蜗壳的作用、型式、主要尺寸的选择与计算
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蜗壳的型式及主要尺寸的确定
蜗壳的型式及主要尺寸的确定根据设计资料提供，水轮机型号为 HL160—LJ —410及水电站工作水头H=118.5m>40m ，故采用金属蜗壳。
金属蜗壳只承受内水压力，而机墩传下的荷载和水轮机层的荷载是由金属蜗壳外围的混凝土承受。
为使金属蜗壳与其外围混凝土分开，受力互不传递，我国通常是在金属蜗壳上半部表面铺设沥青、麻刀、锯末或软木沥青、塑料软垫3——5cm 厚的软垫层，靠近座环处不铺。
使外压不传到金属蜗壳，内水压力不传到蜗壳外的混凝土上。
蜗壳主要参数的选择① 设计资料提供，每台机组的最大引用流量，则蜗壳进口处的流量s m Q Q 300max 00088.117123360345360=⨯==ϕ②、蜗壳进口断面平均流速《水力机械》第二版P99图4—30(b)曲线得s m V c 9= ③、座环内、外径选择由水轮机的型号 HL160—LJ —410，查到cm D 4101=的座环尺寸， 当H=118.5m<170m 时，其座环内径mm D b 5450=, 115m<H=118.5m<170m,其座环外径mm D a 6450= 金属蜗壳的水力计算设i ϕ为从蜗壳鼻端起算至计算断面i 的包角，则该计算断面处的max 0360Q Q ii ϕ=cii V Q πϕρ0max 360=i a i r R ρ2+=蜗壳断面计算表0 0 0 0 3.23 15 5.13 0.57 0.43 4.08 30 10.25 1.14 0.60 4.43 45 15.38 1.71 0.74 4.70 60 20.50 2.28 0.85 4.93 75 25.63 2.85 0.95 5.13 90 30.75 3.42 1.04 5.31 105 35.88 3.99 1.13 5.48 120 41.00 4.56 1.20 5.63 135 46.13 5.13 1.28 5.78 150 51.25 5.69 1.35 5.92 165 56.38 6.26 1.41 6.05 180 61.50 6.83 1.48 6.18 195 66.63 7.40 1.54 6.30 210 71.75 7.97 1.59 6.41 225 76.88 8.54 1.65 6.52 240 82.00 9.11 1.70 6.63 255 87.13 9.68 1.76 6.74 270 92.25 10.25 1.81 6.84 285 97.38 10.82 1.86 6.94 300 102.50 11.39 1.90 7.03 315 107.63 11.96 1.95 7.13 330 112.75 12.53 2.00 7.22 345117.8813.102.047.31根据计算结果作蜗壳单线图。
第3章 水轮机结构(蜗壳及尾水管)课件
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+h4 h1，h2由转轮结构确定; h4为肘管 高度，不易变动。 H取决于h3(直锥段长度)。h3大→开挖加大，工程 投资增大； 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4-15。
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) m>n：下伸式 (3) m<n：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。
蜗壳中间断面
金属蜗壳
混凝土蜗壳
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）
断面半径：
max
Fc
Qmax 0 3600 VC
从轴心线到蜗壳外缘半径：
Rmax ra 2 max
(ii) 中间断面( i )
Qi
i
i
360
Q max 0
Qi Qmaxi Fi Vu 3600Vc
Q max i 360 0 VC
板衬砌防渗(H 最大达Leabharlann 80m)2. 金属蜗壳
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+h4 h1，h2由转轮结构确定; h4为肘管 高度，不易变动。 H取决于h3(直锥段长度)。h3大→开挖加大，工程 投资增大； 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4-15。
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) m>n：下伸式 (3) m<n：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。
蜗壳中间断面
金属蜗壳
混凝土蜗壳
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）
断面半径：
max
Fc
Qmax 0 3600 VC
从轴心线到蜗壳外缘半径：
Rmax ra 2 max
(ii) 中间断面( i )
Qi
i
i
360
Q max 0
Qi Qmaxi Fi Vu 3600Vc
Q max i 360 0 VC
板衬砌防渗(H 最大达Leabharlann 80m)2. 金属蜗壳
第三节 蜗壳
第三节蜗壳一、金属蜗壳1.结构型式根据金属蜗壳外围混凝土结构的受力情况，可分为三种结构型式。
（1）外围混凝土结构不分担蜗壳内水压力。
这种金属蜗壳顶面钢板与外围结构之间用弹性垫层隔开，如图18-5所示。
这种结构型式为我国所普遍采用。
外围混凝土结构不分担内水压力的金属蜗壳，在尾水管锥管段钢衬安装和周围混凝土浇筑完成后，安装座环及钢蜗壳，在蜗壳上半部表面铺上弹性垫层，然后浇筑蜗壳的外围混凝土。
外围混凝土结构的体积大时应分层分块浇筑。
金属蜗壳本身刚度不够时，浇筑外围混凝土期间，在蜗壳内应设撑架。
外围混凝土浇筑完毕后，通过水轮机座环上的预留孔或管道浇筑座环下未填实的部分。
图18-5 有弹性垫层的金属蜗壳在这种金属蜗壳中，弹性垫层的作用是保证蜗壳在内水压力的作用下可自由变形，不会将力传给外围结构。
为了保证渗人垫层空隙的水能顺畅排出，在垫层最低处应留有排水设施。
此外，还应注意在浇外围混凝土时，或对蜗壳底部压浆充填孔隙时，防止垫层空隙被水泥浆填实而失去弹性。
弹性垫层通常用三毡四油构成，或者用软木沥青构成。
垫层的厚度应满足金属蜗壳自由变形的需要。
某水电站厂房金属蜗壳的垫层为用锯末、麻刀和沥青做成的5cm厚、50cm×50cm软木板，板的曲面与蜗壳形状贴合。
铺好软木板后，再铺二毡三油，这样最后完成的垫层厚度接近6cm。
由此可见，弹性垫层对施工质量的要求很高，给施工带来不少麻烦。
采用金属蜗壳与外围结构用垫层分开的这种结构型式时，两者受力明确，外围结构只承受本身自重和从上部传来的荷载。
（2）外围混凝土结构承担少部分蜗壳内水压力。
采用这种结构型式的金属蜗壳，在蜗壳安装好之后，采取措施临时封闭蜗壳的进出口，向蜗壳内充水并加压到预定值，然后浇外围混凝土，3-7天后卸除内压，再浇筑蜗壳座环下未填实的部分，施工结束时蜗壳与外围结构之间存在空隙，空隙的大小与预加压力有关。
这种结构型式的金属蜗壳，运行时，蜗壳内水压力未达上述预加压力前，蜗壳单独受力；当内水压力增大，蜗壳变形，钢板与外围结构接触后，蜗壳与外围结构共同承担增加的部分水压力。
蜗壳计算讲解教学提纲
大部分的转桨式及螺桨式水轮机都采用梯形截面的混凝土蜗壳。目前设计混凝土蜗壳的最高水头是30～35公尺。然而，有很多大型水电站，在水头低于35公尺时还应用金属蜗壳。
轴向辐流式水轮机通常采用金属蜗壳，按照水头及功率的不同，金属蜗壳可由铸铁或铸钢浇铸（图62），焊接（图63）或铆接而成。图64所示是根据水轮机的水头及功率，对于各种不同型式蜗壳通常所建议采用的范围。
图解计算法
首先，从结构上着眼定出蜗壳截面形状，此截面形状常常决定于水电站的形式。选择进水速度值及进水截面尺寸，然后用下列方法求出蜗壳的常数。
经过进水截面F1（图67）的流量为：
（87）
式中Q—流经水轮机总流量；θ—蜗壳的总包圆角。
以 及 代入积分式中，我们得 （88）
并且 可用圆解总和法求得。
其次，应该注意的是流经每一蜗壳截面的流量Qφ应该与
这个积分式可用图解法或分析法来计算。
下面我们来进行分析计算法。
将蜗壳截面分成数段，每一段的高度b可用某一定变化规律来表示。
在我们的情况中（图70），第一段b1=常数；第二段b2=m+nr；第三段b3=m1+n1r及第四段b0=常数。
因此：
＝b1(LnR-LnR1)+m(LnR1-LnR2)+n(R1-R2)+m1(LnR2-Lnr1)+n1(R2-r1)+b0Ln
用图解法求出进水截面的 值（图68）后，按照公式88我们可得k的数值。
在本题中 ＝3.07；那么，k＝16.9/3.07=5.5公尺2/秒。
为了要求出蜗壳其余的截面，并在平面上做出它，我们画出两辅助截面（见虚线），用图解法根据已求得的常数，求出流经此辅助截面的流量（表9），并按照这几点做出流经蜗壳的流量曲线。
轴向辐流式水轮机通常采用金属蜗壳，按照水头及功率的不同，金属蜗壳可由铸铁或铸钢浇铸（图62），焊接（图63）或铆接而成。图64所示是根据水轮机的水头及功率，对于各种不同型式蜗壳通常所建议采用的范围。
图解计算法
首先，从结构上着眼定出蜗壳截面形状，此截面形状常常决定于水电站的形式。选择进水速度值及进水截面尺寸，然后用下列方法求出蜗壳的常数。
经过进水截面F1（图67）的流量为：
（87）
式中Q—流经水轮机总流量；θ—蜗壳的总包圆角。
以 及 代入积分式中，我们得 （88）
并且 可用圆解总和法求得。
其次，应该注意的是流经每一蜗壳截面的流量Qφ应该与
这个积分式可用图解法或分析法来计算。
下面我们来进行分析计算法。
将蜗壳截面分成数段，每一段的高度b可用某一定变化规律来表示。
在我们的情况中（图70），第一段b1=常数；第二段b2=m+nr；第三段b3=m1+n1r及第四段b0=常数。
因此：
＝b1(LnR-LnR1)+m(LnR1-LnR2)+n(R1-R2)+m1(LnR2-Lnr1)+n1(R2-r1)+b0Ln
用图解法求出进水截面的 值（图68）后，按照公式88我们可得k的数值。
在本题中 ＝3.07；那么，k＝16.9/3.07=5.5公尺2/秒。
为了要求出蜗壳其余的截面，并在平面上做出它，我们画出两辅助截面（见虚线），用图解法根据已求得的常数，求出流经此辅助截面的流量（表9），并按照这几点做出流经蜗壳的流量曲线。
蜗壳及尾水管尺寸
蜗壳平面单线图
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
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
一、蜗壳的断面型式
金属蜗壳 混凝土蜗壳
蜗壳及尾水管的尺寸
蜗壳的中间断面
蜗壳及尾水管的尺寸
二、蜗壳的参数
1、尺寸参数
蜗壳的尺寸参数
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
鼻端
蜗壳的包角
蜗壳及尾水管的尺寸
二、蜗壳的参数
2、包角
蜗壳包角
蜗壳及尾水管的尺寸
二、蜗壳的参数
3、进口流速
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蜗壳及尾来自管的尺寸三、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
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
蜗壳及尾水管的尺寸
三、蜗壳水力计算
2、计算原理
水电站课程设计计算说明书
水电站厂房设计说明书（MY水电站）1.绘制蜗壳单线图1。
1蜗壳的型式水轮机的设计头头H p=46。
2m〉40m，水轮机的型式为HL220-LJ-225,可知本水电站采用混流式水轮机，转轮型号为220，立轴,金属蜗壳，标称直径D1=225cm=2。
25m.1.2蜗壳主要参数的选择［1]金属蜗壳为圆断面,由于其过流量较小，蜗壳的外形尺寸对水电站厂房的尺寸和造价影响不大，因此为了获得良好的水力性能一般采用= 340°～350°.本设计采用= 345°，通过计算得出通过蜗壳进口断面的流量Q c,计算如下:①单机容量：，选取发电机效率为=0.96，这样可求得水轮机的额定出力：②设计水头：H p=H r=46。
2m,D1=2。
25m 由此查表得：= 0.91水轮机以额定出力工作时的最大单位流量：③水轮机最大引用流量：④蜗壳进口断面流量:根据《水力机械》第二版中图4—30可查得设计水头为46。
2m〈60m时蜗壳断面平均流速为V c=5。
6 m/s。
由附表5可查得:座环外直径D a=3850mm,内直径D b=3250mm，;座环外半径r a=1925mm，座环内半径r b=1625mm。
座环示意图如图一所示：1。
3蜗壳的水力计算1.3.1对于蜗壳进口断面断面的面积：断面的半径：从轴中心线到蜗壳外缘的半径: 座环尺寸(mm) 比例：1：1001.3。
2对于中间任一断面设为从蜗壳鼻端起算至计算面i处的包角，则该断面处，，其中：，,。
表一金属蜗壳圆形断面计算表1.3.3 蜗壳断面为椭圆形的计算对于中间任一断面（依据《水力机械》以及《水电站机电设计手册》（水力机械)）,当圆形断面半径时,蜗壳的圆形断面就不能与座环蝶形边相切这时就改成椭圆形断面.则由椭圆断面过渡到圆形断面时的临界角计算如下:当时，如上图所示，由《水电站动力设备设计手册》查得：蝶形边高度可近似地定为，为座环蝶形边锥角，一般取55°。
水电站-蜗壳
（3）中间断面（φi= φ）
由此可以绘出蜗壳断面单线图 和平面单线图。
步骤： (a) 确定φ0 和VC ； (b) 求F0、ρmax、Rmax； (c) 由φi确定Fi、ρi、Ri。
3 、混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)
3 、混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)
（1）确定进口断面尺寸
Q0 Qmax0 F0 Vc 3600Vc
根据水电站具体情况选择断面型式， 并确定a，b，m，n，R0，使F=F0 （ 2 ）确定中间断面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。
（3） 测算出各断面的面积，绘出：F = f(R) 关系曲线。
Qi Qmaxi （4）按 Fi ，绘出F = f(Φ) 0 Vu 360 Vc
1、蜗壳中的水流运动
Qmax 径向分速度：vr D b c a 0
圆周分速度：Vur=k 或者Vu=C=Vc
按Vu=Vc=C假定计算
2、金属蜗壳水力计算
Qmax （ 1 ） 断 面 流 量 ： Qi i 360
断面半径： i 断面中心距： 断面外半径：
Q max i 360 0 VC
ai ra i
Ri ra 2i
蜗壳水力计算
（2）进口断面（φi= φ0 ）
断面流量：
断面半径： 断面中心距： 断面外半径： R0
Qmax Q0 0 360
Qmax0 0 max 0 360 VC
a0 ra 0
ra 20 Rmax
§3.4 蜗壳的型式及主要参数选择
一、蜗壳的功用及设计基本要求
设计要求：
（1）过水表面应光滑、平顺。
蜗壳计算
第二章、蜗壳计算第一节参数的选择1.蜗壳形式的选择由最大水头为257m,决定采用金属蜗壳，根据D1=2.0m,查水轮机课本P121 257：sun=”a13”sun1=”1”给定2.0：sun=”s2”sun1=”1”给定2.座环参数座环进口直径D a=1.64D1=3.28m,座环出口直径D b=1.37D1=2.74m,蜗壳常数K=0.1m ,r=0.2m 。
1.64：sun=”w1”sun1=”1”给定3.28: sun=”w2”sun1=”2”由公式D a=1.64D1得1.37: sun=”w4”sun1=”1”给定2.74：sun=”w3”sun1=”2”由公式D b=1.37D1得第二节进口断面参数选择（1）包角=345。
345：sun=”w5”sun1=”1”给定（2）进口断面平均流速υ0=K H其中K为金属蜗壳流速系数由原型机A520-40型综合特性曲线查得H=233m ,由H查水轮机课本图5—40得K=0.6 ，则0.6：sun=”w9”sun1=”1”给定υ0=K H=0.6×233=9.16 m/s ,(3)进口断面流量9.16：sun=”w4”sun1=”2”由公式υ0=K H得根据H=233m，n11=nD1H =500×2233=65.51r min233：sun=”a14”sun1=”1”给定65.51：sun=”w15”sun1=”1”由公式n11=nD1H得由模型综合特性曲线查得Q11=0.407(m3/s)0.407：sun=”w17”sun1=”1”给定Q0=φ0360=φ0360Q11限D2H=345360×0.407×4×233=25.81 (m3/s)360：sun=”w19”sun1=”1”给定0.47：sun=”w20”sun1=”1”给定25.81：sun=”w21”sun1=”2”由公式Q0=φ0360=φ0360Q11限D2H得(4)计算进口断面积F0F0=Q0υ0=25.819.16=2.82 (m2)2.82：sun=”w23”sun1=”2”由公式F0=Q0υ0得(5)进口断面的内半径ρ0=F0π=2.823.14=0.947m3.14：sun=”w26”sun1=”1”给定0.947：sun=”w27”sun1=”2”有公式ρ0=F0π得（6）确定进口端面的中心距a0由b0=D1×(0.1+0.00065n)-s=2×(0.1+0.00065 119.92)=0.36 m119.92：sun=”w29”sun1=”1”给定0.36：sun=”w30”sun1=”2”有公式b0=D1×(0.1+0.00065n)-s则a0=r0+ ρ02−h2=2.63m2.63；sun=”w32”sun1=”2”有公式a0=r0+ ρ02−h2的（7）进口断面的外半径RR0=a0+ρ0=2.63+0.947=3.58m3.58：sun=”s3”sun1=”2”有公式R0=a0+ρ0的第三节座环尺寸的确定（1）确定蝶形边锥角一般由座环的工艺决定取=55。
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蜗壳的型式及主要尺寸的确定根据设计资料提供，水轮机型号为 HL160—LJ —410及水电站工作水头H=118.5m>40m ，故采用金属蜗壳。
金属蜗壳只承受内水压力，而机墩传下的荷载和水轮机层的荷载是由金属蜗壳外围的混凝土承受。
为使金属蜗壳与其外围混凝土分开，受力互不传递，我国通常是在金属蜗壳上半部表面铺设沥青、麻刀、锯末或软木沥青、塑料软垫3——5cm 厚的软垫层，靠近座环处不铺。
使外压不传到金属蜗壳，内水压力不传到蜗壳外的混凝土上。
蜗壳主要参数的选择① 设计资料提供，每台机组的最大引用流量，则蜗壳进口处的流量s m Q Q 300max 00088.117123360345360=⨯==ϕ②、蜗壳进口断面平均流速《水力机械》第二版P99图4—30(b)曲线得s m V c 9= ③、座环内、外径选择由水轮机的型号 HL160—LJ —410，查到cm D 4101=的座环尺寸， 当H=118.5m<170m 时，其座环内径mm D b 5450=, 115m<H=118.5m<170m,其座环外径mm D a 6450= 金属蜗壳的水力计算设i ϕ为从蜗壳鼻端起算至计算断面i 的包角，则该计算断面处的 max 0360Q Q ii ϕ=cii V Q πϕρ0max 360=i a i r R ρ2+=蜗壳断面计算表0 0 0 0 3.23 15 5.13 0.57 0.43 4.08 30 10.25 1.14 0.60 4.43 45 15.38 1.71 0.74 4.70 60 20.50 2.28 0.85 4.93 75 25.63 2.85 0.95 5.13 90 30.75 3.42 1.04 5.31 105 35.88 3.99 1.13 5.48 120 41.00 4.56 1.20 5.63 135 46.13 5.13 1.28 5.78 150 51.25 5.69 1.35 5.92 165 56.38 6.26 1.41 6.05 180 61.50 6.83 1.48 6.18 195 66.63 7.40 1.54 6.30 210 71.75 7.97 1.59 6.41 225 76.88 8.54 1.65 6.52 240 82.00 9.11 1.70 6.63 255 87.13 9.68 1.76 6.74 270 92.25 10.25 1.81 6.84 285 97.38 10.82 1.86 6.94 300 102.50 11.39 1.90 7.03 315 107.63 11.96 1.95 7.13 330 112.75 12.53 2.00 7.22 345117.8813.102.047.31根据计算结果作蜗壳单线图。
蜗壳计算讲解
第五章 蜗壳 88第五章 蜗壳45 蜗壳形式与其主要尺寸的选择现代的中型及大型水轮机都是用蜗壳引导进水的。
各种水力实验中所进行的试验指出，设计合理的蜗壳，它的引水能力及效率与小型水轮机所采用的明槽式装置及罐式机壳相比较并无明显的降低。
蜗壳的优点是可以大大缩短机组之间的距离，这在选择电站厂房的大小时，有着很大的意义。
从蜗壳的研究当中，可以确定各种不同水头下蜗壳内的最佳水流速度，最合理的蜗壳形式，经及制造它的材料。
大部分的转桨式及螺桨式水轮机都采用梯形截面的混凝土蜗壳。
目前设计混凝土蜗壳的最高水头是30～35公尺。
然而，有很多大型水电站，在水头低于35公尺时还应用金属蜗壳。
轴向辐流式水轮机通常采用金属蜗壳，按照水头及功率的不同，金属蜗壳可由铸铁或铸钢浇铸（图62），焊接（图63）或铆接而成。
图64所示是根据水轮机的水头及功率，对于各种不同型式蜗壳通常所建议采用的范围。
蜗壳的大小决定了它的进水截面，而进水截面是与所采取的进水速度有关的。
最通用的进水速度与水头之间的关系，对于12～15公尺以下的水头来说如下式所示：H k v v c = (84)式中 c v —蜗壳中的进水速度；H —有效水头；v k —速度系数，约为1.0。
中水头或高水头则常应用下列关系：30v c H k v = (85)如果把列宁格勒斯大林金属工厂和其它制造厂所出品的中水头及高水头水轮机的现有蜗壳进水速度画在圆上，那么对于水头超过12～15公尺时，我们可得符合下式的曲线：30c H v 5.1=然而，有许多由列宁格勒斯大林金属工厂及外国厂家制造的良好的蜗壳，进水速度大大超过了所示的数值。
图65所示为根据有效水头选择蜗壳进水速度用的诺模图，此图是根据上述的公式而做成的。
46 蜗壳的水力计算当工质—水，流经水轮机的运动机构—转轮时，由于运动量的变化而产生流体能量的转变。
这可用水轮机的基本方程式来表示：gh ηu v u v r u u 2211=-由蜗壳所产生的环流（旋转）及速度v u1只与当时一瞬间的流量Q 和蜗壳尺寸有关。
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2、蜗壳的断面形式
➢混凝土蜗壳：梯形断面
➢m≥n：减低厂房高度， 缩短主轴长度
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
• 混凝土蜗壳进口断面形状选择：
（1）δ一般为20°~30°， 常取δ=30°；
（2）当n=0时，γ=10°~15°，
b/a=1.5~1.7，可达 2.0；
2、金属蜗壳的水力计算
通过任一断面i 的流量为： Qi Qmaxi / 360
（ i ：从蜗壳鼻端至断面i 的包角）
又 Vu C Vc 的假定
∴断面半径
i
Qi
Vc
Qmax i 360Vc
断面中心矩： ai ra i 断面外半径：Ri ra 2i
对进口断面，将 i 代入0 公式
Q0 , ，0 , a即0和得R0。值
面和断面单线图。
已知条件：Hr、Qmax、b0、 Da、Db，蜗壳类型，
0、Vc 。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
1、蜗壳中的水流运动 V Vr Vu
（1）径向分速度 V：r
Vr
Qmax
Dab0
constant
（水流必须均匀地、 轴对称地进入导水机构）
（3）当m＞n时，γ=10°~20°，
(b-n)/a=1.2~1.7，可达1.85；
（4）当m≤n时，γ=25°~35°，
(b-m)/a=1.2~1.7，可达1.85；
中间断面形状的确定： 直线过渡或抛物线过渡。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
3、蜗壳的包角 0：从蜗壳鼻端至蜗壳进口断面
可求出对应每一个Ri中间断面的尺寸 ai ,ni ,mi及
bi b0 ni mi
中间断面面积为
Fi aibi
i
12Fm00 Fi2tig
1 2
ni2tg (i 1,2,.....) ( i 1,2,3 )
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
（4）绘制出蜗壳断面单线图和蜗壳平面单线图
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
第一节 蜗壳的型式及其主要参数选择
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
一、蜗壳设计的基本要求
1、过水表面应光滑、平顺、水力损失小； 2、保证水流均匀、轴对称地进入导水机构； 3、水流在进入导水机构前应具有一定的环量，以
有较小的冲角，减小水力损失； 4、断面形状和尺寸合理； 5、强度保证、材料合适、结构可靠，以抵抗水流
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
2、蜗壳的断面形式
➢ 金属蜗壳：圆形（进口断面）、
椭圆形，以改善其受力条件， 与蝶形边座环焊接，=550。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
之间的夹角。
• 金属蜗壳：过流量小， 水头大，允许流速大， 其外形尺寸对厂房造价 影响较小 0=3450
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
3、蜗壳的包角 0：从蜗壳鼻端至蜗壳进口断面
之间的夹角。
• 混凝土蜗壳：过流量大， 水头小，流速小，对土 建投资影响大， 0=1800~2700
注意：混凝土蜗壳导水机构的非对称入流，可能控制厂房的 尺寸；进口断面为非蜗形流道，水流从引水道直接进入座环 和导叶，加重了导叶的负担，固定导叶需专门设计。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
4、蜗壳进口断面的平均流速VC
Vc 1/Ac, 对于相同的过流量，VC大，则蜗壳断面Ac小，但水力
的冲刷。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
二、蜗壳的型式及其主要参数选择
1、蜗壳的型式
（1）混凝土蜗壳：钢筋混凝土，钢板衬砌，预应力混凝土， 适用于大、中型低水头水电站，河床式水电站，H≤40m(钢 板衬砌，预应力混凝土时，H≤80m,)；
（2）金属蜗壳：H＞40m，厚度由进口到鼻端从大到小 a. 焊接：适用于尺寸较大的中、低水头混流式水轮机， 适用较广，全埋，上加软性层； b. 铸焊：D1＜3m的高水头混流式水轮机； c. 铸造：同铸焊。刚度大，不全埋，直接承重，减低 厂房高度。
注：a、进口宽度B=R0+D1；
b、鼻端附近由模型试验研究确定。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
（2）圆周分速度
Vu
：沿径向的变化有两种假定
a. Vu.R=K（K为蜗壳常数）保证水流环量分布满足
均匀、轴对称的要求
b. Vu=C不能保证水流环量分布满足均匀、轴对称的 要求，影响稳定性，但减小了水头损失。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
注：a、一般以45o间隔选取不同断面计算 ； b、接近鼻端应以等面积原则修正为椭圆。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
3、混凝土蜗壳的水力计算 （1）确定进口断面尺寸
F0
Q0 Vc
Qmax 0
360Vc
损失增大。由水轮机设计水头Hr从图2-8中查取。
一般情况下，可取图中 的中间值；金属或钢衬混凝 土蜗壳，可取上限值；布置 不受限制时可取下限值。但 Vc≥引水道中的流速。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
三、蜗壳的水力计算
水力计算 确定
蜗壳各断面的几何形状和
尺寸
绘制蜗壳平
a ,b,m ,n及R0
（依据不同型式）
（2）确定中间断面得顶角点、底角点变化规律
顶角点AG线： ni k1ai
底角点CH线： mi k2ai
直线变化
k1，k2系数，可由进口断面
k1
n a
,k2二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
（3）绘制 f (辅R助) 曲线 外半径 Ri ai Ri ra
➢混凝土蜗壳：梯形断面
➢m≥n：减低厂房高度， 缩短主轴长度
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
• 混凝土蜗壳进口断面形状选择：
（1）δ一般为20°~30°， 常取δ=30°；
（2）当n=0时，γ=10°~15°，
b/a=1.5~1.7，可达 2.0；
2、金属蜗壳的水力计算
通过任一断面i 的流量为： Qi Qmaxi / 360
（ i ：从蜗壳鼻端至断面i 的包角）
又 Vu C Vc 的假定
∴断面半径
i
Qi
Vc
Qmax i 360Vc
断面中心矩： ai ra i 断面外半径：Ri ra 2i
对进口断面，将 i 代入0 公式
Q0 , ，0 , a即0和得R0。值
面和断面单线图。
已知条件：Hr、Qmax、b0、 Da、Db，蜗壳类型，
0、Vc 。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
1、蜗壳中的水流运动 V Vr Vu
（1）径向分速度 V：r
Vr
Qmax
Dab0
constant
（水流必须均匀地、 轴对称地进入导水机构）
（3）当m＞n时，γ=10°~20°，
(b-n)/a=1.2~1.7，可达1.85；
（4）当m≤n时，γ=25°~35°，
(b-m)/a=1.2~1.7，可达1.85；
中间断面形状的确定： 直线过渡或抛物线过渡。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
3、蜗壳的包角 0：从蜗壳鼻端至蜗壳进口断面
可求出对应每一个Ri中间断面的尺寸 ai ,ni ,mi及
bi b0 ni mi
中间断面面积为
Fi aibi
i
12Fm00 Fi2tig
1 2
ni2tg (i 1,2,.....) ( i 1,2,3 )
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
（4）绘制出蜗壳断面单线图和蜗壳平面单线图
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
第一节 蜗壳的型式及其主要参数选择
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
一、蜗壳设计的基本要求
1、过水表面应光滑、平顺、水力损失小； 2、保证水流均匀、轴对称地进入导水机构； 3、水流在进入导水机构前应具有一定的环量，以
有较小的冲角，减小水力损失； 4、断面形状和尺寸合理； 5、强度保证、材料合适、结构可靠，以抵抗水流
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
2、蜗壳的断面形式
➢ 金属蜗壳：圆形（进口断面）、
椭圆形，以改善其受力条件， 与蝶形边座环焊接，=550。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
之间的夹角。
• 金属蜗壳：过流量小， 水头大，允许流速大， 其外形尺寸对厂房造价 影响较小 0=3450
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
3、蜗壳的包角 0：从蜗壳鼻端至蜗壳进口断面
之间的夹角。
• 混凝土蜗壳：过流量大， 水头小，流速小，对土 建投资影响大， 0=1800~2700
注意：混凝土蜗壳导水机构的非对称入流，可能控制厂房的 尺寸；进口断面为非蜗形流道，水流从引水道直接进入座环 和导叶，加重了导叶的负担，固定导叶需专门设计。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
4、蜗壳进口断面的平均流速VC
Vc 1/Ac, 对于相同的过流量，VC大，则蜗壳断面Ac小，但水力
的冲刷。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
二、蜗壳的型式及其主要参数选择
1、蜗壳的型式
（1）混凝土蜗壳：钢筋混凝土，钢板衬砌，预应力混凝土， 适用于大、中型低水头水电站，河床式水电站，H≤40m(钢 板衬砌，预应力混凝土时，H≤80m,)；
（2）金属蜗壳：H＞40m，厚度由进口到鼻端从大到小 a. 焊接：适用于尺寸较大的中、低水头混流式水轮机， 适用较广，全埋，上加软性层； b. 铸焊：D1＜3m的高水头混流式水轮机； c. 铸造：同铸焊。刚度大，不全埋，直接承重，减低 厂房高度。
注：a、进口宽度B=R0+D1；
b、鼻端附近由模型试验研究确定。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
（2）圆周分速度
Vu
：沿径向的变化有两种假定
a. Vu.R=K（K为蜗壳常数）保证水流环量分布满足
均匀、轴对称的要求
b. Vu=C不能保证水流环量分布满足均匀、轴对称的 要求，影响稳定性，但减小了水头损失。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
注：a、一般以45o间隔选取不同断面计算 ； b、接近鼻端应以等面积原则修正为椭圆。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
3、混凝土蜗壳的水力计算 （1）确定进口断面尺寸
F0
Q0 Vc
Qmax 0
360Vc
损失增大。由水轮机设计水头Hr从图2-8中查取。
一般情况下，可取图中 的中间值；金属或钢衬混凝 土蜗壳，可取上限值；布置 不受限制时可取下限值。但 Vc≥引水道中的流速。
第 一 第节二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
三、蜗壳的水力计算
水力计算 确定
蜗壳各断面的几何形状和
尺寸
绘制蜗壳平
a ,b,m ,n及R0
（依据不同型式）
（2）确定中间断面得顶角点、底角点变化规律
顶角点AG线： ni k1ai
底角点CH线： mi k2ai
直线变化
k1，k2系数，可由进口断面
k1
n a
,k2二蜗章壳水的轮型机式的蜗及壳其、主尾要水参管和数气选蚀择
（3）绘制 f (辅R助) 曲线 外半径 Ri ai Ri ra