尾水管

台湾台电高屏发电厂六龟机组一号水轮机的尾水管

尾水管安装于放水路之上的示意图

尾水管（英语：Draft tube）是一种安装于像是反击式、卡布兰式或是冲击式水轮机水流出口的一种扩压管路，尾水管是宽度渐宽的管路，因此速度会变慢，但压力会随之提高。

在冲击式的水轮机中，它的有效可用水头高度可以相当高，如果水轮机安装位置与尾水放水路高度之间仅有几米的话，在运转效率上的优化并不明显。然而，在反击式水轮机中，如果净水头高度极低，并且水轮机安装位置高于尾水高度，其有效水压水头高度会有相当的损失。如果水流在水轮机出口处的压力比在尾水口还低，水流将会逆流回到水轮机中而损坏。透过将扩压管安装在水轮机转轮出口处，可以降低出口水流速度，因此提高压力水头高度，可以有效提升整体运转效率及水轮机输出效能。

在水轮机的末端加上尾水管，增加了水流流出时的压力，但代价是速度会变慢。这意味着，水轮机内部可进一步的降低压力，不用担心水流从放水路回流。尾水管的设计，使得让水轮机安装于放水路的上方有了优势，使得当水轮机必须进行定期检修时，可以更容易施作。此外，它也使得原本水轮机转轮出口处浪费掉的动能转换为可利用的能量。

效能

锥形尾水管的示意图

它被定义为在尾水管入口处可用的动能实际转换为压力能的比率

ɳ = 在入口处，水流输入管与输出管的动能耗损差异

ɳ_dt = :${\frac {(V_{2}^{2}-V_{3}^{2})-2gh_{d}}{V_{2}^{2}}}$

V₂ = 在尾水管入口或在水轮机出口的水流速度

V₃ = 在尾水管出口的水流速度

g= 重力加速度

h_d = 尾水管水头损失

尾水管允许水轮机安装于放水路的上方运转，并且同时允许水轮机如果直接安装于放水路上，仍能以相同的效率运转。

尾水管与气穴现象

具有不同横截面的弯管

气穴现象发生于当所在地的绝对压力下降至水的温度饱和蒸汽压之下，而产生。 尾水管的设计高度是作为避免产生气穴现象的一项重要参考因素。透果使用伯努利方程来计算尾水管内转轮出口与水流排放点之间，并且忽略任何尾水管内的水头损失：$z_{2}\,+\,{\frac {p_{2}}{\rho g}}\,+\,{\frac {V_{2}^{2}}{2\,g}}\,=\,z_{3}\,+\,{\frac {p_{3}}{\rho g}}\,+\,{\frac {V_{3}^{2}}{2\,g}},$

z₂ = z （尾水管高度）

z₃ = 放水路高度，该数值设为基准线。 (=0)

p₂ = 转轮出口的压力

p₃ = 预估压力

${\frac {p_{2}}{\rho g}}\,=\,-\,\left[z\,+\,{\frac {V_{2}^{2}-V_{3}^{2}}{2\,g}}\right]\,$

由于尾水管所代表的扩压管 V₃ 始终小于 V₂ 此意味着 p₂ 总是负值，也使得尾水管的高度成为了避免产生气穴现象的一个重要参考数值。

尾水管类型

1. 锥形扩压管或直向分歧管：这种类型的尾水管共包含一条锥形扩压管以及一个大多不会大于等于10°的半角，以防止流体分离。它通常利用于低转速，以及竖轴的法兰西斯式水轮机。这种类型的尾水管效率为90％
2. 简易的弯管型尾水管：这种类型的尾水管包含了一条延长的弯管。通常，这种类型的尾水管都会用于水轮机的安装位置距离放水路相当近的案例。它有助于降低挖掘费用，但其水流出口断面的直径应尽可能设计到容许值内的最大以利于回收转轮出口的动能，不过这种尾水管的效率减少近60％。
3. 具有不同横截面的弯管型尾水管：这种类型的尾水管类似于弯管型，仅除了弯曲部分出口的横截面会变化为矩形。而此种尾水管的水平部分通常设计为向上倾斜的，以防止空气从出口端窜入。

参见

• 水轮机
• 法兰西斯水轮机
• 压力钢管
• 水力发电