蜗壳及尾水管的水力计算

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 i

r ϕϕ=360

（7—6）

于是，蜗壳进口断面的流量为 Q Q r 00

360

=

ϕ

（7—7）

进口断面的面积为

F Q v Q

v r 00000

360=

=ϕ （7—8） 圆形断面蜗壳的进口断面半径为 ρπ

ϕπmax =

=

F Q v r

00

360 （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 a

i

ϕ=

⎰

（7—10）

因v r K u =，则v K r u =/，代入式（7—10）得： Q K

b

r

dr r R a

i

ϕ=⎰

（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 a

a i

r R i

d r

ρi

b

v u

v r

v

i

ϕ

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

FJD34270 FJD

水利水电工程技术设计阶段

水道水力过渡过程计算大纲范本

水利水电勘测设计标准化信息网

1998年3月

1

水电站技术设计阶段水道水力过渡过程计算大纲

主编单位:

主编单位总工程师:

参编单位:

主要编写人员:

软件开发单位:

软件编写人员:

勘测设计研究院

年月

2

目次

1. 引言 (4)

2. 设计依据文件和规范 (4)

3.计算基本资料 (4)

4.大波动水力过渡过程计算 (7)

5.小波动水力过渡过程计算 (15)

6.专题研究（必要时） (16)

7.应提供的设计成果 (17)

3

１引言

＿＿抽水蓄能电站位于＿＿，在电力系统中的功能是＿＿。电站总装机容量＿＿MW，单机容量＿＿MW。机组型号＿＿。电站开发方式(首部开发、中部开发、尾部开发) ＿＿。引水系统由＿＿组成。

本工程为＿＿等工程。可行性研究报告于＿＿年＿＿月审查通过。

2 设计依据文件和规范

2.1 有关本工程文件

(1) 工程可行性研究报告；

(2) 工程可行性研究报告审批文件；

(3) 技术设计任务书。

2.2 主要设计规范

(1) SD 303—88 水电站进水口设计规范

(2) SD 144—85 水电站压力钢管设计规范(试行)

(3) DL/T 5058-1996 水电站调压室设计规范

(4) SDJ 173—85 水力发电厂机电设计技术规范

(5) SD 134—84 水工隧洞设计规范(试行)

(6) GB 9652—88 水轮机调速器与油压装置技术条件

2.3 参考资料和手册

《水电站机电设计手册》(水力机械部分)。

3 计算基本资料

3.1 水库(水池)特征水位

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

浅谈水轮机选型计算

张彪

(南宁广发重工集团发电设备公司广西南宁530031)

摘要：简单介绍了水轮机的形式、适用范围、特点、水轮机选型的步骤、蜗壳、尾水管的尺寸计算及调速设备和油压装置的选择方法。阐述水轮机各种机型特点及水轮机技术参数之间的相互关系。

关键词：水轮机选型、蜗壳、尾水管、进水阀门、调速器、油压装置

原则

选型计算的一般原则概括为以下几点：

①所选定的水轮机应有较高的效率。不仅要选择效率高的转轮型号，而且还要根据水轮机的模型综合曲线和真机工作特性曲线选择工作范围最好的转轮，以保证水轮机运行时有较高的工作效能；

②所选定的水轮机转轮直径应较小。较小的转轮直径将使机组获得较高的转速，从而缩小机组尺寸，降低机组造价。

③所选定的水轮机应有良好的汽蚀性能和工作稳定性(压力脉动小)。

④优先考虑套用已有型号转轮直径接近的机组。

内容

(1)、确定机组台数及单机容量

(2)、选择水轮机型式（型号）

(3)、确定水轮机参数D1、Q、n、Hs、ns、F、Z0、do。

(4)、绘制水轮机运转特性曲线

(5)、估算水轮机的外形尺寸、重量及价格、蜗壳、尾水管的形式、尺寸、调速器及油压装

置选择

(6)、根据选定水轮机型式和参数，结合水轮机在结构上、材料、运行等方面的要求，拟定

并向厂家提出制造任务书，最终由双方共同商定机组的技术条件，作为进一步设计的依据。

水轮机选型过程中，根据水电站所需要的开发方式、动能参数、水工建筑物布置等，并考虑已生产的水轮机的参数拟选若干方案进行技术经济的综合比较，最终确定水轮机的最佳型式与参数。

水轮机选型计算内容

第一节概述

一、水电站的不稳定工况

机组在稳定运行时，水轮机的出力与负荷相互平衡，这时机组转速不变，水电站有压引水系统(压力隧洞、压力管道、蜗壳及尾水管)中水流处于恒定流状态。

在实际运行过程中，电力系统的负荷有时会发生突然变化(如因事故突然丢弃负荷，或在较短的时间内启动机组或增加负荷)，破坏了水轮机与发电机负荷之间的平衡，机组转速就会发生变化。此时水电站的自动调速器迅速调节导叶开度，改变水轮机的引用流量，使水轮机的出力与发电机负荷达到新的平衡，机组转速恢复到原来的额定转速。由于负荷的变化而引起导水叶开度、水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况。其主要表现为：

(1) 引起机组转速的较大变化

由于发电机负荷的变化是瞬时发生的，而导叶的启闭需要一定时间，水轮机出力不能及时地发生相应变化，因而破坏了水轮机出力和发电机负荷之间的平衡，导致了机组转速的变化。丢弃负荷时，水轮机在导叶关闭过程中产生的剩余能量将转化为机组转动部分的动能，从而使机组转速升高。反之增加负荷时机组转速降低。

(2) 在有压引水管道中发生“水锤”现象

当水轮机流量发生变化时，管道中的流量和流速也要发生急剧变化，由于水流惯性的影响，流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的压力随之变化，即产生水锤。导叶关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则造成压力下降。反之导叶开启时，在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中引起压力上升。

(3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。无压引水系统中产生的水位波动计算在第八章已介绍。

第一节概述

一、水电站的不稳定工况

机组在稳定运行时，水轮机的出力与负荷相互平衡，这时机组转速不变，水电站有压引水系统(压力隧洞、压力管道、蜗壳及尾水管)中水流处于恒定流状态。

在实际运行过程中，电力系统的负荷有时会发生突然变化(如因事故突然丢弃负荷，或在较短的时间内启动机组或增加负荷)，破坏了水轮机与发电机负荷之间的平衡，机组转速就会发生变化。此时水电站的自动调速器迅速调节导叶开度，改变水轮机的引用流量，使水轮机的出力与发电机负荷达到新的平衡，机组转速恢复到原来的额定转速。由于负荷的变化而引起导水叶开度、水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况。其主要表现为：

(1) 引起机组转速的较大变化

由于发电机负荷的变化是瞬时发生的，而导叶的启闭需要一定时间，水轮机出力不能及时地发生相应变化，因而破坏了水轮机出力和发电机负荷之间的平衡，导致了机组转速的变化。丢弃负荷时，水轮机在导叶关闭过程中产生的剩余能量将转化为机组转动部分的动能，从而使机组转速升高。反之增加负荷时机组转速降低。

(2) 在有压引水管道中发生“水锤”现象

当水轮机流量发生变化时，管道中的流量和流速也要发生急剧变化，由于水流惯性的影响，流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的压力随之变化，即产生水锤。导叶关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则造成压力下降。反之导叶开启时，在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中引起压力上升。

(3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。无压引水系统中产生的水位波动计算在第八章已介绍。

水电站厂房课程设计计算书

1．蜗壳单线图的绘制 1.1 蜗壳的型式

根据给定的基本资料和设计依据，电站设计水头Hp=46.2m ，水轮机型号 ：HL220-LJ-225。可知采用金属蜗壳。又Hp=46.2m>40m ，满足《水电站》（第4版）P32页对于蜗壳型式选择的要求。

1.2 蜗壳主要参数的选择

金属蜗壳的断面形状为圆形，根据《水电站》（第4版）P35页可知：为了获得良好的水力性能及考虑到其结构和加工工艺条件的限制，一般取蜗壳的包角为0345ϕ=。

通过计算得出最大引用流量max Q 值，计算如下： ○

1水轮机额定出力：15000

156250.96

f

r

f

N N KW η=

=

= 式中：60000150004

f KW

N KW =

=，0.96f η=。 ○

2'31max 3

3

2222115625

1.11 1.159.819.81

2.2546.20.904

r

p N Q m s D H η

==

=<⨯⨯⨯（水轮

机在该工况下单位流量''311 1.15M Q Q m s ==由表3-6查得）。

○

3'23max

1max 1 1.11 2.2538.2Q Q D m s ==⨯=。

由蜗壳进口断面流量max 0360

c Q Q ϕ=

，得3345

38.236.61/360c Q m s =⨯=。 蜗壳进口断面平均流速V c 由《水电站》（第4版）P36页图2-8（a ）查得，

5.6/c V m s =。

由《水力机械》第二版，水利水电出版社）附录二表5查得：

3250,3850b a D mm D mm ==，则1625 1.625,1925 1.925b a r mm m r mm m ====。

第二章蜗壳及尾水管的水力计算

第1节蜗壳水力计算

一.蜗壳尺寸确定

水轮机的引水室是水流进入水轮机的第一个部件，是还击式水轮机的重要组成局部。引水室的作用是将水流顺畅且轴对称的引向导水机构。引水室有开敞式、罐式和蜗壳式三种。蜗壳式是还击式水轮机中应用最普遍的一种引水室。它是用钢筋混凝土或者金属制造的封闭式布置，可以适应各种水头和流量的要求。水轮机的蜗壳可分为金属蜗壳和混凝土蜗壳两种。

1.蜗壳形式

蜗壳自鼻端到进口断面所包围的角度称为蜗壳的包角，水头大于40m时一般采用混

凝土蜗壳，包角；当水头较高时需要在混凝土中布置大量的钢筋，造价可能比混凝土蜗壳还要高，同时钢筋布置过密会造成施工困难，因此多采用金属蜗壳，包角。本电站最高水头为174m，故采用金属蜗壳。

2.座环参数

根据水轮机转轮直径D1查[1].P 128页表2—16得：

座环出口直径:

座环进口直径:

蜗壳常数K=100〔mm〕、r=200〔mm〕

3.蝶形边锥角ɑ

取

4.蝶形边座环半径

5.蝶形边高度h

6.蜗壳圆形断面和椭圆形断面界定值s

7.座环蝶形边斜线L

8.座环蝶形边锥角顶点至水轮机轴线的距离

二.蜗壳进口断面参数计算

1.蜗壳进口流量Q0的计算

由HLD10运转综合特性曲线查得: Pr=35833.3(kW)、Hr=158.75〔m〕、ηT=0.905

2.蜗壳进口断面面积F0的计算

根据水头查设计手册图2—21得：v0=11m/s

3.蜗壳进口断面半径ρ0的计算

4.进口断面圆心至水轮机中心线的距离α0

查[1].P128表2—16金属蜗壳座环尺寸系列得：k=0.1m、D a=3.25m、D b=2.725m

蜗壳计算

第⼆节蜗壳计算

⼀、蜗壳形式、进⼝断⾯参数选择

1、蜗壳形式选择

由于应⼒强度的限制，钢筋混凝⼟的蜗壳只能在40m ⽔头以下的电站中采⽤，⽽对于40m 以上⽔头的电站来说，只能采⽤⾦属蜗壳。

根据原始资料，本次设计电站的最⼤⽔头为110m ，故应选择⾦属蜗壳。

2、蜗壳进⼝断⾯参数选择（1）包⾓?的选择

混凝⼟蜗壳包⾓?通常选择在

270~180之间，⽽⾦属蜗壳的包⾓通常在

350~340之间，故选取包⾓345??=。

（2）选择进⼝断⾯平均流速0v

增⼤平均流速

v

-

可以在保证流量的前提下减⼩蜗壳尺⼨，但过⼤的0v ⼜会增加损失从

⽽降低效率，故应尽量合理选择。

v

-

=K H ＝0.79﹡.6103=8.05（m/s ）参【1】P119

K 为蜗壳的流速系数，与⽔头有关，查得0.79 参【2】P120 图（5-14） H 为⽔轮机设计⽔头。（3）确定进⼝断⾯的流量0Q 计算公式如下： 200

0111360

360

T Q

Q Q D H ??=

=

限 =251.5 m 3/s 参考【2】P 124

0为进⼝断⾯的包⾓。

（4）计算进⼝断⾯⾯积0F 计算公式如下： 0

0v Q F =

=251.5／8.05=31.24 ㎡/s （5）计算进⼝断⾯半径

0ρ

计算公式如下：

=

π

4

.231=3.15 m 参考【2】P 124

（6）确定座环内外径

a D 、

b D

m

r m K m D m

D b a 4.015.06.68.7==== 参考【2】P 128表2-16

（7）确定碟形边锥⾓α

由座环⼯艺决定，⼀般取55α?

=。

（8）计算碟形边⾼度h 计算公式如下：

第二节 蜗壳计算

一、 蜗壳形式、进口断面参数选择

1、蜗壳形式选择

由于应力强度的限制，钢筋混凝土的蜗壳只能在40m 水头以下的电站中采用，而对于40m 以上水头的电站来说，只能采用金属蜗壳。

根据原始资料，本次设计电站的最大水头为110m ，故应选择金属蜗壳。

2、蜗壳进口断面参数选择 （1） 包角ϕ的选择

混凝土蜗壳包角ϕ通常选择在

270~180之间，而金属蜗壳的包角通常在

350~340之间，故选取包角345ϕ︒=。

（2） 选择进口断面平均流速0v

增大平均流速

v

-

可以在保证流量的前提下减小蜗壳尺寸，但过大的0v 又会增加损失从

而降低效率，故应尽量合理选择。

v

-

=K H ＝0.79﹡.6103=8.05（m/s ） 参【1】P119

K 为蜗壳的流速系数，与水头有关，查得0.79 参【2】P120 图（5-14） H 为水轮机设计水头。 （3） 确定进口断面的流量0Q 计算公式如下： 200

0111360

360

T Q

Q Q D H ϕϕ=

=

限 =251.5 m 3/s 参考【2】P 124

ϕ0为进口断面的包角。

（4）计算进口断面面积0F 计算公式如下： 0

0v Q F =

=251.5／8.05=31.24 ㎡/s （5）计算进口断面半径

0ρ

计算公式如下：

π

ρ0

0F =

=

π

4

.231=3.15 m 参考【2】P 124

（6）确定座环内外径

a D 、

b D

m

r m K m D m

D b a 4.015.06.68.7==== 参考【2】P 128表2-16

（7） 确定碟形边锥角α

由座环工艺决定，一般取55α︒