一种液力透平装置弯曲型尾水管水力设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种液力透平尾水管水力设计方法，特别是涉及一种液力透平装置弯 曲型尾水管水力设计方法。
【背景技术】
[0002] 栗是可逆式旋转机械，液力透平是将栗反转作透平运行，实现对高压液体的回收 利用，因此又称为栗作透平（pump as turbine，PAT)。液力透平具有体积小、结构简单、造 价低、维修方便等优点，在化工处理过程中残余压液体能量的回收和小型水利水电资源开 发应用等节能技术领域有着广泛应用。液力透平内部流场的非定常压力脉动是影响机组运 行稳定性的关键因素之一。而现有的小型液力透平装置通常选用已有的栗，在设计之初没 有考虑到栗运行在反转工况下栗进水段即液力透平出水段存在的涡带甚至空腔空化现象。 涡带在尾水管里的不稳定运动会引起机组的振动。不仅如此，流体经过液力透平叶轮后在 出口处依旧保持较大的速度，尤其在低水头的液力透平机组中叶轮出口的动能占了总水头 的极大的份额。相比于常见的直锥管式尾水管，弯曲型尾水管在水力性能方便有独特优势。 在保证现有液力透平装置主要过流部件基本不变的情况下，通过改进尾水管的结构来达到 回收能量并减缓机组振动的目的。
【发明内容】
[0003] 为解决上述问题，本发明提供了一种液力透平装置弯曲型尾水管水力设计方法。 通过设计液力透平装置的尾水管几个重要尺寸参数并采用弯曲型尾水管，从而改善液力透 平尾水管内部流动状况，提高液力透平回收利用残余液体能量的效率和机组的稳定性。
[0004] 实现上述目的所采用的设计方法：
[0005] 1.尾水管直锥管段进口直径
[0006] 尾水管直锥管段进口直径计算公式
[0008] 式中，D3-尾水管直锥管段进口直径，mm ;
[0009] Q-液力透平流量，m3/s ;
[0010] D厂液力透平出口直径，mm;
[0011] η-液力透平转速，r/min ;
[0012] 2.尾水管直锥管段出口直径
[0013] 尾水管直锥管段出口直径计算公式
[0015] 式中，D4_尾水管直锥管段出口直径，mm;
[0016] V尾水管直锥管段进口直径，mm ;
[0017] ns-液力透平比转速；
[0018] 3.尾水管直锥管段扩散角及高度
[0019] 尾水管直锥管段扩散角及高度计算公式
[0022] 式中，尾水管直锥管段扩散角，° ;
[0023] D4-尾水管直锥管段出口直径，mm ;
[0024] D3-尾水管直锥管段进口直径，mm ;
[0025] Η-尾水管深度，mm;
[0026] Η「尾水管直锥管段深度，mm ;
[0027] ns-液力透平比转速；
[0028] 4.尾水管深度及长度
[0029] 尾水管深度及长度计算公式
[0031] L = (1. 65 ~1. 75)H
[0032] 式中，Η-尾水管深度，mm ;
[0033] k-尾水管深度修正系数，k = 0· 925~1 ;
[0034] ns-液力透平比转速；
[0035] Q-液力透平流量，m3/s ;
[0036] η-液力透平转速，r/min ;
[0037] L-尾水管长度，mm;
[0038] 5.尾水管弯曲段长度、出口高度
[0039] 尾水管弯曲段长度、出口高度计算公式
[0040] h = 0. 5 (H-Hi)
[0042] 式中，h-尾水管弯曲段出口高度，mm ;
[0043] Η-尾水管深度，mm ;
[0044] ns-液力透平比转速；
[0045] Η「尾水管直锥管段深度，mm ;
[0046] D4-尾水管直锥管段出口直径，mm ;
[0047] 1-尾水管弯曲段长度，mm ;
[0048] 6.尾水管扩散段形状尺寸
[0049] 尾水管扩散段采用矩形断面的结构形式，扩散段上盖板与水平方向夹角α满足 以下公式：
[0050] α ^ 8°
[0051] 断面宽度Β、尾水管出口高度匕满足以下关系：
[0052] Β = (0· 95 ~1. 02)Η
[0053] hs= h+ (L-l) tan a
[0054] 尾水管扩散段采用单支墩，支墩居中布置。支墩长度与扩散管同长，支墩进口处修 圆，其余主要尺寸满足以下关系：
[0056] R = (2 ~3) b
[0057] 式中，h-尾水管弯曲段出口高度，mm ;
[0058] Η-尾水管深度，mm ;
[0059] B-尾水管扩散段断面宽度，mm ;
[0060] L-尾水管长度，mm ;
[0061] 1-尾水管弯曲段长度，mm ;
[0062] hs-尾水管出口高度，mm ;
[0063] b-尾水管出口支墩宽度，mm ;
[0064] R-尾水管出口支墩进口处圆角半径，mm ;
[0065] 本发明的有益效果是：根据本设计方法所设计的液力透平装置弯曲型尾水管改善 液力透平尾水管内部流动状况，提高液力透平回收利用残余液体能量的效率和机组的稳定 性。
【附图说明】
[0066] 图1是本发明一个实施例的尾水管横截面图
[0067] 图2是同一个实施例的尾水管的单线图
[0068] 图中：1.尾水管直锥管段进口直径，2.尾水管直锥管段出口直径，3.尾水管直锥 管段扩散角，4.尾水管深度，5.尾水管直锥管段深度，6.尾水管长度，7.尾水管弯曲段出口 高度，8.尾水管弯曲段长度，9.尾水管扩散段断面宽度，10.尾水管出口高度，11.尾水管出 口支墩宽度，12.尾水管出口支墩进口处圆角半径。
【具体实施方式】
[0069] 图1和图2共同确定了液力透平装置弯曲型尾水管的形状。它能够改善液力透平 尾水管内部流动状况，提高液力透平回收利用残余液体能量的效率和机组的稳定性。液力 透平装置的尾水管采用弯曲型尾水管，方便铸造成型、利于加工。本发明尾水管由直锥管 段、弯曲段、出口扩散段组成，从液力透平流出的液体在尾水管内流动时造成动力真空，能 回收部分动能。本发明通过以下几个关系式来确定小型液力透平装置的尾尾水管直锥管 段进口直径（1)、尾尾水管直锥管段出口直径（2)、尾水管直锥管段扩散角（3)、尾水管深度 (4)、尾水管直锥管段深度（5)、尾水管长度（6)、尾水管弯曲段出口高度（7)、尾水管弯曲段 长度（8)、尾水管扩散段断面宽度（9)、尾水管出口高度（10)、尾水管出口支墩宽度（11)、尾 水管出口支墩进口处圆角半径（12)。
[0082] 以上，为本发明专利参照实施例做出的具体说明，但是本发明并不限于上述实施 例，也包含本发明构思范围内的其他实施例或变形例。
【主权项】
1. 一种液力透平装置弯曲型尾水管水力设计方法，其特征在于：液力透平装置弯曲型 尾水管结构的几何参数直锥管段进口直径适合以下关系：式中，D3-尾水管直锥管段进口直径，mm ; Q-液力透平流量，m3/s ; D厂液力透平出口直径，mm; η-液力透平转速，r/min。2. 如权利要求1所述的一种液力透平装置弯曲型尾水管水力设计方法，其特征在于： 液力透平装置弯曲型尾水管结构的几何参数直锥管段出口直径适合以下关系：式中，D4-尾水管直锥管段出口直径，mm ; D3_尾水管直锥管段进口直径，mm ; ns-液力透平比转速。3. 如权利要求1所述的一种液力透平装置弯曲型尾水管水力设计方法，其特征在于： 液力透平装置弯曲型尾水管的几何参数直锥管段扩散角及高度适合以下关系：式中，β-尾水管直锥管段扩散角，° ; D4_尾水管直锥管段出口直径，mm ; D3_尾水管直锥管段进口直径，mm ; Η-尾水管深度，mm ; 氏-尾水管直锥管段深度，mm ; ns-液力透平比转速。4. 如权利要求1所述的一种液力透平装置弯曲型尾水管水力设计方法，其特征在于： 液力透平装置弯曲型尾水管的几何参数深度及长度适合以下关系：L = (1. 65 ~1. 75)H 式中，Η-尾水管深度，mm ; k-尾水管深度修正系数，k = 0. 925~1 ; ns-液力透平比转速； Q-液力透平流量，m3/s ; η-液力透平转速，r/min ; L-尾水管长度，mm〇5. 如权利要求1所述的一种液力透平装置弯曲型尾水管水力设计方法，其特征在于： 液力透平装置弯曲型尾水管的几何参数弯曲段长度、出口高度适合以下关系： h = 0. 5 (H-Hi)式中，h-尾水管弯曲段出口高度，mm ; Η-尾水管深度，mm ; ns-液力透平比转速； 氏-尾水管直锥管段深度，mm ; D4_尾水管直锥管段出口直径，mm ; 1-尾水管弯曲段长度，mm〇6. 如权利要求1所述的一种液力透平装置弯曲型尾水管水力设计方法，其特征在于： 尾水管扩散段采用矩形断面的结构形式，扩散段上盖板与水平方向夹角α满足以下公式： α彡8° 断面宽度Β、尾水管出口高度匕满足以下关系： Β = (0· 95 ~1. 02)Η hs= h+ (L-l) tan a 尾水管扩散段采用单支墩，支墩居中布置；支墩长度与扩散管同长，支墩进口处修圆， 其余主要尺寸满足以下关系：式中，h-尾水管弯曲段出口高度，mm ; Η-尾水管深度，mm ; B-尾水管扩散段断面宽度，mm ; L-尾水管长度，mm ; 1-尾水管弯曲段长度，mm; hs-尾水管出口高度，mm ; b-尾水管出口支墩宽度，mm; R-尾水管出口支墩进口处圆角半径，mm。
【专利摘要】本发明涉及一种液力透平装置弯曲型尾水管水力设计方法。它给出了液力透平装置弯曲型尾水管直锥管段进口直径、直锥管段出口直径、直锥管段扩散角、尾水管深度、尾水管直锥管段深度、尾水管长度、尾水管弯曲段出口高度、尾水管弯曲段长度、尾水管扩散段断面宽度、尾水管出口高度、尾水管出口支墩宽度、尾水管出口支墩进口处圆角半径的设计公式。根据本设计方法所设计的液力透平装置弯曲型尾水管改善液力透平尾水管内部流动状况，提高液力透平回收利用残余液体能量的效率和机组的稳定性。
【IPC分类】F03B11/00
【公开号】CN105275711
【申请号】CN201510679261
【发明人】朱荣生, 陈宗良, 付强, 王秀礼, 张亮亮, 钟华舟, 张本营
【申请人】江苏大学
【公开日】2016年1月27日
【申请日】2015年10月16日