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轉(zhuǎn)輪前后單位水流的能量差；Hd轉(zhuǎn)輪進

2、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2gP22 .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2及尾水管出口斷面5的伯努利方程h Hs+凡+4/互+hL+Pg2g

3、(Pg22g(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）。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:

4、Pa 322=Hs(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.：gdV-V52、V22+%+-2g2g；(5-44)=(小+&)-六+小12g)比較式（5-44）與式（5-42）可見，當(dāng)用擴散形尾水管代替圓柱形尾水管后，VV2V22-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

5、水管中的水頭損失也有所增加。故22V2f.、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2g0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)_h+2g2g)2gV22(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

6、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H12gH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V22同。高比轉(zhuǎn)速水輪機的轉(zhuǎn)輪出口動能2g占總水頭的40%e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%H古算，則高比轉(zhuǎn)速水輪機尾水管的相對水力損失達=10%,而低比轉(zhuǎn)速的僅為二。25%左右。由此可見，尾水管對

7、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 D2的高水頭混流式水輪機則可取h2.2D1。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=8100(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zyiXy2X2y3X3R1R2F50-71.90605.2010041.70569.4515

8、0124.56542.45579.6179.61200190.69512.72579.6179.61250245.60479.77579.6179.61300292.12444.70579.6179.61350331.9408.1579.679.64311400366.17370.44579.6179.61450395.57331.91579.6179.61500420.65292.72-732.67813.1294.36552.891094.52579.6179.61550441.86251.18-496.96713.0799.93545.79854.01571.6571.65600459.

9、48209.85-360.21671.28105.50537.70761.82563.6363.69650473.74168.80-276.14639.26111.07530.10696.36555.7355.73700484.81128.09-205.27612.27116.65522.51645.77547.7747.77750492.8187.764-142.56588.39122.22514.92605.41539.8039.80800497.8447.859-85.20566.55127.79507.32572.92531.8431.84850499.947.996-31.21545

10、.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。肘管型式一定，長度L決定了水

11、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夸口分尺寸。增加L=4.5D1。11Q11- 0連力H1150L的效益不如高度h顯著，通常取: - yf犯仲工，SMF軍) 500l1012m時，允許在出口段中加單支墩。支墩尺寸（圖5-77）為:b=（0.10.15舊；R=（36b;r=（0.20.3b；l1.4D1o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

12、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口部位加

13、置十字形隔板圖5-79(a);二是在直錐段進口管壁加置導(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)。實踐證明，加設(shè)導(dǎo)流板的辦法對改善振動有一定效果，但它有時會對機組的運行產(chǎn)生一些不利的影響：如效率降低，最優(yōu)工況區(qū)改變等。導(dǎo)流板的形狀和尺寸的選用針對機組的特性而定，裝得不好的導(dǎo)流板容易被沖掉，因此在采用此法時應(yīng)先做一些試驗研究工作。圖5-79尾水管中裝設(shè)導(dǎo)流板2 .尾水管補氣為了減少壓力脈動和由它引起的尾水管振動，以及為了在混流式水輪機的某些運行工況下，破壞尾水管的真空，常對轉(zhuǎn)輪區(qū)進行補氣，在大多數(shù)情況下，補氣對水輪機工作會產(chǎn)生有利的影響，動載荷減小，轉(zhuǎn)輪下面的真空降低。補氣方法有兩類；一是自然補氣，當(dāng)尾水管的壓力低于大氣壓時可采用這一類，但這種辦法補氣量常難以控制。二是強迫補氣即用壓力機或射流泵向尾水管送入空氣，這是目前采用較多的一種，當(dāng)尾水管管壁附近的壓力高于大氣壓時就必須用這一類。它可以根據(jù)工況不同補進不同的氣量，以保持減振效果和對機組運行效率的影響處于最優(yōu)狀態(tài)。補氣位置通常是在直錐段。實踐證明補氣管口深入越多所需補氣量越少，效果越顯著。補氣管口越接近管壁效果越差，補氣量越大。這是因為旋轉(zhuǎn)水