尾水管的作用

1、一、尾水管的作用尾水管是反擊式水輪機(jī)所特有部件，沖擊式水輪機(jī)無尾水管。尾水管的性能直接影響到水輪機(jī)的效率和穩(wěn)定性，一般水輪機(jī)中均選用經(jīng)過試驗(yàn)和實(shí)踐證明性能良好的尾水管。反擊式水輪機(jī)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(jī)裝置情況：沒有尾水管；具有圓柱形尾水管；具有擴(kuò)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示 （5-38）式中轉(zhuǎn)輪前后單位水流的能量差；轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處的靜水頭；大氣壓力；轉(zhuǎn)輪出口處壓力；轉(zhuǎn)輪出口處水流

2、速度。在三種情況下，由于轉(zhuǎn)輪出口處的壓力及不同，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1沒有尾水管時(shí)如圖5-69。轉(zhuǎn)輪出口代入式（5-38）得 （5-39）式（5-39）說明，當(dāng)沒有尾水管時(shí)，轉(zhuǎn)輪只利用了電站總水頭中的部分，轉(zhuǎn)輪后至下游水面高差沒有利用，同時(shí)損失掉轉(zhuǎn)輪出口水流的全部功能。2具有圓柱形尾水管時(shí)如圖5-69。為了求得轉(zhuǎn)輪出口處的壓力，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 (5-40)式中尾水管內(nèi)的水頭損失。因此 上式亦可寫成 （5-41）式中稱為靜力真空，是在圓柱型尾水管作用下利用了所形成。以值代入式（5-38），得到采用圓柱型尾水管時(shí)，轉(zhuǎn)輪利用的水

3、流能量即 （5-42）從式（5-42）可見與沒有尾水管時(shí)相對比較，此時(shí)多利用了吸出水頭，但動能仍然損失掉了，而且增加了尾水管內(nèi)的損失，即此時(shí)多利用了數(shù)值為的能量（靜力真空值）。3具有擴(kuò)散型尾水管時(shí)如圖5-69。此時(shí)根據(jù)伯努利方程可得出：斷面2處的真空值為： （5-43）比較式（5-43）與式（5-41）可見，此時(shí)在轉(zhuǎn)輪后面除形成靜力真空外，又增加數(shù)值為的真空稱為動力真空，它是因尾水管的擴(kuò)散作用，使轉(zhuǎn)輪出口處的流速由減小到形成的。將式（5-43）中的值代入式（5-38）得擴(kuò)散型尾水管條件下轉(zhuǎn)輪利用的水流能量為： （5-44）比較式（5-44）與式（5-42）可見，當(dāng)用擴(kuò)散形尾水管代替圓柱形尾水管

4、后，出口動能損失由減少到，又多利用了數(shù)值為的能量，此值亦稱為斷面2處的附加動力真空，當(dāng)然此時(shí)擴(kuò)散形尾水管中的水頭損失也有所增加。故實(shí)際上在斷面2處所恢復(fù)的功能為，比式（5-43）中定義的動力真空值少了管中的損失。為了估計(jì)擴(kuò)散形尾水管的恢復(fù)功能效能，設(shè)想擴(kuò)散形尾水管內(nèi)沒有水力損失，且出口斷面為無窮大，沒有動能損失，則此時(shí)斷面2處的理想動力真空就等于轉(zhuǎn)輪出口的全部功能。實(shí)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) （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(shí)也稱為尾水管的效率。根

5、據(jù)以上分析，水流經(jīng)尾水管總的損失為內(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，即能量損失與水輪機(jī)水頭h之比值為：由上式可見，尾水管的恢復(fù)系數(shù)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(gè)不同比轉(zhuǎn)速的水輪機(jī)即使具有相同的尾水管恢復(fù)系數(shù)，而由于它們的轉(zhuǎn)輪出口動能所占總水頭的比重不同，其實(shí)際相對水力損失也不同。高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪出口動能占總水頭的40%左右，而低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)卻不到1%。以尾水管的恢復(fù)系數(shù)都等于75%來估算，則高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)尾水管的相對水力損失達(dá)，而低比轉(zhuǎn)速的僅為左右。由此可見，尾水管對高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)起著十分重要的作用。從此也

6、可以看到尾水管對軸流式水輪機(jī)比對混流式水輪機(jī)更重要。二、尾水管的基本類型圖 5-71 彎肘形尾水管圖 5-70 直錐形尾水管1直錐形尾水管。如圖5-70所示，這是一種簡單的擴(kuò)散形尾水管，廣泛使用于中小型水電站中（轉(zhuǎn)輪直徑m）它制造容易，因?yàn)樵谥卞F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)比較高，一般可以達(dá)到83%以上。直錐形尾水管母線多是直線，圖5-70，也有母線為曲線而使管子呈喇叭狀圖5-70。2彎曲形尾水管。如圖5-71所示，用于大中型水電站的立式水輪機(jī)中。它由三部分組成。進(jìn)口錐管，肘管及擴(kuò)散管。進(jìn)口錐管是一個(gè)豎直的圓錐擴(kuò)散管。圖 5-72 肘管是一個(gè)90的彎管，它的進(jìn)口斷面

7、為圓形，出口斷面為矩形。出口擴(kuò)散管是一個(gè)水平放置的斷面為矩形的擴(kuò)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。在大中型電站的立式水輪機(jī)中，如采用直錐形尾水圖 5-72 肘管1錐面；2水平圓柱面；3垂直圓錐面；4垂直面；5斜面；6圓環(huán)面；7上翹面管，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(shí)際上不可能實(shí)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(kuò)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，因圖5-73 彎錐形尾水管此這種尾水管的恢復(fù)系數(shù)較直錐形尾

8、水管低。如圖5-73所示，為小型臥式機(jī)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。此外，拐彎后速度分布不均勻，這就使得水流在直錐擴(kuò)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(jì)尾水管時(shí)，首先要根據(jù)機(jī)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(jī)組上多采用圓形斷面的直錐形尾水管，對于大型臥式機(jī)組（例如大型貫流式水輪機(jī)），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

9、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(jī)組，由于土建投資占電廠投資比例很大，因此在電站設(shè)計(jì)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管的設(shè)計(jì)的方法。1直錐形尾水管的設(shè)計(jì)直錐形尾水管由于結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)時(shí)一般可按下列步驟進(jìn)行。（1）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，決定尾水管的進(jìn)口速度 （5-47）(2) 確定尾水管出口斷面面積 （5-48） （5-49）(3) 確定錐角及管長根據(jù)擴(kuò)散管中水力損失最小原則，一般選錐角，管長可由進(jìn)口斷面面積和出口斷面面積值及值算出。(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(jī)

10、組可參考圖5-74確定。設(shè)計(jì)時(shí)先根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件按確定值，然后再由曲線圖5-74查出，算出，并取。圖5-74 排水渠道斷面尺寸選擇排水渠道斷面； 排水渠道尺寸選擇曲線2. 彎肘形尾水管的選擇及計(jì)算圖5-75 彎肘形尾水管相對深度 與水輪機(jī)效率差值的關(guān)系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(gè)尾水管由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(jī)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(jì)出的尾水管要求有較高的的綜合經(jīng)濟(jì)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(jì)效益，同時(shí)又要求土建工程最小，即減少電站一次性投資。而

11、上述兩種經(jīng)濟(jì)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，但隨著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(shí)應(yīng)予綜合考慮。彎肘形尾水管的性能受下面三個(gè)因素影響，選擇時(shí)應(yīng)著重加以考慮。（1）尾水管的深度尾水管深度是指水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)底環(huán)平面至尾水管底板平面之間的距離。深度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(jī)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）。尾水管的深度對水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性影響很大。特別是混流式水輪機(jī)因

12、葉片角度不能調(diào)整而容易產(chǎn)生偏心渦帶及振動，實(shí)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(gè)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(yùn)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(shí)，必須事前進(jìn)行充分的論證或試驗(yàn)研究，以確保安全運(yùn)行。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)一般可作如下選擇。對轉(zhuǎn)輪進(jìn)口直徑小于轉(zhuǎn)輪出口直徑的混流式水輪機(jī)取；對轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)取，在某些情況下必須要求降低尾水管深度時(shí)則前者?。粚笳呷?。對轉(zhuǎn)輪直徑的高水

13、頭混流式水輪機(jī)則可取。與上述尾水管深度推薦值相對應(yīng)，直錐段的單邊擴(kuò)散角分別取下列數(shù)值：對混流式水輪機(jī)；對轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)?。ㄝ嗇灡却笥?.45時(shí)，取較小值）。（2）肘管型式肘管的形狀十分復(fù)雜，它對整個(gè)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50-71.90605.2010041.70569.45150124.56542.45579.6179.61200190.69512.72579.6179.61250245.60479.77579.6179.61300292.12444.70579.6179.61350331.94408.13579.6179.61400366.17

14、370.44579.6179.61450395.57331.91579.6179.61500420.65292.72-732.67813.1294.36552.891094.52579.6179.61550441.86251.18-496.96713.0799.93545.79854.01571.6571.65600459.48209.85-360.21671.28105.50537.70761.82563.6363.69650473.74168.80-276.14639.26111.07530.10696.36555.7355.73700484.81128.09-205.27612.2711

15、6.65522.51645.77547.7747.77750492.8187.764-142.56588.39122.22514.92605.41539.8039.80800497.8447.859-85.20566.55127.79507.32572.92531.8431.84850499.947.996-31.21545.98133.30499.73546.87523.8823.88900500.0021.35525.97138.93492.13526.40515.9215.92950500.0075.71505.26144.50484.54510.90507.967.961000500.

16、00150.07476.94150.07476.95500.0504.005-76所示為標(biāo)準(zhǔn)混凝土肘管。此肘管，圖中各線性尺寸列于表5-8。此外，當(dāng)水頭高于200m時(shí)，由于水流流速過大，此時(shí)可采用金屬肘管，它們的形式與混凝土肘管不同。（3）水平長度水平長度是機(jī)組中心到尾水管出口的距離。肘管型式一定，長度決定了水平擴(kuò)散段的長度。增加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部分尺寸。增加的效益不如高度顯著，通常取：。圖 5-76 標(biāo)準(zhǔn)混凝土肘管圖 5-77 擴(kuò)散段與支墩水平段的形狀如下：兩側(cè)平行，頂板向上翹，傾角。底板一般水平，少數(shù)情況下，為了減少開挖要求尾水管上抬，

17、此時(shí)一般不超過（低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)取上限）。轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的水平段寬度；混流式為。當(dāng)時(shí)，允許在出口段中加單支墩。支墩尺寸（圖5-77）為：；。出口段最好不要加雙支墩，試驗(yàn)表明雙支墩會引起效率顯著下降。圖 5-78 偏離機(jī)組中心線的尾水管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(jī)組中心線（圖5-78）。此時(shí)，肘管水平段的俯視圖按以下方法繪制：偏心距離由水工建筑要求決定，肘管的水平長保證標(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(jī)組中心（即圖5-78所示兩個(gè)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(shí)廠房的挖深一般不是

18、主要矛盾，這樣就可用加大深度來彌補(bǔ)寬度的縮小。實(shí)踐證明這樣做對水輪機(jī)效率影響不大。四、減輕尾水管振動的措施當(dāng)運(yùn)行機(jī)組上出現(xiàn)尾水管偏心渦帶引起的振動時(shí)，通?？刹捎靡韵聨讉€(gè)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；二是在直錐段進(jìn)口管壁加置導(dǎo)流板圖5-79；三是在彎肘段前后加置導(dǎo)流板圖5-79。實(shí)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(shí)會對機(jī)組的運(yùn)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(jī)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(shí)應(yīng)先做一些試驗(yàn)研究工作。圖 5-79 尾水管中裝設(shè)導(dǎo)流板2尾水管補(bǔ)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(jī)的某些運(yùn)行工況下，破壞尾水管的真空，常對轉(zhuǎn)輪區(qū)進(jìn)行補(bǔ)氣，在大多數(shù)情況下，補(bǔ)氣對水輪機(jī)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(bǔ)氣方法有兩類；一是自然補(bǔ)氣，當(dāng)尾水管的壓力低于大氣壓時(shí)可采用這一類，但這種辦法補(bǔ)氣量常難以控制。二是強(qiáng)迫補(bǔ)氣即用壓力機(jī)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