本發(fā)明涉及一種減輕混流式水輪機(jī)尾水管偏心渦帶危害的方法，屬于水輪機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

混流式水輪機(jī)尾水管偏心渦帶是造成水輪機(jī)壓力脈動(dòng)超標(biāo)、水電站不能穩(wěn)定運(yùn)行的主要原因之一，給國(guó)內(nèi)外許多水電站帶來(lái)了機(jī)組振動(dòng)、擺度大和噪音大、廠房振動(dòng)大等問(wèn)題，有的甚至造成尾水管撕裂、轉(zhuǎn)輪葉片裂紋、廠房劇烈振動(dòng)等破壞，危害極大?！拔菜芷臏u帶壓力脈動(dòng)”又稱(chēng)“部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)”，常出現(xiàn)在40％～80％導(dǎo)葉開(kāi)度區(qū)。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(zhuǎn)外，還繞偏離于尾水管幾何中心的“軸線”公轉(zhuǎn)，故又被稱(chēng)為“螺旋進(jìn)動(dòng)式渦帶”(見(jiàn)圖2)。該類(lèi)型渦帶最突出的特征是其渦帶“偏心”公轉(zhuǎn)，其偏心距的大小又可近似的反映渦帶壓力脈動(dòng)幅值的大小。

尾水管偏心渦帶壓力脈動(dòng)屬低頻壓力脈動(dòng)，其頻率通常為水輪機(jī)轉(zhuǎn)速頻率的0.2～0.5倍。由于其頻率低，壓力脈動(dòng)幅值大，國(guó)內(nèi)的巖灘電站壓力脈動(dòng)幅值甚至高達(dá)電站水頭的43.9％，破壞力驚人，因此倍受關(guān)注，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了大量的研究和探索，發(fā)現(xiàn)了許多現(xiàn)象和規(guī)律，也積累了大量的研究資料和解決渦帶穩(wěn)定性問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)。

但是，從已經(jīng)公開(kāi)的文獻(xiàn)資料來(lái)看，這些研究還不夠深入，尤其是缺乏對(duì)偏心渦帶產(chǎn)生及危害機(jī)理的本質(zhì)性認(rèn)識(shí)，在如何減輕偏心渦帶危害方面的研究進(jìn)展緩慢。上世紀(jì)曾經(jīng)在尾水管探索采用的同軸套筒、穩(wěn)流片、導(dǎo)流柵等限制渦帶措施因其降低效率、結(jié)構(gòu)難穩(wěn)固等問(wèn)題被逐漸棄用，只有補(bǔ)氣目前仍被廣泛采用，但因其會(huì)造成效率下降而屬于無(wú)奈選擇。近20年來(lái)，盡管隨著計(jì)算機(jī)CFD技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步，通過(guò)對(duì)水輪機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在水輪機(jī)效率提高、空化性能改善的基礎(chǔ)上，其水力穩(wěn)定性也相應(yīng)有一定提高，偏心渦帶壓力脈動(dòng)幅度有所降低，但這多屬于連帶效應(yīng)，并不清楚是哪項(xiàng)改進(jìn)起主要作用，帶來(lái)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(dòng)的產(chǎn)生及危害機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上有針對(duì)性的提出減輕該壓力脈動(dòng)的有效措施和方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種減輕混流式水輪機(jī)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(chǎn)生原因的基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種減輕混流式水輪機(jī)尾水管偏心渦帶危害的方法，包括對(duì)水輪機(jī)的以下四個(gè)方面的優(yōu)化：1)增大蝸殼末端直徑，并從蝸殼進(jìn)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(guī)泄水錐更長(zhǎng)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(huán)量設(shè)計(jì)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(xiàn)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(zhǎng)度達(dá)到轉(zhuǎn)輪出口直徑的0.2～0.3倍。

所選用的尾水管高度達(dá)到或超過(guò)3倍轉(zhuǎn)輪出口直徑。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明是在弄清混流式水輪機(jī)尾水管偏心渦帶產(chǎn)生原因及危害機(jī)理的基礎(chǔ)上提出的，是“對(duì)癥下藥”，可做到有的放矢，針對(duì)性強(qiáng)。2、本發(fā)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(qiáng)。

附圖說(shuō)明

圖1是混流式水輪機(jī)尾水管偏心渦帶照片；

圖2是偏心渦帶公轉(zhuǎn)示意圖；

圖3是混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)口徑向流速分布圖；

圖4是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口流量分配不均勻示意圖；

圖5是渦帶壓力脈動(dòng)幅值隨空化系數(shù)變化曲線；

圖6是混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明提出了一種減輕混流式水輪機(jī)尾水管偏心渦帶危害的方法，其包括對(duì)水輪機(jī)的以下四個(gè)方面的優(yōu)化：

1)優(yōu)化水輪機(jī)蝸殼設(shè)計(jì)，適當(dāng)增大蝸殼末端直徑(比按等環(huán)量設(shè)計(jì)蝸殼末端直徑增大10％～15％)，并從蝸殼進(jìn)口到蝸殼末端等比例加大按等環(huán)量設(shè)計(jì)蝸殼的各斷面直徑，以加大蝸殼末端斷面面積，加大其過(guò)流能力，使蝸殼各斷面流速更均勻，并進(jìn)而使進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水流更均勻和對(duì)稱(chēng)，以減小因流速不均勻帶給轉(zhuǎn)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(huán)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(huán)向流速，以減小渦帶空腔尺寸，并進(jìn)而減小渦帶偏心距，降低偏心渦帶壓力脈動(dòng)幅值。

3)選用比常規(guī)泄水錐(其長(zhǎng)度約為轉(zhuǎn)輪出口直徑的0.1～0.15倍)更長(zhǎng)的泄水錐，使泄水錐長(zhǎng)度達(dá)到轉(zhuǎn)輪出口直徑的0.2～0.3倍，以消耗更多從轉(zhuǎn)輪流出水體殘留的偏心力，使水流在離開(kāi)泄水錐阻擋前降低流速高一側(cè)的擁擠程度，減小離開(kāi)泄水錐水流向不擁擠側(cè)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(dá)到或超過(guò)3倍轉(zhuǎn)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(duì)固定部分的影響，降低壓力脈動(dòng)和由其引起的振動(dòng)幅值。

本發(fā)明所提出的減輕混流式水輪機(jī)尾水管偏心渦帶危害的方法，是基于“空腔危害水力機(jī)械穩(wěn)定性理論”，是在分析尾水管偏心渦帶的產(chǎn)生和危害機(jī)理的基礎(chǔ)上提出的。根據(jù)“空腔危害水力機(jī)械穩(wěn)定性理論”和對(duì)尾水管偏心渦帶的深入研究，發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象和規(guī)律：

(1)尾水管渦帶，不管其是直渦，還是螺旋狀偏心渦帶，均產(chǎn)生于轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量，影響渦帶中心區(qū)(渦心)流速最大的是轉(zhuǎn)輪內(nèi)側(cè)(靠近轉(zhuǎn)輪上冠1處)的出口環(huán)量；

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

(3)水輪機(jī)的蝸殼并非對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，其和固定導(dǎo)葉等引水部件形成的進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的流速場(chǎng)和壓力場(chǎng)也不對(duì)稱(chēng)(如圖3所示)；引水部件不對(duì)稱(chēng)造成的流速沿圓周分布的不均勻傳遞給轉(zhuǎn)輪，在轉(zhuǎn)輪后形成圖4所示的流量不均勻及轉(zhuǎn)輪兩側(cè)的不對(duì)稱(chēng)(一側(cè)流量大，水流較擁擠；另一側(cè)流量小，水流較稀疏)，在離開(kāi)轉(zhuǎn)輪泄水錐的束縛時(shí)，勢(shì)必會(huì)造成水流由流量大的一側(cè)向流量小的一側(cè)偏移，因此而產(chǎn)生渦帶偏離旋轉(zhuǎn)中心；流速不均勻程度越高，該偏心距越大；按常規(guī)等環(huán)量設(shè)計(jì)的蝸殼通常都存在蝸殼末端流速偏低的問(wèn)題，是導(dǎo)致圖3所示流速不均勻的主要原因；

(4)隨著空化系數(shù)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(dòng)可能會(huì)如圖5所示大幅度上升；但是，隨著σ進(jìn)一步降低，壓力脈動(dòng)幅值又會(huì)掉頭下降。

本發(fā)明僅以上述實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，各部件的結(jié)構(gòu)、設(shè)置位置及其連接都是可以有所變化的。在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對(duì)個(gè)別部件進(jìn)行的改進(jìn)或等同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。