一种减轻混流式水轮机尾水管偏心涡带危害的方法

1.一种减轻混流式水轮机尾水管偏心涡带危害的方法，包括对水轮机的以下四个方面的优化：1)增大蜗壳末端直径，并从蜗壳进口到蜗壳末端等比例加大蜗壳的各断面直径，增大后的蜗壳末端直径比按等环量设计蜗壳末端直径大10％～15％；2)减小叶片的出水边与水平面之间的夹角，叶片的出水边与水平面之间的夹角由现有的10°～25°减小至8°～22°，并且越靠近上冠处夹角减小量越大；3)选用比常规泄水锥更长的泄水锥，所选用是泄水锥长度达到转轮出口直径的0.2～0.3倍；4)选用更高的尾水管，所选用的尾水管高度达到或超过3倍转轮出口直径。

一种减轻混流式水轮机尾水管偏心涡带危害的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种减轻混流式水轮机尾水管偏心涡带危害的方法，属于水轮机技术领域。
背景技术
[0002] 混流式水轮机尾水管偏心涡带是造成水轮机压力脉动超标、水电站不能稳定运行的主要原因之一，给国内外许多水电站带来了机组振动、摆度大和噪音大、厂房振动大等问题，有的甚至造成尾水管撕裂、转轮叶片裂纹、厂房剧烈振动等破坏，危害极大。“尾水管偏心涡带压力脉动”又称“部分负荷压力脉动”，常出现在40％～80％导叶开度区。尾水管偏心涡带如图1照片所示，呈螺旋状。由空化空腔形成的涡带除自转外，还绕偏离于尾水管几何中心的“轴线”公转，故又被称为“螺旋进动式涡带”(见图2)。该类型涡带最突出的特征是其涡带“偏心”公转，其偏心距的大小又可近似的反映涡带压力脉动幅值的大小。
[0003] 尾水管偏心涡带压力脉动属低频压力脉动，其频率通常为水轮机转速频率的0.2～0.5倍。由于其频率低，压力脉动幅值大，国内的岩滩电站压力脉动幅值甚至高达电站水头的43.9％，破坏力惊人，因此倍受关注，国内外都进行了大量的研究和探索，发现了许多现象和规律，也积累了大量的研究资料和解决涡带稳定性问题的经验。
[0004] 但是，从已经公开的文献资料来看，这些研究还不够深入，尤其是缺乏对偏心涡带产生及危害机理的本质性认识，在如何减轻偏心涡带危害方面的研究进展缓慢。上世纪曾经在尾水管探索采用的同轴套筒、稳流片、导流栅等限制涡带措施因其降低效率、结构难稳固等问题被逐渐弃用，只有补气目前仍被广泛采用，但因其会造成效率下降而属于无奈选择。近20年来，尽管随着计算机CFD技术的快速发展和进步，通过对水轮机的优化设计，在水轮机效率提高、空化性能改善的基础上，其水力稳定性也相应有一定提高，偏心涡带压力脉动幅度有所降低，但这多属于连带效应，并不清楚是哪项改进起主要作用，带来何种效果，自然也难以推而广之。
[0005] 因此，有必要研究尾水管偏心涡带压力脉动的产生及危害机理，并在此基础上有针对性的提出减轻该压力脉动的有效措施和方法。
发明内容
[0006] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种减轻混流式水轮机尾水管偏心涡带危害的方法，该方法是在弄清尾水管偏心涡带的产生原因的基础上提出的，能够有效减轻甚至消除尾水管偏心涡带的危害。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种减轻混流式水轮机尾水管偏心涡带危害的方法，包括对水轮机的以下四个方面的优化：1)增大蜗壳末端直径，并从蜗壳进口到蜗壳末端等比例加大蜗壳的各断面直径；2)减小叶片的出水边与水平面之间的夹角；
3)选用比常规泄水锥更长的泄水锥；4)选用更高的尾水管。
[0008] 增大后的蜗壳末端直径比按等环量设计蜗壳末端直径大10％～15％。
[0009] 叶片的出水边与水平面之间的夹角由现有的10°～25°减小至8°～22°，并且越靠近上冠处夹角减小量越大。
[0010] 所选用是泄水锥长度达到转轮出口直径的0.2～0.3倍。
[0011] 所选用的尾水管高度达到或超过3倍转轮出口直径。
[0012] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明是在弄清混流式水轮机尾水管偏心涡带产生原因及危害机理的基础上提出的，是“对症下药”，可做到有的放矢，针对性强。2、本发明提出的减轻尾水管偏心涡带危害的措施和方法都比较具体，明确了改哪儿及如何改，可操作性比较强。
附图说明
[0013] 图1是混流式水轮机尾水管偏心涡带照片；
[0014] 图2是偏心涡带公转示意图；
[0015] 图3是混流式水轮机转轮进口径向流速分布图；
[0016] 图4是水轮机转轮出口流量分配不均匀示意图；
[0017] 图5是涡带压力脉动幅值随空化系数变化曲线；
[0018] 图6是混流式水轮机转轮结构示意图。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0020] 如图1所示，本发明提出了一种减轻混流式水轮机尾水管偏心涡带危害的方法，其包括对水轮机的以下四个方面的优化：
[0021] 1)优化水轮机蜗壳设计，适当增大蜗壳末端直径(比按等环量设计蜗壳末端直径增大10％～15％)，并从蜗壳进口到蜗壳末端等比例加大按等环量设计蜗壳的各断面直径，以加大蜗壳末端断面面积，加大其过流能力，使蜗壳各断面流速更均匀，并进而使进入转轮的水流更均匀和对称，以减小因流速不均匀带给转轮的径向力，减小尾水管涡带偏心距。
[0022] 2)将叶片2的出水边5和水平面夹角由10°～25°减小至8°～22°，越靠近上冠1处叶片出水边5和水平面的夹角减小越多，越靠近下环3处减小越少，甚至可以不减；其目的是为了减小围绕泄水锥6的环向流速，以减小涡带空腔尺寸，并进而减小涡带偏心距，降低偏心涡带压力脉动幅值。
[0023] 3)选用比常规泄水锥(其长度约为转轮出口直径的0.1～0.15倍)更长的泄水锥，使泄水锥长度达到转轮出口直径的0.2～0.3倍，以消耗更多从转轮流出水体残留的偏心力，使水流在离开泄水锥阻挡前降低流速高一侧的拥挤程度，减小离开泄水锥水流向不拥挤侧偏移的程度，即减小涡带偏心距；
[0024] 4)选用更高的尾水管，如使尾水管高度达到或超过3倍转轮出口直径，以增大涡带离尾水管底部及边壁的距离，减轻涡带对固定部分的影响，降低压力脉动和由其引起的振动幅值。
[0025] 本发明所提出的减轻混流式水轮机尾水管偏心涡带危害的方法，是基于“空腔危害水力机械稳定性理论”，是在分析尾水管偏心涡带的产生和危害机理的基础上提出的。根据“空腔危害水力机械稳定性理论”和对尾水管偏心涡带的深入研究，发现如下现象和规律：
[0026] (1)尾水管涡带，不管其是直涡，还是螺旋状偏心涡带，均产生于转轮出口环量，影响涡带中心区(涡心)流速最大的是转轮内侧(靠近转轮上冠1处)的出口环量；
[0027] (2)涡带偏心距是比空腔涡带直径更重要的参数；一般来说，偏心距越大，尾水管涡带压力脉动幅值越大，但涡带空腔直径大的压力脉动幅值不一定大；
[0028] (3)水轮机的蜗壳并非对称设计，其和固定导叶等引水部件形成的进入转轮的流速场和压力场也不对称(如图3所示)；引水部件不对称造成的流速沿圆周分布的不均匀传递给转轮，在转轮后形成图4所示的流量不均匀及转轮两侧的不对称(一侧流量大，水流较拥挤；另一侧流量小，水流较稀疏)，在离开转轮泄水锥的束缚时，势必会造成水流由流量大的一侧向流量小的一侧偏移，因此而产生涡带偏离旋转中心；流速不均匀程度越高，该偏心距越大；按常规等环量设计的蜗壳通常都存在蜗壳末端流速偏低的问题，是导致图3所示流速不均匀的主要原因；
[0029] (4)随着空化系数σ降低(既尾水吸出高度Hs增大)，涡带空腔直径增大，涡带偏心距也加大，涡带压力脉动可能会如图5所示大幅度上升；但是，随着σ进一步降低，压力脉动幅值又会掉头下降。
[0030] 本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。