计水轮机尾水管回收能量的认识与尾水管简单设计.docx

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1、对水轮机尾水管回收动能机理的认识一、水轮机的尾水管的作用1、将转轮出口的水流平顺地引向下游。2、利用下游水平面至转轮出口处的高程差，形成转轮出口处的静力真空，从而利用转轮的吸出高度。3、回收转轮出口的水流动能，将其转换为转轮出口处的动力真空，减少了转轮出口的动能损失，从而提高水轮机效率。二、水轮机尾水管的工作原理由能量平衡方程：H1+P1pg+a1v122g=H2+P2pg+a2v222g设转轮所利用的水流能量为ΔE△Ｅ=Ｅ0-Ｅ1取2—2断面为基准面，则△Ｅ=(Hd+Papg+v022g)-(H0+P

2、2pg+V222g+△hw)(1)（1）转轮出口没有装置尾水管水轮机没有装置尾水管，转轮出口直接与大气相通，则代入（1）式可得转轮所利用的能量为（2）转轮出口装置圆柱形尾水管（如图所示）取5—5断面为基准面，对2—2，5—5断面列能量平衡方程式，则：由于圆柱形尾水管出口断面面积相等，V2=V5P5=Pa+hpg代入上式化简得：P2pg=Papg-HS+h2-5代入（1）式可得转轮所利用的能量为：（3）转轮出口装置扩散形尾水管同转轮出口装置园柱形尾水管一样列能量平衡方程式，则式中γ=ρg由于扩散形尾水管V

3、2>V5,则：P5=Pa+hρgP2γ=Paγ-HS-V22-V522g+h2-5代入（1）式可得转轮所利用的能量为：由以上可以看出：△E3>△E2>△E1结论：(1)没有装置尾水管时，转轮只利用了电站总水头的Hd部分，同时损失掉转轮出口水流的全部动能V222g(2)装置圆柱形尾水管时，与没有装置尾水管相比，此时转轮多利用了HS的能量。这一多出部分称之为静力真空，它是在圆柱形尾水管作用下，转轮出口处不再是大气压而是相应的负压，由于负压存在相当于增加了作用在转轮两端的压力差。但水轮机仍然损失掉转轮出口水流

4、的全部动能V222g(1)装置扩散形尾水管时，除多利用了HS的能量外，由于尾水管出口断面的扩散作用，转轮出口处的流速由V2降低到V5，与没有装置尾水管相比，又多利用了V22-V522g部分的能量。这一部分称之为动力真空，它是在扩散形尾水管作用下，转轮出口处的流速由V2降低到V5而形成的。但水轮机转轮出口的动能损失变为V522g三、思考能否用其他方法来证明尾水管利用转轮的静力真空和动力真空？1.比如用fluent软件来模拟尾水管的流态，通过改变方程中的模拟量，类似于真空度数值模拟的计算方法来证明尾水管动能

5、回收机理。2.模型试验，采用两个水力效应相同的弯肘形尾水管，通过控制流场内某些变量（压力……）的大小，实验结果是没有控制压力得尾水管效率较高，说明了利用静力真空。在我们本科生现有的知识水平来做这些研究还有很大的难度，只能从学术论文上看别人的来推理一些可能存在的情况，如果要做，还需对模拟软件，编程，高等数学等学科知识作为铺垫。四、查询资料在水电站运行中，常常出现振动，是由于在尾水管内产生螺旋状空腔涡带，此涡带在尾水管内处在偏心位置，由于尾水管内压力分布不均匀，所以涡带旋转时，在尾水管壁的固定点上就形成了周

6、期性的压力脉动。压力脉动对尾水管真空度有着很大的影响，一般来讲，尾水管压力脉动主要是由部分负荷时尾水管涡带引起的压力脉动。当导叶开度为0.4至0.7时或者最优流量在在0.3至0.8的范围内，此时涡带会经常出现。而当导叶开度为0.5至0.6时，处在低负荷载载区，此时产生的压力脉动最为严重。强烈的旋转压力脉动是当机组实际运行负荷为机组满负荷的1/3至1/5时，由涡带的旋转导致产生。当机组部分负荷时，除了尾水管有旋转压力脉动外，有时还可以观察到同步压力波动，如果此时的尾水管涡带的扰动频率与水路系统的特征频率相

7、符合，那么就会引起严重的压力峰值群，这将强烈导致机组振动，转轮叶片呈现裂纹，大轴松动，有时还可触发压力钢管破裂。导叶关闭规律对尾水管真空度的影响：在折线关闭规律下，先快后慢关闭时，尾水管真空度发生在折点处，且其值基本不随了Ts而变；先慢后快关闭时，尾水管真空度发生在导叶完全关闭时刻左右，且其值将随Ts的增大而减小。但当有效时间变化到一定范围，使前后两段斜率变化极小时，则类似直线规律关闭。折线关闭规律的选择决定于电站的工作水头以及水轮机的特性曲线，适当的折线关闭规律对尾水管真空度值是有利的。水轮机尾水管涡

8、带研究指的是考虑影响涡带的各种水力因素，其包括水头、开度、空化系数等，探索涡带的发生的机理。并通过分析涡带的频率和引起的压力脉动的幅值等参数特性，从而如何控制尾水管涡带的破坏程度。依据当前技术条件局限性，水轮机尾水管涡带的研究的水力机械界常用的四种方法：理论分析;模型实验;数值模拟（全流道进行非定常三维湍流数值模拟）;真机试验。计算机技术处理系统自迅速发展以来，理论研究和实验研究的应用进展不大，但是CFD在水力机械技术上的应用研究发展很快、