專利名稱：水輪機(jī)尾水管短管補(bǔ)氣裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本裝置屬于水輪發(fā)電機(jī)組補(bǔ)氣領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
水輪發(fā)電機(jī)組補(bǔ)氣裝置分為自然補(bǔ)氣和強(qiáng)迫補(bǔ)氣兩種，尾水管短管補(bǔ)氣為自然 補(bǔ)氣；1)對于水輪機(jī)而言，補(bǔ)氣多數(shù)都是用來減小壓力脈動(dòng)的。尾水管補(bǔ)氣是用來減小混 流式水輪機(jī)部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)在尾水管中的渦帶壓力脈動(dòng)的，同時(shí)提高尾水管內(nèi)部壓 力，可以改善機(jī)組的空化程度，這也是本項(xiàng)目的主要目的和目標(biāo)。2)位置水輪機(jī)尾水管 內(nèi)。現(xiàn)尾水管補(bǔ)氣方式為尾水管十字補(bǔ)氣架。補(bǔ)氣架的損壞主要有兩種可能的原因一是強(qiáng)度不足；二是疲勞破壞。(1)關(guān)于補(bǔ)氣架的強(qiáng)度強(qiáng)度不足導(dǎo)致的部件損壞的機(jī)理是，靜態(tài)作用力比較大，使部件的靜應(yīng)力超過部 件材料的斷裂強(qiáng)度。在尾水管中，靜態(tài)作用力只有來自水流的沖擊。如果用極近似的方法估算，不同工 況下，由水流沖擊產(chǎn)生的靜態(tài)作用力不超過IOt 20t，在支管根部產(chǎn)生的極限靜應(yīng)力值不 超過500kg/cm2 lOOOkg/cm2，估算中還沒有考慮補(bǔ)氣架已采取的各種加強(qiáng)措施和各支管 聯(lián)合起來的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。因此，單純的靜應(yīng)力不會使補(bǔ)氣架的支管發(fā)生斷裂。意外的情況也有補(bǔ)氣架連同尾水管里襯構(gòu)成一個(gè)封閉的結(jié)構(gòu)，焊接時(shí)，補(bǔ)氣架的 支管產(chǎn)生膨脹，在冷卻時(shí)，由于材料的收縮，支管將出現(xiàn)很大的拉伸應(yīng)力，有時(shí)這個(gè)拉伸應(yīng) 力可使支管、特別是支管的焊接接口處發(fā)生斷裂。即使不出現(xiàn)斷裂，它的強(qiáng)度也會受到很大 程度的削弱，比較容易在動(dòng)載荷的作用下比較快地發(fā)生疲勞斷裂。在采用十字補(bǔ)氣架的結(jié) 構(gòu)時(shí)，這種情況將普遍存在。(2)關(guān)于補(bǔ)氣架的疲勞強(qiáng)度已有的材料疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)和材料的疲勞強(qiáng)度受很多因素的影響，其中 至少有6種因素的影響可以使材料的疲勞強(qiáng)度降低30% 60%。例如，不對稱循環(huán)(平均 應(yīng)力不等于零)下材料的疲勞強(qiáng)度可能比對稱循環(huán)(平均應(yīng)力等于零)情況下的疲勞強(qiáng)度 降低一半；多頻率動(dòng)載荷下的疲勞強(qiáng)度比單頻率時(shí)的疲勞強(qiáng)度低30%以上等。在實(shí)際結(jié)構(gòu)物中，常常是多種因素同時(shí)起作用，因而，可能使材料的實(shí)際疲勞強(qiáng)度 降低到試驗(yàn)值的10%、甚至是5%以下。眾所周知，材料可以承受比較大的靜應(yīng)力，但比較小的動(dòng)應(yīng)力就可以使它發(fā)生疲 勞破壞。在水輪機(jī)尾水管中是不缺少動(dòng)載荷的，特別是在非最優(yōu)工況下，例如，渦帶壓力脈 動(dòng)，卡門渦、葉片頻率的壓力脈動(dòng)、轉(zhuǎn)輪進(jìn)口沖擊、脫流產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)等。它們產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng) 力也可以達(dá)到可與靜應(yīng)力相比的程度。聯(lián)系到上述水流和焊接對十字補(bǔ)氣架靜應(yīng)力的作用，分析認(rèn)為，白山水輪機(jī)補(bǔ)氣 架完全具有產(chǎn)生疲勞破壞的條件，而且很可能是在靜載荷和復(fù)雜動(dòng)載荷聯(lián)合作用下發(fā)生的疲勞破壞。里襯處斷口的形貌也顯示出一定的疲勞斷裂特征。原技術(shù)存在的問題水輪機(jī)原設(shè)計(jì)、安裝有尾水管十字補(bǔ)氣架裝置，但投入運(yùn)行不 久，補(bǔ)氣架就被沖掉，補(bǔ)裝后，運(yùn)行不久仍然被沖掉了，如此反復(fù)多次。因此，水輪機(jī)常常在 沒有補(bǔ)氣架的情況下運(yùn)行。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測，在沒有補(bǔ)氣架的情況下，各種功率下的最大進(jìn)氣風(fēng) 速不到lm/s，而且呈脈動(dòng)進(jìn)氣狀態(tài)，故實(shí)際補(bǔ)氣量甚小，補(bǔ)氣效果不理想；2)新技術(shù)所要解 決的問題:A解決原有十字架補(bǔ)氣裝置經(jīng)常脫落問題；B解決尾水管補(bǔ)氣量不足問題，增大 補(bǔ)氣量，改善補(bǔ)氣效果；從而減小渦帶壓力脈動(dòng)以外的其他壓力脈動(dòng)；減小尾水管中的流 動(dòng)噪聲；提高尾水管內(nèi)的壓力，減輕水輪機(jī)的空蝕；使渦帶工況區(qū)的水輪機(jī)效率略有所提 高。C減少對尾水管補(bǔ)氣裝置的維護(hù)量。

發(fā)明內(nèi)容
本補(bǔ)氣裝置相對原十字架補(bǔ)氣裝置被稱為短管補(bǔ)氣裝置，特點(diǎn)是針對水輪發(fā)電機(jī) 組尾水補(bǔ)氣架經(jīng)常脫落的缺陷。短管補(bǔ)氣裝置設(shè)在尾水管內(nèi)，由四根短管穿過尾水管管壁通過環(huán)管、逆止閥與大 氣相連通，形成補(bǔ)氣回路；四根短管在尾水管同一水平面上均勻分布；短管采用上拱形式 即與向上水平面成30° -45°角或者平行于水平面，在方便與原尾水管基礎(chǔ)混凝土內(nèi)管路 連接，同時(shí)也減小了尾水水流對其的沖擊；短管堵頭封死，出氣孔開在短管下方、以尾水管 中心看短管出氣孔在短管截面的第三象限內(nèi)。出氣孔最佳位置在以尾水管中心看短管，在短管截面的第三象限內(nèi)并且出氣孔中 心線與+Y方向成130°角。尾水水流從上至下沖擊，進(jìn)一步，短管采用上拱形式即與水平方向成30° -45° 角。減小了尾水水流對其的沖擊。1)短管補(bǔ)氣裝置將原有十字架補(bǔ)氣裝置明管段取消，改 為由四根直徑Φ219Χ18的支管與原尾水管里襯外的環(huán)管相連，環(huán)管通過一根總進(jìn)氣管與 大氣相通，總進(jìn)氣管進(jìn)口裝有逆止閥，支管上的小圓孔為出氣孔。短管為上拱形式；正面堵 頭封堵。按照設(shè)計(jì)水頭下、50%負(fù)荷(渦帶壓力脈動(dòng)最大)時(shí)補(bǔ)氣量最大的原則確定出氣 孔位置在第三象限并并面向尾水管壁。2)原理短管補(bǔ)氣利用尾水管內(nèi)主水流繞流補(bǔ)氣短管形成的真空把大氣吸入尾 水管。因此，它的出氣孔位于比較靠近尾水管壁的主水流區(qū)。它的優(yōu)點(diǎn)是由主水流形成的 動(dòng)力真空非常穩(wěn)定，因而補(bǔ)氣量也非常穩(wěn)定，而且，定性的說，補(bǔ)氣量越大，繞流動(dòng)力真空越 大，有利于補(bǔ)氣量的增大。3)特點(diǎn)(1)短管補(bǔ)氣裝置運(yùn)行穩(wěn)定，補(bǔ)氣量滿足機(jī)組需要； (2)短管補(bǔ)氣裝置未發(fā)生過管路脫落現(xiàn)象，減少日常維護(hù)量，降低維護(hù)成本，避免 了機(jī)組無補(bǔ)氣裝置運(yùn)行的情況，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。(3)短管補(bǔ)氣裝置補(bǔ)氣量完全滿足機(jī)組運(yùn)行要求。


圖1短管補(bǔ)氣系統(tǒng)圖的俯視圖。圖2(a)短管補(bǔ)氣裝置正視圖的剖面圖。圖2(b)是圖2(a)的A-A方向視圖。
其中1進(jìn)氣孔2短管3尾水里襯板4環(huán)管5加強(qiáng)筋板6其它機(jī)組管路 7逆止閥。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合圖1詳細(xì)說明本實(shí)施例白山水電站位于第二松花江干流上游，總裝機(jī)170萬千瓦，設(shè)計(jì)年平均發(fā)電量 24. 77億千瓦時(shí)，其中白山地下水電站為三臺30萬千瓦混流式水輪發(fā)電機(jī)組；白山左岸 水電站為兩臺30萬千瓦混流式水輪發(fā)電機(jī)組；距白山下游39公里的紅石水電站為四臺5 萬千瓦軸流定漿式水輪發(fā)電機(jī)組。在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用作用。白山水電站一 期安裝三臺機(jī)組，分別于1983年12月到1984年12月投入運(yùn)行。水輪機(jī)型號HL001-LJ-550， 額定水頭112m，發(fā)電機(jī)額定功率300MW，半傘式結(jié)構(gòu)。水輪發(fā)電機(jī)組補(bǔ)氣分為自然補(bǔ)氣和強(qiáng)迫補(bǔ)氣兩種方式，本尾水管短管補(bǔ)氣為機(jī)組 自然補(bǔ)氣的其中一種；本補(bǔ)氣裝置針對水輪發(fā)電機(jī)組尾水補(bǔ)氣架經(jīng)常脫落的缺陷而進(jìn)行的創(chuàng)新改進(jìn)。短 管補(bǔ)氣裝置設(shè)在尾水管內(nèi)，由四根直徑為0219mmX18mm的支管穿過尾水管管壁通過環(huán) 管、逆止閥與大氣相連通，形成補(bǔ)氣回路；在此結(jié)構(gòu)中，短管長度為900mm-950mm，由于短管 長度僅為原十字架支管長度的1/4到1/3大小，使其作用在短管上的動(dòng)載荷和根部受力大 大減小，短管都是相對獨(dú)立存在的，除短管的直徑和管壁厚度外，它的強(qiáng)度、剛度和壽命主 要由根部的固定和加固方式?jīng)Q定。不存在短管之間的相互的干擾，每根短管承受的動(dòng)載荷 較十字架要小得多；而原十字架補(bǔ)氣裝置四根補(bǔ)氣管是連在一起相互制約的。四根短管在尾水管同一水平面上均勻分布；短管采用上拱形式即與水平方向成 30° -45°角，在方便與原尾水管基礎(chǔ)混凝土內(nèi)管路連接，同時(shí)也減小了尾水水流對其的沖 擊，避免其出現(xiàn)脫落現(xiàn)象；補(bǔ)氣量的大小主要取決于尾水管內(nèi)出氣孔位置、方向和尺寸的設(shè)計(jì)，按照設(shè)計(jì)水 頭下、50%負(fù)荷(渦帶壓力脈動(dòng)最大)時(shí)補(bǔ)氣量最大的原則，經(jīng)過設(shè)計(jì)研究將補(bǔ)氣孔的最佳 位置取在短管下方、面向尾水管壁的第三象限內(nèi)，出氣孔中心線與+Y方向成130°角，出氣 孔尺寸為120*200mm，距短管封死堵頭距離為100_150mm，同時(shí)出氣孔的邊沿光滑、無毛刺， 以減小空氣的流動(dòng)阻力。通過本次改進(jìn)創(chuàng)新使尾水管補(bǔ)氣量增大為原補(bǔ)氣裝置的2-3倍；使渦帶壓力脈 動(dòng)以外的其他壓力脈動(dòng)有所減??；同時(shí)也減小了尾水管中的流動(dòng)噪聲；提高尾水管內(nèi)的壓 力，減輕水輪機(jī)的空蝕；使渦帶工況區(qū)的水輪機(jī)效率有所提高；保障了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行， 減少了日常維護(hù)量，降低了維護(hù)成本。
權(quán)利要求
水輪機(jī)尾水管短管補(bǔ)氣裝置，其特征在于短管補(bǔ)氣裝置設(shè)在尾水管內(nèi)，由四根支管穿過尾水管管壁通過環(huán)管與大氣相連通，形成補(bǔ)氣回路；四根短管在尾水管同一水平面上均勻分布；短管采用上拱形式即與水平面向上成30° 45°角或者平行于水平面，短管堵頭封死，出氣孔開在短管下方、以尾水管中心看短管出氣孔在短管截面的第三象限內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的水輪機(jī)尾水管短管補(bǔ)氣裝置，其特征在于出氣孔位置在以尾水管中心看短管，在短管截面的第三象限內(nèi)并且出氣孔中心線與+Y 方向成130°角。
全文摘要
水輪機(jī)尾水管短管補(bǔ)氣裝置屬于水輪發(fā)電機(jī)組補(bǔ)氣領(lǐng)域。水輪機(jī)尾水管短管補(bǔ)氣裝置，其特征在于短管補(bǔ)氣裝置設(shè)在尾水管內(nèi)，由四根支管穿過尾水管管壁通過環(huán)管與大氣相連通，形成補(bǔ)氣回路；四根短管在尾水管同一水平面上均勻分布；短管采用上拱形式即與向上水平面成30°-45°角或者平行于水平面，短管堵頭封死，出氣孔開在短管下方、以尾水管中心看短管出氣孔在短管截面的第三象限內(nèi)。短管補(bǔ)氣裝置運(yùn)行穩(wěn)定，補(bǔ)氣量滿足機(jī)組需要；短管補(bǔ)氣裝置未發(fā)生過管路脫落現(xiàn)象，減少日常維護(hù)量，降低維護(hù)成本，避免了機(jī)組無補(bǔ)氣裝置運(yùn)行的情況，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。
文檔編號F03B11/04GK101975132SQ20101055937
公開日2011年2月16日 申請日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)明者喬木, 于亞軍, 劉淑娟, 張福彬, 張策, 楊成虎, 王蔚然, 程振江, 胡海平, 高連偉 申請人:白山發(fā)電廠