[發明專利]一種水輪機泄水錐打孔方法

有效

• 申請號: 201710110916.6
• 申請日: 2017-02-28
• 公開（公告）號: CN106951602B
• 公開（公告）日: 2020-08-07
• 發明（設計）人: 蘇文濤;趙越;劉登峰;李小斌;周增昊;趙昊陽;鄭智穎
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;F03B11/00
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 劉景祥

本發明提出了一種水輪機泄水錐打孔方法，包括建立模型測試實驗系統，選取湍流模型，使用RANS模擬方法進行水輪機全流場三維非定常模擬，綜合模型實驗和數值模擬數據，對不同流量偏工況下的不同泄水錐打孔模型進行測試。本發明解決了現有技術中水輪機組內部的非定常流動問題，尤其是尾水管內渦帶及相應壓力脈動問題。

技術領域

本發明屬于水輪機穩定性技術領域，特別涉及一種水輪機泄水錐打孔方法。

背景技術

在水力發電重要性日益凸顯的今天，提升水電站運行效率及水輪機運行穩定性的要求變得尤為突出。影響水輪機內部穩定運行的因素中，水力因素最為突出，包括旋轉部件和靜止部件之間的動靜干涉、葉片表面脫流、空化葉道渦以及空化尾水管渦帶等。在水輪機運行中，這些流動現象多數發生在偏離設計工況的偏工況下，會在相應的流場中誘發嚴重的壓力脈動，壓力脈動進而傳播作用于水輪機機組本身，引起機組的振動和運行噪聲，甚至誘發廠房振動。壓力脈動是引起不穩定運行和振動噪聲的主要來源。

水輪機中三維流場造成的壓力脈動來源于多個方面，如轉輪進口處脫流，誘發的流場將往上下游兩個方向傳播，引起上游部件和下游部件的水力激振；而在轉輪內部，葉道渦則是最大的不穩定源，葉道渦的發生也常常伴隨著空化流動，此處引起的壓力脈動將直接作用與轉輪上，形成高頻的振動；在下游部件，如尾水管內部，空化渦帶將從泄水錐下方生成，形成螺旋運動，這些螺旋渦帶將周期性地作用于錐管段及肘管段，造成下游部件的振動，并誘發噪聲。實驗表明，尾水管渦帶的運行頻率是低頻振動，在不同流動工況下，引起的振動及噪聲不同，但總體而言，尾水渦帶運動是最低頻的運動，因為對機組造成的影響也最嚴重。如巖灘水電站和李家峽水電站在機組運行半年與至兩年的時間內，幾臺水輪機機組相繼出現了轉輪葉片與上冠間焊縫和葉片與下環間焊縫的開裂。經過對轉輪裂紋原因的分析，發現主要是制造和運行方面的原因，運行時的劇烈壓力脈動是造成裂紋的直接因素。

在混流式水輪機中，尾水管渦帶誘發的壓力脈動是造成振動及噪聲的最主要來源，目前已經有眾多研究對尾水管渦帶進行機理及演化進行分析，并提出了減小或消除尾水管渦帶的措施，如改變尾水管中的水流運動狀態、控制渦帶的偏心距、引入適當阻尼或者改進轉輪的水力設計，然而這些措施并不能有效的減弱壓力脈動，反而有些會帶來附加噪聲。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種水輪機泄水錐打孔方法，解決水輪機組內部的非定常流動問題，尤其是尾水管內渦帶及相應壓力脈動問題。

本發明的目的通過以下技術方案實現：一種水輪機泄水錐打孔方法，

步驟1、建立模型測試實驗系統，設計不同的泄水錐打孔模型進行匹配加工，根據不同構型的泄水錐完善水力測試實驗臺，進行高速攝影測量，獲取水輪機轉輪內部及尾水管渦帶的實驗信息；

步驟2、選取湍流模型，使用RANS模擬方法進行水輪機全流場三維非定常模擬，捕捉轉輪葉片間葉道渦、尾水管渦帶以及葉片進口邊脫流空化現象，根據捕捉到的現象確定產生渦帶初生的地方，在所述渦帶初生的地方進行打孔；

步驟3、綜合模型實驗和數值模擬數據，對不同流量偏工況下的不同泄水錐打孔模型進行測試。

進一步地，所述模型測試實驗系統中的測試工況為采用單位轉速n₁₁和單位流量Q₁₁來描述全流道內流動工況，通過調節裝置空化系數σ改變測試中的環境壓力水平，通過調節活動導葉開度a改變單位轉速和單位流量；

單位轉速n₁₁定義為：

式中D₁——模型水輪機的轉輪直徑，單位為m；

H——模型水輪機實驗水頭，單位為m；

N——模型水輪機中的轉輪轉速，單位為r/min；