尾水管的作用.doc

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。
将式（5-43）中的值代入式（5-38）得扩散型尾水管条件下转轮利用的水流能量为：
（5-44）
比较式（5-44）与式（5-42）可见，当用扩散形尾水管代替圆柱形尾水管后，出口动能损失由减少到，又多利用了数值为的能量，此值亦称为断面2处的附加动力真空，当然此时扩散形尾水管中的水头损失也有所增加。故实际上在断面2处所恢复的功能为，比式（5-43）中定义的动力真空值少了管中的损失。
为了估计扩散形尾水管的恢复功能效能，设想扩散形尾水管内没有水力损失，且出口断面为无穷大，没有动能损失，则此时断面2处的理想动力真空就等于转轮出口的全部功能。
实际恢复的动能与理想恢复的功能的比值称为尾水管的恢复系数
（5-45）
式（5-45）表明，尾水管内的水头损失及出口动能越小，则尾水管的恢复系数越高。因此恢复系数表征了尾水管的质量，反映了其转换功能的能力，故有时也称为尾水管的效率。
根据以上分析，水流经尾水管总的损失为内部水力损失与出口动能损失之和，即

将式（5-45）代入上式得：
（5-46）
尾水管相对水力损失，即能量损失与水轮机水头H之比值为：

由上式可见，尾水管的恢复系数不是尾水管的相对损失，它只反映其转换动能的效果。两个不同比转速的水轮机即使具有相同的尾水管恢复系数，而由于它们的转轮出口动能所占总水头的比重不同，其实际相对水力损失也不同。高比转速水轮机的转轮出口动能占总水头的40%左右，而低比转速水轮机却不到1%。以尾水管的恢复系数都等于75%来估算，则高比转速水轮机尾水管的相对水力损失达，而低比转速的仅为左右。由此可见，尾水管对高比转速水轮机起着十分重要的作用。从此也可以看到尾水管对轴流式水轮机比对混流式水轮机更重要。
二、尾水管的基本类型

图 5-71 弯肘形尾水管

图 5-70 直锥形尾水管
1．直锥形尾水管。如图5-70所示，这是一种简单的扩散形尾水管，广泛使用于中小型水电站中（转轮直径m）它制造容易，因为在直锥形尾水管内部水流均匀，阻力小，所以其水力损失小，恢复系数比较高，一般可以达到83%以上。直锥形尾水管母线多是直线，[图5-70]，也有母线为曲线而使管子呈喇叭状[图5-70]。
2．弯曲形尾水管。如图5-71所示，用于大中型水电站的立式水轮机中。它由三部分组成。进口锥管，肘管及扩散管。进口锥管是一个竖直的圆锥扩散管。图 5-72 肘管是一个90°的弯管，它的进口断面为圆形，出口断面为矩形。出口扩散管是一个水平放置的断面为矩形的扩散管。这种尾水管的锥管段里衬由制造厂提供，尾水管在现场用钢筋混凝土完成。在大中型电站的立式水轮机中，如采用直锥形尾水
图 5-72 肘管
1—锥面；2—水平圆柱面；3—垂直圆锥面；
4—垂直面；5—斜面；6—圆环面；
7—上翘面
管，由于管子长，需将下游控制得很深，大大增加土建工程量，以致实际上不可能实现，所以必须采用弯肘形尾水管。在这种尾水管中，水流经过一段不长的直锥管后进入肘管，使水流变为水平方向，再经过水平的扩散段而流入下游。弯肘形尾水管增加了转弯的附加水力损失及出口水流不均匀性的水力损失，因
图5-73 弯锥形尾水管
此这种尾水管的恢复系数较直锥形尾水管低。
如图5-73所示，为小型卧式机组用的弯锥形尾水管，它由两部分组成，第一段为圆段面弯管，转弯角度一般为90°，第二段为竖直的圆锥管段。弯管的形状比肘管简单，易于制造。但由于弯管为等断面，其中水流速度较大，所以其水力损失很大。此外，拐弯后速度分布不均匀，这就使得水流在直锥扩散管中流动状态恶化，故其回能系数较弯肘形尾水管的小，一般在0.4~0.6之间。

三、尾水管选择
在设计尾水管时，首先要根据机组和电站的具体条件来确定和选择尾水管的形式。目前在小型机组上多采用圆形断面的直锥形尾水管，对于大型卧式机组（例如大型贯流式水轮机）
，为了减少水电站的土建投资并保证尾水管有足够的淹没深度，通常将直锥管的出口做成矩形断面，加大水平方向尺寸而减少高度方向尺寸。而对于大型立式机组，由于土建投资占电厂投资比例很大，因此在电站设计中，要尽量降低水下开挖量和混凝土量，应选用弯肘形尾水管，下面分别介绍这两种常用的尾水管的设计的方法。
1．直锥形尾水管的设计
直锥形尾水管由于结构简单，设计时一般可按下列步骤进行。
（1）根据经验公式，决定尾水管的进口速度
（5-47）
(2) 确定尾水管出口断面面积
（5-48）
（5-49）
(3) 确定锥角及管长
根据扩散管中水力损失最小原则，一般选锥角，管长可由进口断面面积和出口断面面积值及值算出。
(4) 决定排水渠道尺寸
为保证尾水管出口水流畅通；排水渠道必须有足够的尺寸。对于立式小型机组可参考图5-74确定。设计时先根据当地地质条件按确定值，然后再由曲线[图5-74]查出，算出，并取。

图5-74 排水渠道断面尺寸选择
排水渠道断面； 排水渠道尺寸选择曲线

2. 弯肘形尾水管的选择及计算

图5-75 弯肘形尾水管相对深度
与水轮机效率差值的关系
与直锥型尾水管不同之处在于弯肘形尾水管的轴心线为曲线，整个尾水管由不同的断面形状组织而成。选择弯肘形尾水管就是根据电站机组的具体条件选择各组合断面的几何参数，这些参数的选择原则是设计出的尾水管要求有较高的的综合经济指标，即一方面要尾水管有较高的能量指标，即恢复系数要大，这会对电站带来长期的经济效益，同时又要求土建工程最小，即减少电站一次性投资。而上述两种经济效益往往是矛盾着的。例如为了提高尾水管的恢复系数，应增加尾水管的高度，但随着的增加将会带来电站水下开挖量及混凝土量增加。因此在弯肘形尾水管各断面参数选择时应予综合考虑。
弯肘形尾水管的性能受下面三个因素影响，选择时应着重加以考虑。
（1）尾水管的深度
尾水管深度是指水轮机导水机构底环平面至尾水管底板平面之间的距离。深度越大直锥段的长度可以取大一些，因而降低其出口即肘管段进口及其后部流道的流速，这对降低肘管中的损失较有利。尾水管的深度变化对水轮机的效率，特别是在大流量情况下影响很显著，这可从图5-75的曲线看出（代表效率差值）。
尾水管的深度对水轮机的运行稳定性影响很大。特别是混流式水轮机因叶片角度不能调整而容易产生偏心涡带及振动实践及研究表明，采用较大的深度可改善尾水管偏心涡带所引起的振动。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响工程量的最直接的一个因素。水下部分的开挖和施工常常很困难而且牵涉面较广，甚至由于地质条件的限制而要求尾水管高度必须小于某一数值，会出现施工和运行二者的矛盾。需要指出，当尾水管的深度要求采用小于正常推荐范围的数值时，必须事前进行充分的论证或试验研究，以确保安全运行。
根据实践经验一般可作如下选择。对转轮进口直径小于转轮出口直径的混流式水轮机取；对转桨式水轮机取，在某些情况下必须要求降低尾水管深度时则前者取；对后者取。对转轮直径的高水头混流式水轮机则可取。
与上述尾水管深度推荐值相对应，直锥段的单边扩散角分别取下列数值：对混流式水轮机；对转桨式水轮机取（轮毂比大于0.45时，取较小值）。
（2）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。图
表5-8 标准肘管尺寸

50
-71.90
605.20

100
41.70
569.45

150
124.56
542.45

579.61
79.61
200
190.69

512.72

579.61
79.61
250
245.60
479.77

579.61
79.61
300
292.12
444.70

579.61
79.61
350
331.94
408.13

579.61
79.61
400
366.17
370.44

579.61
79.61
450
395.57
331.91

579.61
79.61
500
420.65
292.72
-732.67
813.12
94.36
552.89
1094.52
579.61
79.61
550
441.86
251.18
-496.96
713.07
99.93
545.79
854.01
571.65
71.65
600
459.48
209.85
-360.21
671.28
105.50
537.70
761.82
563.63
63.69
650
473.74
168.80
-276.14
639.26
111.07
530.10
696.36
555.73
55.73
700
484.81
128.09
-205.27

612.27
116.65
522.51
645.77
547.77
47.77
750
492.81
87.764
-142.56
588.39
122.22
514.92
605.41
539.80
39.80
800
497.84
47.859
-85.20
566.55
127.79
507.32
572.92
531.84
31.84
850
499.94
7.996
-31.21
545.98
133.30
499.73
546.87
523.88
23.88
900
500.0
0
21.35
525.97
138.93
492.13
526.40
515.92
15.92
950
500.0
0
75.71
505.26
144.50
484.54
510.90
507.96
7.96
1000
500.0
0
150.07
476.94
150.07
476.95
500.0
504.0
0
5-76所示为标准混凝土肘管。此肘管，图中各线性尺寸列于表5-8。此外，当水头高于200m时，由于水流流速过大，此时可采用金属肘管，它们的形式与混凝土肘管不同。
（3）水平长度
水平长度是机组中心到尾水管出口的距离。肘管型式一定，长度决定了水平扩散段的长度。增加可使尾水管出口动能下降，提高效率。但太长了将增加沿程损失和增大厂房水下部分尺寸。增加的效益不如高度显著，通常取：。

图 5-76 标准混凝土肘管

图 5-77 扩散段与支墩
水平段的形状如下：两侧平行，顶板向上翘，倾角。底板一般水平，少数情况下，为了减少开挖要求尾水管上抬，此时一般不超过（低比转速水轮机取上限）。转桨式水轮机的水平段宽度；混流式为。当时，允许在出口段中加单支墩。支墩尺寸（图5-77）为：；。出口段最好不要加双支墩，试验表明双支墩会引起效率显著下降。

图 5-78 偏离机组中心线的尾水管
有些水电站因水工建筑的要求，尾水管的出口中心线往往需要偏离机组中心线（图5-78）。此时，肘管水平段的俯视图按以下方法绘制：偏心距离由水工建筑要求决定，肘管的水平长保证标准值。在以上两条件下，使肘管两侧面夹角的角平分线过机组中心（即图5-78所示两个角相等）。而肘管段的断面形状则保持不变。
地下电站为了减小厂房和尾水流道尺寸，常采用高而窄的尾水管。此时厂房的挖深一般不是主要矛盾，这样就可用加大深度来弥补宽度的缩小。实践证明这样做对水轮机效率影响不大。
四、减轻尾水管振动的措施
当运行机组上出现尾水管偏心涡带引起的振动时，通常可采用以下几个措施来减轻其影响。
1．尾水管加导流隔板
因产生偏心涡带的根本原因是转轮出口水流有环量存在。因此用加隔导流板的办法来消除环流，从而消除或减弱偏心涡带常常是有效的。导流板大致有以下几类：一是在尾水管直锥段进口部位加置十字形隔板[图5-79]；二是在直锥段进口管壁加置导流板[图5-79]；三是在弯肘段前后加置导流板[图5-79]。实践证明，加设导流板的办法对改善振动有一定效果，但它有时会对机组的运行产生一些不利的影响：如效率降低，最优工况区改变等。导流板的形状和尺寸的选用针对机组的特性而定，装得不好的导流板容易被冲掉，因此在采用此法时应先做一些试验研究工作。

图 5-79 尾水管中装设导流板
2．尾水管补气
为了减少压力脉动和由它引起的尾水管振动，以及为了在混流式水轮机的某些运行工况下，破坏尾水管的真空，常对转轮区进行补气，在大多数情况下，补气对水轮机工作会产生有利的影响，动载荷减小，转轮下面的真空降低。
补气方法有两类；一是自然补气，当尾水管的压力低于大气压时可采用这一类，但这种办法补气量常难以控制。二是强迫补气即用压力机或射流泵向尾水管送入空气，这是目前采用较多的一种，当尾水管管壁附近的压力高于大气压时就必须用这一类。它可以根据工况不同补进不同的气量，以保持减振效果和对机组运行效率的影响处于最优状态。
补气位置通常是在直锥段。实践证明补气管口深入越多所需补气量越少，效果越显著。补气管口越接近管壁效果越差，补气量越大。这是因为旋转水流离心力的作用，使管壁处的，此时补入的空气不易进入旋涡中心而被水流带向下游。试验表明，补气管口太深入中心，超过半径的70%左右则效果提高就不甚显著。为了增加补气管的强度，目前多采用十字架形的补气架结构。
应该指出，补气也会引起某些不良现象。例如，在正常运行工况下，水轮机出力会降低，有时转轮后面的压力脉动反会增大，此外，已发现补气可以引起飞逸转速增大。

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