尾水管的作用

1、、尾水管的作用尾水管是反击式水轮机所特有部件， 冲击式水轮机无尾水管。尾水管的性能 直接影响到水轮机的效率和稳定性，一般水轮机中均选用经过试验和实践证明性 能良好的尾水管。反击式水轮机尾水管作用如下：1 .将转轮出口处的水流引向下游；2 .利用下游水面至转轮出口处的高程差，形成转轮出口处的静力真空；3 .利用转轮出口的水流动能，将其转换成为转轮出口处的动力真空。图5-69表示三种不同的水轮机装置情况： 没有尾水管；具有圆柱形尾水管； 具有扩散形尾水管。图5-69在三种情况下，转轮所能利用的水流能量均可用下 式表小2E 二 Ei -E2 =（Hd %-（，"）% 2g（538）式中=E

2、 转轮前后单位水流的能量差；Hd 转轮进口处的静水头；Pa 大气压力；P2 转轮出口处压力；V2 转轮出口处水流速度。在三种情况下，由于转轮出口处的压力 P2及V2不同，从而引起使转轮前后能量差的变化图5-69尾水管的作用最新可编辑word文档P2 一%1 .没有尾水管时如图5-69(a)。转轮出口 Pg为代入式(5-38)得V22(5-39)2g式(5-39)说明，当没有尾水管时，转轮只利用了电站总水头中的九部分,V转轮后至下游水面高差Hs没有利用，同时损失掉转轮出口水流的全部功能2g <P22 .具有圆柱形尾水管时如图5-69 (b)。为了求得转轮出口处的压力*g ,列出转轮出口断面

3、2及尾水管出口断面5的伯努利方程h Hs+凡+4/互+hL" +Pg 2g (Pg 2 2g(5-40)式中h 尾水管内的水头损失因此上式亦可写成P2PaPa -P2 h二 H：g(5-41)Pa -P2式中pg称为静力真空，是在圆柱型尾水管作用下利用了 Hs所形成。P2以Pg值代入式（5-38）,得到采用圆柱型尾水管时，转轮利用的水流能量2g JE =(Hd Hs) -六 h2g(5-42)Ha -g从式(5-42)可见与没有尾水管时相对比较，此时多利用了吸出水头 Hs,V22但动能2g仍然损失掉了，而且增加了尾水管内的损失 he,即此时多利用了数值为仇一必）的能量（静力真空值）。

4、3 .具有扩散型尾水管时如图5-69（c）。此时根据伯努利方程可得出:P2Pa2g断面2处的真空值为:U = HsJX_hJ0g12g J（5-43）比较式（5-43）与式（5-41）可见，此时在转轮后面除形成静力真空外，又V22 -V52增加数值为2g的真空称为动力真空，它是因尾水管的扩散作用，使转轮出口处的流速由V2减小到V5形成的。P2将式（5-43）中的均值代入式（5-38）得扩散型尾水管条件下转轮利用的水流能量AE"：Hd.：gdv22 -V52、 V22+% +-2g2g ；(5-44)=(小+&)-六+小 12g )比较式（5-44）与式（5-42）可见，当用扩

5、散形尾水管代替圆柱形尾水管后，V22V52V22 -V52出口动能损失由2g减少到2g ,又多利用了数值为2g 的能量，此值亦称为断面2处的附加动力真空，当然此时扩散形尾水管中的水头损失也有所增加。故22V2 f .、一，一一；"h -，实际上在断面2处所恢复的功能为2g，比式（5-43）中定义的动力真空值少了管中的损失hM为了估计扩散形尾水管的恢复功能效能，设想扩散形尾水管内没有水力损失=0（% 二 0）,且出口断面为无穷大，没有动能损失 12g则此时断面2处的理V想动力真空就等于转轮出口的全部功能2g。2g实际恢复的动能与理想恢复的功能的比值称为尾水管的恢复系数2g J2gV22

6、(5-45)式（5-45）表明，尾水管内的水头损失及出口动能越小，则尾水管的恢复系数越高。因此恢复系数表征了尾水管的质量， 反映了其转换功能的能力，故有时也称为尾水管的效率。根据以上分析，水流经尾水管总的损失 名为内部水力损失与出口动能损失之和，即二 hV52,2g将式（5-45）代入上式得:(5-46)尾水管相对水力损失二，即能量损失与水轮机水头 H之比值为:1- 工 H1 2gH由上式可见，尾水管的恢复系数”仍不是尾水管的相对损失，它只反映其转换动能的效果。两个不同比转速的水轮机即使具有相同的尾水管恢复系数，而由V；于它们的转轮出口动能2g所占总水头的比重不同，其实际相对水力损失也不 V2

7、2同。高比转速水轮机的转轮出口动能 2g占总水头的40流右，而低比转速水轮 机却不到1%以尾水管的恢复系数都等于75%M古算，则高比转速水轮机尾水管 的相对水力损失达=10%,而低比转速的仅为=0.25%左右。由此可见，尾 水管对高比转速水轮机起着十分重要的作用。从此也可以看到尾水管对轴流式水 轮机比对混流式水轮机更重要。1.直锥形尾水管。如图5-70所示，这是一种简单的扩散形尾水管，广泛使用于中小型水电站中（转轮直径Di < 0.5 0.8 ml它制造容图5-70直锥形尾水管二、尾水管的基本类型易，因为在直锥形尾水管内部水 流均匀，阻力小，所以其水力损 失小，恢复系数"。比较

8、高，一 般可以达到83姒上。直锥形尾图5-71弯肘形尾水管水管母线多是直线，图5-70 (a),也有母线为曲线而使管子呈喇叭状图5-70 (b) 02.弯曲形尾水管。如图5-71所示,图5-72肘管1一锥面；2水平圆柱面；3一垂直圆锥面；4一垂直面；5斜面；6圆环面；7一上翘面直的圆锥扩散管。图5-72肘管是一个用于大中型水电站的立式水轮机中。它由三部分组成。进口锥管A ,肘管B及扩散个竖图5-73弯锥形尾水管旦 THCo进口90°的弯管，它的进口断面为圆形，出口断面为矩形出口扩散管是一个水平放置的断面为矩形的扩散管。这种尾水管的锥管段里衬由 制造厂提供，尾水管在现场用钢筋混凝土完成

9、。在大中型电站的立式水轮机中，如采用直锥形尾水管，由于管子长，需将下游控制得很深，大大增加土建工程量，以致实际上不可能实现，所以必须采用弯肘形尾水管。在这种尾水管中，水流经过一段不长的直锥管后进入肘管，使水流变为水平方向，再经过水平的扩散段而 流入下游。弯肘形尾水管增加了转弯的附加水力损失及出口水流不均匀性的水力 损失，因此这种尾水管的恢复系数较直锥形尾水管低。如图 5-73 所示，为小型卧式机组用的弯锥形尾水管，它由两部分组成，第一段为圆段面弯管，转弯角度一般为90°，第二段为竖直的圆锥管段。弯管的形状比肘管简单，易于制造。但由于弯管为等断面，其中水流速度较大，所以其水力损失很大。

10、此外， 拐弯后速度分布不均匀， 这就使得水流在直锥扩散管中流动状态恶化，故其回能系数较弯肘形尾水管的小，一般在0.40.6 之间。三、尾水管选择在设计尾水管时， 首先要根据机组和电站的具体条件来确定和选择尾水管的形式。 目前在小型机组上多采用圆形断面的直锥形尾水管， 对于大型卧式机组 （例如大型贯流式水轮机）， 为了减少水电站的土建投资并保证尾水管有足够的淹没深度， 通常将直锥管的出口做成矩形断面， 加大水平方向尺寸而减少高度方向尺寸。 而对于大型立式机组，由于土建投资占电厂投资比例很大， 因此在电站设计中， 要尽量降低水下开挖量和混凝土量， 应选用弯肘形尾水管， 下面分别介绍这两种常用的尾水

11、管的设计的方法。1直锥形尾水管的设计直锥形尾水管由于结构简单，设计时一般可按下列步骤进行。（ 1）根据经验公式，决定尾水管的进口速度V5最新可编辑word 文档Vs = 0.008H1.2(5-47)(2)确定尾水管出口断面面积FsQV5(5-48)最新可编辑word文档(5-49)(3)确定锥角6及管长L根据扩散管中水力损失最小原则，一般选锥角 日=12电161管长L可由进 口断面面积F2(D2)和出口断面面积F5(D5)值及e值算出。(4)决定排水渠道尺寸为保证尾水管出口水流畅通；排水渠道必须有足够的尺寸。对于立式小型机 组可参考图5-74确定。设计时先根据当地地质条件按 ”D5 = 0.

12、6 °确定h值, 然后再由曲线图5-74(b)查出bM,算出b,并取c = 0.85b。图5-74排水渠道断面尺寸选择(a)排水渠道断面；(b)排水渠道尺寸选择曲线肘形尾水管的选择及计算与直锥型尾水管不同之处在于弯肘形尾水管的轴心线为曲线，整个尾水管由图5-75弯肘形尾水管相对深度 h-Di与水轮机效率差值的关系不同的断面形状组织而成。选择弯肘形尾水管就是根据电站机组的具体条件选择 各组合断面的几何参数，这些参数的选择原则是设计出的尾水管要求有较高的的 综合经济指标，即一方面要尾水管有较 高的能量指标，即恢复系数要大，这会 对电站带来长期的经济效益，同时又要 求土建工程最小，即减少电

13、站一次性投 资。而上述两种经济效益往往是矛盾着 的。例如为了提高尾水管的恢复系数， 应增加尾水管的高度h,但随着h的增 加将会带来电站水下开挖量及混凝土量 增加。因此在弯肘形尾水管各断面参数 选择时应予综合考虑弯肘形尾水管的性能受下面三个因素影响，选择时应着重加以考虑。(1)尾水管的深度尾水管深度h是指水轮机导水机构底环平面至尾水管底板平面之间的距离。 深度h越大直锥段的长度可以取大一些，因而降低其出口即肘管段进口及其后部 流道的流速，这对降低肘管中的损失较有利。尾水管的深度变化对水轮机的效率， 特别是在大流量情况下影响很显著， 这可从图5-75的曲线看出(”代表效率差 值)。尾水管的深度对水

14、轮机的运行稳定性影响很大。 特别是混流式水轮机因叶片 角度不能调整而容易产生偏心涡带及振动，实践及研究表明，采用较大的深度可 改善尾水管偏心涡带所引起的振动。因此常常需要限制尾水管深度的最小值。但是，尾水管的深度又是影响工程量的最直接的一个因素。水下部分的开挖和施工常常很困难而且牵涉面较广，甚至由于地质条件的限制而要求尾水管高度 必须小于某一数值，会出现施工和运行二者的矛盾。需要指出，当尾水管的深度要求采用小于正常推荐范围的数值时， 必须事前进行充分的论证或试验研究，以确保安全运行。根据实践经验一般可作如下选择。对转轮进口直径Di小于转轮出口直径D2的混流式水轮机取h-2.6Di;对转桨式水轮

15、机取h - 2.3D1 ,在某些情况下必须要 求降低尾水管深度时则前者取hmin -2.3D1 ；对后者取hmin =2.0Di。对转轮直径 D1 > D2的高水头混流式水轮机则可取h - 2.2D1 。与上述尾水管深度推荐值相对应，直锥段的单边扩散角 P分别取下列数值： 对混流式水轮机PM7*9%对转桨式水轮机取8 =8°100 (轮毂比大于0.45 时，°取较小值)。(2)肘管型式肘管的形状十分复杂，它对整个尾水管的性能影响很大，一般推荐定型的标 准肘管。图表5-8标准肘管尺寸zyiXy2X2y3X3R1R2F50-71.90605.2010041.70569.4

16、5150124.56542.45579.6179.61200190.69512.72579.6179.61250245.60479.77579.6179.61300292.12444.70579.6179.61350331.9408.1579.679.64311400366.17370.44579.6179.61450395.57331.91579.6179.61500420.65292.72-732.67813.1294.36552.891094.52579.6179.61550441.86251.18-496.96713.0799.93545.79854.01571.6571.656004

17、59.48209.85-360.21671.28105.50537.70761.82563.6363.69650473.74168.80-276.14639.26111.07530.10696.36555.7355.73700484.81128.09-205.27612.27116.65522.51645.77547.7747.77750492.8187.764-142.56588.39122.22514.92605.41539.8039.80800497.8447.859-85.20566.55127.79507.32572.92531.8431.84850499.947.996-31.21

18、545.98133.30499.73546.87523.8823.88900500.0021.35525.97138.93492.13526.40515.9215.92950500.0075.71505.26144.50484.54510.90507.967.961000500.00150.07476.94150.07476.95500.0504.005-76所示为标准混凝土肘管。此肘管D4 = h2 ,图中各线性尺寸列于表5-8 ： 此外，当水头高于200m时，由于水流流速过大，此时可采用金属肘管，它们的 形式与混凝土肘管不同。(3)水平长度水平长度L是机组中心到尾水管出口的距离。肘管型式一

19、定，长度 L决定了 水平扩散段的长度。增加L可使尾水管出口动能下降，提高效率。但太长了将增加沿程损失和增大厂房水下吾B分尺寸。增加L=4.5D1。 11檄右鼻tsi QL q连力H一1150L的效益不如高度h显著，通常取: - yf犯仲工，SMF军) 500<l<W1.0«:堂学, 制L瞬1r瞪'用*加IT'图5-76标准混凝土肘管水平段的形状如下：两侧平行，顶板向上翘，倾角1 =10'13。底板一般图5-77扩散段与支墩水平，少数情况下，为了减少开挖要求尾水管 上抬，此时一般不超过6。12。（低比转速水 轮机取上限）。转桨式水轮机的水平段宽度B

20、= （2.32.7Qi；混流式为 B = （2.73.3）Di 当B >10 12m时，允许在出口段中加单支墩。 支墩尺寸（图 5-77）为:b = （0.10.15）B ；R=（36b; r = （0.2 0.3 b; l>1.4Dio出口段最好不要加双支墩，试验表明双支墩会引起效率显著下降有些水电站因水工建筑的要求，尾水管的出口中心线往往需要偏离机组中心图5-78偏离机组中心线的尾水管线（图5-78）。此时，肘管水平段的 俯视图按以下方法绘制：偏心距离d由 水工建筑要求决定，肘管的水平长L保 证标准值。在以上两条件下，使肘管两 侧面夹角的角平分线过机组中心（即图5-78所示两个

21、6角相等）。而肘管段的断面形状则保持不变地下电站为了减小厂房和尾水流道尺寸，常采用高而窄的尾水管。此时厂房的挖深一般不是主要矛盾，这样就可用加大深度来弥补宽度的缩小。实践证明这 样做对水轮机效率影响不大四、减轻尾水管振动的措施当运行机组上出现尾水管偏心涡带引起的振动时，通常可采用以下几个措施来减轻其影响。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，从而消除或减弱偏心涡带常常是有效的。 导流板大致有以下 几类：一是在尾水管直锥段进口部位加置十字形隔板图5-79(a);二是在直锥段进口管壁加置导流板图5-79(b);三是在弯肘段前后加置导流板图 5-79 (c)。实