用于减小在水力涡轮机或水泵或水泵涡轮机的尾水管里的压力波动的方法和装置

摘要

本发明涉及一种水力涡轮机或水泵或水泵涡轮机，具有：一转轮，该转轮包括多个涡轮叶片以及一轮毂；一外壳，该外壳具有一用于调节转轮里的水流的导向装置；一尾水管，用于引导从转轮里流出的水；该尾水管具有一进入扩散器。本发明的水轮机或泵或泵涡轮的特征在于：在尾水管里设置有一延长的排挤体，该排挤体的上游端位于转轮的轮毂部位置。

说明书

本发明涉及一种涡轮机或者泵或者泵涡轮机，尤其涉及这种涡轮机的尾水管，其用于将水从涡轮里向尾水方向排出。本发明主要涉及混流式(弗兰西斯式)机器，但也考虑了转桨式水轮机。

对于混流式涡轮机这样的水轮机的效率和尽可能扩展的工作范围都提出了越来越高的要求，希望其可以应用在从部分负载到过载状态的不同的水流量的情况下，并且希望该涡轮机在所有的载荷范围下均可无振动地运转而同时达到尽可能高的效率。

混流式水轮机可通过调整导叶而适应于不同的工作条件。但尤其在部分载荷下会出现不稳定的流动情况，这引起了机器上的强烈振动。如果部件的固有频率与该振动一致的话，那么尤其可能产生材料损坏的后果。水轮机振动的另一种不利后果首先对于大型水轮机来说会在电网上引起振动。通过发电机将同步扰动接入到了电网中并且在那里以不希望的电压波动的形式出现。因此水轮机的运行范围受到了不利的限制。因此在水轮机加速时必须特别迅速地通过不佳的部分载荷范围并避免连续运行。此外，还对导水系统产生了一种不希望的负面影响。

当混流式水轮机处于最佳运行状态时，水从进水蜗形室沿轴向对称地流入转轮里，在那里由导叶换向，使之沿轴向流入尾水管里并在那里排出至尾水。在这种理想运行的情况下，尾水管里的水流无旋流。但是当水轮机处于最佳运行外时，就不再有这种转轮之后的无旋流流动了。已知在尾水管里的流体的旋转分量和机器振动之间有因果方面的关系。为了稳定尾水管的水流并抑制旋流，根据当前的背景技术沿着尾水管设有导向板。这种导向板可以设计成飞边，它沿轴向设置。这种结构会抑制尾水管的旋流，但缺点是降低了效率。

为了解决这个问题已经开发过可移动的导向板，其可以根据流动状况而装入和移出。导向板的另一种结构是平行于尾水管的壁面设置，因此通过稳定在导向板和尾水管壁方向的水流而防止了水流区域的分离。这种结构与如前所述的飞边状构造一样也减小了水轮机的能量效率。另外，这种固定的或者可变的结构使水轮机制造和维护的费用增大了，因而是一个与成本相关的因素。

另外一种减少在部分负载的条件下旋流及其影响的解决办法是将空气或水输入至不稳定水流里。已知有以下设计原理：其中将空气从尾水管壁或者转轮轴吹入到尾水管或者转轮里。

这种思想的进一步发展为在尾水管周围设置一个部分装有水和空气的腔室，该腔室通过尾水管壁上的开孔与尾水管里的水流接触。通过这种接触就使空气和水根据尾水管水流中的压力状况而流入和流出。这种用于控制旋流的解决办法也相应有结构费用高的问题，因为除了附加的压力腔室之外还必须装有一用于调节周围腔室的空气压力的调节装置。

本发明的目的在于，提出一种用于混流式水轮机的尾水管，其相对于背景技术来说具有很大的优点，尤其是尾水管能使在部分负载条件下由于带旋流的水流而出现的压力波动的影响最小化。该目的通过权利要求1所述的尾水管来实现。

发明人已经获知：当一个混流水轮机在部分负载下运行时在转轮后面就形成一个复回流区。在这个区域和主水流之间的过渡层的特点是速度梯度大。Kelvin-Helmholtz(开尔文—赫姆豪茨)型式的液力不稳定性导致形成尾涡，其由于水流整体旋转而具有一旋转分量。这种旋转的尾涡导致一种旋转的压力，该压力在尾水管的弯管部位引起沿轴向作用的力并造成相应的压力波动，该压力波动同样也作用在轴向上并因此作用于涡轮的方向上。此外，这种轴向的压力波动可与螺旋形的尾涡相结合，导致在弯管壁部的边界层分离，这种分离还另外加强了在轴向方向上作用的压力波动的影响。这说明了尾水管里的压力波动的产生与转轮的旋转频率有关。

随机的压力波动的另一个组成部分是这样形成的：通过螺旋形的尾涡产生一压力低于汽压力的局部压力区，这导致形成气蚀泡。这种气蚀泡破裂时就产生附加的应力脉冲。

根据本发明，在尾水管里布置一个延长的排挤体(derverdrngungskrper)(或称排水体)。其上游端位于转轮的轮毂部内。

排挤体可以是旋转对称的，例如圆柱形的。该排挤体也可以是锥体形的，可在流动方向上扩大或者缩小。其布局设计应使其外表面由波动的水围住。其纵向轴线一般与尾水管的纵轴线重合。

可以有许多变种方案。排挤体可以是转轮轮毂的一个连续段并因此与轮毂一体形成。但是它也可以以一个最小间距连接至轮毂上。这二者之间的间距只需是几个毫米，例如1、2、3、5mm。也可以考虑10至50mm。

另一种解决办法就是使轮毂在水流方向上看比通常的更长些，例如双倍或三倍或五倍，从而使它形成排挤体的一部分。另外一部分则沿水流方向布置。该另外的部分是一个独立的构件，它因此与加长的轮毂不是一个整体，所以也不旋转。

如果排挤体是与轮毂分开的独立构件的话，那么当然必须将其固定在尾水管之内。一种这样的固定可以通过垂直于流动方向布置并紧固在尾水管的壁中的杆来实现。这些杆可以沿径向布置。

一种感兴趣的解决方案在于：排挤体的上游端支承在转轮的轮毂上，因而还会使排挤体位置保持稳定。

本发明既可以应用于直的尾水管，也可以用于弯的尾水管。在弯曲的尾水管的情况下，通过将排挤体固定在尾水管上的弯曲部位或者固定在其基底上可以实现对其的附加支承。

以下根据附图对本发明以及技术背景进行详细的说明。图中所示为：

图1：一种混流式水轮机的轴向剖视图；

图2：形成尾涡的水流数值模拟；

图3：尾水管扩散器的典型的结构；

图3a和3b：具有第一种结构的排挤体的弯曲的尾水管扩散器；

图4：具有第二种结构的排挤体的弯曲尾水管扩散器；

图5：具有另一种结构的排挤体的直尾水管扩散器；

图6：具有类似于图3a和图3b中的一种排挤体的弯曲尾水管扩散器；

图7：具有类似于图4a和图4b中的一种排挤体的弯曲尾水管扩散器；

图8：具有一仅固定在尾水管弯管上的排挤体的弯曲尾水管扩散器。

图1所示的混流式水轮机构造如下：

转轮1包括多个导叶1.1。它可以围绕一个转轮轴线1.2旋转。

转轮1由一个蜗壳2环绕，在转轮1前面接有导叶3的一个凸缘。

水轮机包括一尾水管4(das Saugrohr)(或者称为吸入管)。该管包括有一具有轴线4.1.1的进入扩散器4.1(或称扩压器)、与该进入扩散器相连接的弯曲管4.2以及与该弯曲管连接的吸水箱4.3。可参见在进入扩散器4.1和弯管4.2之间的理想分隔平面I以及在弯管4.2和吸水箱4.3之间的分隔平面II。

进入扩散器4.1可设计为相对于转轮轴线1.2是非对称的。为此有许多种方案。进入扩散器4.1的轴线4.1.1可以相对于转轮轴线1.2偏置。进入扩散器的轴线4.1.1可以是弯曲的。进入扩散器4.1的圆周壁可以在一侧相对于转轮轴线1.2鼓起。进入扩散器4.1的横断面可以是非圆形的例如椭圆形的。

从图中可以看出根据本发明的排挤体5。它与转轮1的轮毂一体形成。它一定程度上是轮毂在流动方向上的延长段。因此它与转轮1一起回转。

图2示出了在一混流式水轮机在局部负载的工作区里的一流动数值模拟图。图中示出了尾水管中水流的速度分布图，形成有一螺旋形尾涡。这种螺旋形尾涡在弯管部位里由于能量耗散而消失。在这个过程中由于尾涡的旋转压力场而产生压力波动，这种压力波动在轴向方向上一直延续至水轮机。这种不稳定的流动状态是水轮机上与转动频率有关的振动的原因。

图3a和3b示出了具有典型结构的扩散器的尾水管的上部的结构。通常为径向对称的形状，其具有直的扩散器轴线，具有圆形横断面，该扩散器轴线与转轮轴线方向一致。

图4示出了根据本发明的扩散器的改变设计。其中横断面设计成非圆形的。扩散器的轴线相对于转轮轴线倾斜或者移动了。此外该轴线弯曲了。对称的特点仅局限于尾水管的入口区域中。这个称为扩散器的部分在弯管的过渡段处结束，在这弯管处输出水流从垂直方向向水平方向转变。

图5示出随时间变化的压力波动。图中示出了与根据本发明的非对称结构相比较传统锥形结构的扩散器的压力波动。可以看出非对称结构的压力波动值相对于对称结构压力波动值来说是降低了。二个振动曲线示出了与转轮的旋转频率同步的振动以及通过随机的振动或较高频率的附加的叠加，即基本频率的谐振。

所示的尾水管扩散器用于转桨涡轮机。图中只示出了转轮的轮毂1.3。根据本发明的排挤体5直接与该轮毂1.3在其上游端5.1连接。间距可小于1mm。它也可以为几个毫米，例如1至5mm。也可以考虑10至20mm。

排挤体5通过杆固定在尾水管扩散器4.1的壁上。图中共示出三根杆6.1、6.2、6.3。这些杆径向布置。杆6.3和一个位于其后面，此处未示出的杆相对于杆6.1，6.2在流动方向上有偏移。

在该实施形式中，排挤体5并不与转轮一起旋转，而是固定的。

可见排挤体作成锥体状或棒状(尾部逐渐增加)。这就是说，其直径在流动方向上扩大了。参见图3b的剖视图。

排挤体也可进行改变的设计。其上游的端面5.1同样也可以很好地支承在轮毂1.3上。端面5.1和轮毂1.3的外表面因此可以形成一对相配支承面。这有助于排挤体5的刚性和位置固定。在这种情况下转轮轴承应设计得强度更高些。

图4a和4b的实施形式中示出了弯曲的尾水管扩散器。根据本发明的排挤体5此时具有更大的长度。它从水轮机如转浆式水轮机的转轮(此处未示出)一直延伸到弯管4.2的壁。在那里将排挤体5固定。一般还需要另外一种或者通过杆如杆6.1，6.2和6.3或者通过转轮轮毂上的轴承实现的固定。

如果排挤体与转轮1的轮毂1.3一体设计的话，那么它随该转轮而旋转，但是它还可以支承在尾水管4上。所述的杆6.1，6.2，6.3可以例如对其进行旋转支承。

根据图4a和4b的实施例中也可以考虑在弯管4.2的部位有这样一种旋转的支承。

排挤体5的上游端按一种榴弹末端的样式来设计。它也可以是倒圆的。