本發(fā)明涉及一種減輕混流式水輪機(jī)葉道渦危害的方法，屬于水力機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

混流式水輪機(jī)是各種類型水輪機(jī)中應(yīng)用最廣泛、效率最高、發(fā)電功率最大的型式。放眼全世界，軸流式、貫流式、沖擊式等水輪機(jī)單機(jī)出力均未達(dá)到30萬(wàn)千瓦，而混流式水輪機(jī)單機(jī)出力已達(dá)到80萬(wàn)千瓦，百萬(wàn)千瓦機(jī)組也即將投入使用。

但是，混流式水輪機(jī)也不是十全十美，其由于轉(zhuǎn)輪葉片不可調(diào)節(jié)，不能像軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)或貫流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)那樣調(diào)節(jié)(轉(zhuǎn)動(dòng))葉片安放角，其進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水流角許多工況下和葉片安放角不一致，會(huì)造成轉(zhuǎn)輪進(jìn)口脫流，形成脫流漩渦。如果渦心壓力低于汽化壓力，還會(huì)在渦心產(chǎn)生空化，形成帶狀空化空腔(如圖1所示)。其產(chǎn)生于轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊，但可向出水邊發(fā)展，形成如圖2所示的帶狀空化空腔，即所謂的“葉道渦”。在水輪機(jī)模型試驗(yàn)中，可通過(guò)尾水管直錐段的有機(jī)玻璃看得非常清楚，拍出像圖2和圖3一樣清晰的葉道渦照片。

混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊圍繞著zg個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉，受導(dǎo)葉翼型影響，在導(dǎo)葉出水邊會(huì)形成一圍繞轉(zhuǎn)輪的壓力交替變化的壓力場(chǎng)(如圖4所示)。隨著水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，每個(gè)葉道都會(huì)順序和周圍的導(dǎo)葉接近再離開，勢(shì)必給每個(gè)葉道帶來(lái)一頻率f＝zg·n/60壓力脈動(dòng)。盡管該壓力脈動(dòng)幅值不一定很大，但如果轉(zhuǎn)輪進(jìn)口有葉道渦存在，該壓力脈動(dòng)會(huì)在壓力高時(shí)導(dǎo)致葉道渦空腔收縮甚至潰滅，而當(dāng)壓力低時(shí)會(huì)使空腔再生或膨脹，從而可數(shù)倍放大導(dǎo)葉帶來(lái)的壓力脈動(dòng)，沿葉道向上、下游傳遞。由于葉道渦發(fā)生在葉道內(nèi)，離葉片非常近，極易引起葉片振動(dòng)。圖5是在某混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片上測(cè)量分析的葉片表面應(yīng)力的頻譜分析瀑布曲線，顯然在各個(gè)功率下均存在非常明顯的導(dǎo)葉頻率(即圖中g(shù)pf，導(dǎo)葉通過(guò)頻率，是導(dǎo)葉數(shù)zg和轉(zhuǎn)頻fn的乘積)應(yīng)力。如該頻率接近轉(zhuǎn)輪葉片固有頻率，則很容易導(dǎo)致葉片裂紋。在水頭變化幅度大的電站，在模型試驗(yàn)時(shí)多見葉道渦發(fā)生，真機(jī)運(yùn)行時(shí)又在葉道渦發(fā)生工況遇到了運(yùn)行不穩(wěn)定問(wèn)題，有許多電站還發(fā)生了轉(zhuǎn)輪葉片裂紋、斷裂現(xiàn)象，初步證明葉道渦是部分混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋問(wèn)題的主要原因之一。

此外，發(fā)生在葉片進(jìn)水邊的葉道渦還可以壓力波的方式向上游傳遞，并和導(dǎo)葉產(chǎn)生動(dòng)靜干涉后傳遞給導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、頂蓋及其它流道，引起機(jī)組振動(dòng)。

但是，由于對(duì)葉道渦的研究起步較晚，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部壓力脈動(dòng)及應(yīng)力的測(cè)量非常困難，使我們對(duì)葉道渦的頻率特性了解不深入，因此很難提出行之有效的減輕葉道渦危害的設(shè)計(jì)方法及措施。

因此，有必要研究混流式水輪機(jī)葉道渦的產(chǎn)生機(jī)理及危害方式，并在此基礎(chǔ)上提出減小葉道渦危害的設(shè)計(jì)方法及措施，以減輕其對(duì)水電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的危害。

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)葉道渦危害的方法，該方法是在弄清葉道渦產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上提出的，能夠有效減輕其對(duì)水電站運(yùn)行穩(wěn)定性的危害，減小機(jī)組振動(dòng)，減輕甚至消除由葉道渦引起的轉(zhuǎn)輪葉片裂紋。

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)葉道渦危害的方法，其包括對(duì)混流式水輪機(jī)所做的以下幾個(gè)方面的優(yōu)化：1)將混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的進(jìn)水邊相對(duì)于軸線傾斜布置，使葉片的進(jìn)水邊與軸線的夾角θ不小于10°；2)在電站設(shè)計(jì)中選用更大空化安全系數(shù)k，將空化安全系數(shù)k從常用1.5左右增加到1.8以上。

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)葉道渦產(chǎn)生機(jī)理、傳播方式及對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片危害方式的基礎(chǔ)上提出的，所提設(shè)計(jì)方法有深厚理論基礎(chǔ)，有很強(qiáng)的針對(duì)性。2、本發(fā)明提出的通過(guò)將轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊傾斜布置來(lái)減輕葉道渦危害的設(shè)計(jì)方法不用額外增加電站投資和水輪機(jī)制造費(fèi)用。3、所提設(shè)計(jì)方法及步驟簡(jiǎn)單明了，可操作性強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

圖1是某混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊發(fā)生葉道渦時(shí)模型觀測(cè)照片；

圖2是某混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片出水邊發(fā)生葉道渦時(shí)模型觀測(cè)照片；

圖3是某混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片出水邊發(fā)生葉道渦在同一工況兩個(gè)不同空化系數(shù)時(shí)模型觀測(cè)照片；其中，圖a和圖b均在單位轉(zhuǎn)速n11＝69.29r/min、單位流量q11＝0.3864m³/s；但圖a對(duì)應(yīng)的空化系數(shù)σ＝0.141，圖b對(duì)應(yīng)的空化系數(shù)σ＝0.104；

圖4是混流式水輪機(jī)導(dǎo)葉后圍繞轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的壓力分布示意圖；

圖5是在某混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片上測(cè)量的動(dòng)應(yīng)力頻譜圖；

圖6是混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊葉片傾斜布置示意圖；圖中：1表示葉片；2表示進(jìn)水邊；3表示上冠；4表示下環(huán)。

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。

本發(fā)明提出了一種減輕混流式水輪機(jī)葉道渦危害的方法，其包括對(duì)混流式水輪機(jī)所做的以下幾個(gè)方面的優(yōu)化：

1)如圖6所示，將混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片1的進(jìn)水邊2相對(duì)于軸線(對(duì)于立式機(jī)組軸線即“垂直線”，對(duì)于臥式機(jī)組軸線即“水平線”)傾斜布置，使葉片1的進(jìn)水邊2與軸線的夾角θ不小于10°，其技術(shù)效果是使脫流形成的葉道渦也相對(duì)于軸線呈傾斜狀態(tài)，把不同高度的葉道渦分散在不同的徑向角度，以分散葉道渦對(duì)頂蓋的動(dòng)態(tài)作用力，使各高度層因葉道渦激起的壓力脈動(dòng)不同步，并降低該壓力脈動(dòng)幅值。導(dǎo)葉相對(duì)高度b0/d1(其中：d1為轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊直徑，b0為導(dǎo)葉高度)越低，夾角θ應(yīng)越大；轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)越少，夾角θ應(yīng)越大。

2)在電站設(shè)計(jì)中選用更大空化安全系數(shù)k，如從常用的k＝σp/σ1(式中：σp為電站空化系數(shù)，又稱電站裝置空化系數(shù)；σ1為臨界空化系數(shù))1.5左右增加到1.8以上，水頭變幅大電站取更大值，模型試驗(yàn)時(shí)觀測(cè)到電站運(yùn)行范圍內(nèi)葉道渦嚴(yán)重的取更大值。增大電站空化系數(shù)，可消除可見葉道渦或減小可見葉道渦尺寸，從而可減小葉道渦空腔膨脹-收縮的幅度，減小其引起的壓力脈動(dòng)，減輕葉道渦危害。

本發(fā)明所提出的減輕混流式水輪機(jī)葉道渦危害的設(shè)計(jì)方法，是基于“空腔危害水力機(jī)械穩(wěn)定性理論”和我們對(duì)葉道渦的危害規(guī)律提出的。我們發(fā)現(xiàn)，“混流式水輪機(jī)葉道渦主要是由水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊脫流漩渦空化空腔構(gòu)成的，空腔被導(dǎo)葉出口不均勻流場(chǎng)激勵(lì)后會(huì)在導(dǎo)葉頻率下膨脹-收縮，放大了導(dǎo)葉后幅值很小的壓力脈動(dòng)”。正是基于這一創(chuàng)新理念，我們提出了該設(shè)計(jì)方法，其主要措施是讓葉道渦“站不直”，或使其“消于無(wú)形”。

(1)如果混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)的葉道渦僅只停留在葉道內(nèi)，沒(méi)有受到導(dǎo)葉后壓力分布不均勻等類似擾動(dòng)源激勵(lì)，其脫流渦只可能引起空蝕類破壞，不可能帶來(lái)壓力脈動(dòng)；但是在混流式水輪機(jī)的引水流道中，給轉(zhuǎn)輪進(jìn)口帶來(lái)的流速及壓力的不均勻是必然的，不可避免的，設(shè)計(jì)再好的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)其尾流都會(huì)有不均勻，只不過(guò)有不均勻程度的差異；尤其是離轉(zhuǎn)輪近的活動(dòng)導(dǎo)葉，無(wú)論你設(shè)計(jì)得如何精細(xì)，導(dǎo)葉厚度總會(huì)給水流帶來(lái)擾動(dòng)，影響其出水邊水流均勻性，該流速和壓力的不均勻會(huì)傳導(dǎo)給葉道渦，使葉道渦遇高壓時(shí)膨脹，遇低壓時(shí)收縮(甚至潰滅)，并因此會(huì)帶來(lái)葉道渦空腔周圍水體的附加流動(dòng)，當(dāng)空腔潰滅時(shí)可能會(huì)給葉道渦附近葉片帶來(lái)非常巨大的沖擊力，使葉片產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。

(2)如圖5所示，在混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉道內(nèi)，確實(shí)存在較強(qiáng)導(dǎo)葉通過(guò)頻率(f＝zg·n/60)壓力脈動(dòng)，是該頻率壓力脈動(dòng)導(dǎo)致了該頻率較強(qiáng)動(dòng)應(yīng)力，其它混流式水輪機(jī)原模型轉(zhuǎn)輪的葉道壓力脈動(dòng)或應(yīng)力測(cè)量也都證實(shí)了該頻率擾動(dòng)的大量存在。

(3)如轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊如圖6所示相對(duì)于軸線(圖6屬立式機(jī)組，葉片進(jìn)水邊相對(duì)于垂直線)傾斜布置(傾斜角度為θ)，水流繞葉片進(jìn)口產(chǎn)生的脫流漩渦及葉道渦也將相對(duì)于軸線傾斜。眾所周知，混流式水輪機(jī)的導(dǎo)葉和軸線平行，如果在某一高度層導(dǎo)葉后水流繞轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊形成如圖4所示的壓力分布，則在其它高度層理論上也應(yīng)相同。如此則勢(shì)必造成如下結(jié)果：同一葉道內(nèi)同一葉道渦不同高度層(如高度相差δh)隨轉(zhuǎn)輪以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，“站不直”的葉道渦遇到圖4所示同一壓力點(diǎn)的時(shí)間會(huì)相差一段時(shí)間δt＝δh·tan(θ)/(d1·π·n/60)，給葉道渦帶來(lái)的膨脹-收縮也相差δt，各高度層不同步，還互相影響和干涉，膨脹-收縮的作用力也大幅度減小，破壞力大幅度下降。

(4)降低水輪機(jī)安裝高程，可增大電站空化系數(shù)σp，也就是增大了空化安全系數(shù)k(k＝σp/σ1)，其最佳狀況是無(wú)可見葉道渦發(fā)生，葉道渦“消于無(wú)形”，無(wú)膨脹-收縮發(fā)生，危害消除；即使水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)仍有葉道渦產(chǎn)生，但由于電站空化系數(shù)加大，葉道渦尺寸明顯減小，其破壞力大大減輕；因此，無(wú)論哪種情況發(fā)生，選用更大、更安全的電站空化系數(shù)對(duì)于電站水頭變幅大的電站都是非常好的設(shè)計(jì)選擇。

此外，本發(fā)明專利設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)輪葉片在進(jìn)水邊相對(duì)于軸線傾斜布置，還可以造成各高度層脫流形成葉道渦“站不直”，和“直立”的導(dǎo)葉之間的干涉波不同步，從而降低轉(zhuǎn)輪葉片和導(dǎo)葉之間動(dòng)靜干涉的能力及程度，并大幅度降低固定導(dǎo)葉區(qū)壓力脈動(dòng)及其引起的頂蓋和廠房振動(dòng)。

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。