一種減輕混流式水輪機尾水管偏心渦帶危害的方法與流程

本發明涉及一種減輕混流式水輪機尾水管偏心渦帶危害的方法，屬于水輪機技術領域。

背景技術：

混流式水輪機尾水管偏心渦帶是造成水輪機壓力脈動超標、水電站不能穩定運行的主要原因之一，給國內外許多水電站帶來了機組振動、擺度大和噪音大、廠房振動大等問題，有的甚至造成尾水管撕裂、轉輪葉片裂紋、廠房劇烈振動等破壞，危害極大。“尾水管偏心渦帶壓力脈動”又稱“部分負荷壓力脈動”，常出現在40％～80％導葉開度區。尾水管偏心渦帶如圖1照片所示，呈螺旋狀。由空化空腔形成的渦帶除自轉外，還繞偏離于尾水管幾何中心的“軸線”公轉，故又被稱為“螺旋進動式渦帶”(見圖2)。該類型渦帶最突出的特征是其渦帶“偏心”公轉，其偏心距的大小又可近似的反映渦帶壓力脈動幅值的大小。

尾水管偏心渦帶壓力脈動屬低頻壓力脈動，其頻率通常為水輪機轉速頻率的0.2～0.5倍。由于其頻率低，壓力脈動幅值大，國內的巖灘電站壓力脈動幅值甚至高達電站水頭的43.9％，破壞力驚人，因此倍受關注，國內外都進行了大量的研究和探索，發現了許多現象和規律，也積累了大量的研究資料和解決渦帶穩定性問題的經驗。

但是，從已經公開的文獻資料來看，這些研究還不夠深入，尤其是缺乏對偏心渦帶產生及危害機理的本質性認識，在如何減輕偏心渦帶危害方面的研究進展緩慢。上世紀曾經在尾水管探索采用的同軸套筒、穩流片、導流柵等限制渦帶措施因其降低效率、結構難穩固等問題被逐漸棄用，只有補氣目前仍被廣泛采用，但因其會造成效率下降而屬于無奈選擇。近20年來，盡管隨著計算機CFD技術的快速發展和進步，通過對水輪機的優化設計，在水輪機效率提高、空化性能改善的基礎上，其水力穩定性也相應有一定提高，偏心渦帶壓力脈動幅度有所降低，但這多屬于連帶效應，并不清楚是哪項改進起主要作用，帶來何種效果，自然也難以推而廣之。

因此，有必要研究尾水管偏心渦帶壓力脈動的產生及危害機理，并在此基礎上有針對性的提出減輕該壓力脈動的有效措施和方法。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的目的是提供一種減輕混流式水輪機尾水管偏心渦帶危害的方法，該方法是在弄清尾水管偏心渦帶的產生原因的基礎上提出的，能夠有效減輕甚至消除尾水管偏心渦帶的危害。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：一種減輕混流式水輪機尾水管偏心渦帶危害的方法，包括對水輪機的以下四個方面的優化：1)增大蝸殼末端直徑，并從蝸殼進口到蝸殼末端等比例加大蝸殼的各斷面直徑；2)減小葉片的出水邊與水平面之間的夾角；3)選用比常規泄水錐更長的泄水錐；4)選用更高的尾水管。

增大后的蝸殼末端直徑比按等環量設計蝸殼末端直徑大10％～15％。

葉片的出水邊與水平面之間的夾角由現有的10°～25°減小至8°～22°，并且越靠近上冠處夾角減小量越大。

所選用是泄水錐長度達到轉輪出口直徑的0.2～0.3倍。

所選用的尾水管高度達到或超過3倍轉輪出口直徑。

本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點：1、本發明是在弄清混流式水輪機尾水管偏心渦帶產生原因及危害機理的基礎上提出的，是“對癥下藥”，可做到有的放矢，針對性強。2、本發明提出的減輕尾水管偏心渦帶危害的措施和方法都比較具體，明確了改哪兒及如何改，可操作性比較強。

附圖說明

圖1是混流式水輪機尾水管偏心渦帶照片；

圖2是偏心渦帶公轉示意圖；

圖3是混流式水輪機轉輪進口徑向流速分布圖；

圖4是水輪機轉輪出口流量分配不均勻示意圖；

圖5是渦帶壓力脈動幅值隨空化系數變化曲線；

圖6是混流式水輪機轉輪結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。

如圖1所示，本發明提出了一種減輕混流式水輪機尾水管偏心渦帶危害的方法，其包括對水輪機的以下四個方面的優化：

1)優化水輪機蝸殼設計，適當增大蝸殼末端直徑(比按等環量設計蝸殼末端直徑增大10％～15％)，并從蝸殼進口到蝸殼末端等比例加大按等環量設計蝸殼的各斷面直徑，以加大蝸殼末端斷面面積，加大其過流能力，使蝸殼各斷面流速更均勻，并進而使進入轉輪的水流更均勻和對稱，以減小因流速不均勻帶給轉輪的徑向力，減小尾水管渦帶偏心距。

2)將葉片2的出水邊5和水平面夾角由10°～25°減小至8°～22°，越靠近上冠1處葉片出水邊5和水平面的夾角減小越多，越靠近下環3處減小越少，甚至可以不減；其目的是為了減小圍繞泄水錐6的環向流速，以減小渦帶空腔尺寸，并進而減小渦帶偏心距，降低偏心渦帶壓力脈動幅值。

3)選用比常規泄水錐(其長度約為轉輪出口直徑的0.1～0.15倍)更長的泄水錐，使泄水錐長度達到轉輪出口直徑的0.2～0.3倍，以消耗更多從轉輪流出水體殘留的偏心力，使水流在離開泄水錐阻擋前降低流速高一側的擁擠程度，減小離開泄水錐水流向不擁擠側偏移的程度，即減小渦帶偏心距；

4)選用更高的尾水管，如使尾水管高度達到或超過3倍轉輪出口直徑，以增大渦帶離尾水管底部及邊壁的距離，減輕渦帶對固定部分的影響，降低壓力脈動和由其引起的振動幅值。

本發明所提出的減輕混流式水輪機尾水管偏心渦帶危害的方法，是基于“空腔危害水力機械穩定性理論”，是在分析尾水管偏心渦帶的產生和危害機理的基礎上提出的。根據“空腔危害水力機械穩定性理論”和對尾水管偏心渦帶的深入研究，發現如下現象和規律：

(1)尾水管渦帶，不管其是直渦，還是螺旋狀偏心渦帶，均產生于轉輪出口環量，影響渦帶中心區(渦心)流速最大的是轉輪內側(靠近轉輪上冠1處)的出口環量；

(2)渦帶偏心距是比空腔渦帶直徑更重要的參數；一般來說，偏心距越大，尾水管渦帶壓力脈動幅值越大，但渦帶空腔直徑大的壓力脈動幅值不一定大；

(3)水輪機的蝸殼并非對稱設計，其和固定導葉等引水部件形成的進入轉輪的流速場和壓力場也不對稱(如圖3所示)；引水部件不對稱造成的流速沿圓周分布的不均勻傳遞給轉輪，在轉輪后形成圖4所示的流量不均勻及轉輪兩側的不對稱(一側流量大，水流較擁擠；另一側流量小，水流較稀疏)，在離開轉輪泄水錐的束縛時，勢必會造成水流由流量大的一側向流量小的一側偏移，因此而產生渦帶偏離旋轉中心；流速不均勻程度越高，該偏心距越大；按常規等環量設計的蝸殼通常都存在蝸殼末端流速偏低的問題，是導致圖3所示流速不均勻的主要原因；

(4)隨著空化系數σ降低(既尾水吸出高度H_s增大)，渦帶空腔直徑增大，渦帶偏心距也加大，渦帶壓力脈動可能會如圖5所示大幅度上升；但是，隨著σ進一步降低，壓力脈動幅值又會掉頭下降。

本發明僅以上述實施例進行說明，各部件的結構、設置位置及其連接都是可以有所變化的。在本發明技術方案的基礎上，凡根據本發明原理對個別部件進行的改進或等同變換，均不應排除在本發明的保護范圍之外。