一种尾水管的混合消除涡带装置的制作方法

1.本发明涉及一种尾水管的混合消除涡带装置，属于流体机械技术领域。


背景技术：

2.尾水管是水轮机中重要的能量回收部件，其性能好坏直接决定水轮机机组的总效率。尾水管的工作效率和稳定性，主要取决于内部水流特性。通常情况下，尾水管内部水流运动十分复杂，不同方向上有不同的压力梯度，同时还伴有尾迹及流道中的“马蹄涡”和“削状涡”，流动有强烈的旋涡性，是非常复杂的三维非定常粘性流体运动，也不方便应用先进的技术设备模拟与检测。
3.因此，为了改变尾水管内水流的这种旋涡，提高流动稳定性的效果，近年来涡流发生器在水动力学中的应用研究逐渐展开。涡流发生器是一种边界层控制装置，其作用一方面通过小平板产生尾涡来搅动分离区内的流动，使远离边界层的高能水流与近壁区域的低能水流混合，进而增大近壁低能流体的能量；另一方面利用小平板产生的尾涡可以阻隔流体的外溢流动，防止低能流体在外侧的堆积，从而进一步增大主流区的动能，同时减小了阻力。
4.授权公告号为cn104121138b的中国发明专利一种具有漩涡抑制作用的水轮机尾水管，其公开了一种具有抑制漩涡作用的尾水管，属于水轮机技术领域。该尾水管包括尾水管进口、上圆锥段、中圆锥段、下圆锥段、肘管段、尾水管出口以及设置在中圆锥段内壁面上的至少一个漩涡抑制装置，优选为2～6个；上圆锥段、中圆锥段和下圆锥段共轴线。每个漩涡抑制装置呈分半结构，且沿圆周方向均匀分布，该分半结构沿轴线纵断面的形状为梯形。本发明的漩涡抑制装置不易受水流作用的损坏，所占体积较小，在抑制水轮机部分负荷工况下漩涡作用的同时不影响水轮机在其它工况下的水力性能，并可明显地抑制水流沿圆周方向的运动，缓解水轮机的水压脉动，从而改善水轮机运行的稳定性，扩大水轮机的安全运行范围与工况调节能力。
5.但是，单纯仅靠涡流发生器，还不足以应对工况复杂情况下的涡流。例如，在尾水管内的水流量较小的情况下，尾水管内的流态差，产生的漩涡较多，将会引起剧烈的水压脉动，就会导致水轮机机组效率较低；严重的，甚至会影响水电站机组的安全运行。


技术实现要素：

6.为了克服上述问题，本发明提供一种尾水管的混合消除涡带装置，该尾水管的混合消除涡带装置结构简单、安装方便、维护经济、取材广泛，对不同水头、不同工况的水电机组，都有提高水轮机尾水管能量恢复系数和改善其稳定性的作用。涡流发生器叶片的体积小，在使用过程中不易产生泥沙和杂质的沉积，所以维护方便、成本低廉。
7.本发明的技术方案如下：
8.一种尾水管的混合消除涡带装置，其设置在尾水管的扩散段内，包括涡流发生器和消涡装置；所述涡流发生器包括至少三对均匀间隔固定在所述扩散段内周壁上的金属叶
片；所述消涡装置位于所述涡流发生器后侧；所述消涡装置包括伞形消涡机构和固定支架；所述伞形消涡机构包括基座和消涡板；所述固定支架竖直固定在所述扩散段内周壁上；所述基座固定在所述固定支架上；所述基座位于所述扩散段的中轴线上；至少三个所述消涡板前端设置在所述基座的外周；所述消涡板末端朝向所述扩散段末端，且所述消涡板末端远离所述扩散段的中轴线。
9.进一步的，所述伞形消涡机构还包括连杆、齿条、齿轮、主轴以及驱动装置；所述连杆数量与所述消涡板数量相同；两所述固定支架分别竖直固定在所述扩散段内周壁上；所述基座固定在位于前侧的所述固定支架上；所述主轴位于所述扩散段的中轴线上，且所述主轴的前端固定在所述基座上，后端固定在位于后侧的所述固定支架上；所述消涡板前端铰接在所述基座的外周；所述连杆前端铰接在所述消涡板中部，所述连杆后端铰接在所述齿条前端；所述齿条滑动套设在所述主轴上；所述齿轮固定在所述驱动装置的转轴上；所述齿轮与所述齿条啮合。
10.进一步的，所述驱动装置包括热交换容器、驱动杆、所述转轴以及u型柄；所述热交换容器固定在流道的外壁面上；所述热交换容器内壁活动设置一绝热隔板；所述绝热隔板将所述热交换容器内部分隔为前室和后室；所述前室贴近所述流道设置；所述后室远离所述流道一侧连通一活塞室；所述活塞室内活动设置有活动块；所述转轴穿过所述扩散段的管壁；所述转轴一侧末端固定有所述齿轮，另一侧固定有所述u型柄；所述驱动杆一端与所述活动块铰接，另一端与所述u型柄中部铰接；所述u型柄的两支耳垂直与所述转轴的轴线。
11.进一步的，还包括一支撑管；所述支撑管穿过所述扩散段的管壁设置；所述转轴转动设置在所述支撑管内。
12.进一步的，所述驱动装置还包括一恒温热源；所述恒温热源贴合固定在所述热交换容器远离所述流道的一侧。
13.进一步的，所述转轴与所述支撑管之间沿所述转轴的轴向均匀间隔设置有多个密封圈。
14.进一步的，所述消涡板呈平行四边形状；平行四边形状的所述消涡板的短边铰接在所述基座上。
15.进一步的，所述涡流发生器设置有三个；所述金属叶片呈直角三角状；所述金属叶片的厚度为1mm～2mm；所述金属叶片的直角长边l固定在所述扩散段的内周壁上，所述金属叶片的直角短边h远离所述尾水管的入水口；所述金属叶片的直角长边l为所述尾水管的水流主旋涡涡长γ的1/50～1/40；所述金属叶片的直角短边h为所述尾水管的入水口直径d的1/20～1/15；所述金属叶片的直角长边l与所述金属叶片的斜边c的夹角α为20
°
。
16.进一步的，所述金属叶片垂直于所述扩散段的内周壁；所述伞形消涡机构前端位于所述金属叶片的直角短边h的正下方；成对设置的两所述金属叶片镜面对称；成对设置的两所述金属叶片之间的夹角β为20
°
。
17.进一步的，所述消涡板设置有三个；三个所述消涡板与三个所述涡流发生器相互交错设置。
18.本发明具有如下有益效果：
19.1、本发明的尾水管的混合消除涡带装置结构简单、安装方便、维护经济、取材广泛，对不同水头、不同工况的水电机组，都有提高水轮机尾水管能量恢复系数和改善其稳定
性的作用。涡流发生器叶片的体积小，在使用过程中不易产生泥沙和杂质的沉积，所以维护方便、成本低廉。
20.2、本发明可以改善水轮机尾水管工作的稳定性，提高整个水力发电机组运行的稳定性，延长机组的寿命，减少设备的维修次数，降低水电系统的维护费用、节约了成本。同时，本发明提高了水的利用率，在资源日益短缺的今天有着重要的工程实际意义。
21.3、消涡板可以改善尾水管漩涡的产生，水流经过消涡板后分为两部分，一部分水流则绕过消涡板后向上翻滚，形成板后旋涡，消除水流中的残余能量，另一部分稳定均匀的水流向下运动，流向下游。
22.4、本发明设置可自动开合的伞形消涡板，操作灵活，可根据具体流量使消涡板呈具体角度，扩大了水轮机机组的高效率区。
23.5、在小流量工况下，尾水管内流量小，流态差，产生的漩涡较多，水轮机机组效率较低，此时伞形消涡板自动张开，配合涡流发生器改善涡带产生。当尾水管内流量上升到规定值时，涡带几乎消失，伞形消涡板自动关闭，保证不干扰水流迅速排出。
附图说明
24.图1为本发明的整体结构示意图。
25.图2为图1的俯视图。
26.图3为尾水管的内部结构示意图。
27.图4为本发明的伞形消涡机构处于打开状态时的结构示意图。
28.图5为图4的a处的局部放大图。
29.图6为本发明的伞形消涡机构处于闭合状态时的结构示意图。
30.图7为本发明的驱动装置与消涡装置的配合示意图。
31.图8为图7的b处的局部放大图。
32.图9为消涡装置与涡流发生器的结构示意图。
33.图10为金属叶片的结构示意图。
34.图中附图标记表示为：
35.1、尾水管；11、扩散段；12、涡流发生器；13、金属叶片；14、支撑管；15、流道；2、消涡装置；21、伞形消涡机构；22、固定支架；23、基座；24、消涡板；25、连杆；26、齿条；27、齿轮；28、主轴；3、驱动装置；31、热交换容器；32、绝热隔板；33、活塞室；34、活动块；35、驱动杆；36、恒温热源；37、转轴；38、u型柄。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
37.参见图1-10，一种尾水管的混合消除涡带装置，其设置在尾水管1的扩散段11内，包括涡流发生器12和消涡装置2；所述涡流发生器12包括至少三对均匀间隔固定在所述扩散段11内周壁上的金属叶片13；所述消涡装置2位于所述涡流发生器12后侧；所述消涡装置2包括伞形消涡机构21和固定支架22；所述伞形消涡机构21包括基座23和消涡板24；所述固定支架22竖直固定在所述扩散段11内周壁上；所述基座23固定在所述固定支架22上；所述基座23位于所述扩散段11的中轴线上；至少三个所述消涡板24前端设置在所述基座23的外
周；所述消涡板24末端朝向所述扩散段11末端，且所述消涡板24末端远离所述扩散段11的中轴线。
38.根据上述描述，该尾水管的混合消除涡带装置包括涡流发生器12和消涡装置2。涡流发生器12包括至少三对金属叶片13。消涡装置2位于涡流发生器12后侧，包括伞形消涡机构21和固定支架22，固定支架22用于固定支撑伞形消涡机构21。伞形消涡机构21位于扩散段11的中轴线上，包括基座23和消涡板24；消涡板24前端设置在基座23的外周，后端沿扩散段11的中轴线向后、向外延伸，使得整个伞形消涡机构21散开呈伞状。
39.涡流发生器12一方面通过金属叶片13产生尾涡，来搅动分离区内的流动，使远离边界层的高能水流与近壁区域的低能水流混合，进而增大近壁低能流体的能量；另一方面，利用金属叶片13产生的尾涡可以阻隔流体的外溢流动，防止低能流体在外侧的堆积，从而进一步增大主流区的动能，同时减小了阻力。消涡板24可以改善尾水管1内漩涡的产生，水流经过消涡板24后将会分为两部分，一部分水流绕过消涡板24后向上翻滚，形成板后旋涡，以消除水流中的残余能量；另一部分稳定均匀的水流向下运动，流向下游。以此，来提高水轮机尾水管1的能量恢复系数，同时改善其稳定性。
40.进一步的，所述伞形消涡机构21还包括连杆25、齿条26、齿轮27、主轴28以及驱动装置3；所述连杆25数量与所述消涡板24数量相同；两所述固定支架22分别竖直固定在所述扩散段11内周壁上；所述基座23固定在位于前侧的所述固定支架22上；所述主轴28位于所述扩散段11的中轴线上，且所述主轴28的前端固定在所述基座23上，后端固定在位于后侧的所述固定支架22上；所述消涡板24前端铰接在所述基座23的外周；所述连杆25前端铰接在所述消涡板24中部，所述连杆25后端铰接在所述齿条26前端；所述齿条26滑动套设在所述主轴28上；所述齿轮27固定在所述驱动装置3的转轴37上；所述齿轮27与所述齿条26啮合。
41.根据上述描述，伞形消涡机构21还包括连杆25、齿条26、齿轮27、主轴28以及驱动装置3。固定支架22设置有两个，从前后两侧固定主轴28。伞形消涡机构21固定在位于前侧的固定支架22上。齿条26滑动套设在主轴28上，且与固定在驱动装置3的转轴37上的齿轮27啮合。连杆25两端分别与消涡板24、齿条26铰接。通过驱动装置3来驱动齿轮27转动，即可带动齿条26在主轴28上前后滑动，进而通过连杆25带动消涡板24开合。在小流量工况下，尾水管1内流量小，流态差，产生的漩涡较多，水轮机机组效率较低，此时伞形消涡机构21自动张开，配合涡流发生器12改善涡带产生。当尾水管1内流量上升到规定值时，涡带几乎消失，则伞形消涡机构21自动关闭，保证不干扰水流的快速排出。
42.特别的，在伞形消涡机构21完全打开时，消涡板24与连杆25之间的夹角为90
°
。
43.进一步的，所述驱动装置3包括热交换容器31、驱动杆35、所述转轴37以及u型柄38；所述热交换容器31固定在流道15的外壁面上；所述热交换容器31内壁活动设置一绝热隔板32；所述绝热隔板32将所述热交换容器31内部分隔为前室和后室；所述前室贴近所述流道15设置；所述后室远离所述流道15一侧连通一活塞室33；所述活塞室33内活动设置有活动块34；所述转轴37穿过所述扩散段11的管壁；所述转轴37一侧末端固定有所述齿轮27，另一侧固定有所述u型柄38；所述驱动杆35一端与所述活动块34铰接，另一端与所述u型柄38中部铰接；所述u型柄38的两支耳垂直与所述转轴37的轴线。
44.根据上述描述，驱动装置3包括热交换容器31、驱动杆35、转轴37以及u型柄38。热
交换容器31固定在水轮机的流道15的外壁面上。热交换容器31内周通过一活动设置的绝热隔板32分隔为前室和后室，且前室贴近流道15设置。后室连通一活塞室33，活塞室33内活动设置有活动块34；驱动杆35的两端分别与活动块34、u型柄38中部铰接，则在绝热隔板32在热交换容器31内周上下活动时，将会带动与后室连通的活塞室33内的活动块34上下移动，进而通过驱动杆35带动u型柄38转动，再通过齿轮27带动齿条26在主轴28上前后滑动，最终通过连杆25带动消涡板24开合，实现伞形消涡机构21的开合。
45.具体的，控制方法如下：
46.q＝g
×
c(t
1-t2)/3.6
ꢀꢀꢀ
(1)
47.其中，q为产生的热负荷(kw)；g为流经流道15的流量(t/h)；c为水的比热容(kj/(kg
·
℃))；t
1-t2为前室与后室的温差(℃)，t1为前室的温度(℃)；t2为后室的温度(℃)。
[0048][0049]
其中，p为气体的压强(pa)；v为气体的体积(m3)；为气体的摩尔数(mol)；r为理想气体普适常量(p)，取理论值r＝8.31j/(mol
·
k)；t为气体的温度(k)。
[0050]
结合式(1)、式(2)可知，驱动装置3驱动齿轮27的转动过程，与流经流道15的水的水冷却有关。流经流道15的水流通过热交换，冷却流道15管壁一侧(即前室)的空气。当流量增大时，热负荷也相应增大，通过流道15管壁一侧带走的热量也就增大，这就使得热交换容器31的上半部分(即前室)的温度减小，下半部分(即后室)的温度增大，由温差产生压强差，使得绝热隔板32在热交换容器31内周上下活动，同时带动活塞室33内的活动块34上下移动，再通过u型柄38、转轴37、齿轮27、齿条26以及连杆25，最终带动消涡板24实现自动开合。
[0051]
进一步的，还包括一支撑管14；所述支撑管14穿过所述扩散段11的管壁设置；所述转轴37转动设置在所述支撑管14内。支撑管14主要用于支撑、保护转轴37。
[0052]
进一步的，所述驱动装置3还包括一恒温热源36；所述恒温热源36贴合固定在所述热交换容器31远离所述流道15的一侧。恒温热源36主要用于向后室供热，保持后室的温度。
[0053]
进一步的，所述转轴37与所述支撑管14之间沿所述转轴37的轴向均匀间隔设置有多个密封圈。密封圈主要用于防止水从支撑管14中泄漏。
[0054]
进一步的，所述消涡板24呈平行四边形状；平行四边形状的所述消涡板24的短边铰接在所述基座23上。平行四边形状的消涡板24更有利于收纳。
[0055]
具体的，消涡板24厚度为100mm，其长边的长度为尾水管1的入水口直径d的3/8，其短边的长度为长边长度的1/3。
[0056]
特别的，消涡板24呈矩形。
[0057]
进一步的，所述涡流发生器12设置有三个；所述金属叶片13呈直角三角状；所述金属叶片13的厚度为1mm～2mm；所述金属叶片13的直角长边l固定在所述扩散段11的内周壁上，所述金属叶片13的直角短边h远离所述尾水管1的入水口；所述金属叶片13的直角长边l为所述尾水管1的水流主旋涡涡长γ的1/50～1/40；所述金属叶片13的直角短边h为所述尾水管1的入水口直径d的1/20～1/15；所述金属叶片13的直角长边l与所述金属叶片13的斜边c的夹角α为20
°
。
[0058]
进一步的，所述金属叶片13垂直于所述扩散段11的内周壁；所述伞形消涡机构21前端位于所述金属叶片13的直角短边h的正下方；成对设置的两所述金属叶片13镜面对称；
成对设置的两所述金属叶片13之间的夹角β为20
°
。
[0059]
进一步的，所述消涡板24设置有三个；三个所述消涡板24与三个所述涡流发生器12相互交错设置。消涡板24与涡流发生器12相互交错设置，有利于更进一步地改善涡流条件。
[0060]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种尾水管的混合消除涡带装置，其特征在于：其设置在尾水管(1)的扩散段(11)内，包括涡流发生器(12)和消涡装置(2)；所述涡流发生器(12)包括至少三对均匀间隔固定在所述扩散段(11)内周壁上的金属叶片(13)；所述消涡装置(2)位于所述涡流发生器(12)后侧；所述消涡装置(2)包括伞形消涡机构(21)和固定支架(22)；所述伞形消涡机构(21)包括基座(23)和消涡板(24)；所述固定支架(22)竖直固定在所述扩散段(11)内周壁上；所述基座(23)固定在所述固定支架(22)上；所述基座(23)位于所述扩散段(11)的中轴线上；至少三个所述消涡板(24)前端设置在所述基座(23)的外周；所述消涡板(24)末端朝向所述扩散段(11)末端，且所述消涡板(24)末端远离所述扩散段(11)的中轴线。2.根据权利要求1所述尾水管的混合消除涡带装置，其特征在于：所述伞形消涡机构(21)还包括连杆(25)、齿条(26)、齿轮(27)、主轴(28)以及驱动装置(3)；所述连杆(25)数量与所述消涡板(24)数量相同；两所述固定支架(22)分别竖直固定在所述扩散段(11)内周壁上；所述基座(23)固定在位于前侧的所述固定支架(22)上；所述主轴(28)位于所述扩散段(11)的中轴线上，且所述主轴(28)的前端固定在所述基座(23)上，后端固定在位于后侧的所述固定支架(22)上；所述消涡板(24)前端铰接在所述基座(23)的外周；所述连杆(25)前端铰接在所述消涡板(24)中部，所述连杆(25)后端铰接在所述齿条(26)前端；所述齿条(26)滑动套设在所述主轴(28)上；所述齿轮(27)固定在所述驱动装置(3)的转轴(37)上；所述齿轮(27)与所述齿条(26)啮合。3.根据权利要求2所述尾水管的混合消除涡带装置，其特征在于：所述驱动装置(3)包括热交换容器(31)、驱动杆(35)、所述转轴(37)以及u型柄(38)；所述热交换容器(31)固定在流道(15)的外壁面上；所述热交换容器(31)内壁活动设置一绝热隔板(32)；所述绝热隔板(32)将所述热交换容器(31)内部分隔为前室和后室；所述前室贴近所述流道(15)设置；所述后室远离所述流道(15)一侧连通一活塞室(33)；所述活塞室(33)内活动设置有活动块(34)；所述转轴(37)穿过所述扩散段(11)的管壁；所述转轴(37)一侧末端固定有所述齿轮(27)，另一侧固定有所述u型柄(38)；所述驱动杆(35)一端与所述活动块(34)铰接，另一端与所述u型柄(38)中部铰接；所述u型柄(38)的两支耳垂直与所述转轴(37)的轴线。4.根据权利要求3所述尾水管的混合消除涡带装置，其特征在于：还包括一支撑管(14)；所述支撑管(14)穿过所述扩散段(11)的管壁设置；所述转轴(37)转动设置在所述支撑管(14)内。5.根据权利要求3所述尾水管的混合消除涡带装置，其特征在于：所述驱动装置(3)还包括一恒温热源(36)；所述恒温热源(36)贴合固定在所述热交换容器(31)远离所述流道(15)的一侧。6.根据权利要求4所述尾水管的混合消除涡带装置，其特征在于：所述转轴(37)与所述支撑管(14)之间沿所述转轴(37)的轴向均匀间隔设置有多个密封圈。7.根据权利要求2所述尾水管的混合消除涡带装置，其特征在于：所述消涡板(24)呈平行四边形状；平行四边形状的所述消涡板(24)的短边铰接在所述基座(23)上。8.根据权利要求1所述尾水管的混合消除涡带装置，其特征在于：所述涡流发生器(12)设置有三个；所述金属叶片(13)呈直角三角状；所述金属叶片(13)的厚度为1mm～2mm；所述金属叶片(13)的直角长边l固定在所述扩散段(11)的内周壁上，所述金属叶片(13)的直角短边h远离所述尾水管(1)的入水口；所述金属叶片(13)的直角长边l为所述尾水管(1)的水
流主旋涡涡长γ的1/50～1/40；所述金属叶片(13)的直角短边h为所述尾水管(1)的入水口直径d的1/20～1/15；所述金属叶片(13)的直角长边l与所述金属叶片(13)的斜边c的夹角α为20
°
。9.根据权利要求8所述尾水管的混合消除涡带装置，其特征在于：所述金属叶片(13)垂直于所述扩散段(11)的内周壁；所述伞形消涡机构(21)前端位于所述金属叶片(13)的直角短边h的正下方；成对设置的两所述金属叶片(13)镜面对称；成对设置的两所述金属叶片(13)之间的夹角β为20
°
。10.根据权利要求8所述尾水管的混合消除涡带装置，其特征在于：所述消涡板(24)设置有三个；三个所述消涡板(24)与三个所述涡流发生器(12)相互交错设置。

技术总结
本发明涉及一种尾水管的混合消除涡带装置，其设置在尾水管的扩散段内，包括涡流发生器和消涡装置；所述涡流发生器包括至少三对均匀间隔固定在所述扩散段内周壁上的金属叶片；所述消涡装置位于所述涡流发生器后侧；所述消涡装置包括伞形消涡机构和固定支架；所述伞形消涡机构包括基座和消涡板；所述固定支架竖直固定在所述扩散段内周壁上；所述基座固定在所述固定支架上；所述基座位于所述扩散段的中轴线上；至少三个所述消涡板前端设置在所述基座的外周；所述消涡板末端朝向所述扩散段末端，且所述消涡板末端远离所述扩散段的中轴线。且所述消涡板末端远离所述扩散段的中轴线。且所述消涡板末端远离所述扩散段的中轴线。


技术研发人员：林亚涛 吴在强 杨海云 陈泽钦 张厚瑜 关英波 李颖杰
受保护的技术使用者：国网福建省电力有限公司
技术研发日：2022.02.10
技术公布日：2022/5/25