大傾斜高壓邊的混流式水泵水輪機轉輪的制作方法
【專利摘要】本實用新型屬于水力發(fā)電設備領域，尤其涉及一種大傾斜高壓邊的混流式水泵水輪機轉輪，轉輪由上冠、下環(huán)和7個或9個葉片組成。葉片的高壓邊位于一圓柱面內，葉片高壓邊從下環(huán)到上冠的包角為θ，葉片高壓邊在圓柱面內展開后的傾角為β，取β角為負，即向水輪機旋轉方向傾斜，其值可達30-60°。在轉輪高壓邊具有大的負傾角的條件下優(yōu)化設計的轉輪，在滿足水輪機和水泵工況下水力效率和空化實際工程要求前提下，能夠顯著降低機組的壓力脈動，尤其是水輪機工況部分負荷時導葉和轉輪之間的無葉區(qū)以及轉輪出口尾水管進口處的壓力脈動，以及水泵工況下無葉區(qū)和尾水管中的脈動壓力；同時改善水泵水輪機工況的“S”特性。
【專利說明】大傾斜高壓邊的混流式水泵水輪機轉輪
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于水力發(fā)電設備領域，尤其涉及一種大傾斜高壓邊的混流式水泵水輪機轉輪。
【背景技術】
[0002]抽水蓄能電站由于具有很好的調峰、填谷、調頻、調相、事故備用和黑啟動等功能，是電力工業(yè)發(fā)展的必然選擇。抽水蓄能電站的心臟是抽水蓄能機組的水泵水輪機，該水泵水輪機流道通常需可逆式運行，且運行工況多變、內部流動特性復雜。隨著抽水蓄能技術的不斷提高，可逆式水泵水輪機正趨向高水頭、大容量和高速化發(fā)展。
[0003]我國電力結構以煤電為主的格局在相當長的一段時期內難以改變，且電力資源整體上具有不對稱分布形式。為了優(yōu)化配置電力系統(tǒng)的資源、促進節(jié)能減排，發(fā)揮抽水蓄能電站的經(jīng)濟效益。高水頭、大容量的抽水蓄能電站是必然的發(fā)展方向。高水頭、大容量的水泵水輪機轉輪直徑大、流速高、比轉速低。由于存在較大的圓盤損失，機組在水輪機和水泵兩個工況下的水力效率均會降低。由于內部水流流速高，尤其是在水輪機部分負荷的工作條件下，轉輪進口會出現(xiàn)強烈的動靜干涉，尾水管進口水流存在旋轉，這會引起無葉區(qū)和尾水管內強烈的壓力脈動。另外，機組空化性能會劇烈惡化。
[0004]目前，我國在建的和將要開工建設的中高水頭(250-500m)，中大容量(200-350MW)的抽水蓄能電站中，很多電站的水頭變幅較大。因此，水輪機工況下轉輪要運行在不同的水頭段下，不可避免的偏離最優(yōu)工況，這會使無葉區(qū)和尾水管內的壓力脈動更為劇烈，同時惡化轉輪的空化性能。更為嚴重的是，由于水頭變幅大，要求的運行范圍變寬，可能會進入到不穩(wěn)定運行區(qū)“S”區(qū)內，機組運行會更加不穩(wěn)定，并且會給機組的并網(wǎng)帶來極大的困難。
[0005]可逆式水泵水輪機要兼顧水泵水輪機兩種工況，要使其在兩種不同的運行工況下達到高效率。更為重要的是要保證其在在寬廣的運行范圍內高效運行的同時要穩(wěn)定運行，導葉和轉輪之間的無葉區(qū)，以及尾水管內的壓力脈動滿足一定的標準。
實用新型內容
[0006]為了在水輪機和水泵工況下運行范圍內水力效率和空化均滿足實際工程要求前提下，顯著降低機組的壓力脈動，尤其是水輪機工況部分負荷時導葉和轉輪之間的無葉區(qū)以及轉輪出口尾水管進口處的壓力脈動，同時改善水泵水輪機工況的“S”特性，本實用新型提出的一種大傾斜高壓邊的混流式水泵水輪機轉輪，主要由上冠1、7個或9個葉片3和下環(huán)2從上到下依次組成；
[0007]其中，葉片高壓邊4位于一圓柱面內，定義葉片高壓邊4從下環(huán)2到上冠I的包角為Θ，葉片高壓邊4在圓柱面內展開后的傾角P=arctan(|e/B);葉片高壓邊4向水泵旋轉方向傾斜時β角為正，向水輪機旋轉方向傾斜時β角為負，選取β為負傾角；取包角? = 15-30°，選取高壓邊直徑Dd和高壓邊高度B后，計算可得到負傾角β，其值可達60°，滿足水頭段H= 100-500米抽水蓄能機組的應用，適用的比轉速范圍為
=20-60(m,m.，/s);
[0008]其中Dd為高壓邊直徑，B為高壓邊高度，Ds為低壓邊直徑，Θ為高壓邊下環(huán)到上冠的包角，β為葉片高壓邊在圓柱面上展開時的傾角，\為比轉速，單位為m，m3/s，Q為泵設計工況下的流量，H為泵設計工況下的揚程。
[0009]本實用新型的有益效果為，轉輪葉片高壓邊處大負傾角的存在，擴大了活動導葉與轉輪之間距離。在水輪機工況下，減少了水流的沖擊損失，改善無葉區(qū)的流動狀態(tài)，降低了壓力脈動。同時在水泵工況下，使高壓邊流動變寬，流動通暢，出流均勻，提高轉輪的效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為轉輪徑向投影圖；
[0011]圖2為轉輪軸向剖面圖；
[0012]圖3為轉輪高壓邊葉片負傾角示意圖；
[0013]圖4為葉片軸面示意圖，其中畫出了軸面流線上翼型的示意形狀；
[0014]其中:1-上冠，2-下環(huán)，3-葉片，4-葉片高壓邊，5-葉片低壓邊，6-葉片上冠翼型，7-葉片下環(huán)翼型，8-葉片中間翼型。
【具體實施方式】
[0015]下面結合實施例和附圖對本實用新型作進一步的說明。
[0016]如圖1和圖2所示，一種混流式水泵水輪機轉輪，包括上冠1、下環(huán)2和多個葉片3。葉片3通常為7片，超高水頭時可為9片。轉輪葉片高壓邊4位于一個圓柱面內，從下環(huán)2到上冠I的包角Θ確定為Θ = 15-30°。由圖3可知，葉片高壓邊4展開后在圓柱面上為一直線，所以高壓邊傾角可由葉片高度B以及高壓邊的直徑Dd計算得到。葉片高壓邊4在圓柱面內展開后的傾角P=arctan($e/B)。高壓邊向向水輪機旋轉方向傾斜，β角為負。S
2
為葉片高壓邊在圓柱面上展開后的長度。圖1中部分葉片看不見的部分用虛線表示。
[0017]在混流式水泵水輪機的轉輪的水力設計中，首先根據(jù)電站的設計參數(shù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)給出表示轉輪特征的兩個主要尺寸:高壓邊和低壓邊直徑，D<^PDs。然后確定軸面形狀，使軸面上的流道面積由低壓邊到高壓邊形成一條單調的光滑曲線。但是，真正反映轉輪葉片流道變化程度的是葉片流道的空間變化規(guī)律。因此，高壓邊做成具有大角度的負傾斜形狀，要注意優(yōu)化低壓變開口及傾角，使泵工況具有良好的空化特性，同時使水輪機工況有足夠的過水能力，保證水輪機和水泵工況下的效率和空化性能達到設計要求。
[0018]根據(jù)電站的設計參數(shù)和實際工程中運行的性能優(yōu)秀的混流式水泵水輪機轉輪的軸面形狀，可以確定出圖3中所示的軸面流道，并且給出轉輪高壓邊直徑Dd和低壓邊直徑Ds，以及高壓邊出口寬度B。確定了轉輪高壓邊葉片的形狀后，利用全三維反問題設計、計算流動動力學(CFD)數(shù)值模擬以及多目標遺傳算法(MOGA)對圖3中所示混流式水泵水輪機葉片進行優(yōu)化設計，可得到水輪機和水泵雙向工況效率均優(yōu)的如圖1所示的混流可逆式水泵水輪機轉輪。
[0019]本實用新型工作原理如下:
[0020]可逆式轉輪的高壓邊是水輪機的進口，水泵的出口，一般位于圓柱面內。傳統(tǒng)的混流式水泵水輪機轉輪的高葉邊有時做成垂直的，有時做成具有一定的負傾角，但負傾角限定為15-25°。因此，傳統(tǒng)的混流式水泵水輪機轉輪外緣和導葉之間的間隙很小，從導葉出來的水流撞擊到轉輪葉片上，或是或轉輪出來的水流撞擊到導葉上形成的壓力振蕩，是水輪機工況和水泵工況壓力脈動的主要來源。
[0021]把葉片高壓邊作成大傾斜形狀可以分散水流的撞擊，減輕壓力脈動。另外，在水輪機工況時在高壓區(qū)時存在不穩(wěn)定區(qū)，采用具有后傾角的葉片有助于消除這種不穩(wěn)定性。在水泵工況下，大負傾角使高壓邊流道變寬，有效地保證了轉輪流道的通暢。通過優(yōu)化設計，轉輪在低壓邊的葉形扭曲更為合理，使得泵的入流和水輪機的出流更加均勻，也會減少局部流動損失，保證效率。
[0022]根據(jù)設計方案，加工了高壓邊60°負傾角的水泵水輪機模型轉輪，對其進行了模型試驗。試驗結果證明在效率、空化等指標滿足技術要求前提下，大幅降低了壓力脈動。在穩(wěn)定運行區(qū)內，水泵工況下，尾水管內和導葉后轉輪前無葉區(qū)間壓力脈動雙振幅值分別為2%和6% ;水輪機工況下，上述數(shù)值分別為6%和12%。
[0023]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。因此，本實用新型的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
【權利要求】
1.大傾斜高壓邊的混流式水泵水輪機轉輪，其特征在于，主要由上冠1、7個或9個葉片3和下環(huán)2從上到下依次組成； 其中，葉片高壓邊4位于一圓柱面內，定義葉片高壓邊4從下環(huán)2到上冠I的包角為Θ，葉片高壓邊4在圓柱面內展開后的傾角P=arctan(^9/B); 其中Dd為高壓邊直徑，B為高壓邊高度，Θ為高壓邊下環(huán)到上冠的包角，β為葉片高壓邊4在圓柱面上展開時的傾角。
2.根據(jù)權利要求1所述的大傾斜高壓邊的混流式水泵水輪機轉輪，其特征在于，所述葉片高壓邊4位于一圓柱面內，且向水輪機方向傾斜，定義葉片高壓邊4在展開的圓柱面上的傾角為負，其值達25-60°。
【文檔編號】F03B3/12GK203962464SQ201420293965
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年6月4日 優(yōu)先權日:2014年6月4日
【發(fā)明者】祝寶山, 王旭鶴 申請人:清華大學