CN115929531A - 一种用于低负荷运行水轮机的新型尾水管整流收能装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于低负荷运行水轮机的新型尾水管整流收能装置，包括蜗壳，所述蜗壳内部分别连接有固定导叶、活动导叶和水轮机叶片；蜗壳后端连接尾水管，所述尾水管的直锥段内壁上设有若干个沟槽，尾水管的水平扩散段内部连接有导流板，导流板上设置有导流罩，导流罩内设置调节补气导流栅装置；所述调节补气导流栅装置包括中心轮毂体、导流栅叶片、固定直锥管和叶片调节机构，所述中心轮毂体的外周均匀分布有若干个导流栅叶片，导流栅叶片的外圈连接固定直锥管，固定直锥管的外部设置有叶片调节机构；所述尾水管的水平扩散段内部设置有机舱，机舱通过固定轴与尾水管相连，机舱上连接有能量回收装置叶片。

Description

一种用于低负荷运行水轮机的新型尾水管整流收能装置

技术领域

本发明涉及一种用于低负荷运行水轮机的新型尾水管整流收能装置，应用在水轮机整流收能技术领域。

背景技术

公知的，近年来我国电力需求增长，电力系统发展迅速，但电力系统存在负荷变动较大且较为频繁的问题，调节电力系统需要更多电站，因此抽水蓄能电站对于电网的调峰填谷、调频调相、事故备用等方面均具有重要作用。

尾水管是水轮机中重要的能量回收部件，其性能好坏直接决定水轮机机组的总效率。尾水管的工作效率和稳定性，主要取决于内部水流特性。通常情况下，尾水管内部水流运动十分复杂，不同方向上有不同的压力梯度，同时还伴有尾迹及流道中的“马蹄涡”和“削状涡”，流动有强烈的旋涡性，是非常复杂的三维非定常粘性流体运动，也不方便应用先进的技术设备模拟与检测。为了改变水流的这种旋涡，提高流动稳定性的效果。早在20世纪七八十年代，人们就开始了对沟槽表面湍流边界层的研究，重点关注的是沟槽表面的减阻特性及其机理。沟槽减阻是由其诱导产生的二次涡与流向涡相互作用，使低速流体保持在沟槽内，减小了高低速流体间动量交换的效率，从而使阻力减小。沟槽表面可以抑制相干结构的猝发过程，缩短相干结构喷射和扫掠的时间尺度，从而达到减阻效果。沟槽表面不仅使层流边界层区域增大，而且使层流转换为湍流的雷诺数约增大4倍，从而使平板边界层的阻力降低。

同时，在抽水蓄能电站中，为满足抽水、发电两种主要工况的运行，水泵水轮机需要正反旋转、频繁启停，因此水泵水轮机的运行工况复杂，尤其是在偏离额定工况较远时，转轮附近的流态紊乱，极易形成不稳定的旋涡引起机组的高频脉动，甚至产生叶片的空化空蚀、疲劳损伤以及机组的厂房振动等诸多问题，上述情况对应抽水蓄能机组的高效、安全稳定运行非常不利，尤其是近年来我国抽水蓄能机组的容量逐渐增大，对于机组的稳定性要求更高，亟需采取有效措施抑制上述不稳定因素。对于同类型问题，其他形式的水轮机通常采取主轴中心孔补气、顶盖补气、尾水管补气或是采用加长转轮泄水锥、在尾水管直锥段增设导流板等措施，但对于工况众多、变化频繁的水泵水轮机的作用十分有限。

有公告号为CN103982361B的发明专利公开了一种用于水轮机的尾水管，并具体公开了在尾水管的通道内设有前后两端开口的整流筒，以抑制偏心涡带的产生及影响。然而尾水管涡带首先出现位置靠近转轮出口，该装置所处位置只能对涡带末端涡流产生影响，且该装置需固定杆与尾水管壁面连接，一方面额外的部件加入增加了结构的复杂性，另一方面位于流场中的连接杆亦会对尾水管内流产生影响，对于第二种连接方式为连接杆固定于地面，增加了内流与外界的密封工作。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于低负荷运行水轮机的新型尾水管整流收能装置，通过对燃机辅机及电气、控制设备做单元式布置结构，有利于机组单元式建设，缩短建设周期。

本发明的技术方案如下：

一种用于低负荷运行水轮机的新型尾水管整流收能装置，包括蜗壳，所述蜗壳内部分别连接有固定导叶、活动导叶和水轮机叶片；蜗壳后端连接尾水管，所述尾水管的直锥段内壁上设有若干个沟槽，尾水管的水平扩散段内部连接有导流板，导流板上设置有导流罩，导流罩内设置调节补气导流栅装置；所述调节补气导流栅装置包括中心轮毂体、导流栅叶片、固定直锥管和叶片调节机构，所述中心轮毂体的外周均匀分布有若干个导流栅叶片，导流栅叶片的外圈连接固定直锥管，固定直锥管的外部设置有叶片调节机构；所述尾水管的水平扩散段内部设置有机舱，机舱通过固定轴与尾水管相连，机舱上连接有能量回收装置叶片。

所述沟槽为长方体结构的凹槽，沟槽均匀分布在尾水管直锥段的内壁面上；所述沟槽的宽度a与沟槽的深度h关系为a＝(1～2)*h，沟槽的长度与尾水管的直锥段长度相同。

所述尾水管进口的直锥段设置有压力传感器，所述活动导叶上设置有角位移传感器，所述尾水管的水平扩散段内部的主轴上设置有转速传感器，所述蜗壳内部设置有流量传感器，所述调节补气导流栅装置与控制系统电连接。

所述沟槽覆盖的周向比为整个圆周的50％，相邻两个沟槽之间的夹角为7.2°。

所述导流罩通过导流板固定在尾水管的水平扩散段内部，导流罩为喇叭型结构，导流罩起到收集水流，提高发电效率的作用。

所述固定轴内部中空结构，固定轴将能量回收装置叶片产生的扭矩传输到外部发电机中。

所述能量回收装置叶片共有三片，能量回收装置叶片具体为轴流式叶片。

所述中心轮毂体呈纺锤状结构，中心轮毂体的轴线与尾水管直锥段的中心线重合。

所述导流栅叶片包括翼型和轴段，导流栅叶片在径向方向上一端与中心轮毂体通过轴承连接，另一端的外缘与固定直锥管通过轴承相连，导流栅叶片在未连接叶片调节机构的状态下可沿其轴段中心线自由转动，导流栅叶片叶片的断面为NACA系列标准翼型。导流栅叶片能够有效引导尾水管水平扩散段处的水流，改善流态，并根据尾水管水平扩散段处压力状态适时补气，一方面可消除水轮机工况下转轮出口的流道旋涡，另一方面可在水泵工况下对转轮进口水流产生预旋，改善泵工况运行性能。

所述叶片调节机构包括操作臂、连接杆和控制环，控制环上均匀分布有若干个与导流栅叶片相适配的操作臂，操作臂通过连接杆与控制环传动连接。操作臂与导流栅叶片在固定直锥管外伸轴段配合固定，再由连接杆及控制环实现传动，进而调整导流栅叶片的开度。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过在尾水管的直追段设置沟槽，实现减阻效果，同时通过能量回收装置叶片的设置回收尾水管能量，从而提高水轮机效率。且该装置配有调节补气导流栅装置，在固定该带导流罩的轴流式能量回收装置的同时也能改善尾水管的流态，解决现有技术中水泵水轮机在偏离额定工况下，转轮附近水流流态紊乱，从而造成水轮机高频压力脉动、转轮疲劳损伤，不利于抽水蓄能机组的高效、安全稳定运行等技术问题。

2、本发明安装方便、维护经济、取材广泛，对不同水头、不同工况的水电机组都有改善其稳定性和提高效率的作用，提高整个水力发电机组运行的稳定性，延长了机组的寿命，减少了设备的维修次数，降低了水电系统的维护费用、节约了成本。同时，本发明提高了水的利用率，在资源日益短缺的今天有着重要的工程实际意义。

3、本发明将尾水管中损失的能量充分利用起来，提高了水轮机的发电效率，为抽水蓄能电站的水泵水轮机以及其他可逆式水轮机、常规水轮机改善流态的方式提供了一种新的方案，使不同负荷工况下的水泵水轮机转轮附近流道内的水流流态得到明显改善，尾水涡带消除效果显著，机组振动及转轮抗疲劳损伤性能得到大幅提升，并在水泵工况下对转轮进口水流产生预旋，改善流道内水流流态，提升水泵运行性能。

附图说明

图1为本发明的侧视结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图3为本发明的立体结构示意图；

图4为传统水轮机尾水管压力脉动频域图；

图5为本发明水轮机尾水管压力脉动频域图；

图6为本发明中调节补气导流栅装置的结构示意图；

图7为为本发明中导流栅叶片与叶片调节机构的连接结构示意图；

图8为本发明中导流栅叶片结构示意图；

图9为本发明中控制系统的工作流程图。

图中附图标记表示为：

1、蜗壳；2、固定导叶；3、活动导叶；4、水轮机叶片；5、沟槽；6、尾水管；7、导流板；8、导流罩；9、能量回收装置叶片；10、机舱；11、固定轴；12、中心轮毂体；13、导流栅叶片；14、固定直锥管；15、叶片调节机构；151、操作臂；152、连接杆；153、控制环；16、主轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。

参见图1至图9所述的一种用于低负荷运行水轮机的新型尾水管整流收能装置，包括蜗壳1，所述蜗壳1内部分别连接有固定导叶2、活动导叶3和水轮机叶片4；蜗壳1后端连接尾水管6，所述尾水管6的直锥段内壁上设有若干个沟槽5，尾水管6的水平扩散段内部连接有导流板7，导流板7上设置有导流罩8，导流罩8内设置调节补气导流栅装置；所述调节补气导流栅装置包括中心轮毂体12、导流栅叶片13、固定直锥管14和叶片调节机构15，所述中心轮毂体12的外周均匀分布有若干个导流栅叶片13，导流栅叶片13的外圈连接固定直锥管14，固定直锥管14的外部设置有叶片调节机构15；所述尾水管6的水平扩散段内部设置有机舱10，机舱10通过固定轴11与尾水管6相连，机舱10上连接有能量回收装置叶片9。

所述沟槽5为长方体结构的凹槽，沟槽5均匀分布在尾水管6直锥段的内壁面上；所述沟槽5的宽度a与沟槽5的深度h关系为a＝(1～2)*h，沟槽5的长度与尾水管6的直锥段长度相同。设定沟槽5的宽度为128mm，沟槽5的深度为100mm。在小流量工况下，尾水管6产生偏心涡带，沟槽5内的二次涡与偏心涡带相互作用，使低速流体保持在沟槽5内，从而达到消涡的效果。

所述尾水管6进口的直锥段设置有压力传感器，所述活动导叶3上设置有角位移传感器，所述尾水管6水平扩散段内部的主轴16上设置有转速传感器，主轴16与水轮机转轮通过销钉连接，所述蜗壳1内部设置有流量传感器，所述调节补气导流栅装置与控制系统电连接。

通过发现，在加装沟槽5之后，尾水管6涡带得到了很好的消除。在加装沟槽5之前，尾水管6直锥段存在螺旋强度较大的单螺旋涡带，有明显的偏心涡带，并且越往尾水管6下端涡带偏心距越大，形态极不稳定，而加装沟槽5之后，涡带基本上全部消除，仅剩尾水管6进口的极少量涡带，这说明在尾水管6直锥段加装沟槽5对尾水管6涡带的改善效果显著。

所述沟槽5覆盖的周向比为整个圆周的50％，相邻两个沟槽5之间的夹角为7.2°。

表1是对小流量工况下的水轮机效率进行了监测和计算，从表格中可以看到，在直锥段部分加装沟槽5，对机组效率的影响并不大，前后差值为0.62％，可以认为加装沟槽5对水轮机效率几乎没有影响，不会对正常的水轮机运行造成影响。

表1小流量工况下安装沟槽5前后水轮机的效率

图4、图5分别为小流量工况下，传统尾水管6和加沟槽5方案下尾水管6内各测点压力脉动的频域图，由加装沟槽5的频域图可以看出，尾水管6的主频是低频压力脉动，相应的频率约为1.56Hz，最大的压力脉动振幅为20.868kPa。在靠近转轮出口处的DT1处有较明显的次频，为40.6062Hz(13倍转频fn，即叶频)，但是在远一点的DT2-DT6处，压力脉动无明显的次频。在靠近出口的扩散段部分的监测点DT6，由于整流作用，压力脉动幅值相差不大，说明水流在此处已经基本恢复平顺。

表2是小流量工况下两种方案的尾水管6各测点对应的压力脉动最大幅值，结果表明，在安装了沟槽5之后，尾水管6的压力脉动振幅明显降低，压力脉动降低比率最大可达到71.59％，说明在加装沟槽5对降低尾水管6整体的压力脉动幅值有明显改善。

表2小流量工况下尾水管6涡带压力脉动幅值

所述导流罩8通过导流板7固定在尾水管6的水平扩散段内部，导流罩8为喇叭型结构，导流罩8起到收集水流，提高发电效率的作用。

所述固定轴11内部中空结构，固定轴11将能量回收装置叶片9产生的扭矩传输到外部发电机中。

所述能量回收装置叶片9共有三片，能量回收装置叶片9具体为轴流式叶片。尾水管6水流通过导流罩8，冲击叶片输出扭矩，扭矩通过齿轮传动，向上输出至外部的发电机中，从而进行发电。

所述中心轮毂体12呈纺锤状结构，中心轮毂体12的轴线与尾水管6直锥段的中心线重合。中心轮毂体12的内部设置有补气阀。

所述导流栅叶片13包括翼型和轴段，导流栅叶片13在径向方向上一端与中心轮毂体12通过轴承连接，另一端的外缘与固定直锥管14通过轴承相连，导流栅叶片13在未连接叶片调节机构15的状态下可沿其轴段中心线自由转动，导流栅叶片13叶片的断面为NACA系列标准翼型。导流栅叶片13能够有效引导尾水管6水平扩散段处的水流，改善流态，并根据尾水管6水平扩散段处压力状态适时补气，一方面可消除水轮机工况下转轮出口的流道旋涡，另一方面可在水泵工况下对转轮进口水流产生预旋，改善泵工况运行性能。

导流栅叶片13的具体翼型方程如下：

以中心轮毂体12轴线中心点为原点，以固定直锥管14上平面圆环内径为R，距原点0.13R断面型线的拟合曲线方程为：

y1＝-0.3189×x8+1.352×x7-2.364×x6+2.201×x5-1.176×x4+0.03649×x3-0.06496×x2+0.006606×x-0.01248；

y2＝0.3189×x8-1.352×x7+2.364×x6-2.201×x5+1.176×x4-0.03649×x3+0.06496×x2-0.006606×x+0.01252；

以中心轮毂体12轴线中心点为原点，以固定直锥管14上平面圆环内径为R，距原点0.5R断面型线的拟合曲线方程为：

y1＝-0.4345×x8+1.84×x7-3.209×x6+2.974×x5-1.579×x4+0.4853×x3-0.08634×x2+0.009392×x-0.009894；

y2＝0.5984×x8-2.542×x7+4.46×x6-4.174×x5+2.25×x4-0.7062×x3+0.1259×x2-0.0118×x-0.01503；

以中心轮毂体12轴线中心点为原点，以固定直锥管14上平面圆环内径为R，距原点0.95R断面型线的拟合曲线方程为：

y1＝-78.25×x8+329.6×x7-572.3×x6+528.5×x5-279.9×x4+85.99×x3-15.38×x2+1.704×x+0.01314；

y2＝59.25×x8-251.7×x7+439.8×x6-410.8×x5+221.7×x4-70.08×x3+12.76×x2-1.244×x-0.003579。

所述叶片调节机构15包括操作臂151、连接杆152和控制环153，控制环153上均匀分布有若干个与导流栅叶片13相适配的操作臂151，操作臂151通过连接杆152与控制环153传动连接。操作臂151与导流栅叶片13在固定直锥管14外伸轴段配合固定，再由连接杆152及控制环153实现传动，进而调整导流栅叶片13的开度。

所述控制系统包括实时气蚀监测、补气装置开关控制、参数趋势分析、智能预测分析、综合多维评价和自动报告生成几个模块，其中实时气蚀监测包括汽蚀系数监测和振动噪声监测两个模块。所述实时监测模块对机组当前的气蚀状态进行实时的监测和显示，将机组的各类数据以图表、数值和曲线等形式，由相应的监测页面直观的展现给用户。主要的实现功能包括：对当前运行的机组气蚀状态进行实时在线监测，分状态观测机组运行状况；观察报警和预警事件的数据，以此作为进一步分析诊断的依据。所述实时气蚀系数计算模块用于计算实时气蚀系数，对每小时的实时气蚀系数进行计算，并存入数据库。在存入数据库的同时，并且查询当前临界气蚀系数，得到预警指标。所述补气装置开关控制模块即在实时气蚀系数超过临界气蚀系数时，打开补气装置，对装置进行补气，当实时气蚀系数超过临界气蚀系数降低到某一固定值后关闭补气装置。所述气蚀噪声分析模块对于监测到得超声波信号，经过FFT变换后，对超声波信号进行时频分析，显示当电站气蚀系数达到临界气蚀系数时，超声波频率的声压变化情况。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于低负荷运行水轮机的新型尾水管整流收能装置，其特征在于：包括蜗壳(1)，所述蜗壳(1)内部分别连接有固定导叶(2)、活动导叶(3)和水轮机叶片(4)；蜗壳(1)后端连接尾水管(6)，所述尾水管(6)的直锥段内壁上设有若干个沟槽(5)，尾水管(6)的水平扩散段内部连接有导流板(7)，导流板(7)上设置有导流罩(8)，导流罩(8)内设置调节补气导流栅装置；所述调节补气导流栅装置包括中心轮毂体(12)、导流栅叶片(13)、固定直锥管(14)和叶片调节机构(15)，所述中心轮毂体(12)的外周均匀分布有若干个导流栅叶片(13)，导流栅叶片(13)的外圈连接固定直锥管(14)，固定直锥管(14)的外部设置有叶片调节机构(15)；所述尾水管(6)的水平扩散段内部设置有机舱(10)，机舱(10)通过固定轴(11)与尾水管(6)相连，机舱(10)上连接有能量回收装置叶片(9)。

2.如权利要求1所述的一种用于低负荷运行水轮机的新型尾水管整流收能装置，其特征在于：所述沟槽(5)为长方体结构的凹槽，沟槽(5)均匀分布在尾水管(6)直锥段的内壁面上；所述沟槽(5)的宽度a与沟槽(5)的深度h关系为a＝(1～2)h，沟槽(5)的长度与尾水管(6)的直锥段长度相同。

3.如权利要求1所述的一种用于低负荷运行水轮机的新型尾水管整流收能装置，其特征在于：所述尾水管(6)进口的直锥段设置有压力传感器，所述活动导叶(3)上设置有角位移传感器，所述尾水管(6)水平扩散段内部的主轴(16)上设置有转速传感器，所述蜗壳(1)内部设置有流量传感器，所述调节补气导流栅装置与控制系统电连接。

4.如权利要求2所述的一种用于低负荷运行水轮机的新型尾水管整流收能装置，其特征在于：所述沟槽(5)覆盖的周向比为整个圆周的50％，相邻两个沟槽(5)之间的夹角为7.2°。

5.如权利要求1所述的一种用于低负荷运行水轮机的新型尾水管整流收能装置，其特征在于：所述导流罩(8)通过导流板(7)固定在尾水管(6)的水平扩散段内部，导流罩(8)为喇叭型结构。

6.如权利要求1所述的一种用于低负荷运行水轮机的新型尾水管整流收能装置，其特征在于：所述固定轴(11)内部中空结构，固定轴(11)将能量回收装置叶片(9)产生的扭矩传输到外部发电机中。

7.如权利要求6所述的一种用于低负荷运行水轮机的新型尾水管整流收能装置，其特征在于：所述能量回收装置叶片(9)共有三片，能量回收装置叶片(9)具体为轴流式叶片。

8.如权利要求1所述的一种用于低负荷运行水轮机的新型尾水管整流收能装置，其特征在于：所述中心轮毂体(12)呈纺锤状结构，中心轮毂体(12)的轴线与尾水管(6)直锥段的中心线重合。

9.如权利要求1所述的一种用于低负荷运行水轮机的新型尾水管整流收能装置，其特征在于：所述导流栅叶片(13)包括翼型和轴段，导流栅叶片(13)在径向方向上一端与中心轮毂体(12)通过轴承连接，另一端的外缘与固定直锥管(14)通过轴承相连，导流栅叶片(13)在未连接叶片调节机构(15)的状态下可沿其轴段中心线自由转动，导流栅叶片(13)叶片的断面为NACA系列标准翼型。

10.如权利要求1所述的一种用于低负荷运行水轮机的新型尾水管整流收能装置，其特征在于：所述叶片调节机构(15)包括操作臂(151)、连接杆(152)和控制环(153)，控制环(153)上均匀分布有若干个与导流栅叶片(13)相适配的操作臂(151)，操作臂(151)通过连接杆(152)与控制环(153)传动连接。

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