1、混流式水輪機水力設計及其性能分析 原始資料水輪機適用水頭為H=120m，經濟流速取v0=6m/s，輪機直徑D1=1m，設計單位流量為Q11=0.67m/sAbstractHydraulic mechanical properties have important influence on the operation of power plant. The design of the hydraulic machinery is a more complex tasks, the use of a computer aided design (CAD) technology to the des

2、ign, it is very necessary and meaningful. This paper is the application of the modern design method for the spiral case was Francis turbine hydraulic design, namely the first application of CAD software and combined with the traditional design method used 2 d is designed, and then in 2 d, and on the

3、 basis of spiral case was generated by Solidworks 3 d model, and cut out calculation domain, for Fluent prepare analysis, finally Gambit in generating grid files, add Fluent simulation and analysis flow field, according to the analysis of the spiral case was improved ward to minimum shape of the hyd

4、raulic losses. Key word: diffuser design, 3 d modeling and flow analysis, CFD 摘 要摘要：水力機械性能對發電廠運行有著重要影響。水力機械的設計是一項較為復雜的工作，利用計算機輔助設計(CAD)技術對其進行設計，是非常必要和有意義的。本文主要是應用現代設計方法進行混流式水輪機蝸殼的水力設計，即首先應用CAD軟件并結合傳統設計方法蝸殼進行二維設計，然后在二維的基礎上，通過Solidworks生成蝸殼三維模型，并截出計算域，為Fluent分析做準備，最后在Gambit中生成網格文件，再倒入Fluent模擬并分析流場，根據分

5、析結界改善蝸殼形狀以達到最小的水力損失。關鍵字：蝸殼設計、三維造型、流場分析、CAD緒論5第一章 蝸殼的水力設計61.1 混流式水輪機蝸殼的設計原理61.1.1混流式輪機蝸殼的作用61.1.2蝸殼的分類61.1.3蝸殼中水流運動規律61.2 蝸殼的水力計算81.2.1 選擇蝸殼類型81.2.2 蝸殼的水力計算8第二章 導水機構152.1導水機構的作用和分類152.1.1導水機構的作用152.1.2 導水機構的分類152.2導水機構的設計152.2.1導水機構的參數選擇與計算152.2.2導水機構的尺寸確定15第三章 水輪機轉輪水力設計173.1水輪機轉輪的主要參數183.1.1 基本資料183

6、.1.2 參數的確定183.1.3 轉輪的軸面流道203.2確定軸面流線和軸面速度213.3 轉輪葉片木模圖30第四章 尾水管的水力設計314.1尾水管原理314.1.1尾水管的作用314.1.2尾水管的類型314.1.2尾水管內的水流流動和水力損失324.2尾水管的水力計算324.2.1尾水管的選擇324.2.2尾水管的參數計算324.3尾水管性能分析35緒論自然界有多種能源，目前被利用的能源主要有熱能、水能、風能和核能。水能是一種最經濟的能源，也是一種永遠消耗不盡的能源。地球上江河湖海縱橫，湖泊星羅棋布，海洋遼闊，蘊藏著豐富的水力資源。在電能結構中，水電以運行費用低、清潔、易于開發和具有多

7、種效益的優點而占據重要地位。我國水能資源十分豐富，根據國家發展和改革委員會于2005年11月發布的全國水力資源復查成果，我國大陸水力資源理論蘊藏量為6.94億千瓦，年發電量為6.08萬億瓦時；技術可開發量為5.42億千瓦，相應年發電量為2.47萬億瓦時，居世界第一位。由于水電開發投資大，見效慢，周期長，所以水電在過去的幾十年中雖然有一定的的發展，單發展程度還不夠，截止目前為止，水電裝機還不足1.5億千瓦，待開發程度相當大。水力發電還有很多突出的優點：水力發電不需要消耗有限的礦藏能源，發電成本低，機組啟動時間短，運行方式靈活，操作簡單，可迅速地投入系統，并在電網中扮演多種角色，發揮調峰，調頻，調

8、相等功能。水輪機選型是水電站設計中的一項重要任務。水輪機的型式與參數的選擇是否合理，對于水電站的動能經濟指標與運行穩定性，可靠性都有很重要的影響。水輪機選型過程中，一般是很據水電站的開發方式、動能參數、水工建筑的布置等，并考慮國內外已生產的水輪機的參數及制造廠的生產水平，擬選若干個方案進行技術經濟的綜合比較，最后才能確定最經濟最合理的的工程方案。隨著國內大型水電站的興建，水電站仿真技術引起人們更多的關注。水輪機調節系統的性能對水電站機組的安全穩定運行起著決定性的作用，如何設定和調整水輪機調節系統的性能和特性參數，更好地改善調節性能，長期以來，保證機組運行的可靠性和經濟性，是一個十分重要的課題。

9、作為水利水電動力工程專業的學生，我們要樹立為祖國水電事業做貢獻的遠大理想，認真學好本專業的知識，從點點滴滴做起，全方位的學習其他知識，爭取做一個厚基礎，善創新，有理想的青年。第一章 蝸殼的水力設計1.1 混流式水輪機蝸殼的設計原理1.1.1混流式輪機蝸殼的作用金屬蝸殼作為該水輪機的引水室，是水流進入水輪機的第一個部件，蝸殼在水流經過時，盡量地將管道中的水流均勻地分配到轉輪前導水葉的四周，并使水流盡可能地成對稱狀態流入導水機構，然后再流入轉輪，以減少水力損失，并保證水輪機運行平穩，蝸殼在水流經過導葉前還能造成一定的環量，使水流以渦旋線形狀均勻地流入導葉，防止強大的水流對導葉造成沖擊。1.1.2蝸

10、殼的分類蝸殼按其制造方式，有焊接、鑄造、鑄焊三種類型，鋼板沿著圓周連同座環在內全部焊接的焊接時蝸殼一般用在尺寸較大的中低水頭電站的混流式水輪機中。1.1.3蝸殼中水流運動規律為了使蝸殼水力損失減小，并盡可能控制水流方向，可以根據設計者意圖讓水流跟從兩種不同規律沿蝸殼流動，蝸殼的形狀也會隨之發生變化，以下為兩種流動規律：（1）蝸殼斷面的平均速度周向分量為常數的規律 為蝸殼進口斷面的水流速度。進口斷面的平均速度希望選得大一些，這樣可以減小蝸殼的尺寸，但是過大的增加會增加損失，降低水輪機效率，因而減小了水輪機的輸出效率。圖2-1是建立在經驗基礎上的金屬蝸殼和混凝土蝸殼 的速度系數與設計水頭的關系圖2

11、-1 金屬蝸殼的流速系數與水頭的關系知道了平均速度就可以就出蝸殼相應的軸截面面積式中表示從蝸殼鼻端到任意斷面之間的角度，圓形斷面金屬蝸殼尺寸可按給出不同的角，并按上式算出每一個角相應的面積和半徑2）蝸殼中水流按等速度距規律流動。按照流體力學原理，勢流流動時沒有損失的理想流體運動。蝸殼中管壁摩擦損失時很小的，如果認為水的粘性很小，而勢流流動按推導應有式中水流速度的切向分量（圖2-2）；r計算點半徑；K蝸殼常數。至于蝸殼各斷面所通過的流量，則根據通過水輪機轉輪的流量沿圓周方向必須是均勻的這一原則，通過蝸殼任意斷面的流量為而水流沿圓周方向均勻進入水輪機轉輪，水流在座環進口的徑向速度應等于圖2-2 蝸

12、殼中水流運動式中r座環外徑B座環高度Q水輪機的總流量上式同樣可以用在蝸殼斷面中，求任意一點的徑向流速，不過其中r和b值不是常數。1.2 蝸殼的水力計算1.2.1、選擇蝸殼類型HL160LJ水輪機水頭較高，140H40，所以采用鋼板焊接金屬蝸殼，蝸殼包角取345水力效果較好，蝸殼斷面為圓形，當蝸殼到尾部圓斷面無法與座環蝶形邊相連接時，則采用橢圓形斷面。（蝸殼的包角是決定蝸殼尺寸的重要因素，大包角蝸殼水力效果好，導水效率高，水能損失少，但包角大尺寸也越大，因此會增加建造成本，受限制于發電機尺寸、水頭高度、廠房大小，平衡水輪機工作效率，選擇最合適的蝸殼包角。）1.2.2、蝸殼的水力計算：1、選擇參數

13、該輪機蝸殼采用圓形斷面，從入口開始，到鼻端的斷面，各個圓截面作切線相切與導水機構中分線相交點為頂點，作角度線與水平軸線成角為，這里取55角，如圖所示，在靠近鼻端斷面事，圓形斷面無法與座環形成良好的連接，故采用橢圓斷面，而一般座環尺寸選取為Da=1.551.64，Db=1.331.37（其中Da、Db為座環進口和出口處直徑與水輪機轉輪尺寸D1的比值）（注：進口斷面流速應盡量取大些，以此縮小蝸殼尺寸減少制造成本，但過大的進口流速會增大水流損失，降低水輪機的效率，水輪機的輸出功率亦會受此影響，故經濟流速取6m/s）由水輪機設計手冊查的所選方案HL160 D=1m的具體尺寸 D1i(=s)時，采用圓斷

14、面。因為=0.373522813s,所以iS時，采用圓斷面連接計算的公式：x=i/C+(2r0*i/C-h) Ri=+ai=x+h i=rD+x為求精確，i的變化幅度的15根據公式算出圓斷面各數值，由下表顯示：圓斷面計算斷面號i()i/CrD2r0*i/ch(2r0*i/C-h)x(m)x(m)(m)a(m)R(m)13450.1437332240.840.2414718160.0449440.4433145790.5870478030.3446251230.6241547271.4270478032.05120252923300.1374839530.840.2309730410.04494

15、40.4313108410.5687947940.3235275180.6070185481.4087947942.01581334233150.1312346830.840.2204742670.0449440.4189633240.5501980060.3027178460.5896285661.3901980061.97982657343000.1249854120.840.2099754920.0449440.4062406820.5312260940.2822011630.5719660511.3712260941.94319214552850.1187361410.840.1994

16、767170.0449440.3931064960.5118426380.2619828860.5540098251.3518426381.90585246262700.1124868710.840.1889779430.0449440.379518040.4920049110.2420688320.5357357861.3320049111.86774069772550.10623760.840.1784791680.0449440.3654246410.4716622410.222465270.5171163021.3116622411.82877854382400.099988330.8

17、40.1679803940.0449440.350765440.4507537690.203178960.4981194241.2907537691.78887319392250.0937390590.840.1574816190.0449440.3354662710.429205330.1842172150.478707861.269205331.74791319102100.0874897880.840.1469828440.0449440.3194351960.4069249840.1655879430.45883761.2469249841.705762584111950.081240

18、5180.840.136484070.0449440.3025558950.3837964130.1472996870.4384560261.2237964131.662252439121800.0749912470.840.1259852950.0449440.2846775290.3596687760.1293616280.4174992551.1996687761.617168031131650.0687419770.840.1154865210.0449440.265598420.3343403960.1117835010.3958882431.1743403961.570228639

19、141500.0624927060.840.1049877460.0449440.2450382540.307530960.0945752920.3735228131.147530961.521053773151350.0562434350.840.0944889710.0449440.2225869970.2788304330.077746410.3502719091.1188304331.469102342161200.0499941650.840.0839901970.0449440.1976011050.247595270.0613034180.3259561591.087595271

20、.413551429171050.0437448940.840.0734914220.0449440.1689598240.2127047190.0452432970.3003121.0527047191.35301671818900.0374956240.840.0629926480.0449440.1343452550.1718408790.0295292880.2728979441.0118408791.284738823橢圓斷面參數確定：L=h/sin=0.258892462ms=L*tan=0.369354063mr0-Ra=h/tan=0.148597802mRa=r0-h/tan

21、=0.691402198md=b0/tan=0.078504499m當i165時，圓斷面半徑s，此時蝸殼的圓形斷面與蝶形邊不能形成良好的接觸，所以應該將圓斷面過渡為橢圓斷面，過渡時的原則為求出各個截面的圓形斷面面積，根據蝶形邊高度將其換算為面積相等的橢圓，并計算出相對應的1、2繪制合適的橢圓形斷面 與蝶形邊相接的金屬蝸殼橢圓形斷面尺寸圖橢圓短半徑2=(1.045*A+0.81L*L)-1.345L與圓的同等面積上式也可以寫成：橢圓斷面長半徑1=L+2-2ctg橢圓短面中心距a=Ra+1.22*2橢圓斷面外徑R=a+1由此橢圓形斷面數據如下表：斷面號ii/CA21aR141500.0624927

22、060.3735257310.4468899260.373794120.3706819381.1474310241.518112962151350.0562434350.3503359410.3941812560.3345852970.3589558741.0995962611.458552135161200.0499941650.326307260.3431284880.2943312860.3469172291.0504863671.397403596171050.0437448940.301273250.2937963980.2528784290.3345200490.999913882

23、1.3344339318900.0374956240.2750050460.2462637190.2100333890.3217065120.9476429321.26934944419750.0312463530.2471727710.2006288520.1655479960.30840240.8933707531.20177315220600.0249970820.2172695370.1570195060.1190966920.2945103490.8367001631.13121051221450.0187478120.1844410630.1156106120.0702434440

24、.2798999560.77709921.05699915722300.0124985410.1470196470.0766629020.0184001010.2643953250.7138503220.97824564623150.0062492710.1006944670.04063014300.2588924620.6914021980.95029466由數據可繪制蝸殼單線圖：第二章 導水機構2.1導水機構的作用和分類2.1.1導水機構的作用水輪機在運行時會因不同的條件而在不同的工況下工作，這時不同工況對應不同的流量，以使水輪機的功率和負荷達到平衡，而在許可的時間內使轉速盡快地回到原來的

25、額定值，而流量大小就由導水機構控制。2.1.2 導水機構的分類不同的水輪機對應的導水機構也不同，大致根水輪機匹配工作的導水機構有三種：（1）徑向導水機構：導葉軸線均勻分布在水輪機同心的圓柱面上，又稱圓柱式導水機構，導葉傳動機構為平面運動機構，結構較為簡單。（2） 斜向導水機構：導葉軸線均勻分布在圓錐面上，又稱圓錐式導水機構，主要用于燈泡式灌流式水輪機和斜流式水輪機，在燈泡式水輪機中可以省去大尺寸蝸殼，便于經濟地布置機組；導葉的出水角度不盡相同，設計困難且難于保證完全關閉水流；這種導水機構結構較為復雜。（3） 軸向導水機構導葉軸線位于半徑方向上，又稱圓盤式導水機構，主要用于全貫流式水輪機，功能和

26、缺點同斜向導水機構，水力損失較大。2.2導水機構的設計2.2.1導水機構的參數選擇與計算轉輪的直徑D1=1m，所以選取導葉數Z0=24，導葉開度a0的大小等于自一個導葉的出口邊至相鄰導葉表面的最短距離，根據水輪機設計手冊查得，本設計中取D0/D1=1.13，即D0=D1*1.13=1.13m，葉片軸分布圓直徑為1.13m，半徑為r=0.5652m，選用對稱形導葉，導葉尾部所在圓周直徑為Dra，導葉的徑向開度為a0ra=Dra/Z0=/Z0(D0-2L1)，大型水輪機采用標準化導葉，L1=（0.060.087）D1，本設計中，導葉尾半段長L1D0-D1=0.25m，則可以近似認為徑向開度的公式為

27、a0ra=D1/Z02.2.2導葉形狀的選擇可采用標準化對稱型翼型的導葉如下圖所示由于此水輪機跟HL160水輪機工況近似，所以可以參考HL160-46轉輪綜合特性曲線，這里選取開度為a0=18時的工況曲線，則此時開度處接口圓直徑可知R=D0/D1*a0=20.74mm選取合適開度，如下圖所示導葉全關閉時導水機構全葉片在最優工況下：第三章 水輪機轉輪水力設計 設計根據：二元理論（u0）二元理論設計方法同樣假定轉輪葉片無窮多，則液流運動是軸對稱的，但卻認為軸面速度在沿過水斷面是不均勻分布。因此，軸面上任一點的運動必須由確定該點在軸面上的位置的兩個座標來決定，在圖中，這兩個座標為過水斷面的位置lm和

28、過水斷面母線上A點距上冠的長度。中高比轉速棍流式水輪機轉輪軸面圖流道拐彎的曲率半徑較小，葉片大部分或全部位于流道的拐彎區，水流拐彎對軸面速度的影響較大，沿過水斷面軸面速度自上冠向下環增大，這與二元理論中假定軸面有勢流動的分布規律比較接近，故二元理論的方法多用于設計中高比轉速的混流式轉輪。近年來我國已采用了這種方法進行設計，并獲得一定成果。圖2-1 確定轉輪內某質點A的軸面速度所需的座標。 a)一元理論設計時b)二元理論設計時 三元理論 三元理論設計方法是從研究有限葉片數的轉輪葉柵出發的，這時液流不是軸對稱流動的，不同軸面上的流動各不相同。因此，轉輪中各點的軸面速度由該點的三個座標來決定。三元理

29、論的設計方法在理論上更加嚴格，但設計計算相當復雜，實際經驗不多，目前還未普遍應用。三元理論設計在理論上更接近設計工況附件轉輪的內部流動情況，只是不考慮流體粘性，越偏離設計工況，計算精度越差。本設計采用二元理論的方法。3.1水輪機轉輪的主要參數3.1.1 原始資料水頭高120m，水輪機直徑1m 。3.1.2 參數的確定 進行轉輪水力設計，應先確定設計參數，作為設計的依據和目標。確定轉輪設計參數就是根據水輪機的使用水頭，確定所設計轉輪的比轉速ns、單元流量Q1、單元轉速N1。確定這些參數時，應參考國內外的統計資料及系列型譜中有關轉輪的參數。 圖3.1.1至3.1.3給出了對國內外混流式轉輪參數進行

30、了統計分析而作出的一系列曲線，可供確定設計參數時參考。 圖3.1.1是根據108個電站混流式水輪機比轉速隨水頭而變化的統計資料，并結合我國具體情況，建議采用的ns= f (H)曲線。它大致處于美國、英國、日本等國所采用的ns=f（H）曲線的平均線上。我國現有高比轉速棍流式轉輪的比轉速與之相比偏低，故有待提高。圖3.1.1 ns與H的關系曲線 圖3.1.2為單元轉速與使用水頭的關系曲線。我國現有轉輪的單元轉速偏低，特別在低水頭范圍。圖中n1。為最優單元轉速，為單元飛逸轉速。 圖3.1.2 n1與H的關系曲線圖3.1.3為單元流量與一單元轉速的關系曲線。圖3.1.3 Q1與n1的關系曲線由式 可見

31、，在一定水頭下，要使水輪機的功率增加、尺寸減小，必須提高單元流量Q1和效率。混流式水輪機模型的最高效率已達9093%,設計的新轉輪除了盡可能保證有最高的效率外，提高單元流量Q.是提高功率、減小尺寸的重要途徑。 通過關系曲線最后水輪機的轉速ns為160r/min，單位轉速n1為65r/min ,總流量為7.3m3/s. 3.1.3轉輪的軸面流道參照教材和水輪機設計手冊的轉輪流道尺寸確定導葉相對高度、上冠處曲率半徑、下環處曲率半徑等參數。按比例換算，并在圖紙上繪出流道圖。下圖為混流式160轉輪的流道尺寸。 圖3-1 混流160轉輪流道尺寸3.2確定軸面流線和軸面速度 為了設計轉輪葉片，首先要確定軸

32、面流動的流線，而后在軸面流線繞轉輪軸心線旋轉而得的設計流面上設計葉片翼型。顯然，在二元理論的設計方法中，應按軸面有勢流動來確定軸面流線。轉輪流道中有無數個設計流面，相應的在轉輪軸面流道內就有無數條軸面流線。為了設計的方便與可能，通常只需繪制出幾條軸面流線。設計中所繪制的軸面流線數根據導水機構高度b。和設計精度的要求來確定。流線數目越多，設計精度越高，但計算工作量越大。一般包括上冠、下環流線在內，繪制5條流線。這樣，可在5個設計流面上進行葉片繪形，然后將葉片翼型按照一定的規律組合起來，就得出整個葉片的形狀。繪制軸面流場是按照各單元流道流量相等的條件進行的。通常假定在流道轉彎前足夠遠處及轉彎后足夠

33、遠處，軸面速度是均勻分布的，這樣，按照各單元流道的流量相等的條件，就可以用軸面流線來分割一和一斷面。水流的起始斷面是一個以一為母線的圓柱面，設計流面應等分這一圓柱面，相應軸面流線就等分母線為若干小線段。若取5條軸面流線，則分成4段，則每一小線段的長度為 0.224/4=0.056m一 斷面通常為圓形，設計流面應將此過水斷面分割為面積相等的數個圓環面，每個圓環的面積為 若以K表示由轉輪軸線開始算起的流線的序號，則K= 1, 2 5。于是，過水斷面一上各分點的半徑r K可用下法確定 根據公式得各段的長度為 r1 =0 m r2 = 258.75mm r3 =364.84mm r4 = 447.64

34、mm r5=517.5mm 根據勢流中流線與勢線相互正交的性質，在軸面勢流場中可用流線與等勢線作出正交的網格，稱為流網。流網不僅描繪出軸面勢流的特性，而且還可利用流網來求軸面速度。 定出軸面流線在一和一斷面上的始點和末點后，就可先用目測徒手畫出近似的流線和與它正交的勢線，組成第一次近似的流網，一般規律為近下環處 流線較密集，在近上冠處流線較稀疏。然后根據勢流場的性質進行計算并調整流網，重復數次就可以獲得精確的流網。 圖3-2-1 軸面有勢流動的流網若為軸面勢流的勢函數，則對軸面流線l方向的導數就是軸面速度。 實際計算中用有限小的增量代替微分，于是以原有的等勢線為中線，在其兩側作兩條盡可能接近的

35、等勢線，三條等勢線形成等勢線組，中間的一條稱為等勢線中線。這樣式可寫為 式中 軸面流線與等勢線中線交點處的軸面速度，l 上述中兩條等勢線之間軸面流線的長度。根據各單元流道的流量Q相等的約束，沿一組等勢線應滿足式中 相鄰兩條流線間等勢線中線的長度，相鄰兩條軸面流線的的平均值 。 的兩端點至軸心線距離的平均值；、r和l均從圖上量得，為常數，將各常數都合并到右邊，得 式中F常數。 上式就是沿一組等勢線檢查和調整流網的條件。如果按第一次近似的流網計算出的某組的勢線上各單元流道的各Ft值互不相等，則可求出該組勢線的各Ft的平均值 并求出的修正值 按式修改流網，即可得到第二次近似的流網。并重復這一過程，逐

36、次逼近直到達到所要求的精度為止，可得到符合設計要求的軸面流線和等勢線。一般要求的精度為 計算可列表進行軸面流網準確性檢查計算 本設計選取5條流線進行計算。軸面流網準確性檢查計算表 等勢線流線3604.870392.6589.7197.235.22.43856.465481.5108.214.66.84208.460646.3104.515.23.446013.150838.6148.814.88.951025205 2.9135 572.0627.655.613.19.7305 5.5 90 591.536.15.5 6.1 380 7.670612.115.51.82.5445 9.9 55

37、 734.9 57.28.04.6 505 16.8為了計算出軸面流線上的Vm值，必須計算出勢差。由于轉輪流量為各單元流道流量之和， 可知 再計算，則有 各組等勢線的值在表中已計算出，從而可求出相應的勢差值，于是流網各交點的軸面速度Vm可計算出，可作出各條流線的Vm=f(l)曲線. 在方格紙上繪出Vm=f(L) 曲線圖，L為等勢線與流線交點到流線進口端點的弧線長度。圖3-2-2各條軸面流線的Vm=f(l)曲線 目前認為比較合理的VuR變化規律大致如下圖所示 圖3-4-3 曲線近來，某些研究結果表明，使葉片背面的最大負壓峰值接近葉片出水邊緣。采用圖3-4-1和圖3-4-2中的規律。此時靠近葉片出

38、水邊處產生的氣蝕氣泡基本在葉片范圍之后凝縮，使氣蝕對葉片的侵蝕破壞大大減輕甚至消除，而且并不惡化轉輪的氣蝕性能。只是值得我在設計只能怪充分注意的一個動向。在設計過程中可以對預定的 = f(l)曲線n=750r/min =2n/60=78.5Vur=gh/Vur=0.919.8120/78.5=13.7參照該帶入各項數據畫出HL160水輪機葉片的曲線，見下圖： r圖 3-4-4葉片頭部和尾部、r變化都比較 平緩的 = f(l)幼曲線進行修改，才能得出在設計中認為合理的=f(I)曲線。 參照水輪機設計手冊的轉輪流道尺寸確定葉片進出口位置。 進行積分計算時，通常從上冠流線開始，將上冠流線作為第一條流

39、線。積分時，分上冠流線長6小段(圖10-23)，將各小段l，中點的r2，ur及mr2代入式即可求得相應的i角。為了方便可按表進行計算。第一條流線葉片微分方程的積分計算l23035247.515.413.71.71.15.426535282.514.37.61.90.955.930035317.513.67.22.40.836.433535352.511.66.62.50.716.637035387.510.85.730.66.94053531.2其余流線葉片微分方程的積分計算 在第一條流線計算出各段的角后，檢驗葉片包角=i角太大，將增加摩擦損失而降低效率，增加葉片對水流的排擠而減少流量;。角太

40、小，將使葉片汽蝕性能變壞及強度降低。如積分計算所得到的包角太大或太小時，則應適當減小或加大上冠長度Im，或修改原給定的 曲線，再重新進行計算。 對其它流線進行積分時，絕不能忘記在二元理論的設計方法中，葉片的軸面截線即 的渦線。因此，進行積分計算時，必須使各小段的 和 值，分別等于第一條流線上相應各段的和值。 由于式中的 及 值只有在選定 的情況下才能確定，因此，只有初步選定 ,然后計算，并用逐次逼近法求出各小段的長度，定出流線上的各分點。積分計算可按表進行。對各條流線進行積分后，連接不同流線上同名分點，就可得出葉片的軸面截線,各條軸面截線應盡量光滑。轉輪葉片的軸面截線3.3 轉輪葉片木模圖 為

41、了使設計出的轉輪葉片能方便而又精確的制造出來，必須在設計出的葉片軸面投影圖的基礎上做出可供生產用的葉片木模圖。 葉片木模圖是由一組垂直于水輪機軸面線的平面1、2、3、截隔葉片所得的圖形在平面圖上的投影（即水平截面圖）組成。為了做出這些圖形，應在葉片軸面投影圖（該圖應具有葉片工作面和背面的軸面截線、）上取一組對應于上述平面的水平線（通常稱等高線）1、2、3、并且在平面圖上作出對應于軸面投影圖中各軸面的射線、。將軸面投影圖上各等高線也軸面截線的交點，按其所在的軸截面及距軸心線的距離r畫到平面圖中相應的射線上，然后再平面圖上，用光滑曲線將同一等高線上所得的點連接起來，即得到葉片的水平截面圖。為了提高

42、繪圖精度，可在平面圖中做出各條流線的水平投影，然后將流線在軸面投影圖上與等高線的交點投影到平面圖上，作為繪制葉片水平截面的輔助點。 在水平投影圖上作出葉片上冠與下環的交線的水平投影，這兩條交線實際上是兩條流線，在決定他們水平投影時，應利用軸面投影圖上這兩條流線與軸面截線的交點來作圖。例如上冠流線與葉片背面軸面截線相交，交點至軸心線的距離為r1，于是以r1為半徑即可在平面圖的射線上定出相應的點。 各水平面間的距離應從制造的方便與保證足夠的精度出發來選取。例如，對中高比轉速混流式轉輪葉片靠近上冠的較大一部分葉片比較平直，則水平截面的間距應大一些，而靠近下環處葉片扭曲較大，則應多取一些水平截面。為了

43、制造方便，本設計將各水平截面圖單獨繪制出，但按相同的基準標注尺寸。第四章 尾水管的水力設計4.1尾水管原理4.1.1尾水管的作用水流經過轉輪，完成能量交換后，將從轉輪的出口邊流出轉輪。水流流向下游，除了引流這個功能外，尾水管擴張的流道形狀在轉輪出口處壓力下降，形成真空，可以回收一部分水流能量，增加了轉輪前后的能量差，減小了水頭損失。所以尾水管有以下作用：（1） 引流，轉輪出口水被引向下游（2） 回收部分轉輪出口動能（3） 利用轉輪高出下游水面此段的位能4.1.2尾水管的類型尾水管主要有兩種類型：（1） 直錐形尾水管： 一種最簡單的擴散形尾水管，內部水流均勻，阻力小，因此水力損失也很小，回復系數

44、比較高，一般用于中小型水電站（轉輪直徑D0.50.8m）大多數直錐管的母線為直線。（2） 彎曲形尾水管 這是目前應用最廣泛的尾水管，中心線具有90或者接近90的轉彎。彎肘型尾水管幾乎適用于所有大、中型立式水輪機。大型機組如果采用直錐式尾水管，需要挖出巨大的深度，極大的增加了建設成本，彎肘式水利性能雖然不如直錐形尾水管，但有經濟的較小挖深，是被大型水輪機采納的重要原因。 還有一種彎錐形尾水管，主要是用于小型臥軸式水輪機，由兩部分組成，第一段為等圓斷面彎管，轉彎角度一般為90，另一段位豎直的圓錐管，達到電站布置方便的目的。4.1.2尾水管內的水流流動和水力損失 水輪機的尾水管對整機效率有很大的影響

45、，轉速比越高，轉輪出口水流速度會很大，水力損失就可能越大，另外，如果尾水管中水流狀態差，會影響機組的穩定運行，因此設計時需要考慮尾水管結構并對內部水流運動進行分析。（1） 直錐形尾水管 水流在直錐擴散管中受擴散角和長度L的影響比較大，進入直錐管后沿流向，水流速度隨著過水斷面逐漸增大而下降，同時壓力升高，在這種情況下產生了對水流流動的阻滯作用；另一方面在水流粘性作用下，水流從中心到壁管流速逐漸下降，這種效應到了一定程度便會產生回流的效果。管中總水力損失=h1（沿程水力摩擦損失）+h2（擴散損失）+h3（出口動能損失）（2） 彎曲形尾水管 水流在彎曲形尾水管中流動時，先流經直錐管，再進入肘管。在肘

46、管中水流轉彎處流場發生變化，外壁壓力增大流速下降，內壁相反，壓力減小流速增大，內部處液流收縮二外液流擴散，形成渦流滯水區，流到水平擴散段時離心力作用逐漸消失，斷面壓力分布又趨于均勻，原先彎管段內具有較高壓力的水流進入出口段時壓力降低，液流便加速并呈現收縮狀，相反，原先壓力低的高流速水流就會呈現出擴散狀，形成另一個渦流滯水區，到水平擴散段這種水流狀態才漸漸平穩消失。 另外，轉彎處的曲率半徑r1與r2也對肘管水力損失有重要影響，曲率半徑越小則離心力效應和壓力梯度越大，損失也越大，一般設計中取曲率半徑r=(0.61.0)D4比較合理，且設計時遵守外壁用上限，內壁用下限制，曲率半徑過大作用不顯著，曲率

47、半徑過小則會增加損失。 尾水管出口流速具有不均勻性，出口動能損失值大于平均流速計算所得值，實際出口動能損失h5=*V52/2g,直錐形尾水管=1.31.5，轉槳式水輪機=1.52.5，混流式及螺槳式的=37，水平擴散段加支墩是水流均勻后降低20%30%。4.2尾水管的水力計算4.2.1尾水管的選擇 在設計電站時，需要根據電站和機組的具體情況選擇尾水管的尺寸和型號，一般小型水輪機采用直錐形尾水管，而一般大型立式水輪機組采用彎肘式，因為彎肘式可以盡量降低水下開挖量和混凝土量，以達到節省建設資金的目的，本設計為大型機組模擬原型，所以采用彎肘型尾水管。4.2.2尾水管的參數計算因D1/D2=1/1.0

48、1=0.990099011，得D1D21、 尾水管的高度水輪機導水機構底環平面到尾水管底板平面的距離 深度h越大直錐段的長度可以略大一些，降低肘管段進口及其后部留到的流速，對降低肘管中的水利損失有利，可以參考下圖曲線一般根據實際經驗，轉輪D1D2的混流式水輪機取h2.6D1；因此 取 h=2.6D1=2.6m查水電站設計手冊表 ，=1m肘管型式適用范圍2.64.52.721.351.350.6751.821.22標準混凝土肘管混流式HLB5D4h4h6L1h52.64.52.721.351.350.6751.821.22由水輪機設計手冊推薦=1.05，D3=1.01D2所以，=1.0605m2、 尾水管直錐段查水電站機電設計手冊 水力機械知，混流式水輪機直錐段單邊擴山角度79，因此取=8直錐段高度為h3=(D4-D3)/2tan=1.0304m所以直錐段進口直徑為D3=1.0605m 直錐段出口直徑為D4=1.35m3、 肘管段 肘管由于形狀復雜，且對整個尾水管性能影響巨大，一般采用推薦定型的標準肘管,D3=1.0605D1=1.0605m根據水電站設計手冊對照，標準肘管軸面計算表：M11.09420.3