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，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,1.混凝土蜗壳适用于低水头大流量的水轮机。H40m,钢筋混凝土浇筑，“T”形断面。当H40m时，可用钢板衬砌防渗(H达80m),2.金属蜗壳,当H40m时采用金属蜗壳。其断面为圆形，适用于中高水头的水轮机。钢板焊接：H=40200m，钢板拼装焊接。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。,二、蜗壳的主要参数,1.断面型式与断面参数金属蜗壳：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,混凝土蜗壳：“T”形。(1)m=n时：称为对称型式(2)mn：下伸式(3)m0时，利用静力真空。(3)利用动力真空Hd。,尾水管的动能恢复系数,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w表示,w0.8时，效果较好；0.30.4时，效果较差。,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。尾水管尺寸越大，越高，工程量及投资增大。型式：直锥形用于小型水轮机弯锥形用于卧轴水轮机弯肘形（大中型电站）,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弯肘型尾水管。组成：直锥段、肘管、出口扩散段。,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)，=79轴流式：与转轮室里衬相连接，D3=0.937D1，=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。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(hc)：高/宽=0.253、出口扩散段：矩形扩散管，出口宽度B5，B5很大时，加隔墩d5=(0.10.15)B5顶板=1013，底板水平。,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+h4h1，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hf大厂房尺寸加大，一般L=(3.54.5)D1。5.推荐尾水管尺寸：表2-1,6.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(2)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(4)加长h3、L2,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.水轮机的汽蚀(1)汽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(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，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，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。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；,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，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，局部流速增大，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：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了ppb的情况，因此防止汽蚀的措施是限制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,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：K点的真空值Hk.v：,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：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，Wk大W2大大。与尾水管的性能有关，w，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。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=m。,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，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，抗汽蚀钢衬(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。,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汽蚀的条件：pkpB,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，随工况而改变，规定如下：(1)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：转轮叶片轴线到下游尾水垂直高度(3)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Hs为负，反之为正(5)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