蜗壳及尾水管的水力计算
蜗壳计算讲解
第五章 蜗壳 88第五章 蜗壳45 蜗壳形式与其主要尺寸的选择现代的中型及大型水轮机都是用蜗壳引导进水的。
各种水力实验中所进行的试验指出，设计合理的蜗壳，它的引水能力及效率与小型水轮机所采用的明槽式装置及罐式机壳相比较并无明显的降低。
蜗壳的优点是可以大大缩短机组之间的距离，这在选择电站厂房的大小时，有着很大的意义。
从蜗壳的研究当中，可以确定各种不同水头下蜗壳内的最佳水流速度，最合理的蜗壳形式，经及制造它的材料。
大部分的转桨式及螺桨式水轮机都采用梯形截面的混凝土蜗壳。
目前设计混凝土蜗壳的最高水头是30～35公尺。
然而，有很多大型水电站，在水头低于35公尺时还应用金属蜗壳。
轴向辐流式水轮机通常采用金属蜗壳，按照水头及功率的不同，金属蜗壳可由铸铁或铸钢浇铸（图62），焊接（图63）或铆接而成。
图64所示是根据水轮机的水头及功率，对于各种不同型式蜗壳通常所建议采用的范围。
蜗壳的大小决定了它的进水截面，而进水截面是与所采取的进水速度有关的。
最通用的进水速度与水头之间的关系，对于12～15公尺以下的水头来说如下式所示：H k v v c = (84)式中 c v —蜗壳中的进水速度；H —有效水头；v k —速度系数，约为1.0。
中水头或高水头则常应用下列关系：30v c H k v = (85)如果把列宁格勒斯大林金属工厂和其它制造厂所出品的中水头及高水头水轮机的现有蜗壳进水速度画在圆上，那么对于水头超过12～15公尺时，我们可得符合下式的曲线：30c H v 5.1=然而，有许多由列宁格勒斯大林金属工厂及外国厂家制造的良好的蜗壳，进水速度大大超过了所示的数值。
图65所示为根据有效水头选择蜗壳进水速度用的诺模图，此图是根据上述的公式而做成的。
46 蜗壳的水力计算当工质—水，流经水轮机的运动机构—转轮时，由于运动量的变化而产生流体能量的转变。
这可用水轮机的基本方程式来表示：gh ηu v u v r u u 2211=-由蜗壳所产生的环流（旋转）及速度v u1只与当时一瞬间的流量Q 和蜗壳尺寸有关。
蜗壳的作用、型式、主要尺寸的选择与计算
➢混凝土蜗壳：梯形断面
➢m≥n：减低厂房高度， 缩短主轴长度
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
• 混凝土蜗壳进口断面形状选择：
（1）δ一般为20°~30°， 常取δ=30°；
（2）当n=0时，γ=10°~15°，
b/a=1.5~1.7，可达 2.0；
2、金属蜗壳的水力计算
通过任一断面i 的流量为： Qi Qmaxi / 360
（ i ：从蜗壳鼻端至断面i 的包角）
又 Vu C Vc 的假定
∴断面半径
i
Qi
Vc
Qmax i 360Vc
断面中心矩： ai ra i 断面外半径：Ri ra 2i
对进口断面，将 i 代入0 公式
Q0 , ，0 , a即0和得R0。值
面和断面单线图。
已知条件：Hr、Qmax、b0、 Da、Db，蜗壳类型，
0、Vc 。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
1、蜗壳中的水流运动 V Vr Vu
（1）径向分速度 V：r
Vr
Qmax
Dab0
constant
（水流必须均匀地、 轴对称地进入导水机构）
（3）当m＞n时，γ=10°~20°，
(b-n)/a=1.2~1.7，可达1.85；
（4）当m≤n时，γ=25°~35°，
(b-m)/a=1.2~1.7，可达1.85；
中间断面形状的确定： 直线过渡或抛物线过渡。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
3、蜗壳的包角 0：从蜗壳鼻端至蜗壳进口断面
可求出对应每一个Ri中间断面的尺寸 ai ,ni ,mi及
水道水力过渡过程计算大纲范本
FJD34270 FJD水利水电工程技术设计阶段水道水力过渡过程计算大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网1998年3月1水电站技术设计阶段水道水力过渡过程计算大纲主编单位:主编单位总工程师:参编单位:主要编写人员:软件开发单位:软件编写人员:勘测设计研究院年月2目次1. 引言 (4)2. 设计依据文件和规范 (4)3.计算基本资料 (4)4.大波动水力过渡过程计算 (7)5.小波动水力过渡过程计算 (15)6.专题研究（必要时） (16)7.应提供的设计成果 (17)3１引言＿＿抽水蓄能电站位于＿＿，在电力系统中的功能是＿＿。
电站总装机容量＿＿MW，单机容量＿＿MW。
机组型号＿＿。
电站开发方式(首部开发、中部开发、尾部开发) ＿＿。
引水系统由＿＿组成。
本工程为＿＿等工程。
可行性研究报告于＿＿年＿＿月审查通过。
2 设计依据文件和规范2.1 有关本工程文件(1) 工程可行性研究报告；(2) 工程可行性研究报告审批文件；(3) 技术设计任务书。
2.2 主要设计规范(1) SD 303—88 水电站进水口设计规范(2) SD 144—85 水电站压力钢管设计规范(试行)(3) DL/T 5058-1996 水电站调压室设计规范(4) SDJ 173—85 水力发电厂机电设计技术规范(5) SD 134—84 水工隧洞设计规范(试行)(6) GB 9652—88 水轮机调速器与油压装置技术条件2.3 参考资料和手册《水电站机电设计手册》(水力机械部分)。
3 计算基本资料3.1 水库(水池)特征水位(1)上库(上水池)水位：正常蓄水位＿ｍ；死水位＿ｍ。
(2) 下库(下水池)水位：正常蓄水位＿ｍ；死水位＿ｍ。
4提示：对于混合式抽水蓄能电站，尚应补充上、下库设计、校核洪水位。
3.2 引水系统布置(1)引水系统平面布置(2)引水系统纵剖面布置(3)引水系统特征参数，见表1表1 引水系统特征参数表管道编号部位直径m面积m2长度m管道末端高程m水头损失系数，×Q2备注局部水头损失沿程水头损失水轮机工况水泵工况最大值平均值最小值1…注：（1）引水系统编号示意图，可表示在上表备注栏中。
金属蜗壳水力计算和尾水管设计
金属蜗壳的水力计算在选定包角ϕ0及进口断面平均流速v 0后，根据设计流量Q r ，即可求出进口断面面积F 0。
由于要求水流沿圆周均匀地进入导水机构，蜗壳任一断面ϕi 通过的流量Q ϕ应为 Q Q ir ϕϕ=360（7—6）于是，蜗壳进口断面的流量为 Q Q r 00360=ϕ（7—7）进口断面的面积为F Q v Qv r 00000360==ϕ （7—8） 圆形断面蜗壳的进口断面半径为 ρπϕπmax ==F Q v r00360 （7—9）采用等速度矩方法计算蜗壳内其它断面的参数。
取蜗壳中的任一断面，其包角为ϕi ，如图7—15所示，通过该断面的流量为Q v bdr u r R aiϕ=⎰（7—10）因v r K u =，则v K r u =/，代入式（7—10）得： Q Kbrdr r R aiϕ=⎰（7—11） 式中：r a ──座环固定导叶的外切圆 半径；R i ──蜗壳断面外缘到水轮机轴线半径；r ──任一断面上微小面积到水轮机轴线的半径： b ──任一断面上微小面积的高度。
一、圆形断面蜗壳的主要参数计算对圆形断面的蜗壳，断面参数b 从图7—15中的几何关系可得b r a i i =--222ρ() （7—12） 式中：ρi ──蜗壳任一断面的半径；a i ──任一断面中心到水轮机轴线距离。
图7—15 金属蜗壳的平面图和断面图水轮机轴r aa ir R id rρibv uv rviϕ将式（7—12）代入式（7—11），并进行积分得：Q K a a i i i ϕπρ=--222() （7—13） 由式（7—6）与式（6-13）得ϕπρi r i i i KQ a a =--72022 () （7—14） 令C KQ r=720 π，称为蜗壳系数，则有ϕρi i i i C a a =--()22 （7—15）或 ρϕϕi i ii a C C =-⎛⎝ ⎫⎭⎪22（7—16）以上两式中的蜗壳系数C 可由进口断面作为边界条件求得。
蜗壳及尾水管设计
蜗壳及尾水管设计（1）蜗壳水力计算从蜗壳鼻端至蜗壳进口断面0-0之间的夹角称为蜗壳的包角，常用φ0表示，蜗壳的鼻端即位于蜗壳末端连接在一起的那一个特殊固定导叶的出水边，一般采用φ0=345°蜗壳进口断面平均流速V c是决定蜗壳尺寸的主要参数。
V c值根据水轮机设计水头Hr从图中查得V c=4.5 m/s1主要参数H r=31.0 m Q max=13.17 m3/s D a=2.42m 包角φ0=345 D a/2=2.42/2=1.21 m2 蜗壳计算表水轮机蜗壳单线图（2）尾水管设计根据以往经验,弯肘形尾说管不但可以减少开挖深度,而且具有良好的水力性能尾水管尺寸表弯肘型尾水管有进口直锥段.中间肘管段和出口扩散段和出口扩散段三部分组成.A 进口直锥段混流式水轮机单边扩散角009~7=θ,这里取 80.B 中间弯肘段是一段900转弯的变截面弯管,进口断面为圆形,出口断面为矩形.C 出口扩散段是一段水平放置,两侧平行,顶板上翘的矩形扩散管.起顶板仰角一般取0013~10=α,这里取13.应用第三种比例情况进行尺寸计算:h=2..6×1.4=3.64 m L=4.5×1.4=6.30 m B 5=2.72*1.4=3.808m D 4=1.35×1.4=1.89 m h 4=1.35×1.4=1.89 mh 6=0.675×1.4=0.945mL 1=0.94×1.4=2.548 m h 5=1.22×1.4=1.708m尾水管高度指水轮机底环平面至尾水管底版的高度.h=2.6*D 1=2.6*1.4=3.64m 满足最低要求,宽度B= 3.808m,同样满足要求. 尾水管长度指机组中心线至尾水管出口断面的距离. L=(3.5~4.5)D 1 这里取4 则L=4*1.4=5.6m。
第3章 水轮机结构(蜗壳及尾水管)课件
顶板 α=10°~13°，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+h4 h1，h2由转轮结构确定; h4为肘管 高度，不易变动。 H取决于h3(直锥段长度)。h3大→开挖加大，工程 投资增大； L：机组中心到尾水管出口，L大→F出大→V出小 →ηw大→hf大→厂房尺寸加大，一般L=( 3.5～4.5) D1。 5.推荐尾水管尺寸：表4-15。
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) m>n：下伸式 (3) m<n：上伸式
(4) n=0：平顶蜗壳
中间断面：
蜗壳顶点、底角点的变化规律按直线或抛物线确 定。
蜗壳中间断面
金属蜗壳
混凝土蜗壳
2. 蜗壳包角
蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口断面之间的中心角φ0 (1) 金属蜗壳：φ0=340°~350°,常取345° (2) 混凝土蜗壳：φ0=180°~270°,一般取180°，一 大部分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转轮 不利）
断面半径：
max
Fc
Qmax 0 3600 VC
从轴心线到蜗壳外缘半径：
Rmax ra 2 max
(ii) 中间断面( i )
Qi
i
i
360
Q max 0
Qi Qmaxi Fi Vu 3600Vc
Q max i 360 0 VC
板衬砌防渗(H 最大达Leabharlann 80m)2. 金属蜗壳
水锤计算方法
第一节概述一、水电站的不稳定工况机组在稳定运行时，水轮机的出力与负荷相互平衡，这时机组转速不变，水电站有压引水系统(压力隧洞、压力管道、蜗壳及尾水管)中水流处于恒定流状态。
在实际运行过程中，电力系统的负荷有时会发生突然变化(如因事故突然丢弃负荷，或在较短的时间内启动机组或增加负荷)，破坏了水轮机与发电机负荷之间的平衡，机组转速就会发生变化。
此时水电站的自动调速器迅速调节导叶开度，改变水轮机的引用流量，使水轮机的出力与发电机负荷达到新的平衡，机组转速恢复到原来的额定转速。
由于负荷的变化而引起导水叶开度、水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况。
其主要表现为：(1) 引起机组转速的较大变化由于发电机负荷的变化是瞬时发生的，而导叶的启闭需要一定时间，水轮机出力不能及时地发生相应变化，因而破坏了水轮机出力和发电机负荷之间的平衡，导致了机组转速的变化。
丢弃负荷时，水轮机在导叶关闭过程中产生的剩余能量将转化为机组转动部分的动能，从而使机组转速升高。
反之增加负荷时机组转速降低。
(2) 在有压引水管道中发生“水锤”现象当水轮机流量发生变化时，管道中的流量和流速也要发生急剧变化，由于水流惯性的影响，流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的压力随之变化，即产生水锤。
导叶关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则造成压力下降。
反之导叶开启时，在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中引起压力上升。
(3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。
无压引水系统中产生的水位波动计算在第八章已介绍。
二、调节保证计算的任务水锤压力和机组转速变化的计算，一般称为调节保证计算。
调节保证计算的任务及目的是：(1) 计算有压引水系统的最大和最小内水压力。
最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据之一；最小内水压力作为压力管道线路布置、防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据。
水电站课程设计计算书
水电站厂房课程设计计算书1．蜗壳单线图的绘制 1.1 蜗壳的型式根据给定的基本资料和设计依据，电站设计水头Hp=46.2m ，水轮机型号 ：HL220-LJ-225。
可知采用金属蜗壳。
又Hp=46.2m>40m ，满足《水电站》（第4版）P32页对于蜗壳型式选择的要求。
1.2 蜗壳主要参数的选择金属蜗壳的断面形状为圆形，根据《水电站》（第4版）P35页可知：为了获得良好的水力性能及考虑到其结构和加工工艺条件的限制，一般取蜗壳的包角为0345ϕ=。
通过计算得出最大引用流量max Q 值，计算如下： ○1水轮机额定出力：15000156250.96frfN N KW η=== 式中：60000150004f KWN KW ==，0.96f η=。
○2'31max 3322221156251.11 1.159.819.812.2546.20.904rp N Q m s D H η===<⨯⨯⨯（水轮机在该工况下单位流量''311 1.15M Q Q m s ==由表3-6查得）。
○3'23max1max 1 1.11 2.2538.2Q Q D m s ==⨯=。
由蜗壳进口断面流量max 0360c Q Q ϕ=，得334538.236.61/360c Q m s =⨯=。
蜗壳进口断面平均流速V c 由《水电站》（第4版）P36页图2-8（a ）查得，5.6/c V m s =。
由《水力机械》第二版，水利水电出版社）附录二表5查得：3250,3850b a D mm D mm ==，则1625 1.625,1925 1.925b a r mm m r mm m ====。
其中：b D —座环内径；a D —座环外径；b r —座环内半径；a r —座环外半径。
座环示意图如下图所示：图1 座环示意图（单位：mm ）1.3 蜗壳的水力计算（1）对于蜗壳进口断面（断面0）： 断面面积 35375.66.561.36m V Q F c c c ===断面的半径 m F cc 443.1537.6===ππρ从轴中心到蜗壳外缘的半径：m r R c a c 811.4443.12925.12=⨯+=+=ρ 即断面0：m 443.10=ρ，m r r a 925.10==，m R R c 811.40==。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
5.蝶形边高度 h
rD
Da 2
k
3.25 0.1 1.725m
2
h b0 k tan 0.76 0.1tan 55 0.29m
2
2
6.蜗壳圆形断面和椭圆形断面界定值 s
s h 0.29 0.51m
0 C a0
6.进口断面外半径 R0
a02 02
C a0
0
2300
a02 02
R0 a0 0 2.5 0.84 3.34m
三.蜗壳圆形断面参数计算
1. 蜗壳圆形断面参数计算：见表 2—1
表 2—1 蜗壳圆形断面计算表
断面号 i
i C
rD
2rD
i C
h2
2rD
i C
h2
2.座环参数
。本电站最高水头为 174m，故采用金属蜗壳。
根据水轮机转轮直径 D1 查[1].P 128 页表 2—16 得： 座环出口直径:
座环进口直径:
Db
2850 2600 1900 1800 2600
2000 1800
2725mm
Da
3400 3100 1900 1800 3100 3250mm
h 的确定，与水轮机型式有关。由于混流式和定桨式水轮机在偏离最优工况运行时，尾 水管中会出现涡带，引起机组振动，如果 h 太小，则机组振动加剧，故 h 选择时应综合考虑 能量指标和运行稳定性。根据经验，h 一般可作如下选择：
对于 D1>D2 的低比速混流式水轮机，h≥。取 h=。参考表 2—3，标准弯肘型尾水管可选 4H 系列。
xi
x
2 i
i
ai Ri
1 345
2 330
3 315 4 300
5 285
6 270 7 255 8 240 9 225 10 210 11 195 12 180 13 165 14 150
四.蜗壳椭圆形断面参数计算
1.蜗壳椭圆形断面参数计算：见表 2—2
表 2—2 蜗壳椭圆形断面计算表
断面号
i
5.尾水管进口直径 D3
h3
h h1 h2 D3 1 2tg
D3
h h1
h2
h3 1 2tg
210 (cm)
6.出口扩散段 查[1].P132，顶板仰角 ɑ=10°—13°，取 ɑ=12°。支墩的尺寸如下：
b 0.1— 0.15B5 0.13 520 .6 67.68cm R 3 6b 4 67.68 270 .72(cm)
3.蜗壳进口断面半径 ρ0 的计算
0
F0
2.2 0.84(m) 3.14
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=、Da=、Db=
a0 rD
2 0
h2
1.725
0.842 0.292 2.5(m)
5.蜗壳系数 C 的计算
一.尾水管基本尺寸的确定
1.尾水管型式的选择 水流在转轮中完成了能量交换后，将通过尾水管流向下游，这是尾水管的基本作用。但
是尾水管还有一个作用是使水轮机转轮出口处的水流能量有所降低，从而增加转轮前后的能 量差。回收一部分水流能量。尾水管有直锥型、弯曲型和弯肘型三种型式。大型立式机组， 由于土建投资占电厂总投资的比例很大，故一般选用弯肘形尾水管以降低水下开挖量和混凝 土量。 2.尾水管的高度 h
r 0.2 0.3b 0.25 67.68 16.92cm
l 1.4D1 1.41.9 266 cm
二.尾水管单线图的绘制
HLD10 尾水管单线图见附图 5
表 2—4
4H 型标准肘管主要参数
单位：m
尾水管参数 h / D1 D1 h L B5 D4 h4 h6 L1 h5
4H
1
D1=
参考表 2—5 可选出肘管各部分参数:
表 2—5
4 号系列肘管各部分参数表
单位：m
参数类型
D4 h4 B4 L1 h6 a R6 R7 a1 a2 R8
4A 4C 4E
4H 20 注：表中数值是对 D1 = 1m 而言。
i
1
Байду номын сангаас
i
2
1
C sin a C sin a
i 2 cot 2 a C
2r1
i C
i
L
A
15 135 16 120 17 105 18 90 19 75 20 60 21 45 22 30 23 15
四.蜗壳单线图的绘制
HLD10 蜗壳单线图见附图 4
R2 R1
ai Ri
第 2 节 尾水管尺寸的计算
表 2—5
4 号系列肘管各部分参数表
单位：m
尾水管参数 D4 h4 B4 L1 h6 a R6 R7 a1 a2 R8
4H D1=
4.进口单边锥角 β 对于混流式水轮机进口单边锥角 β 取值范围为 7°—9°。取 β=8° 由比转速 ns 查[1].P26 图 1—29 得： h1=×=(cm) h2=×=(cm) h3=h–h1–h2–h4=475–––=(cm)
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
表 2—3
标准弯肘形尾水管主要参数
单位：m
尾水管型式 h / D1 D1 h L B5 D4 h4 h6 L1 h5
4A 4C 4E 4E 4H 4H 20
3.肘管的选择 肘管段的形状十分复杂，因为水流要在肘管内拐弯 90°，同时要由进口圆形断面逐渐过
渡到出口为矩形断面。它对尾水管的恢复系数影响很大，且肘管中的水力损失最大。肘管难 以用理论公式计算，通常采用推荐的标准肘管，图 2—4 所示为 4 号系列肘管。图中各部分 的尺寸参数列于表 2—4 中。4H 型肘管主要参数见表 2—4 和 2—5
尾水管的高度 h 是指水轮机底环平面到尾水管底板的高度，它对尾水管的恢复系数、
水轮机运行稳定性及电站开挖量有直接影响。高度 h 越大，锥管段的高度可取大一些，因而 降低了锥管段出口即肘管段进口及其后部流道的流速，这对降低肘管中的水力损失有利。一 般情况下，通过尾水管的流量愈大，h 应采用较大的值，但 h 增大受到水下挖方量的限制。
Qr
Pr
9.81H rT
35833 .3
9.81 158 .75 0.905
25.4(m3 / s)
Q0
0 360
Qr
345 25.4 360
24.3(m3
/ s)
2.蜗壳进口断面面积 F0 的计算
F0
Q0 v0
24.3 2.2(m2 ) 11
根据水头查设计手册图 2—21 得：v0=11m/s
cos55 cos55
7.座环蝶形边斜线 L
L h 0.354m
sin 55 8.座环蝶形边锥角顶点至水轮机轴线的距离
r1
rD
h tan a
1.725
0.29 tan 55
1.522m
二.蜗壳进口断面参数计算
1.蜗壳进口流量 Q0 的计算
由 HLD10 运转综合特性曲线查得: Pr=(kW)、Hr=（m）、ηT=