计水轮机尾水管回收能量的认识与尾水管简单设计

1、对水轮机尾水管回收动能机理的认识一、水轮机的尾水管的作用1、将转轮出口的水流平顺地引向下游。2、利用下游水平面至转轮出口处的高程差，形成转轮出口处的静力真空，从而利用转轮的吸出高度 。3、回收转轮出口的水流动能，将其转换为转轮出口处的动力真空，减少了转轮出口的动能损失，从而提高水轮机效率。二、水轮机尾水管的工作原理由能量平衡方程：H1+P1pg+a1v122g=H2+P2pg+a2v222g设转轮所利用的水流能量为E=0-1取22断面为基准面，则=(Hd+Papg+v022g)-(H0+P2pg+V222g+hw) (1)（1）转轮出口没有装置尾水管 水轮机没有装置尾水管，转轮出口直接与大气相

2、通，则 代入（1）式可得转轮所利用的能量为（2）转轮出口装置圆柱形尾水管（如图所示） 取55断面为基准面，对22，55断面列能量平衡方程式， 则：由于圆柱形尾水管出口断面面积相等，V2=V5P5=Pa+hpg 代入上式化简得：P2pg=Papg-HS+h2-5代入（1）式可得转轮所利用的能量为：（3）转轮出口装置扩散形尾水管同转轮出口装置园柱形尾水管一样列能量平衡方程式，则式中=g由于扩散形尾水管V2>V5,则：P5=Pa+hgP2=Pa-HS-V22-V522g+h2-5代入（1）式可得转轮所利用的能量为：由以上可以看出：E3>E2>E1结论：(1) 没有装置尾水管时，转轮

3、只利用了电站总水头的Hd部分，同时损失掉转轮出口水流的全部动能 V222g(2) 装置圆柱形尾水管时，与没有装置尾水管相比，此时转轮多利用了HS的能量。这一多出部分称之为静力真空，它是在圆柱形尾水管作用下，转轮出口处不再是大气压而是相应的负压，由于负压存在相当于增加了作用在转轮两端的压力差。但水轮机仍然损失掉转轮出口水流的全部动能V222g (3) 装置扩散形尾水管时，除多利用了HS的能量外，由于尾水管出口断面的扩散作用，转轮出口处的流速由V2降低到 V5，与没有装置尾水管相比，又多利用了V22-V522g部分的能量。这一部分称之为动力真空，它是在扩散形尾水管作用下，转轮出口处的流速由V2降低

4、到 V5而形成的。但水轮机转轮出口的动能损失变为V522g三、思考能否用其他方法来证明尾水管利用转轮的静力真空和动力真空？1.比如用fluent软件来模拟尾水管的流态，通过改变方程中的模拟量，类似于真空度数值模拟的计算方法来证明尾水管动能回收机理。2.模型试验，采用两个水力效应相同的弯肘形尾水管，通过控制流场内某些变量（压力）的大小，实验结果是没有控制压力得尾水管效率较高，说明了利用静力真空。在我们本科生现有的知识水平来做这些研究还有很大的难度，只能从学术论文上看别人的来推理一些可能存在的情况，如果要做，还需对模拟软件，编程，高等数学等学科知识作为铺垫。四、查询资料在水电站运行中，常常出现振动

5、，是由于在尾水管内产生螺旋状空腔涡带，此涡带在尾水管内处在偏心位置，由于尾水管内压力分布不均匀，所以涡带旋转时，在尾水管壁的固定点上就形成了周期性的压力脉动。压力脉动对尾水管真空度有着很大的影响，一般来讲，尾水管压力脉动主要是由部分负荷时尾水管涡带引起的压力脉动。当导叶开度为0.4至0.7时或者最优流量在在0.3至0.8的范围内， 此时涡带会经常出现。 而当导叶开度为0.5至0.6时，处在低负荷载载区，此时产生的压力脉动最为严重。强烈的旋转压力脉动是当机组实际运行负荷为机组满负荷的1/3至1/5时，由涡带的旋转导致产生。当机组部分负荷时，除了尾水管有旋转压力脉动外，有时还可以观察到同步压力波动

6、，如果此时的尾水管涡带的扰动频率与水路系统的特征频率相符合，那么就会引起严重的压力峰值群，这将强烈导致机组振动，转轮叶片呈现裂纹，大轴松动，有时还可触发压力钢管破裂。导叶关闭规律对尾水管真空度的影响：在折线关闭规律下，先快后慢关闭时，尾水管真空度发生在折点处，且其值基本不随了Ts而变；先慢后快关闭时，尾水管真空度发生在导叶完全关闭时刻左右，且其值将随Ts的增大而减小。但当有效时间变化到一定范围，使前后两段斜率变化极小时，则类似直线规律关闭。 折线关闭规律的选择决定于电站的工作水头以及水轮机的特性曲线，适当的折线关闭规律对尾水管真空度值是有利的。水轮机尾水管涡带研究指的是考虑影响涡带的各种水力因

7、素，其包括水头、开度、空化系数等，探索涡带的发生的机理。并通过分析涡带的频率和引起的压力脉动的幅值等参数特性，从而如何控制尾水管涡带的破坏程度。依据当前技术条件局限性，水轮机尾水管涡带的研究的水力机械界常用的四种方法：理论分析; 模型实验; 数值模拟（全流道进行非定常三维湍流数值模拟）; 真机试验。计算机技术处理系统自迅速发展以来，理论研究和实验研究的应用进展不大，但是CFD在水力机械技术上的应用研究发展很快、也很成熟。CFD在独立数值试验越来越显示出强大的功能和特有的优越性，数值模拟作为主要研究手段之一逐渐占据水力机械行业的重要地位。理论研究主要是靠的是数学的方法直接求解所研究探索的问题。理

8、论研究方法主要是揭露物质运动的内在规律使其清晰、普遍的显示出来。水轮机内部流动极为复杂，特别是针对尾水管中的三维紊流流动，大小涡流再加上空化的影响，还有二次流，有时候甚至是汽液两相流的交叉影响。五、消除和减轻振动的措施：1、尾水管加导流隔板 因产生偏心涡带的根本原因是转轮出口水流有环量存在。因此用加隔导流板的办法来消除环流，其目的在于消除或减弱偏心涡带。导流隔板大概有以下几种：一是在尾水管直锥段进口部位加置十字形隔板；二是在直锥段进口管壁加置导流隔板；三是在弯肘段前后加置导流隔板。2、尾水管补气 其目的在于破坏尾水管的真空，方法有两种：一是自然补气；二是强迫补气。补气的位置通常是在直锥段。补气

9、也会引起某些不良现象。例如，在正常运行工况下，水轮机出力会降低，有时转轮后面的压力脉动反会增大，此外，已发现补气可以引起飞逸转速增大。3、改进结构 改进止漏装置（顶盖密封的梳齿型的止漏装置，活动导叶密封的L型止漏装置，）、转轮叶片出水边的形状（葛洲坝转轮周围的裙边）和厚度等等的结构。4、合理安排机组的运行范围，水轮机在偏离设计工况下运行，翼型的绕流条件与转轮的出口条件均会发生较大改变，在叶片进口产生较大冲角；在转轮出口形成较大环量，使尾水管内形成较强的空腔涡带。当然，实际运行中要有一定的环量，使水不易脱流，降低能量损失，所以，合理拟定水电厂的运行方式，尽可能避开振动区，并且不让机组在低负荷和超

10、负荷下长期运行。5、对尾水管改型优化设计 有关资料研究表明：为了更好的显示原型和改形后尾水管的内部流动，现把流量参量介入其中加以考虑并比较，流量值的范围为2.9m3s-7.6m3s从中选取三个典型流量分别作出它们的静压、速度云图、以及断面45°的速度云图和压力云图进行具体的比较。（1）流量Q=4 m3s时，两尾水管的流场显示及分析讨论如下 尾水管中心截面压力云图（左为原型，右为改形后）图中色阶表示该截面的速度分布，红色为最大。容易发现，经改性后的尾水管流场更均匀，水流能在扩散段有较好的平稳流动。尾水管流场流线云图（左为原型，右为改形后）从该图易见，改型前尾水管内部流体质点运动比较紊乱，极易产生涡流。经改型后，内部水流大致比较平顺，尽在弯管段外侧以及扩散段上部有一定的紊动。六、研究现状及展望将流体机械的基本流动理论与计算流体力学和优化方法