一种新型超低比转速水泵水轮机的制作方法

本发明属于水力机械技术领域，特别是涉及一种新型超低比转速水泵水轮机。

背景技术：

据统计现有抽水蓄能电站配置可逆式机组承担电力超过740万千瓦，且因可逆式机组具有双向运行的特点(水轮机工况发电、水泵工况抽水)，水泵水轮机是当下在建水电站的首选机型。

水泵水轮机系统由于启停机频繁，诸如大幅度增减负荷、事故甩负荷、以及发电转调相等工况转换过程多变复杂，运行过程会出现压力脉动、振动异常、摆度超标、抬机、扫膛等现象，甚至是安全事故。出现上述现象的主要原因在于水泵水轮机内部流场特性，然而现有公知技术难以有效地控制上述现象，此已成为制约我国水泵水轮机及其系统发展的障碍，同时也是影响电力系统稳定安全运行的关键科学问题之一。具有良好运行性能的水泵水轮机不仅能够满足当下小水电改造工程的需求，亦是新能源并网安全稳定运行的绿色保障。

现有水泵水轮机多为混流式机组，轴向入流径向出流，机组在偏离设计工况运行时，各过流部件均会出现不同尺度的涡旋流动，尤其是叶尖容易产生空化现象。导叶、叶片进出口边轴向设置，使得牵连运动与相对运动合成的绝对运动方向与法向夹角呈现尽可能小的锐角，全流道近似轴向通流削弱了非设计工况运行中涡旋尺度，甚至是避免了某些典型工况运行中涡流出现及其二次效应，从而提高了机组的运行稳定性。

中国专利申请cn201611149428.8公开了一种带双离合机构的轴流式水泵水轮机，其转轮和叶片均带离合结构，使得水泵水轮机可逆运行在发电、抽水两种工况，但该结构设计复杂不便于日后维护，且导叶与转轮互换功能在两种工况，将出现两种工况是否存在较宽的共同高效区问题等。中国专利申请cn201610015261.x公开了一种水泵水轮机及其使用方法，在固定导叶前设置两倍数量的小型活动导叶，实现机组流量的控制，但该结构与常用型水泵水轮机一样，并不能从结构设计角度有效地改善非设计工况下运行的机组内流场不稳定现象。

综上所述，为提高水泵水轮机运行稳定性，在保证发电及抽水两种工况运行效率的前提下，研发出一种具有多工况运行稳定性的新型可逆机组是时下国内外学者研究的新方向。同时采用改良方式满足容易加工制造的要求，能够进一步降低机组整体造价已成为当今水电站水泵水轮机领域亟待解决的重点问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术所存在的不足而提供一种新型超低比转速水泵水轮机，其能够在实现发电、抽水两种工况下水流能高效转换的基础上，解决水泵水轮机内流场涡旋难题以提高机组运行稳定性。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种新型超低比转速水泵水轮机，包括依次连接的蜗壳、转轮、第二级导叶域以及尾水管，且蜗壳流道水流轴向出入，其中，

蜗壳内带有若干负曲率的第一级导叶，且第一级导叶以单列环形方式均布；转轮包含若干个转桨式叶片，第二级导叶域包含若干个对称鲸型活动导叶。

本发明进一步的改进在于，蜗壳呈喇叭状，其截面为环形，其进出口截面积比例为0.4～0.6。

本发明进一步的改进在于，第一级导叶的数量为17～19个。

本发明进一步的改进在于，转桨式叶片的数量为20～22个。

本发明进一步的改进在于，对称鲸型活动导叶的数量为20～22个。

本发明进一步的改进在于，转轮、第二级导叶域以及尾水管进出口过流断面积均相等，且内外径之比均为0.5～0.6。

本发明进一步的改进在于，转轮与第二级导叶域均为柱状体结构，第二级导叶域高度与转轮高度比值为0.8～0.9。

本发明进一步的改进在于，尾水管为空心柱状体，连接转轮口法向进、出流。

本发明进一步的改进在于，蜗壳内第一级导叶的横截面轮廓线包括首尾依次连接的第一曲线和第二曲线，其型线方程为：

第一曲线：

z1＝-6.402e+05-1306x-1889y-8.745e-01x²-2.588xy-1.852y²-0.19e-03x³-8.788e-04x²y-1.272e-03xy²-6.054e-04y³

第二曲线：

z2＝-2.008e+06-4295x-5390y-4.066x²-8.789xy-4.824y²-1.137e-03x³-3.598e-03x²y-3.936e-03xy²-1.437e-03y³

转轮内转桨式叶片的横截面轮廓线包括首尾依次连接的第三曲线和第四曲线，其型线方程为：

第三曲线：

z3＝-2.456e+06-1.428e+04x+8.736e+04y-2.187x²+33.64xy-103.7y²+1.788e-04x³+2.724e-03x²y-1.98e-02xy²+4.111e-02y³

第四曲线：

z4＝2.188e+07+1.231e+04x-7.073e+04y-1.984x²-29.56xy+74.8y²+3.382e-04x³+2.584e-03x²y+1.774e-02xy²-2.572e-02y³

对称鲸型活动导叶的横截面轮廓线为第五曲线，其型线方程为：

第五曲线：

z5＝-4.958e+07-6.751e+04x-1.051e+05y-28.31x²-89.14xy-113.6y²-3.201e-03x³-2.486e-02x²y-1.323e-02xy²-8.759e-02y³。

与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

第一，本发明提出的一种新型超低比转速水泵水轮机，蜗壳内置若干导叶，改善了机组运行在非设计工况下产生于蜗壳内的非稳态涡旋流；尾水管为空心柱状体，连接转轮口法向进、出流，避免了因转轮旋转而引起的尾水管中心涡带。上述方式改善了全流道流场特性，提高了水轮机效率及运行稳定性，并且提高了机组的抗空化性能。

第二，本发明提出的一种新型超低比转速水泵水轮机，第一级导叶、转轮叶片及第二级导叶结构简单，非三维扭曲叶型一方面加工精度高，另一方面方便制作，制造成本低；此外，综合混流式与轴流式机组优点，沿流线布置的导叶、桨叶进一步提高了水泵水轮机的运行效率。

附图说明

图1为本发明一种新型超低比转速水泵水轮机的结构示意图。

图2为蜗壳内第一级导叶分布示意图。

图3为第一级导叶型线示意图。

图4为转轮叶片分布示意图。

图5为转轮叶片型线示意图。

图6为第二级导叶分布示意图。

图7为第二级导叶型线示意图。

附图标记说明：

1-转轮，2-尾水管，3-第二级导叶域，4-蜗壳，5-第一级导叶，6-转桨式叶片，7-对称鲸型活动导叶，8-第一曲线，9-第二曲线，10-第三曲线，11-第四曲线，12-第五曲线。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提出的一种新型超低比转速水泵水轮机，包括依次连接的蜗壳4、转轮1、第二级导叶域3以及尾水管2。其中蜗壳4呈喇叭状，其截面为环形，其进出口截面积比例为0.4～0.6，蜗壳4内带有若干负曲率的第一级导叶5，且第一级导叶5以单列环形方式均布。转轮1包含若干个转桨式叶片6，第二级导叶域3包含若干个对称鲸型活动导叶7。转轮1、第二级导叶域3以及尾水管2进出口过流断面积均相等，且内外径之比均为0.5～0.6。转轮1与第二级导叶域3均为柱状体结构，第二级导叶域3高度与转轮1高度比值为0.8～0.9。尾水管2为空心柱状体，连接转轮口法向进、出流。

如图2所示，所述蜗壳内第一级导叶的横截面轮廓线包括首尾依次连接的第一曲线8和第二曲线9，其型线方程为：

第一曲线8：

z1＝-6.402e+05-1306x-1889y-8.745e-01x²-2.588xy-1.852y²-0.19e-03x³-8.788e-04x²y-1.272e-03xy²-6.054e-04y³

第二曲线9：

z2＝-2.008e+06-4295x-5390y-4.066x²-8.789xy-4.824y²-1.137e-03x³-3.598e-03x²y-3.936e-03xy²-1.437e-03y³

如图4所示，所述转轮内转桨式叶片的横截面轮廓线包括首尾依次连接的第三曲线10和第四曲线11，其型线方程为：

第三曲线10：

z3＝-2.456e+06-1.428e+04x+8.736e+04y-2.187x²+33.64xy-103.7y²+1.788e-04x³+2.724e-03x²y-1.98e-02xy²+4.111e-02y³

第四曲线11：

z4＝2.188e+07+1.231e+04x-7.073e+04y-1.984x²-29.56xy+74.8y²+3.382e-04x³+2.584e-03x²y+1.774e-02xy²-2.572e-02y³

如图5所示，所述对称鲸型活动导叶的横截面轮廓线为第五曲线12，其型线方程为：

第五曲线12：

z5＝-4.958e+07-6.751e+04x-1.051e+05y-28.31x²-89.14xy-113.6y²-3.201e-03x³-2.486e-02x²y-1.323e-02xy²-8.759e-02y³

本发明的实现原理是：

本发明提出的一种新型超低比转速水泵水轮机，是可以将水流的能量转换为机械能，也可以将机械能转换为水势能等的装置。喇叭状蜗壳过流断面为环形，这种结构可降低机组在非设计工况下运行时蜗壳内压力脉动，蜗壳内包含若干个负曲率的第一级导叶呈单列环状均布。其中水轮机工况运行时，水流经蜗壳进口流入第一级导叶后，到达转轮。转轮包含若干个转桨式叶片，可调节转轮转桨式叶片用于改善非设计工况运行中出现的非稳态现象，从而提高效率及水轮机运行稳定性。水流经由转轮到达第二级导叶域，其包含若干个对称鲸型活动导叶，该对称鲸型活动导叶叶型考虑了两种工况相反流动的调节。最终水流经由尾水管流出，尾水管为空心柱状体，连接转轮口法向进、出流，避免了因转轮旋转而引起的尾水管中心涡带。水泵工况运行正好与上述现象路径相反，水流先进入尾水管到达第二级导叶域，再经由转轮到达蜗壳最终出流。

实施例

蜗壳内第一级导叶18个，蜗壳进出口截面积比为0.5。转轮叶片数为21，第二级导叶个数为21，且内外径之比均为0.528，第二级导叶高度与转轮高度比值为0.808。

通过理论分析水力计算，以及借由计算软件模拟结果表明：本发明新型超低比转速水泵水轮机不仅在发电、抽水两种工况下具有较宽的高效区，且机组运行在非设计工况内流场压力脉动频率等均相对较低。喇叭状蜗壳带导叶结构、柱状空心体转轮域、活动导叶域及尾水管分别从不同程度上减轻各运行工况下全流道涡旋现象，增强了整体水泵水轮机的运行稳定性。

本发明的具体实施中未涉及的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种新型超低比转速水泵水轮机的技术思想的具体支持，不能以此来限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均属于本发明技术方案保护的范围。