一种带栅格网的中心管作抑涡装置的尾水管的制作方法

本发明涉及流体机械中的混流式水轮机，具体是混流式水轮机的尾水管部件，特别涉及安装有抑涡装置的直锥型尾水管。

背景技术：

水轮机是一种能够把水流的势能转变为机械能的动力机械，它以水流为动力带动其他机械工作，属于流体机械中的透平机械。水轮机都会在其转轮出口处设置尾水管，将从转轮流出的水流收集起来送入下游河道以及回收利用转轮出口水流的剩余能量。当水轮机偏离设计工况运行时，转轮出口速度可能产生圆周分量，引起尾水管内部中心压力低，四周压力高，因此尾水管中心区域就形成一个死水区，中心部位的水流会逆流而上形成逆向流，同时产生周期性偏心运动，形成有规律的螺旋形涡带，涡带的周期性摆动，会在尾水管壁某一固定点产生一个周期性变化的压力，从而造成严重的压力脉动现象，引起机组的振动，影响水轮机的平稳运行。工程上对于尾水管的上述压力脉动现象一般采用如下措施解决：

1）在尾水管内加导流结构，消除环流，以达到消除或减弱偏心涡带的目的；

2）在尾水管内设置补气装置，破坏尾水管的真空。应该指出，补气也会引起一些不良现象。例如，在正常运行工况下，水轮机的出力会降低，有时转轮后面的压力脉动反而增大；

3）改进转轮出口结构，从而削弱压力脉动。但是该方法并不适用所有工况，且对水轮机整体运行影响较大。

目前，在尾水管内添加抑涡装置，能限制了水管内旋涡的强度，降低尾水管的压力脉动，增加水轮机组在非额定工况下运行的稳定性与安全性，大大减少水轮机组的维护成本，同时对于水轮机的整体效率并没有很大的影响。例如，中国专利申请号为2019104063290的文献就公开了一种具有椭圆和正六边形网格的直锥形尾水管，其主要是通过分流筒分隔开了主流区与死水区，通过椭圆和正六边形网格的分流片破碎尾水管内壁面的涡带，以到达降低尾水管压力脉动的目的。但由于其分流片靠近尾水管内壁面并且其特有的结构与布置形式，使得过流断面面积较小，主流区局部流体流速变低，易产生回流。除此之外，内嵌分流片的设计，当分流片与分流筒出现破损的情况，不易进行拆卸更换。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术的不足，提出一种削弱压力脉动、保持水轮机稳定运行的带栅格网的中心管作抑涡装置的直锥型尾水管。采用带栅格网的中心管作抑涡装置，分隔了主流区与死水区，同时减小了对主流区流体的影响，并降低了死水区获得的能量。

本发明一种带栅格网的中心管作抑涡装置的尾水管采用的技术方案是：包括一个直锥筒，直锥筒的轴向截面为锥形，其上端是锥形小端且是敞开的进口，其下端是锥形大端且是敞开的出口，直锥筒的内部同轴心地设置一个圆筒形的中心管，中心管的内部连接六块垂直布置的平板，六块平板分为两组，每组三块，每组的三块平板有间隔且平行布置，第一组的三块平板与第二组的三块平板相互垂直连接，每组三块平板中的中间的一块平板在中心管的直径方向上，每组其余两块平板分别位于同组的中间的一块平板的两侧，六块平板的两端均与中心管的内壁固定连接，六块平板将中心管的内腔分隔成栅格网结构。

中心管的外径小于直锥筒的内径，中心管的外侧壁和直锥筒的内壁之间通过支架固定连接。

每组的两块平板之间的间距都相等，六块平板的厚度都相同。

平板的轴向高度与中心管的轴向高度相同，且上下表面与中心管的上下表面平齐。

本发明的有益效果：

1）本发明在尾水管内设置带栅格网的中心管，在水轮机偏离设计工况运行易产生涡带时，当水流从转轮出口流出时进入中心管后，涡带遭到破坏，速度环量减小，水流的旋转运动被破坏，使得中心处由于水流旋转导致的负压降低，从而消减了涡带的强度，达到了从根源上减弱压力脉动的目的。

2）本发明能使水流运行更稳定，增大水轮机转轮持续做功的时间，降低整个水轮机组的发生共振现象的可能性，使得整个水轮机组能够高效稳定安全的运行。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明；

图1为本发明一种带栅格网的中心管作抑涡装置的尾水管的主视结构剖视图；

图2为图1的俯视图；

图3为尾水管a-a剖视图；

图4为尾水管涡带形成路线图；

图5为尾水管压力脉动原理图；

图6为尾水管消除压力脉动原理图；

图中：1-进口，2-法兰结构，3-直锥筒，4-中心管，5-支架，6-出口，7-平板，8-连接孔。

具体实施方式

参见图1和图2所示，本发明尾水管包括直锥筒3，直锥筒3的轴向截面为锥形，其上端是锥形小端，其下端是锥形大端，锥形小端处是敞开的进口1，锥形大端处是敞开的出口6，因此，直锥筒3上下贯通。直锥筒3的上端进口1的四周边缘设置了法兰结构2，通过法兰结构2与水轮机转轮出口固定相连且与转轮出口相连通，将尾水管与水轮机连接。法兰结构2上沿圆周方向均匀开了八个连接孔8，通过这八个连接孔8将尾水管固定。

在直锥筒3的内部设置中心管4，中心管4的外形是圆筒形，其中心轴与直锥筒3的中心轴共线。中心管4的内部连接了六块垂直布置的等厚平板7，这六块平板7分为两组，每组三块，每组的三块平板7有间隔且平行布置，第一组的三块平板7与第二组的三块平板7相互垂直连接。每组三块平板7中，中间的一块平板7在中心管4的直径方向上，也就是两组的中间的两块平板7在中心管4相互垂直的直径方向上垂直交错连接。每组其余两块平板7分别位于同组的中间的一块平板7的两侧。六块平板7的两端均与中心管4的内壁固定连接，因此，每组中间的一块平板7的长度最长，两侧的两块平板7要较短，第一组两侧的两块平板7与第二组中间的一块平板7的垂直连接点位于中心管4的内径正中间处，每组的两块平板7之间的间距都相等，使栅格的间距相等。六块平板7的厚度都相同。因此，这六块平板7将中心管4的内腔分隔成栅格网状结构，栅格网状的中间是由平板7围成的四个正方形通孔，四周是由平板7和中心管4内壁围成的12个非规则通孔。

中心管4的外径小于直锥筒3的内径，在中心管4的外侧壁和直锥筒3的内壁之间通过支架5固定连接，将整个中心管4固定在直锥筒3内。支架共有6根，沿圆周方向均匀布置，彼此之间的夹角为60°。

中心管4具有一定的轴向高度，并且距离直锥筒3的进口1有一定距离，保证中心管4完全容纳在直锥筒3内。平板7的轴向高度与中心管4的轴向高度相同，并且上下表面与中心管4的上下表面平齐。

进口1的直径d1和水轮机转轮出口的直径d相等，即进口1的直径d1=d。直锥筒3的轴向高度为l1，l1=（3.5～5）d1，直锥筒3的出口6的直径d3=0.78l1。中心管4的轴向高度l2=（0.08～0.2）l1。中心管4下端面与直锥筒3上端面的距离l3=（4.5～6）l2。

法兰结构2的外径d2=2.45d1，其轴向厚度t2=（0.2～0.24）d1。法兰结构2上的八个连接孔8的中心处于直径为d5的同一个圆上，d5=2d1。连接孔8的直径d6=（0.17～0.19）d1。直锥筒3的侧壁厚度t3=（0.25～0.4）t2。

支架5为长圆柱实心体，其直径d7=（0.27～0.33）l2。在轴向上，支架5连接于中心管4侧壁的中间位置。

参见图3，中心管4内腔中，相邻的两块平板7之间的距离l4=0.22d1。中心管4的内径d4=1.1d1，中心管4的侧壁厚度t1=（0.06～0.07）d1。平板7的厚度为t4=0.8t1。平板7的厚度与中心管4的侧壁厚度不相同。

如图4，在水轮机偏离设计工况运行时，转轮出口进入尾水管内的水流往往带有一定的速度环量，引起尾水管内部中心压力低，四周压力高，在中心部位形成死水区，死水区的水流逆流而上形成逆向流，易产生螺旋形的涡带，图4中的虚线为螺旋形涡带的形成路线，螺旋形涡带a由中心向四周，最终到达到尾水管的内壁附近。如图5所示，为涡带的最终活动区域，涡带的中心与尾水管的中心之间存在偏心距e，涡带作周期性偏心运动，在尾水管某一固定点产生压力变化，引起严重压力脉动现象，造成机组的振动。因此，本发明在尾水管内设置带有栅格网的中心管4后，当水流从转轮出口进入尾水管，通过中心管4后，处于图4尾水管中心部位的死水区与主流区被分隔开来，死水区的能量得不到主流区的补充，同时栅格抑制了环流运动，使得中心处由于水流旋转导致的负压降低，则中心部分的水流就不会逆流而上，阻碍了偏心涡带的形成，本发明在增加中心管4这一装置后，最终偏心涡带仅会以比偏心距e还要小的偏心距e’进行偏心运动，降低了尾水管的压力脉动现象，使得水流运行更稳定，增大水轮机转轮持续做功的时间，降低整个水轮机组的发生共振现象的可能性，使得整个水轮机组能够高效稳定安全的运行。