尾水管结构
第七章 水轮机尾水管
第一节 概述
直锥形尾水管
弯管形尾水管
能源动力工程学院 何宝海
第一节 概述
弯肘形尾水管
直锥段
肘管段
水平扩散段
能源动力工程学院 何宝海
第二节 尾水管的作用原理
一、尾水管作用原理
转轮进口的水流能量 转轮出口的水流能量 水轮机利用的能量
E1 H
1
pa
g
v2
2
E2
第七章 水轮机尾水管
第一节 概述 第二节 尾水管的作用原理 第三节 尾水管的选择
能源动力工程学院 何宝海
第一节 概述
一、尾水管的作用
1.将转轮出口水流平顺地引向下游 2.利用转轮出口动能，减少出口动能损失 3.当转轮装在下游水面以上时，利用转轮出口至下游水 面的高程差
二、尾水管的类型
1.直锥形尾水管: 结构简单，制造容易，性能好。 2.弯管形尾水管: 卧式机组。 3.弯肘型尾水管: 减少开挖工作量。性能较直锥形差。
第三节 尾水管的选择
弯肘型尾水管的选择
尾水管的高度、肘管形 式、水平段长度是影响 其性能的主要参数。
尾水管单线图的绘制
能源动力工程学院 何宝海
三、尾水管内的损失
hw v5
2
相对损失
hw v5 hw 2g
2
v5
2
2g
hw v2
2
H
h w 1 w v2
2
由于
2g
hw
2g
1 w 所以，有
2 gH
不同比速水轮机（水头不同），相对损失不同！何宝海 能源动力工程学院
第四节 尾水管
第四节尾水管尾水管结构是指尾水管流道的外围结构，见图18-14。
尾水管结构位于一期混凝土范围内，即厂房结构的最下部，在整个厂房结构中承受厂房的全部荷重和水压荷载，起厂房基础的作用。
尾水管结构的体形复杂，尺寸大，整体性较强。
在结构设计中，根据各部分的结构特点，将尾水管结构分成三个部分：锥管段、肘管段和扩散段。
分别选择相应的方法分析内力。
图18-14 尾水管结构组成图1～5-断面号一、设计荷载和计算情况尾水管结构的设计荷载有以下几种。
(1)结构自重；(2)尾水管顶板以上的结构和设备重；(3）内水压力及水重；(4)外水压力及水重；(5）扬压力。
尾水管结构的计算情况有以下四种。
（1）正常运行。
组合荷载为结构自重、尾水管顶板以上的结构和设备重，正常尾水位情况下的内水压力、外水压力和水重，以及正常水位情况下的扬压力。
(2)检修放空。
组合荷载为结构自重、尾水着顶板以上的结构和设备重，检修尾水位情况下的外水压力和水重，以及检修情况下的扬压力。
(3)施工情况。
组合荷载为结构自重和尾水管顶板以上的结构和设备重。
(4)非常运行。
组合荷载与正常运行相似，只是内、外水压力和水重以及扬压力取校核洪水位情况的数值。
上述计算情况中，正常运行为基本组合，其余为特殊组合。
二、扩散段结构扩散段结构由顶板，底板、边墩和中墩等构件组成。
厂房基岩完整坚硬时，采用分离式底板，顶板、边墩和中墩构成整体结械其他情况下，底板与边墩、中墩整体浇注成为整体结构的一部分。
1.平面框架计算将尾水管扩散段结构作为一个整体空间结构来分析内力，至今没有一种适于设计应用的简便易行的计算方法，目前普遍采用的方法是将空间结构简化为严面结构，按平面框架计算内力。
图18-15 尾水管扩散段计算框架顺水流方向选择若干个结构特征不同的断面，如图18-14所示，在每个断面上沿垂直水流方向在扩散段结构中切取单宽的平面结构，如图18-15,图上标注的数字为图18-14中的断面号。
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3章 水轮机结构(蜗壳及尾水管)(参考研究)
Ri ra 2i
由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为：
(i) 确定φ0 和VC ； (ii) 求Fc、ρmax、Rmax； (iii) 由φi确定Fi、ρi、Ri。
14
(2) 混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)
15
(1) 按进口流速求进口断面积；
(2) 根据水电站具体情况选择断面型式，并确定断面尺 寸，使其 F Fc
第四节 水轮机蜗壳的形式及尺寸确定
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 混凝土蜗壳和钢蜗壳。
1
1. 混凝土蜗壳
适用于低水头大流量 的水轮机。 H≦40m, 钢筋混凝土 浇筑，“T”形断面。 当H>40m时，可用钢 板衬砌防渗(H 最大达 80m)
21
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=(0.6~1.0)D4
❖ 为减小转弯处的脱 流及涡流损失，肘 管出口收缩断面 (口扩散段： ❖ 矩形扩散管，出口宽度B5， ❖B5很大时，加隔墩d5=(0.1~0.15) B5 ❖顶板 α=10°~13°，底板水平。
(3) 选择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。
(4) 测算出各断面的面积，绘出：F = f(R)关系曲线。
(5) 按
Fi
Qi Vu
Qm axi
360 0Vc
绘出F = f(Φ)直线。
(6) 根据φi确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。
水轮发电机组培训课件
制动系统
• 发电机采用机械制动的方式，在下机架支臂上均匀装设了 4只具有气复位功能的制动器，每个制动器上均安装了复 位信号发送装置，制动器也作为发电机转子顶起装置的一 部分。
集电环和碳刷 • 发电机最上端的集电环和碳刷，其作用是将静止
的励磁系统输出的电流送入旋转的转子线圈。
下风罩
• 下风罩安装在主轴法兰连接处，构成发电机的密闭仓，下 风罩也作为发电机的安装平台及水轮机吊车的支撑体。
• 检修密封在工作密封下方，采用空气压迫橡胶带式密封结构，当机组检修时，向空气 围带内充入0.5-0.7MPa压缩空气，橡胶围带膨胀而使围带的密封唇边与主轴贴紧起到 密封作用。正常运行中严禁将检修密封投入，否则会造成橡胶围带磨损损坏。
• 定子 • 转子 • 上机架 • 下机架 • 空气冷却系统 • 制动系统 • 集电环和刷架 • 检测保护系统 • 灭火系统 • 上盖板和下风罩 • 大轴等部分组成。
尾水管
• 尾水管结构：锥管、肘管。 • 尾水管作用：锥管主要为转轮室补气测压监视；肘管主要
作用是排水、补气测压监视。
导水机构
• 水轮机导水机构的作用，主要是形成和改变进入转轮水流 的环量，采用转动式的性能良好的多导叶控制，保证水流 以很小的能量损失，在不同的流量下沿圆周均匀进入转轮。
主轴
• 水导轴承为自循环稀油润滑筒式轴承，外循环冷却，采用巴氏合金轴 瓦，具有自润滑循环方式，运行中透平油因离心力从转动油盆自下沿 轴瓦上约45°的螺旋导油槽进入上油盆，其间对轴瓦进行润滑、冷却， 透平油在上油盆内进行冷却，冷却后因自重又回到转动油盆中，如此 往复不止从而起到润滑和冷却的效果。
轴承密封
• 主轴密封分工作密封和检修密封两种。
• 工作密封采用活塞式橡胶平板接触密封，由转环、密封座、橡胶密封环等组成，工作 时，通过技术供水将橡胶密封环顶起，与转环直接接触，达到密封的效果。橡胶密封 环通过泄漏水进行润滑、冷却，磨损后可自动调整复位，上密封座上有压力水进口和 排沙口，密封效果较好。
尾水管结构
水电站尾水管结构尾水管是水电站厂房水下部分的主要承重结构之一，它的内部形状和尺寸由水轮机制厂通过水力模型试验确定。
弯形尾水管按其构造特点分为锥管段、弯管段和扩散段三部分。
锥管段四周为大块体混凝土，一般不需进行结构计算；弯管段与扩散段则为顶板、底版、边墩和中墩的复杂空间结构(图1)，计算较为繁杂。
图（1）4H型尾水管（a）立体图；(b)纵剖面图；(c)平剖面图一、尾水管弯管段结构计算简图选取尾水管弯管段通常指自中间隔墩的墩头到锥管以下这一段。
由于弯管段的顶板一般都很厚，可视为边墩固定于顶板，边墩连同底板按倒框架计算最为简便，并假定底板反力均匀分布。
通常切取一至两个剖面，如图（2）1-1断面。
图（2）弯管段1-1截面按平面倒框架计算简图二、尾水管扩散段结构计算简图选取由于尾水管扩散段的顶板厚度、孔口高度和荷载分布在顺水流方向均有变化，故计算截面通常要选取2—3个（见图（2）中的2-2 、3-3 、4-4断面）。
一般选取扩散段起始截面、排架柱脚(墙脚)下面和尾水管出口截面等作为计算截面。
例如出口截面，计算方法常采用以下两种：1．上部框架与底版分开计算（图3）（1）先把上部框架作为固定于基础的框架切开，用力矩分配法求出两脚处的弯矩。
（2）分别计算为使框架柱脚a、d端产生一对称的角位移，并切使所需施加于a、b两端的弯矩，称为“框架的抗挠刚度”，记为。
（3）在外荷载作用下弹性基础梁将发生变形。
假定a、d两端“固定”，使角位移，计算a、d两端的弯矩，既为弹性基础梁的固端弯矩。
（4）计算使弹性基础梁两端a、d产生端产生一对称的角位移，并且使所需施加于a、b两端的弯矩，称为“弹性基础梁在a、b两点的抗挠刚度”，记为。
（5）最后取框架和弹性基础梁的固端弯矩的代数和，按两者抗挠刚度分配不平衡弯矩，即得框架和弹性基础梁a、d端各自的弯矩值。
再按静力平衡条件，分别求出框架和弹性在实际荷载作用下的内力值。
图（3）弹性地基单跨框架计算简图2．弹性地基上的封闭框架计算（图4）（1）先不考虑地基影响，将框架上所作用的全部垂直荷载(水平荷载一般为作用在边墩上的对称外水压力，对地基反力图形没有影响)，按材料力学偏心受压公式初步拟定弹性基础梁的第一次近似反力图形，将弹性基础梁分为10等分，每一等分段上的反力以集中力表示，然后以此作为框架上外荷载之一。
灯泡贯流式水轮发电机组基本构造
灯泡贯流式水轮发电机组基本构造（一）发电机一、构成：1、组合轴承2、定子3、机架4、转子5、冷却套6、灯泡头7、进人孔二、结构形式：两支点双悬臂结构，两个径向轴承（发导、水导）三、支撑方式：1、主支撑——管形座2、垂直支撑：无水时，承受重力;有水时，承受浮力3、两个水平支撑：防震、平衡四、冷却方式：1、密闭强迫循环通风（冷却套应进行0.5MPa水压试验60min，不得渗漏）2、定子机座壁散热五、组合轴承：1、径向轴承2、正向轴承3、反向轴承（轴承组装于轴承支架和轴承壳内）六、定子：1、线圈2、铁芯3、机座（F级绝缘，接头采用银铜焊，定子绕组每相电阻0.01674Ω）外形尺寸Φ5280*2300mm，重量为54150Kg，铁芯外径Φ5100mm，内径Φ4660mm，长度940mm七、转子：1、磁极2、阻尼线阻3、转子支架（阻尼条与阻尼环采用银焊连接，转子绕阻电阻：0.2403Ω），外形尺寸Φ4647*1180，重量46580Kg，转子绕组温度不超过130℃八、机架：作为通风系统、制动系统、挡风板的支座九、发电机舱：由冷却套、灯泡头、进入孔组成（冷却套与进入孔为双层溥壁结构）十、冷却系统：1、六只空冷器2、三台风机（11KW）3、两台空冷水泵（30KW）当一个空气冷却器故障时，仍能满足发额定出力的要求，工作压力：0.2MPa十一、螺栓与螺母锁定方法：1、加锁定片2、弹簧垫圈3、冲眼凿毛4、点焊5、涂锁定胶十二、组合轴承组装：1、镜板组装镜板为分半结构，轴向由主轴上配合档止口定位，合缝处由销钉定位螺栓把合抱紧在主轴上，合缝面间隙不大于0.03mm，镜板与主轴垂直度误差不大于0.02mm，镜板表面不得有硬点、划伤、气孔、夹砂、锈蚀2、反向推力瓦的安装反推力瓦与橡皮垫的厚度各组之间误差在0.05mm以下（1）轴承支架：支架内圆安装径向轴承，上游侧端面上安装轴承盖，下游侧端面上安装正、反向推力轴承，轴承在垂直方向的双幅振动不超过0.12mm （2）径向轴承：由轴承壳与轴承瓦组成，通过反推力座与轴承支架内圆相接，检修时拆除正、反推力瓦后可用工具将轴承瓦从轴承壳中拨出。
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。
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水电站尾水管结构
尾水管是水电站厂房水下部分的主要承重结构之一，它的内部形状和尺寸由水轮机制厂通过水力模型试验确定。
弯形尾水管按其构造特点分为锥管段、弯管段和扩散段三部分。
锥管段四周为大块体混凝土，一般不需进行结构计算；弯管段与扩散段则为顶板、底版、边墩和中墩的复杂空间结构(图1)，计算较为繁杂。
图（1）4H型尾水管
（a）立体图；(b)纵剖面图；(c)平剖面图
一、尾水管弯管段结构计算简图选取
尾水管弯管段通常指自中间隔墩的墩头到锥管以下这一段。
由于弯管段的顶板一般都很厚，可视为边墩固定于顶板，边墩连同底板按倒框架计算最为简便，并假定底板反力均匀分布。
通常切取一至两个剖面，如图（2）1-1断面。
图（2）弯管段1-1截面按平面倒框架计算简图
二、尾水管扩散段结构计算简图选取
由于尾水管扩散段的顶板厚度、孔口高度和荷载分布在顺水流方向均有变化，故计算截面通常要选取2—3个（见图（2）中的2-2 、3-3 、4-4断面）。
一般选取扩散段起始截面、排架柱脚(墙脚)下面和尾水管出口截面等作为计算截面。
例如出口截面，计算方法常采用以下两种：
1．上部框架与底版分开计算（图3）
（1）先把上部框架作为固定于基础的框架切开，用力矩分配法求出两脚处的弯矩。
（2）分别计算为使框架柱脚a、d端产生一对称的角位移，并切使
所需施加于a、b两端的弯矩，称为“框架的抗挠刚度”，记为。
（3）在外荷载作用下弹性基础梁将发生变形。
假定a、d两端“固定”，使角位移，计算a、d两端的弯矩，既为弹性基础梁的固端弯矩。
（4）计算使弹性基础梁两端a、d产生端产生一对称的角位移，并且使
所需施加于a、b两端的弯矩，称为“弹性基础梁在a、b两点的抗挠刚度”，记为。
（5）最后取框架和弹性基础梁的固端弯矩的代数和，按两者抗挠刚度分配不平衡弯矩，即得框架和弹性基础梁a、d端各自的弯矩值。
再按静力平衡条件，分别求出框架和弹性在实际荷载作用下的内力值。
图（3）弹性地基单跨框架计算简图
2．弹性地基上的封闭框架计算（图4）
（1）先不考虑地基影响，将框架上所作用的全部垂直荷载(水平荷载一般为作用在边墩上的对称外水压力，对地基反力图形没有影响)，按材料力学偏心受压公式初步拟定弹性基础梁的第一次近似反力图形，将弹性基础梁分为10等分，每一等分段上的反力以集中力表示，然后以此作为框架上外荷载之一。
（2）用力矩分配法计算框架内力，将此内力反作用于基础梁顶面，按郭氏法求弹性基础梁反力，此项反力肯定与第一次假定的反力图形不同。
将此反力在作用于框架，按上述过程再算一遍，又得基础梁新的反力图形。
如此反复演算数次，直至最后一次新的地基反力与上次反力图接近为止。
图（4）弹性地基上的封闭框架计算简图。