[发明专利]一种水轮机尾水管涡流发生器

说明书

技术领域

本发明涉及一种流体机械及工程设备领域，具体涉及一种适用于多种不同工况水轮机尾水管的涡流发生器。

背景技术

涡流发生器（Vortex Generators，简称VG）是20世纪中期由Taylor首先提出的，是飞机后期精细设计中进一步改善飞机汽动性能的流动控制装置。所以，涡流发生器最早应用于空气动力学中，一般是安装在飞机的机翼上。常见的平板式涡流发生器都是垂直安装在机翼表面边界层内，并与来流方向保持一定的夹角。其作用主要有：1、通过小平板产生的尾涡搅动分离区内的气流，使边界层上部的高能气流与近壁面的低能气流混合，进而增加近壁流体的动能和能量，以延缓分离。2、利用涡流发生器产生的尾涡阻隔内部气流向外翼的流动，防止低能气流在外翼上堆积，从而进一步增加升力和减小阻力。

经过大半个多世纪的发展，涡流发生器在飞机、扩压器、收缩后体和增升装置，甚至先进战斗机上均获得了广泛应用。上世纪60年代以后，研究者对涡流发生器的传热特性进行了研究，截止目前，国内外的学者对其在传热学中的应用已有比较深入的研究，并对三角形涡流发生器、矩形涡流发生器、梯形涡流发生器等形状涡流发生器的传热特性进行了对比和分析。国外也有学者对涡流发生器产生的涡旋、涡旋对流场和传热的影响进行了一些计算和实验研究。同时，也有部分学者通过实验对涡流发生器改变流场中“涡”的变化，进行了相对比较详细的研究。

目前，国内外对涡流发生器在水动力学中应用的研究还相对比较少，相关的文献和专利有如下两个：1、西安交通大学刘小民等在2007提出了这一种思想；2、杭州电子科技大学潘华辰、陈鹰、聂欣等分别在08年4月和7月公布了两个发明专利：新型尾水管及制作方法、一种新型尾水管两个专利，但这两个专利中所涉及的涡流发生器均为三角形叶片，叶片的各个参数均取决于水轮机尾水管的直径。

然而，涡流发生器作为涡产生装置可以产生一系列小涡，以中和水轮机尾水管自身的涡。这些小涡的特性取决于涡流发生器的形状、大小和安装方式，并且，确定波长的小涡只能中和一定波长的大涡。基于此，需要涉及一种可提高水轮机尾水管能量恢复系数和改善其内部稳定性的涡流发生器。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种结构简单、成本低廉、安装方便的可提高水轮机尾水管能量恢复系数和改善其内部稳定性的涡流发生器。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种水轮机尾水管涡流发生器，包括水轮机尾水管和若干对均匀排列在水轮机尾水管内壁的金属叶片，金属叶片的对数为1~20对，每个金属叶片的形状为直角梯形。

其中，所述的金属叶片厚度为1mm~2mm，金属叶片的梯形的高为水轮机尾水管水流主漩涡涡长λ的1/50～1/40，直角梯形的下底长为尾水管入水口直径d的1/20～1/15，直角梯形的上底长为下底长的1/4～1/3，梯形的高与梯形斜边延长线的夹角为α，满足8°≤α≤20°；两梯形叶片所在平面的夹角为β，满足5°≤β≤45°。

作为优选，所述的直角梯形形状的金属叶片垂直于尾水管内壁，直角梯形的直角边作为安装边，安装边与尾水管内壁面整边相连，直角梯形的下底接近尾水管的入水口，直角梯形的上底远离尾水管的入水口，直角梯形的高与上底的交点距离尾水管入水口的距离L小于尾水管入水口直径d的一半，成对设置的两个金属叶片对称分布，两叶片所在平面关于中心轴线对称，且每个叶片所在平面与中心轴线的夹角为β/2。

作为优选，所述的水轮机尾水管中流体的雷诺数Re满足Re＜4×10⁸时，直角梯形形状的金属叶片对数为N，满足N＜3，每对叶片均匀地分布在尾水管内壁，故每对叶片之间的距离l取决于尾水管的入水口直径d；若尾水管中流体的雷诺数Re：满足Re≥4×10⁸时，每对直角梯形的金属叶片均匀地分布在尾水管内壁，且成对设置的两个金属叶片的两安装边中点之间的间距l满足d/10≤l≤d/2。

有益效果：本发明的一种水轮机尾水管涡流发生器，与现有技术相比，具有以下优点：