第3章水轮机结构(蜗壳及尾水管)

1、第四节第四节 水轮机蜗壳的形式及尺寸确定水轮机蜗壳的形式及尺寸确定一、蜗壳的功用及型式一、蜗壳的功用及型式 ( (一一) ) 功用功用 蜗壳是水轮机的进水部件，把水流以较小的水头蜗壳是水轮机的进水部件，把水流以较小的水头损失，均匀对称地引向导水机构，进入转轮。设损失，均匀对称地引向导水机构，进入转轮。设置在尾水管末端。置在尾水管末端。( (二二) ) 型式型式 混凝土蜗壳和钢蜗壳。混凝土蜗壳和钢蜗壳。1. 混凝土蜗壳混凝土蜗壳 适用于适用于低水头大流量低水头大流量的水轮机。的水轮机。 H40m, 钢筋混凝土钢筋混凝土浇筑，浇筑，“T”形断面。形断面。 当当H40m时，可用钢时，可用钢板衬砌防渗

2、板衬砌防渗(H 最大达最大达80m)2. 金属蜗壳金属蜗壳v当当H40m时采用金属蜗时采用金属蜗壳。其断面为圆形，适壳。其断面为圆形，适用于用于中高水头中高水头的水轮机。的水轮机。v钢板焊接：钢板焊接：H=40200m，钢板拼装焊接。钢板拼装焊接。v铸钢蜗壳铸钢蜗壳：H200m时，钢板太厚，不易焊接，与时，钢板太厚，不易焊接，与座环一起铸造而成的铸钢蜗壳，其运输困座环一起铸造而成的铸钢蜗壳，其运输困难。难。 二、蜗壳的主要参数二、蜗壳的主要参数 1.断面型式与断面参数断面型式与断面参数 金属蜗壳金属蜗壳：圆形结构：圆形结构参数参数：座环外径、内：座环外径、内径、导叶高度、蜗壳径、导叶高度、蜗壳

3、断面半径、蜗壳外缘断面半径、蜗壳外缘半径。半径。 混凝土蜗壳：混凝土蜗壳：“T”形。形。 (1) m=n时：称为对称型式时：称为对称型式 (2) mn：下伸式：下伸式 (3) mn：上伸式：上伸式 (4) n=0：平顶蜗壳：平顶蜗壳v中间断面：中间断面： 蜗壳顶点、底角点的变化规律按直线或抛物线确蜗壳顶点、底角点的变化规律按直线或抛物线确定。定。 蜗壳中间断面蜗壳中间断面金属蜗壳金属蜗壳 混凝土蜗壳混凝土蜗壳2. 蜗壳包角蜗壳包角 v蜗壳末端蜗壳末端(鼻端鼻端)到蜗壳进口断面之间的中心角到蜗壳进口断面之间的中心角0(1) 金属蜗壳：金属蜗壳：0=340350,常取常取345(2) 混凝土蜗壳：

4、混凝土蜗壳：0=180270,一般取一般取180，一，一大部分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转轮大部分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转轮不利）不利） 3、蜗壳进口平均流速：、蜗壳进口平均流速： 进口断面流量进口断面流量 Qmax水轮机的最大引用流量。水轮机的最大引用流量。 VcFchw；VcFchw； 一般由一般由HrVC曲线确定曲线确定VC 0max360QQcrccHV金属蜗壳流速系数金属蜗壳流速系数混凝土蜗壳进口断面流速系数混凝土蜗壳进口断面流速系数三、蜗壳的水力计算三、蜗壳的水力计算1. 水力计算的目的水力计算的目的: 确定蜗壳各中间断面的尺寸，确定蜗壳各中间断面的尺寸，绘出蜗

5、壳单线图，为厂房设计提供依据。绘出蜗壳单线图，为厂房设计提供依据。 已知：已知：2. 水流在蜗壳中的运动规律水流在蜗壳中的运动规律 水流进入蜗壳后，形成一种旋转运动水流进入蜗壳后，形成一种旋转运动(环流环流)，之后，之后进入导叶进入导叶, 水流速度分解为水流速度分解为Vr、Vu。 进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求，进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求，Vr=常常数。数。cbarVDDbQH,00max0maxbDQVar 圆周流速圆周流速Vu的变化规律，有两种基本假定：的变化规律，有两种基本假定： (1) 速度矩速度矩Vur= C 假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流，忽略粘假定蜗壳中的水流

6、是一种轴对称有势流，忽略粘 性及摩擦力，性及摩擦力，Vu会随会随r的增加而减小。的增加而减小。 (2) 圆周流速圆周流速Vu=C：即假定：即假定Vu=VC=C3. 蜗壳的水力计算按蜗壳的水力计算按(Vu=VC=C) （1 1）金属蜗壳水力计算）金属蜗壳水力计算(i) 蜗壳进口断面：蜗壳进口断面：v断面半径：断面半径： v从轴心线到蜗壳外缘半径：从轴心线到蜗壳外缘半径： ccccVQVQF00max360CcVQF00maxmax360maxmax2arR(ii) 中间断面中间断面( )由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为：由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为：(i) 确定确定0 和和VC

7、；(ii) 求求Fc、max、Rmax；(iii) 由由i确定确定Fi、i、Ri。max0360QQiiciuiiVQVQF0max360CiiVQ0max360iairR2 i(2) 混凝土蜗壳的水力计算混凝土蜗壳的水力计算(半解析法半解析法) (1) 按进口流速求进口断面积；按进口流速求进口断面积；(2) 根据水电站具体情况选择断面型式，并确定断面尺根据水电站具体情况选择断面型式，并确定断面尺寸，使其寸，使其(3) 选择顶角与底角点的变化规律选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线直线或抛物线)，以，以虚线表示并画出虚线表示并画出1、2、3.等中间断面。等中间断面。(4) 测算出各断面的面

8、积，绘出：测算出各断面的面积，绘出：F = f(R)关系曲线。关系曲线。(5) 按按 绘出绘出F = f()直线。直线。(6) 根据根据i确定确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。及断面尺寸，绘出平面单线图。 ciuiiVQVQF0max360cFF第五节第五节 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 直锥形直锥形用于小型水轮机用于小型水轮机 弯锥形弯锥形用于卧轴水轮机用于卧轴水轮机 弯肘形弯肘形（大中型电站）（大中型电站） 常见尾水管的形式常见尾水管的形式直锥形直锥形常见尾水管的形式常见尾水管的形式弯锥形弯锥形弯肘形弯肘形弯肘型尾水管弯肘型尾水管v减小厂房开挖深度

9、，水力性能好，大中型号水轮减小厂房开挖深度，水力性能好，大中型号水轮机均采用弯肘型尾水管。机均采用弯肘型尾水管。组成：组成：直锥段、肘管、出口扩散段。直锥段、肘管、出口扩散段。轴流式水轮机 混流式水轮机1. 进口直锥段：进口直锥段：v进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管，进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管，D3为为直锥管进口直径，直锥管进口直径，为锥管单边扩散角。为锥管单边扩散角。v混流式：直锥管与基础环相接，混流式：直锥管与基础环相接，(转轮出口直径转轮出口直径)， =7 9v轴流式：与转轮室里衬相连接，轴流式：与转轮室里衬相连接，D3=0.937D1，=8 10。vh3直锥段高度，其长度增加

10、将会导致开挖直锥段高度，其长度增加将会导致开挖量增加。一般在直锥段加钢板衬。量增加。一般在直锥段加钢板衬。2. 肘管：肘管： 90变断面的弯管，进口为圆形断面，出口为变断面的弯管，进口为圆形断面，出口为矩形断面。矩形断面。F进进/F出出=1.3v曲率半径曲率半径R小小离心力大离心力大压力、流速分布压力、流速分布不均匀不均匀hw大。大。R=(0.61.0)D4v为减小转弯处的脱为减小转弯处的脱流及涡流损失，肘流及涡流损失，肘管出口收缩断面管出口收缩断面(hc)： 高高/宽宽=0.25。3、出口扩散段：、出口扩散段：v矩形扩散管，出口宽度矩形扩散管，出口宽度B5，vB5很大时，加隔墩很大时，加隔墩

11、d5=(0.10.15) B5v顶板顶板 =1013，底板水平。，底板水平。4.尾水管的高度与水平长度尾水管的高度与水平长度v尾水管的总高度和总长度是影响尾水管性能的重要尾水管的总高度和总长度是影响尾水管性能的重要因素。因素。vH=h1+h2+h3+h4 h1，h2由转轮结构确定由转轮结构确定; h4为肘管为肘管高度，不易变动。高度，不易变动。 H取决于取决于h3(直锥段长度直锥段长度)。h3大大开挖加大，工程开挖加大，工程投资增大；投资增大；vL：机组中心到尾水管出口，：机组中心到尾水管出口，L大大F出出大大V出出小小w大大hf大大厂房尺寸加大，一般厂房尺寸加大，一般L=( 3.54.5) D1。5.推荐尾水管尺寸：表推荐尾水管尺寸：表4-15。6.尾水管局部尺寸的变更尾水管局部尺寸的变更v厂房设计中，由于地形、地质条件，布置厂房的厂房设计中，由于地形、地质条件，布置厂房的原因，在不影响尾水管能量指标的前提下，对选原因，在不影响尾水管能量指标的前提下，对选出的尾水管尺寸可作局部变更。出的尾水管尺寸可作局部变更。减小开挖，减小开挖，h不动，扩散段底板向上倾斜不动，扩散