水电站机电设备之第二章.ppt

第第 二二 章章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀第一节第一节 蜗壳的型式及其主要参数选择蜗壳的型式及其主要参数选择 一、蜗壳设计的基本要求一、蜗壳设计的基本要求一、蜗壳设计的基本要求一、蜗壳设计的基本要求 1 1、、、、过水表面应光滑、平顺、水力损失小；过水表面应光滑、平顺、水力损失小；过水表面应光滑、平顺、水力损失小；过水表面应光滑、平顺、水力损失小； 2 2、、、、保证水流均匀、轴对称地进入导水机构；保证水流均匀、轴对称地进入导水机构；保证水流均匀、轴对称地进入导水机构；保证水流均匀、轴对称地进入导水机构； 3 3、、、、水水水水流流流流在在在在进进进进入入入入导导导导水水水水机机机机构构构构前前前前应应应应具具具具有有有有一一一一定定定定的的的的环环环环量量量量，，，，以以以以有有有有较小的冲角，减小水力损失；较小的冲角，减小水力损失；较小的冲角，减小水力损失；较小的冲角，减小水力损失； 4 4、、、、断面形状和尺寸合理；断面形状和尺寸合理；断面形状和尺寸合理；断面形状和尺寸合理； 5 5、、、、强度保证、材料合适、结构可靠，以抵抗水流的强度保证、材料合适、结构可靠，以抵抗水流的强度保证、材料合适、结构可靠，以抵抗水流的强度保证、材料合适、结构可靠，以抵抗水流的冲刷。

冲刷 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀二、蜗壳的型式及其主要参数选择二、蜗壳的型式及其主要参数选择二、蜗壳的型式及其主要参数选择二、蜗壳的型式及其主要参数选择1 1、、、、蜗壳的型式蜗壳的型式蜗壳的型式蜗壳的型式（（1）混凝土蜗壳：）混凝土蜗壳：钢筋混凝土，钢板衬砌，混凝土预应力，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，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：金属蜗壳：H＞＞40m，，厚度由进口到鼻端从大到小厚度由进口到鼻端从大到小 a. 焊接：焊接：适用于尺寸较大的中、低水头混流式水轮机，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；适用较广，全埋，上加软性层； b. 铸焊：铸焊：D1＜＜3m的高水头混流式水轮机；的高水头混流式水轮机； c. 铸造：铸造：同铸焊刚度大，不全埋，直接承重，减低厂同铸焊刚度大，不全埋，直接承重，减低厂房高度第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀2 2、、、、蜗壳的断面形式蜗壳的断面形式蜗壳的断面形式蜗壳的断面形式Ø 金属蜗壳金属蜗壳：圆形（进口断面）：圆形（进口断面）椭圆形，以改善其受力条件，与蝶形边座椭圆形，以改善其受力条件，与蝶形边座环焊接，环焊接， =550。

Ø 混凝土蜗壳混凝土蜗壳：梯形断面：梯形断面m≥n：：减低厂房高度，缩短主轴长度减低厂房高度，缩短主轴长度第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀•混凝土蜗壳进口断面形状选择：混凝土蜗壳进口断面形状选择：混凝土蜗壳进口断面形状选择：混凝土蜗壳进口断面形状选择：（（1））δ一般为一般为20°~30°，， 常取常取δ=30°；；（（2）当）当n=0时，时，γ=10°~15°，， =1.5~1.7，可达，可达 2.0；；（（3）当）当m＞＞n时，时，γ=10°~20°，， =1.2~1.7，可达，可达1.85；；（（4）当）当m≤n时，时，γ=25°~35°，， =1.2~1.7，可达，可达1.85；； 中间断面形状的确定：中间断面形状的确定：中间断面形状的确定：中间断面形状的确定： 直线过渡或抛物线过渡直线过渡或抛物线过渡 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀3 3、、、、蜗壳的包角蜗壳的包角蜗壳的包角蜗壳的包角 ：：：：从蜗壳鼻端至蜗壳进口断面从蜗壳鼻端至蜗壳进口断面之间的夹角之间的夹角 • 金金属属蜗蜗壳壳：：过过流流量量小小，，水水头头大大，，允允许许流流速速大大，，其其外外形形 尺尺 寸寸 对对 厂厂 房房 造造 价价 影影 响响 较较 小小 ，， ；； • 混混凝凝土土蜗蜗壳壳：：过过流流量量大大，，水水头头小小，，流流速速小小，，影影响响大大，， 。

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，固定导叶需寸；进口断面形成蜗形流道，加重了导叶的负担，固定导叶需寸；进口断面形成蜗形流道，加重了导叶的负担，固定导叶需寸；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专门设计专门设计专门设计 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀4 4、、、、蜗壳进口断面的平均流速蜗壳进口断面的平均流速蜗壳进口断面的平均流速蜗壳进口断面的平均流速 ，，对对于于相相同同的的过过流流量量，， 大大，，则则蜗蜗壳壳断断面面小小，，但但水水力力损损失失增增大大由由水水轮轮机机设设计计水水头头Hr从从图图2-8中查取 一般情况下，可取图中的中间值；金属或钢衬混一般情况下，可取图中的中间值；金属或钢衬混凝土蜗壳，可取上限值；布置不受限制时可取下限值凝土蜗壳，可取上限值；布置不受限制时可取下限值但但 ≥引水道中的流速。

引水道中的流速 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀三、蜗壳的水力计算三、蜗壳的水力计算三、蜗壳的水力计算三、蜗壳的水力计算 水力计算水力计算 确定蜗确定蜗壳各断面的几何形状和尺壳各断面的几何形状和尺寸寸 绘制蜗壳平面和断绘制蜗壳平面和断面单线图面单线图 已知条件：已知条件：Hr、、Qmax、、b0、、Da、、Db，蜗壳类型，，蜗壳类型， 、、 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀（（1 1）径向分速度）径向分速度 ：： 1 1、、、、蜗壳中的水流运动蜗壳中的水流运动蜗壳中的水流运动蜗壳中的水流运动 ：：：： （水流必须均匀地、（水流必须均匀地、轴对称地进入导水机构）轴对称地进入导水机构）第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀a. （（K为蜗壳常数）保证水流环量分布满为蜗壳常数）保证水流环量分布满足均匀、轴对称的要求足均匀、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，但减小了水头损失称的要求，影响稳定性，但减小了水头损失。

（（2 2）圆周分速度）圆周分速度 ：：沿径向的变化有两种假定沿径向的变化有两种假定 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀2 2、、、、金属蜗壳的水力计算金属蜗壳的水力计算金属蜗壳的水力计算金属蜗壳的水力计算 通过任一断面通过任一断面i 的流量为：的流量为： （（ ：从蜗壳鼻端至断面：从蜗壳鼻端至断面i 的包角）的包角） 又又 的假定的假定 ∴∴断面半径断面半径 断面中心矩：断面中心矩： 断面外半径：断面外半径： 对进口断面，将对进口断面，将对进口断面，将对进口断面，将 代入代入代入代入 ，即得，即得，即得，即得第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀注注注注：：：：a a、一般以、一般以、一般以、一般以4545o o间隔选取不同断面计算间隔选取不同断面计算间隔选取不同断面计算间隔选取不同断面计算 ；；；； b b、接近鼻端应以等面积原则修正为椭圆接近鼻端应以等面积原则修正为椭圆。

接近鼻端应以等面积原则修正为椭圆接近鼻端应以等面积原则修正为椭圆 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀3 3、、、、混凝土蜗壳的水力计算混凝土蜗壳的水力计算混凝土蜗壳的水力计算混凝土蜗壳的水力计算（（1 1）确定进口断面尺寸）确定进口断面尺寸 （依据不同型式）（依据不同型式） （（2 2）确定中间断面得顶角点、底角）确定中间断面得顶角点、底角点变化规律点变化规律 顶角点顶角点AG线：线： 底角点底角点CH线：线： 直线变化直线变化 k1，，k2系数，可由进口系数，可由进口断面断面尺寸确定尺寸确定第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀（（3 3）绘制）绘制 辅助曲线辅助曲线 外半径外半径 可求出对应每一个可求出对应每一个Ri中间断面的尺寸中间断面的尺寸中间断面面积为中间断面面积为 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀（（4 4）绘制出蜗壳断面单线图和蜗壳平面单线图）绘制出蜗壳断面单线图和蜗壳平面单线图注：注：a、进口宽度、进口宽度B=R0+D1；； b、鼻端附近由模型试验研究确定鼻端附近由模型试验研究确定 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀第二节第二节第二节第二节 尾水管的作用、型式及其主要尺寸的确定尾水管的作用、型式及其主要尺寸的确定尾水管的作用、型式及其主要尺寸的确定尾水管的作用、型式及其主要尺寸的确定一、尾水一、尾水一、尾水一、尾水管的作用管的作用管的作用管的作用 尾水管与电站的土建投资、运行效率及稳定性密切相关。

尾水管与电站的土建投资、运行效率及稳定性密切相关 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀单位重量水流通过这两台水轮机时，其转轮所获得的能单位重量水流通过这两台水轮机时，其转轮所获得的能量均可表示成：量均可表示成： 无尾水管情况（无尾水管情况（a a）：）： 1 1、无尾水管、无尾水管 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀说明：说明：无尾水管水轮机所利用的水能无尾水管水轮机所利用的水能EA只占电站总只占电站总水头水头H1 1中的一部分，其余部分表现为转轮出口位置中的一部分，其余部分表现为转轮出口位置水头水头H2 2和出口动能和出口动能 已全部损失已全部损失 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀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第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀3. 3. 具有圆锥形的尾水管–水轮机出口处的总损失为–断面2与断面5之间的能量方程为动力真空——衡量尾水管性能好坏的主要标志静力真空——取决于机组的安装高程，与尾水管性能无关H1第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀有尾水管情况：有尾水管情况： 转轮出口处转轮出口处2-2断面的单位能量为：断面的单位能量为： 则：则： 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀故：故： = = 静力真空（静水头）静力真空（静水头）+ +动力真空（利用扩散使动能减小）动力真空（利用扩散使动能减小） ΔΔE 即为尾水管回收的水能即为尾水管回收的水能 （出口压力降低）。

出口压力降低） 则尾水管的作用为：则尾水管的作用为：则尾水管的作用为：则尾水管的作用为：1 1、、、、汇集并引导转轮出口水流排往下游；汇集并引导转轮出口水流排往下游；汇集并引导转轮出口水流排往下游；汇集并引导转轮出口水流排往下游；2 2、、、、当当当当HH2 2＞＞＞＞0 0 0 0时，利用这一高度水流所具有的位能；时，利用这一高度水流所具有的位能；时，利用这一高度水流所具有的位能；时，利用这一高度水流所具有的位能；3 3、、、、回收转轮出口水流的部分动能回收转轮出口水流的部分动能回收转轮出口水流的部分动能回收转轮出口水流的部分动能第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀 —当转轮装于下游水位以上时，在转轮出口处形成静力真空，因此可利用转轮至下游水位的水头–可以利用转轮出口处的动能中相当大的部分，也就是利用了转轮可以利用转轮出口处的动能中相当大的部分，也就是利用了转轮出口处形成的附加的出口处形成的附加的动力真空动力真空–表征尾水管的性能好坏，用表征尾水管的性能好坏，用动能利用系数动能利用系数（尾水管的恢复系数）（尾水管的恢复系数）问题：问题： ηd或动力真或动力真空值越大越好吗？空值越大越好吗？第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀 对对于于低低水水头头轴轴流流式式水水轮轮机机，，其其 值值可可达达水水头头H的的40％，％，而对高水头混流式水轮机而对高水头混流式水轮机值值还还达达不不到到总总水水头头H的的1.0％％。

因因此此尾尾水水管管性性能能的的好好坏对于低水头水轮机极其重要坏对于低水头水轮机极其重要 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀二、尾水管型式及其主要尺寸确定二、尾水管型式及其主要尺寸确定二、尾水管型式及其主要尺寸确定二、尾水管型式及其主要尺寸确定 尾水管的型式：尾水管的型式： 1 1、、、、直锥形：直锥形：直锥形：直锥形：结构简单，性能最好结构简单，性能最好(ηw=80％％~85％％)，，但其下部开挖工但其下部开挖工程量大，一般用于小型水轮机；程量大，一般用于小型水轮机；2 2、、、、弯锥形：弯锥形：弯锥形：弯锥形：转弯段水力损失较大，转弯段水力损失较大，其性能较差其性能较差(ηw=40％％~60％％)，，常用常用于小型卧轴式水轮机；于小型卧轴式水轮机； 3 3、、、、弯肘形：弯肘形：弯肘形：弯肘形：不但可减小尾水管开挖深度，而且具有良好不但可减小尾水管开挖深度，而且具有良好的水力性能的水力性能（（ηw=75％％~80％），％），广泛采用，性能好广泛采用，性能好 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀弯肘形尾水管：弯肘形尾水管：弯肘形尾水管：弯肘形尾水管： ①①进口直锥段：进口直锥段：一段垂直的圆锥形扩散管，内壁一段垂直的圆锥形扩散管，内壁设金属里衬。

设金属里衬单边扩散角单边扩散角θ：对于混流式水轮机：对于混流式水轮机θ= 7°~9°，对于转桨，对于转桨式水轮机式水轮机θ= 8°~10°，轮毂比，轮毂比dg/D1大于大于0.45时，取下限时，取下限值 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀 可设支墩厚可设支墩厚 ，不加金属里衬不加金属里衬② ② 中中间间弯弯肘肘段段（（肘肘管管））：：采采用用标标准准肘肘管管或或按按比比例例换换算算，，可可设设金金属里衬 圆圆形形 椭椭圆圆 矩矩形形、、椭椭圆圆、、圆形圆形③ ③ 出口扩散段：顶板仰角出口扩散段：顶板仰角α=10°~13°第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀④④尾水管的高度尾水管的高度h：：是指水轮机底是指水轮机底环平面至尾水管底板的高度，它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、厂房土建投接影响尾水管效率、厂房土建投资、机组运行的稳定性资、机组运行的稳定性  转桨式水轮机：转桨式水轮机：h≥2.3D1，，最低不得小于最低不得小于2.0D1；；   高水头混流式水轮机：高水头混流式水轮机：（（D1＞＞D2），），h≥2.2D1；；   低水头混流式水轮机：低水头混流式水轮机：（（D1

第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀⑤⑤尾水管的水平长度（尾水管的水平长度（L）） 增大增大L，使尾水管出口面积增大，减小出口动能，使尾水管出口面积增大，减小出口动能损失，但过分增大损失，但过分增大L，尾水管内部水力损失以及厂房，尾水管内部水力损失以及厂房尺寸增大，通常取尺寸增大，通常取 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀三、尾水管的局部尺寸变动三、尾水管的局部尺寸变动三、尾水管的局部尺寸变动三、尾水管的局部尺寸变动1 1、、、、当当当当厂厂厂厂房房房房底底底底部部部部岩岩岩岩石石石石开开开开挖挖挖挖受受受受到到到到限限限限制制制制，，，，又又又又需需需需要要要要保保保保持持持持尾尾尾尾水水水水管管管管高高高高度度度度时时时时，，，，允允允允许许许许将将将将出出出出口口口口扩扩扩扩散散散散段段段段底底底底板板板板向向向向上上上上倾倾倾倾斜斜斜斜，，，，β β≤6°~12°≤6°~12°第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀三、尾水管的局部尺寸变动三、尾水管的局部尺寸变动三、尾水管的局部尺寸变动三、尾水管的局部尺寸变动2 2、、、、不不不不对对对对称称称称布布布布置置置置的的的的尾尾尾尾水水水水管管管管，，，，尾尾尾尾水水水水管管管管轴轴轴轴线线线线偏偏偏偏离离离离机机机机组组组组中中中中心心心心线，考虑蜗壳尺寸的不对称，可减小厂房宽度。

线，考虑蜗壳尺寸的不对称，可减小厂房宽度线，考虑蜗壳尺寸的不对称，可减小厂房宽度线，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尾水管的局部尺寸变动尾水管的局部尺寸变动尾水管的局部尺寸变动第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀3 3、、、、尾尾尾尾水水水水管管管管水水水水平平平平扩扩扩扩散散散散段段段段的的的的断断断断面面面面做做做做成成成成高高高高而而而而窄窄窄窄的的的的形形形形状状状状（（（（地地地地下式厂房，保证岩体稳定）；下式厂房，保证岩体稳定）；下式厂房，保证岩体稳定）；下式厂房，保证岩体稳定）；第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀4 4、、、、尾水管长度加长，地下式水电站；尾水管长度加长，地下式水电站；尾水管长度加长，地下式水电站；尾水管长度加长，地下式水电站；第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀5 5、、、、尾水管长度加长，因厂房布置需要尾水管长度加长，因厂房布置需要尾水管长度加长，因厂房布置需要尾水管长度加长，因厂房布置需要 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀四、尾水管尺寸确定四、尾水管尺寸确定四、尾水管尺寸确定四、尾水管尺寸确定 1 1、、、、确定转轮直径；确定转轮直径；确定转轮直径；确定转轮直径；2 2、、、、选择尾水管型式；选择尾水管型式；选择尾水管型式；选择尾水管型式；3 3、、、、初步确定尾水管主要尺寸初步确定尾水管主要尺寸初步确定尾水管主要尺寸初步确定尾水管主要尺寸•按模型尺寸放大；按模型尺寸放大；•查表确定；查表确定；•厂家提供的尺寸厂家提供的尺寸 （优先使用！）（优先使用！）4 4、、、、依据厂房布置进行布置和依据厂房布置进行布置和依据厂房布置进行布置和依据厂房布置进行布置和尺寸的适当调整。

尺寸的适当调整尺寸的适当调整尺寸的适当调整第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀第三节第三节 水轮机的气蚀（水轮机的气蚀（cavitation,erosioncavitation,erosion) )1.气蚀破坏的物理过程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

成金属壁面化学破坏–气蚀破坏现象气蚀破坏现象•剥蚀：机械破坏（主要）剥蚀：机械破坏（主要）•腐蚀：化学和电化破坏（次要）腐蚀：化学和电化破坏（次要）–气蚀破坏过程气蚀破坏过程–气蚀破坏的后果气蚀破坏的后果•Q↓，，N↓，，η↓•过流部件（特别是叶片）背面剥蚀、腐蚀过流部件（特别是叶片）背面剥蚀、腐蚀•有害噪音和机组振动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第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀气蚀的破坏作用：气蚀的破坏作用：气蚀的破坏作用：气蚀的破坏作用：1 1、破坏水轮机的过流部件、破坏水轮机的过流部件、破坏水轮机的过流部件、破坏水轮机的过流部件2 2、降低水轮机的出力和效率、降低水轮机的出力和效率、降低水轮机的出力和效率、降低水轮机的出力和效率3 3、、、、气气气气蚀蚀蚀蚀严严严严重重重重时时时时，，，，可可可可能能能能使使使使机机机机组组组组发发发发生生生生强强强强烈烈烈烈的的的的振振振振动动动动、、、、噪噪噪噪音及负荷波动，导致机组不能安全稳定运行音及负荷波动，导致机组不能安全稳定运行音及负荷波动，导致机组不能安全稳定运行音及负荷波动，导致机组不能安全稳定运行4 4、缩短了机组的检修周期，增加了机组检修的复、缩短了机组的检修周期，增加了机组检修的复、缩短了机组的检修周期，增加了机组检修的复、缩短了机组的检修周期，增加了机组检修的复杂性杂性杂性杂性 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀2.水轮机气蚀的类型及特征（（1 1）根据气蚀发生的条件和部位，气）根据气蚀发生的条件和部位，气蚀分为：蚀分为：Ø间隙气蚀间隙气蚀：：clearance clearance cavitationscavitations 由水流通过缝隙时引起的压力由水流通过缝隙时引起的压力下降而产生的，其位置下降而产生的，其位置Ø反击式水轮机导叶的上下端面反击式水轮机导叶的上下端面间隙处间隙处Ø导叶关闭时导叶之间的立面间导叶关闭时导叶之间的立面间隙隙Ø转轮的止漏装置间隙处转轮的止漏装置间隙处Ø水斗式水轮机喷嘴与针阀之间水斗式水轮机喷嘴与针阀之间第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀•空腔汽蚀：空腔汽蚀：由于转轮翼型引起压力降低由于转轮翼型引起压力降低由于转轮翼型引起压力降低由于转轮翼型引起压力降低而产生的，对混流式水轮机而产生的，对混流式水轮机而产生的，对混流式水轮机而产生的，对混流式水轮机其位置：其位置：其位置：其位置：A A A A区：区：区：区：转轮叶片背面下半转轮叶片背面下半转轮叶片背面下半转轮叶片背面下半部出水面部出水面部出水面部出水面B B B B区：区：区：区：转轮叶片背面与下转轮叶片背面与下转轮叶片背面与下转轮叶片背面与下环靠近处环靠近处环靠近处环靠近处C C C C区：区：区：区：下环立面内侧下环立面内侧下环立面内侧下环立面内侧D D D D区：区：区：区：转轮叶片背面与上转轮叶片背面与上转轮叶片背面与上转轮叶片背面与上冠交界处冠交界处冠交界处冠交界处翼型气蚀翼型气蚀翼型气蚀翼型气蚀：：：：wing cavitationswing cavitations第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀•空腔气蚀：cavity cavitations 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减轻空腔气蚀的措施•主轴中心自然补气主轴中心自然补气•尾水管补气尾水管补气第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀•局部气蚀：local cavitations 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 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀（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、针孔轻度：斑痕、针孔•重度：蜂窝、锈孔重度：蜂窝、锈孔–金属组织比较疏松、并有脱落现象金属组织比较疏松、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、擦伤小沟及鱼鳞坑鳞坑–部件磨损处，基本上还保持原金属的密实的金相组织部件磨损处，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磨损部件和磨损部位一般在叶片的工作面和下环内侧第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀三、水轮机的气蚀系数三、水轮机的气蚀系数三、水轮机的气蚀系数三、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：叶片正面压力：叶片正面压力：叶片正面压力： 下降下降 回升回升 下降下降•叶片背面压力：叶片背面压力：叶片背面压力：叶片背面压力： 下降下降 下降下降 回升回升 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀混流式水轮机：混流式水轮机：混流式水轮机：混流式水轮机：•最最低低压压力力Pk是是研研究究翼翼形形气气蚀蚀的控制参数：的控制参数：•K点和叶片出口边点和叶片出口边2点的相对点的相对运动伯努利方程式运动伯努利方程式 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀从发生气蚀最危险的从发生气蚀最危险的K点到点到α—α的垂直高的垂直高ZK 常称为水常称为水轮机的吸出高度（或称静力真空），用轮机的吸出高度（或称静力真空），用Hs表示表示 令令 ，， ，以尾水位为基准面，则，以尾水位为基准面，则 2点与点与α点的伯努利方程求得点的伯努利方程求得 令：吸出高度令：吸出高度Hs=Zk - Za第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀 令令 ，， ( (尾水管总水头损失尾水管总水头损失) ) ( (尾水管的水头损失系数尾水管的水头损失系数) ) ，则，则 从而可得从而可得 或写成或写成 即即 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀k点真空值，点真空值， k点动力真空值，点动力真空值，∵ ∵ ，，hkv不不能能确确切切反反映映此此水水轮轮机机的的气气蚀特性，也不便不同水轮机的气蚀性能进行比较。

蚀特性，也不便不同水轮机的气蚀性能进行比较η w：动能：动能恢复系数恢复系数 ∴∴用用 定义为水轮机气蚀系数定义为水轮机气蚀系数 σσ愈愈大大，，水水轮轮机机愈愈易易发发生生气气蚀蚀，，气气蚀蚀性性能能愈愈差差σσ通过水轮机模型气蚀试验求取通过水轮机模型气蚀试验求取 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀注：为了注：为了注：为了注：为了 气蚀性能变差气蚀性能变差气蚀性能变差气蚀性能变差（矛盾：能量特性和气蚀特性）（矛盾：能量特性和气蚀特性）（矛盾：能量特性和气蚀特性）（矛盾：能量特性和气蚀特性） 则得叶片背面最低压力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：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）（对应温度下水的汽化压力） 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀 σ 的性质：的性质：的性质：的性质：a a、无因次系数，动力真空相对值；、无因次系数，动力真空相对值；b b、与叶型，水轮机工况有关，、与叶型，水轮机工况有关， c c、与尾水管性能有关，、与尾水管性能有关， d d、几何形状相似得水轮机，在相似工况下，、几何形状相似得水轮机，在相似工况下，σ 相相同；对于某一水轮机，某一工况下，同；对于某一水轮机，某一工况下，σ 为定值。

为定值 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀四、水轮机气蚀的防护四、水轮机气蚀的防护四、水轮机气蚀的防护四、水轮机气蚀的防护 1 1、、、、设计制造：超气蚀叶片形状、加工精度、材料设计制造：超气蚀叶片形状、加工精度、材料设计制造：超气蚀叶片形状、加工精度、材料设计制造：超气蚀叶片形状、加工精度、材料2 2、、、、运行维护，补气措施运行维护，补气措施运行维护，补气措施运行维护，补气措施3 3、、、、工程措施：选择合理的水轮机安装高程，防沙工程措施：选择合理的水轮机安装高程，防沙工程措施：选择合理的水轮机安装高程，防沙工程措施：选择合理的水轮机安装高程，防沙 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀第四节第四节 水轮机的吸出高度及安装高程水轮机的吸出高度及安装高程 一、水轮机的吸出高度一、水轮机的吸出高度一、水轮机的吸出高度一、水轮机的吸出高度 通过选择适宜的吸出高度通过选择适宜的吸出高度Hs来控制来控制k点的真空值点的真空值 由由 可得避免发生翼型气蚀的吸出高度可得避免发生翼型气蚀的吸出高度Hs为：为： ：水轮机安装位置的大气压，：水轮机安装位置的大气压，▽▽：水轮机安装位置的海拔高程。

水轮机安装位置的海拔高程第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀 ：汽化压力，水温：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，：水轮机实际运行的气蚀系数， （（Kσ：气蚀系数的安全系数，取：气蚀系数的安全系数，取1.1~1.35）） 则则 或或 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀水轮机的吸出高度水轮机的吸出高度水轮机的吸出高度水轮机的吸出高度HHs s的确定：的确定：的确定：的确定：1 1、、、、立立立立轴轴轴轴混混混混流流流流式式式式水水水水轮轮轮轮机机机机：：：：导导导导叶叶叶叶下下下下部部部部底底底底环环环环平平平平面面面面到到到到设设设设计计计计尾水位的垂直高度；尾水位的垂直高度；尾水位的垂直高度；尾水位的垂直高度；2 2、、、、立立立立轴轴轴轴轴轴轴轴流流流流式式式式水水水水轮轮轮轮机机机机：：：：转转转转轮轮轮轮叶叶叶叶片片片片轴轴轴轴线线线线到到到到设设设设计计计计尾尾尾尾水水水水位的垂直高度；位的垂直高度；位的垂直高度；位的垂直高度；3 3、、、、卧轴反击式水轮机：转轮叶片的最高点到设计卧轴反击式水轮机：转轮叶片的最高点到设计卧轴反击式水轮机：转轮叶片的最高点到设计卧轴反击式水轮机：转轮叶片的最高点到设计尾水位的垂直高度。

尾水位的垂直高度尾水位的垂直高度尾水位的垂直高度 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀二、水轮机的安装高程二、水轮机的安装高程二、水轮机的安装高程二、水轮机的安装高程 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀1 1、、、、立轴混流式水轮机：立轴混流式水轮机：立轴混流式水轮机：立轴混流式水轮机： （导叶中心的位置高程）（导叶中心的位置高程） ：设计尾水位，：设计尾水位，m ；； b0：导叶高度，：导叶高度，m 2 2、、、、立轴轴流式水轮机：立轴轴流式水轮机：立轴轴流式水轮机：立轴轴流式水轮机： D1：转轮标称直径，：转轮标称直径，m；； X：轴流式水轮机的高度系数轴流式水轮机的高度系数 3 3、、、、卧轴反击式水轮机：卧轴反击式水轮机：卧轴反击式水轮机：卧轴反击式水轮机： 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀4 4、水斗式水轮机：、水斗式水轮机：、水斗式水轮机：、水斗式水轮机：立轴：立轴：卧轴：卧轴： ：最高尾水位，：最高尾水位，m；； hp：排出高度，：排出高度， （立轴取大值，卧轴取小值）（立轴取大值，卧轴取小值） 注：设计尾水位的确定：注：设计尾水位的确定：注：设计尾水位的确定：注：设计尾水位的确定：1 1台台台台50%Q(1~250%Q(1~2台台台台) )，，，， 1 1台台台台100%Q(3~4100%Q(3~4台台台台) )，，，，1.5~21.5~2台台台台100%Q(≥5100%Q(≥5台台台台) ) 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀谢谢！请批评指正谢谢！请批评指正第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀第八节第八节 尾水管的型式及主要尺寸的确定尾水管的型式及主要尺寸的确定•型式–直锥形尾水管直锥形尾水管•优点：简单、性能最好优点：简单、性能最好•缺点：厂房下部开挖量大缺点：厂房下部开挖量大–弯形尾水管弯形尾水管•直锥管直锥管•弯管（肘管）：进口为圆，与上部相连，出口为矩形弯管（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，一般做成矩形般做成矩形适用于小型水轮机第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀•弯形尾水管的特点–增加了水流转弯及流速分增加了水流转弯及流速分布不均匀造成的附加损失，布不均匀造成的附加损失，即即ηd弯弯<ηd直直–水流运水流运动复复杂，没有理，没有理论计算公式，只能通算公式，只能通过实验来确定弯形尾水管的最来确定弯形尾水管的最优尺寸尺寸–影响弯形尾水管性能好坏影响弯形尾水管性能好坏的主要参数的主要参数•尾水管的高度尾水管的高度h 或或 h/D1•水平水平长度度L 或以或以L/D1第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀•混流式水轮机弯形尾水管–HL尾水管与尾水管与ZL尾水管没有本质差别尾水管没有本质差别–HL特性：特性：•转轮叶片不能转动转轮叶片不能转动–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增加，涡带在作用到弯管底部时已消失•HL过流能力过流能力< ZL过流能力过流能力–单从能量角度看，单从能量角度看，h值可小些值可小些–为避免机组振动，为避免机组振动，h/D1值也可大些值也可大些第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀•混流式水轮机已标准化、系列化，对每一种标准型号的转轮进行实验时都配有相应的尾水管，表2-1中给出了各种水轮机所推荐的尾水管型号•当有特殊要求时，可以修改尾水管尺寸，或重新设计尾水管，但应进行模型试验h/D1L/D1B5/D1D4/D1h4/D1h6/D1L1/D1h5/D1肘形型式肘形型式适用范适用范围2.24.51.8081.101.100.5740.941.30金属里金属里衬肘管肘管h4/D1=1.1混流式混流式D1＞＞D22.34.52.4201.201.200.6001.621.27标准混凝土肘准混凝土肘管管轴流式流式2.64.52.7201.351.350.6751.821.22标准混凝土肘准混凝土肘管管混流式混流式D1≤D2第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀•尾水管尺寸的局部变动–局部尺寸变动对水轮机效率的影响局部尺寸变动对水轮机效率的影响•尾水管出口宽度尾水管出口宽度B5较大时（较大时（>10~12m)，可在扩散段内加单支，可在扩散段内加单支墩。

双支墩会引起较大的水头损失，一般不用墩双支墩会引起较大的水头损失，一般不用•扩散段底板一般为水平的，必要时可上抬，但不应超过扩散段底板一般为水平的，必要时可上抬，但不应超过60~120，低比转速取上限，低比转速取上限•B5↑（加长（加长L1或使扩散段在平面上也扩散）或使扩散段在平面上也扩散）→η↑，，N↑•扩散段（扩散段（L - L1））↑→h5↑→η↑•直锥段高度直锥段高度h3↑→h↑→η↑•对地下厂房，常希望尾水管窄而深，这时可加大深度来减小宽对地下厂房，常希望尾水管窄而深，这时可加大深度来减小宽度，例如，度，例如，h=3.5D1, B5=(1.5~2.0)D1–试验表明，这样不至于影响能量指标和压力脉动，可以达到标准试验表明，这样不至于影响能量指标和压力脉动，可以达到标准尾水管尾水管h=2.6D1的性能的性能第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀图图图图 2-19 2-19 尾水管的局部尺寸变动尾水管的局部尺寸变动尾水管的局部尺寸变动尾水管的局部尺寸变动。