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1、第二章水轮机的蜗壳、尾水管及气蚀,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，以保证在主要的运行工况下水流能以较小的冲角进入固定导叶和活动导叶，减小导水机构的水力损失；,（4）具有合理的断面形状和尺寸，以降低厂房投资及便于导水机构的接力器和传动机构的布置；（5）具有必要的强度及合适的材料，以保证结构上的可靠性和抵抗水流的冲刷；,二、蜗壳的功用及型式,(一)、功用：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。(二)、型
2、式1、混凝土蜗壳：H40m。节约钢材，钢筋混凝土浇筑，“T”形断面。当H40m时，可用钢板衬砌防渗。适用于低水头大流量的水轮机。,2、金属蜗壳：当H40m时采用金属蜗壳。其断面为圆形椭圆，适用于中高水头的水轮机。(1)钢板焊接：H=40200m，钢板拼装焊接。(2)铸钢蜗壳：H200m时，钢板太厚，不易焊接，与座环一起铸造而成的铸钢蜗壳，其运输困难。,三、蜗壳的主要参数,1、断面型式与断面参数(1)金属蜗壳：圆形。结构参数：座环外径、内径、导叶高度、蜗壳断面半径、蜗壳外缘半径,(2)混凝土蜗壳：“T”形。便于施工和减小其径向尺寸，降低厂房土建投资有四种型式：(i)n=0：平顶蜗壳。特点：接力器
3、布置方便，减小下部混凝土，但水流条件不太好。(iii)mn:=2030=1020。(iv)mn:=2030，=2035。m=n时，称为对称型式。中间断面：蜗壳顶点、底角点的变化规律按直线或抛物线确定。mn 和m=n较常用。,2、蜗壳包角,定义:蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口断面之间的中心角。,(1)金属蜗壳：0=340350，常取3450大，过流条件好，但平面尺寸增大，厂房尺寸加大。金属蜗壳的流量小，尺寸小，一般取较大包角；从构造上讲，最后100内，断面演变成为椭圆。,(2)、混凝土蜗壳：Q大，为减小平面尺寸，0=180270，一般取180，一部分水流未进入蜗形流道，从而减小了蜗壳进口断面尺寸，这
4、部分水流直接进入导叶，为非对称入流，加重了导叶的负担，因此在非蜗形流道处，固定导叶断面形状常需特殊设计。,3、蜗壳进口断面平均流速,进口断面流量：Qmax水轮机的单机最大引用流量。VcFchw；VcFchw；一般由HrVC曲线确定VC。(课本图2-8）,三、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(环流)，之后进入导叶。水流速度分解为Vr、Vu(课本图2-9）。进入座环时，按照蜗壳的要求，水流均匀、轴对称入流的要求，Vr=常数。Da：座环外经,圆周流速Vu的变化规律，有两种基本假定：(1)速度矩Vur=Const假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流，忽略粘性及摩擦力，Vu会随r的
5、增加而减小。(2)圆周流速Vu=Const：即假定Vu=Const,四、蜗壳的水力计算,水力计算的目的：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。已知：及断面型式下进行(Db座环内径）。按Vu=Const假定计算(也可按Vur=Const),1、金属蜗壳水力计算,(1）蜗壳进口断面：进口断面半径：从轴心线到蜗壳外缘半径：,(2)中间任意断面()由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为：(a)确定0 和VC；(b)求Fc、max、Rmax；(c)由i确定Qi、Fi、i、Ri。,第二节 尾水管的作用、型式及其主要尺寸确定,尾水管是反击式水轮机的重要过流部件。其型式、尺寸影响、厂房
6、基础开挖、下部块体混凝土尺寸。尾水管尺寸越大，越高，工程量及投资增大。合理确定是非常重要的。一、尾水管的工作原理（作用）,无（有）尾水管,1、无尾水管时,假定转轮出口高出下游尾水面H2(基准面00)。水轮机出口处的总能量损失：用相对压力表示为(p2=pa)：水流出转轮后，进入大气，自由落入下游水面，H2和出口动能未被利用。,2、有尾水管时(设有一圆锥形尾水管),尾水管的出口在水面以下，尾水管的全部保持密闭)，由22到55断面间的能量方程：简化为：(p2)因此，设置尾水管以后，在转轮出口形成了压力降低，出现了真空现象，真空由两部分组成：,(1)静力真空：(落差)H2 也称为吸出高度，(2)动力真
7、空：有尾水管后转轮出口(22)能量损失：(换掉E2中P2）,3、尾水管的作用,有尾水管后水轮机多利用的能量（损失之差）作用：(1)、汇集转轮出口水流，排往下游。(2)、当H20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。,二、尾水管的动能恢复系数,尾水管H2取决于水轮机的安装高程，与尾水管的性能无关；衡量尾水管性能好坏的标志是恢复动能的程度（与尾水管尺寸有关），一般用动能恢复系数w表示。w 0.8 时，效果较好；0.30.4时，效果较差。对于低水头水轮机更有意义。,三、尾水管型式及主要尺寸(一)直锥形、(二)弯锥形,直锥形,弯锥形,（三）、弯肘形尾水管：大中型水轮机所
8、采用的尾水管，为了减小开挖深度，均采用弯肘形尾水管。由直锥段、肘管、出口扩散段组成。,主要尺寸,1、进口直锥段,进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管，D3为直锥管进口直径，为锥管单边扩散角。混流式：直锥管与基础环相接，(转轮出口直径)，轴流式：与转轮室里衬相连接，=810。h3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。,2、肘管,90变断面的弯管，进口为圆形断面，出口为矩形断面。F进/F出=1.3曲率半径R小离心力大压力、流速分布不均匀hw大。体形复杂，一般通过反复实验确定，目前有一些定型的标准肘管。（课本表2-1）为减小转弯处的脱流及涡流损失，肘管出口收缩断面(h6)：高
9、/宽=0.25,4H型尾水管几何形状以弯管段最为复杂，体形如图所示，它是由圆环面(A)、斜圆锥面(B)、斜平面(C)、水平圆柱面(D)、垂直圆柱面(E)、立平面(F)及水平面(G)组成,3、出口扩散段,矩形扩散管，出口宽度B5=肘管出口宽度B6顶板=1013，L2=L-L1=(23)D1 底板水平，B5很大时，加隔墩。,4、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。h=h1+h2+h3+h4 h1，h2由转轮结构确定，h4肘管高度确定，不易变动。h取决于h3。h3大hw小w大开挖加大，工程投资大；L：机组中心到尾水管出口，L大F出大V出小 w大厂房尺寸加大，一般
10、L=(3.54.5)D1。推荐尾水管尺寸：表2-1,轴流式水轮机 混流式水轮机,5、尾水管局部尺寸的变更,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，对选出的尾水管尺寸可作局部变更。(1)减小开挖，h不动，扩散段底板向上倾斜612。（课本图2-19(a)(2)大型反击式水轮机，为减小厂房长度，尾水管不对称布置。（课本图2-19(b)(3)地下电站：为使岩石稳定，尾水管采用窄深断面(4)加长h3（直锥高度）、L,第三节 水轮机的气蚀及气蚀系数,一、气蚀概述,1、空化及汽化压力的概念水沸腾为汽化，汽化是由气压和水温决定的。水在一定压力下加温的汽化为沸腾；环境温度
11、不变压力降低引起的汽化叫空化。在给定温度下，液体开始汽化的临界压力为该温度下的汽化压力(PB)。,2、水轮机的气蚀,(1)、气蚀破坏的机理由可知，当VP，当P=PB时，水开始汽化汽泡（水蒸气+空气）进入高压区（汽泡时蒸气变成水，汽泡内气体稀薄，出现强大真空，汽泡外面的水流质点在内外压差的作用下急速向汽泡中心压缩、冲击）在汽泡内形成很大的微观水击压力（可达几百大气压）；汽泡产生反作用力向外膨胀，压力升高，水流质点向外冲击。,大量汽泡连续不断地产生与溃灭，水流质点反复冲击，使过流通道的金属表面遭到严重破坏 机械破坏，叫疲劳剥蚀。汽泡被压缩，由于体积缩小，汽化破坏时水流质点相互撞击，引起局部升高(3
12、00度)，汽泡的氧原子与金属发生化学反应，造成腐蚀；同时由于温度升高，产生电解作用化学腐蚀。,(2)、水轮机气蚀定义 汽泡在溃灭过程中，由于汽泡中心压力发生周期性变化，使周围的水流质点发生巨大的反复冲击，对水轮机过流金属表面产生机械剥蚀和化学腐蚀破坏的现象，水轮机的气蚀。,二、水轮机气蚀类型,1、翼形（叶片）气蚀：转轮叶片背面出口处产生的气蚀，与叶片形状、工况有关。2、间隙气蚀：当水流通过间隙和较小的通道时，局部流速增大，压力降低而产生气蚀。3、空腔气蚀：在非最优工况时，水流在尾水管中发生旋转形成一种对称真空涡带，引起尾水管中水流速度和压力脉动，在尾水管进口处产生气蚀破坏，造成尾水管振动。4、
13、局部气蚀：在过流部件凹凸不平因脱流而产生的气蚀。,隔河岩1号水轮机转轮空蚀,尾水管内的真空涡带,尾水管内的真空涡带,三、气蚀造成的危害,1、使过流部件机械强度降低，严重时整个部件破坏。2、增加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降低，流量减小，出力下降。3、机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏。,四、防止气蚀措施,流速和压力是产生气蚀最重要的两个原因，因此要控制流速和压力的急剧变化。1、设计制造方面：合理选型，叶型流线设计，表面光滑，抗气蚀钢衬(不锈钢)。2、工程措施：合理选择安装高程，采取防沙、排沙措施，防止泥沙进入水轮机。3、运行维护：避开气蚀严重工况，合理调度，及时补焊涂保护层、必要时在尾
14、水管补气。,五、水轮机的气蚀系数,反击式水轮机发生气蚀破坏的根本原因是过流通道中出现了PPB的情况，因此防止气蚀的措施是限制P的降低，使PPB。影响水轮机效率的主要原因是翼型气蚀，所以衡量水轮机气蚀性能好坏一般是针对翼型气蚀而言，其标志为气蚀系数。,通过研究叶片上的压力分布情况（课本图2-24），得到叶片上压力最低点（一般为叶片背面靠近转轮叶片出口处)K点的压力为：（相对运动方程）K点的真空值Hkv：Hs叶片K点距下游尾水面的距离,Hkv由动力真空与静力真空组成。静力真空Hs是吸出高度，取决于水轮机的安装高程，与水轮机的性能无关，动力真空hkv与转轮叶型、水轮机工况、尾水管性能有关，因此表明气
15、蚀性能的只是动力真空：用其相对值反映,(1)、气蚀系数，是动力真空的相对值。(2)、与叶型、工况有关(影响Wk，W2和叶道压力分布)。(3)、与尾水管的性能有关，w，气蚀性能差。回收能量和气蚀性能矛盾。(4)、几何形状相似的水轮机，工况相似，相同；对任一水轮机在既定工况下，也是定值。(5)、影响因素复杂，理论难以确定，广泛使用的方法是进行模型试验得出m，修正得。,第四节 水轮机的吸出高度和安装高程,一、水轮机的吸出高度保证水轮机内不发生气蚀的条件：Pk PB 由 计算公式课本（2-33）（2-34）因此，合理选择Hs可减小Pk。,吸出高规定,水轮机吸出高度Hs是转轮叶片压力最低点到下游水面的垂直高度Zk，但一般K点较难确定，并随工况而改变，规定如下：(1)、立轴混流式水轮机：Hs 导叶下部底环平面到下游设计尾水位垂直高度。(2)、立轴轴流式水轮机：Hs 转轮叶片轴线到下游设计尾水位的垂直高度。设计尾水位高于上述高程Hs为负，反之为正。,二、水轮机的安装高程,1、立轴混流式：导叶中心平面高程，b0水轮机导叶高度)Zs=w+Hs+b0/2w:水电站设计尾水位。（取法见表2-5）2、立轴轴流式：导叶中心平面高程，D1转轮直径。Zs=w+Hs+xD1 x轴流水轮机高度系数，随型号变化。,
