一种减轻混流式水轮机叶道涡危害的方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN107100778A(43)申请公布日2017.08.29(21)申请号201710338253.3F03B3/02(2006.01)(22)申请日2017.05.15(71)申请人中国水利水电科学研究院地址100038北京市海淀区复兴路甲一号水科院机电所申请人北京中水科水电科技开发有限公司(72)发明人徐洪泉王万鹏廖翠林李铁友陆力马素萍张海平瞿军赵立策王武昌范小付孟龙陈莹秦鑫(74)专利代理机构北京纪凯知识产权代理有限公司11245代理人徐宁何家鹏(51)Int.Cl.F03B3/12(2006.01)权利要求书1页说明书3页附图4页(54)发明名称一种减轻混流式水轮机叶道涡危害的方法(57)摘要本发明涉及一种减轻混流式水轮机叶道涡危害的方法，其包括对混流式水轮机所做的以下几个方面的优化：1)将混流式水轮机转轮叶片的进水边相对于轴线倾斜布置，使叶片的进水边与轴线的夹角θ不小于10°；2)在电站设计中选用更大空化安全系数k，将空化安全系数k从常用1.5左右增加到1.8以上。CN107100778ACN107100778A权利要求书1/1页1.一种减轻混流式水轮机叶道涡危害的方法，其包括对混流式水轮机所做的以下几个方面的优化：1)将混流式水轮机转轮叶片的进水边相对于轴线倾斜布置，使叶片的进水边与轴线的夹角θ不小于10°；2)在电站设计中选用更大空化安全系数k，将空化安全系数k从常用1.5左右增加到1.8以上。2CN107100778A说明书1/3页一种减轻混流式水轮机叶道涡危害的方法技术领域[0001]本发明涉及一种减轻混流式水轮机叶道涡危害的方法，属于水力机械技术领域。背景技术[0002]混流式水轮机是各种类型水轮机中应用最广泛、效率最高、发电功率最大的型式。放眼全世界，轴流式、贯流式、冲击式等水轮机单机出力均未达到30万千瓦，而混流式水轮机单机出力已达到80万千瓦，百万千瓦机组也即将投入使用。[0003]但是，混流式水轮机也不是十全十美，其由于转轮叶片不可调节，不能像轴流转桨式水轮机或贯流转桨式水轮机那样调节(转动)叶片安放角，其进入转轮的水流角许多工况下和叶片安放角不一致，会造成转轮进口脱流，形成脱流漩涡。如果涡心压力低于汽化压力，还会在涡心产生空化，形成带状空化空腔(如图1所示)。其产生于转轮叶片进水边，但可向出水边发展，形成如图2所示的带状空化空腔，即所谓的“叶道涡”。在水轮机模型试验中，可通过尾水管直锥段的有机玻璃看得非常清楚，拍出像图2和图3一样清晰的叶道涡照片。[0004]混流式水轮机转轮进水边围绕着Zg个活动导叶，受导叶翼型影响，在导叶出水边会形成一围绕转轮的压力交替变化的压力场(如图4所示)。随着水轮机转轮以转速n旋转，每个叶道都会顺序和周围的导叶接近再离开，势必给每个叶道带来一频率f＝Zg·n/60压力脉动。尽管该压力脉动幅值不一定很大，但如果转轮进口有叶道涡存在，该压力脉动会在压力高时导致叶道涡空腔收缩甚至溃灭，而当压力低时会使空腔再生或膨胀，从而可数倍放大导叶带来的压力脉动，沿叶道向上、下游传递。由于叶道涡发生在叶道内，离叶片非常近，极易引起叶片振动。图5是在某混流式水轮机转轮叶片上测量分析的叶片表面应力的频谱分析瀑布曲线，显然在各个功率下均存在非常明显的导叶频率(即图中GPF，导叶通过频率，是导叶数Zg和转频fn的乘积)应力。如该频率接近转轮叶片固有频率，则很容易导致叶片裂纹。在水头变化幅度大的电站，在模型试验时多见叶道涡发生，真机运行时又在叶道涡发生工况遇到了运行不稳定问题，有许多电站还发生了转轮叶片裂纹、断裂现象，初步证明叶道涡是部分混流式水轮机转轮叶片裂纹问题的主要原因之一。[0005]此外，发生在叶片进水边的叶道涡还可以压力波的方式向上游传递，并和导叶产生动静干涉后传递给导水机构、顶盖及其它流道，引起机组振动。[0006]但是，由于对叶道涡的研究起步较晚，转轮内部压力脉动及应力的测量非常困难，使我们对叶道涡的频率特性了解不深入，因此很难提出行之有效的减轻叶道涡危害的设计方法及措施。[0007]因此，有必要研究混流式水轮机叶道涡的产生机理及危害方式，并在此基础上提出减小叶道涡危害的设计方法及措施，以减轻其对水电站安全稳定运行的危害。发明内容[0008]针对上述问题，本发明的目的是提供一种减轻混流式水轮机叶道涡危害的方法，该方法是在弄清叶道涡产生机理的基础上提出的，能够有效减轻其对水电站运行稳定性的3CN107100778A说明书2/3页危害，减小机组振动，减轻甚至消除由叶道涡引起的转轮叶片裂纹。[0009]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种减轻混流式水轮机叶道涡危害的方法，其包括对混流式水轮机所做的以下几个方