第二章水轮机的蜗壳，尾水管及气蚀第一节蜗壳的型式及其主要参数的确定一、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：H ≦40m 。
节约钢材，钢筋混凝土浇筑，“ T ”形断面。
当H>40m 时，可用钢板衬砌防渗。
适用于低水头大流量的水轮机。
2 金属蜗壳：当H>40m 时采用金属蜗壳。
其断面为圆形，适用于中高水头的水轮机。
(1) 钢板焊接：H=40—200m ，钢板拼装焊接。
(2) 铸钢蜗壳：H>200m 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。
金属蜗壳混凝土蜗壳二、蜗壳的主要参数1 、断面型式与断面参数(1) 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(2) 混凝土蜗壳：“ T ”形。
有四种型式：( i ) n=0 ：平顶蜗壳，b/a=1.5—1.7 ，γ =10 °—15 °。
使用较多。
特点：接力器布置方便，减小下部块体混凝土，但水流条件不太好。
( ii ) m=0 ：上伸式：b/a=1.5—1.7 ，δ =30 ° ，厂房开挖量小，采用较少。
( iii ) m>n ， 1.85, δ =20 °—30 °，γ =10 °—20 °。
( iv ) m ≤ n ，，δ =20 °—30 °，γ =20 °—35 °。
m=n 时，称为对称型式。
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 °φ0 大，过流条件好，但平面尺寸增大，厂房尺寸加大。
金属蜗壳的流量小，尺寸小，一般取较大包角；从构造上讲，最后100 °内，断面为椭圆，但仍按圆形计算。
(2) 混凝土蜗壳：Q 大，为减小平面尺寸，φ0 =180 °—270 °，一般取180 °，有时φ0 =135 °，使水轮机布置在机组段中间。
（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VC 。
三、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。
圆周流速的变化规律，有两种基本假定：(1) 速度矩Vur =Const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 =Const ：即假定Vu =VC =Const四、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：等断面型式下进行：按Vu =VC =Const 假定计算( 也可按Vur=Const)1 、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：(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 。
2 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。
第二章水轮机的蜗壳，尾水管及气蚀第二节尾水管的型式及其主要尺寸的确定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、弯锥形、弯肘形（大中型电站）一、直锥形尾水管（小型电站）适用于：卧轴混流式水轮机，布置方便，见图4-34 ，其水头损失大，。
二、弯肘型尾水管大中型水轮机所采用的尾水管，为了减小开挖深度，均采用弯肘型尾水管。
由直锥段、肘管、出口扩散段组成。
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) ，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 = 肘管出口宽度B6顶板α =10 °—13 °，L2 = L-L1 =(2 ～3)D1 底板水平，B5 很大时，加隔墩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 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-17 、4-186 、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及气蚀系数一、汽蚀概述1、空化(cavitation)及汽化压力(vapouring)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。
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，—水轮机的汽蚀。
二、水轮机汽蚀类型1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。
2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。
3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。
4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p<pb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：Hs——叶片K点致下游尾水的距离Hk.v由动力真空与静力真空组成。
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：(1)б称水轮机的汽蚀系数，是动力真空的相对值。
(2)б与叶型、工况有关(影响Wk,W2和叶道压力分布)Wk大——W2大——б大。
(3)б与尾水管的性能有关，ηw↑→б↑，汽蚀性能差。
(4)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。
(5)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。
四、汽蚀造成的危害1使过流部件机械强度降低，严重时整个部件破坏。
2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。
3机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏。
五、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及安装高程一、水轮机的吸出高度保证水轮机内不发生汽蚀的条件：pk≥pb由工况一定，бH 一定，因此，选择限制pk降低。
则：或水轮机吸出高度Hs是转轮叶片压力最低点到下游水面的垂直高度Zk，但一般K点较难确定，并随工况而改变，规定如下：(1)立轴混流式水轮机：Hs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：Hs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。
