本章涉及的主要内容
HSJ
? 引水室的型式
? 涡壳中的水流运动（本章的重点）
? 涡壳主要参数的选择
? 圆形断面涡壳的水力计算
? 座环支柱的水力计算
第一节 引水室的型式
HSJ
引水部件的功能,
在 安全、经济 的条件下使水流均匀地进入叶轮。
引水室的型式,金属蜗壳式 和 混凝土蜗壳式 。
金属蜗壳
一、水轮机的引水部件
蜗式引水室的优点
HSJ
? 水力损失较小，结构紧凑，克减少厂房尺寸和土建投资。
? 封闭式，因此可用于各种水头和流量的水轮机。
? 其断面从进口到尾部逐渐缩小，这样不仅可以使水流在
导水机构前形成一定的环量，而且使水流沿整个圆周均匀
地进入导水机构，因此在反击型水轮机中被广泛应用。
二、泵的引水部件
HSJ
吸水室
离心泵,
轴流泵,
直锥形吸水室
吸入喇叭管
半螺旋形吸水室
环形吸水室
直收缩管吸水室
肘形吸水室
钟形吸水室
泵 吸入室的类型
HSJ
a) 直锥管 b) 弯管 c) 肘管 d) 环形 e) 半螺旋形
第二节 蜗壳中的水流运动
HSJ
理解,将涡壳中的流动视为中心处的涡、汇共同
诱导的平面流动。令涡的强度为 Γ,而在垂直于
流动平面方向单位长度上的流量为 -Q。
于是在极坐标（ r,）
中，流线方程为,
???? QBer
?
根据流函数 ψ 可得到,
HSJ
r
QV
rV ru ?? 22 ??
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u
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结论,当 Γ 为常数，即指定蜗
壳形成的环量，则有,
c o n s trV u ??? ?2
蜗壳设计的另外一种方法,
HSJ
假定水流速度按 Vu=const规律分布。
优点,
缺点,
? 对计算蜗壳的尾部有利。
? 计算方法简单。
δ≠const，使导水机构进口环量不均匀
引起机组径向力不平衡而降低机组的
稳定性（对于大型机组不宜采用）。
HSJ
第三节 蜗壳型式及主要参数的选择
设计蜗壳应满足的要求,
? 保证水流在进入导水机构前形成一定的环量（即形
成 Vu ），其内的平均流速和局部流速不超过水流损失
所容许的范围，同时保证蜗壳断面的尺寸不要过大。
? 保证水流能轴对称地进入导水机构，流量沿导水机
构圆周均匀分配。在主要工况下，水流皆以不大的冲
角绕流导叶。
? 涡壳的尺寸、断面形状及其外形结构等，应满足水
电站厂房布置和水轮机结构 (如导水机构接力器和空
放阀的布置 )的要求 。
?具有足够的强度。
一、涡壳的型式及其选择
HSJ
原则,
? H<40m时采用混凝土蜗壳。
? 水头 H>40m时采用金属蜗壳 （铸铁、铸钢或钢板）。
? 水头 H>200m时，则采用铸钢蜗壳。
二、蜗壳主要参数的选择
HSJ
（一）蜗壳的断面形状及其变化规律
座环 蝶形边的倾角
HSJ
蜗壳所占位置的比较
HSJ
混凝土涡壳的断面形状
HSJ
(二 ) 蜗壳包角的选择
HSJ
完全蜗壳和
不完全蜗壳
决定包角的因素
结论,
HSJ
? 对中高水头的混流式水轮机组，采用全包角的金
属涡壳（ 135° ~ 270° ），因为决定机组间距的是
发电机定子直径。
? 对低水头大流量的电站 (多采用轴流式水轮机 )，
其机组间距主要取决于涡壳的平面尺寸，故采用不
完全涡壳。
混凝土涡壳的包角
HSJ
水头 H(m)
包角
<25
135° - 225°
25 - 40
225° - 270°
(三 ) 涡壳进口断面流速 Ve的确定
HSJ
Ve大小对损失及机组尺寸的影响。
)/( smHV re ??
对大型水轮机的涡壳, 一般要进行专门的模型试验
研究和综合技术经济比较来确定涡壳进口流速 。
第四节 圆形断面涡壳的水力计算
HSJ
前提,
选定了涡壳的型式、包角 φ0及进口断面速度 ve
蜗壳水力计算的任务,
给定设计水头 Hr,设计流量 Qr,导水机构高度 b0及
座环尺寸的条件下, 确定涡壳各断面的形状和尺寸,
并绘出涡壳单线图 。
涡壳单线图
HSJ
按照水流均匀进入导水机构的要求，
流过涡壳任一断面的流量应为
HSJ
r
i
i QQ ?? 3 6 0
0?
任意断面的流量 的截面图
涡壳进口的流量
HSJ
涡壳进口断面面积
涡壳进口断面半径
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0
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e
r
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Q
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按 vur＝ k的规律计算蜗壳圆形断面的尺寸
HSJ
2
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蜗壳任一圆形断面的半径 ρi与 φi的关系式
来由？
其中,
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问题：如何求出 ai和常数 c的值？？
蜗壳与座环相连接的几何关系
HSJ
常数 c按进口断面的边界条件确定,
HSJ
22
0
iii
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xi与 φ0i的关系，即 ρi与 φi的关系,
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圆形断面涡壳的水力计算步骤,
HSJ
? 确定涡壳包角 φ00及进口断面流速 ve 。
? 计算进口断面半径 ρmax 。
? 根据水轮机设计手册确定座环尺寸。
? 计算出 amax，将 ρmax,amax及 φ00，确定常数 c。
? 选定计算断面数目，给出各计算断面的角度 φ0i值,
计算出各断面的 ρi,ai及 Ri值。
在 ρ<S的情况下，蜗壳断面可采用椭圆形
HSJ
关键是计算出 ρi＝ S断面的 φi值,
HSJ
chrhrhr DDDSi )86.243.1( 220 )( ????????
凡是的 断面，都应采用椭圆断面！！ 0 )S(i0i ?????
第五节 座环支柱的水力计算
HSJ
假定：近似认为支柱（ 固定导叶） 的水流为平面流动 。
一、与完全蜗壳连接的座环支柱的水力设计
1、支柱不改变水流环量
考虑到支柱的高度为 B
HSJ
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u
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根据流线方程,
du
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Bk
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HSJ
2、支柱改变水流环量
操作步骤,
HSJ
1、将涡壳出口水流角 δ作为支柱进口角，而取导叶处于
最大开度与最优开度之间的中间位置时的进口角 αav
作为支柱的出口角。
2、按上述进、出口角作直线 AC,BC，使 AC＝ BC，再
作 OA⊥ AC,OB⊥ BC，以 O为中心,OA为半径作出
的圆弧 AB即为支柱的骨线，然后按强度要求加厚成
型即可
HSJ
二、与不完全涡壳连接的座环支柱的水力设计
HSJ
? 引水室的型式
? 涡壳中的水流运动（本章的重点）
? 涡壳主要参数的选择
? 圆形断面涡壳的水力计算
? 座环支柱的水力计算
第一节 引水室的型式
HSJ
引水部件的功能,
在 安全、经济 的条件下使水流均匀地进入叶轮。
引水室的型式,金属蜗壳式 和 混凝土蜗壳式 。
金属蜗壳
一、水轮机的引水部件
蜗式引水室的优点
HSJ
? 水力损失较小，结构紧凑，克减少厂房尺寸和土建投资。
? 封闭式，因此可用于各种水头和流量的水轮机。
? 其断面从进口到尾部逐渐缩小，这样不仅可以使水流在
导水机构前形成一定的环量，而且使水流沿整个圆周均匀
地进入导水机构，因此在反击型水轮机中被广泛应用。
二、泵的引水部件
HSJ
吸水室
离心泵,
轴流泵,
直锥形吸水室
吸入喇叭管
半螺旋形吸水室
环形吸水室
直收缩管吸水室
肘形吸水室
钟形吸水室
泵 吸入室的类型
HSJ
a) 直锥管 b) 弯管 c) 肘管 d) 环形 e) 半螺旋形
第二节 蜗壳中的水流运动
HSJ
理解,将涡壳中的流动视为中心处的涡、汇共同
诱导的平面流动。令涡的强度为 Γ,而在垂直于
流动平面方向单位长度上的流量为 -Q。
于是在极坐标（ r,）
中，流线方程为,
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根据流函数 ψ 可得到,
HSJ
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结论,当 Γ 为常数，即指定蜗
壳形成的环量，则有,
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蜗壳设计的另外一种方法,
HSJ
假定水流速度按 Vu=const规律分布。
优点,
缺点,
? 对计算蜗壳的尾部有利。
? 计算方法简单。
δ≠const，使导水机构进口环量不均匀
引起机组径向力不平衡而降低机组的
稳定性（对于大型机组不宜采用）。
HSJ
第三节 蜗壳型式及主要参数的选择
设计蜗壳应满足的要求,
? 保证水流在进入导水机构前形成一定的环量（即形
成 Vu ），其内的平均流速和局部流速不超过水流损失
所容许的范围，同时保证蜗壳断面的尺寸不要过大。
? 保证水流能轴对称地进入导水机构，流量沿导水机
构圆周均匀分配。在主要工况下，水流皆以不大的冲
角绕流导叶。
? 涡壳的尺寸、断面形状及其外形结构等，应满足水
电站厂房布置和水轮机结构 (如导水机构接力器和空
放阀的布置 )的要求 。
?具有足够的强度。
一、涡壳的型式及其选择
HSJ
原则,
? H<40m时采用混凝土蜗壳。
? 水头 H>40m时采用金属蜗壳 （铸铁、铸钢或钢板）。
? 水头 H>200m时，则采用铸钢蜗壳。
二、蜗壳主要参数的选择
HSJ
（一）蜗壳的断面形状及其变化规律
座环 蝶形边的倾角
HSJ
蜗壳所占位置的比较
HSJ
混凝土涡壳的断面形状
HSJ
(二 ) 蜗壳包角的选择
HSJ
完全蜗壳和
不完全蜗壳
决定包角的因素
结论,
HSJ
? 对中高水头的混流式水轮机组，采用全包角的金
属涡壳（ 135° ~ 270° ），因为决定机组间距的是
发电机定子直径。
? 对低水头大流量的电站 (多采用轴流式水轮机 )，
其机组间距主要取决于涡壳的平面尺寸，故采用不
完全涡壳。
混凝土涡壳的包角
HSJ
水头 H(m)
包角
<25
135° - 225°
25 - 40
225° - 270°
(三 ) 涡壳进口断面流速 Ve的确定
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Ve大小对损失及机组尺寸的影响。
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对大型水轮机的涡壳, 一般要进行专门的模型试验
研究和综合技术经济比较来确定涡壳进口流速 。
第四节 圆形断面涡壳的水力计算
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选定了涡壳的型式、包角 φ0及进口断面速度 ve
蜗壳水力计算的任务,
给定设计水头 Hr,设计流量 Qr,导水机构高度 b0及
座环尺寸的条件下, 确定涡壳各断面的形状和尺寸,
并绘出涡壳单线图 。
涡壳单线图
HSJ
按照水流均匀进入导水机构的要求，
流过涡壳任一断面的流量应为
HSJ
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圆形断面涡壳的水力计算步骤,
HSJ
? 确定涡壳包角 φ00及进口断面流速 ve 。
? 计算进口断面半径 ρmax 。
? 根据水轮机设计手册确定座环尺寸。
? 计算出 amax，将 ρmax,amax及 φ00，确定常数 c。
? 选定计算断面数目，给出各计算断面的角度 φ0i值,
计算出各断面的 ρi,ai及 Ri值。
在 ρ<S的情况下，蜗壳断面可采用椭圆形
HSJ
关键是计算出 ρi＝ S断面的 φi值,
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第五节 座环支柱的水力计算
HSJ
假定：近似认为支柱（ 固定导叶） 的水流为平面流动 。
一、与完全蜗壳连接的座环支柱的水力设计
1、支柱不改变水流环量
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操作步骤,
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1、将涡壳出口水流角 δ作为支柱进口角，而取导叶处于
最大开度与最优开度之间的中间位置时的进口角 αav
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2、按上述进、出口角作直线 AC,BC，使 AC＝ BC，再
作 OA⊥ AC,OB⊥ BC，以 O为中心,OA为半径作出
的圆弧 AB即为支柱的骨线，然后按强度要求加厚成
型即可
HSJ
二、与不完全涡壳连接的座环支柱的水力设计
