CN109441691A - 一种尾水管带整流板混流式水轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种尾水管带整流板混流式水轮机，该水轮机的过流域包括依次连接的蜗壳(1)、导叶域(2)、转轮(4)和带整流板(8)的尾水管(7)；其中，尾水管(7)直锥段扩散角为β1＝6°，尾水管内设有带圆弧侧的梯形截面整流板(8)，各整流板(8)围绕水轮机轴线内贴尾水管(7)内壁周向布置，整流板(8)靠近轴端锥角β2＝9°，整流板(8)厚度控制方向为β3＝10°，且整流板(8)个数为4～6个。本发明在改善转轮非稳态流场以提高水轮机运行性能的同时，旨在提高尾水管能量恢复系数及改善或消除非设计工况下尾水管内涡流现象，该思想具有普适性，尤其针对诸如带尾水管的各形式水泵、水轮机及可逆式水泵水轮机机组。

Description

一种尾水管带整流板混流式水轮机
技术领域
本发明属于水力机械技术领域，特别是涉及一种尾水管带整流板混流式水轮机。
背景技术
水力发电作为可再生能源，对环境冲击较小。除可提供廉价电力外，还具有能控制洪水泛滥、提供灌溉用水、改善河流航运等优点。混流式水轮机是当下水力发电***水轮机研究、设计、制造水平的标准及代表机型，其在向高效率、大容量目标发展的同时，亦对其整机的可靠性、稳定性、安全性等提出了更高的要求。
中国专利申请201210209725.2公开了一种水轮机尾水管涡流发生器，用于产生一系列小涡，以中和水轮机尾水管自身的涡，该结构简单且安装灵活，但是该装置需要水流绕流才会产生涡旋，且新涡与尾水管自身涡中和是一个极为复杂的过程，将会产生二次效应损失。中国专利申请201410243350.0公开了一种用于水轮机的尾水管，在尾水管的通道内设有前后两端开口的整流筒，以抑制偏心涡带的产生及影响，然而大部分研究成果显示尾水管涡带首先出现位置靠近转轮出口，该装置所处位置只能对涡带末端涡流产生影响，且该装置需固定杆与尾水管壁面连接，一方面额外的部件加入增加了结构的复杂性，另一方面位于流场中的连接杆亦会对尾水管内流产生影响，对于第二种连接方式为连接杆固定于地面，增加了内流与外界的密封工作。中国专利申请201611243124.8公开了一种带球面螺旋形叶片的冷却塔用双转轮水轮机，其在尾水管中设置螺旋叶片随着转轮以相同的速度旋转增加了出力，但其结构复杂，加工困难造价高，额外的转轮对轴等外结构部件性能要求提高，额外增加出水管增大了机组所需空间，且转轮叶片出流速度方向撞击螺旋叶片引起该过流段损失增大，整个内流场不稳定性增强等等。
综上所述，在改善水轮机内流态特性以提高水轮机运行性能的基础上，需要针对现有技术的不足，提出一种能够提高水轮机尾水管能量恢复系数和改善其内部流场稳定性的有效、简易处理对策。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术所存在的不足，提供了一种尾水管带整流板混流式水轮机，其能够在实现水流能高效转换的基础上，解决水轮机尾水管内流场涡流问题，从而提高机组的运行稳定性。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种尾水管带整流板混流式水轮机，该水轮机的过流域包括依次连接的蜗壳、导叶域、转轮和带整流板的尾水管；其中，
尾水管直锥段扩散角为β1＝6°，尾水管内设有带圆弧侧的梯形截面整流板，各整流板围绕水轮机轴线内贴尾水管内壁周向布置，整流板靠近轴端锥角β2＝9°，整流板厚度控制方向为β3＝10°，且整流板个数为4～6个。
本发明进一步的改进在于，整流板的截面为梯形，以L1为母线围绕水轮机轴线旋转β3得到L2边，所扫掠范围即为整流板厚度；整流板L3侧与尾水管贴合，靠近水轮机轴线侧梯形边L4型线为y＝3.335x+31.72，L5侧与尾水管出口平齐。
本发明进一步的改进在于，蜗壳为包角式蜗壳，其截面为椭圆型，且各椭圆长短比等于1.618，蜗壳椭圆截面积绕圆周方向变化趋势方程为：y＝-0.041x+0.239，蜗壳的包角为315°～335°。
本发明进一步的改进在于，导叶域内周向均布有若干曲率叶型导叶，单列导叶的个数为16，导叶分布圆直径DV与转轮进口直径DI比值为2.1916，导叶喉部直径DT与转轮进口直径DI比值为0.0825。
本发明进一步的改进在于，转轮进口高度B3与转轮进口直径DI比值为0.096，转轮出口直径DP与转轮进口直径DI比值为0.513。
本发明进一步的改进在于，转轮叶片由若干长叶片和短叶片间隔组成，且转轮的长叶片和短叶片按1：1间隔布置，长叶片和短叶片出流直径比为0.336，长叶片包角α＝65°～85°。
与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
第一，本发明提出的一种尾水管带整流板混流式水轮机运行稳定，对水流能的转换率高，长短叶片设置可使转轮的设计尺寸减小，从而缩小了水轮机整体尺寸，降低造价。
第二，本发明提出的尾水管内附梯形整流板结构，提高了尾水管能量恢复系数，改善甚至消除非设计工况下尾水管内涡流现象，从而降低了内流损失，一方面提高了水轮机运行效率，另一方面提高了整个水力发电机组运行稳定性，延长了机组寿命。
第三，本发明提出的尾水管内附梯形整流板结构具有普适性，尤其针对诸如带尾水管的各形式水泵、水轮机及可逆式水泵水轮机机组，在转轮出口将涡流结构进行分离并整流的方式，对各水力机械的稳定性研究有一定的参考价值。
附图说明
图1为本发明提出的一种尾水管带整流板混流式水轮机结构示意图。
图2为转轮长叶片截面图。
图3为转轮长、短叶片前视图。
图4为负曲率叶型导叶型线示意图。
图5为尾水管俯视图。
图6为尾水管前视图。
附图标记说明：1-蜗壳，2-导叶域，3-导叶，4-转轮，5-短叶片，6-长叶片，7-尾水管，8-整流板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供的一种尾水管带整流板混流式水轮机，包括依次连接的蜗壳1、导叶域2、转轮4和尾水管7，所述蜗壳1截面为椭圆型，其出口环面与导叶域2进口环面连接；所述导叶域2包含周向均布的16个负曲率叶型导叶3，水流通过导叶3喉部进入转轮4，转轮4由9个短叶片5和9个长叶片6间隔组成，水流对转轮4作功，使得转轮带动与电动机相连接的轴旋转，实现水流能到机械能的转换；转轮4出流经由尾水管7流出，所述尾水管7内壁附有整流板8，梯形整流板8设置用于阻止转轮出口涡带的形成，从而改善尾水管内流态，以提高尾水管能量恢复系数的同时，有益于提高水轮机整体运行稳定性。
本发明的实现原理是：
本发明提出的一种尾水管带整流板混流式水轮机，为在提高水轮机运行效率的基础上提升运行稳定性，转轮4内设置间隔布置的长叶片6、短叶片5以改善转轮内流场；巧妙地运用了锥形叶片均匀分布设置在尾水管7周向内壁上，以分离转轮出流周向速度，组织涡流的形成，且该锥形叶片有导流与整流的作用，从而很好的解决了由于改善转轮流场特性引起的尾水管内流二次效应，很大程度上提高了水轮机性能。
实施例
本发明提供一种尾水管带整流板混流式水轮机的进一步优选方案是：尾水管直锥段扩散角为β1＝6°，尾水管内设有带圆弧侧的梯形截面整流板，各整流板围绕水轮机轴线内贴尾水管内壁周向布置，整流板靠近轴端锥角β2＝9°，整流板厚度控制方向为β3＝10°，整流板个数为4个。
整流板截面为梯形，以L1为母线围绕轴线旋转β3得到L2边，所扫掠范围即为整流板厚度；整流板L3侧与尾水管贴合，靠近水轮机轴线侧梯形边L4型线方程为y＝3.335x+31.72，L5侧与尾水管出口平齐。
包角式蜗壳截面为椭圆型，且各椭圆长短比等于1.618，蜗壳椭圆截面积绕圆周方向变化趋势方程为：y＝-0.041x+0.239，其包角为318°。
转轮长叶片6为三维扭曲曲面，以叶片高度方向按照骨线均分四个截面，虚线所示为各截面叶片所在型线。
短叶片5与长叶片6叶型一致，转轮长短叶片按1：1间隔布置，且长短叶片出流直径比为0.336，长叶片包角α＝70°。
单列负曲率叶型导叶按圆周方向均布16个，导叶3分布圆直径DV与转轮进口直径DI比值为2.1916，导叶3喉部直径DT与转轮进口直径DI比值为0.0825。
本发明的具体实施中未涉及的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。本发明经反复试验验证取得了满意的应用效果，实施例所述的一种尾水管带整流板结构的思想适用于各带尾水管水力机械。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种尾水管带整流板混流式水轮机的技术思想的具体支持，不能以此来限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (6)

1.一种尾水管带整流板混流式水轮机，其特征在于，该水轮机的过流域包括依次连接的蜗壳(1)、导叶域(2)、转轮(4)和带整流板(8)的尾水管(7)；其中，
尾水管(7)直锥段扩散角为β1＝6°，尾水管内设有带圆弧侧的梯形截面整流板(8)，各整流板(8)围绕水轮机轴线内贴尾水管(7)内壁周向布置，整流板(8)靠近轴端锥角β2＝9°，整流板(8)厚度控制方向为β3＝10°，且整流板(8)个数为4～6个。
2.根据权利要求1所述的一种尾水管带整流板混流式水轮机，其特征在于，整流板(8)的截面为梯形，以L1为母线围绕水轮机轴线旋转β3得到L2边，所扫掠范围即为整流板(8)厚度；整流板(8)L3侧与尾水管(7)贴合，靠近水轮机轴线侧梯形边L4型线方程为y＝3.335x+31.72，L5侧与尾水管出口平齐。
3.根据权利要求1所述的一种尾水管带整流板混流式水轮机，其特征在于，蜗壳(1)为包角式蜗壳，其截面为椭圆型，且各椭圆长短比等于1.618，蜗壳椭圆截面积绕圆周方向变化趋势方程为：y＝-0.041x+0.239，蜗壳(1)的包角为315°～335°。
4.根据权利要求1所述的一种尾水管带整流板混流式水轮机，其特征在于，导叶域(2)内周向均布有若干负曲率叶型导叶(3)，单列导叶(3)的个数为16，导叶(3)分布圆直径DV与转轮进口直径DI比值为2.1916，导叶(3)喉部直径DT与转轮进口直径DI比值为0.0825。
5.根据权利要求1所述的一种尾水管带整流板混流式水轮机，其特征在于，转轮(4)进口高度B3与转轮进口直径DI比值为0.096，转轮出口直径DP与转轮进口直径DI比值为0.513。
6.根据权利要求1所述的一种尾水管带整流板混流式水轮机，其特征在于，转轮叶片由若干长叶片(6)和短叶片(5)间隔组成，且转轮(4)的长叶片(6)和短叶片(5)按1：1间隔布置，长叶片(6)和短叶片(5)出流直径比为0.336，长叶片(6)包角α＝65°～85°。
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