一种宽出力水泵水轮机转轮

1.本技术涉及流体机械及工程设备的技术领域，尤其设计一种宽出力水泵水轮机转轮。


背景技术：

2.电力能源减碳是实现碳中和目标的重要一环，在此背景下，风电和光电将发展成为电网的主导能源。然而风光不可控，在季节和日内波动大，电网难以消纳。因此，需要大规模的储能设施。抽水蓄能是目前公认的唯一一种经过商业验证的电网大规模储能技术。目前，抽水蓄能装机容量为160gw，储能容量为9000gwh，占世界电网级储能应用的90％以上，并且这一比例仍将继续增加，随着世界上抽水蓄能规模最大的中国加快规划和建设。根据中国国家能源局-《抽水蓄能中长期发展规划(2021-2035)》，到2025年，抽水蓄能投产总规模62gw以上；到2030年，投产总规模120gw左右。
3.在以新能源为主体的现代能源体系中，抽蓄被越来越多地应用于灵活调蓄随机新能源。为了与波动性新能源协同，机组启停和在偏负荷或深偏负荷下工作更加频繁。偏工况运行条件下，水轮机内的流态恶化、效率低下、压力脉动剧烈、机组振动突出，由此导致电站安全事故频发。常规水泵水轮机转轮在设计过程中仅考虑设计工况及附近小范围效率及稳定性，高效、稳定性运行区相对较窄，已很难满足这种新的工作要求。因此，急需开发高效、稳定运行的宽出力水泵水轮机转轮。
4.水泵水轮机转轮设计需要兼顾转轮的效率、空化及压力脉动性能，而转轮各性能之间往往相互制约，无法同时达到最优。因此，如何设计具备良好综合性能的转轮，一直是业内研究工作的难点。宽出力运行转轮在常规转轮性能目标基础上，要求水轮机在40％～100％出力或更为宽广的范围内能高效、稳定运行，设计挑战进一步加大。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术提供一种宽出力水泵水轮机转轮，以解决现有常规水泵水轮机高效、安全运行区相对较窄，难以支撑新能源灵活调蓄工作要求的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.一种宽出力水泵水轮机转轮，所述水泵水轮机转轮包含上冠、下环及焊接在上述两者之间的转轮叶片三个部分，所述转轮叶片包含正面和背面，其中正面为压力面，背面为吸力面，其特征在于：所述转轮叶片的正背面均为三维空间曲面，且向水泵工况旋转方向凸起，转轮上冠轴面投影曲线和转轮下环轴面投影曲线分别由一条五点四阶贝塞尔曲线确定，转轮叶片低压边轴面投影由一确定的一元二次方程确定，且转轮叶片高压边不在同一个轴面上，且其轴面投影与旋转轴成固定一角度β。
8.进一步地，以水轮机转轮的旋转轴为z轴，r轴垂直于z轴，在平面上建立(z，r)坐标系，所述转轮叶片高压侧直径为d1，高压侧叶片高度为b，低边侧与上冠流面相交点直径为d
2h
，低压侧与下环流面相交点直径为d
2s
，其中d1参数远大于d
2s
，使得叶片整体呈现为狭长
的离心式叶片，轮毂直径为dh，转轮直径为dr。
9.进一步地，所述转轮上冠轴面投影曲线由一条五点四阶贝塞尔曲线确定，其表达式如下：
[0010][0011]
其中，h0，h1，h2，h3，h4为控制点，其坐标分别为(-145.94f，9.64f),(-43.20f,0.47f),(45.91f,5.72f),(17.75f,187.52f),(17.65f,250f)，f为缩放因子，f＝dh/10。
[0012]
进一步地，所述转轮下环轴面投影曲线由一条五点四阶贝塞尔曲线确定，其表达式如下：
[0013][0014]
其中，s0，s1，s2，s3，s4为控制点，其坐标分别为(-145.944f,116.51f),(-95.49f,116.35f),(-11.24f,106.03f),(-17.35f,205.51f),(-17.65f,250f)，f为缩放因子，f＝dh/10。
[0015]
进一步地，所述转轮叶片低压边轴面投影由一确定的一元二次方程确定，其数学表达式为：
[0016]
z＝0.0037r
2-0.2139r+74.628。
[0017]
进一步地，转轮叶片的中间截面骨线控制方程为：
[0018]
z＝3
×
10-11r5-7
×
10-8
r4+2
×
10-5r3-0.0036r2+0.3454r+102.85
[0019]
根据叶片骨线方程，对称加厚，即可得到整个叶片。
[0020]
进一步地，所述转轮叶片正背面两端均通过1/2椭圆相连，叶片高压侧椭圆顶点由转轮外径d1决定，低压侧椭圆顶点由转轮直径dr决定，椭圆短轴为相应地的叶片厚度，椭圆长轴为四倍叶片厚度。
[0021]
进一步地，所述转轮叶片高压侧直径d1、低压侧与下环流面相交点直径为d
2s
和高压侧叶片高度为b分别由下式确定：
[0022][0023]
u2为转轮高压边圆周速度，n为转速，q为设计流量，kb为修正系数，kb可通过查表获得。
[0024]
进一步地，所述叶片高压边轴面投影与旋转轴的夹角β满足0
°
《β《10
°
。
[0025]
进一步地，所述转轮叶片数量为多个，一般为7叶片或9叶片。
[0026]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0027]
1)本发明通过对转轮流道和叶片进行全新设计，在保证常规性能指标的同时，拓宽了常规水泵水轮机高效运行范围，特别是大幅度提高了转轮深偏负荷效率性能。由于抽
水蓄能电站单机容量一般较大，目前主流的单机容量为35万千瓦，效率提升百分之一，所带来发电量的提升也是十分可观的。本发明转轮叶片能在深偏负荷效率提升约百分之九，如图7所示。
[0028]
2)转轮在深偏负荷工况下，叶片高压侧流动分离十分严重，由此带来效率下降和机组振动问题。本发明通过流体动力学优化增大了叶片包角和拱度，能够有效抑制高压侧流动分离在流道中进一步发展，进而达到提升深偏负荷效率的目的。
[0029]
3)本发明通过转轮叶片高压边倾角优化，抑制了无叶区压力脉动强度，如图8所示。提高了机组全工况区内运行稳定性，有效缓解了偏负荷工况下机组振动问题，其技术原理为:高压边负倾角抑制了上冠侧流动分离，由此减小了压力脉动。
[0030]
4)由于转轮宽出力区域内效率性能和稳定性能的提升，本发明大幅度提高了抽水蓄能电站灵活调蓄随机新能源的能力，同时提高了电站经济性和安全性。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]
图1为本技术实施例提供的宽出力水泵水轮机转轮；
[0033]
图2为本技术实施例提供的转轮单叶片示意图及高压边倾角示意；
[0034]
图3为本技术实施例提供的转轮轴面投影图；
[0035]
图4为本技术实施例提供的叶片中截面及骨线示意；
[0036]
图5为本技术实施例提供的7叶片示意图；
[0037]
图6为本技术实施例提供的9叶片示意图；
[0038]
图7为本技术实施例提供的转轮效率提升示意图；
[0039]
图8为本技术实施例提供的转轮压力脉动强度降低示意图。
[0040]
其中，图中元件标识如下：
[0041]
1-转轮上冠与叶片相接侧的轴面投影曲线、2-转轮叶片、3-转轮下环与叶片相接侧的轴面投影曲线、4-中截面、5-叶片高压边、6-叶片低压边、7-叶片骨线。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0043]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0044]
在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相
连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0045]
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本技术的不同结构。为了简化本技术的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本技术。此外，本技术可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本技术提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
[0046]
本发明提出的一个实施例的模型转轮如图1，该宽出力水泵水轮机转轮包括上冠、转轮叶片2和下环三个部分。轮叶片包含正面和背面，其中正面为压力面，背面为吸力面，述转轮叶片2的正背面均为三维空间曲面，且向水泵工况旋转方向凸起，转轮上冠轴面投影曲线和转轮下环轴面投影曲线分别由一条五点四阶贝塞尔曲线确定，转轮叶片2低压边轴面投影由一确定的一元二次方程确定，且转轮叶片2高压边不在同一个轴面上，且其轴面投影与旋转轴成固定一角度β。
[0047]
平面上建立(z，r)坐标系，z轴为旋转轴，r轴垂直于z轴，其中转轮叶片高压侧直径为d1，高压侧叶片高度为b，低边侧与上冠流面相交点直径为d
2h
，低压侧与下环流面相交点直径为d
2s
，其中d1参数远大于d
2s
，使得叶片整体呈现为狭长的离心式叶片，轮毂直径为dh，转轮直径为dr，，本实施例中轮毂直径dh＝10mm，因此缩放因子f＝1。
[0048]
确定叶片高压边5的β＝4
°
，如图2所示。通过公式计算确定转轮高压边直径参数d1＝0.5m，叶片高度b＝0.03565m，低压侧与下环流面相交点由控制参数d
2s
＝0.236m，低边侧与上冠流面相交点由控制参数d
2h
＝0.145m，如图3所示。
[0049]
图3中转轮上冠与叶片相接侧的轴面投影曲线1由一条五点四阶贝塞尔曲线确定，其表达式如下：
[0050][0051]
其中，h0，h1，h2，h3，h4坐标分别为(-145.94，9.64),(-43.20,0.47),(45.91,5.72),(17.75,187.52),(17.65,250)，上述控制点坐标，通过图3中原心o确立，r轴穿过转轮出口中心。
[0052]
图3中转轮下环与叶片相接侧的轴面投影曲线3由一条五点四阶贝塞尔曲线确定，其表达式如下：
[0053][0054]
其中，s0，s1，s2，s3，s4坐标分别为(-145.944,116.51),(-95.49,116.35),(-11.24,106.03),(-17.35,205.51),(-17.65,250)。
[0055]
转轮叶片低压边6轴面投影由下列方程计算得到：
[0056]
z＝0.0037r
2-0.2139r+74.628
[0057]
转轮叶片的中间截面骨线由下式计算得到：
[0058]
z＝3
×
10-11r5-7
×
10-8
r4+2
×
10-5r3-0.0036r2+0.3454r+102.85
[0059]
以叶片骨线7为中心，对称加厚30mm，获得叶片正背面。叶片首尾两端通过1/2椭圆相连，椭圆短轴为30mm，长轴为120mm，如图4所示。
[0060]
获得叶片中截面4形状后，向上冠和下环方向均匀延申，即可获得单个叶片实体，如图5所示。
[0061]
将上述单叶片，以旋转轴为中心，阵列7份，即可活动7叶片水泵水轮机转轮叶片，如图5所示。阵列9份，也可活动9叶片水泵水轮机转轮叶片，如图6所示。
[0062]
如图7所示，采用本实例的转轮叶片其效率明显高于常规水泵水轮机转轮的效率；如图8所示，本技术实施例提供的转轮压力脉动强度明显低于常规水泵水轮机转轮压力脉动强度。
[0063]
以上是对本发明技术方案所做的具体实施例与所运用的技术原理。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。