第七章水轮机的引水部件(13)

1、 7-1 水轮机引水部件的作用、类型水轮机引水部件的作用、类型 及应用范围及应用范围一、作用一、作用 以尽可能小的水力损失将水流引向导水机构，以尽可能小的水力损失将水流引向导水机构，以提高水轮机的效率。以提高水轮机的效率。 尽可能保证进入导水机构的水流量均匀，并尽可能保证进入导水机构的水流量均匀，并呈轴对称，使转轮受力均匀，以提高运行的稳呈轴对称，使转轮受力均匀，以提高运行的稳定性。定性。 使水流在进入导水机构前形成一定的环量。使水流在进入导水机构前形成一定的环量。 具有合理的断面形状和尺寸，保证空气不具有合理的断面形状和尺寸，保证空气不进入转轮。进入转轮。具有必要的强度及合适的材料，保证结构

2、上具有必要的强度及合适的材料，保证结构上的可靠性和抗水流的冲刷能力。的可靠性和抗水流的冲刷能力。二、类型二、类型 开敞式引水室开敞式引水室 适用于小型水轮机适用于小型水轮机 罐式引水室罐式引水室 适用于小型水轮机适用于小型水轮机 蜗壳式引水室（重点介绍）蜗壳式引水室（重点介绍） 适用于各种水头和容量的水电站适用于各种水头和容量的水电站三、应用范围三、应用范围与水头、出力有关，见新课本与水头、出力有关，见新课本P183图图71 对于大、中型水电站，对于大、中型水电站，通常通常 H40 m，用金属蜗壳，用金属蜗壳 金属蜗壳金属蜗壳 金蜗壳按其制造方法有焊接、铸焊和铸造金蜗壳按其制造方法有焊接、铸焊

3、和铸造三种类型。三种类型。 铸焊和铸造蜗壳一般用于直径铸焊和铸造蜗壳一般用于直径 的的高水头混流式水轮机高水头混流式水轮机, 尺寸较大的中、低水头混尺寸较大的中、低水头混流式水轮机一般都应用钢板焊接结构。流式水轮机一般都应用钢板焊接结构。 蜗壳和座环之间也靠焊接联接蜗壳和座环之间也靠焊接联接mD 31 混凝土蜗壳混凝土蜗壳 混凝土蜗壳一般用于大、中型低水头电站混凝土蜗壳一般用于大、中型低水头电站,它实际上是直接在厂房水下部分大体积混凝土它实际上是直接在厂房水下部分大体积混凝土中做成的蜗形空腔。浇筑厂房水下部分时预先中做成的蜗形空腔。浇筑厂房水下部分时预先装好蜗形的模板装好蜗形的模板,模板拆除后

4、即成蜗壳。为加强模板拆除后即成蜗壳。为加强蜗壳的强度在混凝土中加了很多钢筋蜗壳的强度在混凝土中加了很多钢筋,所以有时所以有时也称为钢筋混凝土蜗壳。也称为钢筋混凝土蜗壳。一、水流在蜗壳中的运动规律一、水流在蜗壳中的运动规律 关于蜗壳中水流运动规律关于蜗壳中水流运动规律 目前有三种说法：目前有三种说法： 认为水流在蜗壳中按认为水流在蜗壳中按“等速度矩等速度矩 （常数）（常数）”规律变化；规律变化；Crvu 认为水流在蜗壳中按认为水流在蜗壳中按 的规律分布的规律分布 认为水流在蜗壳中认为水流在蜗壳中 按自蜗壳进口至鼻按自蜗壳进口至鼻端呈递减规律变化。端呈递减规律变化。 实践证明，按等速度矩法设计的蜗

5、壳较符合实践证明，按等速度矩法设计的蜗壳较符合实际。实际。 Cvuuv “等速度矩等速度矩”法法 水流进入蜗壳后，设任意一点的速度为水流进入蜗壳后，设任意一点的速度为 表示，速度表示，速度 可分解为沿圆周方向的切向可分解为沿圆周方向的切向速度速度 和沿半径方向的径向速度和沿半径方向的径向速度 ，该，该点的水流速度与圆周方向的夹角为点的水流速度与圆周方向的夹角为 ，如，如图所示。图所示。 vvuvrv等速度矩等速度矩”法表明：法表明： 蜗壳中水流各点的速度蜗壳中水流各点的速度矩矩 为一常数；为一常数； 蜗壳中距水轮机轴心半蜗壳中距水轮机轴心半径相同的各点其水流切向径相同的各点其水流切向速度速度

6、相等相等 ； 距水轮机轴心半径不同的各点其水流切向距水轮机轴心半径不同的各点其水流切向速度速度 与半径成反比；与半径成反比；uvuvCrvu二、蜗壳中的水流如何实现均匀进水、轴二、蜗壳中的水流如何实现均匀进水、轴对称进水对称进水 均匀进水均匀进水是指沿导水机构圆周单位长度是指沿导水机构圆周单位长度上进入的流量相等上进入的流量相等假定蜗壳具有等高断面时，假定蜗壳具有等高断面时，则：则：CrbQvr2即：要求在蜗壳任一与轴即：要求在蜗壳任一与轴心半径相同的园周上，各心半径相同的园周上，各点的点的 大小相等。大小相等。rv 轴对称进水轴对称进水是指蜗壳内的水流对水轮机是指蜗壳内的水流对水轮机轴线而言

7、是轴对称的。轴线而言是轴对称的。即：要求蜗壳中距水轮机轴心半径相同的各点上即：要求蜗壳中距水轮机轴心半径相同的各点上其水流的切向速度其水流的切向速度 大小相同。大小相同。或或 距半径不同的点上，其距半径不同的点上，其 与与 成反比。成反比。则同一圆周上：则同一圆周上：uvuvrKvuKrvu或不同圆周上：或不同圆周上：三、蜗壳中水流流线的特点三、蜗壳中水流流线的特点 由蜗壳内任一点的水流速度矢量图知，有下列由蜗壳内任一点的水流速度矢量图知，有下列关系关系 ： 由于由于 则则 而而 CrbQvr2bQrvr2KrvuCbKQvvtgur2 结论：蜗壳内各点的速度与圆周方向的结论：蜗壳内各点的速度

8、与圆周方向的夹角为一常数，由几何学知识知到，只有对夹角为一常数，由几何学知识知到，只有对数螺旋线才具有此特点，所以蜗壳内的流线数螺旋线才具有此特点，所以蜗壳内的流线必定是对数螺旋线。必定是对数螺旋线。 包角包角 定义定义 包角包角从鼻端至进口断从鼻端至进口断面所包围的角度。面所包围的角度。鼻端鼻端蜗壳中过水断面蜗壳中过水断面面积为零的那个断面。面积为零的那个断面。进口断面进口断面蜗道的进口蜗道的进口断面。断面。0 包角的选择包角的选择 对于高水头电站，由于应用流量较小，断面对于高水头电站，由于应用流量较小，断面尺寸和平面尺寸也较小，蜗壳占地面积不是主要尺寸和平面尺寸也较小，蜗壳占地面积不是主要

9、矛盾。从水力性能来看，蜗道部分水流沿园周方矛盾。从水力性能来看，蜗道部分水流沿园周方向均匀分布，这不仅使机组运行稳定且水力损失向均匀分布，这不仅使机组运行稳定且水力损失小。相反，非蜗道部分水流沿园周方向分布不均小。相反，非蜗道部分水流沿园周方向分布不均匀分布，机组运行不稳定且水力损失大。为获得匀分布，机组运行不稳定且水力损失大。为获得良好的水力性能。良好的水力性能。金属蜗壳，包角一般选用金属蜗壳，包角一般选用 通常采用包角为通常采用包角为 。 00035034000345 对低水头、大流量的机组，一般多考虑缩小对低水头、大流量的机组，一般多考虑缩小机组间距、降低电站造价的问题。混凝土蜗壳机组间

10、距、降低电站造价的问题。混凝土蜗壳,包包角一般选用角一般选用 ，通常采用包角，通常采用包角为为 00180000270135 进口断面流速进口断面流速 根据实践经验的统计资料，蜗壳进口断面的根据实践经验的统计资料，蜗壳进口断面的平均流速一般可用下式选取：平均流速一般可用下式选取： 式中式中 流速系数，取值见新课本流速系数，取值见新课本P197 据经验统计据经验统计 金属蜗壳所允许的极限流速为金属蜗壳所允许的极限流速为 ， 混凝土蜗壳所允许的极限流速为混凝土蜗壳所允许的极限流速为 。sm1514sm83rHv0 断面形状断面形状 金属蜗壳金属蜗壳考虑到能够承受较大的水考虑到能够承受较大的水压力，

11、便于焊接或铸造，采压力，便于焊接或铸造，采用的是圆形断面，大概在最用的是圆形断面，大概在最后后 的尾部，由于圆形的尾部，由于圆形断面小到不能和座环蝶形边断面小到不能和座环蝶形边连接，断面形状逐渐由圆形连接，断面形状逐渐由圆形过渡到椭圆形断面。过渡到椭圆形断面。090 混凝土蜗壳混凝土蜗壳 考虑到便于模板和施工的方便，且可以减考虑到便于模板和施工的方便，且可以减小径向尺寸，在相同断面面积情况下，梯形断小径向尺寸，在相同断面面积情况下，梯形断面的径向尺寸小于圆形断面。所以混凝土蜗壳面的径向尺寸小于圆形断面。所以混凝土蜗壳采用的是梯形断面。采用的是梯形断面。一、蜗壳水力计算的目的一、蜗壳水力计算的目

12、的 确定蜗壳各断面的几何形状和尺寸，绘出蜗确定蜗壳各断面的几何形状和尺寸，绘出蜗壳的单线图，作为蜗壳强度计算和厂房设计的壳的单线图，作为蜗壳强度计算和厂房设计的依据。依据。二、金属蜗壳设计二、金属蜗壳设计 进口断面参数的选择进口断面参数的选择 包角包角 进口断面平均流速进口断面平均流速0rHv0进口断面的流量进口断面的流量 其中其中 ：水轮机过流量水轮机过流量 ， 为限制工况点的单位流量。限制工况点的单位流量。 进口断面的面积进口断面的面积 进口断面的半径进口断面的半径 000360QQrHDQQ211111Q000vQF 00F进口断面的中心距进口断面的中心距 进口断面的外半径进口断面的外半

13、径22000hra000 aR 座环的连接方式及参数的选择座环的连接方式及参数的选择 座环的连接方式座环的连接方式 蜗壳与座环蝶形边对接或搭接；蜗壳与座环蝶形边对接或搭接； 蜗壳与座环无蝶形边相连；蜗壳与座环无蝶形边相连；A. 蜗壳与座环蝶形边相切。（工程上常采用）蜗壳与座环蝶形边相切。（工程上常采用） 铸造铸造铸焊铸焊全焊全焊 座环参数的选择座环参数的选择 座环内外径，可以直接查座环标准型谱（见座环内外径，可以直接查座环标准型谱（见设计手册）。或由经验公式决定：设计手册）。或由经验公式决定： 外径：外径： 内径：内径： 注：当注：当 时取上限值时取上限值 64. 155. 11DDa37.

14、133. 11DDbmD2 . 31 蝶形边锥角蝶形边锥角 由座环工艺决定，一般取由座环工艺决定，一般取 蝶形边高度（由座环决定）蝶形边高度（由座环决定） 蝶形边半径（由座环决定）蝶形边半径（由座环决定）其中：其中： 均为座环上的尺寸，查设计手册均为座环上的尺寸，查设计手册 055tgKbh20KrKDraa20Kb ,0 求蜗壳系数求蜗壳系数C 金属蜗壳断面为圆形，可用数学方程式表示。金属蜗壳断面为圆形，可用数学方程式表示。取任一圆断面取任一圆断面 ,则该断面上有则该断面上有 ,取该取该断面上一微小面积为断面上一微小面积为 ,则则 整个断面上整个断面上 iiiQ,drbdrbvdQuiiai

15、aRruRriidrbvdQQ又按等速度矩法设计又按等速度矩法设计 代入上式得代入上式得 （1） 由图几何关系可得由图几何关系可得 KrvuiaRridrrbKQ2222iiarb222iiarb代入（代入（1）式）式 iaarriiidrarrKQ2222iaRridrrbKQ积分后得积分后得 （2） 将（将（2）式代入）式代入 得得QQii0360iaaiairrrKQ22iaiaiarrrQK23602 令令 为蜗壳系数（常数）为蜗壳系数（常数） 则则 此式表示各断面的包角此式表示各断面的包角 与半径与半径 的关的关系式，由于系式，由于C对于整个蜗壳均是常数，所以，可对于整个蜗壳均是常数

16、，所以，可由进口断面参数确定。由进口断面参数确定。 则则 QKC3602iaiaiarrrC2i0002aaarrrCi 圆形断面的水力计算圆形断面的水力计算以上计算可列表进行，见课本以上计算可列表进行，见课本P200表表71 202hCrCxii22hxixrai0iiiaR 椭圆形断面的水力计算椭圆形断面的水力计算 计算方法是，先求出指定计算方法是，先求出指定 处的圆形断面面处的圆形断面面积，然后按面积相等的原则换算成椭圆形断面。积，然后按面积相等的原则换算成椭圆形断面。具体推导略。具体推导略。i 座环蝶形边斜线座环蝶形边斜线 sinhL 座环蝶形边座环蝶形边A点内切点内切圆半径圆半径co

17、shS 计算参数如下：计算参数如下： 座环蝶形边锥角顶点至水轮机轴线的距离座环蝶形边锥角顶点至水轮机轴线的距离 tghrRa0 座环蝶形边锥角顶点座环蝶形边锥角顶点至座环外径的最小距离至座环外径的最小距离 当量圆断面半径当量圆断面半径aaRrdsin122CRctgCiai 当量圆面积当量圆面积cos222hLtgdA 椭圆短半径椭圆短半径 LLA345. 181. 0045. 122 椭圆长半径椭圆长半径ctgL221 椭圆断面中心距椭圆断面中心距202222. 155sinsinaaaRRRa 椭圆断面外径椭圆断面外径1 aR以上计算可列表进行，见课本以上计算可列表进行，见课本P201表表

18、72。金属蜗壳圆形断面尺寸计算表金属蜗壳圆形断面尺寸计算表断面号断面号iCi0rCri022h202hCriixiiaiR注：每间隔注：每间隔 计算一次计算一次015金属蜗壳椭圆形断面尺寸计算表金属蜗壳椭圆形断面尺寸计算表断面号断面号 iCiiiA12iaiRsin122CRctgCiaitgdA22小结：金属蜗壳的水力计算步骤为小结：金属蜗壳的水力计算步骤为 选择蜗壳的包角选择蜗壳的包角 选择进口断面的平均流速选择进口断面的平均流速 确定进口断面的有关尺寸确定进口断面的有关尺寸 确定座环的有关尺寸确定座环的有关尺寸 计算蜗壳系数计算蜗壳系数C 确定圆形断面与椭圆形断面的分界角，确定圆形断面与

19、椭圆形断面的分界角，即即 Chrhrhr02200086. 243. 1分S 根据计算角度不同，分别采用不同的计算公式根据计算角度不同，分别采用不同的计算公式 采用圆形断面的公式计算采用圆形断面的公式计算 采用椭圆形断面的公式计算采用椭圆形断面的公式计算 绘制蜗壳的平面单线图绘制蜗壳的平面单线图00分i00分i一、混凝土蜗壳断面形状的确定一、混凝土蜗壳断面形状的确定断面形状断面形状采用采用T形断面，形断面，一般有四种：一般有四种： 对称型对称型 特点：可降低水轮机层的地板高程，缩短主特点：可降低水轮机层的地板高程，缩短主轴，便于布置导叶接力器和辅助设备，适用于轴，便于布置导叶接力器和辅助设备，

20、适用于大中型水轮机。大中型水轮机。 下伸型下伸型 特点：与特点：与对称型相对称型相同。同。 上伸型上伸型 特点：当下游水位变动幅度较大，地基岩石特点：当下游水位变动幅度较大，地基岩石坚硬，尾水管形状特殊或高度要求较小的情况坚硬，尾水管形状特殊或高度要求较小的情况下采用。此种结构不便于布置导叶接力器和辅下采用。此种结构不便于布置导叶接力器和辅助设备。助设备。 平顶型平顶型 特点：下方会受到尾水管的限制，而且对断特点：下方会受到尾水管的限制，而且对断面下部的水流进入转轮不利，但此种断面施工面下部的水流进入转轮不利，但此种断面施工简单，便于布置导叶接力器和辅助设备，多用简单，便于布置导叶接力器和辅助

21、设备，多用于中小型电站。于中小型电站。二、混凝土蜗壳水力计算二、混凝土蜗壳水力计算仍按仍按等速度矩规律等速度矩规律设计，由于断面是设计，由于断面是T形，避形，避免解析法的不便，采用免解析法的不便，采用图解法图解法。 与金属蜗壳相同，建立任一断面上的与金属蜗壳相同，建立任一断面上的 关系，得到下式关系，得到下式 欲求欲求 ，则须求，则须求 ，由于，由于T形断形断面没有固定的数学模型。面没有固定的数学模型。 iiQ,ibRridrrbQK0360iibRrdrrb由高等数学可知，由高等数学可知， 在几何上表示在几何上表示函数所对应的曲线与函数所对应的曲线与 轴及轴及 和和 所包围的面积。所包围的面

22、积。 21xxdxxfSx1xx 2xx 启示，欲求启示，欲求 ，只须作出，只须作出 曲线，那么曲线曲线，那么曲线 与与 轴及轴及 和和 所包围的面积即等于所包围的面积即等于S。 ibRrdrrbS rrrb rrbrfrbrr iRr 三、混凝土蜗壳水力计算的基本程序：三、混凝土蜗壳水力计算的基本程序：（见课本（见课本P197）1、选择蜗壳参数及查取有关尺寸、选择蜗壳参数及查取有关尺寸选择断面形状（四种）选择断面形状（四种）选择包角选择包角 根据根据 查座环及导叶的有关尺寸（参查座环及导叶的有关尺寸（参看有关设计手册）看有关设计手册）如：座环的内外径如：座环的内外径 导叶的高度导叶的高度HD

23、 ,1baDD 、0b02、进口断面的水力计算、进口断面的水力计算进口断面平均流速进口断面平均流速 进口断面的流量进口断面的流量 进口断面的面积进口断面的面积HKv 0000360QQ000vQF 知道进口断面的面积及选定的断面形状，进一知道进口断面的面积及选定的断面形状，进一步求取进口断面的其它尺寸步求取进口断面的其它尺寸 如：下伸形或上伸形进口断面面积为如：下伸形或上伸形进口断面面积为 ：barrbtgntgmbaF0222121对称形进口断面面积为对称形进口断面面积为 ：barrbtgtgmbaF0221nm 平顶形进口断面面积为平顶形进口断面面积为 ：0nbarrbtgmbaF0221 由断面参数，通过由断面