CN111852721B - 一种高水头冲击式水轮机喷射机构 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体机械及工程设备技术领域，尤其涉及一种高水头冲击式水轮机的喷射机构，从左至右设置有直管段1、喷针组合体2、喷嘴组合体3；所述直管段1用以连接引水管道，起到引流的作用；所述喷针组合体2尖端可以左右移动，通过改变喷射机构过流面积来调节机构流量；所述喷嘴组合体3用以射出水，以形成射流。本发明通过优化配置喷针角和喷嘴角度，利用两个角度的优化组合，可以减小喷射机构内部的流动损失和流动收缩导致的能量损失，从而提高机构的水力效率，同时检修更为方便，提高了冲击式水轮机组运行的经济性。

Description

一种高水头冲击式水轮机喷射机构

技术领域

本发明属于流体机械及工程设备技术领域，尤其涉及一种高水头冲击式水轮机的喷射机构。

背景技术

我国水能资源在河流上，表现出河道陡峻、落差巨大的特点。反击式水轮机由于存在工程开挖量较大、气蚀现象较为严重以及对大负荷波动适应性差等缺点，适用程度偏低；而冲击式水轮机则能够完美适应高落差水头，对负荷变动适应较好，在这种环境下可将水流动能充分利用。因此，对高水头冲击式水轮机的研究与开发，就自然成为了我国水力资源利用与开发的趋势所在。

冲击式水轮机的喷射机构首先以高速射流的形式将管道输运来的水流喷入大气，随后击打在转轮表面上，起着引导水流、调节流量和能量形式转换的作用。运行在高水头下的喷射机构面临着水流冲击力大、喷嘴出口处射流形态变化剧烈等问题，这使得结构改进和水力设计的难度大大增加。然而，由于冲击式水轮机结构的特殊性，喷嘴独立于转轮进行工作，二者互不影响。因此，对喷嘴的设计优化可独立进行，而不需像反击式水轮机一样从整体机组结构进行分析，这使问题的研究得到了极大的简化。

目前，喷嘴主要分为外控式喷嘴和内控式喷嘴两种。外控式喷管结构简单，维护方便，但操作杆在喷管内部会增大流动损失；而内控式喷管结构相对紧凑，流动损失较小，效率相对较高。

在水力设计研究中，水轮机的流场分析主要依靠CFD计算与模型试验，通过几十年的研究发展，目前己经可以比较准确地预测水力性能和不定常流动特性，并进一步开展了较多的流动诱导的动力特性研究。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种高水头冲击式水轮机喷射机构。本发明的有益效果在于：通过设计合适的喷嘴和喷针角度组合，并设计了相应的喷管内部流道的几何尺寸，提高了高水头冲击式水轮机的效率和机组的过流量，进而可提高经济效益。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种喷射冲击式水轮机喷射机构，其特征在于，从左至右设置有直管段1、喷针组合体2、喷嘴组合体3；所述直管段1用以连接引水管道，起到引流的作用；所述喷针组合体2尖端可以左右移动，通过改变喷射机构过流面积来调节机构流量；所述喷嘴组合体3用以射出水，以形成射流。

优选的，所述直管段1由管道11，两个泄流孔12，和一个压力测试孔13组成；所述管道1的左端设置有法兰盘，用于连接上游的分叉管，将水引入喷射机构；所述泄流孔12布置于直管段1的下端，可以在喷射机构停机时将残留在机构内的水泄出；两个泄流孔12的直径大小不同，可以控制射流的速度；所述压力测试孔13设置在右端法兰盘过渡处，可以装入压力传感器，测量获得机构内部的压力。

优选的，所述喷针组合体2包括支撑肋板21、位于左端的钝体22和位于右端的喷针23；所述支撑肋板21安装直管段1上，起到支撑钝体22的作用；所述钝体22内部包含驱动机构，用于驱动右端的喷针23的移动；所述喷针23安装于钝体22右端，可以在钝体22内部的驱动机构的作用下前后移动，从而控制机构出口的过流部件，起到调节流量的作用。

优选的，所述支撑肋板21长度L1、支撑肋板21前方长度L2和喷针23最大行程L3满足以下关系式(L1+L2):L3=(2~4)。

优选的，所述喷针23尖端所夹锐角为α=50~70°。

优选的，所述喷嘴组合体3包括喷嘴31、口环32、和扩张段33；所述喷嘴31通过法兰螺栓连接于左端直管段；所述口环32通过阶梯状的台阶安装在喷嘴组合体3内部；所述扩张段33通过台阶卡在喷嘴31和口环32外侧，扩张段33靠近外侧处安装有紧固螺栓用于固定部件。

优选的，所述喷嘴31有向内收的夹角β，β=α+（30~40）°。

优选的，所述口环32设计为阶梯型，可以方便的进行简单替换。

优选的，所述扩张段33设计成外扩的形式，可以避免与射流接触，减少在次数的撞击损失；扩张段33的内径大于口环32的内径，可以通过拆卸螺栓进行简单替换。

优选的，所述扩张段33起始于中间位置，阶梯内外径R0和R1满足关系为R1:R0=1.1。

本发明具有以下有益效果：

本发明对冲击式水轮机的喷射机构进行结构优化设置，通过优化配置喷针角和喷嘴角度，利用两个角度的优化组合，可以减小喷射机构内部的流动损失和流动收缩导致的能量损失，从而提高机构的水力效率。

相比于现有技术，现有的喷射机构具有整体效率较高的优点，并且安装设计了易于更换的口环和扩张段，在检修时更为方便，具有在工程中广泛推广应用的价值。经过数值模拟计算，采用本发明所述的喷射机构可以比改造前效率提高0.7%，可有力的提高了冲击式水轮机组运行的经济性。

附图说明

图1为所述高水头冲击式水轮机喷管结构示意图；

图2 为单喷射机构布置时的冲击式水轮机组布置图

图3 为双喷嘴布置时的冲击式水轮机机组布置图

图4 不同配合角度下喷射机构的的最优效率值

图5 为喷嘴/喷针组合角度为100°/70°时，在不同流量下的效率对比图。

图6 为喷嘴/喷针组合角度为100°/70°时，喷射机构效率提高原理图的原理图，其中图6中（a）为最优配合角示意图，图6中（b）为非最优配合角示意图

附图标记：1-直管段、11-管道、12-泄流孔、13-压力测试孔、2-喷针组合体、21-支撑肋板、22-钝体、23-喷针、3-喷嘴组合体、31-喷嘴、32-口环、33-扩张段

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种喷射冲击式水轮机喷射机构，从左至右设置了直管段1、喷针组合体2、喷嘴组合体3；所述直管段1用以连接引水管道，起到引流的作用；所述喷针组合体2尖端可以左右移动，起到改变喷射机构过流面积，从而调节机构流量的作用；所述喷嘴组合体3用以射出水，形成射流的作用。

其中，所述直管段1由管道11，两个泄流孔12，和一个测压孔13组成；所述管道1左端设置法兰盘，可用以连接上游的分叉管，从而将水引入喷射机构；所述泄流孔12布置于直管段下端，可以在喷射机构停机时将残留在机构内的水泄出，此外泄压孔12直径大小不同，可以控制射流的速度；所述测压孔13设置在右端法兰盘过渡处，可以装入压力传感器，测量获得机构内部的压力。

其中，所述喷针组合体2由支撑肋板21，左端钝体22，右端的喷针23组成；所述支撑肋板21安装直管段上，起到支撑钝体22的作用；所述钝体22内部包含驱动机构，可以用以驱动右端喷针的移动；所述喷针23安装于钝体右端，可以在钝体22内部驱动机构的作用下前后移动，从而控制机构出口的过流部件，起到调节流量的作用。

其中，所述肋板21长度L1，肋板21前方长度L2和喷针体2最大行程L3满足以下关系式(L1+L2):L3=(2~4)；

其中，所述喷针23尖端所夹锐角为α=50~70°；

其中，所述喷嘴组合体3由喷嘴31，口环32，和扩张段33组成；所述喷嘴31通过法兰螺栓连接于左端直管段1；所述口环32通过阶梯状的台阶安装在喷嘴组合体3内部；所述扩张段33通过台阶卡在喷嘴和口环外侧，扩张段33靠近外侧处安装有螺栓用以固定三个部件。

其中，所述喷嘴31与口环32相切，并形成内收的夹角β，β=α+(30~40°)。

其中，所述口环32设计为阶梯型，可以方便的进行简单替换。

其中，所述扩张段33设计成外扩的形式，可以避免与射流接触，减少在次数的撞击损失；扩张段33内径大于口环32内径，也可以通过拆卸螺栓进行简单替换。

其中，所述扩张段33起始于中间位置，阶梯内外径R0和R1满足关系为R1:R0=1.1。

图2给出了该喷射机构单独安装在水轮机时的示意图，该图中，除了直管段1、喷针组合体2和喷嘴组合体3以外，还包括了水轮机转轮4和转轮外壳5。

图3给出了两喷射机构同时布置时的水轮机总体机构示意图。该图中，除了直管段1、喷针组合体2和喷嘴组合体3以外，还包括了水轮机转轮4和转轮外壳5，由电机驱动的喷射机构关闭阀6以及引水弯管7。

其中，图2和图3两种布置条件下，均需要控制喷射出口与转轮中心的距离L _p,该距离与喷射机构出口直径D的关系满足L _p=(4~5)D，这种距离控制既保证了喷射机构出口处留出足够距离，以形成稳定射流，也防止了喷射机构与转轮相碰。

其中，图3布置条件下，需要宝成两个喷射机构的在同侧，且两个机构夹角范围

满足在60°~80°之间，这种角度可以减小转轮轴的径向力，降低机组运行噪声。本发明对冲击式水轮机的喷射机构进行结构优化设置，通过优化配置喷针角和喷嘴角度，利用两个角度的优化组合，可以减小喷射机构内部的流动损失和流动收缩导致的能量损失，从而提高机构的水力效率。

CFD数值计算验证

对一台冲击式机组的喷射机构进行了优化设计，原喷射机构设计及运行参数如表1所示。按照本文采用的喷射机构，将α分别取为50、60、70°，而根据β=α+（30~40°），分别取为80、90、100、110°，CFD计算得到的最优效率为如图2所示，当分别为α、β分别为70°和100°时，机构的得到了最优的水力效，达到了99.13%；图3给出了该优化喷嘴在不同运行流量时的效率，可以发现，随着过流量的增加，本发明的喷管效率逐渐提高；使用本发明的喷管相对于其他现有喷管，在保证机组过流量的同时，提高了喷管的水力效率，明显的提高了水轮机组运行的经济效益。

表1：原喷射机构设计参数

设计参数	流量Q (m<sup>3</sup>/h)	水头H (m)	喷嘴锥角α(°)	喷针锥角γ(°)	最高水力效率
						数值	3~5	800~1100	90	50	98.43

本发明适用于800~1100m高水头下冲击式水轮机的喷管结构，从喷管喷针的几何形状和尺寸设计入手，以基本的几何结构为基础，通过改变喷嘴与喷针的角度，得到多组不同的配合角度，以及喷管流道内部的几何尺寸。利用CFD软件对不同几何参数的喷管流道进行三维流动计算，并以流动损失为主要判据对各配合角度的效率作出计算与评价，给出了一组效率最优的喷管结构。

在射流的形成过程中，由于流动损失的存在，喷射机构出口外射流的总能量会低于喷射机构入口的总能量，通过这种总能量的变化即可估算喷射机构的效率。喷射机构内外部流体的总能量N通过如下公式进行计算：

式中，N为指定射流截面的流体总能量，p为流体的静压，

为流体的密度，u为截面的水速度。

实际计算时选取喷管机构入口处水的能量N为

，距离喷管出口4个喷管直径距离处水的能量N为

，通过这两个数值即可计算出喷射机构效率

：

通过上述公式可以预测出不同配合角度下喷射机构的最有效率如附图4所示，可以看出，喷嘴/喷针角度最佳组合为100°/70°，此组合下喷射机构的最佳效率为99.13%，比原喷射机构（如表1所示）高出0.7%，整体效率得到了明显的改善。

图5 为喷嘴/喷针组合角度为100°/70°时，在不同流量下的效率对比图。

图6 为喷嘴/喷针组合角度为100°/70°时，喷射机构效率提高原理图的原理图，最优配合角度降低了喷针尖端的总压损失。其中图6中（a）为最优配合角示意图，图6中（b）为非最优配合角示意图。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种高水头冲击式水轮机喷射机构，其特征在于，从左至右设置有直管段（1）、喷针组合体（2）和喷嘴组合体（3）；所述直管段（1）用以连接引水管道，起到引流的作用；所述喷针组合体（2）尖端能够左右移动，通过改变喷射机构过流面积来调节机构流量；所述喷嘴组合体（3）用以射出水，以形成射流；

所述喷针组合体（2）包括支撑肋板（21）、位于左端的钝体（22）和位于右端的喷针（23）；所述支撑肋板（21）安装在直管段（1）上，起到支撑钝体（22）的作用；所述钝体（22）内部包含驱动机构，用于驱动右端的喷针（23）的移动；所述喷针（23）安装于钝体（22）右端，能够在钝体（22）内部的驱动机构的作用下前后移动，从而控制机构出口的过流部件，起到调节流量的作用，所述喷针（23）尖端所夹锐角为α，α=70°；

所述支撑肋板（21）长度L1、支撑肋板（21）前方长度L2和喷针（23）最大行程L3满足以下关系式(L1+L2):L3=(2~4)；

所述喷嘴组合体（3）包括喷嘴（31）、口环（32）和扩张段（33）；所述喷嘴（31）通过法兰螺栓连接于左端的直管段；所述口环（32）通过阶梯状的台阶安装在喷嘴组合体（3）内部；所述扩张段（33）通过台阶卡在喷嘴（31）和口环（32）外侧，扩张段（33）靠近外侧处安装有紧固螺栓用于固定喷嘴（31）、口环（32）和扩张段（33）这三个部件，所述喷嘴（31）有向内收的夹角β，β=100°；

所述扩张段（33）设计成外扩的形式，能够避免与射流接触，减少撞击损失；扩张段（33）的内径大于口环（32）的内径，能够通过拆卸螺栓进行简单替换，所述扩张段（33）起始于中间位置，阶梯内外径R0和R1满足关系为R1:R0=1.1；

当喷射机构布置在水轮机总体机构中时，还包括水轮机转轮（4）和转轮外壳（5），喷射出口与转轮中心的距离L _p与喷射机构出口直径D的关系满足L _p=(4~5)D。

2.根据权利要求1所述的高水头冲击式水轮机喷射机构，其特征在于，所述直管段（1）由管道（11）、两个泄流孔（12）和一个压力测试孔（13）组成；所述管道（11）的左端设置有法兰盘，用于连接上游的分叉管，将水引入喷射机构；所述泄流孔（12）布置于直管段（1）的下端，能够在喷射机构停机时将残留在机构内的水泄出；两个泄流孔（12）的直径大小不同，能够控制射流的速度；所述压力测试孔（13）设置在右端法兰盘过渡处，能够装入压力传感器，测量获得机构内部的压力。

3.根据权利要求1所述的高水头冲击式水轮机喷射机构，其特征在于，所述口环（32）设计为阶梯型，能够方便的进行简单替换。

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