CN114876694A - 适用于混流式水轮机的可主动调控的双活动导叶装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于混流式水轮机的可主动调控的双活动导叶装置，包括若干个主活动导叶、若干个副活动导叶和主活动导叶、副活动导叶的控制操纵系统。本发明双活动导叶装置在长时间偏工况运行下，可通过合理地、小范围地调节副活动导叶开度，改变转轮进口水流方向使其更接近于无撞击入流，进而改善转轮内部水流流动状态，同时可一定程度地减小活动导叶产生的流动分离与脱流等流动不稳定性，减小叶道涡与卡门涡产生概率，一定程度地减小压力脉动和空化的发生概率，达到提高偏工况运行效率和机组偏工况运行安全稳定性的目的。
Description
技术领域
本发明属于水力机械辅助设备技术领域，具体涉及一种适用于混流式水轮机的可主动调控的双活动导叶装置。
背景技术
随着我国对能源需求的不断增长和环境的日益恶化，发展清洁能源发电成为必然趋势，而水力发电量相比于风电、光伏发电、核电等其他清洁能源的发电量占比更高，除此之外，水电可以灵活快速地进行调峰调频和调能储能，保证了电网运行的安全稳定及废弃电能的回收利用。水力发电利用水流的势能与动能推动水轮机转动而将水能转化为机械能，再带动同轴的发电机转子转动而切割磁感线形成电能。混流式水轮机具有应用范围大、运行可靠、效率高等优点而最广泛地应用于水电站。
混流式水轮机主要由金属蜗壳、座环、导水机构、转轮和尾水管组成，其中导水机构主要作用是通过调节活动导叶开度来调节水轮机流量，按照电力负荷需求的功率形成与改变进入转轮水流的速度矩。转轮主要由上冠、下环、叶片、泄水锥和止漏环组成，水流依次流经蜗壳、固定导叶、活动导叶后径向地流入转轮，有压水流在转轮空间曲面型叶片的约束下不断改变流速大小和方向，水流对叶片产生反作用力并形成旋转力矩驱动转轮旋转做功。
水轮机在最优工况下效率最高，但是为适应负荷变化需求经常需要在偏工况下运行，此时水力损失将会大大增加而造成效率下降。水力损失主要取决于转轮进口水流的撞击损失和转轮出口的尾水涡带损失，活动导叶及转轮叶片表面的流动分离和脱流也对水力损失有很大贡献。除此之外，在导叶表面形成脱流会在导叶尾部形成尾流，一定工况下会造成叶道涡和较大的压力脉动的产生，使转轮叶片产生振动与裂纹，在某特定工况下，活动导叶尾部还会产生交叉排列的卡门涡列，对导叶产生激振与裂纹，对流场产生更大的压力脉动和流动不稳定。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于混流式水轮机的可主动调控的双活动导叶装置，可在活动导叶灵活控制流量的基础上提高偏工况下混流式水轮机的工作效率，减少活动导叶表面与转轮内部的流动不稳定性，增强机组偏工况运行的安全稳定性。
本发明所采用的技术方案是：
适用于混流式水轮机的可主动调控的双活动导叶装置，包括若干个主活动导叶，主活动导叶立面呈“L”型，主活动导叶“L”型短边的内侧设置有副活动导叶安装桩，副活动导叶安装桩连接副活动导叶，副活动导叶整体呈翼型，副活动导叶头部为半圆形，在副活动导叶的一侧短边处设置有副活动导叶安装孔，副活动导叶安装桩插入副活动导叶安装孔，主活动导叶连接主活动导叶控制操纵系统，副活动导叶连接副活动导叶控制操纵系统。
本发明的特点还在于：
副活动导叶的头部与主活动导叶接触，主活动导叶和副活动导叶接触处的曲面之间平滑过渡，副活动导叶的头部设置有相间45度的3个卡槽，卡槽处设置有半圆形的副活动导叶头部立面橡胶密封，副活动导叶头部立面橡胶密封半圆形的两侧分别相切于主活动导叶尾部和副活动导叶头部，副活动导叶与主活动导叶接触的短边处设有副活动导叶下端面橡胶密封。
主活动导叶的上部和下部分别设置有主活动导叶上转轴和主活动导叶下转轴，副活动导叶的上部设置有副活动导叶上转轴，副活动导叶安装桩、副活动导叶安装孔和副活动导叶上转轴的轴线均与副活动导叶翼型截面的质心重合，主活动导叶上转轴和主活动导叶下转轴的轴线均与整体活动导叶截面的质心重合。
主活动导叶控制操纵系统包括底环，主活动导叶下转轴置于底环内，主活动导叶上转轴通过主活动导叶传动机构与主活动导叶控制环上的耳环连接，主活动导叶控制环上固定有主活动导叶连接杆支座，主活动导叶连接杆支座通过主活动导叶连接杆与主活动导叶接力器连接。
副活动导叶控制操纵系统包括副活动导叶传动机构，副活动导叶上转轴通过副活动导叶传动机构连接副活动导叶控制环，副活动导叶控制环通过均匀分布的若干根副活动导叶控制环立柱与副活动导叶上顶环连接，副活动导叶上顶环连接副活动导叶连接杆支座，副活动导叶连接杆支座通过副活动导叶推拉杆与副活动导叶接力器连接。
副活动导叶传动机构和副活动导叶控制环的高度均低于主活动导叶传动机构和主活动导叶控制环的高度，副活动导叶控制环的半径小于主活动导叶控制环的半径，副活动导叶上顶环高度高于主活动导叶控制环的高度，副活动导叶上顶环的半径小于主活动导叶控制环的半径。
副活动导叶传动机构包括副活动导叶导叶臂，副活动导叶导叶臂通过副活动导叶半分键与副活动导叶上转轴固定，副活动导叶连接板套在副活动导叶导叶臂上，副活动导叶剪断销将副活动导叶连接板和副活动导叶导叶臂连接在一起，副活动导叶连接板通过副活动导叶传动连接螺栓与副活动导叶传动连杆连接，副活动导叶传动连杆再通过另一端的副活动导叶传动连接螺栓与副活动导叶控制环连接，上下两根副活动导叶传动连杆均匀地设有若干根副活动导叶传动连杆连接柱。
本发明的有益效果是：本发明的双活动导叶装置设置了主副两个活动导叶，两个活动导叶可相互配合工作。在混流式水轮机偏工况运行下，通过合理控制副活动导叶开度，在改变转轮进口水流方向的情况下，仍可达到无撞击入流，改善转轮内部水流流动状态，同时可一定程度地减少活动导叶产生的流动分离与脱流，减小一定工况下的叶道涡与卡门涡产生概率，一定程度地减小压力脉动和空化的发生概率。本发明的双活动导叶装置通过调节主活动导叶开度来调节水轮机流量大小，通过合理地、小范围地调节副活动导叶开度可提高偏工况运行的效率，增强机组偏工况运行的安全稳定性。
附图说明
图1是本发明双活动导叶装置中主活动导叶和副活动导叶的结构示意图；
图2是本发明双活动导叶装置中主活动导叶和副活动导叶的连接处示意详图；
图3是本发明双活动导叶装置的结构示意图；
图4是本发明双活动导叶装置的立视图；
图5是本发明双活动导叶装置的俯视图。
图中，1.主活动导叶，2.副活动导叶，3.副活动导叶下端面橡胶密封，4.副活动导叶安装桩，5.副活动导叶头部立面橡胶密封，6.副活动导叶安装孔，7.主活动导叶上转轴，8.副活动导叶上转轴，9.主活动导叶下转轴，10.主活动导叶传动机构，11.副活动导叶传动机构，12.副活动导叶控制环，13.副活动导叶控制环立柱，14.副活动导叶上顶环，15.副活动导叶推拉杆，16.副活动导叶接力器，17.底环，18.副活动导叶推拉杆支座，19.主活动导叶推拉杆支座，20.主活动导叶控制环，21.主活动导叶推拉杆，22.主活动导叶接力器，23.副活动导叶导叶臂，24.副活动导叶调节螺钉，25.副活动导叶半分键，26.副活动导叶剪断销，27.副活动导叶连接板，28.副活动导叶传动连接螺栓，29.副活动导叶传动连杆，30.副活动导叶传动连杆连接柱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的适用于混流式水轮机的可主动调控的双活动导叶装置，包括若干个主活动导叶1、若干个副活动导叶2和主活动导叶1的控制操纵系统、副活动导叶2的控制操纵系统。主活动导叶1和副活动导叶2分别采用各自的径向式导水机构控制，即可分别利用各自的调速器、推拉杆、控制环和导叶传动机构来控制导叶转动。
如图1和图2所示，主活动导叶1立面呈“L”型，“L”型短边的内侧设置有副活动导叶安装桩4，副活动导叶2整体呈翼型，其头部为半圆形，在副活动导叶2的一侧短边处设置有副活动导叶安装孔6，副活动导叶安装桩4插入副活动导叶安装孔6内，副活动导叶安装桩4设有耐摩擦套且具有半球形头部，以便于在旋转过程中减小摩擦。
为实现活动导叶控制水轮机流量大小及开启停机，在本实施例中，设置主活动导叶1“L”型短边的高度为主活动导叶1高度的0.05倍，主活动导叶1“L”型长边的长度为整体活动导叶弦长的0.75倍。
主活动导叶1和副活动导叶2整体呈流线型的翼型，二者接触处的曲面之间平滑过渡，副活动导叶2的头部与主活动导叶1接触，副活动导叶2的头部设置有相间45度的3个卡槽，卡槽处设置有半圆形的副活动导叶头部立面橡胶密封5，以达到减少泄漏、减少导叶转动时直接的金属摩擦的目的，副活动导叶头部立面橡胶密封5半圆形的两侧分别相切于主活动导叶1尾部和副活动导叶2头部，副活动导叶2与主活动导叶1接触的短边处设有副活动导叶下端面橡胶密封3。
主活动导叶1的上部和下部分别设置有主活动导叶上转轴7和主活动导叶下转轴9，副活动导叶2的上部设置有副活动导叶上转轴8，副活动导叶安装桩4、副活动导叶安装孔6和副活动导叶上转轴8的轴线均与副活动导叶2翼型截面的质心重合，主活动导叶上转轴7和主活动导叶下转轴9的轴线均与整体活动导叶截面的质心重合。
如图3所示，主活动导叶控制操纵系统包括底环17，主活动导叶下转轴9置于底环17内，主活动导叶上转轴7通过主活动导叶传动机构10与主活动导叶控制环20上的耳环连接，其连接方式为螺栓连接，主活动导叶控制环20上固定有主活动导叶连接杆支座19，主活动导叶连接杆支座19通过主活动导叶连接杆21与主活动导叶接力器22连接。
副活动导叶控制操纵系统包括副活动导叶传动机构11，副活动导叶上转轴8通过副活动导叶传动机构11连接副活动导叶控制环12，其连接方式为螺栓连接，副活动导叶控制环12通过均匀分布的8根副活动导叶控制环立柱13与副活动导叶上顶环14连接，副活动导叶上顶环14连接副活动导叶连接杆支座18，副活动导叶连接杆支座18设置有2个，2个副活动导叶连接杆支座18对称地固定于副活动导叶上顶环14上，副活动导叶连接杆支座18通过副活动导叶推拉杆15与副活动导叶接力器16连接。调速器控制油压装置使接力器中的油压活塞移动，通过固定于副活动导叶上顶环14的副活动导叶推拉杆15带动副活动导叶上顶环14转动，副活动导叶上顶环14带动副活动导叶控制环12转动，再通过副活动导叶传动机构11使副活动导叶开度随之变化。
如图4所示，为了使主活动导叶控制操纵系统与副活动导叶操纵系统可以相互协调且独立地运行，且副活动导叶推拉杆15不从主副活动导叶传动机构中间穿过而影响其运行，副活动导叶传动机构11和副活动导叶控制环12的高度均低于主活动导叶传动机构10和主活动导叶控制环20的高度，副活动导叶控制环12的半径小于主活动导叶控制环20的半径，副活动导叶上顶环14高度高于主活动导叶控制环20的高度，副活动导叶上顶环14的半径小于主活动导叶控制环20的半径。
副活动导叶传动机构11包括副活动导叶导叶臂23、副活动导叶调节螺钉24、副活动导叶半分键25、副活动导叶剪断销26、副活动导叶连接板27、副活动导叶传动连接螺栓28、副活动导叶传动连杆29和副活动导叶传动连杆连接柱30。由传递操作力矩的副活动导叶半分键25将副活动导叶导叶臂23固定到副活动导叶上转轴8上，副活动导叶连接板27套在副活动导叶导叶臂23上，用有薄弱断面的保安装置副活动导叶剪断销26将副活动导叶连接板27和副活动导叶导叶臂23连接在一起，副活动导叶连接板27通过副活动导叶传动连接螺栓28与副活动导叶传动连杆29连接，副活动导叶传动连杆29再通过另一端的副活动导叶传动连接螺栓28与副活动导叶控制环12连接，上下2根副活动导叶传动连杆29均匀地设有3根副活动导叶传动连杆连接柱30。
如图5所示，本发明双活动导叶装置中的主活动导叶1和副活动导叶2均设置了24个，24个主活动导叶1和副活动导叶2均匀分布，2根平行布置的主活动导叶推拉杆21和2根平行布置的副活动导叶推拉杆15相对布置，合理地同时使主活动导叶推拉杆21和副活动导叶推拉杆15拉伸收缩，即可以操纵主副活动导叶同时开启或关闭。
本发明适用于混流式水轮机的可主动调控的双活动导叶装置的工作过程如下：
在实现开启、关闭或改变进水流量大小时，要求主活动导叶1和副活动导叶2开度同时变化，就像一个整体导叶一样。要达到这样的效果，需要同时操控主副活动导叶各自的调速器，控制各自的油压系统，推动主活动导叶推力器22和副活动导叶推力器16内的油压活塞移动，分别控制主活动导叶推拉杆21和副活动导叶推拉杆15拉伸或收缩，使主活动导叶控制环20和副活动导叶控制环12同方向旋转，继而分别通过主活动导叶传动机构10和副活动导叶传动机构11实现主活动导叶1和副活动导叶2同步绕各自的轴旋转。
在偏工况下稳定运行时，主活动导叶1开度不变，调节副活动导叶2的开度。副活动导叶2的调速器控制油压装置使副活动导叶接力器16中的油压活塞移动，通过副活动导叶推拉杆15带动副活动导叶上顶环14转动，副活动导叶上顶环14与副活动导叶控制环12通过8根均匀相间的副活动导叶控制环立柱13固定连接，这样带动副活动导叶控制环12转动，再通过副活动导叶传动机构11使副活动导叶2开度随之变化。
通过以上方式，本发明适用于混流式水轮机的可主动调控的双活动导叶装置，既可以在变工况时通过同时调节主活动导叶和副活动导叶开度来调节水轮机流量大小，又可以在稳工况时通过单独调节副活动导叶开度来提高偏工况运行的效率，并增强机组偏工况运行的安全稳定性。
Claims (7)
1.适用于混流式水轮机的可主动调控的双活动导叶装置，其特征在于，包括若干个主活动导叶(1)，所述主活动导叶(1)立面呈“L”型，所述主活动导叶(1)“L”型短边的内侧设置有副活动导叶安装桩(4)，所述副活动导叶安装桩(4)连接副活动导叶(2)，所述副活动导叶(2)整体呈翼型，所述副活动导叶(2)头部为半圆形，在所述副活动导叶(2)的一侧短边处设置有副活动导叶安装孔(6)，所述副活动导叶安装桩(4)插入所述副活动导叶安装孔(6)，所述主活动导叶(1)连接主活动导叶控制操纵系统，所述副活动导叶(2)连接副活动导叶控制操纵系统。
2.根据权利要求1所述的适用于混流式水轮机的可主动调控的双活动导叶装置，其特征在于，所述副活动导叶(2)的头部与所述主活动导叶(1)接触，所述主活动导叶(1)和所述副活动导叶(2)接触处的曲面之间平滑过渡，所述副活动导叶(2)的头部设置有相间45度的3个卡槽，所述卡槽处设置有半圆形的副活动导叶头部立面橡胶密封(5)，所述副活动导叶头部立面橡胶密封(5)半圆形的两侧分别相切于所述主活动导叶(1)尾部和所述副活动导叶(2)头部，所述副活动导叶(2)与所述主活动导叶(1)接触的短边处设有副活动导叶下端面橡胶密封(3)。
3.根据权利要求1所述的适用于混流式水轮机的可主动调控的双活动导叶装置，其特征在于，所述主活动导叶(1)的上部和下部分别设置有主活动导叶上转轴(7)和主活动导叶下转轴(9)，所述副活动导叶(2)的上部设置有副活动导叶上转轴(8)，所述副活动导叶安装桩(4)、副活动导叶安装孔(6)和副活动导叶上转轴(8)的轴线均与副活动导叶(2)翼型截面的质心重合，所述主活动导叶上转轴(7)和主活动导叶下转轴(9)的轴线均与整体活动导叶截面的质心重合。
4.根据权利要求3所述的适用于混流式水轮机的可主动调控的双活动导叶装置，其特征在于，所述主活动导叶控制操纵系统包括底环(17)，所述主活动导叶下转轴(9)置于所述底环(17)内，所述主活动导叶上转轴(7)通过主活动导叶传动机构(10)与主活动导叶控制环(20)上的耳环连接，所述主活动导叶控制环(20)上固定有主活动导叶连接杆支座(19)，所述主活动导叶连接杆支座(19)通过主活动导叶连接杆(21)与主活动导叶接力器(22)连接。
5.根据权利要求3所述的适用于混流式水轮机的可主动调控的双活动导叶装置，其特征在于，所述副活动导叶控制操纵系统包括副活动导叶传动机构(11)，所述副活动导叶上转轴(8)通过所述副活动导叶传动机构(11)连接副活动导叶控制环(12)，所述副活动导叶控制环(12)通过均匀分布的若干根副活动导叶控制环立柱(13)与副活动导叶上顶环(14)连接，所述副活动导叶上顶环(14)连接副活动导叶连接杆支座(18)，所述副活动导叶连接杆支座(18)通过副活动导叶推拉杆(15)与副活动导叶接力器(16)连接。
6.根据权利要求5所述的适用于混流式水轮机的可主动调控的双活动导叶装置，其特征在于，所述副活动导叶传动机构(11)和所述副活动导叶控制环(12)的高度均低于所述主活动导叶传动机构(10)和所述主活动导叶控制环(20)的高度，所述副活动导叶控制环(12)的半径小于所述主活动导叶控制环(20)的半径，所述副活动导叶上顶环(14)高度高于所述主活动导叶控制环(20)的高度，所述副活动导叶上顶环(14)的半径小于所述主活动导叶控制环(20)的半径。
7.根据权利要求5所述的适用于混流式水轮机的可主动调控的双活动导叶装置，其特征在于，所述副活动导叶传动机构(11)包括副活动导叶导叶臂(23)，所述副活动导叶导叶臂(23)通过副活动导叶半分键(25)与所述副活动导叶上转轴(8)固定，副活动导叶连接板(27)套在所述副活动导叶导叶臂(23)上，副活动导叶剪断销(26)将所述副活动导叶连接板(27)和所述副活动导叶导叶臂(23)连接在一起，所述副活动导叶连接板(27)通过副活动导叶传动连接螺栓(28)与副活动导叶传动连杆(29)连接，所述副活动导叶传动连杆(29)再通过另一端的副活动导叶传动连接螺栓(28)与所述副活动导叶控制环(12)连接，上下两根副活动导叶传动连杆(29)均匀地设有若干根副活动导叶传动连杆连接柱(30)。
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2022
- 2022-06-10 CN CN202210652257.XA patent/CN114876694B/zh active Active
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