一种抑制水轮机尾水管空化涡带的射流槽结构

摘要

本发明涉及水轮机技术领域，涉及一种抑制水轮机尾水管空化涡带的射流槽结构。射流槽结构为在水轮机的尾水管锥管段内壁上沿圆周方向均匀布置射流槽，射流槽的长度方向平行于尾水管锥管段的母线，射流槽垂直于尾水管锥管段轴线的断面形状为矩形。射流槽结构利用尾水管锥管段内的逆压梯度产生微射流，微射流与尾水管锥管段内主流混合，减小尾水管空化涡带的周向速度和强度，抑制水轮机尾水管内的空化涡带的发展，提高了水轮机运行的稳定性，并且微射流对尾水管锥管段内主流影响有限，对水轮机运行效率的影响非常小。本发明的射流槽结构简单，易加工和制造，适用于任何类型的水轮机。

说明书

技术领域

本发明涉及水轮机技术领域，特别涉及一种抑制水轮机尾水管空化涡 带的射流槽结构。

背景技术

作为清洁可再生能源，水电一直受到世界各国的高度重视。2008年， 世界瞩目的三峡工程26台700MW发电机组全部投产，标志着中国水电建 设步入了崭新的时期。截止至2011年，我国已投产的大中型水电机组 500余台之多。

20世纪90年代之前，人们往往对水力机械的能量特性更为关注。近年 来，随着机组向大型化发展，特别是机组的能量特性和空化特性达到 一个新的高度后，目前对机组稳定性的要求与日俱增。近年来，我国 投产运行的一些大型水电机组出现了不同程度的振动和裂纹等与水力 不稳定性有关的现象，如岩滩、李家峡、二滩、五强溪、隔河岩、小 浪底、大潮山等均出现了不同程度的水力机组振动问题，导致叶片断 裂，尾水管管壁撕裂，有的甚至引起厂房等建筑物发生共振，危及电 站的安全运行。

模型试验和现场观测表明，水力机组的振动来自流道中的非定常旋涡 以及旋涡引起的结构振动。水轮机在部分负荷小流量工况下，会在转 轮出口和尾水管的进口管段出现与转轮转向相同的正向偏心涡带，该 涡带通常会发生空化形成空化涡带；而在大流量工况下，也会在尾水 管断面的中央出现频率较高的负向公转涡带，在高水头大容量时引起 机组振动。尾水管中的非定常空化涡带是水 轮机组稳定运行的一个重要的因素。

关于尾水管中尾水涡带的特性以及其危害，目前已有广泛的了解和一 致的结论，但是对于该涡带的成因尚未有一致的结论，而对其控制的 研究则刚刚开始。基于射流槽在成功抑制混流泵转轮的流动不稳定性 和混流泵导叶旋转失速的研究基础上，采用射流槽结构是抑制水轮机 尾水管空化涡带、提高水轮机运行稳定的有效途径。

发明内容

本发明的目的是要解决背景技术所述采用射流槽结构抑制水轮机尾水 管空化涡带、提高水轮机运行稳定的问题，提供一种抑制水轮机尾水 管空化涡带的射流槽结构，其特征在于，射流槽结构为在水轮机的尾 水管锥管段1内壁上沿圆周方向均匀布置射流槽3，射流槽3的长度方向 平行于尾水管锥管段1的母线，射流槽结构沿尾水管锥管段轴线方向的 上径向端面为A-A面，下径向端面为B-B面，所述射流槽3垂直于尾水管 锥管段轴线的断面形状为矩形；射流槽结构的参数包括：射流槽深度 D、射流槽宽度W、射流槽长度L、射流槽结构的上径向端面A-A与尾水 管锥管段进口2之间的轴向距离h₁和射流槽数量N，以尾水管锥管段壁 厚D₀为参考，射流槽深度D的取值范围为；以射流槽结构的上径向端 面A-A处对应的尾水管锥管段内壁7周长C₀为参考，射流槽宽度W的取值 范围为；以尾水管锥管段的轴向高度h₀为参考，射流槽长度L的取值 范围为，其中θ表示尾水管锥管段的半扩散角；射流槽结构的上径向 端面A-A与尾水管锥管段进口2之间的轴向距离h₁大于或等于0.15 h₀；射流槽数量N的取值范围为9～12；

所述射流槽结构中的射流槽3为在尾水管锥管段内壁7上纵向挖槽形成 ， 或者在尾水管锥管段内壁7上纵向固定薄板形成。

本发明的有益效果为，射流槽结构利用尾水管锥管段内的逆压梯度产 生微射流，抑制水轮机尾水管空化涡带，提高了水轮机运行的稳定性 ，对水轮机运行效率的影响却非常小；结构简单，易加工和制造；适 用于任何类型的水轮机。

附图说明

图1为尾水管锥管段射流槽的结构示意图，图中只画出尾水管锥管段内 壁上的结构；

图2为图1中A-A处尾水管锥管段射流槽结构径向断面形状示意图；

图3为尾水管锥管段射流槽结构的三维形状示意图；

图4为尾水管锥管段的射流槽结构抑制水轮机尾水管空化涡带发展的工 作原理示意图。

其中：1--尾水管锥管段，2--尾水管锥管段进口，3--射流槽，4--尾 水管锥管段出口，5--尾水管空化涡带，6--尾水管锥管段外壁，7--尾 水管锥管段内壁，8--微射流，9--水轮机尾水管水流流向。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。

图1为尾水管锥管段射流槽的结构示意图，图2为图1中A-A处尾水管锥 管段射流槽结构径向断面形状示意图。射流槽结构为在水轮机的尾水 管锥管段1的尾水管锥管段内壁7上沿圆周方向均匀布置射流槽3，射流 槽3的长度方向平行于尾水管锥管段1的母线，射流槽结构沿尾水管锥 管段轴线方向的上径向端面为A-A面，下径向端面为B-B面，所述射流 槽3垂直于尾水管锥管段轴线的断面形状为矩形。

如图1和图2所示，射流槽结构的参数包括：射流槽深度D、射流槽宽度 W、射流槽长度L、射流槽结构的上径向端面A-A与尾水管锥管段进口2 之间的轴向距离h₁和射流槽数量N。以尾水管锥管段壁厚D₀为参考，尾 水管锥管段壁厚D₀即为尾水管锥管段外壁6与尾水管锥管段内壁7的径 向间距，射流槽深度D的取值范围为；以射流槽结构的上径向端面A- A处对应的尾水管锥管段内壁7周长C₀为参考，射流槽宽度W的取值范围 为；以尾水管锥管段的轴向高度h₀为参考，h₀即为尾水管锥管段进口 2与尾水管锥管段出口4的轴向垂直距离，射流槽长度L的取值范围为，其中θ表示尾水管锥管段的半扩散角；射流槽结构的上径向端面A- A与尾水管锥管段进口2之间的轴向距离h₁大于或等于0.15 h₀；射流 槽数量N的取值范围为9～12。

射流槽结构中的射流槽3为在尾水管锥管段内壁7上纵向挖槽形成，或 者尾水管锥管段内壁7上纵向固定薄板形成，本实施例为在尾水管锥管 段内壁7上纵向挖槽结构，尾水管锥管段射流槽的三维形状示意图如图 3所示，具体数据为：h₀为500mm，D₀为52mm，θ为3°，C₀为1124.25 mm，D为14mm，W为45.8mm，L为375.51mm，h₁为75mm，N为12。

本发明工作原理如下：

尾水管锥管段的射流槽结构抑制水轮机尾水管空化涡带发展的工作原 理示意图如图4所示，水轮机的尾水按水轮机尾水管水流流向9从尾水 管锥管段进口2进入尾水管锥管段1，由尾水管锥管段出口4排出，由于 尾水管锥管段1的扩压作用，尾水管锥管段1内沿水流方向压力变大， 即存在与水流流动方向相反的逆压梯度。在逆压梯度的作用下，在射 流槽结构的上径向端面A-A与下径向端面B-B之间的射流槽3内形成与尾 水管锥管段1主流方向相反的微射流8； 微射流8与尾水管锥管段1内主流混合，减小尾水管空化涡带5的周向速 度，减弱尾水管空化涡带5的强度，抑制尾水管空化涡带5的发展；同 时，微射流8对尾水管锥管段1内主流影响有限，对水轮机运行效率的 影响非常小。

以上为在尾水管锥管段内壁7上纵向挖槽形成射流槽3的实施例的结构 和原理描述，在尾水管锥管段内壁7上纵向固定薄板形成射流槽3的的 实施例的结构和原理描述与此类似。

根据射流槽3的工作原理，射流槽结构适用于任何类型的水轮机，包括 混流式水轮机、轴流式水轮机、斜流式水轮机和水泵水轮机。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并 不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范 围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内 。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。