2-水轮机蜗壳尾水管

第二章 水轮机的蜗壳、尾水管及汽蚀第二章 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、蜗壳的功用及型式 (一) 功用(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。 设置在尾水管末端。 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。 设置在尾水管末端。 (二) 型式(二) 型式 1. 混凝土蜗壳混凝土蜗壳 适用于低水头大流量适用于低水头大流量的 水轮机。 的 水轮机。 H40m, 钢筋混凝土 浇筑， 钢筋混凝土 浇筑，“T”形断面。形断面。 当当H40m时，可用钢 板衬砌防渗 时，可用钢 板衬砌防渗(H 达达80m) 2. 金属蜗壳2. 金属蜗壳 ? 当当H40m时采用金属蜗壳。 其断面为圆形，适用于 时采用金属蜗壳。 其断面为圆形，适用于中中 高水头高水头的水轮机。的水轮机。 ? 钢板焊接：钢板焊接：H=40200m， 钢板拼装焊接。 ， 钢板拼装焊接。 ? 铸钢蜗壳铸钢蜗壳：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。 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。 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：圆形结构 参数参数：座环外径、内 径、导叶高度、蜗壳 断面半径、蜗壳外缘 半径 ：座环外径、内 径、导叶高度、蜗壳 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 式 时：称为对称型 式 (2) mn：下伸式：下伸式 (3) m0时，利用静力真空。时，利用静力真空。 (3) 利用动力真空利用动力真空Hd。 52 2 55 2 22 2 =h g VV H d 尾水管的动能恢复系数尾水管的动能恢复系数 尾水管的静力真空尾水管的静力真空Hs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 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表示表示 g v h g vv w 2 / ) 2 ( 2 22 52 2 55 2 22 = g v H d 2 / 2 22 = w0.8 时，效果较好；时，效果较好；0.30.4时，效果较差。时，效果较差。 ww = 1 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、厂房基础开挖、下部块体混凝土尺寸。 尾水管的作用是排水、回收能量。其型式、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，越高，工程量及投资增大。 ? 型式：型式： 直锥形直锥形用于小型水轮机用于小型水轮机 弯锥形弯锥形用于卧轴水轮机用于卧轴水轮机 弯肘形弯肘形（大中型电站）（大中型电站） 弯肘型尾水管弯肘型尾水管 ? 减小厂房开挖深度，水力性能好，大中型号水轮机均采用减小厂房开挖深度，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：组成：直锥段、肘管、出口扩散段。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 直锥管进口直径，为锥管单边扩散角。为锥管单边扩散角。 ?混流式：直锥管与基础环相接，混流式：直锥管与基础环相接，(转轮出口直径转轮出口直径)， =7 9 ?轴流式：与转轮室里衬相连接，轴流式：与转轮室里衬相连接，D3=0.937D1， =8 10。 ?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。 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：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 进/F出出=1.3 ? 曲率半径曲率半径R小小离心力大离心力大压力、流速分布不均匀压力、流速分布不均匀 hw大。大。R=(0.61.0)D4 ? 为减小转弯处的脱流及涡流损失，肘管出口收缩断面为减小转弯处的脱流及涡流损失，肘管出口收缩断面(hc)： 高 ： 高/宽宽=0.25 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，加隔墩很大时，加隔墩d5=(0.10.15) B5 ? 顶板 顶板 =1013，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+h4h1，h2由转轮结构确定由转轮结构确定; h4肘管高度确定， 不易变动。 肘管高度确定， 不易变动。 H取决于取决于h3。h3大大hw小小w大开挖加大，工程投资大；大开挖加大，工程投资大； ? L：机组中心到尾水管出口，：机组中心到尾水管出口，L大大F出大出大V出小出小w大 大 hf大厂房尺寸加大，一般大厂房尺寸加大，一般L=( 3.54.5) D1。 5.推荐尾水管尺寸：表推荐尾水管尺寸：表2-1 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，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。 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，减小开挖，h不动，扩散段底板向上倾斜不动，扩散段底板向上倾斜612 ? (2) 大型反击式水轮机，为减小厂房长度，尾水管不对称 布置 大型反击式水轮机，为减小厂房长度，尾水管不对称 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，尾水管采用窄深断面 ? (4) 加长加长h3、L2 第三节 水轮机的汽蚀第三节 水轮机的汽蚀 一、汽蚀的物理过程一、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，汽化是由气压 和水温决定的。 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 环境温度不变压力降低引起的 汽化叫空化空化。 ? 在给定温度下，液体开始汽化 的临界压力为该温度下的 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( 汽化 压力(P Pb b) ) 2. 水轮机的汽蚀2. 水轮机的汽蚀 (1) 汽蚀破坏的机理(1) 汽蚀破坏的机理 ? 由由 可知，当可知，当VP,当当P= Pb时，水开始汽化汽泡（水蒸气时，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。 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。 C g v Z p E=+= 2 2 2 ?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 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(300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 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) 水轮机汽蚀定义(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，使汽泡在溃灭过程中，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3. 汽蚀造成的危害 ?使过流部件机械强度降低，严重时整个部件破 坏。 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，效率降 低，流量减小，出力下降。 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。 ?机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏 。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。 消耗钢材、延长工期； 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； 二、水轮机汽蚀类型二、水轮机汽蚀类型 ?翼形（叶片）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。 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。 ?间隙汽蚀：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。 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。 ?空腔汽蚀：空腔汽蚀：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汽蚀破坏，造成尾水管振动。 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汽蚀破坏，造成尾水管振动。 ?局部汽蚀：局部汽蚀：在过流部件凹凸不平因脱流而产生的汽蚀。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 了 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 了ppb的情况，因此防止汽蚀的措施是限制的情况，因此防止汽蚀的措施是限制p的降低，使的降低，使 ppb。影响水轮机效率的主要原因是翼型汽蚀，所以衡 量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。 。影响水轮机效率的主要原因是翼型汽蚀，所以衡 量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。 ? 汽蚀系数是水轮机汽蚀特征的一个标志，越大，越容 易破坏 汽蚀系数是水轮机汽蚀特征的一个标志，越大，越容 易破坏 通过研究叶片上的压力分布情况，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) 通过研究叶片上的压力分布情况，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：点的压力为： K点的真空值点的真空值Hk.v： ) 22 ( 2 2 2 2 2 g V g WW H pp w k s ak + = ) 22 ( 2 2 2 2 2 g V g WW H pp H w k s ka kv + += ? 静力真空静力真空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； 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； ? 动力真空动力真空hk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： 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： ? 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。 ?与叶型、工况有关，与叶型、工况有关，Wk大大 V2大大大。大。 ?与尾水管的性能有关，与尾水管的性能有关，w，汽蚀性能差。，汽蚀性能差。 ?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。 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。 ?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 型试验得出 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 型试验得出m,并认为并认为=m。 )( 2 1 / 2 2 2 2 2 VWW gH Hh wkk += 四、防止汽蚀措施四、防止汽蚀措施 流速和压力流速和压力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。 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。 1.设计制造方面：1.设计制造方面： 合理选型，叶型流线 设计，表面光滑，抗汽蚀钢衬(不锈钢)。 合理选型，叶型流线 设计，表面光滑，抗汽蚀钢衬(不锈钢)。 2.工程措施：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。 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.运行方面：3.运行方面：避开低负荷、低水头运行， 合理调度，必要时在尾水管补气。 避开低负荷、低水头运行， 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、水轮机的吸出高度一、水轮机的吸出高度 ) 22 ( 2 2 2 2 2 g V g WW H pp w k s ak + = H pp H Ba s HH ms )( 900 0 .10+ = HH p s a = 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 HkH ms