一种利用正六边形导流栅作抑涡装置的尾水管的制作方法

本发明涉及一种低比转速混流式水轮机领域，具体是与水轮机的转轮出口相连接的尾水管结构。

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它机械工作，属于流体机械中的透平机械。水轮机都在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，尾水管中心区域形成一个死水区，中心部位的水流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压力脉动采用如下措施解决：

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。可补气也会引起某些不良现象，例如，在正常运行工况下，水轮机的出力会降低，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，能限制尾水管内旋涡的强度，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，中国发明专利申请号为201910402573.x的文献中公开的一种具有圆形和椭圆形网格的直锥形尾水管，其主要是通过分流筒分隔主流区与死水区，分流筒内部含有带圆形和椭圆形网格的圆盘形分流片，通过圆形和椭圆形网格来破碎涡带，以到达降低尾水管压力脉动的目的。但是这种尾水管存在的问题是：由于分流片的结构与布置形式，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，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，提供一种利用内部有六个正三角形通槽的正六边形导流栅作抑涡装置的尾水管。

本发明采用如下技术方案实现上述目的：本发明包括一个轴向截面为锥形的上下贯通的直锥筒，其上端是锥形小端，其下端是锥形大端，锥形小端处是进口，锥形大端处是出口，其特征是：直锥筒内部套有一个导流栅，导流栅的外壁围成横截面外轮廓为正六边形的筒状结构，在筒状结构内部，正六边形的每个顶点与直锥筒的中心之间各连接一个水平的内部支架，每个内部支架都是垂直布置的板状结构，每个内部支架的径向长度等于正六边形的边长，六个内部支架将筒状结构内部分隔成六个相同的等边三角形通槽。

每个内部支架的轴向高度等于导流栅的外壁高度，且与导流栅的外壁上下表面均平齐。

在导流栅外壁与直锥筒内壁之间固定连接六根外部支架，相邻两个外部支架之间的夹角为60°，每根外部支架都沿直径方向水平布置，每根外部支架的外端固定连接直锥筒内壁，内端固定连接导流栅的正六边形顶点外棱处。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用内部有六个正三角形通槽的正六边形导流栅作抑涡装置，增加了对尾水管中心部位死水区的控制，抑制环流运动，并且具有更加稳定的结构。

2、在尾水管内部中心压力低，形成的死水区易产生螺旋形涡带，因此在涡带的初始形成部位的位置设置导流栅，当水流通过导流栅时，死水区与主流区被导流栅所阻隔，减小死水区获得的能量，同时导流栅内部的三角形通槽将正六边形导流栅划分为六个正三角形，大大提高了导流栅的结构稳定性并且降低了死水区的逆向流，直接破坏了一部分环流，减少了涡带的偏心距从而大大降低了涡带的强度，减弱了涡带造成的压力脉动现象，提高机组的运行稳定性。

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的详细说明：

图1为本发明结构主视剖视图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1中a-a剖视放大图；

图4为尾水管中涡带形成路线图；

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-导流栅，5-外部支架，6-出口，7-内部支架，8-连接通孔。

具体实施方式

参见图1、2、3所示，本发明所述的尾水管包括一个直锥筒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，使直锥筒3上下贯通，在进口1的四周边缘加工法兰结构2，法兰结构2上圆周方向均匀开有八个连接通孔8，通过这八个连接通孔8采用螺栓将直锥筒3与转轮出口固定连接。转轮出口的中心轴和直锥筒3的中心轴共线，转轮出口和直锥筒3两者相通。

在直锥筒3内部套有一个导流栅4，导流栅4被直锥筒3完全包含在内，与直锥筒3内侧壁不接触，之间留有距离。导流栅4的外壁围成横截面外轮廓为正六边形的筒状结构，在筒状结构内部，正六边形的每个顶点与直锥筒3的中心之间各连接一个水平的内部支架7，六个内部支架7都沿直径方向布置，六个内部支架7的内端共同固定连接在直锥筒3的中心处、外端分别固定连接正六边形的每个顶点内棱处，每个内部支架7的结构相同，都是垂直布置的板状结构。每个内部支架7的径向长度等于正六边形的边长，这样，六个内部支架7就将导流栅4筒状结构内部分隔成六个相同的等边三角形通槽。每个等边三角形通槽有一个顶点位于直锥筒3的中心线上，六个等边三角形通槽的六个顶点共同连接于直锥筒3的中心线上。导流栅4同轴心地套在直锥筒3内部，导流栅4的中心轴与直锥筒3的中心轴共线。每个内部支架7的轴向高度等于导流栅4的外壁高度，并且与导流栅4的外壁上下表面均平齐。

在导流栅4外壁与直锥筒3内壁之间固定连接外部支架5，将导流栅4与直锥筒3固定。外部支架5沿圆周方向均匀布置，共有六根外部支架5，相邻两个外部支架5之间的角度为60°。每根外部支架5都沿直径方向水平布置，每根外部支架5的外端固定在直锥筒3内壁上，每根外部支架5的内端固定连接在导流栅4的正六边形顶点外棱处。外部支架5为圆柱形，在轴向上，外部支架5位于导流栅4的中间位置。

直锥筒3上的进口1的直径d1和水轮机转轮出口的直径d相等，d1=d，法兰结构2的外径d2=2.45d1。直锥筒3的轴向高度l1=（3.5～5）d1。直锥筒3的出口6的直径d3=0.78l1。

导流栅4的轴向高度为l2=（0.08～0.2）l1。导流栅4的下端面到直锥筒3的上端面的轴向距离l3=（4.5～6）l2。每个等边三角形通槽的边长l4=0.55d1。导流栅4的外侧壁厚度t1=（0.13～0.22）l2。内部支架7的板厚为2t1。每个等边三角形通槽的槽角处理，圆角半径r=0.06l4，取其整数。

外部支架5的外径d4=（0.2～0.3）l2。法兰结构2的轴向厚度t2=（0.2～0.28）d1。直锥筒3的侧壁厚度t3=（0.28～0.4）t2。法兰结构2上的八个连接通孔8的中心在同一个圆周上，该同一个圆周的直径为d5=2d1，每个连接通孔8的直径为d6=（0.17～0.19）d1，取其标准直径。

导流栅4整体采用铸造成型，外部支架5与导流栅4以及直锥筒3的内壁的连接采用焊接。

当水轮机偏离最优工况运作时，水流从转轮出口进入直锥筒3的进口1，因为带有圆周速度，形成四周压力高、中心压力低的现象，在直锥筒3的中心部位形成一个死水区，死水区的水流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，如图4所示，为涡带形成路线。不采用任何措施对涡带进行干预，则涡带不断发展，由于其周期性的偏心运动，将会对直锥筒3的侧壁上某一点处形成周期性的压力变化，从而引起严重的压力脉动现象。本发明采用在直锥筒3内部加装六个等连连三角形通槽的正六边形导流栅4后，涡带在开始形成的初期阶段通过导流栅4时，导流栅4将位于图4中心部位的死水区与主流区阻隔，主流区的流体正常流动受到外部支架5的较小影响，而死水区的能量得不到主流区的补充从而降低，逆流向上的逆向流强度降低，则涡带强度得到抑制，同时，导流栅4具有明显的破坏环流的作用，使得整体涡带的强度进一步降低，涡带的运动区域得到校正，由图5所示，最终发展到沿直锥筒3侧壁的偏心距为e的偏心运动，变为图6所示状态，在直锥筒3中靠近中心区域内的偏心运动，偏心距为e’，e’<e，最终从直锥筒3的出口6排出，减小了涡带运动的偏心距，降低涡带造成的压力脉动现象，从而保证机组稳定运行。另一方面，因为三角形通槽的存在，使得导流栅4由单纯的正六边形变为由六个三角形组成的结构，在破坏环流的时候，大大提高了导流栅4的稳定性，提高导流栅4的使用寿命，采用外部支架5的方式进行连接，方便后期拆卸进行更换和维修。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。