水电站机电设备之第二章课件

第二章

水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀第一节蜗壳的型式及其主要参数选择

一、蜗壳设计的基本要求

1、过水表面应光滑、平顺、水力损失小；

2、保证水流均匀、轴对称地进入导水机构；

3、水流在进入导水机构前应具有一定的环量，以有较小的冲角，减小水力损失；

4、断面形状和尺寸合理；

5、强度保证、材料合适、结构可靠，以抵抗水流的冲刷。二、蜗壳的型式及其主要参数选择1、蜗壳的型式（1）混凝土蜗壳：钢筋混凝土，钢板衬砌，混凝土预应力，适用于大、中型低水头水电站，河床式水电站，H≤40m(H≤80m)；（2）金属蜗壳：H＞40m，厚度由进口到鼻端从大到小

a.焊接：适用于尺寸较大的中、低水头混流式水轮机，适用较广，全埋，上加软性层；

b.铸焊：D1＜3m的高水头混流式水轮机；

c.铸造：同铸焊。刚度大，不全埋，直接承重，减低厂房高度。2、蜗壳的断面形式金属蜗壳：圆形（进口断面）椭圆形，以改善其受力条件，与蝶形边座环焊接，=550。

混凝土蜗壳：梯形断面m≥n：减低厂房高度，缩短主轴长度混凝土蜗壳进口断面形状选择：（1）δ一般为20°~30°，常取δ=30°；（2）当n=0时，γ=10°~15°，=1.5~1.7，可达2.0；（3）当m＞n时，γ=10°~20°，=1.2~1.7，可达1.85；（4）当m≤n时，γ=25°~35°，=1.2~1.7，可达1.85；中间断面形状的确定：直线过渡或抛物线过渡。3、蜗壳的包角：从蜗壳鼻端至蜗壳进口断面之间的夹角。

金属蜗壳：过流量小，水头大，允许流速大，其外形尺寸对厂房造价影响较小，；混凝土蜗壳：过流量大，水头小，流速小，影响大， 。

注意：混凝土蜗壳导水机构的非对称入流，可能控制厂房的尺寸；进口断面形成蜗形流道，加重了导叶的负担，固定导叶需专门设计。

三、蜗壳的水力计算

水力计算确定蜗壳各断面的几何形状和尺寸绘制蜗壳平面和断面单线图。已知条件：Hr、Qmax、b0、Da、Db，蜗壳类型，、。

a.（K为蜗壳常数）保证水流环量分布满足均匀、轴对称的要求b.不能保证水流环量分布满足均匀、轴对称的要求，影响稳定性，但减小了水头损失。

（2）圆周分速度

：沿径向的变化有两种假定

注：a、一般以45o间隔选取不同断面计算；b、接近鼻端应以等面积原则修正为椭圆。

3、混凝土蜗壳的水力计算（1）确定进口断面尺寸（依据不同型式）

（2）确定中间断面得顶角点、底角点变化规律顶角点AG线：底角点CH线：直线变化k1，k2系数，可由进口断面尺寸确定。（3）绘制辅助曲线外半径

可求出对应每一个Ri中间断面的尺寸中间断面面积为（4）绘制出蜗壳断面单线图和蜗壳平面单线图注：a、进口宽度B=R0+D1；b、鼻端附近由模型试验研究确定。

第二节尾水管的作用、型式及其主要尺寸的确定一、尾水管的作用

尾水管与电站的土建投资、运行效率及稳定性密切相关。说明：无尾水管水轮机所利用的水能EA只占电站总水头H1中的一部分，其余部分表现为转轮出口位置水头H2和出口动能已全部损失。2.具有圆筒形尾水管在转轮出口处形成真空，以利用H2尾水管出口处的动能仍损失增加了水轮机出口处的总损失H1有尾水管情况：

转轮出口处2-2断面的单位能量为：

则：故：

=静力真空（静水头）+动力真空（利用扩散使动能减小）

ΔE

即为尾水管回收的水能（出口压力降低）。

则尾水管的作用为：1、汇集并引导转轮出口水流排往下游；2、当H2＞0时，利用这一高度水流所具有的位能；3、回收转轮出口水流的部分动能。对于低水头轴流式水轮机，其值可达水头H的40％，而对高水头混流式水轮机值还达不到总水头H的1.0％。因此尾水管性能的好坏对于低水头水轮机极其重要。二、尾水管型式及其主要尺寸确定

尾水管的型式：

1、直锥形：结构简单，性能最好(ηw=80％~85％)，但其下部开挖工程量大，一般用于小型水轮机；2、弯锥形：转弯段水力损失较大，其性能较差(ηw=40％~60％)，常用于小型卧轴式水轮机；3、弯肘形：不但可减小尾水管开挖深度，而且具有良好的水力性能（ηw=75％~80％），广泛采用，性能好。弯肘形尾水管：

①进口直锥段：一段垂直的圆锥形扩散管，内壁设金属里衬。单边扩散角θ：对于混流式水轮机θ=7°~9°，对于转桨式水轮机θ=8°~10°，轮毂比dg/D1大于0.45时，取下限值。

可设支墩厚，不加金属里衬。②中间弯肘段（肘管）：采用标准肘管或按比例换算，可设金属里衬。圆形椭圆矩形、椭圆、圆形③出口扩散段：顶板仰角α=10°~13°。④尾水管的高度h：是指水轮机底环平面至尾水管底板的高度，它决定尾水管性能的主要参数，直接影响尾水管效率、厂房土建投资、机组运行的稳定性。转桨式水轮机：h≥2.3D1，最低不得小于2.0D1；

高水头混流式水轮机：（D1＞D2），h≥2.2D1；

低水头混流式水轮机：（D1<D2），h≥2.6D1，最低不得小于2.3D1。⑤尾水管的水平长度（L）

增大L，使尾水管出口面积增大，减小出口动能损失，但过分增大L，尾水管内部水力损失以及厂房尺寸增大，通常取。三、尾水管的局部尺寸变动1、当厂房底部岩石开挖受到限制，又需要保持尾水管高度时，允许将出口扩散段底板向上倾斜，β≤6°~12°。三、尾水管的局部尺寸变动2、不对称布置的尾水管，尾水管轴线偏离机组中心线，考虑蜗壳尺寸的不对称，可减小厂房宽度。尾水管的局部尺寸变动3、尾水管水平扩散段的断面做成高而窄的形状（地下式厂房，保证岩体稳定）；4、尾水管长度加长，地下式水电站；5、尾水管长度加长，因厂房布置需要。四、尾水管尺寸确定

1、确定转轮直径；2、选择尾水管型式；3、初步确定尾水管主要尺寸按模型尺寸放大；查表确定；厂家提供的尺寸（优先使用！）4、依据厂房布置进行布置和尺寸的适当调整。第三节水轮机的气蚀（cavitation,erosion)气蚀破坏的物理过程汽化压力pe:在给定的温度下，液体开始汽化时的临界压力

低压区汽核膨胀（含蒸汽、气体）高压区汽泡内蒸汽凝结使其气体稀薄泡内强大真空、泡外压力增高V↑→p↓→p<pe→汽化→气泡同时水中自然存在的10-15~10-3cm汽核压差水流质点向汽泡中心急速压缩微观水击汽泡破裂f=23万次/秒P=几千个大气压剥蚀局部温升可达300℃剥蚀：“微观水击”周期性地深入冲击粗糙面的凹处，剥开表面的金属。腐蚀：汽泡中活跃的氧原子与金属表面接触，在局部温升下，造成金属壁面化学破坏。气蚀破坏现象剥蚀：机械破坏（主要）腐蚀：化学和电化破坏（次要）气蚀破坏过程气蚀破坏的后果Q↓，N↓，η↓过流部件（特别是叶片）背面剥蚀、腐蚀有害噪音和机组振动金属表面失去光泽、变暗毛糙麻点海绵状蜂窝孔气蚀的破坏作用：1、破坏水轮机的过流部件2、降低水轮机的出力和效率3、气蚀严重时，可能使机组发生强烈的振动、噪音及负荷波动，导致机组不能安全稳定运行4、缩短了机组的检修周期，增加了机组检修的复杂性水轮机气蚀的类型及特征（1）根据气蚀发生的条件和部位，气蚀分为：间隙气蚀：clearancecavitations

由水流通过缝隙时引起的压力下降而产生的，其位置反击式水轮机导叶的上下端面间隙处导叶关闭时导叶之间的立面间隙转轮的止漏装置间隙处水斗式水轮机喷嘴与针阀之间空腔汽蚀：由于转轮翼型引起压力降低而产生的，对混流式水轮机其位置：A区：转轮叶片背面下半部出水面B区：转轮叶片背面与下环靠近处C区：下环立面内侧D区：转轮叶片背面与上冠交界处翼型气蚀：wingcavitations空腔气蚀：cavitycavitations在低负荷、低水头下运行，转轮每一个叶片出口处形成一个漩涡，再加上整个转轮出口的旋转水流，在转轮出口和尾水管进口处就形成一个大涡流，其中心产生很大的真空，形成空腔气蚀。减轻空腔气蚀的措施主轴中心自然补气尾水管补气局部气蚀：localcavitations当水流经过水轮机过流部件表面某些凹凸不平的部位时，会因局部脱流而产生气蚀，称为局部气蚀。部位：限位销、螺钉孔、焊接缝、尾水管补气架以及混流式水轮机上冠减压孔

（2）翼型气蚀破坏的特征金属表面呈海绵状，损伤表面呈灰暗色且无光泽轻度：斑痕、针孔重度：蜂窝、锈孔金属组织比较疏松、并有脱落现象气蚀部位一般发生在转轮叶片背面泥沙磨损特征：过流部件表面有与水流方向一致的刮痕、擦伤小沟及鱼鳞坑部件磨损处，基本上还保持原金属的密实的金相组织磨损部件和磨损部位一般在叶片的工作面和下环内侧三、水轮机的气蚀系数

对水轮机影响最大、破坏最严重的是翼形气蚀叶片正面压力：下降回升下降叶片背面压力：下降下降回升

混流式水轮机：最低压力Pk是研究翼形气蚀的控制参数：K点和叶片出口边2点的相对运动伯努利方程式

从发生气蚀最危险的K点到α—α的垂直高ZK常称为水轮机的吸出高度（或称静力真空），用Hs表示令，，以尾水位为基准面，则2点与α点的伯努利方程求得

令：吸出高度Hs=Zk-Za令，(尾水管总水头损失)(尾水管的水头损失系数)，则从而可得

或写成即

k点真空值，

k点动力真空值，∵，hkv不能确切反映此水轮机的气蚀特性，也不便不同水轮机的气蚀性能进行比较。ηw：动能恢复系数

∴用定义为水轮机气蚀系数

σ愈大，水轮机愈易发生气蚀，气蚀性能愈差。σ通过水轮机模型气蚀试验求取。

注：为了气蚀性能变差（矛盾：能量特性和气蚀特性）则得叶片背面最低压力：

故水轮机不发生翼型气蚀的条件是：（对应温度下水的汽化压力）

σ

的性质：a、无因次系数，动力真空相对值；b、与叶型，水轮机工况有关，c、与尾水管性能有关，d、几何形状相似得水轮机，在相似工况下，σ相同；对于某一水轮机，某一工况下，σ为定值。

四、水轮机气蚀的防护1、设计制造：超气蚀叶片形状、加工精度、材料2、运行维护，补气措施3、工程措施：选择合理的水轮机安装高程，防沙第四节水轮机的吸出高度及安装高程

一、水轮机的吸出高度通过选择适宜的吸出高度Hs来控制k点的真空值。由

可得避免发生翼型气蚀的吸出高度Hs为：：水轮机安装位置的大气压，▽：水轮机安装位置的海拔高程。：汽化压力，水温5℃~20℃，=0.09~0.24mH2O。

σ：水轮机实际运行的气蚀系数，（Kσ：气蚀系数的安全系数，取1.1~1.35）

则或水轮机的吸出高度Hs的确定：1、立轴混流式水轮机：导叶下部底环平面到设计尾水位的垂直高度；2、立轴轴流式水轮机：转轮叶片轴线到设计尾水位的垂直高度；3、卧轴反击式水轮机：转轮叶片的最高点到设计尾水位的垂直高度。二、水轮机的安装高程1、立轴混流式水轮机：

（导叶中心的位置高程）：设计尾水位，m；b0：导叶高度，m。

2、立轴轴流式水轮机：

D1：转轮标称直径，m；X：轴流式水轮机的高度系数。

3、卧轴反击式水轮机：4、水斗式水轮机：立轴：卧轴：

：最高尾水位，m；

hp：排出高度，（立轴取大值，卧轴取小值）

注：设计尾水位的确定：1台50%Q(1~2台)，1台100%Q(3~4台)，1.5~2台100%Q(≥5台)

谢谢！请批评指正第八节尾水管的型式及主要尺寸的确定型式直锥形尾水管优点：简单、性能最好缺点：厂房下部开挖量大弯形尾水管直锥管弯管（肘管）：进口为圆，与上部相连，出口为矩形水平扩散段：为减少电站的挖方和混凝土工程量，一般做成矩形适用于小型水轮机弯形尾水管的特点增加了水流转弯及流速分布不均匀造成的附加损失，即ηd弯<ηd直水流运动复杂，没有理论计算公式，只能通过实验来确定弯形尾水管的最优尺寸影响弯形尾水管性能好坏的主要参数尾水管的高度h或h/D1水平长度L或以L/D1混流式水轮机弯形尾水管HL尾水管与ZL尾水管没有本质差别HL特性：转轮叶片不能转动在非设计工况下，转轮出口的水流产生旋转形成漩涡和空腔汽蚀，特别是低负荷工况下所形成的涡带，一直延续到尾水管中造成电站基础以及厂房振动，若h增加，涡带在作用到弯管底部时已消失HL过流能力<ZL过流能力单从能量角度看，h值可小些为避免机组振动，h/D1值也可