CN102322382B - 基于振动式涡流发生器的尾水管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于振动式涡流发生器的尾水管。现有的尾水管会引起脱流、二次回流和流动的不稳定性。本发明包括前部分的进水段和后部分的导水段，其特征在于：导水管和进水段之间通过法兰相连，进水段内安装有振动式涡流发生器，所述的振动式涡流发生器设置于进水段后半部分的独立封闭腔室内，且振动式涡流发生器沿进水段圆周方向均布固定安装6～12个；所述的振动式涡流发生器包括驱动电机和工作薄片，驱动电机的输出轴固定安装有与该输出轴垂直的工作薄片。本发明能够主动控制附壁涡流，采用直流电机或步进电机驱动后能实现自动控制。主要适用于中型和大型的水利发电机组，确保其在各种工况下能高效运行。

Description

基于振动式涡流发生器的尾水管

技术领域

本发明属于流体机械及工程设备技术领域，具体涉及一种用于中型和大型水轮机出口处的尾水管。

背景技术

水轮机是把水流的动能转换为旋转机械能的动力机械，属于流体机械中的透平机械。现代水轮机大多数安装在水电站内，用来驱动发电设备。水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。其中反击式水轮机都设有尾水管，尾水管往往设计成一种管径横截面面积由小增大的弯管，转轮出口处的水流经过这样的一种弯管时，流速下降，压力升高，形成逆压力场，因此尾水管又叫做扩压管。其作用是：把转轮出口处的水流排向下游；回收转轮出口处一部分水流的能量，充分利用水流的位能。在实际运用中我们希望尾水管中水流的流动尽可能平稳，扩压效果尽可能好。

 然而在实际工作中，尾水管往往存在着以下几种状况。

 其一，由于尾水管是一种扩压式的管道，当水流流经尾水管时会引起脱流、二次回流和流动的不稳定性，对于弯肘式的尾水管，这种现象更为明显。

 其二，当水轮机在偏离最优工况运行时，进入尾水管的流动就会变得更加的复杂，水流中夹杂的空蚀气泡在离心力的作用下形成与水流共同旋转的尾水涡带，尾水涡带在周期性非平稳因素的影响下产生偏心，并以低频的周期在尾水管内旋转，撞击着尾水管的壁面，所形成反射波向上游传播，造成机组出力的摆动和尾水管的压力脉动，当涡带诱发的压力脉动频率接近机组的某一个固有频率是，又将引起强烈的共振。

这些问题不仅会使机组的运行存在着不稳定的情况，还会使得尾水管的压力恢复系数减少，水轮机的工作效率下降。

发明内容

本发明就是针对目前尾水管存在的各种问题，提供一种改善其工作性能含振动式涡流发生器的新型尾水管。

本发明的设计思路：常规式尾水管中存在逆压力场，加上壁面摩擦力的作用，使得流体发生分离和回流；另一方面，由水轮机转轮出口处流出的水常伴有大的漩涡，并在常规式尾水管中任由发展。

倘若尾水管中水流的流动能够被人为的改变，这将对尾水管和水轮机机组的工作性能有巨大的影响。本发明正是基于这种思路，提出一种振动式涡流发生器用于改善尾水管的性能。

振动式涡流发生器的工作部分通过驱动部件驱动后在尾水管管壁附近作和来流方向垂直的振动。当水流流过时，将产生一系列的附壁漩涡，使得自由流中的高速流体和壁面附近的低速流体进行能量和动量的转换，使流动均匀化，延缓流体分离；另一方面，这些附壁漩涡将破坏大漩涡的生成，抑制压力脉动。这将明显改善尾水管的工作稳定性，同时提高压力恢复系数。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

本发明将常规尾水管分为两段，前部分为进水段，后部分为导水段。进水段用于安装振动式涡流发生器，并与导水管段通过法兰相连。

振动式涡流发生器设置于尾水管进水段后半部分，在内壁沿圆周方向固定安装6～12个。振动式涡流发生器可采用直流电机或步进电机进行驱动，可实现自动控制，并采用内镶式安装，工作部分为正方形薄片并与驱动部分相连，运动方式为平动。正方形薄片宽度w不应超过进水口内径d的十分之一，即w≤d/10。薄片中心与进水口端面的距离L不应超过进水口内径d，即L≤d。薄片中心处于平衡位置时和管壁距离为h，它与薄片宽度w应满足以下关系：w/2≤h≤w。薄片振幅A小于薄片宽度的一半，即A<w/2。薄片振动周期T要在五分之一秒和一秒之间，即0.2s≤T≤1s。

如上所述的振动式涡流发生器规格相同，且沿内壁圆周方向均匀布置。

本发明的有益效果：本发明能够主动控制附壁涡流，采用直流电机或步进电机驱动后能实现自动控制。主要适用于中型和大型的水利发电机组，确保其在各种工况下能高效运行。

附图说明

图1为发明的结构示意图；

图2为振动式涡流发生器放大示意图；

图3为图1中A-A向剖视图；

图4为图1左视图；

图5为图4中B向视图；

图6为图4中C向视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示,该新型尾水管具体包括尾水管进水段1和导水段4两部分，法兰盘2和3用于将其连接。进水速度为u，方向如图所示。进水口端面内径为d，薄片中心与进水口端面的距离为L，两者满足L≤d，正方形薄片宽度为w，和端面内径满足w≤d/10。薄片中心处于平衡位置时和管壁距离为h，它与薄片宽度w应满足关系式w/2≤h≤w。

如图2所示，密封垫5置于盖板6下，盖板中心开小孔用于将振动式涡流发生器的驱动部件8和工作薄片7相连接，管外密封部件9和管体连接，用于安装振动式涡流发生器的驱动部件，管外密封部件9和盖板6通过密封垫5围合成密封腔室，管外密封部件9要根据具体位置在底端开相应的小孔用于排出漏进的水。图3为图1中A-A向剖视图，本实施例给出尾水管安装6个振动式涡流发生器示意图，也可以安装6～12个，且沿圆周方向均匀分布。图4所示为安装6个涡流发生器时图1的左视图。当与工作薄片连接的输出轴工作时会有部分水通过部盖板6中的小孔带入部件9中，因此在部件9中最底下部分需要开排水孔，如图5和图6（即图4中B和C向视图）所示，也可以做成栅格形状，图中虚线所示。

振动式涡流发生器工作薄片振动方向如图2中所示，当水流流过时，将产生一系列的附壁漩涡，减少了壁面边界层的厚度，提高了界面上整体流速的均匀性，避免了非定常回流区的形成。另一方面，这些附壁漩涡将破坏大漩涡的生成，抑制压力脉动。这将明显改善尾水管的工作稳定性，同时提高压力恢复系数。

Claims (1)

1.基于振动式涡流发生器的尾水管，包括前部分的进水段和后部分的导水段，其特征在于：导水段和进水段之间通过法兰相连，进水段内安装有振动式涡流发生器，所述的振动式涡流发生器设置于进水段后半部分的独立封闭腔室内，且振动式涡流发生器沿进水段圆周方向均布固定安装6～12个；

所述的振动式涡流发生器包括驱动电机和工作薄片，驱动电机的输出轴固定安装有与该输出轴垂直的工作薄片，所述的工作薄片宽度w不超过进水口内径d的十分之一，工作薄片的中心与进水口端面的距离不超过进水口内径d，平衡位置时的工作薄片与管壁距离为h，w/2≤h≤w，工作薄片振幅A小于薄片宽度w的一半，工作薄片的振动周期T保持在五分之一秒和一秒之间。

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