第三章_水輪機(jī)的蝸殼、尾

1、第三章第三章 水輪機(jī)的蝸殼、尾水管及氣蝕水輪機(jī)的蝸殼、尾水管及氣蝕 第四節(jié)蝸殼的形式及其主要參數(shù)選擇 第五節(jié)尾水管的作用、型式及主要尺寸確定 第六節(jié)水輪機(jī)的氣蝕及氣蝕系數(shù) 第七節(jié)水輪機(jī)的吸出高度及安裝高程 第四節(jié)第四節(jié) 蝸殼的形式及其主要參數(shù)選擇蝸殼的形式及其主要參數(shù)選擇 （spiral case）一、蝸殼的功用及型式一、蝸殼的功用及型式 (一)、功用：蝸殼是水輪機(jī)的進(jìn)水部件，把水流以較小的水頭損失，均勻?qū)ΨQ地引向?qū)畽C(jī)構(gòu)，進(jìn)入轉(zhuǎn)輪。設(shè)置在壓力管道末端 。 (二)、型式：1、混凝土蝸殼：H40m。節(jié)約鋼材，鋼筋混凝土澆筑，“T”形斷面。當(dāng)H40m時，可用鋼板襯砌防滲。適用于低水頭大流量的水輪機(jī)

2、。 2 2、金屬蝸殼金屬蝸殼：當(dāng)：當(dāng)H40mH40m時采用金屬蝸殼。其時采用金屬蝸殼。其斷面為圓形，適用于中高水頭的水輪機(jī)。斷面為圓形，適用于中高水頭的水輪機(jī)。（1）鋼板焊接：H=40200m，鋼板拼裝焊接。（2）鑄鋼蝸殼：H200m時，鋼板太厚，不易焊接，與座環(huán)一起鑄造而成的鑄鋼蝸殼，其運(yùn)輸困難。（鑄焊和鑄造） 金屬蝸殼金屬蝸殼 金屬蝸殼施工中蝸殼管節(jié)吊裝中混凝土蝸殼混凝土蝸殼 混凝土蝸殼錐管段施工金屬蝸殼與混凝土蝸殼比較 水頭水頭類型類型適用適用備注備注金屬蝸殼金屬蝸殼H40m按按制制造造方方法法焊接尺寸較大，中、低水頭混流式水輪機(jī)鑄造蝸殼剛度大，可作為水輪機(jī)的支承點，一般不全埋入混凝土；

3、焊接蝸殼剛度小，常埋入混凝土鑄焊D13m高水頭混流式水輪機(jī)鑄造混凝土蝸殼混凝土蝸殼Hn，=2030，=1020 (b-n)/a=1.21.7 。特點：可以降低水輪機(jī)層的地面高程，縮短主軸長度,接力器布置方便。(iii) mn，=2030，=2035。(b-m)/a=1.21.7特點：提高水輪機(jī)層的地面高程，主軸長度加大, 對于蝸殼下面布置泄水底孔的溢流式廠房較適用。特點：水流分布在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)上下兩側(cè)，基本對稱，水流條件好，便于布置導(dǎo)水機(jī)構(gòu)接力器及其傳動機(jī)構(gòu)； (iv)m=n時，稱為對稱型式。時，稱為對稱型式。2、 蝸殼包角蝸殼包角蝸殼末端(鼻端)到蝸殼進(jìn)口斷面之間的中心角0： (1) (1) 金

4、屬蝸殼：金屬蝸殼：0 0=340=340350350，常取，常取345345 0大，過流條件好，但平面尺寸增大，廠房尺寸加大。金屬蝸殼的流量小，尺寸小，一般取較大包角；從構(gòu)造上講，最后100內(nèi)，斷面為橢圓，但仍按圓形計算。(2)(2)、混凝土蝸殼：、混凝土蝸殼： Q大，為減小平面尺寸，0=180270，一般取180，有時0=135，使水輪機(jī)布置在機(jī)組段中間。（一大部分水流直接進(jìn)入導(dǎo)葉，為非對稱入流，對轉(zhuǎn)輪不利）3、蝸殼進(jìn)口平均流速：、蝸殼進(jìn)口平均流速：進(jìn)口斷面流量：0max360QQcQmax水輪機(jī)的最大引用流量。VcFchw；VcFchw；一般由HrVC曲線確定VC。（見P32圖2-8）VC

5、=QC/FC三、蝸殼的水力計算三、蝸殼的水力計算 水力計算的目的水力計算的目的：確定蝸殼各中間斷面的尺寸，繪出蝸殼平面圖和斷面單線圖，為廠房設(shè)計提供依據(jù)。 按 Vu= VC= C o n s t 假 定 計 算 ( 也 可 按Vur=Const)已知： 等斷面型式下進(jìn)行： cbarVDDbQH,00max1、金屬蝸殼水力計算、金屬蝸殼水力計算(1)蝸殼進(jìn)口斷面： ccccVQVQF00max360斷面半徑： CcVQF00maxmax360從軸心線到蝸殼外緣半徑： maxmax2arR(2) (2) 中間斷面中間斷面( )( )imax0360QQiiciuiiVQVQF0max360CiiV

6、Q0max360iairR2由此可以繪出蝸殼平面圖單線圖。由此可以繪出蝸殼平面圖單線圖。其步驟為：(a) 確定0 和VC ；(c) 由I確定Fi、i、Ri。 (b) 求Fc、max、Rmax；2 混凝土蝸殼的水力計算混凝土蝸殼的水力計算(半解析法半解析法)步驟：步驟：(3) 選擇頂角與底角點的變化規(guī)律(直線或拋物線)，以虛線表示并畫出1、2、3.等中間斷面。(2) 根據(jù)水電站具體情況選擇斷面型式，并確定斷面尺寸，使其 ；cFF (1) 按 求進(jìn)口斷面積；ccVQF3600max2 混凝土蝸殼的水力計算混凝土蝸殼的水力計算(半解析法半解析法)(4) 測算出各斷面的面積，繪出：F = f(R)關(guān)系

7、曲線。 (5) 按 ，繪出F = f()直線。(6) 根據(jù)i確定Fi、Ri及斷面尺寸，繪出平面單線圖。步驟：步驟：ciuiiVQVQF0max360第五節(jié)、尾水管的型式及其主要尺寸的確定第五節(jié)、尾水管的型式及其主要尺寸的確定尾水管的作用尾水管的作用：排水、回收能量。其型式、尺寸影響廠房基礎(chǔ)開挖、下部塊體混凝土尺寸。（具體公式推導(dǎo)見書上）（具體公式推導(dǎo)見書上）尾水管的型式尾水管的型式：直錐形、彎錐形、彎肘形（大中型電站）一、直錐形尾水管（小型電站）一、直錐形尾水管（小型電站） 結(jié)構(gòu)簡單，鋼板焊接，適用于小型水輪機(jī)。85. 08 . 0W二、彎錐形二、彎錐形適用于：臥軸混流式水輪機(jī)，布置方便，見圖

8、4-34，其水頭損失大， 。6 . 04 . 0W三、彎肘型尾水管三、彎肘型尾水管 大中型水輪機(jī)所采用的尾水管，為了減小開挖深度，均采用彎肘型尾水管。 由直錐段、肘管、出口擴(kuò)散段組成。1 1 、進(jìn)口直錐段：、進(jìn)口直錐段： 進(jìn)口直錐段是一個垂直的圓錐形擴(kuò)散管，D3為直錐管進(jìn)口直徑，為錐管單邊擴(kuò)散角。混流式混流式：直錐管與基礎(chǔ)環(huán)相接，(轉(zhuǎn)輪出口直徑)， 0097軸 流 式軸 流 式 ： 與 轉(zhuǎn) 輪 室 里 襯 相 連 接 ，D3=0.937D1，=810。 h3直錐段高度，其長度增加將會導(dǎo)致開挖量增加。一般在直錐段加鋼板襯。2、肘管：、肘管： 90變斷面的彎管，進(jìn)口為圓形斷面，出口為矩形斷面。F進(jìn)

9、/F出=1.3曲率半徑R小離心力大壓力、流速分布不均勻hw大。R=(0.61.0)D4為減小轉(zhuǎn)彎處的脫流及渦流損失，肘管出口收縮斷面(hc)： 高/寬=0.253、出口擴(kuò)散段：、出口擴(kuò)散段：矩形擴(kuò)散管，出口寬度B5=肘管出口寬度B6頂板 =1013，L2 = L-L1=(23)D1 底板水平，B5很大時，加隔墩4、尾水管的高度與水平長度、尾水管的高度與水平長度尾水管的總高度和總長度是影響尾水管性能的重要因素。H=h1+h2+h3+h4 h1，h2由轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)確定，h4肘管高度確定，不易變動。H取決于h3。h3大hw小w大開挖加大，工程投資大；L：機(jī)組中心到尾水管出口，L大F出大V出小w大hf大廠

10、房尺寸加大，一般L=( 3.54.5) D1。5、尾水管局部尺寸的變更尾水管局部尺寸的變更廠房設(shè)計中，由于地形、地質(zhì)條件，布置廠房的原因，在不影響尾水管能量指標(biāo)的前提下，對選出的尾水管尺寸可作局部變更。(1) 減小開挖，h不動，擴(kuò)散段底板向上傾斜612(3) 地下電站：為使巖石穩(wěn)定，尾水管采用窄深斷面(2) 大型反擊式水輪機(jī)，為減小廠房長度，尾水管不對稱布置(4)加長h3、L2，提高w作業(yè)：1 1 某水電站某水電站Hr=20.5mHr=20.5m， Q=4.1mQ=4.1m3 3/s/s，選，選用用HL260-WJ-84HL260-WJ-84型水輪機(jī)，試估算金屬蝸型水輪機(jī)，試估算金屬蝸殼尺寸，

11、并繪制斷面和平面單線圖殼尺寸，并繪制斷面和平面單線圖2 2水電站的流量為水電站的流量為Q=8.6mQ=8.6m3 3/s/s，Hr=8mHr=8m，水，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速輪機(jī)轉(zhuǎn)速214r/min214r/min，D D1 1=160cm=160cm，Da=2.7mDa=2.7m， b b0 0=0.415D=0.415D1 1 ， 建議用平頂下伸式的砼蝸殼建議用平頂下伸式的砼蝸殼斷面，包角斷面，包角0 0和和自擬自擬用半圖解法繪出蝸殼斷面圖和單線圖用半圖解法繪出蝸殼斷面圖和單線圖第六節(jié)、水輪機(jī)的氣蝕第六節(jié)、水輪機(jī)的氣蝕隔河巖電廠水輪機(jī)氣蝕1隔河巖電廠水輪機(jī)氣蝕21、空化、空化(cavitation)及

12、汽化壓力及汽化壓力(vapouring)的概念的概念 空化：空化：水沸騰為汽化，汽化是由氣壓和水溫決定的。水在一定壓力下加溫的汽化為沸騰；環(huán)境溫度不變壓力降低引起的汽化叫空化。汽化壓力：汽化壓力：在給定溫度下，液體開始汽化的臨界壓力為該溫度下的汽化壓力(Pb)。2、水輪機(jī)的氣蝕、水輪機(jī)的氣蝕(1)、氣蝕破壞的機(jī)理、氣蝕破壞的機(jī)理由可知，當(dāng)VP,當(dāng)P= Pb時，水開始汽化氣泡（水蒸氣+空氣）進(jìn)入高壓區(qū)（氣泡內(nèi)蒸氣變成水，氣泡內(nèi)氣體稀薄，出現(xiàn)強(qiáng)大真空，氣泡外面的水流質(zhì)點在內(nèi)外壓差的作用下急速向氣泡中心壓縮、沖擊）在氣泡內(nèi)形成很大的微觀水擊壓力（可達(dá)幾百大氣壓），氣泡瞬時潰裂；在高壓下形成水核，向外

13、膨脹沖擊水體，并撞擊過流部件表面。機(jī)械剝蝕作用機(jī)械剝蝕作用CgvZpE222 大量氣泡連續(xù)不斷地產(chǎn)生與潰滅，水流質(zhì)點反復(fù)沖擊，使過流通道的金屬表面遭到嚴(yán)重破壞 機(jī)械破壞，叫疲勞剝蝕。 氣泡被壓縮，由于體積縮小，汽化破壞時水流質(zhì)點相互撞擊，引起局部溫度升高(300度)，氣泡的氧原子與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成腐蝕；同時由于溫度升高，產(chǎn)生電解作用化學(xué)腐蝕。(2)、水輪機(jī)氣蝕定義、水輪機(jī)氣蝕定義 氣泡在潰滅過程中，由于氣泡中心壓力發(fā)生周期性變化，使周圍的水流質(zhì)點發(fā)生巨大的反復(fù)沖擊，對水輪機(jī)過流金屬表面產(chǎn)生機(jī)械剝蝕和化學(xué)腐蝕破壞的現(xiàn)象，叫水輪機(jī)的氣蝕。叫水輪機(jī)的氣蝕。二、水輪機(jī)氣蝕類型 1、翼形（葉片）氣

14、蝕： 轉(zhuǎn)輪葉片背面出口處產(chǎn)生的氣蝕，與葉片形狀、工況有關(guān)。2、間隙氣蝕：當(dāng)水流通過間隙和較小的通道時，局部流速增大，壓力降低而產(chǎn)生氣蝕。3、空腔氣蝕：在非最優(yōu)工況時，水流在尾水管中發(fā)生旋轉(zhuǎn)形成一種對稱真空渦帶，引起尾水管中水流速度和壓力脈動，在尾水管進(jìn)口處產(chǎn)生氣蝕破壞，造成尾水管振動。4、局部氣蝕：在過流部件凹凸不平因脫流而產(chǎn)生的氣蝕。 三、氣蝕的危害及防止措施 危害： 1、使過流部件機(jī)械強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時整個部件破壞。 2、增加過流部件的糙率，水頭損失加大，效率降低，流量減小，出力下降。 3、機(jī)組產(chǎn)生振動，嚴(yán)重時造成廠房振動破壞。防止措施： 流速和壓力是產(chǎn)生氣蝕最重要的兩個原因，因此要控制流速

15、和壓力的急劇變化。1、設(shè)計制造方面： 合理選型，葉型流線設(shè)計，表面光滑，抗氣蝕鋼襯(不銹鋼)。2、工程措施：合理選擇安裝高程，采取防沙、排沙措施，防止泥沙進(jìn)入水輪機(jī)。3、運(yùn)行方面：避開低負(fù)荷、低水頭運(yùn)行，合理調(diào)度，必要時在尾水管補(bǔ)氣。四、水輪機(jī)的氣蝕系數(shù)四、水輪機(jī)的氣蝕系數(shù)1、水輪機(jī)的氣蝕系數(shù)、水輪機(jī)的氣蝕系數(shù) 反擊式水輪機(jī)發(fā)生氣蝕破壞的根本原因是過流通道中出現(xiàn)了ppb的情況，因此防止氣蝕的措施是限制p的降低，使ppb。影響水輪機(jī)效率的主要原因是翼型氣蝕，所以衡量水輪機(jī)氣蝕性能好壞一般是針對翼型氣蝕而言，其標(biāo)志為氣蝕系數(shù)。 氣蝕系數(shù)氣蝕系數(shù)是水輪機(jī)氣蝕特征的一個標(biāo)志，越大，越容易破壞。 通過研

16、究葉片上的壓力分布情況，得到葉片上壓力最低點（一般為葉片背面靠近轉(zhuǎn)輪葉片出口處)K點的壓力為： )22(22222gVgWWHppwksakK點的真空值點的真空值Hk.v：)22(22222gVgWWHppHwkskakvHs 葉片K點致下游尾水的距離Hk.v由動力真空與靜力真空組成。靜力真空由動力真空與靜力真空組成。靜力真空Hs是吸出高度，是吸出高度，取決于水輪機(jī)的安裝高程，與水輪機(jī)的性能無關(guān)，動力真空取決于水輪機(jī)的安裝高程，與水輪機(jī)的性能無關(guān)，動力真空hk與轉(zhuǎn)輪葉型、水輪機(jī)工況、尾水管性能有關(guān)，因此表明與轉(zhuǎn)輪葉型、水輪機(jī)工況、尾水管性能有關(guān)，因此表明氣蝕性能的只是動力真空：氣蝕性能的只是動

17、力真空：(1)、稱水輪機(jī)的氣蝕系數(shù)，是動力真空的相對值。)(21/22222vWWgHHhwkk(2)、與葉型、工況有關(guān)(影響Wk,W2和葉道壓力分布) Wk大 W2大大。(5)、值影響因素復(fù)雜，理論難以確定，廣泛使用的方法是進(jìn)行水輪機(jī)模型試驗得出m,并認(rèn)為=m。(3)、與尾水管的性能有關(guān)，w，氣蝕性能差。(4)、幾何形狀相似的水輪機(jī)，工況相似，相同；對任一水輪機(jī)在既定工況下，也是定值。第七節(jié)第七節(jié) 水輪機(jī)的吸出高度及安裝高程水輪機(jī)的吸出高度及安裝高程一、水輪機(jī)的吸出高度保證水輪機(jī)內(nèi)不發(fā)生氣蝕的條件： pk pb 由 )22(22222gVgWWHppwksakbsakpHHpp工況一定，H一

18、定，因此，選擇 限制pk降低。HppHbassH 則： HHs9000 .10HHms)(9000 .10或： HkHms9000 .10水輪機(jī)吸出高度水輪機(jī)吸出高度Hs是轉(zhuǎn)輪葉片壓力最低點到是轉(zhuǎn)輪葉片壓力最低點到下游水面的垂直高度下游水面的垂直高度Zk，但一般K點較難確定，并隨工況而改變，規(guī)定如下：(1)、立軸混流式水輪機(jī)：Hs 導(dǎo)葉下部底環(huán)平面到下游尾水垂直高度(2)、立軸軸流式水輪機(jī)：Hs 轉(zhuǎn)輪葉片軸線到下游尾水垂直高度(3)、臥軸貫流式水輪機(jī)：Hs 葉片出口最高點到下游尾水垂直高度(4)、設(shè)計尾水位高于上述高程Hs為負(fù)，反之為正 (5)、為保證水輪機(jī)在運(yùn)行中不發(fā)生氣蝕，對各種為保證水輪機(jī)在運(yùn)行中不發(fā)生氣蝕，對各種工況下工況下Hs進(jìn)行試驗，取其中較小值。進(jìn)行試驗，取其中較小值。二、水輪機(jī)的安裝高程(Turbine sitting hight) 不同類型水輪機(jī)的安裝高程1、立軸HL：導(dǎo)葉中心平面高程 b0 水輪機(jī)導(dǎo)葉高度 Zs=w+Hs+b0/2 w 水電站設(shè)計尾水位2、立軸ZL：導(dǎo)葉中心平面高程 D1 轉(zhuǎn)輪直徑 Zs=w+Hs+xD1 x軸流水輪機(jī)高度系數(shù)，隨型號變化 注：w 選用水電站最低尾水位（一臺機(jī)級組滿負(fù)荷運(yùn)行時）3