CN103982361B - 一种用于水轮机的尾水管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水轮机的尾水管，在尾水管的通道内设有前后两端开口的整流筒，整流筒与锥管段同轴，水轮机的水流经转轮出口流出，并进入尾水管的锥管段。水流进入锥管段后，锥管段中的水压具有轴心小周边大的特点，当水流在锥管段某个位置遇到前后开口的整流筒后会使轴心的水压增大，而周边的压力相反会减小，因此，就会使轴心和周边的压力差减小，从而可以实现抑制偏心涡带的产生及影响，它可在不影响水轮机输出功率的情况下有效地抑制或减少回流现象，使得水流更稳定并延长其推动水轮机转轮持续做功的时间。在不增加直锥管高度，也即不增加水电站的下部开挖前提条件下，实现了提高能量恢复系数的目标，使水轮机的能量转换效率得到提高。

Description

一种用于水轮机的尾水管

【技术领域】

本发明涉及流体机械及工程设备技术领域，具体涉及一种用于水轮机的尾水管。

【背景技术】

水轮机是把水流的动能转换为机械能的动力机械，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，水轮机一般都设有尾水管，尾水管通常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尾水管时，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，并回收转轮出口处一部分水流的能量，尽最大化地利用水流的位能。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，恢复系数尽可能高。

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，容易引起脱流、二次回流以及流动不稳定的现象，特别是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，水流在周期性非平稳因素及离心力的影响下产生偏心，并形成偏心涡带，偏心涡带以低频的周期在尾水管内旋转，撞击着尾水管的壁面，形成反射波向上游传播而旋进，进而出现回流区，致使尾水管产生压力脉动，当偏心涡带诱发的压力脉动频率接近机组的某一个固有频率时，又将引起强烈的共振。

上述这些问题不仅会使机组的运行存在着不稳定的情况，还使尾水管的恢复系数降低，致使水轮机的工作效率下降。

发明专利号：201210209725.2，其公开了一种水轮机尾水管涡流发生器，包括水轮机尾水管和若干对均匀排列在水轮机尾水管内壁的金属叶片，每个金属叶片的形状为直角梯形，每个梯形叶片含上底、下底、高和斜边，其中梯形的高作为安装截面，固定在尾水管的内壁，上底安装在接近尾水管进水口的一侧，下底安装在远离尾水管进水口的一侧，涡流发生器的安装截面为尾水管内部旋涡开始形成的截面，每对金属叶片中两个梯形叶片对称使用，两叶片所在平面关于中心轴线对称。该发明在一定程度上增加了其运行的稳定性，减小了脉动压力，但是设在尾水管内壁的金属片在破坏偏心涡带使水流平稳运行的同时，也使得水流损失大量的能量，因此，能量恢复系数有待进一步提高，以提高水轮机的效率。

本发明即对现有技术的不足研究而提出。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是提供一种用于水轮机的尾水管，在尾水管的通道内设有前后两端开口的整流筒，整流筒与锥管段同轴，水轮机的水流经转轮出口流出，并进入尾水管的锥管段，锥管段内的水压有轴心小周边大的特点，当水流在锥管段内某个位置遇到前后开口的整流筒后会使轴心的水压增加，周边的压力相反会减小，所以这样就会使轴心和周边的压力差减小，从而可以实现抑制偏心涡带的产生及影响。它可在不影响水轮机功率输出的情况下有效地减慢直锥段轴心部分的水流速度，使得水流更稳定并延长推动水轮机转轮持续做功的时间，在不增加直锥管高度，也即不增加水电站的下部开挖的前提条件下，实现了提高能量恢复系数的目标，使水轮机的能量转换效率得到提高。

为解决上述技术问题，本发明一种用于水轮机的尾水管有两种实施方式，第一种实施方式包括前端开口小且后端开口大的锥管段，所述锥管段前端与水轮机转轮出水口对接，其特征在于所述锥管段的通道内设有与其同轴且前后开口的整流筒，所述整流筒外表面与锥管段内表面之间沿周向设有固定杆，用于将整流筒固定连接在锥管段上；或者在所述整流筒的后端用支撑杆固定连接，所述支撑杆另一端固定于地面上。

所述锥管段轴向长度为L1，所述整流筒轴向长度为L2，所述整流筒前端面距离锥管段后端面为L3，满足L2<0.5L1,0<L3<L1。

所述锥管段前端口内径为D1，所述锥管段后端口内径为D3，所述整流筒外接圆内径为D2，满足0.1D1<D2<D3。

所述整流筒为中空状且前后开口的圆柱筒，或者正多边形筒，或者喇叭筒，或者直锥筒，所述直锥筒的锥角为0°～20°。

所述整流筒也可以采用由三个相同的、呈中空状且前后开口的正六边形筒拼接而成蜂窝状结构，相邻两个正六边形筒互成120°。

作为本发明一种用于水轮机的尾水管的第二种实施方式，包括锥管段和扩散段，所述锥管段前端开口小且后端开口大，所述锥管段后端与扩散段前端之间设有用于过渡连接的肘管段，所述锥管段前端与水轮机转轮出水口对接，所述锥管段与肘管段对接处的通道内设有与锥管段同轴且前后开口的整流筒，所述整流筒外表面沿周向设有固定杆，所述固定杆另一端与锥管段或者肘管段内壁固定连接。

所述整流筒为中空状且前后开口的圆柱筒，或者正多边形筒，或者喇叭筒，或者直锥筒，所述直锥筒的锥角为0°～20°。

所述整流筒也可以采用由三个相同的、呈中空状且前后开口的正六边形筒拼接而成蜂窝状结构，相邻两个正六边形筒互成120°。

本发明一种用于水轮机的尾水管，在尾水管的通道内设有前后两端开口的整流筒，并保证整流筒与锥管段同轴，当水轮机的水流经转轮出口流出进入尾水管的锥管段后，水轮机的水流经转轮出口流出，并进入尾水管的锥管段。水流进入锥管段后，锥管段中的水压具有轴心小周边大的特点，当水流在锥管段内某个位置遇到前后开口的整流筒后会使轴心的水压增大，而周边的压力相反会减小，因此，就会使轴心和周边的压力差减小，从而可以实现抑制偏心涡带的产生及影响，它可在不影响水轮机输出功率的情况下有效地抑制或减少回流现象，使得水流更稳定并延长其推动水轮机转轮持续做功的时间。在不增加直锥管高度，也即不增加水电站的下部开挖前提条件下，实现了提高能量恢复系数的目标，使水轮机的能量转换效率得到提高。

【附图说明】

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1为本发明中整流筒采用圆柱筒的结构示意图。

图2为图1的剖视图。

图3为本发明中整流筒采用正多边形筒的结构示意图。

图4为图3的剖视图。

图5为本发明中整流筒采用三个正六边形筒拼接而成蜂窝状结构的结构示意图。

图6为图5的剖视图。

图7为本发明中整流筒采用直锥筒的结构示意图。

图8为本发明中整流筒采用喇叭筒的结构示意图。

图9为本发明第一种实施例的使用参考状态图之一。

图10为本发明第一种实施例的使用参考状态图之二。

图11为本发明第二种实施例的使用参考状态图之一。

图12为本发明第二种实施例的使用参考状态图之二。

图13为对比实验一中电流I与时间t的关系曲线图。

图14为对比实验一中功率P与时间t的关系曲线图。

图15为对比实验二中电流I与时间t的关系曲线图。

图16为对比实验二中功率P与时间t的关系曲线图。

图17为对比实验三中电流I与时间t的关系曲线图。

图18为对比实验三中功率P与时间t的关系曲线图。

图19为对比实验四中电流I与时间t的关系曲线图。

图20为对比实验四中功率P与时间t的关系曲线图。

图21为对比实验五中电流I与时间t的关系曲线图。

图22为对比实验五中功率P与时间t的关系曲线图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。

本发明一种用于水轮机的尾水管，第一种实施例如图1至图10所示，包括前端开口小且后端开口大的锥管段1，所述锥管段1前端与水轮机转轮出水口对接，其特征在于所述锥管段1的通道内设有与其同轴且前后开口的整流筒2。

所述锥管段1轴向长度为L1，所述整流筒2轴向长度为L2，所述整流筒2前端面距离锥管段1后端面为L3，满足L2<0.5L1,0<L3<L1。

所述锥管段1前端口内径为D1，所述锥管段1后端口内径为D3，所述整流筒2外接圆内径为D2，满足0.1D1<D2<D3。

如图1所示，整流筒2为中空状且前后开口的圆柱筒；或者如图3所示，整流筒2为中空状且前后开口的正多边形筒；或者如图7所示，整流筒2为中空状且前后开口的喇叭筒；或者如图8所示，整流筒2为中空状且前后开口的直锥筒，该直锥筒的锥角为0°～20°。

如图3、图4所示，所述整流筒2也可以采用由三个相同的、呈中空状且前后开口的正六边形筒拼接而成蜂窝状结构，相邻两个正六边形筒互成120°。

为了将整流筒2固定，所述整流筒2外表面与锥管段1内表面之间沿周向设有固定杆3，用于将整流筒2固定连接在锥管段1上。

该实施例中，还可以采用如图10所示的结构，以将整流筒2固定。即在所述整流筒2的后端用支撑杆4固定连接，所述支撑杆4另一端固定于地面上。

作为本发明一种用于水轮机的尾水管的第二种实施例，如图11和图12所示，包括锥管段1和扩散段5，所述锥管段1前端开口小且后端开口大，所述锥管段1后端与扩散段5之间设有用于过渡连接的肘管段6，所述锥管段1前端与水轮机转轮出水口对接，所述锥管段1与肘管段6对接处设有与锥管段1同轴且前后开口的整流筒2。

所述整流筒2外表面沿周向设有固定杆3，所述固定杆3另一端与锥管段1或者肘管段6内壁固定连接。如图11所示，整流筒2通过固定杆3与锥管段1固定连接，且整流筒2的前端位于锥管段1与肘管段6对接处前方；如图12所示，整流筒2通过固定杆3与肘管段6固定连接，根据设计需要，整流筒2的前端可以位于锥管段1与肘管段6对接处前方或者后方。

该实施例中，所述整流筒2为中空状且前后开口的圆柱筒，或者正多边形筒，或者喇叭筒，或者直锥筒，所述直锥筒的锥角为0°～20°。

所述整流筒2也可以采用由三个相同的、呈中空状且前后开口的正六边形筒拼接而成蜂窝状结构，相邻两个正六边形筒互成120°。

本发明工作时，锥管段1的前端与水轮机转轮出水口对接，当采用第一种实施例结构时，如图9和图10所示，从水轮机转轮出水口流出的水进入锥管段1后，被整流筒2分为两部分，之后从锥管段1的后端直接排出。当采用第二种实施例结构时，如图11和图12所示，从水轮机转轮出水口流出的水进入锥管段1后，被整流筒2分为两部分，再先后经由肘管段6和扩散段5排出。

针对实例的使用参考状态图，我们进行了对比实验。选用由广西平南县光华电机电器厂生产的，型号为JZD的蜗壳轴流式水轮发电机，企业标准号为Q/PNGN01,生产日期为2013年12月21日，该水轮发电机的额定水头为8m，现场实际最大水头是7.12m，尾水管长480mm，尾水管出水口直径为φ240mm。

实验时，与蜗壳轴流式水轮发电机连接的管道采用直径为φ160mm的PVC管，储水水箱容积为6.6m³，每次推动蜗壳轴流式水轮发电机做功的水量为5.5m³，实际最大水头是7.12m，并保证尾水管下端的出水口浸没水中，距离水面约为350mm。

本案例开展了锥管段1内未装整流筒2和装设整流筒2两种情况下的实验。蜗壳轴流式水轮发电机为交流单相发电机，其产生的电能不经稳压器直接接用一个电阻为50Ω的发热管，每次实验时，用两个万能表分别实时检测发热管两端的电压U及通过的电流I，并用一台录象机实时记录两个万能表相互对应的数值。将实验数据分别绘制成水轮发电机产生的电流I、功率P与时间t的关系曲线。

对比实验一：

整流筒2采用圆柱筒，其直径为φ110mm、轴向长L2＝100mm。如图13、14所示，图中曲线a1和a2分别对应于锥管段1通道内未装整流筒2时，电流I和功率P分别对应于时间t的关系曲线；曲线b1和b2分别对应于锥管段1通道内装设整流筒2时，电流I和功率P分别对应于时间t的关系曲线。

根据图13和图14所示，分别比较曲线a1与a2、b1与b2可知，在锥管段1通道内装设圆柱筒后，蜗壳轴流式水轮发电机产生的电流和功率开始时的波动较小，而且最大电流和最大功率有所提高，装设整流筒2和未装整流筒2两种情况下，电流和功率变化趋势一致。

比较曲线a1与a2时间过程可知，在锥管段1上没有加装整流筒2的前提下，水流从蜗壳轴流式水轮发电机的转轮出水口进入锥管段1后直接排出，当蜗壳轴流式水轮发电机产生平稳电流、功率时，持续时间约为90秒。

而在锥管段1上装设整流筒2后，由曲线b1和b2可知，在稳定运行期间，持续时间约为97秒。由此可知，相同工况前提条件下，在锥管段1通道内安装圆柱筒后，使水轮机稳定运行的持续时间较未装圆柱筒时增加了7秒，因此持续有效发电时间增长了7.78％。

综上所述，安装圆柱筒后水轮发电机发出的电量也相应增加，进而得出，在相同工况下，安装了圆柱筒后轴心和周边的流速分布重新调整后，使轴心和周边的压力差减小，有效抑制了偏心涡带的产生及影响，改善了尾水管内的水流，减小了压力脉动，使之运行平稳。虽然并未对输出的功率产生影响，但所发出的电量有明显增加，进一步提高了发电效率。

对比实验二：

如图15和图16所示，除了圆柱筒轴向长度增加外，其他实验条件与对比实验一保持相同，锥管段1通道内设置有直径为φ110mm、轴向长L2＝300mm的圆柱筒。c1和c2曲线分别对应于增加圆柱筒轴向长度时，蜗壳轴流式水轮发电机产生的电流I和功率P分别对应于时间t的关系曲线。

与曲线a1和a2比较，从曲线c1和c2可知，在稳定运行期间，同一时刻，电流I与功率P的值都明显下降，但稳定运行的时间则增加了15秒，而对于实验所用水量的势能，其转化为电能则基本相等。不足之处是正常运行时的功率P大幅降低。

再与曲线b1和b2比较，从曲线c1和c2可知，相同工况前提条件下，增加圆柱筒轴向长度后，使水轮机稳定运行的持续时间较未增长圆柱筒轴向长度时，持续有效发电时间再增加了8秒。但输出功率P也明显降低。

综上所述，适当增加整流筒2的轴向长度，当L2＞0.5L1时，整流筒2的表现开始明显变差，虽然可以有效改善尾水管内的水流，减小压力脉动，使之运行平稳，并延长稳定运行时间，但整流筒2在减慢尾水管水流速度的同时也影响了叶轮的出力。所以应满足：L2＜0.5L1。

对比实验三：

如图17和图18所示，在对比实验一的基础上，除了圆柱筒直径增加外，其他实验条件与对比实验一保持相同，d1和d2曲线分别对应于圆柱筒直径为φ200mm、轴向长L2＝100mm时，蜗壳轴流式水轮发电机产生的电流I与功率P分别与时间t的关系曲线。

与曲线a1和a2比较，从曲线d1和d2可知，稳定运行时长稍有增加，但电流值和功率值也稍有降低，总体发电量并没有太明显的增多或减小。

再与曲线c1和c2比较，当圆柱筒直径增加一定程度后，并不能延长稳定运行的持续时间。

综上所述，当整流筒2直径增加到一定程度，当D2接近D3时，整流筒2的表现开始明显变差，若整流筒2直径过大，其对提高水轮发电机的效率没有显著的影响，会影响水轮发电机的综合表现，所以应满足D2<D3。

对比实验四：

如图19和图20所示，在对比实验一的基础上，除了圆柱筒直径减小外，其他实验条件与对比实验一保持相同，曲线e1和e2分别对应于圆柱筒直径为φ30mm、轴向长L2＝100mm时，蜗壳轴流式水轮发电机产生的电流I与功率P分别与时间t的关系曲线。

与曲线b1和b2相比较，圆柱筒直径减小到一定值后，稳定运行的持续时间没有延长，而且从开始测试至稳定运行这一段时间内，波动极大，需要达到稳定运行的时间向后平移了，即从启动至运行稳定的时长增加；

与曲线a1和a2相比较，稳定运行后，曲线e1和e2上对应的电流值和功率值,与没有安装整流筒2的曲线a1和a2所对应数值相比较，其基本一致，总体发电量也没有明显的增多。

综上所述，当整流筒2直径减小到一定程度，当D2接近0.1D1时，整流筒2的表现开始明显变差，若直径过小，其对提高水轮发电机的效率没有显著的作用，在增加发电量方面的作用会越来越有限；而且会增加尾水管的脉动压力，破坏尾水管的稳定运行，所以应满足0.1D1<D2。

对比实验五：

如图21和图22所示，整流筒2采用由三个相同的正六边形筒拼接而成蜂窝状结构，其它实验条件与对比实验一保持相同，曲线f1和f2分别对应于锥管段1通道内设置有蜂窝状结构的整流筒2的情况下，蜗壳轴流式水轮发电机产生的电流I与功率P分别与时间t的关系曲线。

与曲线a1和a2相比，曲线f1和f2在稳定运行时，同一时刻所对应的电流值和功率值有所降低，其总体发电量基本一致，但稳定运行的持续时长增加了4秒。

综合所述，采用蜂窝状结构的整流筒2，对改善尾水管的脉动压力，使之运行平稳有一定的作用。

所以，本发明实施例中，优先采用圆柱筒结构作为整流筒2。因为，整流筒可以有效抑制偏心涡带的产生，减小了尾水管的压力脉动，使轴心和周边的压力差减小，并使得水流更稳定，延长了水流推动水轮机转轮持续做功的时间，有效提高尾水管的能量恢复系数，使水轮机的能量转换效率得到提高。

Claims (2)

1.一种用于水轮机的尾水管，包括前端开口小且后端开口大的锥管段(1)，所述锥管段(1)前端与水轮机转轮出水口对接，其特征在于所述锥管段(1)的通道内设有与其同轴且前后开口的整流筒(2)；

所述整流筒(2)外表面与锥管段(1)内表面之间沿周向设有用于将整流筒(2)相对锥管段(1)固定连接的固定杆(3)；或者所述整流筒(2)的后端固定连接有支撑杆(4)，所述支撑杆(4)另一端固定于地面上；

所述锥管段(1)轴向长度为L1，所述整流筒(2)轴向长度为L2，所述整流筒(2)前端面距离锥管段(1)后端面为L3，满足L2<0.5L1,0<L3<L1；

所述锥管段(1)前端口内径为D1，所述锥管段(1)后端口内径为D3，所述整流筒(2)外接圆内径为D2，满足0.1D1<D2<D3；

所述整流筒(2)由三个相同的、呈中空状且前后开口的正六边形筒拼接而成蜂窝状结构，相邻两个正六边形筒互成120°。

2.一种用于水轮机的尾水管，其特征在于包括锥管段(1)和扩散段(5)，所述锥管段(1)前端开口小且后端开口大，所述锥管段(1)后端与扩散段(5)前端之间设有用于过渡连接的肘管段(6)，所述锥管段(1)前端与水轮机转轮出水口对接，所述锥管段(1)与肘管段(6)对接处的通道内设有与锥管段(1)同轴且前后开口的整流筒(2)，整流筒(2)的前端可以位于锥管段(1)与肘管段(6)对接处前方或者后方,所述整流筒(2)外表面沿周向设有固定杆(3)，所述固定杆(3)另一端与锥管段(1)或者肘管段(6)内壁固定连接；所述整流筒(2)由三个相同的、呈中空状且前后开口的正六边形筒拼接而成蜂窝状结构，相邻两个正六边形筒互成120°。