尾水管的作用

1、、尾水管的作用尾水管是反擊式水輪機所特有部件， 沖擊式水輪機無尾水管。尾水管的性能 直接影響到水輪機的效率和穩(wěn)定性，一般水輪機中均選用經(jīng)過試驗和實踐證明性 能良好的尾水管。反擊式水輪機尾水管作用如下：1 .將轉(zhuǎn)輪出口處的水流引向下游；2 .利用下游水面至轉(zhuǎn)輪出口處的高程差，形成轉(zhuǎn)輪出口處的靜力真空；3 .利用轉(zhuǎn)輪出口的水流動能，將其轉(zhuǎn)換成為轉(zhuǎn)輪出口處的動力真空。圖5-69表示三種不同的水輪機裝置情況： 沒有尾水管；具有圓柱形尾水管； 具有擴散形尾水管。圖5-69在三種情況下，轉(zhuǎn)輪所能利用的水流能量均可用下 式表小2E 二 Ei -E2 =（Hd %-（，"）% 2g（538）式中=E

2、 轉(zhuǎn)輪前后單位水流的能量差；Hd 轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處的靜水頭；Pa 大氣壓力；P2 轉(zhuǎn)輪出口處壓力；V2 轉(zhuǎn)輪出口處水流速度。在三種情況下，由于轉(zhuǎn)輪出口處的壓力 P2及V2不同，從而引起使轉(zhuǎn)輪前后能量差的變化圖5-69尾水管的作用最新可編輯word文檔P2 一%1 .沒有尾水管時如圖5-69(a)。轉(zhuǎn)輪出口 Pg為代入式(5-38)得V22(5-39)2g式(5-39)說明，當(dāng)沒有尾水管時，轉(zhuǎn)輪只利用了電站總水頭中的九部分,V轉(zhuǎn)輪后至下游水面高差Hs沒有利用，同時損失掉轉(zhuǎn)輪出口水流的全部功能2g <P22 .具有圓柱形尾水管時如圖5-69 (b)。為了求得轉(zhuǎn)輪出口處的壓力*g ,列出轉(zhuǎn)輪出口斷面

3、2及尾水管出口斷面5的伯努利方程h Hs+凡+4/互+hL" +Pg 2g (Pg 2 2g(5-40)式中h 尾水管內(nèi)的水頭損失因此上式亦可寫成P2PaPa -P2 h二 H：g(5-41)Pa -P2式中pg稱為靜力真空，是在圓柱型尾水管作用下利用了 Hs所形成。P2以Pg值代入式（5-38）,得到采用圓柱型尾水管時，轉(zhuǎn)輪利用的水流能量2g JE =(Hd Hs) -六 h2g(5-42)Ha -g從式(5-42)可見與沒有尾水管時相對比較，此時多利用了吸出水頭 Hs,V22但動能2g仍然損失掉了，而且增加了尾水管內(nèi)的損失 he,即此時多利用了數(shù)值為仇一必）的能量（靜力真空值）。

4、3 .具有擴散型尾水管時如圖5-69（c）。此時根據(jù)伯努利方程可得出:P2Pa2g斷面2處的真空值為:U = HsJX_hJ0g12g J（5-43）比較式（5-43）與式（5-41）可見，此時在轉(zhuǎn)輪后面除形成靜力真空外，又V22 -V52增加數(shù)值為2g的真空稱為動力真空，它是因尾水管的擴散作用，使轉(zhuǎn)輪出口處的流速由V2減小到V5形成的。P2將式（5-43）中的均值代入式（5-38）得擴散型尾水管條件下轉(zhuǎn)輪利用的水流能量AE"：Hd.：gdv22 -V52、 V22+% +-2g2g ；(5-44)=(小+&)-六+小 12g )比較式（5-44）與式（5-42）可見，當(dāng)用擴

5、散形尾水管代替圓柱形尾水管后，V22V52V22 -V52出口動能損失由2g減少到2g ,又多利用了數(shù)值為2g 的能量，此值亦稱為斷面2處的附加動力真空，當(dāng)然此時擴散形尾水管中的水頭損失也有所增加。故22V2 f .、一，一一；"h -，實際上在斷面2處所恢復(fù)的功能為2g，比式（5-43）中定義的動力真空值少了管中的損失hM為了估計擴散形尾水管的恢復(fù)功能效能，設(shè)想擴散形尾水管內(nèi)沒有水力損失=0（% 二 0）,且出口斷面為無窮大，沒有動能損失 12g則此時斷面2處的理V想動力真空就等于轉(zhuǎn)輪出口的全部功能2g。2g實際恢復(fù)的動能與理想恢復(fù)的功能的比值稱為尾水管的恢復(fù)系數(shù)2g J2gV22

6、(5-45)式（5-45）表明，尾水管內(nèi)的水頭損失及出口動能越小，則尾水管的恢復(fù)系數(shù)越高。因此恢復(fù)系數(shù)表征了尾水管的質(zhì)量， 反映了其轉(zhuǎn)換功能的能力，故有時也稱為尾水管的效率。根據(jù)以上分析，水流經(jīng)尾水管總的損失 名為內(nèi)部水力損失與出口動能損失之和，即二 hV52,2g將式（5-45）代入上式得:(5-46)尾水管相對水力損失二，即能量損失與水輪機水頭 H之比值為:1- 工 H1 2gH由上式可見，尾水管的恢復(fù)系數(shù)”仍不是尾水管的相對損失，它只反映其轉(zhuǎn)換動能的效果。兩個不同比轉(zhuǎn)速的水輪機即使具有相同的尾水管恢復(fù)系數(shù)，而由V；于它們的轉(zhuǎn)輪出口動能2g所占總水頭的比重不同，其實際相對水力損失也不 V2

7、2同。高比轉(zhuǎn)速水輪機的轉(zhuǎn)輪出口動能 2g占總水頭的40流右，而低比轉(zhuǎn)速水輪 機卻不到1%以尾水管的恢復(fù)系數(shù)都等于75%M古算，則高比轉(zhuǎn)速水輪機尾水管 的相對水力損失達(dá)=10%,而低比轉(zhuǎn)速的僅為=0.25%左右。由此可見，尾 水管對高比轉(zhuǎn)速水輪機起著十分重要的作用。從此也可以看到尾水管對軸流式水 輪機比對混流式水輪機更重要。1.直錐形尾水管。如圖5-70所示，這是一種簡單的擴散形尾水管，廣泛使用于中小型水電站中（轉(zhuǎn)輪直徑Di < 0.5 0.8 ml它制造容圖5-70直錐形尾水管二、尾水管的基本類型易，因為在直錐形尾水管內(nèi)部水 流均勻，阻力小，所以其水力損 失小，恢復(fù)系數(shù)"。比較

8、高，一 般可以達(dá)到83姒上。直錐形尾圖5-71彎肘形尾水管水管母線多是直線，圖5-70 (a),也有母線為曲線而使管子呈喇叭狀圖5-70 (b) 02.彎曲形尾水管。如圖5-71所示,圖5-72肘管1一錐面；2水平圓柱面；3一垂直圓錐面；4一垂直面；5斜面；6圓環(huán)面；7一上翹面直的圓錐擴散管。圖5-72肘管是一個用于大中型水電站的立式水輪機中。它由三部分組成。進(jìn)口錐管A ,肘管B及擴散個豎圖5-73彎錐形尾水管旦 THCo進(jìn)口90°的彎管，它的進(jìn)口斷面為圓形，出口斷面為矩形出口擴散管是一個水平放置的斷面為矩形的擴散管。這種尾水管的錐管段里襯由 制造廠提供，尾水管在現(xiàn)場用鋼筋混凝土完成

9、。在大中型電站的立式水輪機中，如采用直錐形尾水管，由于管子長，需將下游控制得很深，大大增加土建工程量，以致實際上不可能實現(xiàn)，所以必須采用彎肘形尾水管。在這種尾水管中，水流經(jīng)過一段不長的直錐管后進(jìn)入肘管，使水流變?yōu)樗椒较?，再?jīng)過水平的擴散段而 流入下游。彎肘形尾水管增加了轉(zhuǎn)彎的附加水力損失及出口水流不均勻性的水力 損失，因此這種尾水管的恢復(fù)系數(shù)較直錐形尾水管低。如圖 5-73 所示，為小型臥式機組用的彎錐形尾水管，它由兩部分組成，第一段為圓段面彎管，轉(zhuǎn)彎角度一般為90°，第二段為豎直的圓錐管段。彎管的形狀比肘管簡單，易于制造。但由于彎管為等斷面，其中水流速度較大，所以其水力損失很大。

10、此外， 拐彎后速度分布不均勻， 這就使得水流在直錐擴散管中流動狀態(tài)惡化，故其回能系數(shù)較彎肘形尾水管的小，一般在0.40.6 之間。三、尾水管選擇在設(shè)計尾水管時， 首先要根據(jù)機組和電站的具體條件來確定和選擇尾水管的形式。 目前在小型機組上多采用圓形斷面的直錐形尾水管， 對于大型臥式機組 （例如大型貫流式水輪機）， 為了減少水電站的土建投資并保證尾水管有足夠的淹沒深度， 通常將直錐管的出口做成矩形斷面， 加大水平方向尺寸而減少高度方向尺寸。 而對于大型立式機組，由于土建投資占電廠投資比例很大， 因此在電站設(shè)計中， 要盡量降低水下開挖量和混凝土量， 應(yīng)選用彎肘形尾水管， 下面分別介紹這兩種常用的尾水

11、管的設(shè)計的方法。1直錐形尾水管的設(shè)計直錐形尾水管由于結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計時一般可按下列步驟進(jìn)行。（ 1）根據(jù)經(jīng)驗公式，決定尾水管的進(jìn)口速度V5最新可編輯word 文檔Vs = 0.008H1.2(5-47)(2)確定尾水管出口斷面面積FsQV5(5-48)最新可編輯word文檔(5-49)(3)確定錐角6及管長L根據(jù)擴散管中水力損失最小原則，一般選錐角 日=12電161管長L可由進(jìn) 口斷面面積F2(D2)和出口斷面面積F5(D5)值及e值算出。(4)決定排水渠道尺寸為保證尾水管出口水流暢通；排水渠道必須有足夠的尺寸。對于立式小型機 組可參考圖5-74確定。設(shè)計時先根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件按 ”D5 = 0.

12、6 °確定h值, 然后再由曲線圖5-74(b)查出bM,算出b,并取c = 0.85b。圖5-74排水渠道斷面尺寸選擇(a)排水渠道斷面；(b)排水渠道尺寸選擇曲線肘形尾水管的選擇及計算與直錐型尾水管不同之處在于彎肘形尾水管的軸心線為曲線，整個尾水管由圖5-75彎肘形尾水管相對深度 h-Di與水輪機效率差值的關(guān)系不同的斷面形狀組織而成。選擇彎肘形尾水管就是根據(jù)電站機組的具體條件選擇 各組合斷面的幾何參數(shù)，這些參數(shù)的選擇原則是設(shè)計出的尾水管要求有較高的的 綜合經(jīng)濟指標(biāo)，即一方面要尾水管有較 高的能量指標(biāo)，即恢復(fù)系數(shù)要大，這會 對電站帶來長期的經(jīng)濟效益，同時又要 求土建工程最小，即減少電

13、站一次性投 資。而上述兩種經(jīng)濟效益往往是矛盾著 的。例如為了提高尾水管的恢復(fù)系數(shù)， 應(yīng)增加尾水管的高度h,但隨著h的增 加將會帶來電站水下開挖量及混凝土量 增加。因此在彎肘形尾水管各斷面參數(shù) 選擇時應(yīng)予綜合考慮彎肘形尾水管的性能受下面三個因素影響，選擇時應(yīng)著重加以考慮。(1)尾水管的深度尾水管深度h是指水輪機導(dǎo)水機構(gòu)底環(huán)平面至尾水管底板平面之間的距離。 深度h越大直錐段的長度可以取大一些，因而降低其出口即肘管段進(jìn)口及其后部 流道的流速，這對降低肘管中的損失較有利。尾水管的深度變化對水輪機的效率， 特別是在大流量情況下影響很顯著， 這可從圖5-75的曲線看出(”代表效率差 值)。尾水管的深度對水

14、輪機的運行穩(wěn)定性影響很大。 特別是混流式水輪機因葉片 角度不能調(diào)整而容易產(chǎn)生偏心渦帶及振動，實踐及研究表明，采用較大的深度可 改善尾水管偏心渦帶所引起的振動。因此常常需要限制尾水管深度的最小值。但是，尾水管的深度又是影響工程量的最直接的一個因素。水下部分的開挖和施工常常很困難而且牽涉面較廣，甚至由于地質(zhì)條件的限制而要求尾水管高度 必須小于某一數(shù)值，會出現(xiàn)施工和運行二者的矛盾。需要指出，當(dāng)尾水管的深度要求采用小于正常推薦范圍的數(shù)值時， 必須事前進(jìn)行充分的論證或試驗研究，以確保安全運行。根據(jù)實踐經(jīng)驗一般可作如下選擇。對轉(zhuǎn)輪進(jìn)口直徑Di小于轉(zhuǎn)輪出口直徑D2的混流式水輪機取h-2.6Di;對轉(zhuǎn)槳式水輪

15、機取h - 2.3D1 ,在某些情況下必須要 求降低尾水管深度時則前者取hmin -2.3D1 ；對后者取hmin =2.0Di。對轉(zhuǎn)輪直徑 D1 > D2的高水頭混流式水輪機則可取h - 2.2D1 。與上述尾水管深度推薦值相對應(yīng)，直錐段的單邊擴散角 P分別取下列數(shù)值： 對混流式水輪機PM7*9%對轉(zhuǎn)槳式水輪機取8 =8°100 (輪轂比大于0.45 時，°取較小值)。(2)肘管型式肘管的形狀十分復(fù)雜，它對整個尾水管的性能影響很大，一般推薦定型的標(biāo) 準(zhǔn)肘管。圖表5-8標(biāo)準(zhǔn)肘管尺寸zyiXy2X2y3X3R1R2F50-71.90605.2010041.70569.4

16、5150124.56542.45579.6179.61200190.69512.72579.6179.61250245.60479.77579.6179.61300292.12444.70579.6179.61350331.9408.1579.679.64311400366.17370.44579.6179.61450395.57331.91579.6179.61500420.65292.72-732.67813.1294.36552.891094.52579.6179.61550441.86251.18-496.96713.0799.93545.79854.01571.6571.656004

17、59.48209.85-360.21671.28105.50537.70761.82563.6363.69650473.74168.80-276.14639.26111.07530.10696.36555.7355.73700484.81128.09-205.27612.27116.65522.51645.77547.7747.77750492.8187.764-142.56588.39122.22514.92605.41539.8039.80800497.8447.859-85.20566.55127.79507.32572.92531.8431.84850499.947.996-31.21

18、545.98133.30499.73546.87523.8823.88900500.0021.35525.97138.93492.13526.40515.9215.92950500.0075.71505.26144.50484.54510.90507.967.961000500.00150.07476.94150.07476.95500.0504.005-76所示為標(biāo)準(zhǔn)混凝土肘管。此肘管D4 = h2 ,圖中各線性尺寸列于表5-8 ： 此外，當(dāng)水頭高于200m時，由于水流流速過大，此時可采用金屬肘管，它們的 形式與混凝土肘管不同。(3)水平長度水平長度L是機組中心到尾水管出口的距離。肘管型式一

19、定，長度 L決定了 水平擴散段的長度。增加L可使尾水管出口動能下降，提高效率。但太長了將增加沿程損失和增大廠房水下吾B分尺寸。增加L=4.5D1。 11檄右鼻tsi QL q連力H一1150L的效益不如高度h顯著，通常取: - yf犯仲工，SMF軍) 500<l<W1.0«:堂學(xué), 制L瞬1r瞪'用*加IT'圖5-76標(biāo)準(zhǔn)混凝土肘管水平段的形狀如下：兩側(cè)平行，頂板向上翹，傾角1 =10'13。底板一般圖5-77擴散段與支墩水平，少數(shù)情況下，為了減少開挖要求尾水管 上抬，此時一般不超過6。12。（低比轉(zhuǎn)速水 輪機取上限）。轉(zhuǎn)槳式水輪機的水平段寬度B

20、= （2.32.7Qi；混流式為 B = （2.73.3）Di 當(dāng)B >10 12m時，允許在出口段中加單支墩。 支墩尺寸（圖 5-77）為:b = （0.10.15）B ；R=（36b; r = （0.2 0.3 b; l>1.4Dio出口段最好不要加雙支墩，試驗表明雙支墩會引起效率顯著下降有些水電站因水工建筑的要求，尾水管的出口中心線往往需要偏離機組中心圖5-78偏離機組中心線的尾水管線（圖5-78）。此時，肘管水平段的 俯視圖按以下方法繪制：偏心距離d由 水工建筑要求決定，肘管的水平長L保 證標(biāo)準(zhǔn)值。在以上兩條件下，使肘管兩 側(cè)面夾角的角平分線過機組中心（即圖5-78所示兩個

21、6角相等）。而肘管段的斷面形狀則保持不變地下電站為了減小廠房和尾水流道尺寸，常采用高而窄的尾水管。此時廠房的挖深一般不是主要矛盾，這樣就可用加大深度來彌補寬度的縮小。實踐證明這 樣做對水輪機效率影響不大四、減輕尾水管振動的措施當(dāng)運行機組上出現(xiàn)尾水管偏心渦帶引起的振動時，通?？刹捎靡韵聨讉€措施來減輕其影響。1 .尾水管加導(dǎo)流隔板因產(chǎn)生偏心渦帶的根本原因是轉(zhuǎn)輪出口水流有環(huán)量存在。因此用加隔導(dǎo)流板的辦法來消除環(huán)流，從而消除或減弱偏心渦帶常常是有效的。 導(dǎo)流板大致有以下 幾類：一是在尾水管直錐段進(jìn)口部位加置十字形隔板圖5-79(a);二是在直錐段進(jìn)口管壁加置導(dǎo)流板圖5-79(b);三是在彎肘段前后加置導(dǎo)流板圖 5-79 (c)。實