计水轮机尾水管回收能量的认识与尾水管简单设计

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。

尾水管压力脉动概述与常规设计1 前言目前，大型水轮机的稳定性已经成为日益关注的话题。

水轮机运行的稳定性，一直是困扰水电厂电力生产的难点，直接影响到水电厂能否稳定乃至安全生产，关系到国民经济的发展。

随着水轮机单机容量的提高，机组尺寸的增加，相对刚度的减弱，有些电站机组出现不同程度的振动，如国外的大古力、塔贝拉和古里电站，国内的岩滩和五强溪等电站，导致转轮叶片裂纹，尾水管壁撕裂，有的甚至引起厂房或相邻水工建筑物发生共振，危及电站安全运行，稳定性问题日益突出。

大量的文献研究表明，水力发电机组，特别是混流式或轴流式水轮机组的振动不稳定问题主要是由于尾水管压力脉动造成的。

而尾水压力脉动，除造成机组振动等危害外，还是机组出力摆动的主要根源，削弱了系统阻尼，严重时可能引发水力发电机组产生低频振荡，造成大面积停电等严重事故。

水轮机稳定性包括水力稳定性和非水力稳定性，非水力稳定性主要考虑：机械原因和电磁原因；水力稳定性从四个方面考虑：尾水管涡带、压力脉动、卡门涡和叶片出口边的脱硫，其中机组振动最主要的原因之一是由于尾水管涡带。

一般来讲，尾水管压力脉动主要是由部分负荷时尾水管涡带引起的压力脉动。

当导叶开度为0.4至0.7时或者最优流量在在0.3至0.8的范围内，此时涡带会经常出现。

而当导叶开度为0.5至0.6时，处在低负荷载载区，此时产生的压力脉动最为严重。

强烈的旋转压力脉动是当机组实际运行负荷为机组满负荷的1/3至1/5时，由涡带的旋转导致产生。

当机组部分负荷时，除了尾水管有旋转压力脉动外，有时还可以观察到同步压力波动，如果此时的尾水管涡带的扰动频率与水路系统的特征频率相符合，那么就会引起严重的压力峰值群，这将强烈导致机组振动，转轮叶片呈现裂纹，大轴松动，有时还可触发压力钢管破裂。

目前国内外，尾水管压力脉动，在混流式水轮机或轴流定浆式水轮机两种水轮机中存在普遍的现象，并且大多对机组的稳定性构成了不可评估的危害。

尾水管涡带主要指定桨式水轮机在部分负荷和超负荷的工况下尾水管中出现的一种极不稳定的水流，它所产生的压力脉动是造成这类机组振动和出力摆动的最主要的原因。

项目五反击式水轮机的尾水管反击式水轮机的尾水管是指水力发电站的水轮机排放出的水流经过一段尾水管后再进入自然水体或者再次利用的管道。

在水力发电过程中，水流通过水轮机叶片的作用产生动能，然后通过尾水管将水流释放出去。

尾水管的设计和建造对水力发电站的运行效率和环境影响具有重要意义。

一、功能：1.尾水排放：反击式水轮机的主要功能是将水轮机排放的尾水排放到河流或其他水体中。

尾水管的设计需要考虑尾水的流量和速度，以确保尾水能够顺利排入水体，防止尾水冲击对水体造成负面影响。

2.压水：尾水管在排水的同时也可以利用水的动能，通过合理设计管道的倾斜度和直径，将水流压水送到下游。

这样不仅可以节省能源，还可以提高水力发电站的发电效率。

3.再利用：尾水管也可以将排放的尾水再次利用，例如用于农田灌溉、饮用水或者再次发电。

这需要对尾水进行进一步处理，例如进行沉淀过滤、杀菌消毒等工序。

二、设计要点：1.流量和速度：尾水管的设计需要根据水轮机的额定流量和尾水的排放要求确定。

一般来说，尾水管的直径要大于水轮机的出口直径，以保证水流的顺畅排放。

同时，尾水的流速也要适中，过小会增加管道的阻力，而过大会导致水流冲击。

2.倾斜度：尾水管的倾斜度也需要设计合理。

倾斜度过大会导致水流速度过快，增加了水流对水轮机的冲击力，从而损坏水轮机；倾斜度过小则会造成水流的堵塞，降低发电效率。

倾斜度的设计需要综合考虑水流的速度、管道的直径和水位控制等因素。

3.材料选择：尾水管需要承受尾水的冲击和压力，因此需要选择耐腐蚀、高强度的材料。

常用的材料有钢材、镍合金、铜等。

4.尾水管附属设施：尾水管的设计还需要考虑附属设施，如泄洪口、闸门等。

这些设施可以在尾水管的运行中实现尾水的控制和调节，以确保水流的稳定性和安全性。

三、尾水管的环境影响与处理措施：1.河流水质影响：尾水排放到河流中会对河流的水质产生一定影响，尤其是尾水中可能含有的沉淀物、悬浮物和有机污染物。

为了最大限度地减少对河流水质的影响，可以通过沉淀池、滤网等设施对尾水进行预处理，减少污染物的含量。

水电站过流部件尾水管水力计算方法与案例尾水管是反击式水轮机所特有的部件，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。

尾水管有直锥形和弯肘形两种。

除贯流式水轮机组外，大中型反击式水轮机均采用弯肘形尾水管，其型式一般不加里衬且不单独对尾水管进行设计，而是按照模拟水轮机所采用的标准尾水管放大选用，只有在特高比转速下才需要大高度尾水管，在无标准时方需单独设计。

为尽量降低水下开挖量和混凝土用量，本电站水轮机组选用弯肘形尾水管。

尾水管各部分尺寸的计算 1 尾水管的深度对转桨式水轮机，取13.2D h ≥。

2 进口锥管的计算对转桨式水轮机而言，进口锥管的锥角最优值通常取︒︒=10~8β，此处我们折中取︒=9β，而根据推荐的D D 001.13=，则3h =βtan 234D D -=︒⨯⨯-9tan 23.3001.146.4=66.3m 3 肘管型式肘管的形状十分复杂，它对整个尾水管的性能影响很大，一般推荐定型的标准肘管。

标准见参考资料[1]第168页表5-6.4 水平长度水平长度L是机组中心线到尾水管出口的距离。

肘管型式一定，长度L决定了水平扩散段的长度。

通常取L=4.5D.15 出口扩散段出口扩散段通常采用矩形断面，出口宽度一般与肘管出口宽度相等，顶角︒α，底板一般呈水平，少数情况下为了减少开挖而︒=1310~底板稍上台。

本电站取︒α，底板水平，尾水管的水平段宽度B=（2.3～2.7）=10D，不加支墩。

1则尾水管部分尺寸见下表3-1表3-1 尾水管部分尺寸单位：m尾水管单线图见图3-1，尾水管平面图见图3-2.图3-1 尾水管单线图图3-2 尾水管平面图——文档结束——。