蜗壳及尾水管设计
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
水电站混凝土蜗壳设计探析
水电站混凝土蜗壳设计探析摘要：水电站为了提高运行稳定性、增加经济效益，经常会对混凝土蜗壳展开有效设计。
本文将从某水电站的工程概况出发，对其混凝土蜗壳的设计进行分析与探究，希望为相关人员提供一些帮助和建议，更好地设计水电站的蜗壳。
关键词：蜗壳设计；混凝土蜗壳；水电站引言在水轮机中，蜗壳是十分重要的一个过流部件，设计的蜗壳质量高低会对水电机组整体工作效率产生直接影响，并且关系到水电站布置的科学性与合理性，这要求水电站应结合自身实际情况，寻找设计混凝土蜗壳的依据，展开有效的蜗壳设计。
因此，研究设计混凝土蜗壳的策略具有一定现实意义。
一、工程概况某水电站安装了300MW水轮发电混流式机组，共计六台，安装的水轮机高程是128米，水头设计为113米，额定转速为每分钟106r，额定流量是每秒295立方米，额定出力为305MW，直径为6米。
其蜗壳的进口直径是7.3米，甩负荷压力的最大值是1.91兆帕，静水压力最大值为1.39兆帕。
水电站中的一些机组设备通过世界银行进行贷款，借助国际招标工作，最终由相关企业承包并建造。
在该水电站中，水轮发电的机组主要通过下机架进行支承，并将软垫层敷设于钢蜗壳的外部。
所有内水的压力都能被钢蜗壳承担，内水压力的设计值是1.92兆帕，蜗壳混凝土结构仅能够承受楼板、水轮发电机等上部结构产生的重力荷载。
二、水电站机组的荷载按照水电站布置的整体规定，连接机组和引水压力钢管的形式为一管一机。
蜗壳的进口内径是7.1米，压力钢管的直径是7.7米，把连接段设置到钢蜗壳和钢管间。
蜗壳钢板的厚度为20毫米至40毫米，厂房轴线和机组中心线存在11.5度的夹角。
此钢蜗壳具有较为复杂的混凝土结构受力情况与尺寸体型，在设计结构过程中，对围岩的压力、内外水的压力、发电机组的荷载、结构的自重、风罩传递的荷载等基本荷载类型均有涉及，水轮机的总重量是10500千牛，发电机的总重量是18600千牛。
三、设计混凝土蜗壳的混凝土结构在设计时，钢蜗壳断面使用了全埋型圆断面，安装的机组高程为128米，段长是26米，低于124米高程的部分宽23米，高出的部分宽25米。
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。
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。
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(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。
第三节 下部块体结构
第三节下部块体结构水电站厂房下部块体结构指水轮机层以下的厂房部分，它的形状及尺寸主要取决于水力系统的布置。
中、低水头的水电站的各种机电设备中，过流部件的尺寸相对较大，因此，下部结构的尺寸一般决定了主厂房的长度与宽度。
对于图16-3所示水电站，下部块体结构即高程116. 00 m以下部分，而水力系统包括压力钢管、蝴蝶阀、蜗壳、水轮机、尾水管、尾水闸门及它们的附属设备。
一、水轮机、蜗壳及尾水管的布置同一座水电站上，一般安装相同型号的机组，但有时却由于订货或其他原因不得已安装不同型号的机组。
图16-3所示水电站即属后者，其#3,#4水轮机是天津发电设备厂的HL-200-LJ-250型，转速250 r/min,而#1,#2机是杭州发电机厂的HL-009-LJ-250型。
安装不同型号的机组常给设计、安装、运行、检修带来一些额外的麻烦。
水轮机安装高程是厂房的一个控制性标高。
反击式水轮机的安装高程主要取决于气蚀。
确定安装高程时下游尾水位常取一台机满发时的尾水位。
若水电站建成后下游河床可能会被冲刷而导致水位降低的话，设计下游尾水位还要相应降低。
图16-3所示水电站采用竖轴混流式水轮机，其安装高程(113.70 m)为一台机满发时的下游尾水(115.50 m)加上允许吸出高度H,再加上导叶高度的一半。
厂址的地形地质条件有时也会影响水轮机的安装高程。
例如，基岩座落较深时，适当降低安装高程可使得厂房的基础安置在完好基石上。
引水式厂房内的混流式水轮机一般采用钢蜗壳，其几何尺寸由水轮机厂家提供。
钢蜗壳常埋人混凝土中以防止振动，并由混凝土承受部分不均衡的作用力。
蜗壳上要设进人孔供检修时使用。
进人孔常设在蝴蝶阀下游明钢管上，也可设在蜗壳顶部，从水轮机层地坪向下开孔进人。
竖轴水轮机常采用肘形尾水管，其几何尺寸也由水轮机厂家给出，但可在一定范围内修改（需征得厂家同意），以满足厂房布置的特殊需要。
如图16-3中，为了在尾水管之上布置副厂房，尾水管水平段长度由原来的11. 25 m增至15. 10 m，出口高度也略有增加。
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
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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/s
1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 m
2 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 m
h 6=0.675×1.4=0.945m
L 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。