第03章-引水部件的水力设计

水力机械现代设计方法华中科技大学能源与动力工程学院彭玉成(水机实验室)上节课的主要内容固定导叶的设计原理与方法等角螺线，或对数螺线数学表达式及推导弧长翼型加厚加厚方法切矢量分点法矢量1.求M到N的弧长2.求M到P的弧长3.插值求厚度本章内容引水室的型式蜗壳中的水流运动（本章的重点）蜗壳主要参数的选择圆形断面蜗壳的水力计算座环支柱的水力计算引水室是反击型水轮机的第一个过流部件。在水轮机工作过程中引水室的主要作用是：引水部件的功能：1.在安全、经济的条件下使水流均匀地进入叶轮。2.一般均要求引水室能使液流产生一定旋转，使液流进入导水机构时有一定的速度矩。

常见引水室的型式：金属蜗壳式混凝土蜗壳式金属蜗壳水轮机的引水部件引水室的型式其他形式的引水室-明槽式引水室立轴明槽式小型水轮机多采用明槽式引水室，主要特点是有和大气接触的自由水面，结构简单，多用砖、石、混凝土等构成其他形式的引水室-明槽式引水室卧轴明槽式其他形式的引水室-灯泡贯流式蜗式引水室的优点水力损失较小，结构紧凑，克减少厂房尺寸和土建投资。封闭式，因此可用于各种水头和流量的水轮机。其断面从进口到尾部逐渐缩小，这样不仅可以使水流在导水机构前形成一定的环量，而且使水流沿整个圆周均匀地进入导水机构，因此在反击型水轮机中被广泛应用。吸水室离心泵：轴流泵：直锥形吸水室吸入喇叭管半螺旋形吸水室环形吸水室

直收缩管吸水室肘形吸水室钟形吸水室泵的引水部件a)直锥管b)弯管c)肘管d)环形e)半螺旋形

泵吸入室的类型蜗壳中的水流运动Cu为绝对速度沿圆周方向的分量假定水流速度按Cu=const规律分布。优点：缺点：

对计算蜗壳的尾部有利。计算方法简单。使导水机构进口环量不均匀引起机组径向力不平衡而降低机组的稳定性（对于大型机组不宜采用）。蜗壳设计的另外一种方法蜗壳中的流速分布及二次流动设计蜗壳应满足的要求

保证水流在进入导水机构前形成一定的环量（即形成Cu

），其内的平均流速和局部流速不超过水流损失所容许的范围，同时保证蜗壳断面的尺寸不要过大。保证水流能轴对称地进入导水机构，流量沿导水机构圆周均匀分配。在主要工况下，水流皆以不大的冲角绕流导叶。蜗壳的尺寸、断面形状及其外形结构等，应满足水电站厂房布置和水轮机结构(如导水机构接力器和空放阀的布置)的要求。具有足够的强度。蜗壳的型式及其选择-原则H<40m时采用混凝土蜗壳。水头H>40m时采用金属蜗壳（铸铁、铸钢或钢板）。水头H>200m时，则采用铸钢蜗壳。（一）蜗壳的断面形状及其变化规律

蜗壳主要参数的选择座环蝶形边的倾角蜗壳所占位置的比较混凝土蜗壳的断面形状(二)蜗壳包角的选择完全蜗壳和不完全蜗壳决定包角的因素结论

对中高水头的混流式水轮机组，采用全包角的金属蜗壳（135°~270°），因为决定机组间距的是发电机定子直径。对低水头大流量的电站(多采用轴流式水轮机)，其机组间距主要取决于蜗壳的平面尺寸，故采用不完全蜗壳。水头H(m)包角<25135°-225°25-40225°-270°混凝土蜗壳的包角(三)蜗壳进口断面流速Ve的确定Ve大小对损失及机组尺寸的影响。对大型水轮机的蜗壳，一般要进行专门的模型试验研究和综合技术经济比较来确定蜗壳进口流速。前提：选定了蜗壳的型式、包角φ0及进口断面速度ve蜗壳水力计算的任务：给定设计水头Hr、设计流量Qr、导水机构高度b0及座环尺寸的条件下，确定蜗壳各断面的形状和尺寸，并绘出蜗壳单线图。圆形断面蜗壳的水力计算蜗壳单线图按照水流均匀进入导水机构的要求，流过蜗壳任一断面的流量应为任意断面的流量的截面图蜗壳进口断面面积蜗壳进口断面半径蜗壳进口的流量蜗壳任一圆形断面的半径ρi与φi的关系式其中：按vur＝k的规律计算蜗壳圆形断面的尺寸蜗壳与座环相连接的几何关系xi与φ0i的关系，即ρi与φi的关系：常数c按进口断面的边界条件确定确定蜗壳包角φ00及进口断面流速ve

。计算进口断面半径ρmax

。根据水轮机设计手册确定座环尺寸。计算出amax，将ρmax、amax及φ00，确定常数c。选定计算断面数目，给出各计算断面的角度φ0i值，计算出各断面的ρi、ai及Ri值。圆形断面蜗壳的水力计算步骤在ρ<S的情况下，蜗壳断面可采用椭圆形凡是的断面，都应采用椭圆断面！！ρi＝S断面的φi值假定：近似认为支柱（固定导叶）的水流为平面流动。一、与完全蜗壳连接的座环支柱的水力设计1、支柱不改变水流环量

座环支柱的水力计算2、支柱改变水流环量1、将蜗壳出口水流角δ作为支柱进口角，而取导叶处于最大开度与最优开度之间的中间位置时的进口角