CN110886673B - 一种降低水轮机水压脉动与压力梯度的尾水管及其方法 - Google Patents

一种降低水轮机水压脉动与压力梯度的尾水管及其方法 Download PDF

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Abstract

一种降低水轮机水压脉动与压力梯度的尾水管及其方法，该尾水管在直锥段边壁上设置一个鳍状结构，该结构上开有进流口，经进流口向直锥段内通入有压流体来均衡压力分布。当水轮机内水压脉动较小时，由鳍状结构来减小尾水管内的水压脉动幅值与压力梯度；当水轮机内水压脉动超过允许值时，经进流口通入有压流体，大幅度降低尾水管内的水压脉动与压力梯度。本发明的鳍状结构体积小，在水流作用下不易损坏，且不影响水轮机的水力性能，能平衡尾水管内压力分布，有效抑制尾水管中的强烈水压脉动，从而改善水轮机的运行稳定性，扩大水轮机的安全运行范围与工况调节能力。此外，该方法有助于提高鱼类通过水轮机时的存活率，适用于鱼类友好型水轮机。

Description

一种降低水轮机水压脉动与压力梯度的尾水管及其方法
技术领域
本发明涉及水轮机尾水管，特别涉及水压脉动强烈的水轮机尾水管，适合于改善水电站水轮机在偏离设计工况运行时尾水管内的压力脉动，并可提高鱼类通过水轮机的存活率。
背景技术
水轮机尾水管涡带是一种特殊的涡运动，尤其当水轮机运行在偏离设计流量的工况时会引起强烈的压力脉动，容易导致水电站机组的运行稳定性问题。为了缓解水轮机尾水管中涡带引发的水压脉动，工程上可采取一些必要的措施。目前常用的工程措施主要包括以下三个方面：(1)通过改变水轮机转轮设计，以减轻尾水管内漩涡的强度，如中国专利文献公开的CN201133321、CN1530538、CN1499073等专利技术；(2)在水轮机中设置通气或通水口，引入射流来抑制尾水管中的漩涡流动和水压脉动，如中国专利文献CN101501329、CN200975311、CN101975132A等公开的专利技术；(3)通过设置一定的漩涡抑制结构来实现压力脉动控制。如CN1702317提出在转轮和尾水管之间设有一个用于漩涡控制的轴流式叶片结构、CN1740556提出的电磁抑涡装置、CN202140227U提出的振动式涡流发生器，以及CN104121138A提出的具有漩涡抑制作用的水轮机尾水管等。
发明内容
本发明的目的是提出一种降低水轮机水压脉动与压力梯度的尾水管及其方法，通过改变尾水管中的流场构造、均衡尾水管内的压力分布，从而降低水轮机中涡带引起的水压脉动强度和压力梯度，有效解决水轮机在部分负荷工况下运行稳定性与安全性的难题；同时创造较平缓变化的压力环境，提高鱼类通过水轮机的存活率。
本发明的技术方案如下
一种降低水轮机水压脉动与压力梯度的尾水管，含有尾水管直锥段、尾水管弯肘段、尾水管扩散段和尾水管出口，其特征在于：所述尾水管含有一个鳍状结构，所述鳍状结构包括中间的主体部分，以及两端的过渡部分；所述鳍状结构沿圆周方向紧贴尾水管直锥段的边壁布置；以直锥段进口圆的圆心为原点，以直锥段的x向对称中心线、y向对称中心线、z向对称中心线为坐标轴建立笛卡尔坐标系，所述的鳍状结构位于xoy平面的第二象限；鳍状结构斜向对称中心线与直锥段的y向对称中心线之间的夹角α为42.5～47.5°；在鳍状结构的主体部分设有进流口，该进流口贯通鳍状结构以及与鳍状结构安装位置相对应的尾水管边壁。
优选地，鳍状结构的x向对称中心线到直锥段进口圆之间的垂直距离hd与进口圆直径Dd之比为hd/Dd＝0.35～0.45。
本发明的另一技术特征是：所述鳍状结构主体部分的水平横截面为梯形，上底边长为W2、下底边长为W3，所述W2与直锥段进口圆直径Dd之比为W2/Dd＝0.025～0.035；所述W3与直锥段进口圆直径Dd之比为W3/Dd＝0.085～0.105。优选地，梯形的高与直锥段进口圆直径Dd之比为0.045～0.050；鳍状结构主体部分的长度为L1、包含两端过渡部分的总长度为L2，所述L1与直锥段进口圆直径Dd之比为L1/Dd＝0.325～0.335；所述L2与直锥段进口圆直径Dd之比为L2/Dd＝0.475～0.525。
优选地，进流口的宽度W1小于梯形上底边长W2；进流口的长度小于或等于L1。
本发明还提供了一种利用尾水管降低水轮机水压脉动与压力梯度的方法，其特征在于:
a)当水轮机内压力脉动的幅值小于水轮机额定水头的0.3％时，由鳍状结构改变尾水管中的流场结构与主涡带形状，使尾水管内压力分布趋于均匀化；
b)当水轮机内压力脉动的幅值处于水轮机额定水头的0.3％～0.5％时，经鳍状结构上开设的进流口通入有压力的水或空气，对主涡带的结构进行扰动，使得尾水管直锥段流场中的速度、压力重新分布，降低水压脉动，消除流场中高压力梯度的区域；
c)当遇到尾水管中压力脉动强烈，其压力脉动的幅值大于水轮机额定水头的0.5％时，则采用鳍状结构补气与水轮机转轮中心孔补气相结合的方式来同时改变尾水管中的流场结构和涡带结构。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：①本发明在尾水管直锥段边壁上设置鳍状结构。由于在尾水管中发生的主涡带为非对称结构，在尾水管直锥段靠近进口圆的边壁上附设偏置的鳍状结构将改变尾水管中的流场结构与主涡带形状，进而促使尾水管内压力分布趋于均匀化。鳍状结构也会诱发一个小型涡带，该小型涡带沿着尾水管直锥段的边壁顺着流动方向发展，可吸收主涡带的部分能量，不仅有利于缓解主涡带对主流的扰动，同时可进一步均衡尾水管内的流动，降低尾水管的水压脉动；②本发明的鳍状结构上设有进流口。当水轮机运行于部分负荷工况时，尾水管中涡带运动十分强烈。此时从进流口通入有压力的水或空气，该压力应大于尾水管直锥段壁面压力，通入的流体与尾水管内的流体进行充分掺混，发生质量与动量交换，可迅速改变流场中的压力分布与速度分布，尤其可弱化涡带中心区域的逆向流动，阻止涡带向下游发展。这样可以抑制尾水管内的涡带运动，改善水轮机内的水压脉动，有利于提高水轮机的运行质量。③当水轮机运行负荷发生变化时，尾水管中的流动及水压脉动不同。从进流口通入有压水或空气的流量可以依据负荷变化即时调节，从而进行精准控制。根据运行负荷变化而通入不同流量的流体，也可以适当改变涡带运动诱发的水压脉动频率，避免水轮机机组发生共振。与通过水轮机主轴中心孔向尾水管通气相比，本发明采用鳍状结构进流口通入流体可更加有效地改变尾水管中流场结构、抑制涡带强度，对水轮机转轮中的流动影响更小，尾水管中的压力分布更加均匀，各个方向上的压力梯度更小。遇到尾水管中压力脉动特别强烈的时候，也可以综合采用鳍状结构补气与水轮机转轮中心孔补气两种方式来同时改变尾水管中的流场结构和涡带结构，达到优化控制的效果。④鳍状结构比一般的漩涡抑制装置在尾水管直锥段中所占体积较小，所以它在抑制水轮机部分负荷工况下涡带作用的同时不影响水轮机的出力与效率。鳍状结构易于安装且不容易损坏，在实际运行中使用效果更好。
因此，采用这种降低水轮机水压脉动与压力梯度的尾水管及其方法可使得水轮机尾水管中的压力分布相对均衡，降低了沿各个方向的压力梯度，特别有利于减轻鱼类通过水轮机时受到的伤害；无论是在尾水管边壁上安装相对于尾水管扩散段偏置布置的鳍状结构，还是通过鳍状结构通入有压力的流体，都可以较好地抑制在部分负荷工况下尾水管内发生的涡带，缓解水轮机内强烈的水压脉动，提高水轮机的运行可靠性。此外，有压流体的成分与流量均可根据水轮机运行工况进行控制，所以可以对尾水管内的涡带运动以及压力分布实施优化调控，有效扩展水轮机的安全工作范围和运行调节能力。
附图说明
图1为本发明提供的带有鳍状结构的水轮机尾水管的结构示意图(主剖视图)。
图2为图1的A向视图。
图3为图2的I局部放大图。
图4为图3的B向视图。
图中：1－直锥段进口圆；2－尾水管直锥段；3－鳍状结构的x向对称中心线；4－尾水管弯肘段；5－尾水管出口；6－直锥段的z向对称中心线；7－鳍状结构；8－鳍状结构的斜向对称中心线；9－直锥段的x向对称中心线；10－进流口；11－直锥段边壁；12－鳍状结构主体部分的第一侧边；13－鳍状结构主体部分的第二侧边；14－鳍状结构的z向对称中心线；15－鳍状结构的下端；16－鳍状结构的上端；17－尾水管扩散段；18－直锥段的y向对称中心线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理、结构及工作过程作进一步的说明。
图1为本发明提供的带有鳍状结构的水轮机尾水管的结构示意图(主剖视图)，该水轮机尾水管包括尾水管直锥段2、尾水管弯肘段4、尾水管扩散段17和尾水管出口5。所述尾水管还含有一个鳍状结构7，该鳍状结构7沿圆周方向紧贴尾水管直锥段2的边壁布置。设直锥段进口圆1的直径为Dd，鳍状结构的x向对称中心线3到直锥段进口圆1之间的垂直距离为hd，两者之比hd/Dd最好为0.35～0.45。
以直锥段进口圆的圆心为原点，以直锥段的x向对称中心线9、z向对称中心线6、y向对称中心线18为坐标轴建立笛卡尔坐标系。如图2所示，鳍状结构7位于xoy平面的第二象限，鳍状结构斜向对称中心线8与直锥段的y向对称中心线18之间的夹角α优选为42.5～47.5°。
鳍状结构包括位于中间的主体部分，以及两端的过渡部分(如图4所示)。通过鳍状结构主体部分的第一侧边12、鳍状结构主体部分的第二侧边13、鳍状结构的下端15和鳍状结构的上端16就可将鳍状结构7固定在直锥段边壁11上。如图3所示，鳍状结构主体部分的水平横截面为梯形，该梯形的上底边长为W2、下底边长为W3，所述W2与直锥段进口圆直径Dd之比为W2/Dd＝0.025～0.035；所述W3与直锥段进口圆直径Dd之比为W3/Dd＝0.085～0.105。梯形的高与进口圆直径Dd之比最好为0.045～0.050；鳍状结构主体部分的长度为L1、包含两端过渡部分的总长度为L2，所述L1与直锥段进口圆直径Dd之比为L1/Dd＝0.325～0.335；所述L2与直锥段进口圆直径Dd之比为L2/Dd＝0.475～0.525。
如图3和图4所示，在鳍状结构主体部分开设了进流口10。进流口的宽度为W1，W1应小于W2。进流口的长度应小于或等于L1。进流口的两端是内接半圆。进流口贯通鳍状结构以及与鳍状结构安装位置相对应的尾水管边壁，分别与尾水管内部、外部相连通。
需要说明的是，鳍状结构主体部分的第一侧边12与鳍状结构主体部分的第二侧边13的形状可以相同，也可以不同；同样地，鳍状结构的下端15和鳍状结构的上端16的形状可以相同，也可以不同；在保证面积合理的条件下，进流口10的形状也可以任意变化。
当水轮机运行在部分负荷工况，水轮机内压力脉动的幅值小于水轮机额定水头的0.3％时，具有一定切向速度的水流从尾水管进口流入，在尾水管中形成螺旋形主涡带，主涡带引起尾水管内强烈的水压脉动与极大的压力梯度。此时，鳍状结构诱发一个小型涡带，该小型涡带沿着尾水管直锥段的边壁顺着流动方向发展。同时，在尾水管直锥段内运动的主涡带在鳍状结构以及鳍状结构诱发的小型涡带作用下，其强度、形状均发生变化，使得尾水管内的水压脉动减缓、压力分布变得相对均匀。当水轮机内压力脉动的幅值处于水轮机额定水头的0.3％～0.5％时，可经由鳍状结构上开设的进流口通入有压的水或空气，该压力应大于尾水管直锥段壁面压力，对主涡带的结构进行扰动。通入的流体不仅改变主涡带的运动参数，同时也使得尾水管直锥段流场中的速度、压力重新分布，进一步降低水压脉动，消除流场中高压力梯度的区域。为了达到良好的调控效果，可以控制从进流口通入有压的水或空气的流量。当遇到尾水管中压力脉动特别强烈，水压脉动幅值大于水轮机额定水头的0.5％时，也可以综合采用鳍状结构补气与水轮机转轮中心孔补气两种方式来同时改变尾水管中的流场结构和涡带结构，进一步强化优化控制的效果。因此，采用本发明可以有效缓解水轮机内部因涡带运动造成的尾水管中流动不均衡以及剧烈水压脉动，有利于水轮机的安全、稳定运行，也有利于鱼类安全通过水轮机的流道。

Claims (6)

1.一种降低水轮机水压脉动与压力梯度的方法，其特征在于，该方法通过改变尾水管中的流场构造、均衡尾水管内的压力分布，来降低水轮机中涡带引起的水压脉动强度和压力梯度，所述的尾水管含有一个鳍状结构(7)；
所述方法包括如下步骤：
a)当水轮机内压力脉动的幅值小于水轮机额定水头的0.3％时，由鳍状结构改变尾水管中的流场结构与主涡带形状，使尾水管内压力分布趋于均匀化；
b)当水轮机内压力脉动的幅值处于水轮机额定水头的0.3％～0.5％时，经鳍状结构上开设的进流口通入有压力的水或空气，对主涡带的结构进行扰动，使得尾水管直锥段流场中的速度、压力重新分布，降低水压脉动，消除流场中高压力梯度的区域；
c)当遇到尾水管中压力脉动强烈，其压力脉动的幅值大于水轮机额定水头的0.5％时，则采用鳍状结构补气与水轮机转轮中心孔补气相结合的方式来同时改变尾水管中的流场结构和涡带结构。
2.如权利要求1所述的一种降低水轮机水压脉动与压力梯度的方法，其特征在于，所述鳍状结构(7)包括中间的主体部分，以及两端的过渡部分；所述鳍状结构(7)沿圆周方向紧贴尾水管直锥段的边壁布置；以直锥段进口圆(1)的圆心为原点，以直锥段的x向对称中心线(9)、y向对称中心线(18)、z向对称中心线(6)为坐标轴建立笛卡尔坐标系，所述的鳍状结构(7)位于xoy平面的第二象限；鳍状结构斜向对称中心线(8)与直锥段的y向对称中心线(18)之间的夹角α为42.5～47.5°；在鳍状结构的主体部分设有进流口(10)，该进流口贯通鳍状结构以及与鳍状结构安装位置相对应的尾水管边壁。
3.按照权利要求2所述的一种降低水轮机水压脉动与压力梯度的方法，其特征在于：鳍状结构的x向对称中心线(3)到直锥段进口圆(1)之间的垂直距离hd与进口圆直径Dd之比为hd/Dd＝0.35～0.45。
4.按照权利要求2或3所述的一种降低水轮机水压脉动与压力梯度的方法，其特征在于：所述鳍状结构主体部分的水平横截面为梯形，上底边长为W2、下底边长为W3，所述W2与直锥段进口圆直径Dd之比为W2/Dd＝0.025～0.035；所述W3与直锥段进口圆直径Dd之比为W3/Dd＝0.085～0.105。
5.按照权利要求4所述的一种降低水轮机水压脉动与压力梯度的方法，其特征在于：梯形的高与直锥段进口圆直径Dd之比为0.045～0.050；鳍状结构主体部分的长度为L1、包含两端过渡部分的总长度为L2，所述L1与直锥段进口圆直径Dd之比为L1/Dd＝0.325～0.335；所述L2与直锥段进口圆直径Dd之比为L2/Dd＝0.475～0.525。
6.按照权利要求5所述的一种降低水轮机水压脉动与压力梯度的方法，其特征在于：进流口(10)的宽度W1小于梯形上底边长W2；进流口的长度小于或等于L1。
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