CN110285005A - 一种具有圆形和椭圆形网格的水轮机尾水管 - Google Patents

Abstract

本发明公开叶片式流体机械技术领域中的一种具有圆形和椭圆形网格的水轮机尾水管，最外部是轴向截面为锥形的直锥筒，直锥筒内部设有分流筒，分流筒的外侧壁与直锥筒的内侧壁之间固定连接支撑架，分流筒内部设有圆盘形的分流片，分流片的外壁与分流筒的内壁之间密封且固定连接，分流片的正中间开有贯通的圆形孔，在圆形孔外侧的分流片上，沿圆周方向均匀设置着若干个相同的椭圆孔，每个椭圆孔的长轴方向是沿分流片的直径方向；分流片用来破碎涡带，减少涡带带来的压力脉动，由于分流片上的网格呈椭圆形和圆形，流体分离和脱落小，降低尾水管内部周围与中心的压力差，削弱涡带径向脉动，减少尾水管内部涡带引起的空化，延长了尾水管的使用寿命。

Description

一种具有圆形和椭圆形网格的水轮机尾水管

技术领域

本发明属于叶片式流体机械技术领域，涉及一种混流式水轮机的尾水管结构。

背景技术

水轮机属于透平机械的一种，作为叶片式的流体机械，其安装在如图1所示的水电站中，水轮机通过水位势差，将水的势能转变为动能，用以驱使发电。如图1所示，水轮机2安装在坝体4的上游水位3中，水轮机2的旋转主轴8与发电机1的主轴相接，同时与水轮机2的转轮相接。水轮机2的转轮出口的正下方安放尾水管5，尾水管5嵌在坝体4内，尾水管5的下方是下游水位7。尾水管5的作用是将离开水轮机2中的转轮的水引导至下游排水口6，并利用转轮出口水流的部分能量。

在水流离开水轮机2的转轮的过程中，由于水流速度减小，压力增大，当水流进入尾水管5时，尾水管5内部周围压力大而中心压力小，导致周围和中心压力差变大，会发生因水流流速降低、压力提高引起涡带的破碎和偏心的现象，与此造成严重的径向压力脉动现象，同时也容易发生二次回流的现象，从而影响水轮机2的整体运行的平稳性能。因此，尾水管5中的水力稳定性是评价水轮机机组性能和能量指标的重要标准。

目前，为减小尾水管涡带压力脉动，通常的方法是：一，在水轮机2的转轮出口安装足够长的圆柱体，在圆柱体面上开有足够多的平压孔来消减涡带脉动作用；其存在的问题是：由于水轮机的转轮本身与旋转主轴连接，水流造成的振动会直接传递到旋转主轴上，造成机组发生振动和噪声。二、在尾水管内安装导流翼栅，消减在尾水管内产生的涡带偏心带来的压力脉动；其存在的问题是：导流翼栅的空间结构复杂，在尾水管内部会产生空化，造成严重空蚀，导致翼栅易被破坏，使用寿命短，而且在水轮机的比转速较大时，减振效果不明显。三、在尾水管管内安装正六边形的整流筒，减小相应尾水管管内部的涡带的引起压力脉动；其存在的问题是：正六边形整流筒的形状对尾水管内部流场破坏严重，会在内部产生流体分离和脱落，导致尾水管对流体能量回收效率低，而且正六边形整流筒会对涡带进行二次破坏，会造成整流筒自身受力不均匀，容易产生形变，再者，在正六边形整流筒的内部还存在部分压力脉动作用，导致耗损，内部压力降低过多，空化严重，导致整个尾水管空蚀。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有水轮机在运行中水流流过尾水管时产生的脱流以及引发的二次回流问题，提出一种能减小径向压力脉动、提高运行平稳性能的具有圆形和椭圆形网格的水轮机尾水管。

本发明一种具有圆形和椭圆形网格的水轮机尾水管采用的技术方案是：最外部是轴向截面为锥形的直锥筒，直锥筒上端是锥形小端、下端是锥形大端，直锥筒内部设有分流筒，分流筒的中心轴与直锥筒的中心轴共线，分流筒轴向截面为锥形，分流筒的上端是锥形小端、下端是锥形大端，分流筒的外侧壁与直锥筒的内侧壁之间固定连接支撑架，分流筒内部设有圆盘形的分流片，分流片水平布置，分流片的外壁与分流筒的内壁之间密封且固定连接，分流片的正中间开有贯通的圆形孔，在圆形孔外侧的分流片上，沿圆周方向均匀设置着若干个相同的椭圆孔，每个椭圆孔的长轴方向是沿分流片的直径方向。

进一步地，分流筒上端面的外径d₁＝0.17L₁，分流筒下端面的外径d₂＝0.25L₁，L₁是直锥筒的轴向高度；圆形孔的半径r＝0.33d₁，每个椭圆孔的半长轴的轴长为a，半短轴的轴长为b，0.3d₂＜a＜0.5d₂，0.2d₂＜b＜0.3d₂，每个椭圆孔的椭圆中心与圆形孔的中心之间的水平距离L₇＝0.6r。

本发明采用上述技术方案后的优点是：

1、本发明在尾水管内部安装分流筒，其不会将承受的载荷传递给旋转主轴，不会引起水轮机组主轴的振动，保证了水轮机机组在偏离设计工况时稳定运行，偏离设计工况工作时振动噪声小，适用于比转速为80～100的水轮机，因为适用工况范围大，且本发明压力脉动频率可以减小到1/8～1/6，振幅降低到100kPa，对脉动频率减小效果明显，振幅消减效果明显。

2、本发明在分流筒内部安装了带有网格的分流片，用来破碎涡带，减少了涡带带来的压力脉动，由于分流片上的网格呈椭圆形和圆形，流体分离和脱落小，降低尾水管内部周围与中心的压力差，削弱涡带径向脉动，降低涡带能量，减少了尾水管内部涡带引起的空化，延长了尾水管的使用寿命。

3、本发明不影响水轮机正常工作的效率，很好地抑制了回流现象，也避免在水轮机下方进行大范围挖掘，解决了部分负荷下涡带产生的受迫振荡问题，有效地解决了机组共振问题。

附图说明

图1是水电站中的水轮机及其关联部件的装配示意图；

图2是本发明所述的一种具有圆形和椭圆形网格的水轮机尾水管的三维结构剖视图；

图3是图2的仰视轴测图；

图4是图2的主视图；

图5是在图4基础上去掉法兰和支撑架后的俯视放大图；

图6是图4中的分流筒和分流片的仰视放大图；

图中：1-发电机；2-水轮机；3-上游水位；4-坝体；5-尾水管；6-排水口；7-下游水位；8-旋转主轴；9-直锥筒；10-分流筒；11-支撑架；12-分流片；13-分流片的圆形孔；14-分流片的椭圆孔；15-法兰。

具体实施方式

参见图2和图3，本发明所述的尾水管5由直锥筒9、分流筒10、分流片12和支撑架11组成。最外部是直锥筒9，直锥筒9的轴向截面是锥形，直锥筒9的上端是进水口，是锥形小端，下端是出水口，是锥形大端，直锥筒9内部从进水口至出水口贯通。在直锥筒9的上端处安装法兰15，直锥筒9通过法兰15固定。

在直锥筒9内部设置分流筒10，分流筒10的轴向截面也是锥形，分流筒10的中心轴与直锥筒9的中心轴共线。分流筒10的上端是锥形小端，下端是锥形大端。分流筒10空套在直锥筒9的内部，与直锥筒9不接触，并且分流筒10与直锥筒9的轴向截面的锥形的锥角相等，这样，直锥筒9的筒壁与分流筒10的筒壁相平行。分流筒10的轴向高度小于直锥筒9的轴向高度，分流筒10的上端距离直锥筒9的上端有一段距离，分流筒10的下端距离直锥筒9的下端有一段距离，使整个分流筒10容纳在直锥筒9的内部。

在分流筒10内部固定嵌有圆盘形的分流片12，分流片12水平布置，分流片12的圆形外壁与分流筒10的内壁之间密封且固定连接。分流片12的正中间开有贯通的圆形孔13，圆形孔13的直径小于分流片12的外径。在圆形孔13外侧的分流片12上，沿圆周方向均匀设置着若干个相同的椭圆孔14，本发明设置了8个椭圆孔14。每个椭圆孔14的长轴方向是沿分流片12的直径方向。椭圆孔14与分流片12的外壁、圆形孔13的孔壁之间均留有距离。这样，在分流片12上设置了圆形和椭圆形网格状的孔，使水能流经圆形和椭圆形网格状的孔。

分流筒10的外侧壁与直锥筒9的内侧壁之间固定连接支撑架11，支撑架11有多个，均匀布置在分流筒10和直锥筒9之间，分流筒10通过支撑架11与直锥筒9固定在一起。本发明中的支撑架11设有6个，支撑架11的断面呈正方形，连接于分流筒10的轴向高度方向上的正中间。

参见图4，直锥筒9的轴向高度是L₁，L₁＝1196～1716mm。法兰15的轴向高度为L₂，0.05L₁≤L₂≤0.06L₁。分流筒10的轴向高度为L₃，0.2L₁≤L₃≤0.3L₁。分流片12的轴向高度为L₄，L₄＝0.095L₃。支撑架11的轴向高度为L₅，L₅＝0.125L₃。分流筒10的下端面到直锥筒9的下端面的轴向距离为L₆，L₆＝1.2L₃。直锥筒9的筒壁厚度t₁＝0.25L₂,分流筒10的筒壁厚度t₂＝0.15L₂。分流筒10上端面的外径是d₁,d₁＝0.17L₁，分流筒10上端面的外径是d₂,d₂＝0.25L₁。

参见图5，直锥筒9下端面的外径为D₂,D₂＝0.88L₁,直锥筒9上端面的外径为D₁,D₁＝0.32L₁。

参见图6，圆形孔13的半径是r,且r＝0.33d₁。椭圆孔14有8个，相邻两个椭圆孔14的长轴之间的夹角为β，β＝45°。每个椭圆孔14的半长轴的轴长为a，半短轴的轴长为b，0.3d₂＜a＜0.5d₂，0.2d₂＜b＜0.3d₂。每个椭圆孔14的椭圆中心与圆形孔13的中心之间的水平距离相距L₇，L₇＝0.6r。

参见图1-6，水轮机2在一定工况下，直锥筒9内偏心涡带引起的压力脉动力F，压力脉动力F是涡带偏心距e及该水平断面流速的圆周切向分量C_u2的函数，即F＝f(efC_u2)。根据涡带压力P计算公式：P是受到的涡带压力，R是水轮机2的半径，ρ是液体密度，C_e是在半径R处的圆周分量，e_f是在半径R处的涡带偏心距。本发明中的分流筒10的作用是使直锥筒9内的水流速分布为对称，减小了涡带偏心距e_f的值，即减小了涡带回转半径，从而减小了涡带压力P的值，这样减小能压力脉动，降低由于涡带偏移引起的振动问题。当水流进入直锥筒9时存在环量，同时存在涡带偏移，涡带脱落的现象，通过分流筒10，将其分为分流筒10内部流动和分流筒10与直锥筒9内壁面之间的流动，这样减少了涡带偏移，同时当流体经过分流筒10内部的椭圆孔14的网格和圆形孔13的网格时，圆形孔13的网格和椭圆孔14的网格对分流筒10内部流动的偏心涡带进行破坏，减少涡带偏心距，进而减少涡带偏心引起的压力脉动，圆形孔13的网格和椭圆孔14的网格抑制偏心涡带环量效果明显，且在流经圆形孔13的网格和椭圆孔14的网格时，局部阻力损失小，流体边界层分离小，达到减少涡带偏心引起的压力脉动，消减了直锥筒9内部的压力脉动，同时由于网格的作用，涡带中心的雷诺数减小，这样直锥筒9内部空化也会减小，减少了流体对直锥筒9的空蚀，延长其使用寿命。

Claims (6)

1.一种具有圆形和椭圆形网格的水轮机尾水管，最外部是轴向截面为锥形的直锥筒(9)，直锥筒(9)上端是锥形小端、下端是锥形大端，其特征是：直锥筒(9)内部设有分流筒(10)，分流筒(10)的中心轴与直锥筒(9)的中心轴共线，分流筒(10)轴向截面为锥形，分流筒(10)的上端是锥形小端、下端是锥形大端，分流筒(10)的外侧壁与直锥筒(9)的内侧壁之间固定连接支撑架(11)，分流筒(10)内部设有圆盘形的分流片(12)，分流片(12)水平布置，分流片(12)的外壁与分流筒(10)的内壁之间密封且固定连接，分流片(12)的正中间开有贯通的圆形孔(13)，在圆形孔(13)外侧的分流片(120上，沿圆周方向均匀设置着若干个相同的椭圆孔(14)，每个椭圆孔(14)的长轴方向是沿分流片(12)的直径方向。

2.根据权利要求1所述的一种具有圆形和椭圆形网格的水轮机尾水管，其特征是：分流筒(10)上端面的外径d₁＝0.17L₁，分流筒(10)下端面的外径d₂＝0.25L₁，L₁是直锥筒(9)的轴向高度；圆形孔(130的半径r＝0.33d₁，每个椭圆孔(14)的半长轴的轴长为a，半短轴的轴长为b，0.3d₂＜a＜0.5d₂，0.2d₂＜b＜0.3d₂，每个椭圆孔(14)的椭圆中心与圆形孔(13)的中心之间的水平距离L₇＝0.6r。

3.根据权利要求1所述的一种具有圆形和椭圆形网格的水轮机尾水管，其特征是：分流筒(10)的轴向高度为L₃，0.2L₁≤L₃≤0.3L₁，L₁是直锥筒(9)的轴向高度；分流片(12)的轴向高度L₄＝0.095L₃，分流筒(10)的下端面到直锥筒(9)的下端面的轴向距离L₆＝1.2L₃，支撑架(11)的轴向高度L₅＝0.125L₃。

4.根据权利要求1所述的一种具有圆形和椭圆形网格的水轮机尾水管，其特征是：法兰(15)的轴向高度为L₂，0.05L₁≤L₂≤0.06L₁，L₁是直锥筒(9)的轴向高度，直锥筒(9)的筒壁厚度t₁＝0.25L₂,分流筒(10)的筒壁厚度t₂＝0.15L₂。

5.根据权利要求1所述的一种具有圆形和椭圆形网格的水轮机尾水管，其特征是：直锥筒(9)下端面的外径D₂＝0.88L₁,直锥筒(9)上端面的外径D₁＝0.32L₁。

6.根据权利要求1所述的一种具有圆形和椭圆形网格的水轮机尾水管，其特征是：椭圆孔(14)有8个。