专利名称：水轮机尾水管短管补气装置的制作方法
技术领域：
本装置属于水轮发电机组补气领域。
背景技术：
水轮发电机组补气装置分为自然补气和强迫补气两种，尾水管短管补气为自然 补气；1)对于水轮机而言，补气多数都是用来减小压力脉动的。尾水管补气是用来减小混 流式水轮机部分负荷运行时出现在尾水管中的涡带压力脉动的，同时提高尾水管内部压 力，可以改善机组的空化程度，这也是本项目的主要目的和目标。2)位置水轮机尾水管 内。现尾水管补气方式为尾水管十字补气架。补气架的损坏主要有两种可能的原因一是强度不足；二是疲劳破坏。(1)关于补气架的强度强度不足导致的部件损坏的机理是，静态作用力比较大，使部件的静应力超过部 件材料的断裂强度。在尾水管中，静态作用力只有来自水流的冲击。如果用极近似的方法估算，不同工 况下，由水流冲击产生的静态作用力不超过IOt 20t，在支管根部产生的极限静应力值不 超过500kg/cm2 lOOOkg/cm2，估算中还没有考虑补气架已采取的各种加强措施和各支管 联合起来的结构效应。因此，单纯的静应力不会使补气架的支管发生断裂。意外的情况也有补气架连同尾水管里衬构成一个封闭的结构，焊接时，补气架的 支管产生膨胀，在冷却时，由于材料的收缩，支管将出现很大的拉伸应力，有时这个拉伸应 力可使支管、特别是支管的焊接接口处发生断裂。即使不出现断裂，它的强度也会受到很大 程度的削弱，比较容易在动载荷的作用下比较快地发生疲劳断裂。在采用十字补气架的结 构时，这种情况将普遍存在。(2)关于补气架的疲劳强度已有的材料疲劳试验结果表明，结构和材料的疲劳强度受很多因素的影响，其中 至少有6种因素的影响可以使材料的疲劳强度降低30% 60%。例如，不对称循环(平均 应力不等于零)下材料的疲劳强度可能比对称循环(平均应力等于零)情况下的疲劳强度 降低一半；多频率动载荷下的疲劳强度比单频率时的疲劳强度低30%以上等。在实际结构物中，常常是多种因素同时起作用，因而，可能使材料的实际疲劳强度 降低到试验值的10%、甚至是5%以下。众所周知，材料可以承受比较大的静应力，但比较小的动应力就可以使它发生疲 劳破坏。在水轮机尾水管中是不缺少动载荷的，特别是在非最优工况下，例如，涡带压力脉 动，卡门涡、叶片频率的压力脉动、转轮进口冲击、脱流产生的压力脉动等。它们产生的动应 力也可以达到可与静应力相比的程度。联系到上述水流和焊接对十字补气架静应力的作用，分析认为，白山水轮机补气 架完全具有产生疲劳破坏的条件，而且很可能是在静载荷和复杂动载荷联合作用下发生的疲劳破坏。里衬处断口的形貌也显示出一定的疲劳断裂特征。原技术存在的问题水轮机原设计、安装有尾水管十字补气架装置，但投入运行不 久，补气架就被冲掉，补装后，运行不久仍然被冲掉了，如此反复多次。因此，水轮机常常在 没有补气架的情况下运行。经现场实测，在没有补气架的情况下，各种功率下的最大进气风 速不到lm/s，而且呈脉动进气状态，故实际补气量甚小，补气效果不理想；幻新技术所要解 决的问题:A解决原有十字架补气装置经常脱落问题；B解决尾水管补气量不足问题，增大 补气量，改善补气效果；从而减小涡带压力脉动以外的其他压力脉动；减小尾水管中的流 动噪声；提高尾水管内的压力，减轻水轮机的空蚀；使涡带工况区的水轮机效率略有所提 高。C减少对尾水管补气装置的维护量。
发明内容本补气装置相对原十字架补气装置被称为短管补气装置，特点是针对水轮发电机 组尾水补气架经常脱落的缺陷。短管补气装置设在尾水管内，由四根短管穿过尾水管管壁通过环管、逆止阀与大 气相连通，形成补气回路；四根短管在尾水管同一水平面上均勻分布；短管采用上拱形式 即与向上水平面成30° -45°角或者平行于水平面，在方便与原尾水管基础混凝土内管路 连接，同时也减小了尾水水流对其的冲击；短管堵头封死，出气孔开在短管下方、以尾水管 中心看短管出气孔在短管截面的第三象限内。出气孔最佳位置在以尾水管中心看短管，在短管截面的第三象限内并且出气孔中 心线与+Y方向成130°角。尾水水流从上至下冲击，进一步，短管采用上拱形式即与水平方向成30° -45° 角。减小了尾水水流对其的冲击。1)短管补气装置将原有十字架补气装置明管段取消，改 为由四根直径Φ219Χ18的支管与原尾水管里衬外的环管相连，环管通过一根总进气管与 大气相通，总进气管进口装有逆止阀，支管上的小圆孔为出气孔。短管为上拱形式；正面堵 头封堵。按照设计水头下、50%负荷(涡带压力脉动最大)时补气量最大的原则确定出气 孔位置在第三象限并并面向尾水管壁。2)原理短管补气利用尾水管内主水流绕流补气短管形成的真空把大气吸入尾 水管。因此，它的出气孔位于比较靠近尾水管壁的主水流区。它的优点是由主水流形成的 动力真空非常稳定，因而补气量也非常稳定，而且，定性的说，补气量越大，绕流动力真空越 大，有利于补气量的增大。3)特点(1)短管补气装置运行稳定，补气量满足机组需要； (2)短管补气装置未发生过管路脱落现象，减少日常维护量，降低维护成本，避免 了机组无补气装置运行的情况，提高了机组运行的安全稳定性。(3)短管补气装置补气量完全满足机组运行要求。
图1短管补气系统图的俯视图。图2(a)短管补气装置正视图的剖面图。图2(b)是图2(a)的A-A方向视图。[0026]其中1进气孔2短管 3尾水里衬板4环管5加强筋板6其它机组管路 7逆止阀。
具体实施方式
下面结合图1详细说明本实施例白山水电站位于第二松花江干流上游，总装机170万千瓦，设计年平均发电量 24. 77亿千瓦时，其中白山地下水电站为三台30万千瓦混流式水轮发电机组；白山左岸 水电站为两台30万千瓦混流式水轮发电机组；距白山下游39公里的红石水电站为四台5 万千瓦轴流定浆式水轮发电机组。在系统中担负调峰、调频、事故备用作用。白山水电站一 期安装三台机组，分别于1983年12月到1984年12月投入运行。水轮机型号HL001-LJ-550， 额定水头112m，发电机额定功率300MW，半伞式结构。水轮发电机组补气分为自然补气和强迫补气两种方式，本尾水管短管补气为机组 自然补气的其中一种；本补气装置针对水轮发电机组尾水补气架经常脱落的缺陷而进行的创新改进。短 管补气装置设在尾水管内，由四根直径为0219mmX18mm的支管穿过尾水管管壁通过环 管、逆止阀与大气相连通，形成补气回路；在此结构中，短管长度为900mm-950mm，由于短管 长度仅为原十字架支管长度的1/4到1/3大小，使其作用在短管上的动载荷和根部受力大 大减小，短管都是相对独立存在的，除短管的直径和管壁厚度外，它的强度、刚度和寿命主 要由根部的固定和加固方式决定。不存在短管之间的相互的干扰，每根短管承受的动载荷 较十字架要小得多；而原十字架补气装置四根补气管是连在一起相互制约的。四根短管在尾水管同一水平面上均勻分布；短管采用上拱形式即与水平方向成 30° -45°角，在方便与原尾水管基础混凝土内管路连接，同时也减小了尾水水流对其的冲 击，避免其出现脱落现象；补气量的大小主要取决于尾水管内出气孔位置、方向和尺寸的设计，按照设计水 头下、50%负荷(涡带压力脉动最大)时补气量最大的原则，经过设计研究将补气孔的最佳 位置取在短管下方、面向尾水管壁的第三象限内，出气孔中心线与+Y方向成130°角，出气 孔尺寸为12(^200mm，距短管封死堵头距离为100_150mm，同时出气孔的边沿光滑、无毛刺， 以减小空气的流动阻力。通过本次改进创新使尾水管补气量增大为原补气装置的2-3倍；使涡带压力脉 动以外的其他压力脉动有所减小；同时也减小了尾水管中的流动噪声；提高尾水管内的压 力，减轻水轮机的空蚀；使涡带工况区的水轮机效率有所提高；保障了机组安全稳定运行， 减少了日常维护量，降低了维护成本。
权利要求1.水轮机尾水管短管补气装置，其特征在于短管补气装置设在尾水管内，由四根支 管穿过尾水管管壁通过环管与大气相连通，形成补气回路；四根短管在尾水管同一水平面 上均勻分布；短管采用上拱形式即与水平面向上成30° -45°角或者平行于水平面，短管 堵头封死，出气孔开在短管下方、以尾水管中心看短管出气孔在短管截面的第三象限内。
2.根据权利要求1的水轮机尾水管短管补气装置，其特征在于出气孔位置在以尾水管中心看短管，在短管截面的第三象限内并且出气孔中心线与+Y 方向成130°角。
专利摘要水轮机尾水管短管补气装置属于水轮发电机组补气领域。水轮机尾水管短管补气装置，其特征在于短管补气装置设在尾水管内，由四根支管穿过尾水管管壁通过环管与大气相连通，形成补气回路；四根短管在尾水管同一水平面上均匀分布；短管采用上拱形式即与向上水平面成30°-45°角或者平行于水平面，短管堵头封死，出气孔开在短管下方、以尾水管中心看短管出气孔在短管截面的第三象限内。短管补气装置运行稳定，补气量满足机组需要；短管补气装置未发生过管路脱落现象，减少日常维护量，降低维护成本，避免了机组无补气装置运行的情况，提高了机组运行的安全稳定性。
文档编号F03B11/04GK201858074SQ201020625170
公开日2011年6月8日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者乔木, 于亚军, 刘淑娟, 张福彬, 张策, 杨成虎, 王蔚然, 程振江, 胡海平, 高连伟 申请人:白山发电厂