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水轮机的蜗壳


水轮机的蜗壳、 第二章 水轮机的蜗壳、尾水管及汽蚀 第一节 蜗壳的型式及主要参数选择

一、蜗壳的功用及型式
(一) 功用 蜗壳是水轮机的进水部件, 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。 头损失,均匀对称地引向导水机构,进入转轮。 设置在尾水管末端。 设置在尾水管末端。

(二)

型式
1. 混凝土蜗壳 适用于低水头大流量的 适用于低水头大流量的 低水头大流量 水轮机。 水轮机。 H≦ H≦40m, 钢筋混凝土 浇筑, 形断面。 浇筑,“T”形断面。 形断面 当H>40m时,可用钢 时 板衬砌防渗(H 板衬砌防渗 达80m)

2. 金属蜗壳
时采用金属蜗壳。 当H>40m时采用金属蜗壳。 时采用金属蜗壳 其断面为圆形,适用于中 其断面为圆形,适用于中 高水头的水轮机。 高水头的水轮机。 的水轮机 钢板焊接:H=40~200m, 钢板焊接: , 钢板拼装焊接。 钢板拼装焊接。 铸钢蜗壳: 铸钢蜗壳:H>200m时,钢 时 板太厚,不易焊接, 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。

二、蜗壳的主要参数
1.断面型式与断面参数 1.断面型式与断面参数 金属蜗壳: 金属蜗壳:圆形结构 参数:座环外径、 参数:座环外径、内 导叶高度、 径、导叶高度、蜗壳 断面半径、 断面半径、蜗壳外缘 半径

混凝土蜗壳: 混凝土蜗壳:“T”形。 形 (1) m=n时:称为对称型 时 式 (2) m>n:下伸式 : (3) m<n :上伸式 (4) n=0:平顶蜗壳 : 中间断面: 中间断面: 蜗壳顶点、 蜗壳顶点、底角点的变 化规律按直线或抛物线 确定。 确定。

2.蜗壳包角 2.蜗壳包角
蜗壳末端(鼻端 到蜗壳进口 蜗壳末端 鼻端)到蜗壳进口 鼻端 断面之间的中心角φ 断面之间的中心角 0 (1) 金属蜗壳: 金属蜗壳: φ0=340°~350°,常取 常取345° ° ° 常取 ° (2) 混凝土蜗壳: 混凝土蜗壳: φ0=180°~270°,一般取 ° ° 一般取 180°,一大部分水流直接 ° 进入导叶,为非对称入流, 进入导叶,为非对称入流, 对转轮不利) 对转轮不利)

3、蜗壳进口平均流速: 、蜗壳进口平均流速: 进口断面流量
Q max Qc = φ0 o 360

Qmax——水轮机的最大引用流量。 水轮机的最大引用流量。 水轮机的最大引用流量 Vc↑→Fc↓→hw↑;Vc↓→Fc↑→hw↓; ; ;

V c= α c H r
曲线确定V 一般由H 一般由 r~VC曲线确定 C

三、蜗壳的水力计算
水力计算的目的: 水力计算的目的 确定蜗壳各中间断面的尺寸, 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。 线图,为厂房设计提供依据。 已知: 已知:
H r ,Q
max

, b 0 , D a , D b , φ 0 ,V c

1. 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 环流), 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 之后进入导叶 水流速度分解为Vr、Vu。 水流速度分解为 进入座环时,按照均匀轴对称入流的要求, 进入座环时,按照均匀轴对称入流的要求, Vr=常数。 常数。 常数

V

r

Q max = π D ab0

圆周流速V 的变化规律,有两种基本假定: 圆周流速 u的变化规律,有两种基本假定: (1) 速度矩 ur= C 速度矩V 假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流,忽 假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流, 性及摩擦力, 会随r的增加而减小 的增加而减小。 略粘 性及摩擦力,Vu会随 的增加而减小。 (2) 圆周流速 u=C:即假定 u=VC=C 圆周流速V :即假定V

蜗壳的水力计算按(V 2. 蜗壳的水力计算按 u=VC=C)
金属蜗壳水力计算

(1)蜗壳进口断面: (1)蜗壳进口断面:
Qc Fc = = Q max φ 0 360 0 V c Vc

断面半径: 断面半径:

ρ

max

=

Fc

π

=

Q max φ 0 360 0 V C π

从轴心线到蜗壳外缘半径: 从轴心线到蜗壳外缘半径:

Rmax = ra + 2 ρ max

中间断面( (2) 中间断面(
Qi =
ρi =

φ = φi

)

φi
360

Qmax 0

Qi Qmaxφi Fi = = 0 Vu 360 Vc

Q maxφ i 360 0 VC π

Ri = ra + 2 ρ i

由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为: 由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为: (a) 确定 0 和VC ; 确定φ (b) 求Fc、ρmax、Rmax; (c) 由φi确定 i、ρi、Ri。 确定F

混凝土蜗壳的水力计算(半解析法 混凝土蜗壳的水力计算 半解析法) 半解析法

按求进口断面积; (1) 按求进口断面积; 根据水电站具体情况选择断面型式,并确定断面尺寸, (2) 根据水电站具体情况选择断面型式,并确定断面尺寸, 使其 F = F c (3) 选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线),以虚线 选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线) 表示并画出1 表示并画出1、2、3…….等中间断面。 .等中间断面。 测算出各断面的面积,绘出: f(R)关系曲线 关系曲线。 (4) 测算出各断面的面积,绘出:F = f(R)关系曲线。 (5) 按
Qi Q max φ i Fi = = Vu 360 0 V c

绘出F f(Φ)直线 直线。 绘出F = f(Φ)直线。

根据φ 确定F 及断面尺寸,绘出平面单线图。 (6) 根据φi确定Fi、Ri及断面尺寸,绘出平面单线图。

尾水管的作用、 第二节 尾水管的作用、型式及其主要尺寸确定 一、尾水管的作用

转轮所获得能量等于转轮进出口之间的能量差: 转轮所获得能量等于转轮进出口之间的能量差:

E = E1 ? E2 = ( H1 +
1.无尾水管时:E 1 = ( H 1 + 1.无尾水管时: 无尾水管时
pa

pa

γ

) ? E2
E2 A = H2 + pa

γ

)

γ

+

α2V22
2g

转轮获得能量: 转轮获得能量:

EA = E1 ? E2 A = H1 ? ( H2 +
pa )

α2V22
2g

)
p2 α2V2 + γ 2g
2

设尾水管时: 2 . 设尾水管时: E 1 = ( H 1 + 根据2 根据2-2至5-5断面能量方程: 断面能量方程:

γ

E2B = H2 +

p2

γ

+ H2 +

α 2V22
2g

=

pa

γ

+

α 5V52
2g

+ ? h2 ? 5

p2 pa α 2V 22 ? α 5V 52 可得: 可得: = ? H2 ? ( ? ? h2 ? 5 ) γ γ 2g

设尾水管后,转轮所获得能量: 设尾水管后,转轮所获得能量:

E B = E1 ? E 2 B = H 1 ? (
水轮机多获得的能量: 水轮机多获得的能量:

α 2V2 2
2g

+ ? h2 ? 5 )

?E = EB ? EA = H2 + (

α V ?α V
2 2 2

2 5 5

2g

? ?h2?5)

设置尾水管以后,在转轮出口形成了压力降低, 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: 真空现象,真空由两部分组成: 静力真空: 落差) 静力真空:H2(落差),也称为吸出高度Hs; 动力真空(转轮出口的部分动能) 动力真空(转轮出口的部分动能)

Hd =

α 2V 22 ? α 5V 52
2g

? ? h2 ? 5

3. 尾水管的作用
(1) 汇集转轮出口水流,排往下游。 汇集转轮出口水流,排往下游。 (2) 当Hs>0时,利用静力真空。 时 利用静力真空。 (3) 利用动力真空 d。 利用动力真空H

尾水管的动能恢复系数
尾水管的静力真空H 取决于水轮机的安装高程, 尾水管的静力真空 s取决于水轮机的安装高程,与尾水管的性能无 衡量尾水管性能好坏的标志是恢复动能的程度( 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η 有关),一般用动能恢复系数 w表示 ),一般用动能恢复系数

ηw = (

α v ?α v
2 2 2

2 5 5

2g

? h 2 ?5 ) /

α v

2 2 2

2g

= Hd /

2 α 2 v2

2g

ηw >0.8 时,效果较好;≦0.3~0.4时,效果较差。 效果较好; ~ 时 效果较差。

η

w

= 1 ? ξ

w

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 尾水管的作用是排水、回收能量。其型式、 影响、厂房基础开挖、下部块体混凝土尺寸。 影响、厂房基础开挖、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。 尾水管尺寸越大,η越高,工程量及投资增大。 型式: 型式: 直锥形——用于小型水轮机 用于小型水轮机 直锥形 弯锥形——用于卧轴水轮机 弯锥形 用于卧轴水轮机 弯肘形——(大中型电站) (大中型电站) 弯肘形

弯肘型尾水管
减小厂房开挖深度,水力性能好, 减小厂房开挖深度,水力性能好,大中型号水轮机均采用 弯肘型尾水管。 弯肘型尾水管。 组成:直锥段、肘管、出口扩散段。 组成:直锥段、肘管、出口扩散段。

1. 进口直锥段: 进口直锥段: 进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管, 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 为锥管单边扩散角。 直锥管进口直径,θ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 转轮出口直径), 混流式:直锥管与基础环相接,(转轮出口直径 , θ=7°~ 9° ° ° 轴流式:与转轮室里衬相连接,D3=0.937D1, 轴流式:与转轮室里衬相连接, θ=8°~ 10°。 ° ° h3——直锥段高度,其长度增加将会导致开挖 直锥段高度, 直锥段高度 量增加。一般在直锥段加钢板衬。 量增加。一般在直锥段加钢板衬。

2. 肘管: 肘管:
90°变断面的弯管,进口为圆形断面,出口为矩形断面。 °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 压力、 曲率半径 小——离心力大 离心力大 压力 流速分布不均匀— hw大。R=(0.6~1.0)D4 为减小转弯处的脱流及涡流损失,肘管出口收缩断面(hc): 为减小转弯处的脱流及涡流损失,肘管出口收缩断面 : 高/宽=0.25 宽 3、出口扩散段: 、出口扩散段: 矩形扩散管,出口宽度 , 矩形扩散管,出口宽度B5, B5很大时,加隔墩 5=(0.1~0.15) B5 很大时,加隔墩d 顶板 α=10°~13°,底板水平。 ° ° 底板水平。

4.尾水管的高度与水平长度 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。 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, 由转轮结构确定; 肘管高度确定, 不易变动。 不易变动。 H取决于 3。h3大→hw小→ηw大→开挖加大,工程投资大; 取决于h 开挖加大, 取决于 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 :机组中心到尾水管出口, 大 出大→V出小 出小→ηw大 出大 出小 →hf大→厂房尺寸加大,一般L=( 3.5~4.5) D1。 厂房尺寸加大,一般 ~ 厂房尺寸加大

5.推荐尾水管尺寸:表2-1 推荐尾水管尺寸: 推荐尾水管尺寸

6.尾水管局部尺寸的变更 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, 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, 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。 作局部变更。 (1) 减小开挖,h不动,扩散段底板向上倾斜 °~12° 减小开挖, 不动 扩散段底板向上倾斜6° 不动, ° (2) 大型反击式水轮机,为减小厂房长度,尾水管不对称 大型反击式水轮机,为减小厂房长度, 布置 (3) 地下电站:为使岩石稳定,尾水管采用窄深断面 地下电站:为使岩石稳定, (4) 加长 3、L2 加长h

第三节 水轮机的汽蚀
一、汽蚀的物理过程
1.空化及汽化压力的概念 1.空化及汽化压力的概念 水沸腾为汽化, 水沸腾为汽化,汽化是由气压 和水温决定的。 和水温决定的。 水在一定压力下加温的汽化为 沸腾; 沸腾; 环境温度不变压力降低引起的 汽化叫空化。 汽化叫空化。 空化 在给定温度下, 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 的临界压力为该温度下的汽化 压力( 压力(Pb)

2. 水轮机的汽蚀
(1) 汽蚀破坏的机理 由

E =

p2

γ

+ Z +

αv2
2g

= C

可知, 汽泡( 可知,当V↑→P↓,当P= Pb时,水开始汽化 汽泡(水蒸气 当 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, 进入高压区( 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, 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) 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 可达几百大气压);汽泡产生反作用力向外膨胀, );汽泡产生反作用力向外膨胀 升高,水流质点向外冲击。 升高,水流质点向外冲击。

大量汽泡连续不断地产生与溃灭, 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→ 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。 机械破坏,叫疲劳剥蚀。 汽泡被压缩,由于体积缩小, 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(300 (300度 质点相互撞击,引起局部升高(300度),汽泡的氧 原子与金属发生化学反应,造成腐蚀; 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。 度升高,产生电解作用→化学腐蚀。 (2) 水轮机汽蚀定义
汽泡在溃灭过程中,由于汽泡中心压力发生周期性变化, 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, 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,称水轮机的汽蚀。 面产生机械剥蚀和化学腐蚀破坏的现象,称水轮机的汽蚀。

3. 汽蚀造成的危害
使过流部件机械强度降低, 使过流部件机械强度降低,严重时整个部件破 坏。 增加过流部件的糙率,水头损失加大, 增加过流部件的糙率,水头损失加大,效率降 流量减小,出力下降。 低,流量减小,出力下降。 机组产生振动, 机组产生振动,严重时造成厂房振动破坏 。 缩短了机组检修的周期,增加了检修的复杂性。 缩短了机组检修的周期,增加了检修的复杂性。 消耗钢材、延长工期; 消耗钢材、延长工期;

二、水轮机汽蚀类型
翼形(叶片)汽蚀:转轮叶片背面出口处产生的汽蚀, 翼形(叶片)汽蚀:转轮叶片背面出口处产生的汽蚀, 与叶片形状、工况有关。反击式水轮机主要汽蚀形式。 与叶片形状、工况有关。反击式水轮机主要汽蚀形式。 间隙汽蚀:当水流通过间隙和较小的通道时, 间隙汽蚀:当水流通过间隙和较小的通道时,局部流速 增大,压力降低而产生汽蚀。 增大,压力降低而产生汽蚀。 空腔汽蚀:在非最优工况时,水流在尾水管中发生旋转 空腔汽蚀:在非最优工况时, 形成一种对称真空涡带, 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汽蚀破坏,造成尾水管振动。 脉动,在尾水管进口处产生汽蚀破坏,造成尾水管振动。 局部汽蚀:在过流部件凹凸不平因脱流而产生的汽蚀。 局部汽蚀:在过流部件凹凸不平因脱流而产生的汽蚀。

三、水轮机的汽蚀系数
反击式水轮机发生汽蚀破坏的根本原因是过流通道中出现 的情况,因此防止汽蚀的措施是限制p的降低 的降低, 了p<pb的情况,因此防止汽蚀的措施是限制 的降低,使 p≥pb。影响水轮机效率的主要原因是翼型汽蚀,所以衡量 影响水轮机效率的主要原因是翼型汽蚀, 水轮机汽蚀性能好坏一般是针对翼型汽蚀而言, 水轮机汽蚀性能好坏一般是针对翼型汽蚀而言,其标志为 汽蚀系数。 汽蚀系数。 汽蚀系数б是水轮机汽蚀特征的一个标志, 越大 越大, 汽蚀系数 是水轮机汽蚀特征的一个标志,б越大,越容易 是水轮机汽蚀特征的一个标志 破坏

通过研究叶片上的压力分布情况, 通过研究叶片上的压力分布情况,得到叶片上 压力最低点( 压力最低点(一般为叶片背面靠近转轮叶片出口 点的压力为: 处)K点的压力为: 点的压力为

pk

Wk2 ? W22 V22 = ? Hs ? ( +ηw ) γ γ 2g 2g pa

K点的真空值 k.v: 点的真空值H 点的真空值

Wk2 ?W22 V22 Hkv = ? = Hs + ( +ηw ) 2g 2g γ γ pa pk

静力真空Hs是吸出高度,取决于水轮机的安装高程, 静力真空 是吸出高度,取决于水轮机的安装高程,与水轮机的性能 是吸出高度 无关; 无关; 动力真空h 与转轮叶型、水轮机工况、尾水管性能有关, 动力真空 k与转轮叶型、水轮机工况、尾水管性能有关,因此表明汽 蚀性能的只是动力真空: 蚀性能的只是动力真空:

1 σ = hk / H = (Wk2 ? W22 + ηwV22 ) 2 gH
б称水轮机的汽蚀系数,是动力真空的相对值。 称水轮机的汽蚀系数,是动力真空的相对值。 称水轮机的汽蚀系数 б与叶型、工况有关,Wk大—— W2大——б大。 与叶型、工况有关, 与叶型 大 б与尾水管的性能有关,ηw↑→б↑,汽蚀性能差。 与尾水管的性能有关, 与尾水管的性能有关 ,汽蚀性能差。 几何形状相似的水轮机,工况相似, 相同 相同; 几何形状相似的水轮机,工况相似,б相同;对任一水轮机在既定工 况下, 也是定值 也是定值。 况下,б也是定值。 б值影响因素复杂,理论难以确定,广泛使用的方法是进行水轮机模 值影响因素复杂,理论难以确定, 值影响因素复杂 并认为б=бm。 型试验得出б 并认为 型试验得出 m,并认为

四、防止汽蚀措施
流速和压力是产生汽蚀最重要的两个原因, 流速和压力是产生汽蚀最重要的两个原因, 是产生汽蚀最重要的两个原因 因此要控制流速和压力的急剧变化。 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, 1.设计制造方面: 合理选型,叶型流线 设计制造方面 设计,表面光滑,抗汽蚀钢衬(不锈钢) 设计,表面光滑,抗汽蚀钢衬(不锈钢)。 2.工程措施:合理选择安装高程, 2.工程措施:合理选择安装高程,采取防 工程措施 排沙措施,防止泥沙进入水轮机。 沙、排沙措施,防止泥沙进入水轮机。 3.运行方面:避开低负荷、低水头运行, 3.运行方面:避开低负荷、低水头运行, 运行方面 合理调度,必要时在尾水管补气。 合理调度,必要时在尾水管补气。

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

pk

Wk2 ?W22 V22 = pa ? H ? σH s = ? Hs ?( +ηw ) γ γ γ 2g 2g pa

保证水轮机内不发生汽蚀的条件: 保证水轮机内不发生汽蚀的条件: pk≥ pB

H

s



pa

? H s = 10.0 ? ? (σ m + ?σ ) H 900
? H s = 10 .0 ? ? kσ σ m H 900

γ

?

pB

γ

? σH

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 水轮机吸出高度 是转轮叶片压力最低点到下游水面的垂 直高度Z 随工况而改变,规定如下: 直高度 k,随工况而改变,规定如下: (1) 立轴混流式水轮机: 立轴混流式水轮机: 导叶下部底环平面到下游尾水垂直高度 (2) 立轴轴流式水轮机: 立轴轴流式水轮机: 转轮叶片轴线到下游尾水垂直高度 (3) 卧轴贯流式水轮机: 卧轴贯流式水轮机: Hs 叶片出口最高点到下游尾水垂直高度 (4) 设计尾水位高于上述高程 为负,反之为正 设计尾水位高于上述高程Hs为负 为负, (5) 为保证水轮机在运行中不发生汽蚀,对各种工况下 为保证水轮机在运行中不发生汽蚀,对各种工况下Hs 进行试验,取其中较小值。 进行试验,取其中较小值。

二、水轮机的安装高程

1. 立轴 :导叶中心平面高程 立轴HL: Za=▽w+Hs+b0/2 ▽ 2. 立轴 :导叶中心平面高程 立轴ZL: Za=▽w+Hs+xD1 ▽ 3. 卧轴 和GL:轴中心高程 卧轴HL和 : Za=▽w+Hs-D1/2 ▽ 水电站设计尾水位, 注: ▽w :水电站设计尾水位 选用水电站最低尾水位 台机级组满负荷运行时) (一 台机级组满负荷运行时) b0 : 水轮机导叶高度; 水轮机导叶高度; D1 : 转轮直径

再 见


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