大倾斜高压边的混流式水泵水轮机转轮的制作方法
【专利摘要】本实用新型属于水力发电设备领域，尤其涉及一种大倾斜高压边的混流式水泵水轮机转轮，转轮由上冠、下环和7个或9个叶片组成。叶片的高压边位于一圆柱面内，叶片高压边从下环到上冠的包角为θ，叶片高压边在圆柱面内展开后的倾角为β，取β角为负，即向水轮机旋转方向倾斜，其值可达30-60°。在转轮高压边具有大的负倾角的条件下优化设计的转轮，在满足水轮机和水泵工况下水力效率和空化实际工程要求前提下，能够显著降低机组的压力脉动，尤其是水轮机工况部分负荷时导叶和转轮之间的无叶区以及转轮出口尾水管进口处的压力脉动，以及水泵工况下无叶区和尾水管中的脉动压力；同时改善水泵水轮机工况的“S”特性。
【专利说明】大倾斜高压边的混流式水泵水轮机转轮
【技术领域】
[0001]本实用新型属于水力发电设备领域，尤其涉及一种大倾斜高压边的混流式水泵水轮机转轮。
【背景技术】
[0002]抽水蓄能电站由于具有很好的调峰、填谷、调频、调相、事故备用和黑启动等功能，是电力工业发展的必然选择。抽水蓄能电站的心脏是抽水蓄能机组的水泵水轮机，该水泵水轮机流道通常需可逆式运行，且运行工况多变、内部流动特性复杂。随着抽水蓄能技术的不断提高，可逆式水泵水轮机正趋向高水头、大容量和高速化发展。
[0003]我国电力结构以煤电为主的格局在相当长的一段时期内难以改变，且电力资源整体上具有不对称分布形式。为了优化配置电力系统的资源、促进节能减排，发挥抽水蓄能电站的经济效益。高水头、大容量的抽水蓄能电站是必然的发展方向。高水头、大容量的水泵水轮机转轮直径大、流速高、比转速低。由于存在较大的圆盘损失，机组在水轮机和水泵两个工况下的水力效率均会降低。由于内部水流流速高，尤其是在水轮机部分负荷的工作条件下，转轮进口会出现强烈的动静干涉，尾水管进口水流存在旋转，这会引起无叶区和尾水管内强烈的压力脉动。另外，机组空化性能会剧烈恶化。
[0004]目前，我国在建的和将要开工建设的中高水头(250-500m)，中大容量(200-350MW)的抽水蓄能电站中，很多电站的水头变幅较大。因此，水轮机工况下转轮要运行在不同的水头段下，不可避免的偏离最优工况，这会使无叶区和尾水管内的压力脉动更为剧烈，同时恶化转轮的空化性能。更为严重的是，由于水头变幅大，要求的运行范围变宽，可能会进入到不稳定运行区“S”区内，机组运行会更加不稳定，并且会给机组的并网带来极大的困难。
[0005]可逆式水泵水轮机要兼顾水泵水轮机两种工况，要使其在两种不同的运行工况下达到高效率。更为重要的是要保证其在在宽广的运行范围内高效运行的同时要稳定运行，导叶和转轮之间的无叶区，以及尾水管内的压力脉动满足一定的标准。
实用新型内容
[0006]为了在水轮机和水泵工况下运行范围内水力效率和空化均满足实际工程要求前提下，显著降低机组的压力脉动，尤其是水轮机工况部分负荷时导叶和转轮之间的无叶区以及转轮出口尾水管进口处的压力脉动，同时改善水泵水轮机工况的“S”特性，本实用新型提出的一种大倾斜高压边的混流式水泵水轮机转轮，主要由上冠1、7个或9个叶片3和下环2从上到下依次组成；
[0007]其中，叶片高压边4位于一圆柱面内，定义叶片高压边4从下环2到上冠I的包角为Θ，叶片高压边4在圆柱面内展开后的倾角P=arctan(|e/B);叶片高压边4向水泵旋转方向倾斜时β角为正，向水轮机旋转方向倾斜时β角为负，选取β为负倾角；取包角? = 15-30°，选取高压边直径Dd和高压边高度B后，计算可得到负倾角β，其值可达60°，满足水头段H= 100-500米抽水蓄能机组的应用，适用的比转速范围为
=20-60(m,m.，/s);
[0008]其中Dd为高压边直径，B为高压边高度，Ds为低压边直径，Θ为高压边下环到上冠的包角，β为叶片高压边在圆柱面上展开时的倾角，\为比转速，单位为m，m3/s，Q为泵设计工况下的流量，H为泵设计工况下的扬程。
[0009]本实用新型的有益效果为，转轮叶片高压边处大负倾角的存在，扩大了活动导叶与转轮之间距离。在水轮机工况下，减少了水流的冲击损失，改善无叶区的流动状态，降低了压力脉动。同时在水泵工况下，使高压边流动变宽，流动通畅，出流均匀，提高转轮的效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为转轮径向投影图；
[0011]图2为转轮轴向剖面图；
[0012]图3为转轮高压边叶片负倾角示意图；
[0013]图4为叶片轴面示意图，其中画出了轴面流线上翼型的示意形状；
[0014]其中:1-上冠，2-下环，3-叶片，4-叶片高压边，5-叶片低压边，6-叶片上冠翼型，7-叶片下环翼型，8-叶片中间翼型。
【具体实施方式】
[0015]下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。
[0016]如图1和图2所示，一种混流式水泵水轮机转轮，包括上冠1、下环2和多个叶片3。叶片3通常为7片，超高水头时可为9片。转轮叶片高压边4位于一个圆柱面内，从下环2到上冠I的包角Θ确定为Θ = 15-30°。由图3可知，叶片高压边4展开后在圆柱面上为一直线，所以高压边倾角可由叶片高度B以及高压边的直径Dd计算得到。叶片高压边4在圆柱面内展开后的倾角P=arctan($e/B)。高压边向向水轮机旋转方向倾斜，β角为负。S
2
为叶片高压边在圆柱面上展开后的长度。图1中部分叶片看不见的部分用虚线表示。
[0017]在混流式水泵水轮机的转轮的水力设计中，首先根据电站的设计参数和统计数据给出表示转轮特征的两个主要尺寸:高压边和低压边直径，D<^PDs。然后确定轴面形状，使轴面上的流道面积由低压边到高压边形成一条单调的光滑曲线。但是，真正反映转轮叶片流道变化程度的是叶片流道的空间变化规律。因此，高压边做成具有大角度的负倾斜形状，要注意优化低压变开口及倾角，使泵工况具有良好的空化特性，同时使水轮机工况有足够的过水能力，保证水轮机和水泵工况下的效率和空化性能达到设计要求。
[0018]根据电站的设计参数和实际工程中运行的性能优秀的混流式水泵水轮机转轮的轴面形状，可以确定出图3中所示的轴面流道，并且给出转轮高压边直径Dd和低压边直径Ds，以及高压边出口宽度B。确定了转轮高压边叶片的形状后，利用全三维反问题设计、计算流动动力学(CFD)数值模拟以及多目标遗传算法(MOGA)对图3中所示混流式水泵水轮机叶片进行优化设计，可得到水轮机和水泵双向工况效率均优的如图1所示的混流可逆式水泵水轮机转轮。
[0019]本实用新型工作原理如下:
[0020]可逆式转轮的高压边是水轮机的进口，水泵的出口，一般位于圆柱面内。传统的混流式水泵水轮机转轮的高叶边有时做成垂直的，有时做成具有一定的负倾角，但负倾角限定为15-25°。因此，传统的混流式水泵水轮机转轮外缘和导叶之间的间隙很小，从导叶出来的水流撞击到转轮叶片上，或是或转轮出来的水流撞击到导叶上形成的压力振荡，是水轮机工况和水泵工况压力脉动的主要来源。
[0021]把叶片高压边作成大倾斜形状可以分散水流的撞击，减轻压力脉动。另外，在水轮机工况时在高压区时存在不稳定区，采用具有后倾角的叶片有助于消除这种不稳定性。在水泵工况下，大负倾角使高压边流道变宽，有效地保证了转轮流道的通畅。通过优化设计，转轮在低压边的叶形扭曲更为合理，使得泵的入流和水轮机的出流更加均匀，也会减少局部流动损失，保证效率。
[0022]根据设计方案，加工了高压边60°负倾角的水泵水轮机模型转轮，对其进行了模型试验。试验结果证明在效率、空化等指标满足技术要求前提下，大幅降低了压力脉动。在稳定运行区内，水泵工况下，尾水管内和导叶后转轮前无叶区间压力脉动双振幅值分别为2%和6% ;水轮机工况下，上述数值分别为6%和12%。
[0023]以上所述，仅为本实用新型较佳的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.大倾斜高压边的混流式水泵水轮机转轮，其特征在于，主要由上冠1、7个或9个叶片3和下环2从上到下依次组成； 其中，叶片高压边4位于一圆柱面内，定义叶片高压边4从下环2到上冠I的包角为Θ，叶片高压边4在圆柱面内展开后的倾角P=arctan(^9/B); 其中Dd为高压边直径，B为高压边高度，Θ为高压边下环到上冠的包角，β为叶片高压边4在圆柱面上展开时的倾角。
2.根据权利要求1所述的大倾斜高压边的混流式水泵水轮机转轮，其特征在于，所述叶片高压边4位于一圆柱面内，且向水轮机方向倾斜，定义叶片高压边4在展开的圆柱面上的倾角为负，其值达25-60°。
【文档编号】F03B3/12GK203962464SQ201420293965
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年6月4日 优先权日:2014年6月4日
【发明者】祝宝山, 王旭鹤 申请人:清华大学