本發(fā)明涉及一種減輕混流式水輪機葉道渦危害的方法，屬于水力機械技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

混流式水輪機是各種類型水輪機中應(yīng)用最廣泛、效率最高、發(fā)電功率最大的型式。放眼全世界，軸流式、貫流式、沖擊式等水輪機單機出力均未達到30萬千瓦，而混流式水輪機單機出力已達到80萬千瓦，百萬千瓦機組也即將投入使用。

但是，混流式水輪機也不是十全十美，其由于轉(zhuǎn)輪葉片不可調(diào)節(jié)，不能像軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機或貫流轉(zhuǎn)槳式水輪機那樣調(diào)節(jié)(轉(zhuǎn)動)葉片安放角，其進入轉(zhuǎn)輪的水流角許多工況下和葉片安放角不一致，會造成轉(zhuǎn)輪進口脫流，形成脫流漩渦。如果渦心壓力低于汽化壓力，還會在渦心產(chǎn)生空化，形成帶狀空化空腔(如圖1所示)。其產(chǎn)生于轉(zhuǎn)輪葉片進水邊，但可向出水邊發(fā)展，形成如圖2所示的帶狀空化空腔，即所謂的“葉道渦”。在水輪機模型試驗中，可通過尾水管直錐段的有機玻璃看得非常清楚，拍出像圖2和圖3一樣清晰的葉道渦照片。

混流式水輪機轉(zhuǎn)輪進水邊圍繞著zg個活動導(dǎo)葉，受導(dǎo)葉翼型影響，在導(dǎo)葉出水邊會形成一圍繞轉(zhuǎn)輪的壓力交替變化的壓力場(如圖4所示)。隨著水輪機轉(zhuǎn)輪以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，每個葉道都會順序和周圍的導(dǎo)葉接近再離開，勢必給每個葉道帶來一頻率f＝zg·n/60壓力脈動。盡管該壓力脈動幅值不一定很大，但如果轉(zhuǎn)輪進口有葉道渦存在，該壓力脈動會在壓力高時導(dǎo)致葉道渦空腔收縮甚至潰滅，而當壓力低時會使空腔再生或膨脹，從而可數(shù)倍放大導(dǎo)葉帶來的壓力脈動，沿葉道向上、下游傳遞。由于葉道渦發(fā)生在葉道內(nèi)，離葉片非常近，極易引起葉片振動。圖5是在某混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片上測量分析的葉片表面應(yīng)力的頻譜分析瀑布曲線，顯然在各個功率下均存在非常明顯的導(dǎo)葉頻率(即圖中g(shù)pf，導(dǎo)葉通過頻率，是導(dǎo)葉數(shù)zg和轉(zhuǎn)頻fn的乘積)應(yīng)力。如該頻率接近轉(zhuǎn)輪葉片固有頻率，則很容易導(dǎo)致葉片裂紋。在水頭變化幅度大的電站，在模型試驗時多見葉道渦發(fā)生，真機運行時又在葉道渦發(fā)生工況遇到了運行不穩(wěn)定問題，有許多電站還發(fā)生了轉(zhuǎn)輪葉片裂紋、斷裂現(xiàn)象，初步證明葉道渦是部分混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋問題的主要原因之一。

此外，發(fā)生在葉片進水邊的葉道渦還可以壓力波的方式向上游傳遞，并和導(dǎo)葉產(chǎn)生動靜干涉后傳遞給導(dǎo)水機構(gòu)、頂蓋及其它流道，引起機組振動。

但是，由于對葉道渦的研究起步較晚，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部壓力脈動及應(yīng)力的測量非常困難，使我們對葉道渦的頻率特性了解不深入，因此很難提出行之有效的減輕葉道渦危害的設(shè)計方法及措施。

因此，有必要研究混流式水輪機葉道渦的產(chǎn)生機理及危害方式，并在此基礎(chǔ)上提出減小葉道渦危害的設(shè)計方法及措施，以減輕其對水電站安全穩(wěn)定運行的危害。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種減輕混流式水輪機葉道渦危害的方法，該方法是在弄清葉道渦產(chǎn)生機理的基礎(chǔ)上提出的，能夠有效減輕其對水電站運行穩(wěn)定性的危害，減小機組振動，減輕甚至消除由葉道渦引起的轉(zhuǎn)輪葉片裂紋。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種減輕混流式水輪機葉道渦危害的方法，其包括對混流式水輪機所做的以下幾個方面的優(yōu)化：1)將混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片的進水邊相對于軸線傾斜布置，使葉片的進水邊與軸線的夾角θ不小于10°；2)在電站設(shè)計中選用更大空化安全系數(shù)k，將空化安全系數(shù)k從常用1.5左右增加到1.8以上。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明是在弄清混流式水輪機葉道渦產(chǎn)生機理、傳播方式及對轉(zhuǎn)輪葉片危害方式的基礎(chǔ)上提出的，所提設(shè)計方法有深厚理論基礎(chǔ)，有很強的針對性。2、本發(fā)明提出的通過將轉(zhuǎn)輪葉片進水邊傾斜布置來減輕葉道渦危害的設(shè)計方法不用額外增加電站投資和水輪機制造費用。3、所提設(shè)計方法及步驟簡單明了，可操作性強。

附圖說明

圖1是某混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片進水邊發(fā)生葉道渦時模型觀測照片；

圖2是某混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片出水邊發(fā)生葉道渦時模型觀測照片；

圖3是某混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片出水邊發(fā)生葉道渦在同一工況兩個不同空化系數(shù)時模型觀測照片；其中，圖a和圖b均在單位轉(zhuǎn)速n11＝69.29r/min、單位流量q11＝0.3864m³/s；但圖a對應(yīng)的空化系數(shù)σ＝0.141，圖b對應(yīng)的空化系數(shù)σ＝0.104；

圖4是混流式水輪機導(dǎo)葉后圍繞轉(zhuǎn)輪進口的壓力分布示意圖；

圖5是在某混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片上測量的動應(yīng)力頻譜圖；

圖6是混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片進水邊葉片傾斜布置示意圖；圖中：1表示葉片；2表示進水邊；3表示上冠；4表示下環(huán)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。

本發(fā)明提出了一種減輕混流式水輪機葉道渦危害的方法，其包括對混流式水輪機所做的以下幾個方面的優(yōu)化：

1)如圖6所示，將混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片1的進水邊2相對于軸線(對于立式機組軸線即“垂直線”，對于臥式機組軸線即“水平線”)傾斜布置，使葉片1的進水邊2與軸線的夾角θ不小于10°，其技術(shù)效果是使脫流形成的葉道渦也相對于軸線呈傾斜狀態(tài)，把不同高度的葉道渦分散在不同的徑向角度，以分散葉道渦對頂蓋的動態(tài)作用力，使各高度層因葉道渦激起的壓力脈動不同步，并降低該壓力脈動幅值。導(dǎo)葉相對高度b0/d1(其中：d1為轉(zhuǎn)輪進水邊直徑，b0為導(dǎo)葉高度)越低，夾角θ應(yīng)越大；轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)越少，夾角θ應(yīng)越大。

2)在電站設(shè)計中選用更大空化安全系數(shù)k，如從常用的k＝σp/σ1(式中：σp為電站空化系數(shù)，又稱電站裝置空化系數(shù)；σ1為臨界空化系數(shù))1.5左右增加到1.8以上，水頭變幅大電站取更大值，模型試驗時觀測到電站運行范圍內(nèi)葉道渦嚴重的取更大值。增大電站空化系數(shù)，可消除可見葉道渦或減小可見葉道渦尺寸，從而可減小葉道渦空腔膨脹-收縮的幅度，減小其引起的壓力脈動，減輕葉道渦危害。

本發(fā)明所提出的減輕混流式水輪機葉道渦危害的設(shè)計方法，是基于“空腔危害水力機械穩(wěn)定性理論”和我們對葉道渦的危害規(guī)律提出的。我們發(fā)現(xiàn)，“混流式水輪機葉道渦主要是由水輪機轉(zhuǎn)輪進水邊脫流漩渦空化空腔構(gòu)成的，空腔被導(dǎo)葉出口不均勻流場激勵后會在導(dǎo)葉頻率下膨脹-收縮，放大了導(dǎo)葉后幅值很小的壓力脈動”。正是基于這一創(chuàng)新理念，我們提出了該設(shè)計方法，其主要措施是讓葉道渦“站不直”，或使其“消于無形”。

(1)如果混流式水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)的葉道渦僅只停留在葉道內(nèi)，沒有受到導(dǎo)葉后壓力分布不均勻等類似擾動源激勵，其脫流渦只可能引起空蝕類破壞，不可能帶來壓力脈動；但是在混流式水輪機的引水流道中，給轉(zhuǎn)輪進口帶來的流速及壓力的不均勻是必然的，不可避免的，設(shè)計再好的導(dǎo)水機構(gòu)其尾流都會有不均勻，只不過有不均勻程度的差異；尤其是離轉(zhuǎn)輪近的活動導(dǎo)葉，無論你設(shè)計得如何精細，導(dǎo)葉厚度總會給水流帶來擾動，影響其出水邊水流均勻性，該流速和壓力的不均勻會傳導(dǎo)給葉道渦，使葉道渦遇高壓時膨脹，遇低壓時收縮(甚至潰滅)，并因此會帶來葉道渦空腔周圍水體的附加流動，當空腔潰滅時可能會給葉道渦附近葉片帶來非常巨大的沖擊力，使葉片產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。

(2)如圖5所示，在混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉道內(nèi)，確實存在較強導(dǎo)葉通過頻率(f＝zg·n/60)壓力脈動，是該頻率壓力脈動導(dǎo)致了該頻率較強動應(yīng)力，其它混流式水輪機原模型轉(zhuǎn)輪的葉道壓力脈動或應(yīng)力測量也都證實了該頻率擾動的大量存在。

(3)如轉(zhuǎn)輪葉片進水邊如圖6所示相對于軸線(圖6屬立式機組，葉片進水邊相對于垂直線)傾斜布置(傾斜角度為θ)，水流繞葉片進口產(chǎn)生的脫流漩渦及葉道渦也將相對于軸線傾斜。眾所周知，混流式水輪機的導(dǎo)葉和軸線平行，如果在某一高度層導(dǎo)葉后水流繞轉(zhuǎn)輪葉片進水邊形成如圖4所示的壓力分布，則在其它高度層理論上也應(yīng)相同。如此則勢必造成如下結(jié)果：同一葉道內(nèi)同一葉道渦不同高度層(如高度相差δh)隨轉(zhuǎn)輪以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，“站不直”的葉道渦遇到圖4所示同一壓力點的時間會相差一段時間δt＝δh·tan(θ)/(d1·π·n/60)，給葉道渦帶來的膨脹-收縮也相差δt，各高度層不同步，還互相影響和干涉，膨脹-收縮的作用力也大幅度減小，破壞力大幅度下降。

(4)降低水輪機安裝高程，可增大電站空化系數(shù)σp，也就是增大了空化安全系數(shù)k(k＝σp/σ1)，其最佳狀況是無可見葉道渦發(fā)生，葉道渦“消于無形”，無膨脹-收縮發(fā)生，危害消除；即使水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)仍有葉道渦產(chǎn)生，但由于電站空化系數(shù)加大，葉道渦尺寸明顯減小，其破壞力大大減輕；因此，無論哪種情況發(fā)生，選用更大、更安全的電站空化系數(shù)對于電站水頭變幅大的電站都是非常好的設(shè)計選擇。

此外，本發(fā)明專利設(shè)計的轉(zhuǎn)輪葉片在進水邊相對于軸線傾斜布置，還可以造成各高度層脫流形成葉道渦“站不直”，和“直立”的導(dǎo)葉之間的干涉波不同步，從而降低轉(zhuǎn)輪葉片和導(dǎo)葉之間動靜干涉的能力及程度，并大幅度降低固定導(dǎo)葉區(qū)壓力脈動及其引起的頂蓋和廠房振動。

本發(fā)明僅以上述實施例進行說明，各部件的結(jié)構(gòu)、設(shè)置位置及其連接都是可以有所變化的。在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對個別部件進行的改進或等同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護范圍之外。