一种改善水轮机偏离最优工况性能的喷水导叶制造技术

本实用新型专利技术公开了一种用于改善水轮机偏离最优工况性能的喷水导叶。包括导叶本体和导叶枢轴的活动导叶，导叶枢轴包括上端轴和下端轴，导叶本体上有对称于导叶叶型中心线、平行设置的两条喷水槽，上端轴的轴中心有孔并延伸至导叶本体与两条喷水槽可开闭联通。本实用新型专利技术在不改变现有的导水机构结构和导叶外表面的前提下，只根据现有的导叶尺寸大小在导叶内部加工上述由1个孔和2条槽组成的喷水导叶流道，在偏离最优工况运行时可通过喷水改善水轮机的水力性能。本实用新型专利技术的喷水导叶适用于混流式或径流式水轮机的导水机构，对于大型机组其产生的效益更为显著。本实用新型专利技术既可用于新机组，也可用于已有电站的老机组改造。

A water jet guide blade to improve the performance of the turbine's deviation from the optimal working condition

The utility model discloses a water jet guide blade used to improve the performance of a water turbine that deviates from the optimal working condition. Including the guide vane and guide vane body pivot guide vane and guide vane pivot shaft and the lower shaft comprises an upper end, guide two spray sink leaf body has a vane type symmetrical to the center line, the center shaft is arranged in parallel, the upper end of the shaft is a hole and extends to the guide vane body and two spray sink open and close unicom. The utility model without changing the existing structure of the guide vane and guide vane outer surface, only according to the size of the guide vane guide vanes for processing the consists of 1 hole and 2 slot jet vane runner, which can improve the performance of hydraulic turbine by spraying water in far from optimum operation when. The water jet guide blade of the utility model is suitable for the water guide mechanism of the mixed flow type or the runoff type water turbine, and the benefit of the large unit is more remarkable. The utility model can be used not only for new units but also for remolding old units in existing power stations.

【技术实现步骤摘要】
一种改善水轮机偏离最优工况性能的喷水导叶
本技术属于机械设计制造领域，尤其属于水轮机设计制造领域，特别涉及一种用于改善水轮机偏离最优工况性能的导叶及流道设计技术。
技术介绍
混流式或径流式水轮机都设有径向式导水机构，导叶轴线均布在与水轮机转轮同心的圆柱面，即导叶轴线分布圆上。现有的水轮机的导叶都由具有直纹面特征的导叶本体和具有上端轴及下端轴的导叶枢轴组成。设计的导叶数量和导叶轴线分布圆直径与水轮机转轮的直径有相对关系。在水轮机运行过程中通过调节和控制导水机构导叶的开度，即导叶出口角来调节进入转轮的流量、及速度矢量方向。在混流式或径流式水轮机水力设计中，一般是按最优设计工况参数来匹配导叶的出口角与转轮叶片的进口安放角。在电站的实际运行过程中，要根据电站的实际水力参数和电网调度的负荷变化要求来调节控制水轮机的出力，且大多数时间水轮机是在偏离最优工况下运行。因为电网频率要求水轮机的运行转速是不变的，一般靠导水机构调节流量大小来满足负荷变化要求。由于水轮机转轮叶片是固定的，即转轮叶片进口安放角不变，在偏离最优工况运行时，导叶的出口角与转轮叶片的进口安放角不再匹配，从而造成转轮进口流场分布不合理，导致水轮机的水力性能下降、甚至运行不稳定。为加工方便，导叶的出口边多为方头型，易产卡门涡引起压力脉动。在偏离最优工况运行时，使得混流式或径流式水轮机在运行过程中由转轮叶片与导水机构导叶动静干涉产生周期性的高频压力脉动强度增加，再加之在低负荷下在转轮内产生叶道涡，不仅影响机组运行稳定性，而且导致疲劳破坏并缩短水轮机的寿命。因此，为了提高混流式或径流式水轮机在偏离最优工况运行时的水力性能，需要从改善转轮的进口流场分布要求的角度来设计一种导叶，既满足水轮机流量调节与控制的要求，又能够在偏离最优工况的一定范围内运行时满足导叶出流角与转轮叶片的进口安放角匹配要求。
技术实现思路
本技术根据现有技术的不足，公开了一种用于改善水轮机偏离最优工况性能的喷水导叶。本技术要解决的问题是提供一种水轮机导叶设计结构，克服混流式或径流式水轮机在偏离最优工况运行时导叶出口角与转轮叶片进口安放角不再匹配，导致水轮机的水力性能下降的缺陷。本技术通过以下技术方案实现：改善水轮机偏离最优工况性能的喷水导叶，所述导叶是包括导叶本体和导叶枢轴的活动导叶，导叶枢轴包括上端轴和下端轴，其特征是：导叶本体上有对称于导叶叶型中心线、平行设置的两条喷水槽，上端轴的轴中心有孔并延伸至导叶本体与两条喷水槽可开闭联通。本技术在现有的水轮机径向式导水机构的导叶结构的基础上，通过在导叶枢轴设计一孔和在导叶本体上设计2条槽形成导叶的喷水流道jet1喷头、jet2喷头。在水轮机偏离最优工况运行时，根据工况参数变化来调节喷头的流量改变喷水速度大小，喷水速度矢量与导水机构导叶间出流速度矢量合成后形成转轮入流速度矢量，该入流速度矢量与转轮叶片进口安放角匹配，以改善转轮的进口流场分布，提高水轮机在偏离最优工况运行时的水力性能，在低于最优工况的流量运行时，喷头jet1喷水增加导水机构出流的圆周速度，相当于沿转轮叶片进口边较为均匀地增加入流角，使得入流与转轮叶片进口冲角减小。在大于最优工况的流量运行时，喷头jet2喷水减小导水机构出流的切向速度，相当于沿转轮叶片进口边减小入流角，使得入流与转轮叶片进口冲角也减小。喷头喷水速度取决于喷水流量的大小，喷水流量通过计算分析确定。喷水槽与过导叶轴心的轴向孔联通组成喷水导叶的流道，通过引入外接压力水源便可实现在导叶出水边喷水功能。在最优工况运行时，通过旋塞轴关闭两个喷头。本技术喷水流道的轴向孔从上端轴轴中心并延伸至导叶本体，孔的直径为上端轴最小直径的25-30％，孔的深度为导叶上端轴长度和导叶本体高度之和。孔的深度与喷水槽深度相匹配。本技术喷水槽深度与导叶本体高度相同，从导叶本体孔起贯通导叶本体两侧边；喷水槽横截面为逐渐收缩的流道，以在喷水槽中逐步增速并减少流道中水力损失。喷水槽流道与孔相接处宽度为孔直径的10-15％，流道出口宽度为孔直径的2-3％。本技术喷水槽在靠近出水边距离LT处至喷水槽出水边以恒定的出水流道宽度向心过渡与导叶叶型中心线成β度的角，β角取3-5度，LT取喷水槽长度的3-8％。本技术上端轴轴中心孔中设有可旋转360°的旋塞轴，旋塞轴为1/4圆柱体结构，直径为喷水流道的轴向孔的加工直径的下偏差。在最优工况运行时，旋转该旋塞轴关闭两个喷头；在低于最优工况的流量运行时，旋转该旋塞轴关闭喷头jet2；在大于最优工况的流量运行时，旋转该旋塞轴关闭喷头jet1。本技术导叶本体出水边横截面结构是顶端成90度的、两边为圆弧过渡的斜尖结构，以降低卡门涡的影响。本技术通过从水轮机蜗壳引入压力水源(也可外接水其他压力水源)，调节引入水的流量和压力来控制导叶出水边喷头喷出水流的速度的大小。喷出水流速度矢量与导水机构出流速度矢量合成后形成转轮的入流速度矢量。根据运行工况通过控制喷出水流速度的大小，尽量减少入流速度矢量与转轮叶片进口边的冲角，以满足与叶片进口安放角匹配关系要求。通过计算分析和检测，采用本技术的喷水导叶方案后，在75-115％QBEP工况范围内运行时，其水轮机的效率明显改善。由水压力脉动在导叶上不稳定力矩脉动幅值大大减小，而且趋于恒定，证明有效降低了压力脉动强度。本技术有益性，本技术在不改变现有的导水机构结构和导叶外表面的前提下，只根据现有的导叶尺寸大小在导叶内部加工上述由1个孔和2条槽组成的喷水导叶流道，在偏离最优工况运行时可通过喷水改善水轮机的水力性能。本技术的喷水导叶适用于混流式或径流式水轮机的导水机构，对于大型机组其产生的效益更为显著。本技术既可用于新机组，也可用于已有电站的老机组改造。附图说明图1是本技术导叶的结构示意图；图2是现有导叶结构示意图；图3是本技术导叶的纵剖面A-A示意图；图4是本技术导叶本体水平截面B-B示意图；图5是图4的导叶本体截面出口边的局部放大图；图6是采用本技术喷水导叶后导水机构2D流动示意图；图7是喷出水流速度矢量与导水机构出流主速度合成形成转轮入流速度3D图；图8是本技术导叶的喷水槽流道3D示意图；图9是实例中采用本技术喷水导叶，在小流量Q＝77％QBEP工况下，改变喷水速度后转轮叶片进口边(取样轴)的流场的速度变化，其中横坐标是取样轴(以下环与进口边相交处为起点)相对坐标，纵坐标是圆周和轴面速度系数；图10是实例中采用本技术喷水导叶，在小流量Q＝77％QBEP工况下，改变喷水速度后转轮叶片进口边(取样轴)的流场的速度和入流角变化，其中横坐标是取样轴(以下环与进口边相交处为起点)相对坐标，纵坐标是入流角(单位：度)；图11是实例中采用本技术喷水导叶，在大流量Q＝115％QBEP工况下，改变喷水速度后转轮叶片进口边(取样轴)的流场的速度变化，其中横坐标是取样轴(以下环与进口边相交处为起点)相对坐标，纵坐标是圆周和轴面速度系数；图12是实例中采用本技术喷水导叶，在大流量Q＝115％QBEP工况下，改变喷水速度后转轮叶片进口边(取样轴)的流场的速度和入流角变化，其中横坐标是取样轴(以下环与进口边相交处为起点)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改善水轮机偏离最优工况性能的喷水导叶，所述导叶是包括导叶本体和导叶枢轴的活动导叶，导叶枢轴包括上端轴和下端轴，其特征是：导叶本体上有对称于导叶叶型中心线、平行设置的两条喷水槽，上端轴的轴中心有孔并延伸至导叶本体与两条喷水槽可开闭联通。

【技术特征摘要】
1.一种改善水轮机偏离最优工况性能的喷水导叶，所述导叶是包括导叶本体和导叶枢轴的活动导叶，导叶枢轴包括上端轴和下端轴，其特征是：导叶本体上有对称于导叶叶型中心线、平行设置的两条喷水槽，上端轴的轴中心有孔并延伸至导叶本体与两条喷水槽可开闭联通。2.根据权利要求1所述改善水轮机偏离最优工况性能的喷水导叶，其特征是：所述上端轴的轴中心并延伸至导叶本体孔的直径为上端轴最小直径的25-30％。3.根据权利要求1所述改善水轮机偏离最优工况性能的喷水导叶，其特征是：所述喷水槽深度与导叶本体高度相同，从导叶本体孔起贯通导叶本体两侧边；喷水槽横截面为逐渐收缩的流道，流道与孔相接处宽度为孔直径的10-15％，流道出水宽度为孔直径的2-3...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖喜德，
申请(专利权)人：西华大学，
类型：新型
国别省市：四川,51