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![尾水管选型计算[指南]](https://img.taocdn.com/s1/m/0f744e1f591b6bd97f192279168884868762b8e4.png)
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。
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。
水电站尾水管结构尾水管是水电站厂房水下部分的主要承重结构之一，它的内部形状和尺寸由水轮机制厂通过水力模型试验确定。
弯形尾水管按其构造特点分为锥管段、弯管段和扩散段三部分。
锥管段四周为大块体混凝土，一般不需进行结构计算；弯管段与扩散段则为顶板、底版、边墩和中墩的复杂空间结构(图1)，计算较为繁杂。
图（1）4H型尾水管（a）立体图；(b)纵剖面图；(c)平剖面图一、尾水管弯管段结构计算简图选取尾水管弯管段通常指自中间隔墩的墩头到锥管以下这一段。
由于弯管段的顶板一般都很厚，可视为边墩固定于顶板，边墩连同底板按倒框架计算最为简便，并假定底板反力均匀分布。
通常切取一至两个剖面，如图（2）1-1断面。
图（2）弯管段1-1截面按平面倒框架计算简图二、尾水管扩散段结构计算简图选取由于尾水管扩散段的顶板厚度、孔口高度和荷载分布在顺水流方向均有变化，故计算截面通常要选取2—3个（见图（2）中的2-2 、3-3 、4-4断面）。
一般选取扩散段起始截面、排架柱脚(墙脚)下面和尾水管出口截面等作为计算截面。
例如出口截面，计算方法常采用以下两种：1．上部框架与底版分开计算（图3）（1）先把上部框架作为固定于基础的框架切开，用力矩分配法求出两脚处的弯矩。
（2）分别计算为使框架柱脚a、d端产生一对称的角位移，并切使所需施加于a、b两端的弯矩，称为“框架的抗挠刚度”，记为。
（3）在外荷载作用下弹性基础梁将发生变形。
假定a、d两端“固定”，使角位移，计算a、d两端的弯矩，既为弹性基础梁的固端弯矩。
（4）计算使弹性基础梁两端a、d产生端产生一对称的角位移，并且使所需施加于a、b两端的弯矩，称为“弹性基础梁在a、b两点的抗挠刚度”，记为。
（5）最后取框架和弹性基础梁的固端弯矩的代数和，按两者抗挠刚度分配不平衡弯矩，即得框架和弹性基础梁a、d端各自的弯矩值。
再按静力平衡条件，分别求出框架和弹性在实际荷载作用下的内力值。
图（3）弹性地基单跨框架计算简图2．弹性地基上的封闭框架计算（图4）（1）先不考虑地基影响，将框架上所作用的全部垂直荷载(水平荷载一般为作用在边墩上的对称外水压力，对地基反力图形没有影响)，按材料力学偏心受压公式初步拟定弹性基础梁的第一次近似反力图形，将弹性基础梁分为10等分，每一等分段上的反力以集中力表示，然后以此作为框架上外荷载之一。
一、尾水管的作用尾水管是反击式水轮机所特有部件，冲击式水轮机无尾水管。
尾水管的性能直接影响到水轮机的效率和稳定性，一般水轮机中均选用经过试验和实践证明性能良好的尾水管。
反击式水轮机尾水管作用如下：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，形成转轮出口处的静力真空；3．利用转轮出口的水流动能，将其转换成为转轮出口处的动力真空。
图5-69表示三种不同的水轮机装置情况：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，转轮所能利用的水流能量均可用下式表示)2()(22221g V g P g P H E E E a d +-+=-=∆ρρ （5-38）式中E ∆——转轮前后单位水流的能量差；d H ——转轮进口处的静水头；a P ——大气压力；2P ——转轮出口处压力； 2V ——转轮出口处水流速度。
在三种情况下，由于转轮出口处的压力2P及2V不同，从而引起使转轮前后能量差的变化。
图 5-69 尾水管的作用1．没有尾水管时如图5-69)(a。
转轮出口gPgPaρρ=2代入式（5-38）得gVHEd222-='∆（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的dH部分，转轮后至下游水面高差sH没有利用，同时损失掉转轮出口水流的全部功能gV222。
2．具有圆柱形尾水管时如图5-69)(b。
为了求得转轮出口处的压力gPρ2，列出转轮出口断面2及尾水管出口断面5的伯努利方程ωρρhgVhgPgVgPHh as++⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=+++2222222(5-40)式中ωh——尾水管内的水头损失。
因此 ωρρh H g P g P s a +-=2上式亦可写成ωρh H g P P s a -=-2（5-41）式中g P P a ρ2-称为静力真空，是在圆柱型尾水管作用下利用了s H 所形成。
以g P ρ2值代入式（5-38），得到采用圆柱型尾水管时，转轮利用的水流能量E ''∆⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=''∆g V h H g P H g P E s a a a 222ωρ即⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+=''∆ωh gV H H E s d 2)(22 （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s H ，但动能g V 222仍然损失掉了，而且增加了尾水管内的损失ωh ，即此时多利用了数值为()ωh H s -的能量（静力真空值）。
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。
一、尾水管的作用尾水管是反击式水轮机所特有部件，冲击式水轮机无尾水管。
尾水管的性能直接影响到水轮机的效率和稳定性，一般水轮机中均选用经过试验和实践证明性能良好的尾水管。
反击式水轮机尾水管作用如下：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，形成转轮出口处的静力真空；3．利用转轮出口的水流动能，将其转换成为转轮出口处的动力真空。
图5-69表示三种不同的水轮机装置情况：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，转轮所能利用的水流能量均可用下式表示（5-38）式中——转轮前后单位水流的能量差；——转轮进口处的静水头；——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，由于转轮出口处的压力及不同，从而引起使转轮前后能量差的变化。
图 5-69 尾水管的作用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的部分，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的全部功能。
2．具有圆柱形尾水管时如图5-69。
为了求得转轮出口处的压力，列出转轮出口断面2及尾水管出口断面5的伯努利方程(5-40)式中——尾水管内的水头损失。
因此上式亦可写成（5-41）式中称为静力真空，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，转轮利用的水流能量即（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的损失，即此时多利用了数值为的能量（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处的真空值为：（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，又增加数值为的真空称为动力真空，它是因尾水管的扩散作用，使转轮出口处的流速由减小到形成的。
