專利名稱：一種水輪機(jī)尾水管渦流發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流體機(jī)械及工程設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種適用于多種不同工況水輪機(jī)尾水管的渦流發(fā)生器。
背景技術(shù)：
潤流發(fā)生器(Vortex Generators,簡稱VG)是20世紀(jì)中期由Taylor首先提出的，是飛機(jī)后期精細(xì)設(shè)計中進(jìn)一步改善飛機(jī)汽動性能的流動控制裝置。所以，渦流發(fā)生器最早應(yīng)用于空氣動力學(xué)中，一般是安裝在飛機(jī)的機(jī)翼上。常見的平板式渦流發(fā)生器都是垂直安裝在機(jī)翼表面邊界層內(nèi)，并與來流方向保持一定的夾角。其作用主要有1、通過小平板產(chǎn)生的尾渦攪動分離區(qū)內(nèi)的氣流，使邊界層上部的高能氣流與近壁面的低能氣流混合，進(jìn)而增加近壁流體的動能和能量，以延緩分離。2、利用渦流發(fā)生器產(chǎn)生的尾渦阻隔內(nèi)部氣流向外 翼的流動，防止低能氣流在外翼上堆積，從而進(jìn)一步增加升力和減小阻力。經(jīng)過大半個多世紀(jì)的發(fā)展，渦流發(fā)生器在飛機(jī)、擴(kuò)壓器、收縮后體和增升裝置，甚至先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)上均獲得了廣泛應(yīng)用。上世紀(jì)60年代以后，研究者對渦流發(fā)生器的傳熱特性進(jìn)行了研究，截止目前，國內(nèi)外的學(xué)者對其在傳熱學(xué)中的應(yīng)用已有比較深入的研究，并對三角形渦流發(fā)生器、矩形渦流發(fā)生器、梯形渦流發(fā)生器等形狀渦流發(fā)生器的傳熱特性進(jìn)行了對比和分析。國外也有學(xué)者對渦流發(fā)生器產(chǎn)生的渦旋、渦旋對流場和傳熱的影響進(jìn)行了一些計算和實驗研究。同時，也有部分學(xué)者通過實驗對渦流發(fā)生器改變流場中“渦”的變化，進(jìn)行了相對比較詳細(xì)的研究。目前，國內(nèi)外對渦流發(fā)生器在水動力學(xué)中應(yīng)用的研究還相對比較少，相關(guān)的文獻(xiàn)和專利有如下兩個1、西安交通大學(xué)劉小民等在2007提出了這一種思想；2、杭州電子科技大學(xué)潘華辰、陳鷹、聶欣等分別在08年4月和7月公布了兩個發(fā)明專利新型尾水管及制作方法、一種新型尾水管兩個專利，但這兩個專利中所涉及的渦流發(fā)生器均為三角形葉片，葉片的各個參數(shù)均取決于水輪機(jī)尾水管的直徑。然而，渦流發(fā)生器作為渦產(chǎn)生裝置可以產(chǎn)生一系列小渦，以中和水輪機(jī)尾水管自身的渦。這些小渦的特性取決于渦流發(fā)生器的形狀、大小和安裝方式，并且，確定波長的小渦只能中和一定波長的大渦?；诖耍枰婕耙环N可提高水輪機(jī)尾水管能量恢復(fù)系數(shù)和改善其內(nèi)部穩(wěn)定性的渦流發(fā)生器。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、安裝方便的可提高水輪機(jī)尾水管能量恢復(fù)系數(shù)和改善其內(nèi)部穩(wěn)定性的渦流發(fā)生器。技術(shù)方案為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種水輪機(jī)尾水管渦流發(fā)生器，包括水輪機(jī)尾水管和若干對均勻排列在水輪機(jī)尾水管內(nèi)壁的金屬葉片，金屬葉片的對數(shù)為廣20對，每個金屬葉片的形狀為直角梯形。其中,所述的金屬葉片厚度為lmnT2mm,金屬葉片的梯形的高為水輪機(jī)尾水管水流主漩渦渦長\的1/50 1/40，直角梯形的下底長為尾水管入水口直徑d的1/20 1/15，直角梯形的上底長為下底長的1/4 1/3，梯形的高與梯形斜邊延長線的夾角為a，滿足8° ^ a彡20° ;兩梯形葉片所在平面的夾角為P，滿足5°彡P(guān)彡45°。作為優(yōu)選，所述的直角梯形形狀的金屬葉片垂直于尾水管內(nèi)壁，直角梯形的直角邊作為安裝邊，安裝邊與尾水管內(nèi)壁面整邊相連，直角梯形的下底接近尾水管的入水口，直角梯形的上底遠(yuǎn)離尾水管的入水口，直角梯形的高與上底的交點距離尾水管入水口的距離L小于尾水管入水口直徑d的一半，成對設(shè)置的兩個金屬葉片對稱分布，兩葉片所在平面關(guān)于中心軸線對稱，且每個葉片所在平面與中心軸線的夾角為0/2。作為優(yōu)選，所述的水輪機(jī)尾水管中流體的雷諾數(shù)Re滿足Re < 4X IO8時，直角梯形形狀的金屬葉片對數(shù)為N，滿足N <3，每對葉片均勻地分布在尾水管內(nèi)壁，故每對葉片之間的距離I取決于尾水管的入水口直徑d ;若尾水管中流體的雷諾數(shù)Re :滿足Re 3 4X108時，每對直角梯形的金屬葉片均勻地分布在尾水管內(nèi)壁，且成對設(shè)置的兩個金屬葉片的兩安裝邊中點之間的間距I滿足d/10 ( I ( d/2。有益效果本發(fā)明的一種水輪機(jī)尾水管渦流發(fā)生器，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)·
占-
i\\\ *(I)由于水流流經(jīng)梯形葉片時，會產(chǎn)生一系列靠近水輪機(jī)尾水管管壁的小渦，而在工程實際的水輪機(jī)尾水管中，水流的雷諾數(shù)Re —般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4X 108，所以粘性底層的厚度也比較大。這些微渦不僅可以抑制切向速度，還阻止了大漩渦的生成，降低了邊界層的厚度，促進(jìn)了水輪機(jī)尾水管內(nèi)部流場均勻化，進(jìn)而降低了水輪機(jī)尾水管的壓力脈動，提高了水輪機(jī)尾水管運行的穩(wěn)定性；同時，使水輪機(jī)尾水管的能量恢復(fù)系數(shù)有一定的提升。在雷諾數(shù)Re低于4X IO8時，在尾水管內(nèi)壁安裝I對或2對渦流發(fā)生器，可以減少水輪機(jī)尾水管內(nèi)近壁面的非定?；亓?，進(jìn)而達(dá)到提高水輪機(jī)尾水管能量恢復(fù)系數(shù)的目的。(2)本發(fā)明的一種水輪機(jī)尾水管渦流發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、維護(hù)經(jīng)濟(jì)、取材廣泛，對不同水頭、不同工況的水電機(jī)組都有提高水輪機(jī)尾水管能量恢復(fù)系數(shù)和改善其穩(wěn)定性的作用。渦流發(fā)生器葉片的特征參數(shù)和安裝位置均取決于水輪機(jī)尾水管內(nèi)部渦的特性，以中和水輪機(jī)尾水管內(nèi)部部分尾渦，對部分振動也有一定的中和作用，且葉片的體積小，在使用過程中不易產(chǎn)生泥沙和雜質(zhì)的沉積，所以維護(hù)方便、成本低廉。(3)本發(fā)明可以改善水輪機(jī)尾水管工作的穩(wěn)定性，提高整個水力發(fā)電機(jī)組運行的穩(wěn)定性，延長了機(jī)組的壽命，減少了設(shè)備的維修次數(shù)，降低了水電系統(tǒng)的維護(hù)費用、節(jié)約了成本。同時，本發(fā)明提高了水的利用率，在資源日益短缺的今天有著重要的工程實際意義。


圖I為渦流發(fā)生器金屬葉片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為渦流發(fā)生器在尾水管中的安裝結(jié)構(gòu)圖。圖3為渦流發(fā)生器在尾水管中安裝的A-A向剖面圖。圖4為渦流發(fā)生器在尾水管中安裝的B-B向剖面圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
如圖I 圖4所示，本發(fā)明的一種水輪機(jī)尾水管渦流發(fā)生器，包括水輪機(jī)尾水管3和若干對均勻排列在水輪機(jī)尾水管3內(nèi)壁的金屬葉片1，金屬葉片I的對數(shù)為f 20對，每個金屬葉片I的形狀為直角梯形。本發(fā)明的一種水輪機(jī)尾水管渦流發(fā)生器安裝在水輪機(jī)尾水管3的內(nèi)壁面上，安裝截面是水輪機(jī)尾水管內(nèi)部渦形成的截面。所以對于任一確定工況的水輪機(jī)尾水管，應(yīng)先通過計算流體力學(xué)(CFD)模擬出其內(nèi)部水流特性，找出內(nèi)部渦開始形成的截面。本發(fā)明中，金屬葉片I厚度為lmnT2mm，金屬葉片I的梯形的高為水輪機(jī)尾水管3水流主漩渦渦長、的1/50 1/40，直角梯形的下底長為尾水管3入水口直徑d的1/20 1/15，直角梯形的上底長為下底長的1/4 1/3，梯形的高與梯形斜邊延長線的夾角為a，滿足8°彡a彡20° ;兩梯形葉片所在平面的夾角為P，滿足5°彡P(guān)彡45°。在本發(fā)明中，水輪機(jī)尾水管3中流體的雷諾數(shù)Re，滿足Re < 4 X IO8時，則直角梯形形狀的金屬葉片I對數(shù)N，滿足N=I或2，每對葉片均勻地分布在尾水管3的內(nèi)壁，故每對葉片之間的距離I取決于尾水管3的入水口直徑d ;若尾水管中流體的雷諾數(shù)Re滿足Re ^ 4X IO8時，每對直角梯形的金屬葉片I均勻地分布在尾水管3的內(nèi)壁，且每對兩葉片兩安裝邊中點之間的間距I滿足d/10 ( I ( d/2。在本發(fā)明中，直角梯形形狀的金屬葉片I垂直于尾水管3的內(nèi)壁，直角梯形的直角邊作為安裝邊，安裝邊與尾水管3的內(nèi)壁面整邊相連，直角梯形的下底接近水輪機(jī)尾水管3的入水口 2，直角梯形的上底遠(yuǎn)離尾水管3的入水口 2，直角梯形的高與上底的交點距離水輪機(jī)尾水管3的入水口 2的距離L小于尾水管3入水口直徑d的一半；成對設(shè)置的兩個金屬葉片I對稱分布，兩個金屬葉片I所在平面關(guān)于中心軸線對稱，且每個金屬葉片I所在平面與中心軸線的夾角為0/2。水輪機(jī)尾水管3是水輪機(jī)的重要部件，安裝在水輪機(jī)的出口處，其作用主要有第一，將水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪流出的水導(dǎo)向下游；第二，回收水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口處損失的部分能量，尾水管在引導(dǎo)水流出時，會產(chǎn)生漩渦和振動等現(xiàn)象，將影響水輪機(jī)運行的穩(wěn)定性，也會增大尾水管流出水的能量，影響水輪機(jī)的發(fā)電效率。本發(fā)明在水輪機(jī)尾水管3的入水口處安裝一系列小的渦流發(fā)生器，在水流流經(jīng)渦流發(fā)生器時，渦流發(fā)生器會產(chǎn)生一系列的小渦，以阻止尾水管3內(nèi)部大漩渦的形成或中和大漩渦，以降低尾水管3中心部位出現(xiàn)負(fù)壓的可能性，提高了尾水管3中心部位水流的壓力和速度。同時，這些小漩渦可以攪動分離區(qū)內(nèi)水的流動，使遠(yuǎn)離邊界的高能水流與近壁的低能水流混合，增加了邊界層處低能水流的能量，提高了尾水管3內(nèi)部各個截面水流的均勻性，避免了非定?；亓鲄^(qū)域的形成，減少了尾水管3內(nèi)部的振動，進(jìn)而，增加了尾水管3內(nèi)部水流的穩(wěn)定性。所以，對于各種不同工況的尾水管3，本發(fā)明均可以達(dá)到增加其運行的穩(wěn)定性和提高其能量恢復(fù)系數(shù)的目的，進(jìn)而提高了整個水輪發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率。這對眾多中、低水頭水電站具有重要的理論和實踐意義。同時，水輪機(jī)尾水管3是一個擴(kuò)壓器，在尾水管3的入水口處水流的不穩(wěn)定性較明顯，故在其入水口處安裝渦流發(fā)生器有著重要的意義。本發(fā)明所設(shè)計的渦流發(fā)生器作為渦產(chǎn)生裝置可以產(chǎn)生一系列小渦，以中和水輪機(jī)尾水管3自身的渦。這些小渦的特性取決于渦流發(fā)生器的形狀、大小和安裝方式，并且，確定波長的小渦只能中和一定波長的大渦。基于此，依據(jù)水輪機(jī)尾水管3中渦特性對渦流發(fā)生器進(jìn)行設(shè)計具有一定的通用性。此外，直、角梯形葉片的上底，對水流有一定的阻止作用，使渦流發(fā)生器產(chǎn)生的尾渦與水輪機(jī)尾水管3的中心部位更加接近，使水輪機(jī)尾水管3中心部位的負(fù)壓區(qū)域形成的可能性大大降低。同時，梯形葉片的大小依據(jù)尾水管3內(nèi)部渦的特性可以變動，每對梯形葉片之間的距離依據(jù)水輪機(jī)尾水管3入水口的直徑。尾水管3入水口處的水流隨季節(jié)變化，產(chǎn)生的漩渦會隨之縮小或者增大，由于渦流發(fā)生葉片安裝方便、維修簡單，可以靈活選擇和布置各個葉片。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種水輪機(jī)尾水管渦流發(fā)生器，其特征在于包括水輪機(jī)尾水管(3)和若干對均勻排列在水輪機(jī)尾水管(3)內(nèi)壁的金屬葉片(I )，金屬葉片(I)的對數(shù)為f 20對，每個金屬葉片(I)的形狀為直角梯形。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水輪機(jī)尾水管渦流發(fā)生器，其特征在于所述的直角梯形金屬葉片(I)的厚度為lmnT2mm，直角梯形金屬葉片(I)的高為水輪機(jī)尾水管(3)水流主漩渦渦長、的1/50 1/40，直角梯形的下底長為尾水管入水口直徑d的1/20 1/15，直角梯形的上底長為下底長的1/4 1/3，直角梯形的高與直角梯形斜邊延長線的夾角為a，.8° ≤ a ≤20° ;成對設(shè)置的兩個梯形葉片所在平面的夾角為￠,5° < P <45°。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水輪機(jī)尾水管渦流發(fā)生器，其特征在于所述的直角梯形金屬葉片(I)垂直于尾水管(3)的內(nèi)壁，直角梯形的直角邊作為安裝邊，安裝邊與尾水管(3)的內(nèi)壁面整邊相連，直角梯形的下底接近水輪機(jī)尾水管(3)的入水口(2)，直角梯形的上底遠(yuǎn)離尾水管(3)的入水口(2)，直角梯形的高與上底的交點距離水輪機(jī)尾水管(3)的入水口(2)的距離L小于尾水管(3)的入水口直徑d的一半；成對設(shè)置的兩個金屬葉片(I)對稱分布，兩個金屬葉片(I)所在平面關(guān)于中心軸線對稱，且每個金屬葉片(I)所在平面與中心軸線的夾角為0/2。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水輪機(jī)尾水管渦流發(fā)生器，其特征在于所述的水輪機(jī)尾水管(3)中流體的雷諾數(shù)Re滿足Re <4X IO8時，直角梯形形狀的金屬葉片(I)對數(shù)為N，滿足N <3,每對葉片均勻地分布在尾水管內(nèi)壁；若尾水管中流體的雷諾數(shù)Re滿足Re ^iXlO8時，每對直角梯形的金屬葉片(I)均勻地分布在尾水管內(nèi)壁，且成對設(shè)置的兩個金屬葉片(I)的兩安裝邊中點之間的間距I滿足d/10 ( I ( d/2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水輪機(jī)尾水管渦流發(fā)生器，包括水輪機(jī)尾水管和若干對均勻排列在水輪機(jī)尾水管內(nèi)壁的金屬葉片，每個金屬葉片的形狀為直角梯形，每個梯形葉片含上底、下底、高和斜邊，其中梯形的高作為安裝截面，固定在尾水管的內(nèi)壁，上底安裝在接近尾水管進(jìn)水口的一側(cè)，下底安裝在遠(yuǎn)離尾水管進(jìn)水口的一側(cè)，渦流發(fā)生器的安裝截面為尾水管內(nèi)部渦開始形成的截面，每對金屬葉片中兩個梯形葉片對稱使用，兩葉片所在平面關(guān)于中心軸線對稱。本發(fā)明的一種水輪機(jī)尾水管渦流發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單、安裝靈活、取材廣泛，對不同水頭、不同工況的水電機(jī)組都有提高水輪機(jī)尾水管能量恢復(fù)系數(shù)和改善穩(wěn)定性的作用。
文檔編號F03B3/12GK102720622SQ20121020972
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月21日
發(fā)明者孫斌, 田曉慶, 鄭源 申請人:河海大學(xué)