螺旋进水导管的制作方法

专利名称：螺旋进水导管的制作方法
技术领域：
本发明涉及水电系统，诸如水力发电厂，抽水蓄能系统的泵厂等等，它也涉及其它的水泵系统。
在水电厂里，水从诸如水库或河道分流系统的贮水区中通过进水口流入进水导管，进水口前用挡网阻止外部物质的进入。进水导管在压力下将水导入涡轮机，并在水流驱动下涡轮机发电。然后水通过尾水渠流出水电厂。
大家熟知的常用的涡轮机的型式有Francis,Kaplan,Pelton和Bulb或贯流型涡轮机。Francis或Kaplan型的主轴通常都是垂直安装的，还有一个螺旋状壳体，用以接收水平进入水流，并将水径向地向内导入旋转的叶轮叶片中，水给予叶片驱动转矩，并以垂直向下的流动方向排出。水流入尾水渠，其通常还包括称之为尾水管的扩张通道。由于尾水管在下游方向扩张，从叶轮叶片出来在出口处的水压就减小到低于大气压，这样就很有效地吸入水流通过涡轮机。在尾水管处压头又得以恢复，从而改进了能量效率。
具有足够长度的直的圆锥状的尾水管需要占有较大的空间，以及通常也需要费用很高的土方工程。因此通常就将尾水管做成弯肘形，在涡轮机下方具有垂直部分，并在下游处具有向上倾斜部分。
为了节省空间，涡轮机下游采用弯肘形尾水管也带来了一些不利因素。在曲面内部的水压减小，导致水流与曲面内壁分开，导致由涡旋紊流引起能量损失。水流分离也会造成内壁的气蚀，并损坏水管，降低它的有效的工作寿命。
通常都是采用一组涡轮机并置于所谓的涡轮机房。由于水在重力作用下流动，必须将涡轮机房的高度低于贮水区，或在地下或低于坝的水面。如果涡轮机房位置相对地靠近贮水区，进水导管就可以垂直延伸或具有相当的向下斜度。在进水导管的下端就需要陡削的肘形曲面来改变水流方向使之为涡轮机所适用的水平方向。而采用这样一种曲面就会带来一些不利因素。
首先，正如在上面尾水管中所介绍的，在曲面内侧的水压会减小，导致水流分离，并由涡旋紊流引起能量损失。此外还有气蚀问题。如果增加曲率半径会使这些影响减小，但这又引起了涡轮机房要远离贮水区以及增加了进水导管的总的长度，这又导致由于管内摩擦而形成的能量损失。
此外，通过进水导管曲面下游端的水流流速分布图也变得扭曲了，在靠近曲面外壁上的水流流速增大了。大家知道如果流速分布是“钝化”的，或尽可能地均匀的话，水电涡轮机功能就越好，而排出曲面管口扭曲的水流流速分布会导致涡轮机不能有效地发电。要使水流从它的扭曲的流速分布中“复元”过来，通常需要在进水导管的末端与涡轮机之间提供一根有一定长度的直管，通常称之为隔离管，但这又增加了涡轮机上游总的管子的长度，又带来了潜在的摩擦能量损失。
本发明第一方面提供的水力发电厂包括涡轮机，涡轮机上游的进水导管，以及涡轮机下游的尾水渠，其中进水导管与/或尾水渠包括三维曲面的管状部分。
本发明还提供了用于或部分用于水力发电厂进水导管或尾水渠的管状部分，其中管状部分是三维曲面。
本发明还提供了设计水力发电厂的方法，其中包括设计用于涡轮机上游的进水导管与/或用于涡轮机下游的尾水渠，采用的进水导管与/或尾水渠都具有三维曲面的管状部分。
本发明还提供了建造水力发电厂的方法，其中包括安装涡轮机上游进水导管和涡轮机下游尾水渠，其中进水导管与/或尾水渠具有三维曲面的管状部分。
由于管状部分是三维曲面，这又导致涡流的研究开发。
在这样一些情况下可以看到，在管状部分横断面上轴向水流流速分布已变得更为均匀或更为“钝化”。在曲面外侧的水流流速小于在二维曲面管中类似的水流流速，而在内侧的水流流速则变大。这样环绕管状部分近壁的水流流速分布对于非平面几何形的沿周分布就比平面几何的更为均匀。这种水流在进水导管与尾水渠情况中具有一些优点。
由于水流流速分布更为均匀，就减小了在曲面内壁发生的水流分离的趋势。这就可以减小由于涡旋紊流引起的能量损失。如果进水导管包含有三维曲面的管状部分就可以减小在其中的压头损失，如果尾水渠包含有这样的管状部分就可以在其中有更大的复元压头。这样，如果进水导管及尾水渠两者都能提供三维曲面的管状部分就能够导致更有效地发电和更大的经济效益。最好进水导管与尾水渠都含有这样一种管状部分，以取得最大的效果。
减小水流分离的趋势的进一步效果是减小类似的气蚀损害。这对进水导管和尾水渠都会有影响的。
此外，由于钝化的流速分布，在管状部分中流动的流体还起到了柱塞方式的作用。还可以去除诸如泥沙与淤泥一类的碎渣，而这些在低速水流时会沉积在管壁上(例如在低的电力负荷期间)。这种“柱塞流”意味着在某种程度上管状部分具有自清洁能力，这又是一个优点。
钝化的流速分布减小了由于泥沙或淤泥对曲面外侧的磨损，而它会使在该区域中水流流速会减小。
钝化的流速分布减小了管状部分的壁应力，这是由于避免了加在环或箍上张力而引起的弯曲应力。
上述这些效果对于进水导管与尾水渠都是适用的。
特别是对于进水导管，可以使涡轮机越靠近贮水区，而不用陡削的平面弯肘曲面，这也就不会带来相应的能量损失。通过将涡轮机靠近贮水区，可以减小进水导管的长度，因为在进水导管中水是以高速流动，虽然增加了尾水渠长度的投入，但在尾水渠中水是以低速流动，还是带来了整体的能量效果。
再说进水导管，如果流速分布是钝形的，就很少需要采用一根涡轮机上游的直管，而在这根管子中水流可能从扭曲的流速分布“复元”。如果采用一根较短的直管又可以使进水导管靠近涡轮机，缩短了整个涡轮机上游的管子长度，也能得到能量的节省。
进水导管可以具有直管部分与所述的管状部分，管状部分位于进水导管的直管部分与涡轮机之间，这样进水导管可以具有垂直的或陡削倾斜的直落柱管，和加在它的下游三维曲面的管状部分。在管状部分与涡轮机之间也可以再用一根直的隔离管，但从管状部分产生的钝形流速分布角度来看这根管子似乎不是必需的。
进水导管的直管与管状部分的相邻端部轴向必须基本对准。另一种方案是管状部分可以从直管部分横向上分支。这时，直管部分要比管状部分具有更大的直径，在这种状态下，在直管部分中的水流是层流，而在管状部分中的水流则是紊流。这种安排适宜于小容量的水电系统。从直管部分分支的管状部分可以不只一个，每个管状部分都供给各自的涡轮机。
具有直管部分的进水导管在直管部分的上游端可以具有管状部分。这样在上游端可以避免二维曲面。上游管状部分的入口可以是喇叭口。另一种方案是把坝壁与直管部分基本垂直，可以省去在直管部分上游端的弯曲，并在直管部分的入口处最好安装喇叭口。
一种替代含有直管部分进水导管的方案是，基本上整个进水导管全部由管状部分来形成。这样在水库处就安装管状部分的入口，例如可安装喇叭口。
最好，每一个这样的管状部分形成部分的螺旋体。如果旋转角度不是360°或它的倍数时，那末管状部分的入口的中心线就可能与管状部分的出口的中心线位于不同的平面上。这与常用的二维曲面管的入口与出口的中心线的情况相反，它们是位于同一平面上。
如果尾水渠包括三维曲面的管状部分，由于减小了水流分离的趋势，还可以进一步得到能量的节省。如果在下游方向再增加尾水渠管状部分的截面积，还可以再进一步减小水流分离。
在一些优选的实施例中，管状部分在横向方向上的曲率方向(也就是从平面角度看)与涡轮机入口部分的曲率方向相同。这种安排都可以用于进水导管与/或尾水渠上。
在小容量水电系统中，形成或部分形成进水导管的管状部分的直径可以小于0.5米。对于大容量系统来说，直径可以大于0.5米或1米或2米或3米或4米或5米或6米或7米。在现在采用的一个优选实施例中，直径是8米，当然直径大于8米也是可以的。
涡轮机可以是可逆泵涡轮机。这种安排适宜于抽水蓄能系统中。上面讨论的由三维曲面管状部分提供的能量节省也适用于当水泵应用时。如果在泵的入口或泵的出口安装有这种管状部分就可以增加能量节省，如果在入口与出口同时安装管状部分就可以达到予期的最大节省。
在一些抽水蓄能系统中，水可以沿一条路径，经过涡轮机发电，将能量储存起来时也可以经过另一条单独路径，经过水泵。在这些情形下，如果在泵的入口或出口装有三维曲面的管状部分，经过泵的路径也能得到能量节省的效果。这样，从本发明第二方面，本发明提供了抽水蓄能系统的泵厂，它包括水泵以及它的入口与出口，其中泵的入口与/或出口包括三维曲面的管状部分。
本发明不仅对抽水蓄能系统而且对水泵系统也有价值。
在普通水泵系统中，水泵布放在吸入管与排放管之间。流体从吸入管吸入并通过排放管排出。吸入管与排放管通过辅助管道系统与水泵连接。有时需要彼此靠得很近，管道系统经常是以一个或几个90°的弯曲或弯肘的形式。大家知道这种弯肘的采用引起管子中的压头损失，部分是由于水流方向突然改变所造成，部分是由于在曲面内侧水流分离所形成。另外，水流分离还会在曲面内壁形成气蚀。气蚀也可能发生在曲面外侧，此处快速水流产生低压，这就能混乱了通过系统的水流并损坏水管。
根据本发明的第三方面，还提供了包括水泵及其入口与出口的水泵系统，其中入口与/或出口包括三维曲面的管状部分。
由于管状部分是三维曲面，导致产生涡流。
正如在本发明第一方面中所介绍的，在这些情况下，通过管状部分断面的水流流速分布将变得更均匀或“更钝化”，使得在曲面外侧的水流流速比在二维曲面管的类似水流时为小，而在内侧的流速则会更大。这样围绕管状部分的近壁流速分布由于它的非平面几何形状比平面几何形状沿周分布更为均匀。这种水流在水泵系统中也具有一些优点。
由于水流流速分布更为均匀，就有可以减小在曲面内壁发生水流分离的趋势。这导致由于涡旋紊流引起的能量损失的减小。如果在入口含有三维曲面的管状部分，就可以在其中减小压力损失，如果在出口含有这样一种管状部分，那末会在其中减小压力损失。这样，如果在入口或出口安装有三维曲面的管状部分就能够取得水泵的更充分的使用与经济效益。如果入口与出口包括这种管状部分，那就能得到最大的效益。
再由于减小水流分离的趋势，还可以采用减小半径的曲面，这样又达到了节省空间。
减小水流分离趋势的再一个效果是减小类似的气蚀的损害。这对于入口与出口都是适用的。
最好，每一个管状部分都作成部分的螺旋体。旋转角度通常小于360°，这时管状部分的入口中心线与管状部分的出口中心线将位于不同平面上，这与常用的二维曲面管的入口与出口中心线的情况不同，后者是位于同一平面上。螺旋形式可以是恒定半径或变化半径。
本发明的优选实施例将仅藉助于实例并参照附图来加以介绍，图中

图1是应用本发明的实施例的水力发电厂的部分示意剖面图2是比例放大后，图1进水导管端的曲面管子的示意正视图；图3是与图2相同比例，沿图1的Ⅲ-Ⅲ线的视图；图4是沿图5的Ⅳ-Ⅳ线，采用根据本发明的管道系统的水坝的剖面图；图5是图4中管道系统的示意平面图；图6是图4管道系统的示意透视图；图7是应用于水力发电厂中的本发明的示意平面图；图8是图7所示管道系统的示意正视图；图9是图7所示管道系统的示意透视图；图10是显示常用进水导管设计的坝的示意剖面图；图11是具有根据本发明的进水导管的坝的示意剖面图；图12是适用于图11坝的进水导管的示意平面图；图13是图12进水导管的示意侧视图；图14是根据本发明的尾水管的示意下平面图；图15是图14尾水管的示意侧视图；以及图16是根据本发明水泵系统部分剖示的透视图。
图1显示的是水力发电厂的一部分，它是一种地下涡轮机房2的型式，由蓄水区向其供水。涡轮机房中装有涡轮机4与发电机6，为了清晰起见每一种各只画了一台。进水导管8将蓄水区与涡轮机房相连通，驱动涡轮机的水流入尾水渠10然后排出厂外。
在进水导管8的下端是管状部分12，它是由三维曲面形成的，可以从图2与3中更清晰地看到。
使用时，当水流过管状部分12时，它沿着涡流路径流动，如上所述，它形成的水流流速分布不同于由二维曲面进水口管道所形成的流速分布。涡流以及形成的流速分布的变化带来了一些优点。具体说，采用三维曲面的管道导致压头损失的减小，从而提高了整个水电厂的效益。此外，它可以使涡轮机房位置靠近蓄水区，而不需要应用二维肘形弯接。这样进水导管竖井可以提高开钻和向上开挖，而形成的土方瓦砾可以从已开挖的涡轮机房搬走。
图4至6说明了作为安置在坝20内部的电厂进水导管的螺旋体管状部分22的应用。管状部件22通过阀32与涡轮机34连接，尾水渠36把水引出涡轮机，并向坝20的下游排放。
本发明优选实施例的管状部分22在图中用实线绘示，而常用的具有二维曲面的进水导管24则在图4与5中用虚线绘示。出于清晰目的，在图4中的常用进水导管24的入口比本发明实施例的管状部分22的入口略高一些，但是实际上两者的入口可处于同样高度。
传统进水导管24包括短的水平段26，垂直段28以及长的水平段30，后者通过阀32与涡轮机34连接。如上所述，水平段30的长度应足以使水流从它的扭曲流速分布中“复元”过来。这样，就必须使进水导管与涡轮机房有一定距离，这就限制了水电厂选址的范围。各段26，28与30通过称为“弯肘”的二维90°的曲面相连接，而这些弯肘带来了压头损失。涡轮机产生的电能依赖于所施加于其上的压头，任何压头的损失也就减小了发出的电力，由此也减小了整个水电厂的效益。
本发明的优选实施例的管状部分22是由单个三维曲面形成的。在管状部分中没有陡削曲面，而这就有助于减小压头损失。这应该充分认识到，在整个水电厂运行期间，即使很小一点压头损失的减小也会带来发电量的很大的提高。
此外，正如上面所介绍的，在管状部分22中水沿涡流路径流动并具有钝的流速分布，它就可以排除需用一根长的直管段来使水流“复元”。这就使布置进水导管与涡轮机带来更大的自由度。
如图6所示，尾水渠36也可以用三维曲面的管状部分38来形成。这也会带来进一步能量节省与其它一些优点。此外，如果涡轮机是双向可逆的，当反向运行时可以作为水泵的功能来使用(例如用于抽水蓄能系统中)，于是由三维曲面形成的尾水渠具有优越性，使得进入涡轮机的水流(现在用作水泵)具有钝的流速分布，并具有如上所述的各个优点。
进一步的更适宜小容量安装的实施例示于图7至9。在该情况中，为了供水可以用竖井50，同时三维曲面的进水导管的两个管状部分52,54从竖井管底部通向两个涡轮机56,58。每个涡轮机都具有尾水渠，且每一个尾水管也都是由三维曲面形成。
图10是常用坝与进水导管的设计。装有涡轮机4(图中只画了一台)的涡轮机房2位于坝20的后方位置处。进水导管8将在坝20前方的水库1与涡轮机4连接，具有两个二维弯肘60与61的进水导管使水在上游端沿水平方向流入进水导管，并在下游端沿水平方向流入涡轮机。涡轮机下游尾水渠包括尾水管62与水平尾水渠通道63。在坝的上方还设有溢洪道64以排放洪水。
图11显示了如何用具有三维曲面管状部分的进水导管8来修改图10的布置。注意到涡轮机房2更靠近于坝20的前方，这就使得进水导管8的总长度短于图10的情况，从而带来了相应的管子摩擦损失的减小。虽然尾水渠63的长度相应地增加了，但是水在尾水渠中的流速比在进水导管中为低，因此摩擦能量损失也相应减小。
如果将图10中布置加以修改，将涡轮机房2移到图11所示的位置，而仍然保留弯肘60与61，弯曲的陡削度将增加相应的能量损失。这种能量损失由于例如在低水头坝的情况下这种弯肘的更接近而更加重。图11中三维曲面进水导管8大大地避免了这种损失且减小或消除了水流分离。
图11所示的电站向上游位置的另一个效益是在坝的上游端截断深度的更深的基础，它改进了防止在坝底漏泄的能力，如果如图示在坝上方设有溢洪道也可减小在涡轮机房中的振动与漏泄。
图12与13显示了适宜于用于图11中安装的进水导管。进水导管8运行于从在坝壁的喇叭口入口65到涡轮机4，而它又与发电机6相连接。进水导管具有螺旋状结构，为了帮助了解其结构，在平面图与正视图上都用了点0′,1′到15′来描述。坝壁用成形的低速入口箱66来形成，喇叭口入口65的布放使其轴线与主坝壁平行。喇叭口入口65在入口箱66的斜壁68处向外张开。如点划线所示，沿着进水导管8的长度在点12′处是喇叭口入口65的又一个交替的位置，其中水流过进水导管实际方向的改变从平面看变化了90°，而不是实线所示的450°的变化。应用这种交替的布置，在点12′与15′之间进水导管部分可以在垂直方向“拉长”而提供更大的垂直落差，而仍具有理想三维曲面。
在入口66处还可以安装一排挡网或垃圾架以及细网，用以减小固体颗粒进入进水导管(图中未画)。还可以安装有主控门与紧急降落门以及/或者辅控门。在进水导管的下游端也还可以安装旋转的或蝶形的阀门67，用以作为在坝壁入口66的辅控门的替代品。如果安装了辅控门，就可以省去下游阀67，这样也有利于减小总的进水导管长度。
图14与15显示了根据本发明尾水管62的实施例，它例如适用于图10布置中应用。尾水管62包括具有位于涡轮机4下游(下侧)表面上入口70的三维曲面管状部分。为了便于理解这种布置，在图14与15中用了点0″,1″到11″来描绘。尾水管从它的入口70开始沿着下游方向保持它的三维曲面而不断增大其截面。在点11″的下游尾水管则连续弯曲以将水流向上带向尾水渠通道63。
请注意，在图12与13的进水导管中以及在图14与15的尾水管中，横向方向上的曲率方向(如在图12与14平面图中所示)是与涡轮机的入口部分中的曲率方向相同。这样横向曲率以同样方式连续进行。
虽然上述介绍是以某个水电厂的规划内容来进行的，三维曲面管状部分可以用在其它形式的水力发电厂或其它任何类似情况的进水导管与/或尾水管中。
图16所示的水泵系统包括了水泵，水泵包含了其中在驱动轴82上安装有叶轮83的壳体81。吸入管86把水导向壳体，排放管87把水从其中排出。
吸入管86与排放管87通过连接管84与85与水泵壳体81连接。连接管也是管状部分，且其上形成三维曲面，但它们的入口中心线与出口中心线处于不同平面。
通过采用三维曲面的连接管，水流通过它们时也会如上所述形成涡流，带来如上所述的优点。具体说，没有方向上的突然变化以及很小的水流分离的机会，也减小了压头损失。
连接管84，85与吸入管与排放管86与87之间的连接是相切的。在三维状态下，避免了会造成压头损失的水流方向的突然变化，换句话说，它们的中心线在连接处是重合的。
虽然是以某一种特定形式的水泵来介绍水泵系统，但应该认识到它同样可以很好地用于其它形式的水泵。
权利要求
1．水力发电厂，包括涡轮机，涡轮机上游的进水导管，以及涡轮机下游的尾水管，其特征在于，进水导管与/或尾水管包括三维曲面管状部分。
2．由权利要求1所述的水力发电厂，其特征在于，进水导管具有直管部分和所述的管状部分，管状部分安装在进水导管直管部分与涡轮机之间。
3．由权利要求2所述的水力发电厂，其特征在于，直管与管状部分的相邻接端部其轴线是对准的。
4．由权利要求2所述的水力发电厂，其特征在于，管状部分横向地由直管部分分支。
5．由权利要求1所述的水力发电厂，其特征在于，整个进水导管由所述管状部分组成。
6．由以上任何一项权利要求所述的水力发电厂，其特征在于，尾水渠包括所述的管状部分。
7．由权利要求6所述的水力发电厂，其特征在于，尾水渠管状部分其断面沿下游方向是增大的。
8．由以上任何一项权利要求所述的水力发电厂，其特征在于，每一个管状部分形成部分螺旋体。
9．由以上任何一项权利要求所述的水力发电厂，其特征在于，涡轮机是可逆泵式涡轮机。
10．在水力发电厂中用作进水导管或尾水渠或用作进水导管或尾水渠一部分的管状部分，其特征在于，管状部分是三维曲面。
11．由权利要求10所述的管状部分，其特征在于，用作或部分作用进水导管时，其直径大于0.5米。
12．设计水力发电厂的方法，其特征在于，包括设计用于涡轮机上游的进水导管与/或用于涡轮机下游的尾水渠，进水导管与/或尾水渠具有三维曲面管状部分。
13．建造水力发电厂的方法，其特征在于，包括安装涡轮机上游的进水导管与涡轮机下游的尾水渠，其中进水导管与/或尾水渠具有三维曲面的管状部分。
14．抽水蓄能系统的泵厂，包括水泵以及它的入口与出口，其中泵的入口与/或出口包括三维曲面的管状部分。
15．水泵系统，包括水泵，及其入口与出口，其中入口与/或出口包括三维曲面的管状部分。
16．由权利要求15所述的水泵系统，其特征在于，入口与出口两者都有各自的管状部分。
17．由权利要求15或16所述的水泵系统，其特征在于，每一个管状部分形成部分螺旋体。
全文摘要
水力发电厂,包括涡轮机(4),涡轮机上游的进水导管(8)以及涡轮机下游的尾水渠(10)。进水导管(8)与/或尾水渠(10)包括三维曲面的管状部分。这种管状部分也可以用作水泵的入口与/或出口。
文档编号E02B9/06GK1212746SQ97192748
公开日1999年3月31日 申请日期1997年1月31日 优先权日1996年1月31日
发明者戴维·D·A·皮索德, 科林·G·卡罗 申请人:戴维·D·A·皮索德, 科林·G·卡罗