计水轮机尾水管回收能量的认识与尾水管简单设计

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。

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。

水轮机尾水管课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解水轮机尾水管的基本结构及其在水力发电过程中的作用；2. 学生能够掌握水轮机尾水管的设计原理和计算方法；3. 学生能够了解水轮机尾水管对水轮机性能的影响。

技能目标：1. 学生能够运用相关知识对水轮机尾水管进行简单的设计计算；2. 学生能够通过实例分析，评估不同尾水管设计对水轮机效率的影响；3. 学生能够运用绘图软件绘制水轮机尾水管的结构图。

情感态度价值观目标：1. 学生通过学习水轮机尾水管的设计，培养对水利工程建设的兴趣和热情；2. 学生在学习过程中，增强团队协作意识，提高沟通与交流能力；3. 学生能够认识到水轮机尾水管设计的重要性，增强对能源利用和环境保护的意识。

课程性质：本课程为应用实践型课程，以理论教学为基础，注重培养学生的实际操作能力和创新能力。

学生特点：初三学生，具有一定的物理基础和数学计算能力，对水利工程有一定的了解，好奇心强，喜欢动手实践。

教学要求：结合学生特点，采用讲授、实例分析、小组讨论等多种教学方法，引导学生掌握水轮机尾水管的设计原理和方法，提高学生的实际应用能力。

在教学过程中，注重学生的主体地位，激发学生的兴趣和积极性，培养学生的创新思维和团队协作精神。

通过课程学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续相关课程打下坚实基础。

二、教学内容1. 水轮机尾水管的结构与功能：介绍水轮机尾水管的基本结构，包括尾水管、弯头、扩散段等组成部分，分析其功能在水力发电过程中的作用。

2. 水轮机尾水管设计原理：讲解水轮机尾水管的设计原理，涉及流体力学的相关知识，如流速、流量、压力等，以及尾水管尺寸、形状与水轮机性能的关系。

3. 水轮机尾水管设计计算：依据教材相关章节，引导学生学习尾水管设计计算方法，包括流量计算、压力损失计算等，并通过实例进行讲解。

4. 水轮机尾水管对性能影响：分析不同尾水管设计对水轮机效率、稳定性等性能的影响，结合实际工程案例，让学生了解优化设计的重要性。

水电站课程设计一:计算水轮机安装高程参考教材,立轴混流式水轮机的安装高程Z s 的计算方法如下:0/2s s Z H b ω=∇++式中ω∇为设计尾水位,取正常高尾水位1581。

20m ；0b 为导叶高度，1。

5m ；s H 为吸出高度，m 。

其中,10.0()900s m H H σσ∇=--+∆ 式中，∇为水轮机安装位置的海拔高程，在初始计算时可取为下游平均水位的海拔高程，设计取1580m ；m σ为模型气蚀系数，从该型号水轮机模型综合特性曲线(教材P69）查得m σ=0。

20，σ∆为气蚀系数的修正值，可在教材P52页图2—26中查得σ∆=0.029;H 为水轮机水头，一般取为设计水头，本设计取H=38m 。

水头H max 及其对应工况的m σ进行校核计算。

10.0()900s m H H σσ∇=--+∆=10.0-1580900—(0.2+0。

029）⨯38=-0。

458 0/2s s Z H b ω=∇++=1581.20—0。

458+1。

5/2=1581。

49m 。

二：绘制水轮机、蜗壳、尾水管和发电机图2。

1水轮机的计算图1。

1 转轮布置图如图所示,可得HL240具体尺寸：表1.11 转轮参数表2。

2 蜗壳计算进口断面尺寸计算 （1)进口断面流量的确定由资料，该水电站初步设计时确定该电站装机17.6×410kW,电站共设计装4台机组,故每台机组的单机容量为17。

6×410kW ÷4=4.4×410kW 。

由水轮机出力公式:9.81N QH QH ωγ===4.4×410kW 式中:Q 为水轮机设计流量（3/m s ）；H 为设计水头,m ；由设计资料得H=38.0m 。

所以,4×10//=118.039.81 4.4Q N H ω=⨯=（9.8138.0）（3/m s ）进口断面流量计算公式： 00360Q Q ϕ=0360Q Q ϕ==345118.03360⨯=113.11（3/m s ) 式中:ϕ0-蜗壳包角，通常均采用3450Q-水轮机设计流量，Q =118.03m 3/s （2)进口断面流速的确定蜗壳进口断面平均流速可由教材P36(图2-8a,已知设计水头38。

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。

2023年一级造价师之建设工程技术与计量（水利）精选试题及答案一单选题（共30题）1、地下厂房洞室群开挖过程中，（）的施工是地下厂房洞室群的关键，制约着整个施工进度。

A.主.副厂房的施工B.主变压器场C.低压开关站D.高压开关站【答案】 A2、排水设施是土石坝的重要组成部分，在排水型式分类中，（）伸入坝体内部。

A.棱体排水B.贴坡排水C.褥垫排水D.组合式排水【答案】 C3、填筑土石坝的黏性土料含水量偏低，应在（）加水。

A.料场B.运输途中C.填筑坝面D.养护期间【答案】 A4、土的液相指固体颗粒之间的水，分为( ) 和自由水两大类。

A.重力水B.毛细管水C.强结合水D.结合水【答案】 D5、拱坝坝址的地基处理措施不包括（）。

A.固结灌浆和接触灌浆B.基坑排水C.断层破碎带处理D.防渗帷幕【答案】 B6、物料称量系统是影响混凝土质量和混凝土生产成本的关键部件，主要分为骨料称量、粉料称量和液体称量三部分，在50m3/h以上的搅拌站中，多采用各种物料独立称量的方式，水泥称量精度（）。

A.≤0%B.≤0.1%C.≤1.0%D.≤2.0%【答案】 C7、根据施工场地的不同，铲运机常用的开行路线不包括（）。

A.圆形开行路线B.“8”字形开行路线C.大环形开行路线D.连续式开行路线【答案】 A8、下列不属于机电设备安装工程费的是（）。

A.安装前的开箱检查费用B.焊缝检查及处理费用C.仓储保管费用D.主体设备及随机成套供应的管路与附件安装费用【答案】 B9、岩体基本质量分级是根据岩体基本质量的定性特征和（）。

A.岩体基本质量指标B.岩石坚硬程度C.岩体完整程度D.岩石风化程度【答案】 A10、正铲挖掘机不适用于（）。

A.开挖高度大于1m的干燥基坑B. 开挖含水量不大于27%的Ⅰ～Ⅲ类土C. 可以挖掘大型干燥基坑和土丘D. 开挖停机面或地表以上的土【答案】 A11、土石方平衡调配的基本原则不包括（）。

A.料尽其用B.时间匹配C.容量适度D.安排合理【答案】 D12、下列关于造孔成槽的说法正确的是（）。

对水轮机尾水管回收动能机理的认识一、水轮机的尾水管的作用1、将转轮出口的水流平顺地引向下游.2、利用下游水平面至转轮出口处的高程差，形成转轮出口处的静力真空，从而利用转轮的吸出高度 。

3、回收转轮出口的水流动能，将其转换为转轮出口处的动力真空，减少了转轮出口的动能损失，从而提高水轮机效率。

二、水轮机尾水管的工作原理由能量平衡方程：设转轮所利用的水流能量为ΔE△Ｅ=取2-2断面为基准面，则△Ｅ=() (1）(1）转轮出口没有装置尾水管水轮机没有装置尾水管，转轮出口直接与大气相通，则代入（1）式可得转轮所利用的能量为a p p =2())2(20221-∆+-=∆E h gH d υ（2）转轮出口装置圆柱形尾水管（如图所示）取5—5断面为基准面，对2—2，5—5断面列能量平衡方程式，则：由于圆柱形尾水管出口断面面积相等,代入上式化简得：代入(1）式可得转轮所利用的能量为：(3）转轮出口装置扩散形尾水管同转轮出口装置园柱形尾水管一样列能量平衡方程式,则式中 由于扩散形尾水管，则： =代入（1)式可得转轮所利用的能量为:由以上可以看出：结论： ())2(20221-∆+-=∆E h gH d υ 52255222202-∆+++=+++h g p g p h H s υγυγ())2(50222-∆+-+=∆E h g H H s d υ52255222202-'∆+++=+++h g p g p h H s υγυγ ())2(50253-'∆+-+=∆E h g H H s d υ())2(50222-∆+-+=∆E h g H H s d υ(1)没有装置尾水管时，转轮只利用了电站总水头的部分，同时损失掉转轮出口水流的全部动能(2)装置圆柱形尾水管时，与没有装置尾水管相比,此时转轮多利用了的能量。

这一多出部分称之为静力真空，它是在圆柱形尾水管作用下，转轮出口处不再是大气压而是相应的负压，由于负压存在相当于增加了作用在转轮两端的压力差。

对于混流式水轮机的过流部件-尾水管而言,传统的设计分为两个步骤:(1)以机组的转轮型号为依据,建立尾水管的模型;(2)对模型进行水动试验,确定各断面尺寸。

该方法是基于试验的基础上的,因此,设计出的尾水管具有数据合理、流态良好、效率高等特点。

然而,由于试验本身的复杂性,该方法也存在相应的缺点。

例如,试验设备复杂、造价昂贵、试验周期长等。

针对上述问题,本文以相似理论为基础,直接构建尾水管三维模型,并对模型进行计算机仿真分析,其结果的合理性,为日后同类型产品的设计,提供了一个行之有效的方法。

1相似理论的设计方法相似原则[1]是指组成模型的每个要素必须与原型的对应要素相似,对水轮机而言,主要包括几何相似和动力学相似。

具体体现为由一系列尺寸等参数组成的场对应相似。

在尾水管设计中,也存在不少的电站利用该原则进行肘管断面展开的几何换算。

因此,结合过去对同类型机组(主要指转轮型号相同)的设计范例,其操作流程为:(1)以该电站的转轮型号为依据,参考过去设计且已投入运行的同转轮型号机组,选择与本设计机组的转轮直径偏差小、水头、流量、转速以及效率等参数最为接近的机组为原型机。

(2)以原型机的尾水管各断面尺寸为依据,按照几何相似的公式(1-1)进行等比变换。

D 1D 2=L 1L 2=…L y L m(1-1)(3)将等式变换后的L 2~L m 等断面尺寸,作为模型绘制尺寸。

(4)构建尾水管三维流场模型。

本文以某电站尾水管为例,按照上述操作步骤,构建的尾水管肘管段模型如图1所示。

图1尾水管模型2尾水管流场的计算机仿真2.1湍流模型的确定尾水管的流场分析中,湍流模型采用目前工程中使用最为广泛的标准k-ε双方程模型,其计算公式如下:∂(ρk )∂t +∂(ρku i )∂x i =∂∂x iμ+μt σk ()∂k ∂x i []+G k -ρε(1-2)式中,μt 为湍流涡粘系数,k 为湍流脉动动能,ε为湍流耗散率,G k是由于平均速度梯度引起的湍动能k 的生成项。