第五章 反击式水轮机的基本结构(二)

弯肘形尾水管的选择及计算
与直锥型尾水管的不同之处在于弯肘形尾水管的轴 心线为曲线，整个尾水管由不同断面形状组织而成。 选择弯肘形尾水管就是根据电站机组的具体条件选择 各组合断面的几何参数。 参数选择原则：
一方面要尾水管有较高的能量指标，增加尾水管的 高度，即恢复系数要大，这会对电站带来长期的经济 效益；
行，防止产生飞逸。
水轮发电机组在工作中水头或负荷（出力）变化时， 转速是固定不变的，就必须调节通过的流量。理想的 调节机构是在运行工况变化时，仅仅只改变流量而水 头损失很小。
水轮机流量调节方程
Q
r2

gH
1
2b0
ctga0

r2 A2
ct g 2
流量调节可通过改变：
导叶高度 b0
转轮叶片角度 β2
电力系统的负荷处于非规律性变化，根据水轮发 电机组出力变化灵活的特点，要求其出力可进行动 态调节。
对磁极对数确定的水轮发电机，输出电能的频率 取决于机组的转速，因此要保持机组供电频率不变， 则必须维持机组转速不变，一般要求不得超过 ±0.1%-±0.4%。
水轮机调节的基本任务：根据负荷的变化不断调节 水轮发电机组的出力，并维持机组转速在规定范围 内；还有机组起动、并网和停机等任务。
机组转速下降。应增大水轮机流量，从而增大Mt，以
达到Mt=Mg的新平衡状态。
水轮机调节系统过渡过程：系统以频率（即机组转速） 为被调节参数，根据实测频率与给定值间的偏差调节 导水机构的开度，从而改变机组的出力和转速（频 率)，但要使改变后的频率符合给定值，需要一个调 节过程。
在过渡过程中频率、开度等参数随时间的变化情况， 及在经过一段时间以后是否能达到新的平衡状态（稳 定工况），与调节系统的特性有关，这种特性称调节 系统的动特性。
三种情况：
J
d
dt

Mt

Mg
（1）水轮机动力矩等于发电机阻力矩 ，dω/dt=0
ω=常数，机组以恒定转速运行。
（2）水轮机动力矩大于发电机阻力矩， dω/dt>0 ，
机组转速上升。应减小水轮机流量，从而减小Mt，以
达到Mt=Mg的新平衡状态。
（3）水轮机动力矩小于发电机阻力矩， dω/dt<0 ，
第四节 反击式水轮机导水机构
一、导水机构的作用和类型
反击式水轮机导水机构如百叶窗， 调节时同步绕自身轴线转动，以改变 水流的出口角。
导水机构的主要作用： 其一，根据电力系统负荷的变化，调节水轮机流量，
以适应系统对机组出力的要求； 其二， 形成和改变进入转轮的水流环量，以满足水
轮机对进入转轮前水流环量的要求； 其三，在机组甩负荷时，导叶关闭使水轮机停止运
1—负曲度叶型；2—对称叶型 3—正曲度叶型
3. 导水机构高度b0及最大开度a0max 比转速越高流量就越大，导叶应该做得高一些，否
则就要增加开度。开度过大导叶片将会接近于径向开 度，将增加导叶及转轮内的流动损失。
比转速低流量相对较小，如果导叶过高，则对应的 开度将很小，水流从两片导叶之间的窄缝中流出，也 会引起较大的损失。

2g
尾水管相对水力损失：


H

V22 2gH
1
尾水管的恢复系数≠尾水管的相对损失
尾水管对高比转速轴流式水轮机比对混流式水轮机更
重要。高比转速转轮出口动能占总水头的40%左右，而
低比转速却不到1%。以尾水管恢复系数按75%估算，则
高比转速水轮机尾水管相对水力损失达10%，而低比转
水轮机自动调节系统： 1、调节对象（水轮机及其导水机构） 2、调速器（包括接力器）
机组转速动力方程
J
d
dt

Mt

Mg
J- 机 组 转 动 部 分 惯 性 矩 ； ω- 机 组 旋 转 角 速 度 ， ω=πn/30，n为转速；Mt-水轮机动力矩；Mg-发电 机阻力矩。
Mt

QH
只有流量Q易于改变，来改变水轮机的动力矩Mt。
减轻。但是加工量增加，
2.5~8.5
24
结构较复杂。
9 以上
32
4. 导叶数Z0、导叶轴线分布圆直径D0及导叶弦长L 导叶分布圆直径D0宜
尽量缩小，以减小机组 体积和重量，以导叶在 最大可能开度下不致与 转轮叶片相碰为限。
D0 / D1 1.13 ~ 1.30
按导水机构能紧密关 闭的原则，确定叶栅密 度和翼弦长度L0：
允许的最大开度： 混流式水轮机：设计水头下额定出力时的开度值，此 开度值如果小于最低水头下5%出力限制线上的开度值 时，则取后者为最大开度。 转桨式水轮机：通常根据允许的吸出高度来确定。
相对开度：导叶在任意位置时的开度a0与最大径向开 度a0max的比值。
a0

a0 a0 max

a0 Z 0
D1
静特性：稳定工况（平衡状态）时各参数之间的关 系。也与调节系统的特性有关，
调速器类型：
机械液压调速器：自动控制部分为机械元件。 电气液压调速器：自动控制部分为电气元件。 微机调速器：自动控制部分为微型电子计算机。
操作部分均采用液压系统 液压系统中，油压装置向调速器提供压力油，以推 动接力器等部件，实现导叶转动。
另一方面又要求减小电站水下开挖量及混凝土量， 土建工程最小，即减少电站一次性投资。
影响弯肘形尾水管性能的三个因素： （1）尾水管的深度：水轮机 导水机构底环平面至尾水管底 板平面之间的距离。
深度越大直锥段的长度可 取大一些，因而降低其出口即 肘管段进口及后面的流速，有 利于降低肘管内损失。
尾水管深度对运行稳定性影响很大，特别是混流式 水轮机因叶片角度不能调整而容易产生偏心涡带及振 动，研究表明：采用较大的深度可改善尾水管偏心涡 带所引起的振动。
因此，对应于某一比 转速的水轮机，应有一 个最佳的导叶高度和最 佳的出口角或开度。
4. 导叶数Z0、导叶轴线分布圆直径D0及导叶弦长L
导叶数影响进入转轮 水流的均匀度。数目多叶
导叶数目 转轮直径 D1
(m)
导叶数 Z0
栅稠密度大、出水流速分
1.0 以内
12
布均匀，且单片导叶重量
1.0~2.25
16
导叶出水角 α0
按水流流经导叶时与水轮机轴线的相对位置，导水 机构可分为：
1）径向式导水机构 混流式和轴流式水轮机
2）轴向式导水机构 贯流式、灯泡贯流式
3）斜向式导水机构 斜流式水轮机
二、径向式导水机构的几何参数
1. 导叶开度 a0 导叶出口边与相邻导叶体之间的最短距离。
表征水轮机在流量调 节过程中，导叶安放位 置的一个参数。当导叶 处于径向位置时为最大 径向开度值a0max。

V22
2g
尾水管恢复系数：实际恢复动能 与理想恢复功能的比值。表征了 尾水管的质量，反映了其转换动 能的能力，也称尾水管的效率。
水流经尾水管总的损失为内部
水力损失与出口动能损失之和：


h

V52 2g

V22 2g
1


V22 2g
h
V22
V52 2g
Q
r2

gH
1
2b0
ctga0

r2 A2
ct g 2
开度相同的情况下，出 口角大者、过流量也大。
出口角相同时，尽管开 度各不相同，但过流量却 很接近。
因此决定流量变化及转 轮前流态的参数不是开度， 而是导叶出口角。
某一固定形状的导叶， 开度和出口角一一对应， 故可以用开度来表示导水 机构的工作参数。
V22 ) 2g
E

Hd
V22 2g
一、尾水管的作用
E

E1

E2

(H d

Pa ) ( P2
g g
V22 ) 2g
2.圆形尾水管
h
Hs

P2
g
V22 2g

Pa
g

h


V2 25
2g
h
吸出高度 静力真空
Pa P2
g
Hs
h
12—连杆；13—推拉杆；14—控制环；15—支座；16—补气阀
第五节 水轮机调节
电力系统向用户提供的电能质量：频率和电压应 保持在额定值附近的一定范围内。我国规定电力系 统频率为50Hz，偏差在0.2-0.5Hz。
否则将引起用电设备的转速变化，引起严重后果， 如电钟计的准确性、数控机床精度、布匹纤维的均 匀性等。
影响弯肘形尾水管性能的三个因素： （1）尾水管的深度
混流式水轮机： 当转轮进口直径D1小于转轮出口直径D2时，h≥2.6D1
第六节 反击式水轮机尾水管
一、尾水管的作用
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（如转轮安装 得低于下游水位，此功能不存在），形成转轮出口处 静力真空； 3．利用转轮出口水流 的动能，将其转换成为 动力真空。
直接影响到水轮机的 效率和稳定性。
一、尾水管的作用
转轮利用能量
a0 max
Dra
Z0


Z0
(D0
2L1)
a0 max

D1
Z0
导叶最大开度 a0max：导叶可能达到的最大开度。 导水机构在最大开度、径向位置工作时，水力损失
很大，水流在转轮前不能形成环量。根据水轮机基本 方程式，要产生旋转机械能就需要在转轮出口有负环 量，这样，进入尾水管的能量大大增加，又会形成很 大的损失。不允许导叶在径向位置运行。

V22 V52 2g
h

动力真空
E Biblioteka HdV22 2g

H s

h


V22 2g

V52 2g

圆形尾水管
E

Hd

V22 2g

(Hs

h )
没有尾水管
E

Hd

V22 2g
一、尾水管的作用
断面2处 真空值
Pa P2
g

Hs
E

Hd

V22 2g

(Hs

h
)
没有尾水管
E

Hd
V22 2g
一、尾水管的作用
3.扩散型尾水管
E

E1

E2

(H d

Pa ) ( P2
g g
V22 ) 2g
P2
g

Pa
g
Hs
V22 V52 2g
h
断面2处 真空值
Pa P2
g

Hs

L0Z0 1.1
D0
三、径向式导水机构的基本结构
基本要求 1.导水机构过流部件的尺寸应与模型水轮机相应部
件的尺寸保持几何相似，过流部件表面应光滑以减小 水力损失；
2.导水机构的最大开度要可靠并应留有一定的裕量， 以保证水轮有足够的过水能力；
3.导水机构应有安全保护装置，以防止导叶因硬物 卡住而引起主要传动零件破坏，并能尽快断流防止水 轮机飞逸；
对几何相似的水轮机相对开度值相同： a0 a0M
a0

D1 D1M
aoM
中小型水轮机真机与模型的导水机构，由于结构原
因不能保持几何相似。为此使真机导水机构的出水角
与模型相等，来获得导水机构出口水流的相似关系。
2. 导叶出水角 α0 导叶出口角αd: 导叶出口边处骨线与圆周方向的夹角。
对于稠密叶栅，水 流的出流方向就是导 叶出口角，称为导叶 出水角α0。
三、径向式导水机构的基本结构
基本要求 4.应便于安装和检修，特别是调正导叶端面和立面
间隙时操作要简便； 5.在停机时应有良好的封水性能； 6.导叶传动机构应灵活，各个零部件之间的摩擦应
有良好的润滑，结构要简单。
1、4、6—尼龙轴瓦；2—导水机构底环；3—导叶；5—轴套； 7—水轮机顶盖；8—连接板；9—转臂；10—分半键；11—剪断销；
速的仅为0.25%左右。
二、尾水管的基本形式
1.直锥形尾水管 恢复系数比较高，
可达到83%以上。
2．弯曲形尾水管 进口锥管 肘管 扩散管 弯肘形增加了转弯的附加水
力损失、出口水流不均匀性的 水力损失，因此恢复系数较直 锥形尾水管低。
三、尾水管选择
小型机组上多采用圆形断面的直锥形尾水管。 大型卧式机组（例如大型贯流式水轮机），为了 减少水电站的土建投资并保证尾水管有足够的淹没深 度，通常将直锥管的出口做成矩形断面，加大水平方 向尺寸而减少高度方向尺寸。 大型立式机组，由于土建投资占电厂投资比例很 大，因此在电站设计中，要尽量降低水下开挖量和混 凝土量，应选用弯肘形尾水管。


V22 V52 2g
h
3.扩散型尾水管
动力真空
设扩散形尾水管内没有水力损
失 ： hω=0 ， 且 出 口 断 面 为 无 穷 大V5=0，没有动能损失。此时断
面2处的理想动力真空就等于转
轮出口的全部功能： V22 2 g


V22 2g
h


V52 2g
E

E1

E2

(H d

Pa )
g
( P2
g

V22 ) 2g
由于三种情况下，转轮出口处压力P2及V2的差异，
导致转轮前后能量差的不同。
没有尾水管 圆柱形尾水管 扩散型尾水管
一、尾水管的作用
1.没有尾水管
P2 Pa
g g
E

E1

E2

(H d

Pa )
g
( P2
g