CN111859581A - 一种冲击式水轮机叉管设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种冲击式水轮机叉管设计方法，在保证叉管外侧型线不变基础上，利用六个圆形截面生成五个圆锥段，五个圆锥段共同组成叉管，叉管内侧弯肘处型线利用四段直线近似圆弧形状。本发明所述的叉管设计方法，可使叉管弯肘处型线更加光顺，水流流动更加顺畅，降低叉管内水流的湍流动能和水力损失，保证射流质量和机组性能。

Description

一种冲击式水轮机叉管设计方法
技术领域
本发明涉及冲击式水轮机，尤其涉及一种冲击式水轮机叉管设计方法。
背景技术
冲击式水轮机的高效稳定运行需要依靠高质量的射流保证，射流质量的好坏关系到机组的运行效率和稳定性。射流质量下降将会造成机组振动噪声，并缩短冲击式转轮的使用寿命。而影响冲击式水轮机射流质量的关键因素就是叉管，叉管将管路中的水流进行分配，使每个直流喷管获得近乎相同的流量，同时叉管还会影响水流的湍流动能和水力损失。湍流动能则直接影响射流质量，叉管水力损失则影响整个机组的效率。在原型机设计过程中由于叉管的直径比较大，通常采用钢板折弯成型后焊接的工艺，为便于成型加工需要保证叉管各个截面均为圆形。有鉴于此，有必要开发一种既能方便成型焊接，又能降低叉管水力损失和湍流动能的设计方法。
如图1所示为常规冲击式水轮机叉管设计型线图，由第一圆、第二圆、第三圆、第四圆为基础，分别作第二圆与第一圆、第三圆、第四圆的公切线，第三公切线的延长线和第六公切线的延长线交于第一点，第四公切线和第五公切线交于第二点；第一公切线的延长线和第四公切线的延长线交于第三点，第二公切线和第三公切线交于第四点；第二公切线的延长线和第五公切线的延长线交于第五点，第一公切线和第六公切线交于第六点；第一点和第二点的连线、第三点和第四点的连线、第五点和第六点的连线共同交于第七点；以第一圆的圆心和第二圆的圆心连线为旋转轴，以第一公切线为边旋转的圆锥被过第六点、第七点且垂直于视图方向的平面和过第四点、第七点且垂直于视图方向的平面切割后形成图3所示的第一圆锥。以第四圆的圆心和第二圆的圆心连线为旋转轴，以第六公切线为边旋转的圆锥被过第六点、第七点且垂直于视图方向的平面和过第二点、第七点且垂直于视图方向的平面切割后形成图3所示的第三圆锥。以第三圆的圆心和第二圆的圆心连线为旋转轴，以第三公切线为边旋转的圆锥被过第四点、第七点且垂直于视图方向的平面和过第二点、第七点且垂直于视图方向的平面切割后形成图3所示的第二圆锥。如图3所示，第一圆锥、第三圆锥、第二圆锥共同组成常规叉管。
此方法生成的叉管由三段圆锥管段组成，在原型机设计时将理论型线增加板厚折弯后再焊接成型。由于叉管仅由三段圆锥管路组成，在图1中第四点附近所示的弯肘处常产生回流、湍动能增加的现象，水力损失也会较大，这必将导致射流质量下降、机组效率降低，同时也会导致机组振动和噪声的发生。
发明内容
本发明针对上述问题公开一种冲击式水轮机叉管设计方法。本发明的技术方案具体描述如下：第五圆与第一圆和第二圆的第一公切线相切，第五圆的半径小于第一圆的半径；第一圆的圆心和第五圆的圆心连线为旋转轴，第九公切线为边旋转得到第四圆锥；第六圆与第三圆和第二圆的第四公切线相切，第六圆和第二圆的第七公切线与第六圆和第三圆的第八公切线相交于第八点，第八点偏向管路内侧；第六公切线的延长线和第七公切线的延长线交于第九点，第四公切线和第五公切线交于第二点；第一公切线的延长线和第四公切线的延长线交于第三点，第七公切线和第十公切线相交于第十点；第一公切线和第六公切线相交于第十一点，第十公切线的延长线和第五公切线的延长线交于第十二点，第九点和第二点的连线、第三点和第十点的连线，第十一点和第十二点的连线共同交于第十三点；第五圆的圆心和第二圆的圆心连线为旋转轴，第十公切线为边旋转的圆锥被过第十一点、第十三点且垂直于视图方向的平面和过第十点、第十三点且垂直于视图方向的平面切割后得到第五圆锥；第四圆的圆心和第二圆的圆心连线为旋转轴，第六公切线为边旋转的圆锥被过第十一点、第十三点且垂直于视图方向的平面和过第二点、第十三点且垂直于视图方向的平面切割后得到第八圆锥；以第六圆的圆心和第二圆的圆心连线为旋转轴，以第七公切线为边旋转的圆锥被过第二点、第十三点且垂直于视图方向的平面和过第十点、第十三点且垂直于视图方向的平面切割后得到第六圆锥；以第三圆的圆心和第六圆的圆心连线为旋转轴，第八公切线为边旋转的圆锥被过第二点、第十三点且垂直于视图方向的平面切割后得到第七圆锥；第四圆锥、第五圆锥、第六圆锥、第七圆锥、第八圆锥组成叉管。
本发明的有益技术效果是：
1.叉管外侧水流流态好，在保证叉管外侧型线不变的基础上，将影响叉管性能的内侧弯肘处型线由两段变成四段，使叉管内流道近似圆弧，水流在此处流动顺畅，降低了叉管内水流的湍流动能和水力损失，保证射流质量，延长转轮使用寿命。
2.在不改变叉管成型方法的基础上，将叉管由三段圆锥变成五段圆锥，缩短了圆锥成型的长度，使圆锥成型更加容易。
3.在不改变叉管成型方法的基础上，将叉管由三段圆锥变成五段圆锥，缩短了每段圆锥成型的长度，更利于保证圆锥成型精度，保证机组性能。
附图说明
图1为常规冲击式水轮机叉管设计型线图
图2为本发明公开的冲击式水轮机叉管设计型线图
图3为常规冲击式水轮机叉管最终型线图
图4为本发明公开的冲击式水轮机叉管最终型线图
具体实施方式
如图2所示，一种冲击式水轮机叉管设计方法，设计过程如下：作第一圆1和第二圆2的第一公切线5，第五圆18与第一圆1和第二圆2的第一公切线5相切，第五圆18的半径小于第一圆1的半径；以第一圆1的圆心和第五圆18的圆心连线为旋转轴，第九公切线22为边旋转得到图4所示的第四圆锥32。第六圆19与第三圆3和第二圆2的第四公切线8相切，第六圆19和第二圆2的第七公切线20与第六圆19和第三圆3的第八公切线21相交于第八点22，第八点22偏向管路内侧。分别作第二圆2与第五圆18、第四圆4、第六圆19的公切线，第六公切线10的延长线和第七公切线20的延长线交于第九点23，第四公切线8和第五公切线9交于第二点12；第一公切线5的延长线和第四公切线8的延长线交于第三点13，第七公切线20和第十公切线25相交于第十点24；第一公切线5和第六公切线10相交于第十一点26，第十公切线25的延长线和第五公切线9的延长线交于第十二点27，第九点23和第二点12的连线、第三点13和第十点24的连线，第十一点26和第十二点27的连线共同交于第十三点28。以第五圆18的圆心和第二圆2的圆心连线为旋转轴，以第十公切线25为边旋转的圆锥被过第十一点26、第十三点28且垂直于视图方向的平面和过第十点24、第十三点28且垂直于视图方向的平面切割后形成图3所示的第五圆锥33。以第四圆4的圆心和第二圆2的圆心连线为旋转轴，以第六公切线10为边旋转的圆锥被过第十一点26、第十三点28且垂直于视图方向的平面和过第二点12、第十三点28且垂直于视图方向的平面切割后形成图3所示的第八圆锥36。以第六圆19的圆心和第二圆2的圆心连线为旋转轴，以第七公切线20为边旋转的圆锥被过第二点12、第十三点28且垂直于视图方向的平面和过第十点24、第十三点28且垂直于视图方向的平面切割后形成图3所示的第六圆锥34。以第三圆3的圆心和第六圆19的圆心连线为旋转轴，第八公切线21为边旋转的圆锥被过第二点12、第十三点28且垂直于视图方向的平面切割后形成图3所示的第七圆锥35。如图4所示，第四圆锥32、第五圆锥33、第六圆锥34、第七圆锥35、第八圆锥36共同组成本发明公开的叉管。
本发明公开的叉管由五段圆锥组成，水流从第四圆锥32流入，第七圆锥35和第八圆锥36流出，本发明公开的叉管弯肘处型线顺畅，降低了叉管内水流的湍流动能和水力损失，保证射流质量和机组的整体性能；同时，各段形状均为圆锥形状，可以很方便的弯折成型，便于加工装配。
上述虽然结合附图对本发明的基本原理和主要特征进行了描述。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种冲击式水轮机叉管设计方法，其特征是，包括如下步骤：
1)作第一圆(1)和第二圆(2)的第一公切线(5)，第五圆(18)与第一圆(1)和第二圆(2)的第一公切线(5)相切，第五圆(18)的半径小于第一圆(1)的半径；以第一圆(1)的圆心和第五圆(18)的圆心连线为旋转轴，第九公切线(22)为边旋转得到第四圆锥(32)；
2)第六圆(19)与第三圆(3)和第二圆(2)的第四公切线(8)相切，第六圆(19)和第二圆(2)的第七公切线(20)与第六圆(19)和第三圆(3)的第八公切线(21)交于第八点(22)，第八点(22)偏向管路内侧；
3)分别作第二圆(2)与第五圆(18)、第四圆(4)、第六圆(19)的公切线，第六公切线(10)的延长线和第七公切线(20)的延长线交于第九点(23)，第四公切线(8)和第五公切线(9)交于第二点(12)；
4)第一公切线(5)的延长线和第四公切线(8)的延长线交于第三点(13)，第七公切线(20)和第十公切线(25)交于第十点(24)；第一公切线(5)和第六公切线(10)交于第十一点(26)，第十公切线(25)的延长线和第五公切线(9)的延长线交于第十二点(27)，第九点(23)和第二点(12)的连线、第三点(13)和第十点(24)的连线，第十一点(26)和第十二点(27)的连线共同交于第十三点(28)；
5)以第五圆(18)的圆心和第二圆(2)的圆心连线为旋转轴，以第十公切线(25)为边旋转的圆锥被经过第十一点(26)、第十三点(28)且垂直于视图方向的平面和经过第十点(24)、第十三点(28)且垂直于视图方向的平面切割后形成第五圆锥(33)；
6)以第四圆(4)的圆心和第二圆(2)的圆心连线为旋转轴，以第六公切线(10)为边旋转的圆锥被经过第十一点(26)、第十三点(28)且垂直于视图方向的平面和经过第二点(12)、第十三点(28)且垂直于视图方向的平面切割后形成第八圆锥(36)；
7)以第六圆(19)的圆心和第二圆(2)的圆心连线为旋转轴，以第七公切线(20)为边旋转的圆锥被经过第二点(12)、第十三点(28)且垂直于视图方向的平面和经过第十点(24)、第十三点(28)且垂直于视图方向的平面切割后形成第六圆锥(34)；
8)以第三圆(3)的圆心和第六圆(19)的圆心连线为旋转轴，第八公切线(21)为边旋转的圆锥被经过第二点(12)、第十三点(28)且垂直于视图方向的平面切割后形成第七圆锥(35)；
9)第四圆锥(32)、第五圆锥(33)、第六圆锥(34)、第七圆锥(35)、第八圆锥(36)组成叉管，水流从第四圆锥(32)流入，从第七圆锥(35)和第八圆锥(36)流出。
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