已采用了这种方法进行设计，并获得一定成果。图2-1 确定转轮内某质点A的轴面速度所需的座标。 a)一元理论设计时b)二元理论设计时 三元理论 三元理论设计方法是从研究有限叶片数的转轮叶栅出发的，这时液流不是轴对称流动的，不同轴面上的流动各不相同。因此，转轮中各点的轴面速度由该点的三个座标来决定。三元理

29、论的设计方法在理论上更加严格，但设计计算相当复杂，实际经验不多，目前还未普遍应用。三元理论设计在理论上更接近设计工况附件转轮的内部流动情况，只是不考虑流体粘性，越偏离设计工况，计算精度越差。本设计采用二元理论的方法。3.1水轮机转轮的主要参数3.1.1 原始资料水头高120m，水轮机直径1m 。3.1.2 参数的确定 进行转轮水力设计，应先确定设计参数，作为设计的依据和目标。确定转轮设计参数就是根据水轮机的使用水头，确定所设计转轮的比转速ns、单元流量Q1、单元转速N1。确定这些参数时，应参考国内外的统计资料及系列型谱中有关转轮的参数。 图3.1.1至3.1.3给出了对国内外混流式转轮参数进行

30、了统计分析而作出的一系列曲线，可供确定设计参数时参考。 图3.1.1是根据108个电站混流式水轮机比转速随水头而变化的统计资料，并结合我国具体情况，建议采用的ns= f (H)曲线。它大致处于美国、英国、日本等国所采用的ns=f（H）曲线的平均线上。我国现有高比转速棍流式转轮的比转速与之相比偏低，故有待提高。图3.1.1 ns与H的关系曲线 图3.1.2为单元转速与使用水头的关系曲线。我国现有转轮的单元转速偏低，特别在低水头范围。图中n1。为最优单元转速，为单元飞逸转速。 图3.1.2 n1与H的关系曲线图3.1.3为单元流量与一单元转速的关系曲线。图3.1.3 Q1与n1的关系曲线由式 可见

31、，在一定水头下，要使水轮机的功率增加、尺寸减小，必须提高单元流量Q1和效率。混流式水轮机模型的最高效率已达9093%,设计的新转轮除了尽可能保证有最高的效率外，提高单元流量Q.是提高功率、减小尺寸的重要途径。 通过关系曲线最后水轮机的转速ns为160r/min，单位转速n1为65r/min ,总流量为7.3m3/s. 3.1.3转轮的轴面流道参照教材和水轮机设计手册的转轮流道尺寸确定导叶相对高度、上冠处曲率半径、下环处曲率半径等参数。按比例换算，并在图纸上绘出流道图。下图为混流式160转轮的流道尺寸。 图3-1 混流160转轮流道尺寸3.2确定轴面流线和轴面速度 为了设计转轮叶片，首先要确定轴

32、面流动的流线，而后在轴面流线绕转轮轴心线旋转而得的设计流面上设计叶片翼型。显然，在二元理论的设计方法中，应按轴面有势流动来确定轴面流线。转轮流道中有无数个设计流面，相应的在转轮轴面流道内就有无数条轴面流线。为了设计的方便与可能，通常只需绘制出几条轴面流线。设计中所绘制的轴面流线数根据导水机构高度b。和设计精度的要求来确定。流线数目越多，设计精度越高，但计算工作量越大。一般包括上冠、下环流线在内，绘制5条流线。这样，可在5个设计流面上进行叶片绘形，然后将叶片翼型按照一定的规律组合起来，就得出整个叶片的形状。绘制轴面流场是按照各单元流道流量相等的条件进行的。通常假定在流道转弯前足够远处及转弯后足够

33、远处，轴面速度是均匀分布的，这样，按照各单元流道的流量相等的条件，就可以用轴面流线来分割一和一断面。水流的起始断面是一个以一为母线的圆柱面，设计流面应等分这一圆柱面，相应轴面流线就等分母线为若干小线段。若取5条轴面流线，则分成4段，则每一小线段的长度为 0.224/4=0.056m一 断面通常为圆形，设计流面应将此过水断面分割为面积相等的数个圆环面，每个圆环的面积为 若以K表示由转轮轴线开始算起的流线的序号，则K= 1, 2 5。于是，过水断面一上各分点的半径r K可用下法确定 根据公式得各段的长度为 r1 =0 m r2 = 258.75mm r3 =364.84mm r4 = 447.64

34、mm r5=517.5mm 根据势流中流线与势线相互正交的性质，在轴面势流场中可用流线与等势线作出正交的网格，称为流网。流网不仅描绘出轴面势流的特性，而且还可利用流网来求轴面速度。 定出轴面流线在一和一断面上的始点和末点后，就可先用目测徒手画出近似的流线和与它正交的势线，组成第一次近似的流网，一般规律为近下环处 流线较密集，在近上冠处流线较稀疏。然后根据势流场的性质进行计算并调整流网，重复数次就可以获得精确的流网。 图3-2-1 轴面有势流动的流网若为轴面势流的势函数，则对轴面流线l方向的导数就是轴面速度。 实际计算中用有限小的增量代替微分，于是以原有的等势线为中线，在其两侧作两条尽可能接近的

35、等势线，三条等势线形成等势线组，中间的一条称为等势线中线。这样式可写为 式中 轴面流线与等势线中线交点处的轴面速度，l 上述中两条等势线之间轴面流线的长度。根据各单元流道的流量Q相等的约束，沿一组等势线应满足式中 相邻两条流线间等势线中线的长度，相邻两条轴面流线的的平均值 。 的两端点至轴心线距离的平均值；、r和l均从图上量得，为常数，将各常数都合并到右边，得 式中F常数。 上式就是沿一组等势线检查和调整流网的条件。如果按第一次近似的流网计算出的某组的势线上各单元流道的各Ft值互不相等，则可求出该组势线的各Ft的平均值 并求出的修正值 按式修改流网，即可得到第二次近似的流网。并重复这一过程，逐

36、次逼近直到达到所要求的精度为止，可得到符合设计要求的轴面流线和等势线。一般要求的精度为 计算可列表进行轴面流网准确性检查计算 本设计选取5条流线进行计算。轴面流网准确性检查计算表 等势线流线3604.870392.6589.7197.235.22.43856.465481.5108.214.66.84208.460646.3104.515.23.446013.150838.6148.814.88.951025205 2.9135 572.0627.655.613.19.7305 5.5 90 591.536.15.5 6.1 380 7.670612.115.51.82.5445 9.9 55

37、 734.9 57.28.04.6 505 16.8为了计算出轴面流线上的Vm值，必须计算出势差。由于转轮流量为各单元流道流量之和， 可知 再计算，则有 各组等势线的值在表中已计算出，从而可求出相应的势差值，于是流网各交点的轴面速度Vm可计算出，可作出各条流线的Vm=f(l)曲线. 在方格纸上绘出Vm=f(L) 曲线图，L为等势线与流线交点到流线进口端点的弧线长度。图3-2-2各条轴面流线的Vm=f(l)曲线 目前认为比较合理的VuR变化规律大致如下图所示 图3-4-3 曲线近来，某些研究结果表明，使叶片背面的最大负压峰值接近叶片出水边缘。采用图3-4-1和图3-4-2中的规律。此时靠近叶片出

38、水边处产生的气蚀气泡基本在叶片范围之后凝缩，使气蚀对叶片的侵蚀破坏大大减轻甚至消除，而且并不恶化转轮的气蚀性能。只是值得我在设计只能怪充分注意的一个动向。在设计过程中可以对预定的 = f(l)曲线n=750r/min =2n/60=78.5Vur=gh/Vur=0.919.8120/78.5=13.7参照该带入各项数据画出HL160水轮机叶片的曲线，见下图： r图 3-4-4叶片头部和尾部、r变化都比较 平缓的 = f(l)幼曲线进行修改，才能得出在设计中认为合理的=f(I)曲线。 参照水轮机设计手册的转轮流道尺寸确定叶片进出口位置。 进行积分计算时，通常从上冠流线开始，将上冠流线作为第一条流

39、线。积分时，分上冠流线长6小段(图10-23)，将各小段l，中点的r2，ur及mr2代入式即可求得相应的i角。为了方便可按表进行计算。第一条流线叶片微分方程的积分计算l23035247.515.413.71.71.15.426535282.514.37.61.90.955.930035317.513.67.22.40.836.433535352.511.66.62.50.716.637035387.510.85.730.66.94053531.2其余流线叶片微分方程的积分计算 在第一条流线计算出各段的角后，检验叶片包角=i角太大，将增加摩擦损失而降低效率，增加叶片对水流的排挤而减少流量;。角太

40、小，将使叶片汽蚀性能变坏及强度降低。如积分计算所得到的包角太大或太小时，则应适当减小或加大上冠长度Im，或修改原给定的 曲线，再重新进行计算。 对其它流线进行积分时，绝不能忘记在二元理论的设计方法中，叶片的轴面截线即 的涡线。因此，进行积分计算时，必须使各小段的 和 值，分别等于第一条流线上相应各段的和值。 由于式中的 及 值只有在选定 的情况下才能确定，因此，只有初步选定 ,然后计算，并用逐次逼近法求出各小段的长度，定出流线上的各分点。积分计算可按表进行。对各条流线进行积分后，连接不同流线上同名分点，就可得出叶片的轴面截线,各条轴面截线应尽量光滑。转轮叶片的轴面截线3.3 转轮叶片木模图 为

41、了使设计出的转轮叶片能方便而又精确的制造出来，必须在设计出的叶片轴面投影图的基础上做出可供生产用的叶片木模图。 叶片木模图是由一组垂直于水轮机轴面线的平面1、2、3、截隔叶片所得的图形在平面图上的投影（即水平截面图）组成。为了做出这些图形，应在叶片轴面投影图（该图应具有叶片工作面和背面的轴面截线、）上取一组对应于上述平面的水平线（通常称等高线）1、2、3、并且在平面图上作出对应于轴面投影图中各轴面的射线、。将轴面投影图上各等高线也轴面截线的交点，按其所在的轴截面及距轴心线的距离r画到平面图中相应的射线上，然后再平面图上，用光滑曲线将同一等高线上所得的点连接起来，即得到叶片的水平截面图。为了提高

42、绘图精度，可在平面图中做出各条流线的水平投影，然后将流线在轴面投影图上与等高线的交点投影到平面图上，作为绘制叶片水平截面的辅助点。 在水平投影图上作出叶片上冠与下环的交线的水平投影，这两条交线实际上是两条流线，在决定他们水平投影时，应利用轴面投影图上这两条流线与轴面截线的交点来作图。例如上冠流线与叶片背面轴面截线相交，交点至轴心线的距离为r1，于是以r1为半径即可在平面图的射线上定出相应的点。 各水平面间的距离应从制造的方便与保证足够的精度出发来选取。例如，对中高比转速混流式转轮叶片靠近上冠的较大一部分叶片比较平直，则水平截面的间距应大一些，而靠近下环处叶片扭曲较大，则应多取一些水平截面。为了

43、制造方便，本设计将各水平截面图单独绘制出，但按相同的基准标注尺寸。第四章 尾水管的水力设计4.1尾水管原理4.1.1尾水管的作用水流经过转轮，完成能量交换后，将从转轮的出口边流出转轮。水流流向下游，除了引流这个功能外，尾水管扩张的流道形状在转轮出口处压力下降，形成真空，可以回收一部分水流能量，增加了转轮前后的能量差，减小了水头损失。所以尾水管有以下作用：（1） 引流，转轮出口水被引向下游（2） 回收部分转轮出口动能（3） 利用转轮高出下游水面此段的位能4.1.2尾水管的类型尾水管主要有两种类型：（1） 直锥形尾水管： 一种最简单的扩散形尾水管，内部水流均匀，阻力小，因此水力损失也很小，回复系数

44、比较高，一般用于中小型水电站（转轮直径D0.50.8m）大多数直锥管的母线为直线。（2） 弯曲形尾水管 这是目前应用最广泛的尾水管，中心线具有90或者接近90的转弯。弯肘型尾水管几乎适用于所有大、中型立式水轮机。大型机组如果采用直锥式尾水管，需要挖出巨大的深度，极大的增加了建设成本，弯肘式水利性能虽然不如直锥形尾水管，但有经济的较小挖深，是被大型水轮机采纳的重要原因。 还有一种弯锥形尾水管，主要是用于小型卧轴式水轮机，由两部分组成，第一段为等圆断面弯管，转弯角度一般为90，另一段位竖直的圆锥管，达到电站布置方便的目的。4.1.2尾水管内的水流流动和水力损失 水轮机的尾水管对整机效率有很大的影响

45、，转速比越高，转轮出口水流速度会很大，水力损失就可能越大，另外，如果尾水管中水流状态差，会影响机组的稳定运行，因此设计时需要考虑尾水管结构并对内部水流运动进行分析。（1） 直锥形尾水管 水流在直锥扩散管中受扩散角和长度L的影响比较大，进入直锥管后沿流向，水流速度随着过水断面逐渐增大而下降，同时压力升高，在这种情况下产生了对水流流动的阻滞作用；另一方面在水流粘性作用下，水流从中心到壁管流速逐渐下降，这种效应到了一定程度便会产生回流的效果。管中总水力损失=h1（沿程水力摩擦损失）+h2（扩散损失）+h3（出口动能损失）（2） 弯曲形尾水管 水流在弯曲形尾水管中流动时，先流经直锥管，再进入肘管。在肘

46、管中水流转弯处流场发生变化，外壁压力增大流速下降，内壁相反，压力减小流速增大，内部处液流收缩二外液流扩散，形成涡流滞水区，流到水平扩散段时离心力作用逐渐消失，断面压力分布又趋于均匀，原先弯管段内具有较高压力的水流进入出口段时压力降低，液流便加速并呈现收缩状，相反，原先压力低的高流速水流就会呈现出扩散状，形成另一个涡流滞水区，到水平扩散段这种水流状态才渐渐平稳消失。 另外，转弯处的曲率半径r1与r2也对肘管水力损失有重要影响，曲率半径越小则离心力效应和压力梯度越大，损失也越大，一般设计中取曲率半径r=(0.61.0)D4比较合理，且设计时遵守外壁用上限，内壁用下限制，曲率半径过大作用不显著，曲率

47、半径过小则会增加损失。 尾水管出口流速具有不均匀性，出口动能损失值大于平均流速计算所得值，实际出口动能损失h5=*V52/2g,直锥形尾水管=1.31.5，转桨式水轮机=1.52.5，混流式及螺桨式的=37，水平扩散段加支墩是水流均匀后降低20%30%。4.2尾水管的水力计算4.2.1尾水管的选择 在设计电站时，需要根据电站和机组的具体情况选择尾水管的尺寸和型号，一般小型水轮机采用直锥形尾水管，而一般大型立式水轮机组采用弯肘式，因为弯肘式可以尽量降低水下开挖量和混凝土量，以达到节省建设资金的目的，本设计为大型机组模拟原型，所以采用弯肘型尾水管。4.2.2尾水管的参数计算因D1/D2=1/1.0

48、1=0.990099011，得D1D21、 尾水管的高度水轮机导水机构底环平面到尾水管底板平面的距离 深度h越大直锥段的长度可以略大一些，降低肘管段进口及其后部留到的流速，对降低肘管中的水利损失有利，可以参考下图曲线一般根据实际经验，转轮D1D2的混流式水轮机取h2.6D1；因此 取 h=2.6D1=2.6m查水电站设计手册表 ，=1m肘管型式适用范围2.64.52.721.351.350.6751.821.22标准混凝土肘管混流式HLB5D4h4h6L1h52.64.52.721.351.350.6751.821.22由水轮机设计手册推荐=1.05，D3=1.01D2所以，=1.0605m2、 尾水管直锥段查水电站机电设计手册 水力机械知，混流式水轮机直锥段单边扩山角度79，因此取=8直锥段高度为h3=(D4-D3)/2tan=1.0304m所以直锥段进口直径为D3=1.0605m 直锥段出口直径为D4=1.35m3、 肘管段 肘管由于形状复杂，且对整个尾水管性能影响巨大，一般采用推荐定型的标准肘管,D3=1.0605D1=1.0605m根据水电站设计手册对照，标准肘管轴面计算表：M11.09420.3