[发明专利]水轮机中部分负荷运行过程中的液体控制射流

说明书

技术领域

本发明涉及一种水轮机，在所述水轮机部分负荷运行过程中，具有以高速沿轴向在所述水轮机转轮下游喷射并且喷射到所述水轮机尾水管上部的一个或多个液体控制射流，以控制回旋流，并且缓解螺旋旋涡旋脱落及其相关的压力波动。

背景技术

直到现在，水轮机一直接近最高效率运行。在该最优运行点的邻近区域中，除了例如甩负荷和浪涌的瞬时情况，水轮机部件上的动力通常很低。

能源市场上多变的需求和有限的储能能力要求水轮机运行中大的灵活性。结果，水轮机倾向于在远离最佳效率点的扩大的范围上运行。特别地，具有固定间距转轮的混流式水轮机由于在部分负荷情况下运行时在由导叶(导流叶片)产生的涡流和由水轮机转轮引起的角动量之间的不匹配，在尾水管入口处具有高程度的残余涡流。在水轮机尾水管中，离开转轮的流动减速，由此将过多的动能转化为静压。减速的回旋流通常导致与所述尾水管中液体流动相关的正常旋涡脱落，这引起尾水管中中心准停滞区的形成。旋涡脱落现在被认为是在部分负荷运行的水轮机的尾水管中出现剧烈压力波动或压力脉动的主要原因。压力脉动被认为由在运行情况朝向部分负荷转变时，轴对称回旋涡流转变为一个或多个前进的螺旋旋涡造成的。螺旋旋涡的前进运动导致在尾水管的任何静止点上波动的压力。另外，液流中有限量的空气或水蒸汽提供一定程度的弹性，称为空穴柔量，并且该弹性可导致由与旋涡流的中心相关的前进的不对称压力场引起的尾水管中共振的形成。

已经关于尾水管不稳定性问题提出了很多不同的解决方案，包括改变叶片设计，在尾水管中引入叶片，和将空气喷射到由涡带围绕的再循环区域中。空气喷射产生基本上轴对称的稳定流动或由回旋水流围绕的中空空气中心。空气喷射将旋涡脱落形式从螺旋形变化为气泡。相对少量的空气喷射对水轮机运行的效率具有小的影响，同时显著降低部分负荷压力摆动。但是，涡带和所述带的激发机制继续存在。

因此，需要开发用于当今水电设施的水轮机，其不仅在标称负荷情况下而且在低或部分负荷情况下有效运行，而不会经受由于在转轮下游减速的回旋流中的旋涡脱落在尾水管中产生的剧烈的压力波动。

发明内容

本发明涉及通过在转轮出口或尾水管入口处的一个或多个液体高速射流轴向喷射控制水轮机转轮下游的回旋流。所述一个或多个液体控制射流通过抑制该液体的旋涡流动路径脱落由此在水轮机部分负荷运行过程中使经受的压力波动消除或消失来影响尾水管中的液体流动。

“高速”意思是液体的轴向导向射流具有大于在转轮出口处流动的平均轴向液体速度，以提供本发明的优点。一个或多个液体控制射流的该高速可以是在转轮出口处流动的液体平均轴向速度的约2到4倍或更高。应可理解，一个或多个液体控制射流的高速将根据所述一个或多个液体控制射流的喷射位置和所使用的控制射流的数量而变化。可进一步理解，通过参照沿水轮机轴向喷射的一个或多个高速液体控制射流，意味着一个或多个控制射流可沿水轮机轴、平行于水轮机轴导向，或会聚在与尾水管的上部相邻的在水轮机轴上的或与水轮机轴相邻的平行轴上的会聚点上。而且，所述一个或多个射流可偏离水轮机轴例如，不限于此，水轮机转轮直径的10％设置，并且仍可认为关于水轮机转轮中心轴设置。

所述一个或多个控制射流优选在水轮机在部分负荷情况下运行时操作。所述一个或多个控制射流从至少一个喷嘴头装置喷射，所述喷水头装置相对于水轮机转轮中心轴并且与尾水管的上部相邻设置，由此所述一个或多个液体射流喷射到所述转轮下游。所述至少一个喷嘴头装置具有至少一个喷嘴，相应的高速液体控制射流从所述至少一个喷嘴喷射到尾水管中。在一个实施例中，水轮机具有安装在尾水管上方的可旋转的转轮，并且所述转轮具有封装所述至少一个喷嘴头装置的上冠部分。在可替代实施例中，所述至少一个喷嘴头装置可支撑在尾水管的上部中，在所述水轮机转轮上冠下面，并且与所述水轮机上冠间隔开。

所述至少一个喷嘴头装置可包括单个喷嘴或以一个或多个圆形排列布置的多个喷嘴，或一个环形喷嘴。