CN101501329A - 水轮机中部分负荷运行过程中的液体控制射流 - Google Patents

Abstract

一种在部分负荷运行下通过在水轮机下游将一个或多个液体高速控制射流(50)沿所述机器轴喷射在尾水管(22)的上部上以抑制水轮机中压力波动的方法和系统；所述一个或多个液体射流的流动速率可根据尾水管中的压力波动程度连续调节，以控制转轮下游的回旋流，并且避免在部分负荷运行下螺旋旋涡脱落，因而消除压力波动的主要原因。

Description

水轮机中部分负荷运行过程中的液体控制射流

技术领域

本发明涉及一种水轮机，在所述水轮机部分负荷运行过程中，具有以高速沿轴向在所述水轮机转轮下游喷射并且喷射到所述水轮机尾水管上部的一个或多个液体控制射流，以控制回旋流，并且缓解螺旋旋涡旋脱落及其相关的压力波动。

背景技术

直到现在，水轮机一直接近最高效率运行。在该最优运行点的邻近区域中，除了例如甩负荷和浪涌的瞬时情况，水轮机部件上的动力通常很低。

能源市场上多变的需求和有限的储能能力要求水轮机运行中大的灵活性。结果，水轮机倾向于在远离最佳效率点的扩大的范围上运行。特别地，具有固定间距转轮的混流式水轮机由于在部分负荷情况下运行时在由导叶(导流叶片)产生的涡流和由水轮机转轮引起的角动量之间的不匹配，在尾水管入口处具有高程度的残余涡流。在水轮机尾水管中，离开转轮的流动减速，由此将过多的动能转化为静压。减速的回旋流通常导致与所述尾水管中液体流动相关的正常旋涡脱落，这引起尾水管中中心准停滞区的形成。旋涡脱落现在被认为是在部分负荷运行的水轮机的尾水管中出现剧烈压力波动或压力脉动的主要原因。压力脉动被认为由在运行情况朝向部分负荷转变时，轴对称回旋涡流转变为一个或多个前进的螺旋旋涡造成的。螺旋旋涡的前进运动导致在尾水管的任何静止点上波动的压力。另外，液流中有限量的空气或水蒸汽提供一定程度的弹性，称为空穴柔量，并且该弹性可导致由与旋涡流的中心相关的前进的不对称压力场引起的尾水管中共振的形成。

已经关于尾水管不稳定性问题提出了很多不同的解决方案，包括改变叶片设计，在尾水管中引入叶片，和将空气喷射到由涡带围绕的再循环区域中。空气喷射产生基本上轴对称的稳定流动或由回旋水流围绕的中空空气中心。空气喷射将旋涡脱落形式从螺旋形变化为气泡。相对少量的空气喷射对水轮机运行的效率具有小的影响，同时显著降低部分负荷压力摆动。但是，涡带和所述带的激发机制继续存在。

因此，需要开发用于当今水电设施的水轮机，其不仅在标称负荷情况下而且在低或部分负荷情况下有效运行，而不会经受由于在转轮下游减速的回旋流中的旋涡脱落在尾水管中产生的剧烈的压力波动。

发明内容

本发明涉及通过在转轮出口或尾水管入口处的一个或多个液体高速射流轴向喷射控制水轮机转轮下游的回旋流。所述一个或多个液体控制射流通过抑制该液体的旋涡流动路径脱落由此在水轮机部分负荷运行过程中使经受的压力波动消除或消失来影响尾水管中的液体流动。

“高速”意思是液体的轴向导向射流具有大于在转轮出口处流动的平均轴向液体速度，以提供本发明的优点。一个或多个液体控制射流的该高速可以是在转轮出口处流动的液体平均轴向速度的约2到4倍或更高。应可理解，一个或多个液体控制射流的高速将根据所述一个或多个液体控制射流的喷射位置和所使用的控制射流的数量而变化。可进一步理解，通过参照沿水轮机轴向喷射的一个或多个高速液体控制射流，意味着一个或多个控制射流可沿水轮机轴、平行于水轮机轴导向，或会聚在与尾水管的上部相邻的在水轮机轴上的或与水轮机轴相邻的平行轴上的会聚点上。而且，所述一个或多个射流可偏离水轮机轴例如，不限于此，水轮机转轮直径的10％设置，并且仍可认为关于水轮机转轮中心轴设置。

所述一个或多个控制射流优选在水轮机在部分负荷情况下运行时操作。所述一个或多个控制射流从至少一个喷嘴头装置喷射，所述喷水头装置相对于水轮机转轮中心轴并且与尾水管的上部相邻设置，由此所述一个或多个液体射流喷射到所述转轮下游。所述至少一个喷嘴头装置具有至少一个喷嘴，相应的高速液体控制射流从所述至少一个喷嘴喷射到尾水管中。在一个实施例中，水轮机具有安装在尾水管上方的可旋转的转轮，并且所述转轮具有封装所述至少一个喷嘴头装置的上冠部分。在可替代实施例中，所述至少一个喷嘴头装置可支撑在尾水管的上部中，在所述水轮机转轮上冠下面，并且与所述水轮机上冠间隔开。

所述至少一个喷嘴头装置可包括单个喷嘴或以一个或多个圆形排列布置的多个喷嘴，或一个环形喷嘴。

根据本发明，提供一种水轮机，包括允许液体穿过所述水轮机的通道和形成所述通道的一部分的尾水管，在最优水轮机运行情况下，液体通过所述尾水管沿切向在旋涡流动路径中流动。可旋转的转轮安装在所述尾水管的上游，并且围绕穿过所述转轮并且延伸到所述尾水管中的中心轴旋转。至少一个喷嘴头装置相对于所述转轮的中心轴并且与所述尾水管的上部相邻设置。所述至少一个喷嘴头装置具有至少一个喷嘴，在部分负荷的水轮机运行过程中，相应的高速液体控制射流从所述至少一个喷嘴沿轴向喷射在所述转轮下游，并且喷射到流入所述尾水管上部的液体中，以抑制旋涡流动路径的脱落。

根据本发明，提供一种在部分负荷情况下控制水轮机部分负荷运行的方法，所述水轮机包括转轮、设置在所述转轮下游的尾水管和延伸穿过所述转轮和尾水管的液体通道。所述方法包括沿水轮机的轴向在所述水轮机转轮下游喷射一个或多个高速液体控制射流，并且喷射到所述尾水管的至少上部中的步骤。

应可想象，所述方法在所述喷射步骤之前可还包括将所述一个或多个控制射流设置在所述转轮中心的步骤。而且，所述一个或多个射流可偏离所述水轮机轴设置。

而且，在所述喷射一个或多个控制射流的步骤过程中，所述一个或多个控制射流可沿一个方向喷射，所述方向选自包括沿水轮机轴、平行于水轮机轴、会聚在与尾水管的上部相邻位于水轮机轴或与水轮机轴相邻的平行轴上的会聚点上的组。

附图说明

可参照示意性附图来更好地理解本发明的实质和目的，附图中：

图1A是混流式水轮机局部剖视的正视图，显示了设置在尾水管上方的上冠中用于喷射控制射流的喷嘴头装置；

图1B示出用于喷射控制射流的喷嘴头装置的可替代实施例，其中，所述喷嘴头装置只在转轮上冠中；

图2示出用于喷射控制射流的喷嘴头装置的可替代实施例，其中，所述喷嘴头装置设置在在上冠下方间隔开的尾水管中；

图3A和3B显示了流经尾水管的水的相比较的等流速线；

图4A和4B显示了流经尾水管的水的相比较的等压力线；

图5A到5D显示了喷嘴头装置中喷嘴布置的可替代实施例。

具体实施方式

本发明涉及一种水轮机，所述水轮机具有沿轴向导向到水轮机转轮下游并且导向到尾水管上部的一个或多个液体控制射流。本发明旨在用于固定间距的水轮机中，并且优选用于旋桨式和混流式水轮机中。

参照图1A，显示了适用于水力发电的示例性水轮机装置10。水轮机装置10包括具有上冠14、转轮叶片16和卡环18的混流式水轮机12。所述混流式水轮机12适合于在固定的保护性外壳42内旋转。混流式水轮机转轮12下面设置有尾水管22。应可理解，虽然显示了混流式水轮机转轮，但是所述转轮也可以是旋桨式转轮。仅显示了尾水管22的一部分。尾水管22的上部24显示为具有垂直延伸的中心轴26。轴26也是转轮12的中心轴和水轮机10的轴。

上冠14的上部连接到轴28。轴28具有结合法兰30，其由螺栓32连接到发电机轴36的结合法兰34。混流式转轮12的旋转使轴28旋转，并且因此使发电机轴36旋转。发电机轴36连接到响应混流式水轮机12的旋转运动产生电力的发电机(未显示)。

混流式水轮机12由于水沿水通道40移动，从蜗形壳42经过固定导叶44，经过阀门46、转轮叶片16，并且进入尾水管22而旋转。

根据图1A中显示的实施例，控制射流50喷射入在尾水管22的顶部24中流动的水中。喷嘴头装置52包括穿过上冠14中心的导管58的端部。喷嘴头装置52具有喷嘴54，控制射流50从所述喷嘴54喷射到流经尾水管22的水或液体中。上冠14具有上冠端部56，其封装喷嘴头装置52。

压力下的水通过穿过轴28的导管58供到上冠端部56和喷嘴头装置52。导管58连接到径向向里延伸的导管60。轴28具有其中包括一个或多个液体端口64的外壁62。径向向里导向的导管60通过导管58和喷嘴头装置52与喷嘴54连接，并且将高压水从液体端口64传送到喷嘴54。在示出的实施例中，入口端口64设置在结合法兰30和34之间，由于结合法兰30形成轴28的一部分，因此本文也称设置在轴28的外壁上。虽然轴28和36以实心示出，但实际上其通常是中空的。

固定的液体收集室66以与中空轴28围绕密封关系安装，或在示出的实施例中以与结合法兰30，34围绕密封关系安装。固定的液体收集室66将加压水导向到端口64中。固定的液体或水收集室66在其端部70处连接到液体或水旁路供给导管68。液体旁路供给导管68具有与涡形壳42以密封关系结合的相对端部72，并且将液体从涡形壳42传送到液体收集室66。调节阀74设置在加压液体供给导管68中。所述阀74控制供到液体室的液体流速，根据水轮机装置10的部分负荷运行情况，适于将控制射流从关闭状态转换到打开状态，并且适于改变控制射流的流速。在所显示的实施例中，调节阀74设置在喷嘴54的上游，以控制水的流速，并且因此控制从喷嘴54喷射的“高速”控制射流50的最终速度。应可理解，当水轮机在最优负荷情况下运行时，调节阀74能够将水到液体收集室66的供给关闭。结果没有水从喷嘴54喷射。在图1A的实施例中，控制射流50从喷嘴头装置52的喷嘴54喷射，喷嘴头装置52的喷嘴54与上冠14内的尾水管22的上部同中心并且相邻设置。利用中空水轮机轴在上冠端部产生水射流，并且得益于来自水轮机涡形壳中上游的高压水供给。

应可理解，图1A示出示例性射流产生和控制系统，包括喷嘴头装置52、导管58，60、水收集室66、导管68和阀74，并且应可理解，用于将压力下的水供到喷嘴头装置52的可替代实施例对于本领域技术人员是容易理解的。

图1B中显示了穿过包括涡形壳111、固定叶片113、导叶112、混流式转轮109和尾水管114的水轮机10的横截面。通道115延伸穿过水轮机110。转轮上冠120包括通过开放的管道126与转轮109的高压侧124连接的中心腔室122。喷嘴头装置128具有针阀132和喷嘴130，高速液体控制射流50从转轮上冠120由喷嘴130喷射到尾水管114的上部140中。调节机构134由主动控制装置136驱动，用于调节喷嘴头装置128的位置，以控制高速液体控制射流50的速度。

一个或多个压力传感器142安装在尾水管114中，与其侧壁相邻，靠近尾水管114的上部140。压力传感器142测量尾水管114上部中的水压，并且将这些测量传送到主动控制装置136，主动控制装置136反之控制喷嘴头装置128的运动，以调节高速液体控制射流50的速度。当在喷嘴头装置128的打开位置中时，来自转轮109的高压侧124的水通过管道126、内腔或水收集室122供到喷嘴130。结果，液体控制射流50将从转轮上冠120喷射到也已知为尾水管入口的尾水管114的上部140中。液体控制射流50的速度或流速根据由压力传感器142测量的压力通过喷嘴头装置128的位置控制。当水轮机没有处于部分负荷运行情况下时，喷嘴头装置128闭合。该射流产生系统具有这样的优点：射流产生系统涉及水轮机的一个部件，即转轮。该射流产生系统并不意味着任何水密性问题，并且除了转轮内腔和管道，可对于现有转轮和所有系统部件原位实现，并且可被认为是完整的射流产生式套件。

参照图2，显示了另一个实施例，其中喷嘴头装置80与水轮机10的上冠14间隔开。喷嘴头装置80包括喷嘴82，液体射流50从喷嘴82沿尾水管22的轴26轴向从与尾水管22相邻的上部24垂直喷射。喷嘴头装置80还包括多个与喷嘴头82相互连接的支撑和液体供给导管84，总管86设置在尾水管22的外壁上。总管86通过旁路供给管路88连接到蜗壳40。调节阀90设置用于控制供到喷嘴82的液体或水压力，并且因此控制液体控制射流50的“高速”。在该实施例中，压力下的水从蜗壳40经过尾水管22的壁，并且不经过混流式水轮机12的上冠14供给。

参照图3A，3B，4A和4B，显示了发生在部分负荷情况下尾水管22中流动的水的等流速和等压力线的计算机模拟。图3A和3B显示了在部分负荷情况下尾水管中流动的水的等流速线。图3A中，没有控制射流喷射在尾水管中。在图3B中，液体控制射流已经喷射到尾水管中。在图3A中，其中没有使用射流，显示了一个螺旋状尾水管涡带94。在图3B中，其中控制射流正在进行，由等值面标示的中心低压区已经大大减小，并且其形状已经由螺旋状改变为稍微偏心的伸长的圆锥形96，其与导致剧烈压力波动的前进运动有关。在图4B中，其中使用了控制射流，显示出在区域100处在低压区中没有与旋涡相关的脱落。

通过沿轴向将高速液体的控制射流喷射到尾水管中，改变尾水管中的前进频率，并且最后，通过消除准停滞中心区，控制射流阻止或减少尾水管液流中的涡带的形成。结果，控制射流直接解决了涡带出现的形成，因而抑制了压力波动的主要来源，或至少改变了前进频率，并且显著减小了压力波动幅度。液体控制射流的喷射与在上冠端部的空气控制不同，因为液体控制射流的目的在于控制或消除旋涡脱落。而且在水轮机运行过程中不需要控制射流时，控制射流可关闭。

通过避免旋涡脱落，由于减少了由严重的流动非均匀性和不稳定性造成的水力损耗，显著提高了尾水管在部分负荷下的所有性能。

控制射流提供了转轮下游回旋流的主动控制。控制射流使用整个水轮机排放的一部分。射流排放绕过水轮机叶片区，并且在水轮机轴处不产生动力。但是，由于射流排放绕过水轮机叶片区，效率的减小低于所期望的。这是因为前进的涡带造成水力损耗的减小，用于抵消消耗在射流上的水力能。另外，在部分排放时，控制射流具有使剧烈的压力波动、尾水管的不稳定性消失的优点。

参照图5A到5D，显示了用于图2的单个喷嘴头装置80的盖部分82。应可理解，可使用多个喷嘴头装置，或用于每一个喷嘴头装置的多个盖部分82可用于可替代实施例。但是，在图5A中，用于喷射控制射流50的单个喷嘴102设置用于将射流50沿尾水管的轴26导向。可选地，该射流50可沿平行于并且偏离轴26的轴导向。在图5B中，多个喷嘴102以围绕中心轴26的圆形排列布置。这将导致多个射流从喷嘴102喷射。可选地，射流可围绕平行且偏离轴26的轴的圆形排列布置，或射流可朝向彼此会聚。喷嘴102可布置用于喷射平行于轴26的射流，或射流可导向到平行于中心轴26的轴上的会聚点。在图5C中，喷嘴102的两个圆形排列围绕中心轴26同中心布置。在图5D中，单个喷嘴以圆环102的形式围绕轴26布置。在图5A到5D的可替代实施例中，喷嘴的设置可选择来将一个或多个控制射流以尾水管22的直径的10％偏离控制轴26导向。

本发明利用一个或多个控制液体射流：a)成功地直接解决流动稳定性的主要原因，而不是效果；b)不需要转轮外形的几何修改；c)可根据运行情况连续调节，并且可在不需要时关闭；和d)虽然一部分排放可绕过叶片区，但是整个水轮机效率影响小，并且由于在转轮和尾水管中的改进，当控制射流在部分负荷运行情况下打开时，可提高效率。

虽然本发明已经结合目前被认为是通过使用一个或多个轴向高速液体控制射流控制回旋流和抑制旋涡脱落及相关的剧烈压力波动的流体动力学方法的最实用实施例进行了描述，但是应可理解，本发明不限于此，而是相反，旨在覆盖水轮机技术领域的技术人员将理解的各种改进和等同布置。

Claims (13)

1.一种水轮机，包括：

通道，允许液体穿过所述水轮机；

尾水管，形成所述通道的一部分，在最优水轮机运行情况下，液体通过所述尾水管沿切向流入旋涡流动路径；

可旋转的转轮，安装在所述尾水管的上游，并且围绕穿过所述转轮并且延伸到所述尾水管中的中心轴旋转；

至少一个喷嘴头装置，相对于所述转轮的中心轴并且与所述尾水管的上部相邻设置，所述至少一个喷嘴头装置具有至少一个喷嘴，在部分负荷的水轮机运行过程中，相应的高速控制射流从所述至少一个喷嘴在所述转轮下游沿轴向喷射，并且喷射到流入所述尾水管上部的液体中，以抑制旋涡流动路径的脱落。

2.根据权利要求1所述的水轮机，其特征在于，所述至少一个喷嘴在沿所述水轮机的中心轴并且偏离水轮机中心轴的位置中设置相应的高速液体控制射流。

3.根据权利要求1所述的水轮机，其特征在于，所述转轮具有上冠部分，并且所述上冠部分封装所述至少一个喷嘴头装置。

4.根据权利要求3所述的水轮机，其特征在于，所述转轮包括设置在所述转轮的所述上冠部分和所述轴部分之一的射流发生和控制系统。

5.根据权利要求3所述的水轮机，其特征在于，所述至少一个高速液体控制射流从所述喷嘴沿轴向喷射到在所述尾水管中流动的液体旋涡流动路径的中心部分中。

6.根据权利要求1所述的水轮机，其特征在于，所述至少一个喷嘴头装置还包括至少一个布置在所述至少一个喷嘴上游的阀，用于控制相应的控制射流液体的压力。

7.根据权利要求1所述的水轮机，其特征在于，所述至少一个阀能够在打开和关闭状态之间转换相应的控制射流。

8.根据权利要求1所述的水轮机，其特征在于，所述至少一个喷嘴头装置支撑为与从所述尾水管壁延伸到所述尾水管上部中的导管流体连通。

9.根据权利要求1所述的水轮机，其特征在于，在所述尾水管中还包括一个或多个压力传感器，用于测量所述尾水管的上部中的液体压力，并且将这些测量传送到主动控制装置，所述主动控制装置反之控制喷嘴头装置的运动，以调节高速液体的控制射流速度。

10.一种在部分负荷运行状态下控制水轮机部分负荷运行的方法，所述水轮机具有转轮、设置在所述转轮下游的尾水管和延伸穿过所述转轮和所述尾水管的液体通道，所述方法包括沿所述水轮机轴向在所述水轮机转轮下游喷射一个或多个高速液体控制射流，并且喷射到所述尾水管的至少上部中的步骤。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述喷射布置之前将所述一个或多个控制射流设置在所述转轮中心的步骤。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述喷射一个或多个高速液体控制射流的步骤过程中，所述一个或多个控制射流沿一个方向喷射，所述方向选自包括沿所述水轮机轴、平行于所述水轮机轴、会聚在与所述尾水管的上部相邻的在所述水轮机轴上的会聚点上和会聚在与所述尾水管的上部相邻位于与所述水轮机轴相邻的平行轴上的会聚点上的组。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述设置步骤包括将所述一个或多个高速液体控制射流偏离水轮机轴设置。

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