第4章 水轮机选择4-5

4.4蜗壳的型式及其主要尺寸确实定一、蜗壳的功用及型式(一)功用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。设置在进水管末端与座环之间。其断面由进口断面c-c向末端逐渐减小，形成蜗壳的形状，故得名。cc(二)型式

1、混凝土蜗壳断面呈梯形，特别适用于低H大Q的ZL水轮机。

因断面为梯形，可沿轴向向上或下延伸，在断面积相等的情况下，比圆形断面有较大的径向尺寸，对减小厂房尺寸和基建投资较为有利。金属蜗壳混凝土蜗壳

①Hmax≦40m，为节省钢材，蜗壳用钢筋混凝土浇筑，简称砼蜗壳。

②当Hmax>40m，蜗壳内壁可用钢板衬砌，作为防渗与磨损的保护层，厚10-16mm。(Hmax达80m)2、金属蜗壳

当Hmax>40m时，通常采用金属蜗壳。其断面为圆形，多用于中高水头的HL水轮机。

①钢板焊接：H=40~200m，蜗壳可由多块钢板拼装焊接而成。

钢板厚度：进口最大，出口最小。

②铸钢蜗壳：H>200m或D1>3m时，P内水过大，钢板太厚，不易成形及焊接，可与座环一起铸造而成(可在厂内完成)。但其运输困难，可分为两瓣或四瓣铸造，然后运到工地再用螺栓连接。二、蜗壳主要参数的选择蜗壳进口断面：蜗壳进口垂直水流方向，且延长线通过机组轴心的断面。

蜗壳鼻端：通常蜗壳末端和座环的一个固定导叶连接在一起，此处即为蜗壳鼻端。座环导叶cc蜗壳包角：蜗壳鼻端至进口断面间的中心角φ0。ccφ0φ0↗，过流条件越好，但蜗壳和厂房的尺寸↗，故应合理选择φ0。

当厂房尺寸由蜗壳尺寸控制时：机组间距LC＝L1＋L2＋δ〔m〕LcLcδδ蜗壳进口断面流量：(4-12)Qmax—水轮机的最大引用流量(水轮机选择时求得)要确定的蜗壳主要参数：蜗壳进口断面的面积和各部尺寸。

前提工作：选择和确定蜗壳的断面形式、φ0和进口断面的平均流速Vc。1、断面的形式

(1)金属蜗壳断面为圆形，钢板制作的蜗壳，是沿座环圆周焊接在上、下碟形边上的。

结构参数如图：座环外径Da(半径ra)、内径Db(半径rb)、导叶高度b0、蜗壳断面半径ρ、蜗壳断面外缘半径R。水轮发电机轴其中：Da、Db由附录二查得；b0由附录一查得；α一般为55°，ρ、R由计算得到〔见后〕。从构造上讲，由于蜗壳鼻端断面过小，不能和碟形边相接，为和座环进水高度相适应，开始100°内，断面为椭圆。(详见水电站设计标准)。水轮发电机轴ccφ0(2)混凝土蜗壳1)“T〞形断面有四种可能的形式①m=n：对称型式；②m>n：下伸式。选用此两种形式，一般是考虑在蜗壳顶部布置接力器(P13图1-17)。

③m<n：上伸式。适用于水电站死水位较高，地基为岩石，为减小进口段开挖的情况。

④n=0：平顶蜗壳。可减少厂房下部砼量，但须注意断面的过分下伸会造成水流死角情况。2)砼蜗壳的断面形式及尺寸应尽量符合以下几点及厂房设计要求：①n=0或m=0(厂房开挖量小，采用较少)：b/a=1.5~1.7，甚至2.0；γ=10°~15°，δ=30°。②m>n：(b-n)/a=1.2~1.7，甚至1.85；δ=20°~30°，γ=10°~20°。③m≤n：(b-m)/a=1.2~1.7，甚至1.85；δ=20°~30°，γ=20°~35°。

蜗壳顶角点、底角点的变化规律按直线或抛物线确定。

见图4－27。2、蜗壳的包角φ0

(1)金属蜗壳φ0：可取340°~350°，工厂多采用345°。ccφ0原因：圆形断面金属蜗壳过流量小，断面尺寸对水电站厂房尺寸影响不大，故可从获得良好的水力性能方面考虑，一般取较大包角。(2)混凝土蜗壳①φ0=180°~270°，常用180°。原因：Q大，应考虑减小蜗壳平面尺寸。为解决水的非对称入流对转轮不利，可将鼻端上游1/4圆周内的固定导叶加密并作成适合于环流的曲线形状。②可采用φ0=135°。〔如图3-10〕，主要是为了使水轮机布置在机组段中间。3、蜗壳进口平均流速Vc式4-12给出了蜗壳进口断面流量：如式，Vc↑→Fc↓＆hw↑，故应合理选择Vc。确定方法：(1)Hr，推荐使用Hr~Vc曲线确定Vc，如图4-30(由资料统计得出)。①一般可采用图上的中间值；②有钢板里衬的砼蜗壳及圆断面的金属蜗壳，可取上限；③当蜗壳在厂房中布置不受限制时可取下限。

(2)由下式确定：式中k为蜗壳流量系数，可由厂家提供，一般金属蜗壳采用此法确定。

一般情况有：金属蜗壳：Vc＝14-15m/s。砼蜗壳：Vc＝7-8m/s。三、水流在蜗壳中运动的规律

分析目的：为确定某一包角φi处断面的尺寸做准备。水流进入蜗壳后，形成一种环流，故在进入座环之前便有一定的环量，从而使水流平顺地以较小的撞击损失进入固定导叶和活动导叶。

蜗壳中的水流速度可分解为：Vr、Vu。

1、Vr进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求，Vr=常数，其值为：(4-13)2、Vu圆周流速Vu的变化规律，有两种根本假定：(1)速度矩Vur=C假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流动，并忽略水流粘性及与壳壁的摩擦力，可认为，水流除了绕轴的旋转外，没有任何外力作用在水流上并使其能量发生变化。分析：蜗壳中距水轮机轴线r相同的各点上，水流Vu是相同的，且Vu随r的增加而减小。图4-20(2)圆周流速Vu=C，即假定Vu=Vc=C。分析：蜗壳尾部V较Vur=C所得出的小，断面尺寸较大，从而减小了水力损失并便于加工制造。四、蜗壳的水力计算即在上述假定根底上进行蜗壳各中间断面计算。(一)目的：确定蜗壳各中间断面的尺寸，绘出蜗壳单线图，为厂房设计提供依据。(二)参数：Hr、Qmax、b0、座环尺寸(Da、Db)、蜗壳断面形式、最大包角φ0、Vc。(三)计算假定：Vu=Vc=C。因方法简单，且与假定Vur=C得出结果相近。1、金属蜗壳水力计算(1〕蜗壳进口断面①断面面积：②断面半径：③从轴心线到蜗壳外缘半径：(4-16)(4-17)(4-18)(2)中间任一断面(φ＝φi)设φi为从蜗壳鼻端起算至计算断面i的包角。那么计算断面处有：见书上式4-19－4-21。

(3)蜗壳椭圆断面的计算

由椭圆断面过渡到圆形断面的临界包角判别条件：ρ=S

由?水电站动力设备设计手册?查得：由椭圆断面至圆形断面的临界包角判别条件：ρ=S。由以上公式可得断面面积为椭圆处的包角φi。

那么椭圆断面的长短边半径分别为：椭圆断面短半径

椭圆断面长半径

椭圆断面中心距椭圆断面外半径

Rmax2ρmaxDa/2金属蜗壳平面单线图

金属蜗壳平面单线图的绘制总步骤①确定蜗壳包角φ0和断面平均流速Vc；②画出座环外碟形边圆形平面视图〔以座环外径Da为直径〕，并在圆周上标出鼻端位置；③求进口断面Fc、ρc、Rc，在进口断面水平线上找出距圆心为Rc的点；④计算5-10个距蜗壳鼻端角度为φi的任意i断面的参数Ai、ρi、Ri。在相应φi角度处作通过圆心的直线，并在上面作出距圆心为Ri的点。⑤用光滑曲线连接以上各点，并将鼻端至管身的连接处处理成光滑曲线，即得。

作业：1、某水电站拟采用金属蜗壳，包角φ0=345°，座环外径Da＝4m，内径Db＝3.8m，导叶高b0=1.5m。假设进口断面平均流速VC=10m/s，蜗壳最大引用流量Qmax＝48m3/s。试设计出该蜗壳单线图〔按圆形断面设计〕。要求写出根本计算过程，并按计算结果绘制图形。2、尾水管有哪些类型，各适用于什么条件？第五章作业：

1、水轮机的调节的原理和途径是什么？具体如何操作？第六章作业：

1、叶片式水泵可分为几类？其各自的水流方向如何？ 2、什么是扬程？

2、砼蜗壳的水力计算一般采用半解析法较为方便，即蜗壳形式选定后由经验资料来计算其尺寸。

(1)按公式(4-16)求进口断面积Fc:

(2)根据水电站具体情况选择断面型式(前面讲过的四种)，并规划出进口断面尺寸F，使F=Fc。然后将进口断面图画在图4-32右上方。

(3)选择各断面顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线)，以虚线表示，并画出1、2…中间断面。

(4)测算出各断面面积，并在断面图的下面对应地绘出F=f(R)关系曲线。

(5)按下式，在图4-32的左下方并列绘出F=f(φ)直线。

(6)根据所需φi，在图4-32上便可查得该处蜗壳Fi、Ri及断面尺寸，绘出蜗壳断面和平面单线图。

（4-22）4.5尾水管的型式及其主要尺寸确实定一、尾水管的功用P29(1)聚集转轮出口水流，并引导水流排往下游。(2)当Hs>0时，以静力真空的方式使水轮机完全利用了这一高度所具有的势能。(3)以动力真空的方式使水轮机回收并利用了转轮出口水流的大局部动能。二、尾水管型式及其主要尺寸尾水管的作用是排水、回收能量。其型式、尺寸影响厂房的根底开挖和下部块体混凝土尺寸。尾水管尺寸↑→η↑，但工程量及投资↑，故应合理选择尾水管形式及尺寸。

尾水管常用型式：直锥形、弯锥形、弯肘形。1、直锥形尾水管其具体尺寸为：

(1)进口直径D3：D3=D1+(0.5~1.0)cm

(2)出口直径D5：出口流速V5=(0.235~0.7)H1/2；L/D3=3~4；相应的θ=12°~14°，在L与θ值选定后，可得：(3)尾水渠尺寸为保证尾水管排出水流能够在尾水渠中顺畅流动，尾水渠的尺寸选择应不小于以下值：h=(1.1~1.5)D3；B=(1.2~1.0)D3；C=0.85B。尾水管淹没深度：b2。(4)材料：钢板，结构简单性能好，尺寸选择适宜，其ηW可达(P30式2-27)。(5)应用：其仅适用于小型水轮机。因大型水轮机，假设L/D3=3~4会造成较大开挖而不经济。2、弯锥形尾水管(1)适用：小型卧轴HL，为布置方便多采用。

(2)组成及尺寸：由一等直径的90°弯管和一直锥管组成。直锥尺寸选择同上。此种尾水管水头损失大，ηW仅为3、弯肘型尾水管

(1)适用：为减小厂房开挖深度，获得较好水力性能，大中型水轮机均采用弯肘型尾水管。

(2)组成：直锥段、肘管、出口扩散段。直锥段肘管出口扩散段龙滩水电站尾水管施工1〕进口直锥段：进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管。①直锥管进口直径D3及锥管单边扩散角θ：★HL：直锥管与根底环相接，D3=转轮出口直径D2，θ=7°~9°★ZZ：直锥管与转轮室里衬相连接，D3=0.937D1，θ=8°~10°。直锥段肘管θD3D4②直锥段高度h3

增大h3，可减小肘管入口流速，以减小水头损失。但其长度增加将会导致开挖量增加。③材料：一般在直锥段砼内壁加钢板里衬。主要为了防止旋转水流和涡带脉动压力对管壁的破坏，里衬也可做为施工时内模板。直锥段肘管θ/2D3h3D42〕肘管：为一90°变断面的弯管，进口为圆形断面，出口为矩形断面。①曲率半径R肘管中会产生较大的水头损失，R小→离心力大→压力、流速分布不均匀→hw大。一般取：R=(0.6~1.0)D4其中，外壁R6取上限，内壁R7取下限。D4R7R6

②出口收缩断面为减小转弯处的脱流及涡流损失，肘管出口应做成收缩断面，且使断面的高度缩小宽度增大：

高/宽=0.25

③F进/F出≈1.3。肘管各部尺寸须经反复试算得到。

★工程中多采用砼浇制成的肘管，为施工模板制作方便，它是由许多几何面组成，如图4-38。

★当H>150m或尾水管中的平均流速>6m/s时，为防止高速水流冲刷剥蚀，肘管内需加钢板衬砌，为使钢板便于成形，便采用由圆形进口断面经椭圆断面过渡到矩形断面的肘管。3〕出口扩散段为一水平放置的矩形断面的扩散管，一般有：①出口宽度：B5=肘管出口宽度B6②支墩：出口宽度B5很大时需加支墩，支墩宽d5=(0.1~0.15)B5。③顶板和底板：顶板向上倾斜，倾角α取10°~13°，底板水平。④出口段长度：L2=L-L1=(2-3)D1。L1L2L4)尾水管的高度与水平长度尾水管的总高度和总长度是影响尾水管性能的重要因素。

①尾水管总高度h：h=h1+h2+h3+h4，如图4-35。

h为导叶底环平面到尾水管底板之间垂直高度。式中，h1，h2由转轮结构确定；h4为肘管高度，其值由试验确定，并不轻易变更。故：H取决于直锥段高度h3。h3大→hw小→ηw大→开挖加大，工程投资大。

根据试验，一般h的选择方法为：

ZZ：h≥2.3D1，最低≮2.0D1。

低nsHL(