CN111271205A - 一种具有抑制漩涡作用的水轮机转轮及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种具有抑制漩涡作用的水轮机转轮，包括上冠、下环和设置于上冠和下环之间的多个叶片；叶片呈圆周排布；叶片包括进水边和出水边；上冠的下端面固定一泄水锥；泄水锥的底部端面设置一圆柱体；圆柱体的直径与泄水锥的底部端面的直径相同。本发明无需直接对泄水锥进行结构改造，只需在泄水锥底部安装一圆柱体。圆柱体能有效的引导靠近上冠部分的水流由径向变为轴向，减小尾水管流态的混乱程度，减小圆周速度，从而起到减小尾水涡带的作用。本发明还提出了一种具有抑制漩涡作用的水轮机转轮的使用方法。

Description

一种具有抑制漩涡作用的水轮机转轮及使用方法

技术领域

本发明属于水轮机转轮改造技术领域，尤其涉及一种具有抑制漩涡作用的水轮机转轮及使用方法。

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，即形成涡带，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。鉴于水轮机尾水管的涡带，水轮机运行在小流量工况时，在转轮下游出现与转轮转向相同的旋涡流动，进而诱发正向偏心涡带（称小流量涡带）；运行在大流量工况时，在转轮下游出现与转轮转向相反的旋涡流动，形成柱状涡带（称大流量涡带）。此外，涡带通常演化形成空化涡带引起剧烈的水力激振，严重影响水电站机组的安全运行与稳定性。为了缓解水轮机尾水管漩涡流动引发的压力脉动，工程上可采取一系列措施。这些措施主要包括以下三个方面：1）如CN201133321、CN1530538、CN1499073等专利是通过转轮优化扩宽稳定运行的范围；2）如CN101501329、CN200975311、CN101975132A等专利是通过射流（补水、补气等）抑制低频脉动；3）如CN1740556、CN1702317、CN202140227U等专利是加装稳流装置来破坏涡带的结构。

然而，现有技术中尚无通过出现结合泄水锥进行结构改造以抑制进尾水管涡带抑制的技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有抑制漩涡作用的水轮机转轮及使用方法，无需直接对泄水锥进行结构改造，在小流量工况时，只需在泄水锥上安装圆柱体，从而达到减小尾水管涡带，缓解水轮机运行中水力激振和空化演化的效果，进而改善水轮机在运行过程中的稳定性和安全性。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有抑制漩涡作用的水轮机转轮，包括上冠、下环和设置于所述上冠和下环之间的多个叶片；所述叶片呈圆周排布；所述叶片包括进水边和出水边；所述上冠的下端面固定一泄水锥；所述泄水锥的底部端面设置一圆柱体；所述圆柱体的直径与所述泄水锥的底部端面的直径相同。

优选地，所述圆柱体的外表面上开设阻流槽；所述阻流槽为螺旋线型。

优选地，所述阻流槽处水流旋转方向与叶片处水流旋转方向相反。

优选地，所述阻流槽起始于所述泄水锥的顶部，终止于所述泄水锥的底部；所述阻流槽的螺距相等。

优选地，所述阻流槽的横截面为圆弧形；所述圆弧半径与圆柱体直径的比值为0.05~0.2。

优选地，所述泄水锥的高度与圆柱体的高度的比值为1~2。

优选地，所述圆柱体可拆卸地安装在所述泄水锥上。

本发明还提出了一种具有抑制漩涡作用的水轮机转轮的使用方法，基于所述具有抑制漩涡作用的水轮机转轮，包括以下步骤：

（1）判断所述水轮机转轮运行的环境；如是小流量工况，则执行步骤（2）,；否则执行步骤（3）；

（2）小流量工况下，将所述圆柱体安装在所述泄水锥上，启动所述水轮机转轮，靠近上冠的水流由径向变为轴向，圆柱体上的阻流槽形成与叶片处水流旋转方向相反的反向旋流；

（3）大流量工况下，将圆柱体从泄水锥上卸下，然后启动所述水轮机转轮即可。

与现有技术相比，本发明的优点为：无需直接对泄水锥进行结构改造，只需在泄水锥底部安装一圆柱体。圆柱体能加强对水流的控制，有效的引导靠近上冠部分的水流由径向变为轴向，同时，圆柱体设置的阻流槽可以减小尾水管流态的混乱程度，减小圆周速度，从而起到减小尾水涡带的作用，改善了水轮机的压力脉动和空化现象，有利于提高水轮机的安全性、稳定性及能量转换效率。

附图说明

图1为本发明一实施例的具有抑制漩涡作用的水轮机转轮的剖面图；

图2为图1中圆柱体和泄水锥的结构图；

图3为图2的立体图。

其中， 1-上冠，2-叶片，3-泄水锥，4-圆柱体，5-下环，6-进水边；7-出水边，8-阻流槽。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的具有抑制漩涡作用的水轮机转轮优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例提供的一种具有抑制漩涡作用的水轮机转轮，其中，抑制涡流作用的结构主要包括圆柱体4和阻流槽8。该转轮的具体结构如下：包括上冠1（外径为D₁）、下环5（外径为D₂）和设置于上冠1和下环5之间的多个叶片2；叶片2呈圆周排布；叶片2包括进水边6和出水边7；上冠1的下端面固定一泄水锥3。泄水锥3的底部端面设置一圆柱体4；圆柱体4的直径与泄水锥3的底部端面的直径相同，泄水锥3和圆柱体4其连接顺滑，不破坏水流流线；圆柱体4位于圆周的内侧。此外，圆柱体4的外表面上开设阻流槽8；阻流槽8为螺旋线型。水流经进水边6流入转轮，之后经出水边7流出转轮。在此过程中，部分水流沿着泄水锥3和圆柱体4下泄进入尾水管。

圆柱体4的结构设计如图2~3所示，具体的，圆柱体4可拆卸地安装在泄水锥3上。泄水锥3的高度h₁与圆柱体4的高度h₂的比值为1~2，如1.5，在加强对水流控制的同时，减少对水轮机转轮效率的影响，同时圆柱体4长度适中，不影响检修时水轮机转轮的水平放置。

本实施例还具有一特征：泄水锥3呈正圆台状；泄水锥3的顶部直径d₁大于泄水锥3的底部直径d₂，圆柱体4的直径为d_2，顶部直径d₁与底部直径d₂的比值为：1.5~2。

阻流槽8的结构设计如图1所示，具体的，阻流槽8处水流旋转方向与叶片2处水流旋转方向相反，即阻流槽8处的螺旋线旋转方向与转轮的运行方向ω相反，阻流槽8处旋向与该水轮机转轮的旋向相反，阻流槽8可产生与水轮机转轮旋向相反的旋流，进而抑制水轮机转轮在部分负荷下产生的主旋流。进一步地，阻流槽8起始于泄水锥3的顶部，终止于泄水锥3的底部；阻流槽8由多个相邻的螺旋凹槽组成；阻流槽8的螺距相等，升角为arctan（2h₂/πd₂），凹槽的数量为2~8条（取偶数），且沿圆周方向等距离分布。优选地，阻流槽8的横截面为圆弧形（半圆形），便于加工，且圆弧流动状态良好；圆弧半径与圆柱体4直径d₂的比值为0.05~0.2，既可以保证圆柱体结构强度，同时又可以产生足量反向旋流；凹槽沿周向均匀分布，其中n为凹槽的条数，如n可以为2~8，取偶数。

本发明的工作原理如下：

现有技术中，当水轮机运行时，水流从进水边流入，再从出水边流出，此时进入尾水管的水流带有一定大小的圆周方向速度，容易形成尾水涡带，该尾水涡带一方面向下游传递，一方面引发水轮机中剧烈的水力激振和空化演化。水轮机运行在小流量工况时，在转轮下游出现与转轮转向相同的旋涡流动，进而诱发正向偏心涡带（称小流量涡带）；运行在大流量工况时，在转轮下游出现与转轮转向相反的旋涡流动，形成柱状涡带（称大流量涡带）。

而在本实施例提供的具有抑制漩涡作用的水轮机转轮中，泄水锥3底部连接了圆柱体4，圆柱体4上的阻流槽8轨迹为与转轮运行方向相反的螺旋线型。当水轮机运行时，水流从进水边6流入，再从出水边7流出，部分水流沿着泄水锥3和圆柱体4下泄并进入尾水管。本实施例提供的该转轮，适用于小流量工况和大流量工况。

1）小流量工况下，当水流经圆柱体4及与阻流槽8时，圆柱体4能延迟水流脱流，加强对水流的控制，有效的引导靠近上冠1部分的水流由径向变为轴向，圆柱体4上的阻流槽8形成反向旋流，减小了水轮机转轮的主流区水流的圆周速度，降低了尾水管流态的混乱程度。因此，圆柱体4可以加强对水流的控制；同时阻流槽8可以有效地阻碍水流在圆柱体4上的运动，即降低了其圆周方向速度，即阻流槽8阻碍水流流动，从而在尾水管的涡带产生之初就减小了漩涡能量。

2）大流量工况下，只需将圆柱体4从泄水锥3上卸下。

综上，本发明的一实施例的具有抑制漩涡作用的水轮机转轮具有以下优点：

1）设计成本低，设计速度快。只对泄水锥3底部增加构件，其余部分不受其影响，且可以在整个转轮设计完成后再进行泄水锥3底部连接的圆柱体4和圆柱体上阻流槽的设计。

2）制造难度低。加工制造过程中也只需对圆柱体4进行改造，与其他需要改变转轮内部结构的尾水涡带抑制发明相比制造难度较低。采用对泄水锥3连接圆柱体4，及在圆柱体4表面增加凹槽的方法，相比CN1740556提出的电磁抑涡装置和CN202140227U提出的振动式涡流发生器方案更简单、易行，并且圆柱体4可以拆卸，更有利于在不同工况下，找到合适的结构。

3）小流量工况下，可有效抑制涡流。泄水锥3底部连接的圆柱体4能有效的引导靠近上冠1部分的水流，上冠1部分的水流由径向变为轴向，从而减小了尾水管流态的混乱程度，减小了圆周速度，且在圆柱上增加螺旋阻流槽8可以有效地阻碍水流在圆柱体4附近的运动，降低了圆周方向速度，从而起到减小尾水涡带的作用。

4）泄水锥3底部连接的圆柱体4及圆柱体4上的阻流槽8结构简单、材质坚硬，在水轮机运行过程中无需进行额外操作。与尾水管补气装置或其它漩涡抑制装置相比，设计方便且不易被水流破坏。

5）根据水轮机运行的各个工况，可以自由选择圆柱体4的安装拆卸状态，即可方便的满足水轮机在不同工况下的构造需求。因此，采用该转轮可改善水轮机运行的稳定性，扩大水轮机的安全运行范围与工况调节能力。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有抑制漩涡作用的水轮机转轮，包括上冠、下环和设置于所述上冠和下环之间的多个叶片；所述叶片呈圆周排布；所述叶片包括进水边和出水边；所述上冠的下端面固定一泄水锥；其特征在于，所述泄水锥的底部端面设置一圆柱体，所述圆柱体的直径与所述泄水锥的底部端面的直径相同。

2.根据权利要求1所述的具有抑制漩涡作用的水轮机转轮，其特征在于，所述圆柱体的外表面上开设阻流槽；所述阻流槽为螺旋线型。

3.根据权利要求2所述的具有抑制漩涡作用的水轮机转轮，其特征在于，所述阻流槽处水流旋转方向与叶片处水流旋转方向相反。

4.根据权利要求2所述的具有抑制漩涡作用的水轮机转轮，其特征在于，所述阻流槽起始于所述泄水锥的顶部，终止于所述泄水锥的底部；所述阻流槽的螺距相等。

5.根据权利要求2所述的具有抑制漩涡作用的水轮机转轮，其特征在于，所述阻流槽的横截面为圆弧形；所述圆弧半径与圆柱体直径的比值为0.05~0.2。

6.根据权利要求2所述的具有抑制漩涡作用的水轮机转轮，其特征在于，所述泄水锥的高度与圆柱体的高度的比值为1~2。

7.根据权利要求1所述的具有抑制漩涡作用的水轮机转轮，其特征在于，所述圆柱体可拆卸地安装在所述泄水锥上。

8.一种具有抑制漩涡作用的水轮机转轮的使用方法，基于权利要求3所述的具有抑制漩涡作用的水轮机转轮，其特征在于，包括以下步骤：

（1）判断所述水轮机转轮运行的环境；如是小流量工况，则执行步骤（2）；否则执行步骤（3）；

（2）小流量工况下，将所述圆柱体安装在所述泄水锥上，启动所述水轮机转轮，靠近上冠的水流由径向变为轴向，圆柱体上的阻流槽形成与叶片处水流旋转方向相反的反向旋流；

（3）大流量工况下，将圆柱体从泄水锥上卸下，然后启动所述水轮机转轮即可。

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