计水轮机尾水管回收能量的认识与尾水管简单设计
尾水管的作用
一、尾水管的作用 尾水管是反击式水轮机所特有部件，冲击式水轮机无尾水管。尾水管的性能直接影响到水轮机的效率和稳定性，一般水轮机中均选用经过试验和实践证明性能良好的尾水管。 反击式水轮机尾水管作用如下： 1．将转轮出口处的水流引向下游； 2．利用下游水面至转轮出口处的高程差，形成转轮出口处的静力真空； 3．利用转轮出口的水流动能，将其转换成为转轮出口处的动力真空。 图5-69表示三种不同的水轮机装置情况：没有尾水管；具有圆柱形尾水管；具有扩散形尾水管。图5-69在三种情况下，转轮所能利用的水流能量均可用下式表示 ) 2()(2 2221g V g P g P H E E E a d +-+=-=?ρρ （5-38） 式中E ?——转轮前后单位水流的能量差； d H ——转轮进口处的静水头； a P ——大气压力； 2P ——转轮出口处压力； 2V ——转轮出口处水流速度。
在三种情况下，由于转轮出口处的压力2P 及2V 不同，从而引起使转轮前后能量差的变化。 图 5-69 尾水管的作用 1．没有尾水管时如图5-69)(a 。转轮出口g P g P a ρρ=2 代入式（5-38）得 g V H E d 22 2- ='? （5-39） 式（5-39）说明，当没有尾水管时，转轮只利用了电站总水头中的d H 部分， 转轮后至下游水面高差s H 没有利用，同时损失掉转轮出口水流的全部功能g V 22 2。 2．具有圆柱形尾水管时如图5-69)(b 。为了求得转轮出口处的压力g P ρ2 ，列出转轮出口断面2及尾水管出口断面5的伯努利方程 ω ρρh g V h g P g V g P H h a s ++???? ??+=+++2222222 (5-40) 式中ωh ——尾水管内的水头损失。
水轮机课程设计
目录 第一章基本资料 (1) 第二章机组台数与单机容量的选择 (2) 第三章水轮机主要参数的选择与计算 (5) 第四章水轮机运转特性曲线的绘制 (10) 第五章蜗壳设计 (13) 第六章尾水管设计 (17) 第七章心得体会 (20) 参考文献 (20) 第一章基本资料 基本设计资料 黄河B水电站是紧接L水电站尾水的黄河上游的一个梯级水电站。水库正常蓄水位2452 m，电站总装机容量4200 MW，额定水头205 m。 经水能分析，该电站有关动能指标如表1所示： 表1 动能指标 第二章机组台数与单机容量的选择 水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。根据已确定的装机容量，就可以拟定可能的机组台数方案，选择机组台数与单机容量时应遵循如下原则： 机组台数与工程建设费用的关系 在水电站的装机容量基本已经定下来的情况下，机组台数增多，单机容量减小。通常小机组单位千瓦耗材多、造价高，相应的主阀、调速器、附属设备及电气设备的套数增加，投资亦增加，整体设备费用高。另外，机组台数多，厂房所占的平面尺寸也会增大。一般情况下，台数多对成本和投资不利。因此，较少的机组台数有利于降低工程建设费用
机组台数与设备制造、运输、安装以及枢纽安装布置的关系 单机容量大，可能会在制造、安装和运输方面增加一定的难度。然而，有些大型或特大型水电站，由于受枢纽平面尺寸的限制，总希望单机容量制造得大些。 机组台数对水电站运行效率的影响 水轮机在额定出力或者接近额定出力时，运行效率较高。机组台数不同，水电站平均效率也不同。机组台数较少，平均效率越低。机组台数多，可以灵活改变机组运行方式，调整机组负荷，避开低效率区运行，以是电站保持较高的平均效率。但机组台数多到一定程度，再增加台数对水电站运行效率增加的效果就不显着。当水电站在电力系统中担任基荷工作时，引用流量较固定，选择机组台数较少，可使水轮机在较长时间内以最大工况运行，使水电站保持较高的平均效率。当水电站担任系统尖峰负荷并且程度调频任务时，由于负荷经常变动，而且幅度较大，为使每台机组都可以在高效率区工作，则需要更多的机组台数。 另外，机组类型不同，高效率范围大小也不同，台数对电厂平均效率的影响就不同。对于高效率工作区较窄的，机组台数应适当多一些。轴流转浆式水轮机，由于单机的效率曲线平缓且高效区宽，台数多少对电厂的平均效率影响不明显；而混流式、轴流定浆式水轮机其效率曲线较陡，当出力变化时，效率变化较剧烈，适当增加台数可明显改善电厂运行的平均效率。 机组台数与水电站运行维护的关系 机组台数多，单机容量小，水电站运行方式较灵活机动，机组发生事故停机产生的影响小，单机轮换检修易于安排，难度也小。但台数多，机组开、停机操作频繁，操作运行次数随之增多，发生事故的几率也随之增高，对全厂检修很麻烦。同时，管理人员多，维护耗材多，运行费用也相应提高。故不能用过多的机组台数。 机组台数与其他因素的关系 对于区域电网的单机：装机容量较小≯15%系统最大负荷（不为主导电站）；装机容量较大≯10%系统容量(系统事故备用容量)，因而，单机容量与台数选取不受限制。 根据设计规范要求，机组单机容量应以水轮机单机运行时其出力在机组的稳定运行区域范围内确定为原则。不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域如表1。 表2 不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域
计水轮机尾水管回收能量的认识与尾水管简单设计
对水轮机尾水管回收动能机理的认识 一、水轮机的尾水管的作用 1、将转轮出口的水流平顺地引向下游。 2、利用下游水平面至转轮出口处的高程差，形成转轮出口处的静力真空，从而利用转轮的吸出高度。 3、回收转轮出口的水流动能，将其转换为转轮出口处的动力真空，减少了转轮出口的动能损失，从而提高水轮机效率。 二、水轮机尾水管的工作原理 由能量平衡方程： 设转轮所利用的水流能量为ΔE △Ｅ= 取2—2断面为基准面，则
△Ｅ=( ) (1) （1）转轮出口没有装置尾水管 水轮机没有装置尾水管，转轮出口直接与大气相通，则 代入（1）式可得转轮所利用的能量为 （2）转轮出口装置圆柱形尾水管（如图所示） 取5—5断面为基准面，对2—2，5—5断面列能量平衡方程式， 则： 由于圆柱形尾水管出口断面面积相等， 代入上式化简得： 代入（1）式可得转轮所利用的能量为： （3）转轮出口装置扩散形尾水管 同转轮出口装置园柱形尾水管一样列能量平衡方程式，则 a p p =2()) 2(2022 1-?+-=?E h g H d υ 5 225 5 22 2 202-?++ + =+ ++h g p g p h H s υγ υγ ())2(5022 2-?+-+=?E h g H H s d υ2 2 2 + ++p h H s υ()) 2( 2022 1-?+-=?E h g H d υ())2(502 2 2-?+-+=?E h g H H s d υ
式中 由于扩散形尾水管 ,则： = 代入（1）式可得转轮所利用的能量为： 由以上可以看出： 结论： (1) 没有装置尾水管时，转轮只利用了电站总水头的部分，同时损失掉转轮出 口水流的全部动能 (2) 装置圆柱形尾水管时，与没有装置尾水管相比，此时转轮多利用了 的能量。 这一多出部分称之为静力真空，它是在圆柱形尾水管作用下，转轮出口处不再是大气压而是相应的负压，由于负压存在相当于增加了作用在转轮两 端的压力差。但水轮机仍然损失掉转轮出口水流的全部动能 (3) 装置扩散形尾水管时，除多利用了 的能量外，由于尾水管出口断面的扩散 作用，转轮出口处的流速由 降低到 ，与没有装置尾水管相比，又多 利用了部分的能量。这一部分称之为动力真空，它是在扩散形尾水 ())2( 5025 3-'?+-+=?E h g H H s d υ
蜗壳及尾水管的水力计算
第二章 蜗壳及尾水管的水力计算 第1节 蜗壳水力计算 一.蜗壳尺寸确定 水轮机的引水室是水流进入水轮机的第一个部件，是反击式水轮机的重要组成部分。引水室的作用是将水流顺畅且轴对称的引向导水机构。引水室有开敞式、罐式和蜗壳式三种。蜗壳式是反击式水轮机中应用最普遍的一种引水室。它是用钢筋混凝土或者金属制造的封闭式布置，可以适应各种水头和流量的要求。水轮机的蜗壳可分为金属蜗壳和混凝土蜗壳两种。 1.蜗壳形式 蜗壳自鼻端到进口断面所包围的角度称为蜗壳的包角，水头大于40m 时一般采用混凝土蜗壳，包角 ；当水头较高时需要在混凝土中布置大量的钢筋，造价可能 比混凝土蜗壳还要高，同时钢筋布置过密会造成施工困难，因此多采用金属蜗壳，包角 。本电站最高水头为174m ，故采用金属蜗壳。 2.座环参数 根据水轮机转轮直径D 1查[1].P 128页表2—16得： 座环出口直径: ()()mm D b 27252600180019001800 20002600 2850=+---= 座环进口直径: ()()mm D a 32503100180019001800 20003100 3400=+---= 蜗壳常数K =100（mm ）、r =200（mm ） 3.蝶形边锥角ɑ 取 4.蝶形边座环半径 ()m k D r a D 725.11.02 25 .32=+=+= 5.蝶形边高度h ()m k b h 29.055tan 1.02 76.0tan 20=+=+= ?
6.蜗壳圆形断面和椭圆形断面界定值s ()m h s 51.055 cos 29 .055cos == 7.座环蝶形边斜线L ()m h L 354.055sin == 8.座环蝶形边锥角顶点至水轮机轴线的距离 ()m a h r r D 522.155tan 29.0725.1tan 1=+=+ = 二.蜗壳进口断面参数计算 1.蜗壳进口流量Q 0的计算 由HLD10运转综合特性曲线查得: Pr =(kW)、Hr =（m ）、ηT = )/(4.25905 .075.15881.93 .3583381.93s m H P Q T r r r =??== η )/(3.244.25360 345 36030 0s m Q Q r =?= = ? 2.蜗壳进口断面面积F 0的计算 )(2.211 3 .242000m v Q F === 根据水头查设计手册图2—21得：v 0=11m/s 3.蜗壳进口断面半径ρ0的计算 ) (84.014.32 .20 0m F == = π ρ 4.进口断面圆心至水轮机中心线的距离α0 查[1].P128表2—16金属蜗壳座环尺寸系列得：k =、D a =、D b = )(5.229.084.0725.12222 00m h r a D =-+=-+ =ρ 5.蜗壳系数C 的计算 ( ) 230020 2 00 202000=-- = ?-- =ρ ?ρ?a a C a a C 6.进口断面外半径R 0 () m a R 34.384.05.2000=+=+=ρ
水轮机工作原理
第二章水轮机的工作原理 第一节水流在反击式水轮机转轮中的运动 一、复杂的空间非恒定流 水轮机内的水流运动是复杂的空间非恒定流 1) 水头、流量在不断变化 2) 叶片形状为空间扭曲面，水流在两叶片之间的流道内为复合运动，流速的大小、方向在不断地变化，而转轮本身也在运动。 二、恒定流状态 水轮机在某一工作状况时，(H、Q、N、η不变)，水流在水轮机的蜗壳、导水叶及尾水管中的流动是恒定流。 水流在转轮内的流动相对于转轮旋转坐标而言，也是恒定流。 水流在转轮中的运动非常复杂，上述假定可以简化分析。 三、水流运动是空间三元流 水流运动规律用速度三角形表达 = + V——水流绝对流速（相对于地球） U——水流随转轮旋转牵连流速 W——水流沿叶片流动的相对流速 用速度三角形分析水流运动的方法是研究转轮流速场的重要方法。 对于混流式水轮机，可以认为任一水流质点在转轮中的运动是沿着某一喇叭形的空间曲面(称之为流面)而作的螺旋形曲线运动。 流面即由某一流线绕主轴旋转而成的回旋曲面。在整个转轮流道内有无数个这样的流面。 流面上每一个进口点的速度三角形是相同的；每一个出口点的速度三角形也是相同的。
根据恒定流假定可知，任一水流质点在转轮进口的运动状态及其流动到转轮出 口的运动状态可由同一时刻该流面上任意进、出口点的速度三角形表示。 速度与分速度的空间矢量关系 第二节 水轮机工作的基本方程式 一、动量矩定理 单位时间内水流对转轮的动量矩改变，应等于作用在该水流上的外力的力矩总和。即： )(2211r V r V g Q M u u e -=γ
其中M 为水流对转轮的力矩，方程右端为水流本身速度矩的变化。该式表达了水轮机中水流能量转换为旋转机械能的平衡关系。 二、水轮机的基本方程 在稳定工况下(n 、Q 、H 均不变)，转轮内的水流运动时相对的恒定流，因此转轮的出力为： ?γ?)(2211r V r V g Q M N u u e e -==)(2211u u e V U V U g Q -=γ s e e H Q N ηγ= 所以，水轮机的基本方程为： 2211u u s V U V U g H -=η 该方程式对反击式、冲击式水轮机均适用。 三、基本方程的物理意义 方程的实质：由水流能量转换为旋转机械能的平衡方程，方程左边为转换成的机械能。 水流与叶片相互作用，使得水轮机做功。水流通过水轮机时，叶片迫使水流动量矩发生变化，而水流以反作用力作用在叶片，从而使转轮获得力矩。 水能转变为旋转机械能的必要条件：水流在转轮出口的能量小于进口处的能量，即转轮的进口和出口必须存在速度矩的差值。 第三节 水轮机的效率及最优工况 一、水轮机的效率(efficiency) 水轮机的能量损失导致N < N s ，效率η<1 效率是由水力效率、流量效率、机械效率组成 1. 水力损失(head loss)及水力效率 蜗壳、导叶、转轮、尾水管 —— 沿程损失 旋涡、 脱流、 撞击 —— 局部损失 水轮机的水力效率为: H H H H H e H =??∑-=%100η
尾水管的作用
一、尾水管得作用 尾水管就是反击式水轮机所特有部件，冲击式水轮机无尾水管。尾水管得性能直接影响到水轮机得效率与稳定性，一般水轮机中均选用经过试验与实践证明性能良好得尾水管。 反击式水轮机尾水管作用如下： 1.将转轮出口处得水流引向下游； ２.利用下游水面至转轮出口处得高程差，形成转轮出口处得静力真空； ３。利用转轮出口得水流动能,将其转换成为转轮出口处得动力真空。 图5-６９表示三种不同得水轮机装置情况：没有尾水管;具有圆柱形尾水管；具有扩散形尾水管。图5－69在三种情况下，转轮所能利用得水流能量均可用下式表示 (5—3８）式中——转轮前后单位水流得能量差； ——转轮进口处得静水头; ——大气压力； —-转轮出口处压力; -—转轮出口处水流速度。
在三种情况下，由于转轮出口处得压力及不同,从而引起使转轮前后能量差得变化。 图５—69 尾水管得作用 １.没有尾水管时如图5-6９。转轮出口代入式(5—３8)得 （5-39）式（5-39）说明,当没有尾水管时，转轮只利用了电站总水头中得部分,转轮后至下游水面高差没有利用,同时损失掉转轮出口水流得全部功能。 2.具有圆柱形尾水管时如图5-69.为了求得转轮出口处得压力，列出转轮出口断面２及尾水管出口断面5得伯努利方程 (5-40） 式中——尾水管内得水头损失。 因此 上式亦可写成 （5—41)
式中称为静力真空,就是在圆柱型尾水管作用下利用了所形成。 以值代入式(５-３８），得到采用圆柱型尾水管时,转轮利用得水流能量 即 （5-4２）从式（５-４２)可见与没有尾水管时相对比较，此时多利用了吸出水头，但动能仍然损失掉了,而且增加了尾水管内得损失,即此时多利用了数值为得能量（静力真空值)。 3。具有扩散型尾水管时如图5—69。此时根据伯努利方程可得出： 断面2处得真空值为: （5—43)比较式（5-４3）与式（5-41）可见,此时在转轮后面除形成静力真空外，又增加数值为得真空称为动力真空，它就是因尾水管得扩散作用,使转轮出口处得流速由减小到形成得。 将式(５—43)中得值代入式(５－38）得扩散型尾水管条件下转轮利用得水流能量为:
水轮机尾水管补气方式技术改进
水轮机尾水管补气方式技术改进 发表时间：2018-12-06T22:19:52.030Z 来源：《电力设备》2018年第22期作者：张颖 [导读] 摘要：机组检修时，分别对4台机组的过流部件汽蚀情况进行详细检查，检查结果发现机组过流部件均存在不同程度汽蚀、裂纹。 (黄河水电龙羊峡发电分公司 81800) 摘要：机组检修时，分别对4台机组的过流部件汽蚀情况进行详细检查，检查结果发现机组过流部件均存在不同程度汽蚀、裂纹。文章分析了产生的原因，并提出了改进措施，通过实施取得了好的效果。 关键词：补气短管，汽蚀，裂纹，压力脉动值 1、概述 龙羊峡水电站最大坝高178米，坝底宽80米，坝顶宽15米，主坝长396米，左右两岸均高附坝，大坝全长1140米。库容量247亿立方米。总装机容量128万千瓦，单机容量32万千瓦。龙羊峡水电站是以发电为主，兼有防洪、灌溉、防汛、渔业、旅游等综合功能的大型水利枢纽。主要担任调峰、调频。 水轮机技术参数如表1所示： 表1 2、存在的主要问题 2.1过流部件均存在不同程度汽蚀、裂纹。同时检查发现补气短管根部（顺水流旋转方向斜向下约45°处）汽蚀严重，里衬开裂脱落。部分凑合节脱落。最近一次检修对过流部件检查发现缺陷如下： （1）转轮叶片 ①11#叶片上根部有一长度为180mm的贯穿性裂纹。 ②15#叶片上进水边下根部有一长度为90mm的表面裂纹。 ③上下流道均存在不同程度汽蚀。 （2）泄水锥 ①正对2#叶片泄水锥纵缝处有一长度为320mm的贯穿性裂纹。 ②正对4#叶片泄水锥纵缝处有一长度为400mm的贯穿性裂纹。 ③正对6#叶片泄水锥纵缝处有一长度为410mm的贯穿性裂纹，环缝处有一长度为310mm的贯穿性裂纹。 ④正对8#叶片泄水锥纵缝处有一长度为110mm的贯穿性裂纹，纵缝处有一长度为130mm的贯穿性裂纹。 ⑤正对9#叶片泄水锥纵缝处有一长度为270mm的贯穿性裂纹。 ⑥正对10#叶片泄水锥纵缝处有一长度为480mm的贯穿性裂纹。 ⑦正对12#叶片泄水锥纵缝处有一长度为190mm的贯穿性裂纹。 ⑧正对13#叶片泄水锥环缝处有一长度为290mm的贯穿性裂纹。 ⑨正对14#叶片泄水锥纵缝处有一长度为410mm的贯穿性裂纹。 ⑩正对16#叶片泄水锥纵缝处有一长度为300mm的贯穿性裂纹。 ?正对9#叶片泄水锥纵缝处有一长度为290mm的贯穿性裂纹。 （3）补气管及凑合节（以尾水管为准，顺时针编号） ①4#补气管锥管与直管的焊缝右侧半周存在2条裂纹，左侧从管顶部起存在200mm的裂纹，出气口的右上角存在150mm的分叉裂纹。 ②6#补气管头部锥顶脱落，见图1。 图1 ③7#补气管锥形头部左侧焊缝存在长度为150mm的裂纹。