一种针对混流式水轮机尾水管消涡以及回收能量装置

技术领域

本发明涉及一种针对混流式水轮机尾水管消涡以及回收能量装置，应用在水轮机设备技术领域。

背景技术

公知的，尾水管是水轮机中重要的能量回收部件，其性能的好坏直接决定了水轮机机组的总效率。通常情况下，尾水管内部水流运动十分复杂，不同的方向上有不同的压力梯度，同时还伴有尾迹及流道中的“马蹄涡”和“削状涡”，流动有强烈的旋涡性，是非常复杂的三维非定常粘性流体运动，无法通过技术设备进行模拟检测。然而在水轮机低负荷运行时，尾水管通常有较大的压力脉动变化，在降低水轮机效率的同时也会影响机组运行的稳定性。为了改变水流的这种旋涡，人们通过对沟槽表面湍流边界层的研究，尤其是沟槽表面的减阻特性及其机理，从而实现提高流动稳定性的效果。沟槽减阻是由其诱导产生的二次涡与流向涡相互作用，使低速流体保持在沟槽内，减小了高低速流体间动量交换的效率，从而使阻力减小。沟槽表面可以抑制相干结构的猝发过程，缩短相干结构喷射和扫掠的时间尺度，从而达到减阻效果。沟槽表面不仅使层流边界层区域增大，而且使层流转换为湍流的雷诺数约增大4倍，从而使平板边界层的阻力降低。因此，如何利用沟槽的特性，以实现减小高低速流体间动量交换的效率，实现能量回收尾水管，提高原水轮机的发电效率，都是亟待解决的问题。

有公告号为CN109441691B的发明专利公开了一种尾水管带整流板混流式水轮机，并具体公开了在转轮内设置间隔布置的长叶片、短叶片以改善转轮内流场；巧妙地运用了锥形叶片均匀分布设置在尾水管周向内壁上，以分离转轮出流周向速度，组织涡流的形成，且该锥形叶片有导流与整流的作用，从而很好的解决了由于改善转轮流场特性引起的尾水管内流二次效应，很大程度上提高了水轮机性能。然而该发明并未解决上述提出的技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种针对混流式水轮机尾水管消涡以及回收能量装置，在水流压力脉动大时形成往复运动，推动空气发电机发电，从而达到回收电能的作用，提高原水轮机的发电效率。

本发明的技术方案如下：

一种针对混流式水轮机尾水管消涡以及回收能量装置，包括蜗壳，所述蜗壳的前端开设进水口，蜗壳内部设置机舱，机舱内设有固定轴，固定轴上分别连接有固定导叶和活动导叶，机舱上连接有水轮机叶片；所述蜗壳后端连接尾水管，尾水管的末端开设出水口，尾水管的直锥段设置有若干个沟槽，所述尾水管的中段设置有压气桶，压气桶为中空的圆柱形结构，压气桶内设有密封活塞，密封活塞与压气桶内设置的弹簧相连，弹簧的一端与密封活塞固定，弹簧的另一端与压气桶的底部面固定；所述尾水管的中段管壁上连接有第一导流板，第一导流板与压气桶相连，尾水管的直锥段内壁上固定有第二导流板，所述第一导流板上开设有导气孔，导气孔与压气桶相连通；所述尾水管的末端连接有导流罩。

所述水轮机叶片为轴流式叶片。

所述沟槽为长方体凹槽结构，沟槽均匀分布在尾水管直锥段的内壁面上。

所述沟槽的宽度a与沟槽的深度h关系为a＝(1～2)*h，沟槽的长度与尾水管直锥段的长度相同。

所述沟槽覆盖的周向比例为整个圆周的50％，相邻两个沟槽之间的夹角为7.2°。

所述第一导流板和第二导流板均为三片，第一导流板均匀分布在尾水管的中段管壁上，第二导流板均匀分布在尾水管的直锥段内壁上，第二导流板的截面为梯形结构且带有圆弧侧。

所述第二导流板的上部设置有鳍片。

所述导气孔设置在第一导流板根部的夹板中间，导气孔用于在压气桶与空气发电机之间换气。

所述导流罩为喇叭型结构，导流罩通过第一导流板固定在尾水管上。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明在尾水管的直锥段设置有若干个沟槽，利用沟槽诱导产生的二次涡与流向涡相互作用，减小了高低速流体间动量交换的效率，从而使阻力减小，从而使得沟槽对混流式水轮机运行过程中的尾水管涡带现象起到较为显著的抑制作用。

2、本发明通过在水轮机尾水管安装压气式发电装置，在水流压力脉动大时形成往复运动，推动空气发电机发电，从而达到回收电能的作用，通过在尾水管尾部安装带导流罩的轴流式能量回收装置能够实现回收尾水管能量；同时，在尾水管直锥后段内壁配有梯形截面的第二导流板，并在第二导流板上部内测设置加鳍，可进一步用小涡带影响主涡带，稳定水流；此外，该装置配有第一导流板，在固定该压气式发电装置的同时也能改善尾水管的流态。

3、本发明结构简单、安装方便、维护经济、取材广泛，对不同水头、不同工况的水电机组都有改善其稳定性和提高效率的作用。

4、本发明通过利用低负荷运行下水轮机尾水管的高幅压力脉动，推动密封活塞在压气桶中往复运动，将气体推进空气发电机发电；将尾水管中损失的能量充分利用起来，提高了水轮机的发电效率，在收集尾水管能量的同时也能起到整流作用。

5、本发明可以改善水轮机尾水管工作的稳定性,提高整个水力发电机组运行的稳定性，延长了机组的寿命，减少了设备的维修次数，降低了水电系统的维护费用、节约了成本；同时，本发明提高了水的利用率，在水资源日益短缺的今天有着重要的工程实际意义。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中导流罩的截面结构示意图；

图3为本发明中密封活塞与弹簧的的结构示意图；

图4为本发明中第一导流板与导气孔的结构示意图；

图5为本发明中尾水管中段的压力脉动变化曲线图。

图中附图标记表示为：

1、蜗壳；2、固定导叶；3、活动导叶；4、水轮机叶片；5、沟槽；6、尾水管；7、第一导流板；8、导流罩；9、机舱；10、固定轴；11、导气孔；12、压气桶；13、密封活塞；14、进水口；15、弹簧；16、出水口；17、第二导流板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。

参见图1至图5所述的一种针对混流式水轮机尾水管消涡以及回收能量装置，包括蜗壳1，所述蜗壳1的前端开设进水口14，蜗壳1内部设置机舱9，机舱9内设有固定轴10，固定轴10上分别连接有固定导叶2和活动导叶3，机舱9上连接有水轮机叶片4；所述蜗壳1后端连接尾水管6，尾水管6的末端开设出水口16，尾水管6的直锥段设置有若干个沟槽5，所述尾水管6的中段设置有压气桶12，压气桶12为中空的圆柱形结构，用于储存空气，压气桶12内设有密封活塞13，密封活塞13与压气桶12内设置的弹簧15相连，弹簧15的一端与密封活塞13固定，弹簧15的另一端与压气桶12的底部面固定，密封活塞13在弹簧15的作用下在压气桶12中来回活动；弹簧15的刚度与尾水管6压力脉动的平均值成正比；所述尾水管6的中段管壁上连接有第一导流板7，第一导流板7与压气桶12相连，尾水管6的直锥段内壁上固定有第二导流板17，所述第一导流板7上开设有导气孔11，导气孔11与压气桶12相连通；所述尾水管6的末端连接有导流罩8。

所述水轮机叶片4为轴流式叶片。

所述沟槽5为长方体凹槽结构，沟槽5均匀分布在尾水管6直锥段的内壁面上。

所述沟槽5的宽度a与沟槽5的深度h关系为a＝(1～2)*h，沟槽5的长度与尾水管6直锥段的长度相同。本发明中优选设定沟槽5的宽度为128mm，深度为100mm。在小流量工况下，尾水管6产生偏心涡带，沟槽5内的二次涡与偏心涡带相互作用，使低速流体保持在沟槽5内，从而达到消涡的效果。

所述沟槽5覆盖的周向比例为整个圆周的50％，相邻两个沟槽5之间的夹角为7.2°。

所述第一导流板7和第二导流板17均为三片，第一导流板7均匀分布在尾水管6的中段管壁上，在整流的同时起到固定压气桶12的作用；第二导流板17均匀分布在尾水管6直锥段后端的内壁上，第二导流板17的截面为梯形结构且带有圆弧侧，围绕水轮机轴线内贴尾水管6内壁均匀分布，外侧固定在尾水管6内部，外侧厚度为内侧沿尾水管6轴心扫过角度，所带范围即为厚度，第二导流板17可以改善水流在弯肘段的压力脉动，另外提高了尾水管6能量恢复系数，在提高水轮机运行效率的基础上提升运行稳定。

尾水管6内部的涡带主要是由转轮带动的主流区与尾水管6内的死水区相互作用，死水区中的水流再回流而形成的漩涡。小流量工况下，尾水管6内漩涡数量激增，且充满整个尾水管6，在尾水管6的中后位置由回流引起的漩涡形态明显。小流量工况下，由于流量减少，转轮对水流的作用力相对增大，使得尾水管6内水流流态更紊乱。

所述第二导流板17的上部设置有鳍片。加鳍片后，流场中除了已有的主流区涡带，出现了加鳍导致的另一条额外的小涡，由此影响主涡带，使得尾水管6内水流流态趋于稳定。

所述导气孔11设置在第一导流板7根部的夹板中间，导气孔11用于在压气桶12与空气发电机之间换气，压力大时将气体压进空气发电机，压力小时形成负压将空气吸入。

所述导流罩8为喇叭型结构，导流罩8通过第一导流板7固定在尾水管6上。导流罩8起到收集水流，提高发电效率的作用。

本发明利用低负荷水轮机尾水管6处较大的压力脉动变化，在压力大时，推动密封活塞13运动，将压气桶12中的空气通过导气孔11压进空气发电机，使其发电；在尾水管6压力小时，弹簧15推动密封活塞13向外运动，使得压气桶12内形成负压，将空气抽回压气桶12内部。

进一步的，所述尾水管6内安装故障监测装置，其以小波包特征熵的决策树算法为基础。首先通过尾水管6内的压力传感器，收集实测的压力脉动信号；继而对实测的水轮机尾水管6压力脉动信号进行分解，用小波包分解对脉动信号不断进行高低频分解，得到小波包分解的序列，采用信息熵作为判据来定义划分测度，从而构建特征熵特征向量，对其做归一化处理；最后通过决策树的学习与生成，以特征向量为输入向量，故障类别向量为输出向量，完成所述混流式水轮机的尾水管6涡带故障实时监测。

进一步的，所述尾水管6故障监测装置识别过程中，涡带会引起异常脉动，使得尾水管6内能量分布不均，小波包特征熵随着尾水管6涡带的出现而增大，两者呈正相关态势，特征熵越大，故障发生率越大；通过决策树的学习与生成，对已有数据进行故障分类，可以实现决策树的故障模式识别，即由不同特征向量输入则输出不同的故障类别，以此来判断尾水管6内是否产生涡带以及涡带的严重程度。

本发明的工作原理：

利用低负荷水轮机尾水管6处较大的压力脉动变化，在压力大时，推动密封活塞13运动，将压气桶12中空气通过导气孔11压进空气发电机，使其发电；在尾水管6压力小时，弹簧15推动密封活塞13向外运动，使得压气桶12内形成负压，将空气抽回压气桶12。

弹簧15压力计算公式为：

k为弹簧刚度，N/mm；F为弹簧工作载荷，N；f为弹簧工作载荷下的变形量(mm)。

F的值为作用在密封活塞13上的压力：

F＝PS

P为尾水管6中部压力脉动压强(Pa)；S为密封活塞13接触面积(m

经过模拟研究，实际运用中f值推荐为压气桶12深度的一半。这样能实现密封活塞13的周期性往复运动。

通过模拟研究，对比加装沟槽5前后的涡带，可以发现，在加装沟槽5之后，尾水管6涡带得到了很好的消除。在加装沟槽5之前，尾水管6直锥段存在螺旋强度较大的单螺旋涡带，有明显的偏心涡带，并且越往尾水管6下端涡带偏心距越大，形态极不稳定，而加装沟槽5之后，涡带基本上全部消除，仅剩尾水管6进口的极少量涡带，这说明在尾水6管直锥段加装沟槽5对尾水管6涡带的改善效果显著。

表1是对小流量工况下的水轮机效率进行了监测和计算，从表格中可以看到，在直锥段部分加装沟槽5，对机组效率的影响并不大，前后差值为0.62％，可以认为加装沟槽5对水轮机效率几乎没有影响，不会对正常的水轮机运行造成影响。

表1小流量工况下安装沟槽5前后水轮机的效率

表2是小流量工况下两种方案的传统尾水管6和加沟槽5方案下尾水管6各测点对应的压力脉动最大幅值，结果表明，在安装了沟槽5之后，尾水管6的压力脉动振幅明显降低，压力脉动降低比率最大可达到71.59％，说明在加装沟槽5对降低尾水管6整体的压力脉动幅值有明显改善。

表2小流量工况下尾水管涡带压力脉动幅值

所述尾水管6采用了基于小波包特征熵的决策树算法故障诊断方法。其工作步骤如下：

(1)利用尾水管6内压力传感器检测得到实测的压力脉动信号x(t)；

(2)对实测的压力脉动信号x(t)进行小波包分解，即将信号不断进行高低频信号h(t)，l(t)的分解，分解式如下：

若本实施例信号被分解为i层，则得到小波包分解序列D

继而得到划分测度

接着由信息熵基本理论求得小波包特征熵，并对其进行处理，最终构成信号小波包特征熵向量M：

(3)进行决策树学习与生成，即前期对各环境下的实测数据提取的特征熵的进行训练，再对特征向量按已有故障类别进行输出的定义编程，生成决策树，便可通过输入特征向量作为决策树的输入向量，进行涡带的模式识别，完成故障监测。

本实施例中，对特征熵向量M进行归一化处理，避免熵较大引起的分析计算难度加大。

本实施例中，选择最优特征需要在特征选择中使每个分支的节点纯度尽可能高。评价划分后子集的纯度选择了基于信息熵的判据。

本实施例中，当尾水管6出现涡带时，管内脉动增加且打破了尾水管6内能量分布的原有特性，涡带越大，小波包特征熵增大，两者呈现正相关。故障发生情况的可能性也就越大，小波包特征熵随之发生相应的改变。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。