水轮机的蜗壳、尾水管共63页

三、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。便于施工和减小其径 向尺寸，降低厂房土建投资有四种型式：
(i) n=0：平顶蜗壳。特点：接力器布置方便， 减小下部混凝土，但水流条件不太好。
2g
h 25 )
作用：(1)、汇集转轮出口水流，排往下 游。
(2)、当H2>0时，利用这一高度水流 所具有的位能。
(3)、回收转轮出口水流的部分动能。
二、尾水管的动能恢复系数
尾水管H2取决于水轮机的安装高程，与尾水管
的性能无关；衡量尾水管性能好坏的标志是恢
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Qi 、 Fi、ρi、Ri。
第二节 尾水管的作用、型式及其主要 尺寸确定
尾水管是反击式水轮机的重要过流部件。 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。合理确定是非常 重要的。
(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，断面演变成为椭圆。
(2)、混凝土蜗壳：Q大，为减小平面尺寸， φ0=180°~270°，一般取180°，一 部分水流未进入蜗形流道，从而减小了蜗 壳进口断面尺寸，这部分水流直接进入导 叶，为非对称入流，加重了导叶的负担， 因此在非蜗形流道处，固定导叶断面形状 常需特殊设计。
四、蜗壳的水力计算

节），H、N变化时，水轮机具有较高的效率。
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2. 转轮构造
➢ 轴流式水轮机除转轮外，其它部件与混流式相似 ➢ 组成：叶片、轮毂、主轴、泄水锥、转动机构
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2. 转轮构造
➢ 叶片 ：表面为曲面，断面为翼形，根部厚，边缘薄，以承受水流作用的抟矩。 ➢ 叶片数目：与H大小有关，一般为4~8片； ➢ 叶片转角Φ：最优工况时Φ=0°，Φ>0，叶片开始启动，Φ<0向关闭方向转动。
60
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• 当水头较低而机组容量又较大时，若水轮机与发电机的主轴直接联接，则发电机将 因转速较低而直径较大，这会导致灯泡体尺寸过大而使流道水力损失增加。为此常 在水轮机与发电机之间设置齿轮增速传动机构，使发电机转速比水轮机转速大310倍，从而缩小发电机尺寸，减小灯泡体尺寸，改善流道的过流条件。但这种增 速机构结构复杂，加工工艺要求较高，传动效率一般较低，因此目前仅应用于小型 贯流式机组。
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混流式水轮机转轮
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转轮的组成
• 在法兰盘四周开有几个减压孔，以便将经过上冠外缘渗入冠体上侧的积水排入尾 水管。
• 大型机组在与上冠连接的主轴端常装有补气装置，以便向泄水锥下侧的水流低压 区补气。
• 泄水锥的作用是引导径向水流平顺地过渡成轴向流动，以消除径向水流的撞击及 漩涡。
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1. 混流式：水流径向流入转轮，轴向流出。 ➢ 适用范围：H=30-450 m , 最高水头已接近700米，单机容量：几万kW-几
十万kW ➢ 特点：适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用高水头小流量电站。 ➢ 三峡水电站即采用了这种水轮机，单机容量70万kW。是世界上单机容量最

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

剖面图
轴套
套筒
作用：
L型密封
1. 固定导叶轴心； 2. 起密封作用，防止水流进水车室。
轴套
控制环
控制环
接力器连 接处
注：
1. 连接主接力器和导叶转臂； 2. 传递主接力器的输出力矩，推动导叶转臂转动； 3. 安装在支持盖的滑道上，与支持盖一起吊入机坑。
导叶连杆
轮毂
枢轴
转臂 连杆 连接体 下盖 放油阀 泄水锥
密封压板
轮叶密封装置
垫环 V型密封 顶起环
λ型密封
轮叶密封装配
装配步骤：
1.安装顶起环； 2.安装V型密封圈； 3.安装垫环； 4.安装λ型密封圈；
5.安装密封压板；
6.安装固定螺钉，将密封 装置固定在轮毂上。
轮叶安装
装配步骤：
首先采用转轮翻身 工具将转轮体翻身〔图 中没有表示〕；然后将 轮叶分片装配到相应位 置〔图中只显示了单个 轮叶的安装〕；用螺栓 将轮叶与枢轴固定；安 装转轮悬挂装置；再安 装操作架〔图中没有表 示出来〕。
主轴下连接法兰和缸体 的配合面上安装橡皮密封圈 〔图中没有表示〕。
本图中隐藏了导水机构
剖面图
支持盖组件
外形图
控制环
接力器安 装处
支持盖 锥体上环 空气围带
锥体下环
支持盖
顶盖连接处
真空破坏阀 安装处
支持盖是水轮机的重要支撑部件，它支撑着推力轴承支架，同时将水轮机的局部重量传递给顶盖，由顶 盖将负荷传递到根底上。同时支持盖也是水电机组的重要结构部件，它连接着导叶执行机构、推力轴承支架 和水轮机转轮体等。
推力轴瓦
与托瓦结合面
镜
板
与推力头结合面
与推力轴瓦结合面

第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
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。 混凝土蜗壳：梯形断面 m≥n：减低厂房高度，缩短主轴长度
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
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 绘制蜗壳平面和断 面单线图。
已知条件：Hr、Qmax、b0、 Da、Db，蜗壳类型， 0 、Vc 。
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
1、蜗壳中的水流运动
V Vr Vu
：
（1）径向分速度
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
4、蜗壳进口断面的平均流速 Vc
1 Vc Ac
，对于相同的过流量，Vc 大，则蜗壳断面
小，但水力损失增大。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 ≥引V水c 道中的流速。
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
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 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 0 代入 Q0 , 0 , a0和R0值，即得。
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管和气蚀
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。

Ri ra 2i
由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为：
(i) 确定φ0 和VC ； (ii) 求Fc、ρmax、Rmax； (iii) 由φi确定Fi、ρi、Ri。
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(2) 混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)
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(1) 按进口流速求进口断面积；
(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 F Fc
第四节 水轮机蜗壳的形式及尺寸确定
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 混凝土蜗壳和钢蜗壳。
1
1. 混凝土蜗壳
适用于低水头大流量 的水轮机。 H≦40m, 钢筋混凝土 浇筑，“T”形断面。 当H>40m时，可用钢 板衬砌防渗(H 最大达 80m)
21
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 (口扩散段： ❖ 矩形扩散管，出口宽度B5， ❖B5很大时，加隔墩d5=(0.1~0.15) B5 ❖顶板 α=10°~13°，底板水平。
(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
Fi
Qi Vu
Qm axi
360 0Vc
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。

H
s

pa


pB

H
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管及气蚀
第四节 水轮机的吸出高度及安装高程
其中：
（1）水轮机安装位置的大气压：
pa 900

10 . 33
( mH
2
O)
（2）考虑到水电站压力管道中的水温一般为520 C，
Qi Q max i 360
0
近似取断面i的面积为圆形断面面积， 则据假定2及上式得该断面的尺寸：
i
Qi Q max i 360
0
Vc
Vc
a i ra i R i ra 2 i
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选择
（2）蜗壳进口断面的尺寸 将i=0代入以上各式即可确定进口断面的各尺寸。 （3）绘制蜗壳单线图 按一定的中心角间隔，绘制蜗壳平面及断面单线图。
第二章 水轮机的蜗壳、尾水管及气蚀
第三节 水轮机的气蚀及气蚀系数
四、水轮机气蚀的防护
1．设计制造：采用合理的翼型；提高翼型曲线的加工精度 和叶片表面的光洁度；选用耐蚀、耐磨性能 较好的材料等。 2．运行维护：拟定合理的水电站运行方式；在尾水管进口 补气等。 3．工程措施：选择合理的水轮机安装高程；设置沉沙、排 沙设施等。
D a b0
常数
径向各点Vu分布规律的两种假定：
假定 1： V u r K
假定 2： V u C V c
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选择
2. 金属蜗壳的水力计算
（1）蜗壳任一断面的尺寸 为保证水流从四周均匀进入导水机构，通过任一断面i的流量：

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

外形图
泄水锥结构
剖面图
作用：
1. 是水轮机导水机构的重要组成部分，主要是为尾水导流； 2. 整理版课件 使转轮体内部形成一个封闭油腔，起密封作用。 32
整理版课件
泄水锥安装
装配步骤：
首先将泄水锥固定在 地面上，基本保证其轴心 与地面垂直；用桥机调起 转轮体与泄水锥进行对接； 调整位置使得二者的轴心 在同一条直线上，然后用 固定螺栓将二者把合在一 起；连接体外部安装封围 板（图中没有表示）。
密封圈 油槽盖 推力瓦 托瓦 支筒 支铁 弹性油箱
整理版课件
推力轴承结构
推力头
卡环
镜板 油冷器
底盘 推力轴承座 挡油管
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推力油箱
与油槽盖 配合面
推力油箱
与推力轴承柱 段配合面
油冷却器 安装孔
推力油箱由二瓣组成，两者组装后吊入机坑与推力轴承支
架整柱理版段课件 通过螺栓紧固在一起。
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弹性油箱底盘组件
作用：
调节通过机组过流系 统的水的流量，达到 控制机组转速的目的；
整理版课件
14
活动导叶安装
活动 导叶
基础
底环
1.将活动导叶分片吊入机坑，注意不得碰伤导叶工作面；
2.调整导叶位置，使得每个导叶基本垂直，待导叶调整完成
以后加装限位块。
整理版课件
15
与支持盖 接合部位
顶盖
导叶套筒 安装孔
作用：
1. 固定导水机构；
2. 用螺栓将锥体下环与空气围带底座紧固在一起。
整理版课件
42
整理版课件
支持盖吊装
装配步骤：
首先在支持盖与锥体 下环和上环组合成一个整 体；在支持盖顶部安装控 制环；用桥机吊起支持盖， 将其吊入机坑；调整支持 盖位置，使其与顶盖的安 装螺栓孔对齐，然后用螺 栓和螺母将支持盖和顶盖 紧固起来，并保证安装紧 固可靠。

表 2-1
混凝土蜗壳断面尺寸
混凝土蜗壳 形式
断面尺寸 参数
特点
对称式 （m=n）
b/a =1.20～1.85； γ=0°～35°
水力性能好， 常采用
下伸式
上伸式
（m>n）
（m<n）
(b-m)/a=1.20～1.85；
(b-n)/a=1.20～1.85； b/a≤2.00 ～2.20(需缩短
机组间距时取大值)；
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下部分时预先装好蜗形的模板，模板拆除后即成蜗壳。为加强
蜗壳的强度需在混凝土中配钢筋，又称钢筋混凝土蜗壳。混凝
土蜗壳与座环或固定导叶的联接要有足够的拉筋。
(二) 蜗壳的断面形状及包角
1.金属蜗壳
金属蜗壳断面采用圆形断面形状，便于铸造和焊接，水力
性能好，强度高。断面面积和半径随着由进口到尾部流量的减
小而减小，约在最后 90°的尾部，由于圆断面面积小到不能和 座环蝶形边连接，因此这部分断面形状由圆过渡到椭圆。
图 2-3 混凝土蜗壳
蜗壳的末端（称为鼻端），通常和座环的某个固定导叶连接在一起。从鼻端到蜗壳进口断面之
间的中心角 φ0，称为蜗壳的包角（逆时针），如图 2-4 所示，图中 Da、Db 分别为座环固定导叶外 径和内径。
三、蜗壳的水力计算
蜗壳水力计算的目的，是确定蜗壳各断面的几何形状和尺寸，并绘制蜗壳平面和断面单线图。 这是水电站厂房布置设计中的一项重要工作。
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蜗壳设计是在已知水轮机额定水头 Hr 及其相 应的最大引用流量 Q、导叶高度 b0、座环固定导 叶外径 Da 和内径 Db，以及选定蜗壳进口断面形
状、包角 φ0 和平均流速 v0 的情况下进行的。根据
（3）铸焊蜗壳：与铸造蜗壳一样，适用于