蜗壳的型式及主要尺寸的确定
水轮机的蜗壳、尾水管讲述
三、蜗壳的主要参数
1、断面型式与断面参数 (1) 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
(2) 混凝土蜗壳：“T”形。便于施工和减小其径 向尺寸，降低厂房土建投资有四种型式：
(i) n=0：平顶蜗壳。特点：接力器布置方便， 减小下部混凝土，但水流条件不太好。
2g
h 25 )
作用：(1)、汇集转轮出口水流，排往下 游。
(2)、当H2>0时，利用这一高度水流 所具有的位能。
(3)、回收转轮出口水流的部分动能。
二、尾水管的动能恢复系数
尾水管H2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
由此可以绘出蜗壳平面图单线图。 其步骤为： (a) 确定φ0 和VC ；
(b) 求Fc、ρmax、Rmax； (c) 由φi确定Qi 、 Fi、ρi、Ri。
第二节 尾水管的作用、型式及其主要 尺寸确定
尾水管是反击式水轮机的重要过流部件。 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，η越 高，工程量及投资增大。合理确定是非常 重要的。
(1) 金属蜗壳：φ0=340°~350°，常取 345°
φ0大，过流条件好，但平面尺寸增大，厂 房尺寸加大。金属蜗壳的流量小，尺寸小， 一般取较大包角；从构造上讲，最后 100°内，断面演变成为椭圆。
(2)、混凝土蜗壳：Q大，为减小平面尺寸， φ0=180°~270°，一般取180°，一 部分水流未进入蜗形流道，从而减小了蜗 壳进口断面尺寸，这部分水流直接进入导 叶，为非对称入流，加重了导叶的负担， 因此在非蜗形流道处，固定导叶断面形状 常需特殊设计。
四、蜗壳的水力计算
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
郑州大学水利机械复习题及其答案
水力机械课程要点及复习思考题绪论：主要内容以及要了解和掌握要点：1、能源的种类；和其他类型的能源相比，水电的特点；我国水力资源的总量及水力发电在国民经济中所占的地位；我国水力资源的分布情况、开发程度以及规划利用前景；2、水力发电的生产流程以及和水电有关的主要技术参数和技术指标；水电站的基本类型；特点；主要建筑物及布置原则概述；第一章水力机械概述：主要内容以及要了解和掌握要点：1、水轮机的基本参数；水轮机的各种水头（设计水头，工作水头，最大和最小水头）及其含义；搞清水轮机的水头和水电站的水头不是一个概念；在设计水电站时如何协调两者之间的关系2、水轮机的主要类型及其构造；水轮机分为反击式和冲击式两大类原则，每一大类又可以分为几种不同的类型；常见和常用的水轮机类型都有那些各有什么特点；掌握常见水轮机如轴流式、混流式河水斗式水轮机的主要部件有那些，名称是什么，功用是什么，这些主要部件各处在水轮机的什么位置；3、水轮机的牌号极标称直径水轮机牌和的意义，作用，水轮机牌号的常规表示方法；目前水轮机牌号的使用现状；提出水轮机标称直径的目的；不同类型的水轮机标称直径的标注方法和具体位置；第二章水轮机的工作原理：主要内容以及要了解和掌握要点：1、水流在反击式水轮机转轮中的运动；水流在反击式水轮机转轮内运动的复杂性（恒定流和非恒定流）；水流和转轮叶片作用的原理；水流做功原理；对水流或流场的描述方法（解析，数值，速度三角形）；速度三角形中各速度示量的含义；2、水轮机的基本方程式推导水轮机基本方程三条假定的目的与意义；控制体的选择与研究对象；力矩的轴对称性，作用力和反作用力原理；水轮机基本方程的不同表现形式和物理意义；3、水轮机的效率及最优工况水轮机效率和能量损失的关系；水轮机能量损失的几种形式；不同损失产生的原因；无撞击进口和法向出口及最优工况条件；4、尾水管的工作原理动力真空和静力真空；尾水管回收能量的方式与原理；尾水管的作用；尾水管回收能量的程度；尾水管的水力损失系数和动能恢复系数；5、水轮机的空化与空蚀水轮机空化与空蚀的研究历史；水流空化的机理；空化压力和空化温度的关系；水轮机空蚀的机理；水轮机空蚀的破坏作用；水轮机空蚀的类型；水轮机空蚀的后果及表现形式；水轮机空蚀的预防或防护措施；6、水轮机的空蚀系数、吸出高及安装高程水轮机空蚀系数的来历；水轮机空蚀系数的意义；水轮机吸出高的来历；水轮机吸出高的确定；对不同水轮机吸出高的规定；对不同水轮机安装高程的规定与计算；第三章水轮机的相似原理及特性曲线：主要内容以及要了解和掌握要点：1、水轮机的相似原理概述相似概念及研究水轮机相似的目的；水轮机的相似条件；不同相似条件所对应的含义；相似的局限性和近似性；2、水轮机的相似率、单位参数和比转速流量相似率的含义；转速相似率的含义；出力相似率的含义；导出水轮机单位参数的目的与作用；导出水轮机比转速的目的与意义；3、水轮机的效率换算与单位参数修正水轮机效率换算的目的与意义；水轮机效率换算的依据与经验性；不同水轮机效率换算公式的适用条件；水轮机效率换算后再修正的原因；水轮机单位参数的修正；4、水轮机的主要综合特性曲线水轮机模型试验的目的；水轮机主要特性曲线的作用；常见类型水轮机综合特性曲线中所标示的内容；出力限制线的意义与作用；第四章水轮机选型：主要内容以及要了解和掌握要点：1、水轮机的标准系列采用标准系列的目的；水轮机型谱的来历与演变；水轮机的尺寸系列；水轮机转速和发电机转速的关系；发电机标准同步转速的确定；2、水轮机选择水轮机选型设计的基本内容；水轮机选型设计的基本要求；水轮机选型设计需要收集和整理的基本资料；确定电站装机台数、单机容量的原则和要考虑的相关因素；确定水轮机型号、主要参数的基本方法及其适用条件；不同水轮机主要参数之间的比较及最终方案确定的一般原则；3、水轮机运转特性曲线的绘制水轮机运转特性曲线的作用；水轮机运转特性曲线的绘制方法；水轮机的最优工作区域；水电站厂内优化运行的基本概念；4、水轮机蜗壳的型式及主要尺寸的确定水轮机基本型式；不同水轮机蜗壳的特点及适用场合；对蜗壳内水流运动规律的假定；蜗壳水力计算及轮廓尺寸确定的方法；蜗壳轮廓尺寸对水电站厂房尺寸的影响；5、尾水管的型式及主要尺寸的确定常见尾水管的型式及其特点；尾水管轮廓尺寸的确定；尾水管尺寸对水电站厂房尺寸的影响；尾水管尺寸可能变动的情况及对水轮机性能的影响；第五章水轮机调速器主要内容以及要了解和掌握要点：1、水轮机调节的基本概念水轮机调节的主要任务；水轮机调节的对象；目前调速器的附加功能；水轮机调速器应满足的特殊要求；2、调速器的类型及工作原理调速器的基本类型；水轮机调速器的发展趋势；微机调速器的优点；调速器的基本工作原理；调速器的工作稳定性及静、动特性曲线；有差调节和无差调节适用的场合；3、调速器的主要设备及选择调速器的主要设备及其功用；调速器的基本系列；调速设备选择的一般原则；水力机械课程复习思考题绪论部分：1、为什么说水力发电的可调节性比较好?P1电能不能储存，生产与消费必须同时。
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
第4章 水轮机选择4-5
规律按直线或抛物线确定。
见图4－27。
2、蜗壳的包角φ0
(1)金属蜗壳φ0：可取340°~350°，工厂多采 用345°。 原因：圆形断面 金属蜗壳过流量小， 断面尺寸对水电站厂 房尺寸影响不大，故 可从获得良好的水力 性能方面考虑，一般 取较大包角。
一、尾水管的功用 P29 (1) 汇集转轮出口水流，并引导水流排往下游。 (2) 当Hs>0时，以静力真空的方式使水轮机完 全利用了这一高度所具有的
势能。
(3) 以动力真空的方式
使水轮机回收并利用了转
轮出口水流的大部分动能。
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 寸影响厂房的基础开挖和下部块体混凝土尺寸。
尾水管尺寸↑→η↑，但工程量及投资↑，故应合 理选择尾水管形式及尺寸。
尾水管常用型式：直锥形、弯锥形、弯肘形。
1、直锥形尾水管
其具体尺寸为： (1) 进口直径D3：D3=D1+(0.5~1.0)cm (2) 出口直径D5： 出口流速V5=(0.235~0.7)H1/2；L/D3=3~4；相应 的θ=12°~14°，在L与θ 值选定后，可得：
设φi 为从蜗壳鼻端起算至计算断面i的包角。 i 则计算断面处有：见书上式4-19－4-21。
Qi
i
360
0
Qmax
Qi Qmax i Fi Vu 360 0 Vc
i
Q max i 360 0 VC
Ri ra 2 i
(3) 蜗壳椭圆 断面的计算
2) 砼蜗壳的断面形式及尺寸
蜗壳及尾水管尺寸
蜗壳平面单线图
蜗壳及尾水管的尺寸
三、蜗壳水力计算
4、混凝土蜗壳的水力计算
蜗壳及尾水管的尺寸
作业
已知某轴流式水轮机的参数如下：设计水头hr=38.1m,设 计水头下的最大Q0=54.7m3/s，转轮标称直径D1=3.3m,水轮机导 叶高度b0=0.4D1，座环外径Da=5.3m, 座环内径Da=4.5m。此外， 因水电站条件限制，厂房布置场地比较狭窄，要求选择蜗壳型 式时考虑缩小机组段长度。试计算蜗壳的断面及平面尺寸，并 绘出平面单线图。
蜗壳及尾水管的尺寸
一、蜗壳的断面型式
金属蜗壳 混凝土蜗壳
蜗壳及尾水管的尺寸
蜗壳的中间断面
蜗壳及尾水管的尺寸
二、蜗壳的参数
1、尺寸参数
蜗壳的尺寸参数
蜗壳及尾水管的尺寸
二、蜗壳的参数
2、包角
蜗壳的进口 断面
鼻端
蜗壳的包角
蜗壳及尾水管的尺寸
二、蜗壳的参数
2、包角
蜗壳包角
蜗壳及尾水管的尺寸
二、蜗壳的参数
3、进口流速
混凝土
进口流速与水头关 系曲线
金属
进口流速系数与水头关系曲线蜗壳及尾来自管的尺寸三、蜗壳水力计算
1、目的：绘出平面单线图，为厂房设计提供依据
蜗壳平面单线图
蜗壳及尾水管的尺寸
三、蜗壳水力计算
1、目的：绘出平面单线图，为厂房设计提供依据
厂房蜗壳层平面图
蜗壳及尾水管的尺寸
三、蜗壳水力计算
2、计算原理
水电站-蜗壳
（3）中间断面（φi= φ）
由此可以绘出蜗壳断面单线图 和平面单线图。
步骤： (a) 确定φ0 和VC ； (b) 求F0、ρmax、Rmax； (c) 由φi确定Fi、ρi、Ri。
3 、混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)
3 、混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)
（1）确定进口断面尺寸
Q0 Qmax0 F0 Vc 3600Vc
根据水电站具体情况选择断面型式， 并确定a，b，m，n，R0，使F=F0 （ 2 ）确定中间断面顶角与底角点的变化 规律（直线或抛物线），以虚线表示并 画出1、2、3…….等中间断面。
（3） 测算出各断面的面积，绘出：F = f(R) 关系曲线。
Qi Qmaxi （4）按 Fi ，绘出F = f(Φ) 0 Vu 360 Vc
1、蜗壳中的水流运动
Qmax 径向分速度：vr D b c a 0
圆周分速度：Vur=k 或者Vu=C=Vc
按Vu=Vc=C假定计算
2、金属蜗壳水力计算
Qmax （ 1 ） 断 面 流 量 ： Qi i 360
断面半径： i 断面中心距： 断面外半径：
Q max i 360 0 VC
ai ra i
Ri ra 2i
蜗壳水力计算
（2）进口断面（φi= φ0 ）
断面流量：
断面半径： 断面中心距： 断面外半径： R0
Qmax Q0 0 360
Qmax0 0 max 0 360 VC
a0 ra 0
ra 20 Rmax
§3.4 蜗壳的型式及主要参数选择
一、蜗壳的功用及设计基本要求
设计要求：
（1）过水表面应光滑、平顺。
蜗壳计算——精选推荐
蜗壳计算第⼆章、蜗壳计算第⼀节参数的选择1.蜗壳形式的选择由最⼤⽔头为257m,决定采⽤⾦属蜗壳，根据D1=2.0m,查⽔轮机课本P121 257：sun=”a13”sun1=”1”给定2.0：sun=”s2”sun1=”1”给定2.座环参数座环进⼝直径D a=1.64D1=3.28m,座环出⼝直径D b=1.37D1=2.74m,蜗壳常数K=0.1m ,r=0.2m 。
1.64：sun=”w1”sun1=”1”给定3.28: sun=”w2”sun1=”2”由公式D a=1.64D1得1.37: sun=”w4”sun1=”1”给定2.74：sun=”w3”sun1=”2”由公式D b=1.37D1得第⼆节进⼝断⾯参数选择（1）包⾓=345。
345：sun=”w5”sun1=”1”给定（2）进⼝断⾯平均流速υ0=K H其中K为⾦属蜗壳流速系数由原型机A520-40型综合特性曲线查得H=233m ,由H查⽔轮机课本图5—40得K=0.6 ，则0.6：sun=”w9”sun1=”1”给定υ0=K H=0.6×233=9.16 m/s ,(3)进⼝断⾯流量9.16：sun=”w4”sun1=”2”由公式υ0=K H得根据H=233m，n11=nD1H =500×2233=65.51r min233：sun=”a14”sun1=”1”给定65.51：sun=”w15”sun1=”1”由公式n11=nD1H得由模型综合特性曲线查得Q0.407：sun=”w17”sun1=”1”给定Q0=φ0360=φ0360Q11限D2H=345360×0.407×4×233=25.81 (m3/s)360：sun=”w19”sun1=”1”给定0.47：sun=”w20”sun1=”1”给定25.81：sun=”w21”sun1=”2”由公式Q0=φ0360=φ0360Q11限D2H得(4)计算进⼝断⾯积F0F0=Q0υ0=25.819.16=2.82 (m2)2.82：sun=”w23”sun1=”2”由公式F0=Q0υ0得(5)进⼝断⾯的内半径ρ0=F0π=2.823.14=0.947m3.14：sun=”w26”sun1=”1”给定0.947：sun=”w27”sun1=”2”有公式ρ0=F0π得（6）确定进⼝端⾯的中⼼距a0由b×(0.1+0.00065n)-s=2×(0.1+0.00065 119.92)=0.36 m119.92：sun=”w29”sun1=”1”给定0.36：sun=”w30”sun1=”2”有公式b0=D1×(0.1+0.00065n)-s则a0=r0+ ρ02?h2=2.63m2.63；sun=”w32”sun1=”2”有公式a0=r0+ ρ02?h2的（7）进⼝断⾯的外半径R R0=a0+ρ0=2.63+0.947=3.58m3.58：sun=”s3”sun1=”2”有公式R0=a0+ρ0的第三节座环尺⼨的确定（1）确定蝶形边锥⾓⼀般由座环的⼯艺决定取=55。
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蜗壳的型式及主要尺寸的确定
根据设计资料提供，水轮机型号为 HL160—LJ —410及水电站工作水头H=118.5m>40m ，故采用金属蜗壳。
金属蜗壳只承受内水压力，而机墩传下的荷载和水轮机层的荷载是由金属蜗壳外围的混凝土承受。
为使金属蜗壳与其外围混凝土分开，受力互不传递，我国通常是在金属蜗壳上半部表面铺设沥青、麻刀、锯末或软木沥青、塑料软垫3——5cm 厚的软垫层，靠近座环处不铺。
使外压不传到金属蜗壳，内水压力不传到蜗壳外的混凝土上。
蜗壳主要参数的选择
① 设计资料提供，每台机组的最大引用流量，则蜗壳进口处的
流量s m Q Q 300
max 00
088.117123360
345360=⨯==ϕ
②、蜗壳进口断面平均流速《水力机械》第二版P99图4—30(b)曲线得s m V c 9= ③、座环内、外径选择
由水轮机的型号 HL160—LJ —410，查到cm D 4101=的座环尺寸， 当H=118.5m<170m 时，其座环内径mm D b 5450=, 115m<H=118.5m<170m,其座环外径mm D a 6450= 金属蜗壳的水力计算
设i ϕ为从蜗壳鼻端起算至计算断面i 的包角，则该计算断面处的
max 0
360Q Q i
i ϕ=
c
i
i V Q πϕρ0max 360=
i a i r R ρ2+=
蜗壳断面计算表
0 0 0 0 3.23 15 5.13 0.57 0.43 4.08 30 10.25 1.14 0.60 4.43 45 15.38 1.71 0.74 4.70 60 20.50 2.28 0.85 4.93 75 25.63 2.85 0.95 5.13 90 30.75 3.42 1.04 5.31 105 35.88 3.99 1.13 5.48 120 41.00 4.56 1.20 5.63 135 46.13 5.13 1.28 5.78 150 51.25 5.69 1.35 5.92 165 56.38 6.26 1.41 6.05 180 61.50 6.83 1.48 6.18 195 66.63 7.40 1.54 6.30 210 71.75 7.97 1.59 6.41 225 76.88 8.54 1.65 6.52 240 82.00 9.11 1.70 6.63 255 87.13 9.68 1.76 6.74 270 92.25 10.25 1.81 6.84 285 97.38 10.82 1.86 6.94 300 102.50 11.39 1.90 7.03 315 107.63 11.96 1.95 7.13 330 112.75 12.53 2.00 7.22 345
117.88
13.10
2.04
7.31
根据计算结果作蜗壳单线图。