如何选择尾水管形式？建议增加高度予以综合考虑

在设计尾水管时，首先要根据机组和电站的具体条件来选择和确定尾水管的形式。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V5

（2）确定尾水管出口断面面积

（3）确定锥角θ及管长L。根据扩散管中水力损失最小原则，一般选锥角θ=12°～16°，管长L 可由进口断面面积F2（D2）和出口断面面积F5（D5）值及θ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h/D5=0.6～1.0确定h 值，然后再由曲线[图5-74（b）]查出b/D5，算出b，并取c=0.85b。

图5-74　排水渠道断面尺寸选择

（a）排水渠道断面；（b）排水渠道尺寸选择曲线

2.弯肘形尾水管的选择及计算

与直锥形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的。例如为了提高尾水管的恢复系数，应增加尾水管的高度h，但随着h 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h 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h 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（Δη代表效率差值）。

图5-75　弯肘形尾水管相对深度h/D1与水轮机效率差值的关系(www.xing528.com)

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D1 小于转轮出口直径D2 的混流式水轮机取h≥2.6D1；对转桨式水轮机取h≥2.3D1，在某些情况下必须要求降低尾水管深度时则前者取hmin≤2.3D1；对后者取hmin=2.0D1。对转轮直径D1>D2 的高水头混流式水轮机则可取h≥2.2D1。

与上述尾水管深度推荐值相对应，直锥段的单边扩散角β分别取下列数值：对混流式水轮机β≤7°～9°；对转桨式水轮机取β=8°～10°（轮毂比大于0.45时，β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5-76所示为标准混凝土肘管。此肘管D4=h2，图中各线性尺寸列于表5-8。

表5-8　标准肘管尺寸

图5-76　标准混凝土肘管（单位：mm）

（3）水平长度。水平长度L 是机组中心到尾水管出口的距离。肘管型式一定，长度L决定了水平扩散段的长度。增加L 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L 的效益不如高度h 显著，通常取L=4.5D1。

水平段的形状如下：两侧平行，顶板向上翘，倾角α=10°～13°。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6°～12°（低比转速水轮机取上限）。转桨式水轮机的水平段宽度B=（2.3～2.7）D1；混流式为B=（2.7～3.3）D1。当B>10～12m 时，允许在出口段中加单支墩。支墩尺寸（图5-77）为：b=（0.1～0.15）B；R=（3～6）b；r=（0.2～0.3）b；l≥1.4D1。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5-77　扩散段与支墩

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，如图5-78所示。此时，肘管水平段的俯视图按以下方法绘制：偏心距离d 由水工建筑要求决定，肘管的水平长L 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θ角相等。而肘管段的断面形状则保持不变。

图5-78　偏离机组中心线的尾水管

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。