水轮机的蜗壳

第二章水轮机的蜗壳、尾水管及汽蚀第一节蜗壳的型式及主要参数选择一、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H40m时，可用钢板衬砌防渗(H达80m)2.金属蜗壳当H40m时采用金属蜗壳。其断面为圆形，适用于中高水头的水轮机。钢板焊接：H=40~200m，钢板拼装焊接。铸钢蜗壳：H200m时，钢板太厚，不易焊接，与座环一起铸造而成的铸钢蜗壳，其运输困难。二、蜗壳的主要参数1.断面型式与断面参数金属蜗壳：圆形结构参数：座环外径、内径、导叶高度、蜗壳断面半径、蜗壳外缘半径混凝土蜗壳：“T”形。(1)m=n时：称为对称型式(2)mn：下伸式(3)mn：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。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）3、蜗壳进口平均流速：进口断面流量Qmax——水轮机的最大引用流量。Vc↑→Fc↓→hw↑；Vc↓→Fc↑→hw↓；一般由Hr~VC曲线确定VC0max360QQcrccHV三、蜗壳的水力计算水力计算的目的:确定蜗壳各中间断面的尺寸，绘出蜗壳单线图，为厂房设计提供依据。已知：cbarVDDbQH,,,,,,00max1.水流在蜗壳中的运动规律水流进入蜗壳后，形成一种旋转运动(环流)，之后进入导叶,水流速度分解为Vr、Vu。进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求，Vr=常数。0maxbDQVar圆周流速Vu的变化规律，有两种基本假定：(1)速度矩Vur=C假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流，忽略粘性及摩擦力，Vu会随r的增加而减小。(2)圆周流速Vu=C：即假定Vu=VC=C2.蜗壳的水力计算按(Vu=VC=C)金属蜗壳水力计算(1）蜗壳进口断面：断面半径：从轴心线到蜗壳外缘半径：ccccVQVQF00max360CcVQF00maxmax360maxmax2arR(2)中间断面()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Fi、ρi、Ri。max0360QQiiciuiiVQVQF0max360CiiVQ0max360iairR2i混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)(1)按求进口断面积；(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(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。ciuiiVQVQF0max360cFF第二节尾水管的作用、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：1.无尾水管时：转轮获得能量：2.设尾水管时：根据2-2至5-5断面能量方程：2121)(EpHEEEa)(11apHEgVpHEaA222222)2(2222121gVHHEEEAA)(11apHEgVpHEB2222222522552222222hgVpgVHpa可得：设尾水管后，转轮所获得能量：水轮机多获得的能量：)2(5225522222hgVVHppa)2(52222121hgVHEEEBB)2(522552222hgVVHEEEAB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)3.尾水管的作用(1)汇集转轮出口水流，排往下游。(2)当Hs0时，利用静力真空。(3)利用动力真空Hd。522552222hgVVHd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是恢复动能的程度（与尾水管尺寸有关），一般用动能恢复系数ηw表示gvhgvvw2/)2(22252255222gvHd2/222ηw0.8时，效果较好；≦0.3～0.4时，效果较差。ww1二、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）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，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=0.253、出口扩散段：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。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+h4h1，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→ηw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→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2-16.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，尾水管采用窄深断面(4)加长h3、L2第三节水轮机的汽蚀一、汽蚀的物理过程1.空化及汽化压力的概念水沸腾为汽化，汽化是由气压和水温决定的。水在一定压力下加温的汽化为沸腾；环境温度不变压力降低引起的汽化叫空化。在给定温度下，液体开始汽化的临界压力为该温度下的汽化压力(Pb)2.水轮机的汽蚀(1)汽蚀破坏的机理由可知，当V↑→P↓,当P=Pb时，水开始汽化→汽泡（水蒸气+空气）→进入高压区（汽泡时蒸气变成水，汽泡内气体稀薄，出现强大真空，汽泡外面的水流质点在内外压差的作用下急速向汽泡中心压缩、冲击）在汽泡内形成很大的微观水击压力（可达几百大气压）；汽泡产生反作用力向外膨胀，压力升高，水流质点向外冲击。CgvZpE222大量汽泡连续不断地产生与溃灭，水流质点反复冲击，使过流通道的金属表面遭到严重破坏→机械破坏，叫疲劳剥蚀。汽泡被压缩，由于体积缩小，汽化破坏时水流质点相互撞击，引起局部升高(300度)，汽泡的氧原子与金属发生化学反应，造成腐蚀；同时由于温度升高，产生电解作用→化学腐蚀。(2)水轮机汽蚀定义汽泡在溃灭过程中，由于汽泡中心压力发生周期性变化，使周围的水流质点发生巨大的反复冲击，对水轮机过流金属表面产生机械剥蚀和化学腐蚀破坏的现象，称水轮机的汽蚀。3.汽蚀造成的危害使过流部件机械强度降低，严重时整个部件破坏。增加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降低，流量减小，出力下降。机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏。缩短了机组检修的周期，增加了检修的复杂性。消耗钢材、延长工期；二、水轮机汽蚀类型翼形（叶片）汽蚀：转轮叶片背面出口处产生的汽蚀，与叶片形状、工况有关。反击式水轮机主要汽蚀形式。间隙汽蚀：当水流通过间隙和较小的通道时，局部流速增大，压力降低而产生汽蚀。空腔汽蚀：在非最优工况时，水流在尾水管中发生旋转形成一种对称真空涡带，引起尾水管中水流速度和压力脉动，在尾水管进口处产生汽蚀破坏，造成尾水管振动。局部汽蚀：在过流部件凹凸不平因脱流而产生的汽蚀。三、水轮机的汽蚀系数反击式水轮机发生汽蚀破坏的根本原因是过流通道中出现了ppb的情况，因此防止汽蚀的措施是限制p的降低，使p≥pb。影响水轮机效率的主要原因是翼型汽蚀，所以衡量水轮机汽蚀性能好坏一般是针对翼型汽蚀而言，其标志为汽蚀系数。汽蚀系数б是水轮机汽蚀特征的一个标志，б越大，越容易破坏通过研究叶片上的压力分布情况，得到叶片上压力最低点（一般为叶片背面靠近转轮叶片出口处)K点的压力为：K点的真空值Hk.v：)22(22222gVgWWHppHwkskakv)22(22222gVgWWHppwksak静力真空Hs是吸出高度，取决于水轮机的安装高程，与水轮机的性能无关；动力真空hk与转轮叶型、水轮机工况、尾水管性能有关，因此表明汽蚀性能的只是动力真空：б称水轮机的汽蚀系数，是动力真空的相对值。б与叶型、工况有关，Wk大——W2大——б大。б与尾水管的性能有关，ηw↑→б↑，汽蚀性能差。几何形状相似的水轮机，工况相似，б相同；对任一水轮机在既定工况下，б也是定值。б值影响因素复杂，理论难以确定，广泛使用的方法是进行水轮机模型试验得出бm,并认为б=бm。)(21/22222VWWgHHhwkk四、防止汽蚀措施流速和压力是产生汽蚀最重要的两个原因，因此要控制流速和压力的急剧变化。1.设计制造方面：合理选型，叶型流线设计，表面光滑，抗汽蚀钢衬(不锈钢)。2.工程措施：合理选择安装高程，采取防沙、排沙措施，防止泥沙进入水轮机。3.运行方面：避开低负荷、低水头运行，合理调度，必要时在尾水管补气。第四节水轮机的吸出高度和安装高程一、水轮机的吸出高度)22(22222gVgWWHppwksakHppHBasHHms)(9000.10HkHms9000.10HHpsa保证水轮机内不发生汽蚀的条件：pk≥pB水轮机吸出高度Hs是转轮叶片压力最低点到下游水面的垂直高度Zk，随工况而改变，规定如下：(1)立轴混流式水轮机：导叶下部底环平面到下游尾水垂直高度(2)立轴轴流式水轮机：转轮叶片轴线到下游尾水垂直高度(3)卧轴贯流式水轮机：Hs叶片出口最高点到下游尾水垂直高度(4)设计尾水位高于上述高程Hs为负，反之为正(5)为保证水轮机在运行中不发生汽蚀，对各种工况下Hs进行试验，取其中较小值。二、水轮机的安装高程1.立轴HL：导叶中心平面高程Za=▽w+Hs+b0/22.立轴ZL：导叶中心平面高程Za=▽w+Hs+xD13.卧轴HL和GL：轴中心高程Za=▽w+Hs-D1/2注：▽w：水电站设计尾水位,选用水电站最低尾水位（一台机级组满负荷运行时）b0：水轮机导叶高度；D1：转轮直径再见