CN111927674A - 利用三个正六边形通槽组成的导流栅作抑涡装置的尾水管 - Google Patents

利用三个正六边形通槽组成的导流栅作抑涡装置的尾水管 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种与水轮机转轮出口相连接的利用三个正六边形通槽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上下贯通的直锥筒，直锥筒内部中间位置设置由三个横截面呈正六边形的通槽组成的导流栅，导流栅中心轴与直锥筒的中心轴共线，三个通槽沿圆周方向均匀布置，每个通槽由六个槽壁围成，相邻两个通槽共有相同的一个槽壁，三个共有槽壁沿直径方向布置，三个通槽都共有相同的一个顶角，该共有顶角在导流栅的中心轴上，共有顶角的中心轴与导流栅中心轴共线；当水流通过导流栅时，涡带因为导流栅的阻隔无法进一步向尾水管壁发展，导流栅破碎一部分涡带，减少涡带的偏心距且降低涡带的强度，从而减弱涡带造成的压力脉动现象。

Description

利用三个正六边形通槽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，是一种高比转速混流式水轮机，具体是与水轮机的转轮出口相连接的尾水管结构。
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，属于流体机械中的透平机械。一般的水轮机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一般采用如下措施解决：
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。然而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，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，大大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201910402573.X的文献中公开的一种具有圆形和椭圆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，分流筒内部含有带圆形和椭圆形网格的圆盘形分流片，通过圆形和椭圆形网格来破碎涡带，以到达降低尾水管压力脉动的目的，但是这种尾水管存在的问题是：由于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，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
本发明为了克服上述现有技术的不足，提供一种利用三个正六边形通槽组成的导流栅作抑涡装置的尾水管，增加对中心部位死水区的控制，抑制环流运动，并且具有更加稳定的结构。
本发明采用以下技术方案实现上述目的：包括一个轴向截面为锥形的上下贯通的直锥筒，上端是锥形小端且是进口，下端是锥形大端且是出口，直锥筒内部中间位置设置由三个横截面呈正六边形的通槽组成的导流栅，导流栅中心轴与直锥筒的中心轴共线，三个通槽沿圆周方向均匀布置，每个通槽由六个槽壁围成，相邻两个通槽共有相同的一个槽壁，三个共有槽壁沿直径方向布置，三个通槽都共有相同的一个顶角，该共有顶角在导流栅的中心轴上，共有顶角的中心轴与导流栅中心轴共线，
导流栅和直锥筒的内壁之间固定连接三个长支架和三个短支架。每个长支架的外端固定连接直锥筒的内壁，内端固定连接一个共有槽壁的外端处，和共有槽壁在相同的直径方向上；每个短支架的外端固定连接直锥筒的内壁，内端固定连接最靠近直锥筒内壁的一个通槽的顶角处，短支架沿直径方向布置。
三个通槽的槽壁厚度相同。导流栅的下端面与直锥筒上端面平行。
进口直径D 1和水轮机转轮直径D相等，直锥筒的轴向高度L 1=（3.5～5）D 1，出口直径D 3=0.78 L 1，导流栅的轴向高度L 2=（0.08～0.2）L 1，导流栅的下端面与直锥筒上端面的轴向距离L 3=（4.5～6）L 2。
所述的三个通槽的边长L 4=0.22 D 1，三个通槽槽壁厚度t 1=（0.2～0.25）L 2。
本发明的有益效果为：尾水管内部中心压力低，四周压力低，易产生涡带，因此本发明在涡带的初始形成部位稍下的位置设置了三个正六边形通槽组成的导流栅， 当水流通过导流栅时，涡带因为导流栅的阻隔无法进一步向尾水管壁发展，同时导流栅也破碎了一部分涡带，减少了涡带的偏心距并且大大降低了涡带的强度，从而减弱了涡带造成的压力脉动现象，由于类似蜂窝状的结构，导流栅在大流量的工况下具有较好的稳定性，整体提高机组的运行稳定性。
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为本发明结构主视剖视图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1中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-长支架，6-出口，7-短支架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作详细的说明，
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，其下端是出口6，上端是进口1，直锥筒3从进口1至出口6上下贯通。上端进口1处设置法兰结构2，法兰结构2上沿圆周方向均匀布置八个连接通孔，通过法兰结构2的八个连接通孔将直锥筒3与上端是进口1与水轮机的转轮出口固定连接在一起，直锥筒3的与转轮出口相连通。
直锥筒3内部中间位置设置导流栅4，如图3，导流栅4由三个横截面呈正六边形的通槽组成，三个通槽的结构完全相同。导流栅4中心轴与直锥筒3的中心轴共线，导流栅4具有一定的轴向高度，并且距离直锥筒3上端面有一定距离，保证导流栅4完全容纳在直锥筒3内，导流栅4与直锥筒3的内壁之间不接触，留有一定距离。
组成导流栅4的三个横截面呈正六边形的通槽呈“品”字状分布，沿圆周方向均匀布置，每个通槽由六个槽壁围成，相邻两个通槽共有相同的一个槽壁，这样就有三个共有槽壁，这三个共有槽壁沿直径方向布置。三个通槽都共有相同的一个顶角，该共有顶角在导流栅4的中心上，共有顶角的中心轴与导流栅4中心轴共线，即该共有顶角也是所述的三个共有槽壁的在内端共接处，三个共有槽壁的内端在导流栅4中心处相接，使三个通槽连接成一体。
导流栅4的所有壁厚皆相同，也就是三个通槽的槽壁厚度相同。导流栅4的下端面与直锥筒3上端面保持平行。
导流栅4和直锥筒3的内壁之间固定连接三个长支架5和三个短支架7。每个长支架5的外端固定连接直锥筒3的内壁，内端固定连接一个共有槽壁的外端处，和共有槽壁在相同的直径方向上，形成共有槽壁向外延伸的支架。每个短支架7的外端固定连接直锥筒3的内壁，内端固定连接最靠近直锥筒3内壁的一个通槽的顶角处，短支架7也沿直径方向布置。这样，三个长支架5和三个短支架7沿圆周方向交错地均匀布置，每两个长支架5之间是一个短支架7，两者相差60°。长支架5与短支架7皆为圆柱体状，截面直径相同，位于同一水平面上且所有长支架5与短支架7的中心延长线都经过导流栅4的中心轴线。
直锥筒3的进口1直径D 1和水轮机转轮直径D相等，D 1=D。直锥筒3的轴向高度为L 1，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L 2=（0.08～0.2）L 1。导流栅4的下端面与直锥筒3上端面的轴向距离为L 3，L 3=（4.5～6）L 2。
导流栅4的三个通槽的边长都为L 4，L 4=0.22 D 1。三个通槽槽壁厚度都为t 1，t 1=（0.2～0.25）L 2。
法兰结构2的外径D 2=2.45 D 1，法兰结构2的轴向厚度t 2=（0.2～0.28）D 1。法兰结构2上沿圆周方向均匀布置的八个连接通孔的中心在同一个圆上，该同一个圆的直径为D 5，D 5=2 D 1，连接通孔的直径为D 6，D 6=（0.17～0.19）D 1，且取标准直径。直锥筒3的侧壁厚度为t 3，t 3=（0.25～0.4）t 2。
长支架5和短支架7的圆柱体状截面直径均为D 4，D 4=（0.27～0.33）L 2。在轴向上，长支架5和短支架7连接于导流栅4的中间位置，即长支架5和短支架7的轴心线所处的水平面距离导流栅4下端面的距离为1/2
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
导流栅4整体采用铸造成型，导流栅4与直锥筒3的内壁之间的长支架5和短支架7采用焊接方式连接。
在水轮机偏离设计工况运行时，转轮出口进入直锥筒3内的水流往往带有一定的速度环量，引起直锥筒3内部中心压力低，四周压力高，易产生涡带，如图5所示，不加入任何抑涡装置，涡带将进行偏心距为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。在直锥筒3内设置导流栅4，涡带在发展的起始阶段运动到导流栅4处，如图4所示，涡带原本将向直锥筒3内壁发展运动，此时被导流栅4阻隔，位于图5中心部位的死水区与主流区分离，涡带无法进一步往外发展，被限制在导流栅4内，此时涡带运动的偏心距变为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，e′＜e，如图6所示，即减小了涡带偏心距，降低了涡带强度，导流栅4的结构大大减弱了环流，因此由环流引起的中心部位的负压降低，逆向流减弱，空化现象也得到了改善，涡爆裂以及涡带偏心运动造成的影响都减弱，同时在高比转速水轮机的大流量工况下，导流栅4类似蜂窝状的结构在承受涡带的运动时，具有更好的稳定性，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 (8)

1.一种利用三个正六边形通槽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上下贯通的直锥筒（3），上端是锥形小端且是进口（1），下端是锥形大端且是出口（6），其特征是：直锥筒（3）内部中间位置设置由三个横截面呈正六边形的通槽组成的导流栅（4），导流栅（4）中心轴与直锥筒（3）的中心轴共线，三个通槽沿圆周方向均匀布置，每个通槽由六个槽壁围成，相邻两个通槽共有相同的一个槽壁，三个共有槽壁沿直径方向布置，三个通槽都共有相同的一个顶角，该共有顶角在导流栅（4）的中心轴上，共有顶角的中心轴与导流栅（4）中心轴共线。
2.根据权利要求1所述的利用三个正六边形通槽组成的导流栅作抑涡装置的尾水管，其特征是：导流栅（4）和直锥筒（3）的内壁之间固定连接三个长支架（5）和三个短支架（7），每个长支架（5）的外端固定连接直锥筒（3）的内壁，内端固定连接一个共有槽壁的外端处，和共有槽壁在相同的直径方向上；每个短支架（7）的外端固定连接直锥筒（3）的内壁，内端固定连接最靠近直锥筒（3）内壁的一个通槽的顶角处，短支架（7）沿直径方向布置。
3.根据权利要求2所述的利用三个正六边形通槽组成的导流栅作抑涡装置的尾水管，其特征是：长支架（5）与短支架（7）皆为圆柱体状，截面直径相同，位于同一水平面上。
4.根据权利要求1所述的利用三个正六边形通槽组成的导流栅作抑涡装置的尾水管，其特征是：三个通槽的槽壁厚度相同,导流栅（4）的下端面与直锥筒（3）上端面平行。
5.根据权利要求1所述的利用三个正六边形通槽组成的导流栅作抑涡装置的尾水管，其特征是：进口（1）直径D 1和水轮机转轮直径D相等，直锥筒（3）的轴向高度L 1=（3.5～5）D 1，出口（6）直径D 3=0.78 L 1，导流栅（4）的轴向高度L 2=（0.08～0.2）L 1，导流栅（4）的下端面与直锥筒（3）上端面的轴向距离L 3=（4.5～6）L 2。
6.根据权利要求5所述的利用三个正六边形通槽组成的导流栅作抑涡装置的尾水管，其特征是：所述的三个通槽的边长L 4=0.22 D 1，三个通槽槽壁厚度t 1=（0.2～0.25）L 2。
7.根据权利要求3所述的利用三个正六边形通槽组成的导流栅作抑涡装置的尾水管，其特征是：长支架（5）和短支架（7）的圆柱体状截面直径D 4=（0.27～0.33）L 2，L 2是导流栅（4）的轴向高度。
8.根据权利要求7所述的利用三个正六边形通槽组成的导流栅作抑涡装置的尾水管，其特征是：在轴向上，长支架（5）和短支架（7）连接于导流栅（4）的中间位置。
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