尾水管及制作方法

1.尾水管，包括管体，其特征在于：管体的进水口内壁沿圆周方向固定设置有8～30对三角形叶片，每对三角形叶片包括两个对称设置的三角形叶片；每个三角形叶片包括长边、短边和安装边，其中长边设置在接近进水口端面的一侧，短边设置在远离进水口端面的一侧，安装边与进水口内壁整边连接，安装边与长边夹角为α，2°≤α≤30°；每对三角形叶片的两个三角形叶片安装边之间的夹角为β，4°≤β≤60°；每个三角形叶片中长边和短边夹角的顶点至安装边之间的距离H小于进水口内径d的十分之一，即H＜d/10；
长边和安装边夹角的顶点至进水口的端面的距离为h，h＜d/2；三角形叶片安装边的长度为L，L＜d/3。
2.如权利要求1所述的尾水管，其特征在于：所述的8～30对三角形叶片形状和规格相同，并且沿进水口内壁的圆周方向均匀设置。
3.制作如权利要求1所述的尾水管的方法，其特征在于首先用平面对称的五边形金属板沿安装边翻折成一对三角形叶片，然后将每对三角形叶片的两安装边之间的板面固定在进水口的内壁。
4.制作如权利要求1所述的尾水管的方法，其特征在于首先用平面对称的六边形金属板沿安装边翻折成一对三角形叶片，然后将每对三角形叶片的两安装边之间的板面固定在进水口的内壁。

尾水管及制作方法
技术领域
[0001] 本发明属于流体机械以及工程设备技术领域，具体是涉及一种用于水轮机出口的尾水管。
背景技术
[0002] 在水力发电装置中，水轮机的出口处都装有尾水管，它的作用是把转轮流出的水导向下游，并能回收转轮出口的一部分能量，使水流的落差势能得到充分利用，提高水轮机的效率。要做到这一点，在转轮出口处需要造成小于大气压的负压，对水轮机出口产生吸力。因此，尾水管也叫吸出管。在吸出高度为正值时，借助于尾水管，可将水轮机的转轮安装在下游水位以上，收回一部分流速水头的能量。在应用中，我们希望尾水管内部的流动尽可能稳定，出口流速也尽可能稳定、均匀，同时要求压力恢复系数ηD(见式1)尽可能高。
[0003]
[0004] 式中：v1、v2分别为尾水管进口、出口的水流平均流速，m/s；p1、p2分别为尾水管进口、出口静压，Pa；ρ为水的密度，kg/m3。
[0005] 水轮机的尾水管不但是水力发电设备中能量回收的重要部件，而且对机组的整体能量特性和稳定运行具有很大的影响。由于尾水管中的流动为减速扩压游动，容易形成流动分离、回流和流动不稳定性。对弯曲的尾水管，由于存在水流方向的转变，流动分离更容易形成，并且会因管路弯曲而存在二次流动，流动过程也会产生复杂的局部脱流和回流的现象以及相应的不稳定流动。特别是当水轮机在偏离最优工况运行时，进入尾水管的流动就更加复杂，极易产生压力波动，使水轮机组产生近似周期性的振动，造成这种现象的原因主要有两方面：
[0006] 其一，尾水管进口处存在切向速度分量的水流夹带着空蚀气泡在离心的作用下形成与水流共同旋进的尾水涡带，尾水涡带在周期性非平衡因素的影响下产生偏心，并以低频的周期在尾水管内旋进，撞击着尾水管的壁面，所形成的反射波向上游传播，造成机组出力的摆动和尾水管的压力脉动，使水轮机产生振动，诱发转轮叶片产生疲劳裂纹，这是水轮机组动力学问题的主要原因之一。
[0007] 其二，由于尾水管进口扩压管内流体的附壁效应，使得进口水流流束产生摆动，在部分壁面处产生非定常的大型回流区。这同样也会使得尾水管的流动产生周期性脉动，进而使得其上游的水轮机产生振动以及大轴的周期性摆动，严重威胁水力机械的运行安全，而且还会使得水轮机的压力恢复系数急剧降低，发电效率下降。
[0008] 目前，解决由于尾水管压力波动引起的水轮机振动的主要方法有两类，一类方法是将空气或水输入到不稳定的水流中。其具体方法是：将空气从尾水管壁或者转轮轴部吹入到尾水管内。但这类方法需要额外设置一个装有水和空气的压力腔室以及空气的压力调节装置，这使得结构成本很高。另一类方法是在尾水管内加入了各种结构较复杂的挡板或锥形物体，这些方法不但较大地增加了尾水管的局部阻力，而且容易造成水流中的泥沙、水草的沉积。而且，以上这两类方法对改善因上述第二种不稳定因素产生的振动所起到的作用十分有限。
发明内容
[0009] 本发明的目的就是针对现有尾水管存在的各种问题，提供一种高压力恢复系数，可以使水轮机高效、稳定工作的尾水管，同时提供这种尾水管的制作方法。
[0010] 本发明的尾水管包括管体，管体的进水口内壁沿圆周方向固定设置有8～30对三角形叶片。每对三角形叶片包括两个对称设置的三角形叶片，每个三角形叶片包括长边和短边，以及与进水口内壁整边连接的安装边，其中长边设置在接近进水口端面的一侧，短边设置在远离进水口端面的一侧，安装边与长边的夹角为α，2°≤α≤30°。每对三角形叶片的两个三角形叶片安装边之间的夹角为β，4°≤β≤60°。三角形叶片中长边和短边夹角的顶点至与进水口内壁固定的安装边之间的距离H小于进水口内径d的十分之一，即H＜d/10。三角形叶片长边和安装边夹角的顶点至进水口的端面的距离为h，h＜d/2；
三角形叶片安装边的长度为L，L＜d/3。
[0011] 所述的8～30对三角形叶片形状和规格相同，并且沿进水口内壁的圆周方向均匀设置。
[0012] 制作这种尾水管的方法是使用平面对称的五边形金属板，沿安装边同方向翻折，即加工成一对三角形叶片；也可以由平面对称的六边形金属板沿安装边翻折而成。然后将两安装边之间的板面固定在进水口的内壁。采用这种方法一方面便于加工，另一方面便于将三角形叶片安装在进水口内壁上。
[0013] 本发明具有以下优点以及突出效果：由于水流流经三角形叶片后，将产生一系列的贴壁小涡流。这不但抑制了切向速度，阻止大漩涡的生成，避免了由此产生的压力脉动；
而且能够通过混合，减少壁面边界层的厚度，使流向速度均匀化，使得水流不易在尾水管的近壁面处形成非定常回流区。同时确保压力恢复系数在大多工况下能达到0.9以上。
[0014] 本发明结构简单，布置灵活，成本低廉，适用范围广，可以确保各种大小不同的水力发电机组在各种流量工况条件下的高效稳定运行。并且通过优化设计，所产生的附加局部阻力也几乎可以忽略(小于原有流动阻力的1％)。同时，在使用过程中也不会产生泥沙与水草的沉积。
附图说明
[0015] 图1为本发明的结构示意图；
[0016] 图2为图1的A向俯视图；
[0017] 图3为图1的B-B向横截面剖视图；
[0018] 图4为本发明一实施例中一对三角形叶片的结构示意图；
[0019] 图5为图4展开状态示意图；
[0020] 图6为本发明另一实施例中一对三角形叶片的结构示意图；
[0021] 图7为图6展开状态示意图。
具体实施方式
[0022] 以下结合附图对本发明的原理、结构做进一步的说明。
[0023] 如图1、图2和图3所示，该新型尾水管的结构具体是在管体3的进水口内壁沿圆周方向均匀固定设置有八对三角形叶片。每对三角形叶片包括两个对称设置的三角形叶片
1，每个三角形叶片1包括长边5、短边6和安装边4，其中长边5设置在接近进水口端面2的一侧，短边6设置在远离进水口端面2的一侧，安装边4与进水口内壁整边连接。安装边
4与长边5的夹角为α，α为2°、10°、30°等。每对三角形叶片的两个三角形叶片1安装边4之间的夹角为β，β为4°、20°、60°等。三角形叶片中长边5和短边6夹角的顶点至安装边4之间的距离H小于进水口内径d的十分之一。三角形叶片中长边5和安装边
4夹角的顶点至进水口的端面2的距离为h，h＜d/2。三角形叶片中安装边4的长度为L，L＜d/3。
[0024] 图4和图5为本发明中采用平面对称的五边形金属板沿安装边翻折成一对三角形叶片1，然后将每对三角形叶片1的两安装边4之间的板面7固定在进水口的内壁，即可以制成如图1、图2和图3所示的尾水管。图中箭头为水流方向。
[0025] 图6和图7为本发明中采用平面对称的六边形金属板沿安装边翻折成一对三角形叶片1，然后将每对三角形叶片1的两安装边4之间的板面7固定在进水口的内壁。图中箭头为水流方向。
[0026] 水流从水轮机出来后，进入尾水管，其贴近壁面的水流与尾水管的三角形叶片相遇，形成多个对称的流向小旋涡。首先降低了在离心作用下形成的与水流共同旋进的尾水涡带的漩涡强度，同时也降低了水流中心部位出现负压的可能性，提升了中心部位压力和速度。
[0027] 同时，更为重要的是，贴壁小漩涡的出现减小壁面边界层的厚度，提高了截面上整体流速的均匀性，避免了非定常回流区的形成，也避免了由于尾水管进口扩压管内水流的附壁效应而产生的流动不稳定。这不但提高了在各种工况条件下流动的稳定性，同时也能显著提高水轮机偏离最佳工况负荷时运行的压力恢复系数，确保在大多工况条件下，压力恢复系数能达到0.9以上，显著提高了水轮机的发电效率。
[0028] 由于尾水管基本上是一个扩压器，在其进口处安装三角形叶片有重要意义，这有助于助于从源头上消灭尾水管流动分离和流动不稳定性。
[0029] 三角形叶片可根据水力机械具体功率的大小，尾部大漩涡的发生情况灵活选择和布置，可选用不同角度α、β，不同高度H、长度L，以及设置位置，其中2°≤α≤30°、
4°≤β≤60°、H＜d/10、L＜d/3、距离进水口的端面的最小距离h小于d/2。