CN111927672A - 一种利用圆筒组成的导流栅作抑涡装置的尾水管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开水轮机的一种利用圆筒组成的导流栅作抑涡装置的尾水管，包括一个轴向截面为锥形的直锥筒，直锥筒内部中间设置由圆筒、中间圆筒和内圆筒这三个圆筒组成的导流栅，外圆筒、中间圆筒和内圆筒由外而内依次有间隙地空套且不接触，三个圆筒具有相同的中心轴，该中心轴与直锥筒的中心轴共线，三个圆筒都通过支架固定连接直锥筒的内壁；外圆筒、中间圆筒、内圆筒的内径比为3:2:1，三个圆筒的轴向高度相同，上、下端面分别平齐；当水流从转轮出口进入直锥筒时，涡带运动到导流栅处，由于三层圆筒的存在，死水区被隔离开来，涡带无法向外围发展运动，部分偏心涡带被破坏，减小涡带偏心距，消除部分漩涡，从根源上减弱压力脉动。

Description

一种利用圆筒组成的导流栅作抑涡装置的尾水管
技术领域
本发明属于流体机械中的透平机械，涉及水轮机结构，具体是一种中比转速混流式水轮机的尾水管。
背景技术
水轮机是一种能够把水流的势能转变为机械能的动力机械，它以水流为动力带动其他机械工作。水轮机一般都会在转轮出口处设置尾水管，将从转轮流出的水流收集起来送入下游河道以及回收利用转轮出口水流的剩余能量。当水轮机偏离设计工况运行时，转轮出口速度可能产生圆周分量，引起尾水管内部中心压力低，四周压力高，尾水管中心区域形成一个死水区，中心部位的水流逆流而上形成逆向流，同时产生周期性偏心运动，形成有规律的螺旋形涡带，涡带的周期性摆动，会在尾水管壁某一固定点产生一个周期性变化的压力，从而造成严重的压力脉动现象，引起机组的振动，影响水轮机的平稳运行。工程上对于尾水管的压力脉动采用如下措施解决：
1）在尾水管内加导流结构，消除环流，以达到消除或减弱偏心涡带的目的；
2）在尾水管内设置补气装置，破坏尾水管的真空。但补气会引起某些不良现象，例如，在正常运行工况下，水轮机的出力会降低，有时转轮后面的压力脉动反而增大；
3）改进转轮出口结构，从而削弱压力脉动。但是该方法并不适用所有工况，且对水轮机整体运行影响较大。
目前，在尾水管内添加抑涡装置，能限制尾水管内旋涡的强度，降低尾水管的压力脉动，增加水轮机组在非额定工况下运行的稳定性与安全性，减少水轮机组的维护成本，同时对于水轮机的整体效率并没有很大的影响。例如中国发明专利申请号为2019104063290的文献中公开了一种具有椭圆和正六边形网格的直锥形尾水管，其主要是通过分流筒分隔主流区与死水区，通过椭圆和正六边形网格的分流片破碎尾水管内壁面的涡带，以到达降低尾水管压力脉动的目的。但由于其分流片的结构与布置形式，使得过流断面面积较小，主流区局部流体流速变低，易产生回流。除此之外，内嵌分流片的设计，当分流片与分流筒出现破损的情况，不易进行拆卸更换。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提出一种能削弱压力脉动、保持水轮机稳定运行的利用圆筒组成的导流翼栅作抑涡装置的直锥型尾水管，拥有较大的过流面积，对主流区产生较小的影响，同时减弱死水区的环流，降低死水区的环流，即减弱涡带的强度。
本发明采用的技术方案是：包括一个轴向截面为锥形的直锥筒，直锥筒上端是进口，下端是出口，直锥筒内部中间设置由圆筒、中间圆筒和内圆筒这三个圆筒组成的导流栅，外圆筒、中间圆筒和内圆筒由外而内依次有间隙地空套且不接触，三个圆筒具有相同的中心轴，该中心轴与直锥筒的中心轴共线，三个圆筒都通过支架固定连接直锥筒的内壁。
外圆筒、中间圆筒、内圆筒的内径比为3:2:1，三个圆筒的轴向高度相同，上、下端面分别平齐，三个圆筒的上、下端面与直锥筒的上端面平行。
支架水平径向布置的实心长圆柱体，其外端固定连接直锥筒的内壁，内端依次固定穿过外圆筒和中间圆筒与内圆筒的外壁固定连接；在轴向上，支架连接于导流栅的中间位置。
进口的直径D 1等于水轮机转轮出口直径D，直锥筒的轴向高度L 1=（3.5～5）D 1，出口的直径D 3=0.78 L 1，导流栅的轴向高度L 2=（0.08～0.18）L 1，导流栅的下端面与直锥筒上端面的距离L 3=（4.5～6）L 2。
内圆筒9的内径D 4=0.35 D 1。
本发明的有益效果：本发明在直锥筒内设置由三个圆筒组成的导流栅，当水流从转轮出口进入直锥筒时，涡带运动到导流栅处，由于三层圆筒的存在，死水区被隔离开来，得不到能量补充，则涡带无法向外围发展运动，即被圆筒限制拘束在中心区域，同时部分偏心涡带被破坏，减小了涡带偏心距，消除了部分漩涡，从而消减了涡的强度，达到了从根源上减弱压力脉动的目的。使水流运行更稳定，增大水轮机转轮持续做功的时间，降低整个水轮机组的发生共振现象的可能性，使得整个水轮机组能够高效稳定安全的运行。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
图1为本发明的主视结构剖视图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1的A-A剖视放大图；
图4为尾水管涡带形成路线图；
图5为尾水管压力脉动原理图。
图6为尾水管消除压力脉动原理图；
图中：1-进口，2-法兰结构，3-直锥筒，4-导流栅，5-支架，6-出口，7-外圆筒，8-中间圆筒，9-内圆筒，10-连接通孔。
具体实施方式
参见图1、2、3所示，本发明包括一个直锥筒3，直锥筒3的轴向截面为锥形，其上端是锥形小端，其下端是锥形大端，上端是进口1，下端是出口6，直锥筒3从进口1到出口6上下贯通。在进口1的边缘向四周突出法兰结构2，法兰结构2上沿圆周方向均匀开有八个连接通孔10，通过连接通孔10将直锥筒3和水轮机的转轮出口固定连接，转轮出口和直锥筒3相通。
直锥筒3内部中间设置导流栅4，导流栅4中心轴与直锥筒3的中心轴共线。导流栅4由三个圆筒组成，三个圆筒分别是外圆筒7、中间圆筒8和内圆筒9，外圆筒7、中间圆筒8和内圆筒9沿着直径方向由外向内布置，并且具有相同的中心轴，该中心轴与直锥筒3的中心轴共线。外圆筒7、中间圆筒8和内圆筒9由外而内依次有间隙地空套，并且不接触。外圆筒7的内壁和中间圆筒8的外壁之间留有距离，中间圆筒8的内壁和内圆筒9的外壁之间留有距离。三个圆筒具有一定的轴向高度，并且轴向高度相同，上端面都平齐，下端也都平齐，与直锥筒3的上端面保持平行。三个圆筒组成的导流栅4距离直锥筒3的上端面有一定距离，保证导流栅4完全容纳在直锥筒3内。三个圆筒的壁厚完全相同，外圆筒7、中间圆筒8和内圆筒9的内径比为3:2:1。
三个圆筒都通过共同的支架5固定连接直锥筒3的内壁，支架5水平径向布置，支架5的外端固定连接直锥筒3的内壁，支架5的内端依次固定穿过外圆筒7和中间圆筒8与内圆筒9的外壁固定连接，支架5同时与外圆筒7和中间圆筒8也固定连接，使整个导流栅4固定在直锥筒3内部。支架共有6根，沿圆周方向均匀布置，彼此之间的夹角为60°，支架5的轴心线与导流栅4的上下端面保持平行，且每个支架5的延长线都与导流栅4的中心轴相交。
直锥筒3的进口1的直径D 1等于水轮机转轮出口的直径D，即D 1= D。直锥筒3的轴向高度L 1=（3.5～5）D 1，直锥筒3的出口6的直径D 3=0.78 L 1。导流栅4的轴向高度，也就是外圆筒7、中间圆筒8和内圆筒9的轴向高度L 2=（0.08～0.18）L 1，导流栅4的下端面与直锥筒3的上端面的距离，也就是外圆筒7、中间圆筒8和内圆筒9的下端面与直锥筒3的上端面的距离L 3=（4.5～6）L 2。
导流栅4中的最小的内圆筒9的内径D 4=0.35 D 1，中间圆筒8的内径D 5=2 D 4，外圆筒7的内径D 6=3D 4。三个圆筒的壁厚均为t 1=（0.2～0.25）L 2。
法兰结构2的外径D 2=2.45 D 1，其轴向厚度t 2=（0.2～0.28）D 1。法兰结构2上开的八个连接通孔10的中心在同一个圆周上，该同一个圆的直径D 7=2 D 1。每个连接通孔10的直径都是D 8=（0.17～0.19）D 1，且取标准直径。直锥筒3的侧壁厚度t 3=（0.25～0.4）t 2
支架5是实心的长圆柱体结构，其直径D 9=（0.27～0.33）L 2。在轴向上，支架5连接于导流栅4的中间位置, 即支架5的轴心线距离导流栅4的上、下端面的距离都为1/2 L 2。
在水轮机偏离设计工况运行时，水轮机转轮出口进入尾水管内的水流往往带有一定的速度环量，引起直锥筒3内部的中心压力低，四周压力高，易产生涡带，如图4所示为涡带的形成路线。如图5所示，涡带进行偏心距为e的偏心运动，会产生较大的压力脉动，引起机组的振动，造成不好的影响。本发明在直锥筒3内设置由三个圆筒组成的导流栅4，当水流从转轮出口进入直锥筒3时，涡带运动到导流栅4处，图4所示涡带将向直锥筒3内壁发展运动，但由于圆筒壁的存在，处于图4中心部位的死水区从主流区获得能量的通道被阻断，涡带无法进一步往外发展，涡带被限制在直锥筒3的中心区域内运动，涡带运动的偏心距变为e，e′＜e，即减小了涡带偏心距，降低了涡带强度，达到了从根源上减弱压力脉动的目的，使水流运行更稳定，增大水轮机转轮持续做功的时间，降低整个水轮机组的发生共振现象的可能性，使得整个水轮机组能够高效稳定安全的运行。

Claims (7)

1.一种利用圆筒组成的导流栅作抑涡装置的尾水管，包括一个轴向截面为锥形的直锥筒（3），直锥筒（3）上端是进口1，下端是出口（6），其特征是：直锥筒（3）内部中间设置由圆筒（7）、中间圆筒（8）和内圆筒（9）这三个圆筒组成的导流栅（4），外圆筒（7）、中间圆筒（8）和内圆筒（9）由外而内依次有间隙地空套且不接触，三个圆筒具有相同的中心轴，该中心轴与直锥筒（3）的中心轴共线，三个圆筒都通过支架（5）固定连接直锥筒（3）的内壁。
2.根据权利要求1所述的一种利用圆筒组成的导流栅作抑涡装置的尾水管，其特征是：外圆筒（7）、中间圆筒（8）、内圆筒（9）的内径比为3:2:1，三个圆筒的轴向高度相同，上、下端面分别平齐，三个圆筒的上、下端面与直锥筒（3）的上端面平行。
3.根据权利要求1所述的一种利用圆筒组成的导流栅作抑涡装置的尾水管，其特征是：支架（5）水平径向布置的实心长圆柱体，其外端固定连接直锥筒（3）的内壁，内端依次固定穿过外圆筒（7）和中间圆筒（8）与内圆筒（9）的外壁固定连接；在轴向上，支架（5）连接于导流栅（4）的中间位置。
4.根据权利要求2所述的一种利用圆筒组成的导流栅作抑涡装置的尾水管，其特征是：进口（1）的直径D 1等于水轮机转轮出口直径D，直锥筒（3）的轴向高度L 1=（3.5～5）D 1，出口（6）的直径D 3=0.78 L 1，导流栅（4）的轴向高度L 2=（0.08～0.18）L 1，导流栅（4）的下端面与直锥筒（3）上端面的距离L 3=（4.5～6）L 2。
5.根据权利要求5所述的一种利用圆筒组成的导流栅作抑涡装置的尾水管，其特征是：内圆筒（9）的内径D 4=0.35 D 1。
6.根据权利要求3所述的一种利用圆筒组成的导流栅作抑涡装置的尾水管，其特征是：支架（5）的直径D 9=（0.27～0.33）L 2。
7.根据权利要求1所述的一种利用圆筒组成的导流栅作抑涡装置的尾水管，其特征是：进口（1）的边缘向四周突出法兰结构（2），法兰结构2的外径D 2=2.45 D 1，其轴向厚度t 2=（0.2～0.28）D 1，D 1是进口（1）的直径。
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