水电站新ppt课件 第二章 水轮机的蜗壳尾水管及气蚀1

水电站AAA武汉大学水利水电学院Tel:68772274m:chengyg2000@2023/5/71第二章

水轮机的蜗壳、尾水管及气蚀2023/5/722.1蜗壳的型式及其主要参数选择蜗壳设计的基本要求（1）过水表面光滑、平顺，水头损失小（2）保证水流均匀、轴对称地进入导水构（3）水流在进入导叶前应具有一定的环量（4）具有合理的断面形状（5）具有必要的强度及合适的材料2023/5/73蜗壳有两种：金属蜗壳和混凝土蜗壳根据材料分，蜗壳有两种型式蜗壳型式金属蜗壳混凝土蜗壳断面形状蜗壳包角适用水头圆形梯形通常采用345o一般大于40m一般小于40m通常采用180o2023/5/74蜗壳的水力计算基于座环进口的径向流速分量为常数蜗壳水力计算的目的是确定蜗壳各个断面的几何形状和尺寸，并绘制蜗壳平面和断面单线图。水流进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求。径向流速分量应等于常数。即Da为座环外径b0为导叶高度2023/5/75圆周速度分量径向变化规律可有两种假设①假设任一断面上沿径向各点的水流速度矩等于常数圆周流速分量Vu的径向变化规律在应用中有2种假定②或假设任一断面上沿径向各点的水流圆周分速度等于常数前一种假定对满足蜗壳均匀、轴对称进水好一些；后一种假定使得蜗壳尾部断面尺寸较大，有利于减小水头损失，并便于加工制作。是蜗壳进口断面平均流速2023/5/76蜗壳各断面尺寸根据沿流各断面流速相等条件计算蜗壳包角蜗壳半径蜗壳外包线15°30°45°60°……………345°包角从鼻端起算2023/5/77金属蜗壳断面特征蜗壳进口断面为最大断面，蜗壳鼻端断面为0。由于座环高度一定，在接近鼻端附近断面不能保持圆形而成为椭圆形。ra为座环外半径，rb为座环内半径，可以根据水轮机直径及设计水头查相应表格2023/5/78混凝土蜗壳断面特征引水道断面大，与整个蜗壳宽度同宽。尺寸大，过流断面大，引用流量大。180~270度的包角，以减小宽度，便于布置。2023/5/792.2尾水管的作用、型式及其主要尺寸确定尾水管的作用除泄水外，主要是减小水头损失，增加水轮机可利用的能量。2023/5/710无尾水管情况下水轮机出口能量损失巨大此时，水轮机出口就是转轮出口转轮出口动能占电站总水头能量的比重较大这样大的能量白白流走可惜，要采取措施回收这部分能量——设尾水管混流式水轮机，可达5-10%。轴流式水轮机，可达30-40%。2023/5/711装尾水管后，水轮机出口损失能量减小了无尾水管的水头损失有尾水管的水头损失少损失的能量为：2023/5/712装尾水管后，水轮机多利用了能量无尾水管有尾水管则多利用的能量2023/5/713尾水管进口压力小于大气压力得：其中：列2-2和5-5断面的能量方程=0<0<0=?2023/5/714尾水管多利用的能量等于尾水管进口的负压值尾水管多利用的能量为：静力真空，在尾水位以上为正，在尾水位以下为负动力真空2023/5/715尾水管的作用是通过降低转轮出口压力的方式来收回位能和部分动能Z2是不能随便增加的，它与水轮机的吸出高Hs有关（即与水轮机的气蚀有关），与尾水管性能无直接关系。衡量尾水管性能好坏的主要指标是尾水管的动能回收系数。2023/5/716尾水管特有扩散弯肘体型的原因：提高尾水管动能回收系数，减小厂房开挖希望大，则要求V5小于V2，这样，尾水管必须做成一个扩散型的管子，断面由小到大。希望小，则要求尾水管断面平滑，另外要限制尾水管的扩散角，以减小局部水头损失。一般单边扩散角2023/5/717尾水管特有扩散弯肘体型的原因：提高尾水管动能回收系数，减小厂房开挖由此可见低水头水轮机(如轴流式水轮机)，尾水管的作用更为重要。由于要求V5小，小，则直锥形尾水管可能做很长，因此基础开挖会加大。所以大中型水电站的尾水管往往做成弯肘型。弯肘型尾水管，可达75-80%。轴流式水轮机，可达30-40%2023/5/718尾水管的型式和尺寸的确定尾水管的型式和尺寸对动能恢复有很大的影响，而且在很大程度上还影响着厂房基础开挖和下部块体混凝土的尺寸在地下水电站中，为了围岩的稳定，尾水管常采用窄高型，出口断面通常是城门洞型尾水管尺寸的确定可查水电站教材中表2-1，弯管段可查图2-182023/5/719尾水管回收能量的限制：气蚀尾水管的作用是降低压能来收回位能和部分动能。那么压能是否能无限降低，答案是不行。其原因当水轮机过流通道中出现低于当时水温下的气化压力时，会产生气蚀（cavitationerosion），引起金属材料的疲劳剥蚀。。2023/5/7202.3水轮机的气蚀及气蚀系数气蚀物理过程：低压区产生气泡——高压区气泡溃灭——高压射流反复撞击——疲劳剥蚀（Erosion）2023/5/721气蚀的产生条件:压力小于气化压力气蚀：水轮机流道内流动水体中的微小气泡在其形成、发展、溃灭过程中对水轮机过流部件表面所产生的物理化学侵蚀作用。气化压力：水在一定温度下开始气化的临界压力称为气化压力。气化：一定温度下水的压力小于气化压力时气化(沸腾)。2023/5/722气蚀的基本类型有翼形气蚀、间隙气蚀、局部气蚀和空腔气蚀翼形气蚀：一般发生在叶片背面（主要的气蚀类型，对水轮机影响最大）2023/5/723气蚀的基本类型有翼形气蚀、间隙气蚀、局部气蚀和空腔气蚀间隙气蚀：水流通过某些间隙或小通道时，局部速度升高而压力降低所产生的气蚀局部气蚀过流表面某些地方凸凹不平因脱流而产生的气蚀。2023/5/724气蚀的基本类型有翼形气蚀、间隙气蚀、局部气蚀和空腔气蚀空腔气蚀：偏离最优工况时，在转轮出口、尾水管进口处由于圆周分量引起的一种非轴对称的真空涡带；2023/5/725气蚀破坏的后果：严重金属剥蚀降低机组的效率和出力产生噪音使机组产生震动2023/5/726水轮机的气蚀系数反映气蚀特性要避免气蚀，则要求称为水轮机的吸出高即转轮中压力最低点到下游水面的垂直高度。

令称为水流气化压力又2023/5/727水轮机的气蚀系数反映气蚀特性定义气蚀系数为动力真空除以水头的无因次量，即动力真空相对值可改写为σ称为气蚀系数

这样2023/5/728为了避免气蚀，必须限制吸出高解不等式得上式表明，为了避免水轮机发生气蚀，必须限制吸出高Hs。是水轮机安装高程处海拔高程在海拔高程3000m以下，每升高900m，大气压力降低1m。又大气压力随高程的变化关系2023/5/729允许吸出高主要受气蚀系数影响水温一般为，对应气化压力所以注意σ是由试验得出的。为了安全起见，引入安全裕量Δσ或者安全系数k，一般可取k＝1.1~1.2，对于大型水轮机k可取到1.5以上。

则或允许吸出高2023/5/730不同类型水轮机气蚀系数不同，允许吸出高不同，也决定了水轮机的适用情况例如某电站H＝120m，可忽略当，，说明转轮要安装在下游最低水位之下2m，才能避免气蚀。当，，水轮机的埋深要很深，说明高水头时，不能采用轴流式水轮机。气蚀系数：轴流式；混流式。2023/5/731水轮机的气蚀性能也影响水轮机适用水头上面分析说明：不仅水轮机的强度是影响水轮机适用水头的重要条件，而且水轮机的抗气蚀性能也是影响水轮机适用水头的重要条件。气蚀系数适用水头2023/5/732水轮机气蚀的防护可从水轮机制造、运行维护、工程措施等方面着手设计制造：采用合理的翼型以尽可能使叶片背面压力分布均匀，并缩小低压区范围。运行维护：拟定合理的水电站运行方式，尽可能避免在气蚀严重的工况区运行。工程措施：选择合理的水轮机安装高程，确保叶道内最低压力不低于气化压力。2023/5/7332.4水轮机的吸出高及安装高程

通常水轮机的安装高程按下式确定：对于不同类型的水轮机，不同主轴安装方式,Hs起算点不相同，CD1也不相同。其中Hs、和CD1分别是水轮机的吸出高、水电站尾水位、水轮机类型主轴有关的安装参数.2023/5/734水轮机的安装高程：立轴混流式立轴混流式：Hs是从导叶下部低环平面到下游水面的垂直高度。安装高程为导叶中心线位置。2023/5/735水轮机的安装高程：立轴轴流式立轴轴流式：Hs是从转轮叶片中心线到下游水面的垂直高度。安装高程为导叶中心线位置。2023/5/736水轮机的安装高程：卧轴混流式和贯流式卧轴混流式和贯流式：Hs是从转轮叶片最高点到下游水面的垂直高度。安装高程为主轴中心线位置。2023/5/737确定安装高程时尾水位应选用水电站最低尾水位

应选用水电站最低尾水位，当水库具有年调节和多年调节能力时，一般采用一台机组满负荷发电的最低尾水位；当水库具有季调节、日调节能力或为径流式水电站时，可采用对应于保证出力的尾水位。为什么要选下游最低尾水位？2023/5/738说明：①满足了，但不能一定保证不产生气蚀。该条件是平均的大面概念，没有从水流质点来分析。水流的流态是很复杂，可能出现局部的涡流等等。所以不能保证不出现局部气蚀、间隙气蚀、甚至翼形气蚀等。确定安装高程应综合考虑各种因数2023/5/739②从尾水管的动能恢复系数和气蚀系数来看，转轮出口速度V2越大，动能恢复系数越大，但气蚀系数也越大。这说明水轮机的能量特性与气蚀特性是矛盾的。因此在设计和选择水轮机时，要两者兼顾，优化处理。确定安装高程应综合考虑各种因数2023/5/740确定安装高程应综合考虑各种因数③在水轮机运行中，气蚀系数是随工况而变的，所以Hs也随之而变。最严重的气蚀情况一般发生在最大水头下机组担负最大负荷或最小负荷。因此对于大中型水电站应进行多方面的比较，确定合理的安装高程。2023/5/741确定安装高程时尾水位应选用水电站最低尾水位

应选用水电站最低尾水位，当水库具有年调节和多年调节能力时，一般采用一台机组满负荷发电的最低尾水位；当水库具有季调节、日调节能力或为径流式水电站时，可采用对应于保证出力的尾水位。为什么要选下游最低尾水位2023/5/742确定安装高程时尾水位应选用水电站