一种具有漩涡抑制作用的水轮机尾水管的制作方法
【专利摘要】一种具有抑制漩涡作用的尾水管，属于水轮机【技术领域】。该尾水管包括尾水管进口、上圆锥段、中圆锥段、下圆锥段、肘管段、尾水管出口以及设置在中圆锥段内壁面上的至少一个漩涡抑制装置，优选为2～6个；上圆锥段、中圆锥段和下圆锥段共轴线。每个漩涡抑制装置呈分半结构，且沿圆周方向均匀分布，该分半结构沿轴线纵断面的形状为梯形。本发明的漩涡抑制装置不易受水流作用的损坏，所占体积较小，在抑制水轮机部分负荷工况下漩涡作用的同时不影响水轮机在其它工况下的水力性能，并可明显地抑制水流沿圆周方向的运动，缓解水轮机的水压脉动，从而改善水轮机运行的稳定性，扩大水轮机的安全运行范围与工况调节能力。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水轮机尾水管，特别涉及具有漩涡抑制作用的水轮机尾水管，适合于 改善水力发电站水轮机在偏离设计工况运行时尾水管的内部流动。 一种具有漩涡抑制作用的水轮机尾水管
【背景技术】
[0002] 水轮机尾水管的涡带是一种特殊的漩涡形式，尤其在部分负荷工况（指水轮机 运行流量小于设计流量的工况）时会引起剧烈的水压脉动，严重影响水电站机组的安全 运行。为了缓解水轮机尾水管漩涡流动引发的压力脉动，工程上采取了一系列措施；这些 措施主要包括以下三个方面：1)通过改变水轮机转轮设计，以减轻尾水管内漩涡的强度， 如中国专利文献公开的CN201133321、CN1530538、CN1499073等专利技术；2)在水轮机中 设置通气或通水结构，引入射流来抑制尾水管中的漩涡流动和水压脉动，如中国专利文献 CN101501329、CN200975311、CN101975132A等公开的专利技术；3)通过设置一定的漩涡抑 制结构来实现压力脉动控制；例如CN1702317是在转轮和尾水管之间设有一个轴流式叶片 结构，用于漩涡控制。如CN1740556提出的电磁抑涡装置；如CN202140227U提出的振动式 涡流发生器。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提出一种具有漩涡抑制作用的水轮机尾水管，通过改变尾水管中 的压力分布和漩涡强度，达到缓解水轮机中水压脉动的效果，从整体上改善水轮机在部分 负荷工况时的稳定性和安全性。
[0004] 本发明的技术方案如下：
[0005] -种具有抑制漩涡作用的尾水管，包括尾水管进口、上圆锥段、下圆锥段、肘管段 和尾水管出口，上圆锥段与下圆锥段同轴线，上圆锥段和下圆锥段的半锥角分别为9 1和 θ3，其特征在于：在所述的上圆锥段与下圆锥段之间设有中圆锥段，该中圆锥段与上圆锥 段和下圆锥段同轴线，中圆锥段的半锥角为Θ 2 ;在中圆锥段内壁面上沿圆周方向至少布置 一个漩涡抑制装置，每个漩涡抑制装置呈分半结构，该分半结构沿轴线纵断面的形状为梯 形，且分半结构相对于中圆锥段母线对称分布；所述分半结构沿轴线纵断面的梯形两侧边 的夹角α小于或等于中圆锥段的半锥角θ 2。
[0006] 本发明的技术特征还在于：漩涡抑制装置的分半结构沿轴线纵断面的梯形厚度h 与所述尾水管进口的直径D之比为1/320?1/160,梯形高度h与D之比为1/100?1/40 ; 该漩涡抑制装置在周向展开图上的下部总长度b2与D之比为1/72?1/24,且b2为分半结 构的下部长度匕的3?6倍。
[0007] 本发明的另一技术特征是：在所述中圆锥段内壁面沿圆周方向最好布置2-6个漩 涡抑制装置，且沿圆周方向均匀分布。
[0008] 本发明的又一技术特征是：上圆锥段、中圆锥段和下圆锥段的半锥角之间的关系 为7。彡Θ i彡θ2彡θ3彡1。。
[0009] 本发明与现有技术相比，具有以下优点及技术效果：①由于尾水管在靠近进口的 圆锥段分为相对独立的三段，有利于根据设计需要改变各段的结构设计，更好地满足流动 设计的要求。三个圆锥段的半锥角θ2> θ3，即在必要情况下可逐步减小圆锥段扩 散角度，降低尾水管的水力损失；②本发明的漩涡抑制装置为中间凹陷的分半结构。当水轮 机运行于部分负荷工况时，尾水管中涡带运动导致周向速度增大，且沿圆周方向的压力分 布非常不均匀。此时，一方面漩涡抑制装置两侧的凸出结构可减缓水流沿圆周方向的运动， 另一方面漩涡抑制装置中间凹陷部分的水流速度趋近于零，使得压力有较大幅度回复。这 样可以抑制尾水管内的漩涡，改善水轮机的压力脉动，有利于提高水轮机能量转换效率。③ 漩涡抑制装置与中圆锥段为一体，其分半结构沿轴线纵断面的形状为梯形，且该梯形两侧 边的夹角α不大于中圆锥段的半锥角θ 2，属于非常稳定的结构。与尾水管通气装置或其 它漩涡抑制装置相比，本发明的漩涡抑制装置不易受水流作用的损坏。④漩涡抑制装置在 中圆锥段所占体积较小，所以它在抑制水轮机部分负荷工况下漩涡作用的同时不影响水轮 机在其它工况下的水力性能。
[0010] 因此，采用具有漩涡抑制作用的水轮机尾水管可使得水轮机尾水管具有较好的漩 涡抑制作用，缓解水轮机在部分负荷工况下的水压脉动，提高水轮机的运行可靠性，且有效 扩展水轮机的安全工作范围和运行调节能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1为本发明提供的具有漩涡抑制作用的水轮机尾水管结构原理示意图（主剖视 图）。
[0012] 图2为图1的I局部放大图，该图为分半结构沿轴线纵断面的形状。
[0013] 图3为漩涡抑制装置的周向展开图。
[0014] 图4为漩涡抑制装置的俯视图。
[0015] 图中：1 一尾水管进口；2 -上圆锥段；3 -中圆锥段；4 一肘管段；5 -尾水管出 口；6 -下圆锥段；7 -漩涡抑制装置；8 -中圆锥段母线；9 一中圆锥段内壁面；10 -漩涡 抑制装置的下部。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图对本发明的原理、结构及工作过程作进一步的说明。
[0017] 图1为本发明提供的具有漩涡抑制装置的水轮机尾水管的主剖视图，该水轮机尾 水管包括尾水管进口 1、上圆锥段2、中圆锥段3、下圆锥段6、肘管段4和尾水管出口 5,中 圆锥段3设置在上圆锥段与下圆锥段之间，三个圆锥段同轴线布置，上圆锥段2、中圆锥段3 和下圆锥段6的半锥角分别为0 1、02和θ3。在所述中圆锥段内壁面9上沿圆周方向至少 布置一个漩涡抑制装置7,优选为2?6个，且沿圆周方向均匀分布。每个漩涡抑制装置呈 分半结构，该分半结构沿轴线纵断面的形状为梯形，且分半结构相对于中圆锥段母线8对 称分布；所述分半结构沿轴线纵断面的梯形两侧边的夹角α小于或等于中圆锥段的半锥 角Θ 2 (如图2所示）。
[0018] 漩涡抑制装置的分半结构沿轴线纵断面的梯形厚度1?与所述尾水管进口 1的直 径D之比为1/320?1/160,梯形高度h与D之比为1/100?1/40 ;该漩涡抑制装置的周向 展开图的下部总长度b2与D之比为1/72?1/24,且b2为分半结构的下部长度bi的3?6 倍（参见图3)。
[0019] 由图4可知，漩涡抑制装置沿圆周方向紧贴中圆锥段内壁面9布置，当水轮机运行 在部分负荷工况时，具有一定圆周方向速度的水流从尾水管进口 1流入尾水管，依次通过 各圆锥段、肘管段4后流出尾水管出口 5。水流在经过上圆锥段、中圆锥段和下圆锥段时，由 于断面积不断增加，可形成影响范围逐渐扩大的漩涡运动一涡带。该涡带一方面向下游传 递，一方面引发水轮机中剧烈的水压脉动。当水流经过漩涡抑制装置7时，凸起的分半结构 将阻挡漩涡，使得水流沿圆周方向的速度下降，从而减小中圆锥段壁面处水流的漩涡强度； 由于分半结构的中部为凹陷，可进一步降低水流的速度，使得水流的压力恢复，均衡沿圆周 方向的压力分布。这样，不仅使得水流向下游传递的漩涡强度减弱，更重要的是缓解了水轮 机内部因涡带造成的剧烈压力脉动，有利于水轮机的安全、稳定运行。
【权利要求】
1. 一种具有抑制漩涡作用的尾水管，包括尾水管进口（1)、上圆锥段（2)、下圆锥段 (6)、肘管段（4)和尾水管出口（5)，上圆锥段与下圆锥段同轴线，上圆锥段（2)和下圆锥段 (6)的半锥角分别为θ，ρ θ3，其特征在于：在所述的上圆锥段与下圆锥段之间设有中圆锥 段（3)，该中圆锥段与上圆锥段和下圆锥段同轴线，中圆锥段的半锥角为Θ 2 ;在中圆锥段内 壁面（9)沿圆周方向至少布置一个漩涡抑制装置（7)，每个漩涡抑制装置呈分半结构，该分 半结构沿轴线纵断面的形状为梯形，且分半结构相对于中圆锥段母线（8)对称分布；所述 分半结构沿轴线纵断面的梯形两侧边的夹角α小于或等于中圆锥段的半锥角θ 2。
2. 按照权利要求1所述的一种具有抑制漩涡作用的尾水管，其特征在于：漩涡抑制装 置的分半结构沿轴线纵断面的梯形厚度k与所述尾水管进口（1)的直径D之比为1/320? 1/160,所述梯形高度h与D之比为1/100?1/40 ;该漩涡抑制装置在周向展开图上的下部 总长度b2与D之比为1/72?1/24,且b2为分半结构的下部长度h的3?6倍。
3. 按照权利要求1或2所述的一种具有抑制漩涡作用的尾水管，其特征在于：在所述 中圆锥段内壁面（9)沿圆周方向最好布置2?6个漩涡抑制装置，且沿圆周方向均匀分布。
4. 按照权利要求1或2所述的一种具有抑制漩涡作用的尾水管，其特征在于：上圆锥 段（2)、中圆锥段（3)和下圆锥段（6)的半锥角之间的关系为7°彡02彡03彡1°。
【文档编号】F03B11/04GK104121138SQ201410363761
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】罗先武, 于安, 季斌, 纪晶晶, 黄仁芳, 王琳, 许洪元 申请人:清华大学