CN113898517B - 一种水轮机座环尾水管减沙抗磨的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水轮机座环尾水管减沙抗磨的方法，所述水轮机为立式混流式水轮机，包括若干活动导叶、支承活动导叶的座环，所述座环包括和活动导叶下端转动连接的轴套，在轴套和活动导叶下端之间具有配合间隙，包括如下步骤：a.用水泵将轴套内含有泥沙的水流抽出并形成压力水流；b.将压力水流从座环上表面靠近活动导叶入水边处的射流口向外喷出，从而在座环上表面形成若干微射流；c.微射流冲击从配合间隙射出的磨蚀水流，并形成低速的混合水流，混合水流沿座环上表面流动，并从尾水管流向下游。本发明可显著地减少甚至消除含有泥沙的水流对座环表面的不断冲刷形成的腐蚀沟槽，从而提高水轮机的发电效率，延长使用寿命。

Description

一种水轮机座环尾水管减沙抗磨的方法

技术领域

本发明涉及水轮发电机技术领域，具体涉及一种水轮机座环尾水管减沙抗磨的方法。

背景技术

随着人们节能环保意识的增强，清洁高效发电装备正在大力发展，其中的混流式水轮机在我国清洁能源行业中占有重要的地位。我们知道，混流式水轮机通常包括竖直的主轴、设置在主轴下端具有叶片的混流式转轮、环绕混流式转轮设置的金属蜗壳，所述金属蜗壳的内侧设有出水口，在混流式转轮外围还设有若干竖直布置的固定导叶和活动导叶，其中固定导叶的角度固定不可调节，而活动导叶的角度则可调，并且固定导叶设置在外围，而活动导叶位于固定导叶的内侧，并转动连接在座环上，固定导叶和活动导叶在座环的周向上等间距分布。金属蜗壳通过引水管引入的水库水流通过出水口冲击到固定导叶上，水流通过固定导叶、活动导叶的引导后冲击混流式转轮，混流式转轮转动，继而带动主轴转动，主轴即可带动发电机工作而发电，而冲击混流式转轮后能量减弱的“尾水”则通过混流式转轮下部的尾水管向下游排出。

为了便于活动导叶的灵活转动，活动导叶的枢轴是可转动地设置在座环上的，由于活动导叶的外形尺寸大重量重，因此，在活动导叶的枢轴与座环之间会存在较大的配合间隙，相应地，高压的水流会通过配合间隙向外流出形成磨蚀水流而冲刷座环上表面。由于水库的水流中会含有一定量的泥沙，因此，当含有泥沙的磨蚀水流通过配合间隙向外流出而冲刷座环表面时，含有泥沙的磨蚀水流会在座环表面沿活动导叶运动轨迹形成磨蚀沟槽。

我们知道，水轮机在工作时，活动导叶朝向水流一侧的入水边会受到水流的冲击而形成向出水边一侧移动的倾向，继而使靠近入水边一侧的配合间隙会大于靠近出水边一侧的配合间隙，并且上述配合间隙的变化不是一个简单的线性变化。特别是，水轮机在运转时，活动导叶会不断地转动改变角度，以调节冲击到混流式转轮上的水流大小，继而调节发电机的功率。这样，从配合间隙流出的水流——尤其是从入水边一侧配合间隙流出的水流的流态会极不稳定，甚至会有严重的脱流产生。活动导叶的脱流，是指水流冲角达到临界值附近时，水流会离开座环表面而发生边界层分离，从而产生大量区域性涡流，出现类似“空化”的现象。

当磨蚀沟槽达到一定的深度时，就会影响整个机组的运行安全，需要停机更换，或者检修、维护，从而影响水轮机的正常运转和发电，降低发电效率。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种水轮机座环尾水管减沙抗磨的方法，可显著地减少甚至消除含有泥沙的水流对座环表面的不断冲刷形成的腐蚀沟槽，从而提高水轮机的发电效率，延长使用寿命。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种水轮机座环尾水管减沙抗磨的方法，所述水轮机为立式混流式水轮机，包括若干活动导叶、支承活动导叶的座环，所述座环包括和活动导叶下端转动连接的轴套，在轴套和活动导叶下端之间具有配合间隙，包括如下步骤：

a.用水泵将轴套内含有泥沙的水流抽出并形成压力水流；

b.将压力水流从座环上表面靠近活动导叶入水边处的射流口向外喷出，从而在座环上表面形成若干微射流；

c.微射流冲击从配合间隙射出的磨蚀水流，并形成低速的混合水流，混合水流沿座环上表面流动，并从尾水管流向下游。

我们知道，水轮机在工作时，具有压力的水流会通过配合间隙进入到轴套内部，本发明用水泵将轴套内含有泥沙的水流向外抽出而形成具有一定压力的压力水流，并将该压力水流引导到座环上表面靠近活动导叶入水边处的射流口向外喷出，此时，会在座环上表面靠近每个活动导叶处分别形成大致向上的微射流，该微射流冲击从配合间隙射出的磨蚀水流，由于腐蚀水流大致呈水平方向流动，从而与微射流形成充分的“搅合”而形成沿水平方向低速流动的混合水流，该混合水流可有效地消除原腐蚀水流中的空化气泡等，并且有效地降低腐蚀水流的流速。也就是说，此时的混合水流只是在座环上表面慢速“流过”而已，可基本消除——至少大大减缓含有泥沙的腐蚀水流对座环表面的冲蚀作用，有效延长座环的工作寿命。

特别是，本发明的微射流来自于轴套内的水流，也就是说，无需消耗额外的水资源，有利于降低成本。

作为优选，所述射流口的朝向与座环上表面形成夹角α，并且70°≤α≤110°。

本发明将射流口的朝向与座环上表面的夹角α控制在如下范围：70°≤α≤110°，可充分增加微射流与腐蚀水流的搅合面积，使得微射流可最大限度地起到搅合腐蚀水流的作用。

当α＜70°、或者α＞110°时，一方面会增加射流口的加工难度，另一方面，会增大微射流在水平方向的速度分量，不利于降低混合水流的水平流速。

作为优选，在座环上表面对应每个活动导叶入水边处设有至少一个射流口从而确保每个活动导叶入水边处的腐蚀水流均可得到有效的搅合而形成混合水流。

可以理解的是，我们可在每个活动导叶入水边处设置二个甚至更多个射流口，以扩大微射流与腐蚀水流的搅合面积，使腐蚀水流能充分地形成混合水流。

作为优选，对应每个活动导叶入水边处的射流口为2个，两个射流口的朝向之间形成小于20°的夹角。

当每个活动导叶入水边处的射流口为2个时，由于每个射流口的朝向相同，因此，2个射流口形成的微射流会形成对称关系，或者向上延伸并相交成20°夹角，或者向下延伸并相交成20°夹角，在确保2个微射流与腐蚀水流充分搅合的基础上，最大限度地减小微射流的水平流速分量，继而降低混合水流的流速。

可以理解的是，当二个射流口相对设置时，所形成的微射流在水平方向流速分量会相互抵消，从而可最大限度地降低混合水流的水平流速。

作为优选，在轴套下部设有出水孔，在座环下侧设有与各出水孔连通的环管，在座环上设有若干向上延伸的射流管，射流管上端开口构成所述射流口，所述环管通过分流管与各射流管的下端相连通在分流管上设有增压水泵。

由于轴套下部设有与环管连通的出水孔，因此，当增压水泵运转时，即可通过环管抽取轴套下部混合有泥沙的水流，并通过射流管上端的射流口向外喷出。

需要说明的是，我们可将出水孔设置在轴套靠近下端面处，以有利于水流中的泥沙在轴套内沉淀，尽量减少从出水孔抽出的水流中泥沙的含量。此时，我们可将轴套下端面设置成锥形，并在下端面最低处设置一个排沙口和相应的封盖。当我们打开封盖时，即可排放沉积的泥沙。

作为优选，在尾水管内设有接水盘，接水盘中心与主轴下端相连接，接水盘底面设有圆形的隔离凸筋和若干径向的导流筋，所述导流筋的外端与隔离凸筋相连接，隔离凸筋在接水盘内分隔出中心的净水区域和外围的浑水区域，隔离凸筋的高度低于导流筋的高度，接水盘底面的高度自中心向外逐渐升高，直至与隔离凸筋齐平连接，在步骤a中，水泵同时将轴套内以及接水盘的净水区域内的水流抽出并形成压力水流。

本发明在尾水管内设置主轴下端相连接的接水盘，并且接水盘内设有圆形的隔离凸筋和若干径向的导流筋，隔离凸筋在接水盘内分隔出外围的浑水区域，而导流筋则在隔离凸筋围成的内部区域中分隔成若干扇形的净水区域。这样，当水轮机运转时，主轴即可带动接水盘高速转动，而尾水管内向下游排放的水流则可部分地储存在接水盘内，高速转动的接水盘使内部储存的水形成极大的离心力，此时，混合在水中的泥沙会优先地从净水区域向浑水区域径向移动而进入浑水区域内，相应地，隔离凸筋内的净水区域的水所含有的泥沙量则大大降低。这样，水泵可抽取接水盘净水区域内的水流，并通过射流口向外喷出以形成微射流，从而有效地降低微射流中泥沙的含量。

特别是，本发明接水盘底面的高度自中心向外逐渐升高，直至与隔离凸筋齐平连接。也就是说，接水盘底面是一个中间低、四周高的锥面，并且浑水区域与净水区域之间被高起的隔离凸筋所阻挡。因此，隔离凸筋内净水区域的水中的泥沙会在离心力作用下逐渐向外径向移动，直至越过隔离凸筋而进入浑水区域内，并且泥沙在径向移动时可最大限度地减少因阻碍而沉积，既可确保泥沙不会在净水区域沉积，而只会沉积到浑水区域，又可在净水区域通过水泵向外抽水时阻止浑水区域的泥沙返流到净水区域。

此外，导流筋在接水盘内分隔出若干扇形的净水区域，从而有利于泥沙在离心力作用下径向地向外移动。

作为优选，所述接水盘的上部开口处盖设有缓流盖，缓流盖下侧设有若干径向延伸至边缘的引流管，引流管在周向上均匀分布，缓流盖上侧设有若干组引流孔，每组引流孔贯通对应的引流管，当水流落到缓流盖上时，即可通过引流孔进入对应的引流管内，并沿着引流管流至接水盘边缘处的浑水区域内。

本发明在接水盘的上部开口处设置缓流盖，因而可防止尾水管内“倾泻而下”的水流直接进入接水盘内而“搅浑”泥沙。由于缓流盖下侧设有若干径向延伸至边缘的引流管，缓流盖上侧设有若干组贯通对应引流管的引流孔。因此，当尾水管内的水流落到接水盘上的缓流盖时，可通过引流孔进入引流管内，然后沿着引流管进入浑水区域内。可以理解的是，我们可适当减小引流管的管径，从而减缓水流的流速和冲击力，避免引流管的水流“搅浑”浑水区域。

特别是，本方案中，水流是补充到浑水区域的，当浑水区域的水位升高并高于隔离凸筋时，会反向流动至净水区域，而离心力的作用又会使混合在水中的泥沙沉积在浑水区域内。也就是说，在接水盘内形成上、下两层径向的对流，上层的清水返流到净水区域，下层的泥沙则流动至浑水区域。

因此，本发明具有如下有益效果：可显著地减少甚至消除含有泥沙的水流对座环表面的不断冲刷形成的腐蚀沟槽，从而提高水轮机的发电效率，延长使用寿命。

附图说明

图1是本发明立式混流式水轮机的一种结构示意图。

图2是图1中A处的放大图。

图3是座环的一种结构示意图。

图4是接水盘的一种连接结构示意图。

图5是接水盘和缓流盖的一种连接结构示意图。

图中：1、活动导叶 11、枢轴 2、座环 21、轴套 211、出水孔 22、射流管 221、射流口 3、环管 4、水泵 5、尾水管 6、接水盘 61、隔离凸筋 62、导流筋 63、净水区域 64、浑水区域 7、主轴 8、缓流盖 81、引流管 82、引流孔。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

一种水轮机座环尾水管减沙抗磨的方法，所述水轮机为立式混流式水轮机，如图1、图2所示，立式混流式水轮机包括若干具有枢轴的活动导叶1、支承活动导叶枢轴11的座环2，座环包括和活动导叶枢轴下端转动连接的轴套21，在轴套和活动导叶枢轴之间具有配合间隙，具体包括如下步骤：

a.用水泵将轴套内含有泥沙的水流抽出并形成压力水流；

b.将压力水流从座环上表面靠近活动导叶入水边处的射流口向外喷出，从而在座环上表面形成若干微射流；

c.微射流冲击从配合间隙射出的磨蚀水流，并形成低速的混合水流，混合水流沿座环上表面流动，并从尾水管流向下游。

我们知道，水轮机在工作时，具有压力的水流会通过配合间隙进入到轴套内部，并且该水流中会混合有泥沙。本发明用水泵4将轴套内含有泥沙的水流向外抽出而形成具有一定压力的压力水流，并将该压力水流引导到座环上表面靠近活动导叶入水边处的射流口221向外喷出，此时，会在座环上表面靠近每个活动导叶处分别形成大致向上的微射流，该微射流冲击从配合间隙射出的磨蚀水流，由于腐蚀水流大致呈水平方向流动，从而与微射流形成充分的“搅合”而形成沿水平方向低速流动的混合水流，该混合水流可有效地消除原腐蚀水流中的空化气泡等，避免出现脱流现象，并且有效地降低腐蚀水流的流速。也就是说，此时的混合水流只是在座环上表面慢速“流过”而已，可基本消除——至少大大减缓含有泥沙的腐蚀水流对座环表面的冲蚀作用，有效延长座环的工作寿命。

需要说明的是，立式混流式水轮机属于现有技术，其基本结构以及工作原理本实施例中不做详细的描述。另外，所谓微射流是指较小的射流。

优选地，我们可将射流口的朝向与座环上表面之间的夹角α控制在如下范围：70°≤α≤110°，以充分增加微射流与腐蚀水流的搅合面积，使得微射流可最大限度地起到搅合腐蚀水流的作用。

进一步地，我们可在座环上表面对应每个活动导叶入水边处设置至少一个射流口，从而确保每个活动导叶入水边处的腐蚀水流均可得到有效的搅合而形成混合水流。当然，我们可使对应每个活动导叶入水边处的射流口为2个，并且两个射流口的朝向之间形成小于20°的夹角，以扩大微射流与腐蚀水流的搅合面积，使腐蚀水流能充分地形成混合水流。特别是，由于每个射流口的朝向相同，因此，2个射流口形成的微射流会形成对称关系，或者向上延伸并相交成20°夹角，或者向下延伸并相交成20°夹角，在确保2个微射流与腐蚀水流充分搅合的基础上，最大限度地减小微射流的水平流速分量，继而降低混合水流的流速。

需要说明的是，我们可在射流管的中间设置波纹管，以便于射流管的弯曲、安装。

作为一种优选方案，如图3所示，我们可在轴套下部设置出水孔211，在座环下侧设置与各出水孔连通的环管3，在座环上设置若干向上延伸的射流管22，射流管上端开口构成所述射流口，环管通过分流管与各射流管的下端相连通，并在分流管上设置增压水泵。当然，此处的增压水泵即为前述之水泵。

当增压水泵运转时，即可通过环管抽取轴套下部混合有泥沙的水流，并通过射流管上端的射流口向外喷出。

当然，我们可将出水孔设置在轴套靠近下端面的侧壁处，也就是说，出水孔与轴套下端面具有一定的距离，以有利于水流中的泥沙在轴套内沉淀，尽量减少从出水孔抽出的水流中泥沙的含量。特别地，我们可将轴套下端面设置成锥形，并在下端面最低处设置一个排沙口和相应的封盖。当我们打开封盖时，即可排放沉积的泥沙。

作为另一种优选方案，如图1、图4所示，我们还可在尾水管5内设置一个圆形的接水盘6，接水盘中心与主轴7下端相连接，以便主轴可带动接水盘高速转动。此外，在接水盘底面设置圆形的隔离凸筋61和若干径向的导流筋62，其中的隔离凸筋与接水盘同轴设置，导流筋的外端与隔离凸筋相连接，隔离凸筋在接水盘内分隔出中心的净水区域63和外围的浑水区域64。另外，隔离凸筋的高度应低于导流筋的高度，接水盘底面的高度自中心向外逐渐升高，直至与隔离凸筋齐平连接，从而使接水盘底面形成一个中间低、四周高的锥面。

这样，当水轮机运转时，尾水管内向下游排放的水流部分落到接水盘上，并储存在接水盘内。与此同时，主轴带动接水盘高速转动，高速转动的接水盘使内部储存的水形成极大的离心力，此时，混合在水中的泥沙会优先地沿着锥形的底面从净水区域向浑水区域径向移动而进入浑水区域内，并且泥沙在径向移动时可最大限度地减少因阻碍而沉积，既可确保泥沙不会在净水区域沉积，而尽量沉积到浑水区域，又可在净水区域通过水泵向外抽水时阻止浑水区域的泥沙返流到净水区域。相应地，隔离凸筋内的净水区域的水所含有的泥沙量则大大降低。在步骤a中，启动水泵时，水泵即可将轴套内以及接水盘的净水区域内的水流抽出并形成压力水流，既可确保压力水流水源的充足，又可减少压力水流中泥沙的含量。可以理解的是，我们需要在接水盘下侧设置贯通净水区域并通过管路与水泵相连的出水口。

可以理解的是，导流筋在接水盘内分隔出若干扇形的净水区域，从而有利于泥沙在离心力作用下径向地向外移动。

最后，如图5所示，我们还可在接水盘的上部开口处盖设一个缓流盖8，缓流盖下侧设置若干径向延伸至边缘的引流管81，引流管在周向上均匀分布，缓流盖上侧则设置若干组引流孔82，每组引流孔贯通对应的引流管，每组引流孔在引流管的长度方向上间隔分布。

当水流落到缓流盖上时，即可通过引流孔进入对应的引流管内，并沿着引流管流至接水盘边缘处的浑水区域内。通过合理地设置引流孔的数量和孔径，既可确保尾流管内的水快速进入接水盘内，又可防止尾水管内“倾泻而下”的水流直接进入接水盘内而“搅浑”泥沙。

当尾水管内的水流落到接水盘上的缓流盖时，可通过引流孔进入引流管内，然后在离心力作用下沿着引流管径向流动而进入浑水区域内。

也就是说，水流首先补充到浑水区域，当浑水区域的水位升高并高于隔离凸筋时，会反向流动至净水区域，而离心力的作用又会使混合在水中的泥沙沉积在浑水区域内。也就是说，水流在接水盘内会形成分流，分流的上、下两层径向对流，上层的清水返流到净水区域，下层的泥沙则流动至浑水区域。

Claims (5)

1.一种水轮机座环尾水管减沙抗磨的方法，所述水轮机为立式混流式水轮机，包括若干活动导叶、支承活动导叶的座环，所述座环包括和活动导叶下端转动连接的轴套，在轴套和活动导叶下端之间具有配合间隙，其特征是，在尾水管内设有接水盘，接水盘中心与主轴下端相连接，接水盘底面设有圆形的隔离凸筋和若干径向的导流筋，所述导流筋的外端与隔离凸筋相连接，隔离凸筋在接水盘内分隔出中心的净水区域和外围的浑水区域，隔离凸筋的高度低于导流筋的高度，接水盘底面的高度自中心向外逐渐升高，直至与隔离凸筋齐平连接，所述接水盘的上部开口处盖设有缓流盖，缓流盖下侧设有若干径向延伸至边缘的引流管，引流管在周向上均匀分布，缓流盖上侧设有若干组引流孔，每组引流孔贯通对应的引流管，当水流落到缓流盖上时，即可通过引流孔进入对应的引流管内，并沿着引流管流至接水盘边缘处的浑水区域内，具体包括如下步骤：

水泵同时将轴套内含有泥沙的水流以及接水盘的净水区域内的水流抽出并形成压力水流；

将压力水流从座环上表面靠近活动导叶入水边处的射流口向外喷出，从而在座环上表面形成若干微射流；

微射流冲击从配合间隙射出的磨蚀水流，并形成低速的混合水流，混合水流沿座环上表面流动，并从尾水管流向下游。

2.根据权利要求1所述的一种水轮机座环尾水管减沙抗磨的方法，其特征是，所述射流口的朝向与座环上表面形成夹角α，并且70°≤α≤110°。

3.根据权利要求1所述的一种水轮机座环尾水管减沙抗磨的方法，其特征是，在座环上表面对应每个活动导叶入水边处设有至少一个射流口。

4.根据权利要求2所述的一种水轮机座环尾水管减沙抗磨的方法，其特征是，对应每个活动导叶入水边处的射流口为2个，两个射流口的朝向之间形成小于20°的夹角。

5.根据权利要求4所述的一种水轮机座环尾水管减沙抗磨的方法，其特征是，在轴套下部设有出水孔，在座环下侧设有与各出水孔连通的环管，在座环上设有若干向上延伸的射流管，射流管上端开口构成所述射流口，所述环管通过分流管与各射流管的下端相连通，在分流管上设有增压水泵。