高清图文+尾水管的作用、型式及其主要尺寸确定
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
尾水管选型计算[指南]
![尾水管选型计算[指南]](https://img.taocdn.com/s3/m/0f744e1f591b6bd97f192279168884868762b8e4.png)
第三节尾水管选型计算尾水管是水轮机重要通流部件之一，尾水管的作用是将流过水轮机转轮的水引向下游，同时回收一部分水流能量，因此水电站都设有尾水管。
其型式和尺寸对水轮机的效率和运行的稳定性有很大的影响。
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。
弯肘形尾水管的几何形状及主要参数，如图1—2—1所示。
图1—2—1 弯肘形尾水管一、尾水管类型选择尾水管分为直锥形尾水管和弯肘形尾水管两类。
该电站总容量为58.7万KW，为大型水轮机组，如采用直锥形尾水管，将会带来巨大的挖深，因而是不经济的，所以尽管弯肘形尾水管的水里损失大些且水里性能不如直锥形尾水管，但由于挖深较小因而采用弯肘形尾水管。
该电站最高水头为95m，肘管宜设金属里衬。
二、尾水管各部尺寸的选择1．尾水管的高度h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。
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：H＜120 m的混流式及定桨式水轮机，取h≥（2.3～2.7）D，取1=2.5 4.5=11.25m。
h=2.5D12．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1—2—2所示为4号系列肘管。
图中各部分的尺寸参数列于表1—2—4中。
尾水管的作用和原理
尾水管的作用和原理
1. 尾水管安装在水轮机的尾水道中,用于收集和利用水轮机尾水的能量。
2. 水轮机使用水流产生动力时,水流动能没有完全转换为机械能,还有部分残余动能。
3. 尾水管可以收集和利用这部分残余的水流动能,提高水能的利用效率。
4. 水从水轮机排出后速度较大,进入尾水管,对管壁产生动量冲击压力。
5. 这个压力会使管壁变形,通过机械传动装置带动发电机转动发电。
6. 尾水管的橫截面积会逐渐增加,减慢水流,维持压力来驱动管壁运动。
7. 也可以通过调节尾水管出口的断面来控制压力,改变发电量。
8. 尾水管发电方式简单可靠,没有额外水头要求,可以有效发挥残余水能。
9. 但输出功率较小,因此多用作水电站的辅助发电方式。
10. 合理设计尾水管的尺寸、材质、传动等参数,可以提高发电效果。
尾水管的作用型式
E
pa p2
（出口压力降低）。
第二节 尾水管的第作二章用、水轮型机式的及蜗其壳主、尾要水尺管寸和的气确蚀 定
故：
E
EB
EA
( 2V22
2g
5V52
2g
h25 )
= 静力真空（静水头）+动力真空（利用扩散使动能减小）
Δ E 即为尾水管回收的水能
E pa p2
E2A
H2
Pa
2V22
2g
EA
E1
E2A
H1
(
H2
2V2 2
2g
)
第二节 尾水管的第作二章用、水轮型机式的及蜗其壳主、尾要水尺管寸和的气确蚀 定
EA
E1
E2A
H1
(
H2
2V2 2
2g
)
说明：无尾水管水轮机所利
用的水能EA只占电站总水头H1 中的一部分，其余部分表现为
低不得小于2.3D1。
优先使用厂家提供的产品尺寸
第二节 尾水管的第作二章用、水轮型机式的及蜗其壳主、尾要水尺管寸和的气确蚀 定
⑤尾水管的水平长度（L）
定义：机组中心线到尾水管水平出的水口距离
增大L，使尾水管出口面积增大， 减小出口动能损失;但过分增大L，
尾水管内部水力损失以及厂房尺寸 增大.
通常取 L ( 3.5 ~ 4.5 )D1
（出口压力降低）。
第二节 尾水管的第作二章用、水轮型机式的及蜗其壳主、尾要水尺管寸和的气确蚀 定
尾水管的作用为： 1、汇集并引导转轮出口水流排往下游；
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。
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()(22221g 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gPgPaρρ=2代入式（5-38）得gVHEd222-='∆（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dH部分，转轮后至下游水面高差sH没有利用，同时损失掉转轮出口水流的全部功能gV222。
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gPρ2，列出转轮出口断面2及尾水管出口断面5的伯努利方程ωρρhgVhgPgVgPHh as++⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=+++2222222(5-40)式中ωh——尾水管内的水头损失。
因此 ωρρh H g P g P s a +-=2上式亦可写成ωρh H g P P s a -=-2（5-41）式中g P P a ρ2-称为静力真空，是在圆柱型尾水管作用下利用了s H 所形成。
以g P ρ2值代入式（5-38），得到采用圆柱型尾水管时，转轮利用的水流能量E ''∆⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=''∆g V h H g P H g P E s a a a 222ωρ即⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+=''∆ωh gV H H E s d 2)(22 （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s H ，但动能g V 222仍然损失掉了，而且增加了尾水管内的损失ωh ，即此时多利用了数值为()ωh H s -的能量（静力真空值）。
蜗壳及尾水管尺寸PPT课件
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
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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
蜗壳平面单线图 第6页/共14页
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
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蜗壳及尾水管的尺寸
三、蜗壳水力计算
2、计算原理
蜗壳平面单线图
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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
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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
蜗壳的中间断面
第1页/共14页Biblioteka 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
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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
蜗壳的包角
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鼻端
蜗壳及尾水管的尺寸
二、蜗壳的参数
2、包角
蜗壳包角
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蜗壳及尾水管的尺寸
二、蜗壳的参数
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本文观看结束！！！ 第11页/共14页
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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弯肘型尾水管
减小厂房开挖深度，水力性能好，大中型号 水轮机均采用弯肘型尾水管。 组成：直锥段、肘管、出口扩散段。
1. 进口直锥段： 进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管，D3为
直锥管进口直径，θ为锥管单边扩散角。
混流式：直锥管与基础环相接，(转轮出口直
径)， θ=7°~ 9°
轴流式：与转轮室里衬相连接，D3=0.937D1，
尾水管的作用、型式及其主要尺寸确定 一、尾水管的作用
转轮所获得能量等于转轮进出口之间的能量差：
E
E1
E
E2
1.无尾水管时：E 1 ( H 1
pa )
E2 A
H2
pa
2V22
2g
转轮获得能量：
EA
E1
E2 A
H1
(H2
2V22
2g
)
2
.
θ=8°~ 10°。
h3——直锥段高度，其长度增加将会导致开挖 量增加。一般在直锥段加钢板衬。
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(hc)： 高/宽=0.25 3、出口扩散段： 矩形扩散管，出口宽度B5，
E1
E2B
H1
( 2V22
2g
h25 )
水轮机多获得的能量：
E
EB
EA
H2
(2V22 5V52
2g
h25)
设置尾水管以后，在转轮出口形成了压力降低，出现了 真空现象，真空由两部分组成：
静力真空：H2(落差)，也称为吸出高度Hs；
动力真空(转轮出口的部分动能)
设尾水管时：
E 1 ( H 1
pa )
E2B
H2
p2
2V22
2g
根据2-2至5-5断面能量方程：
p2
H2
2V22
2g
pa
5V52
2g
h25
可得：
p2
pa
H
2
(
2V
2 2
5V
2 5
2g
h25 )
设尾水管后，转轮所获得能量：
EB
ηw >0.8 时，效果较好；≦0.3～0.4时，效果较差。
w 1 w
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。 型式：
直锥形——用于小型水轮机 弯锥形——用于卧轴水轮机 弯肘形——（大中型电站）
Hd
2V
2 2
5V52
2g
h25
3. 尾水管的作用
(1) 汇集转轮出口水流，排往下游。 (2) 当Hs>0时，利用静力真空。 (3) 利用动力真空Hd。
尾水管的动能恢复系数
尾水管的静力真空Hs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
志般是 用恢 动w 复 能 (动 恢2能 复v22的系2g程数5v度η52 （w表h与2示5尾) / 水22gv管22 尺寸H有d /关22）gv22，一
6.尾水管局部尺寸的变更 厂房设计中，由于地形、地质条件，布置厂
房的原因，在不影响尾水管能量指标的前提 下，对选出的尾水管尺寸可作局部变更。 (1) 减小开挖，h不动，扩散段底板向上倾斜 6°~12° (2) 大型反击式水轮机，为减小厂房长度， 尾水管不对称布置 (3) 地下电站：为使岩石稳定，尾水管采用
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
肘管高度确定，不易变动。
H取决于h3。h3大→hw小→η w大→开挖加
大，工程投资大； L：机组中心到尾水管出口，L大→F出大
→V出小→η 大→h 大→厂房尺寸加大