CN102364083A - 混流式水泵水轮机长短叶片转轮 - Google Patents

Abstract

本发明的混流式水泵水轮机长短叶片转轮，包括一个上冠、一个下环，若干个经过优化设计的长叶片和短叶片。通过对长叶片和短叶片的包角，叶片的进出口角，短叶片轴面流道的长度，短叶片到相邻长叶片背面开口的大小等参数进行优化，可以使水轮机工况部分负荷条件下尾水管压力脉动大大降低，可以使转轮直径减小，从而提高转轮效率，改善水轮机工况下的“S”区不稳定性问题。

Description

混流式水泵水轮机长短叶片转轮

技术领域：本发明涉及一种混流式水泵水轮机长短叶片转轮。

技术背景：随着中国可逆式水轮机开发技术的不断进步，以及业主对抽水蓄能电站经济利益越来越高的要求，中国今后一段时间抽水蓄能电站将越来越向超高水头、超大容量的方向发展。但是，这样电站的水泵水轮机转轮比转速低、流速高，其水力性能会存在一系列的问题。低比转速水泵水轮机转轮由于其转轮直径偏大，从而导致其圆盘损失增大，大大降低了水泵水轮机的效率；同时，较高的流速也导致在水轮机工况部分负荷条件下，转轮进口出现强烈的动静干涉现象，尾水管进口出现强烈的压力脉动和高强度的空化等一系列问题。在这样的电站中，若使用常规的七叶片或九叶片水泵水轮机转轮，不仅转轮效率水平偏低，而且还会给机组运行带来严重的不稳定性问题。

而且，中国目前在建和将要兴建的中等水头和容量的抽水蓄能电站中，由于很多电站水头变幅较大，水轮机工况下转轮要在不同的水头段下运行，这就决定了在很多情况下机组要不可避免地运行在偏离工况条件下，这就会使转轮空化和尾水管压力脉动变得很严重。更为严峻的问题是，由于电站水头变幅较大，转轮运行的单位转速范围也将变大，这就意味着在某些特定条件下，转轮以水轮机工况运行时将更加容易地进入到“S”区不稳定运行区，这就给机组的并网带来极大的困难，严重影响机组的正常运行。在不使用非同步导叶的条件下，常规叶片的水泵水轮机转轮将很难解决上述问题。

发明内容：本发明所要解决的技术问题：通过对混流式水泵水轮机长叶片和短叶片的优化设计，减轻水轮机工况部分负荷工况下尾水管压力脉动的问题，减轻超高水头、超大容量水泵水轮机的水轮机工况进口空化问题，同时改善水泵水轮机工况的“S”特性。本发明的技术方案为：一种混流式水泵水轮机长短叶片转轮，包括一个上冠、一个下环，若干个长叶片和短叶片，混流式水泵水轮机长短叶片转轮叶片数为：四个长叶片与四个短叶片，或者五个长叶片与五个短叶片，混流式水泵水轮机长短叶片转轮长叶片包角θ_L，短叶片的包角按以下方式确定：θ_S/θ_L＝0.40～0.85，泵工况长叶片出口角β_L2与泵工况短叶片出口角β_S2二者之差Δβ₂＝β_L2-β_S2＝1.4°～2.6°，短叶片轴面长度由短叶片轴面中间流线GH与长叶片轴面中间流线GK的比值：GH/GK＝0.60～0.85。相邻叶片之间的节距θ_p大小相同，适用比转速范围： $n_s=3.65\frac{n\sqrt{Q}}{H^{3/4}}=73~255.5(m,\mathrm{KW}).$

给出公式中各个符号的含义：

θ_S：短叶片包角；

θ_L：长叶片包角；

Δβ₂：泵工况长短叶片出口角之差；

β_L2：泵工况长叶片出口角；

β_S2：泵工况短叶片出口角；

GH：短叶片轴面中间流线；

GK：长叶片轴面中间流线；

a₀：短叶片到长叶片负压面开口；

n_s：比转速；

n：转速；

Q：泵工况最高效率工况下对应的流量；

H：泵工况最高效率工况下对应的扬程；

n_s单位：m，KW

在混流式水泵水轮机长短叶片转轮的水力设计中，由于长叶片对转轮泵工况的空化性能和扬程大小起决定作用，故首先对长叶片的各个参数进行优化。通过调整长叶片的包角θ_L和叶片进口角β₁来使转轮的空化性能满足要求，通过调整长叶片的叶片出口角β_L2使转轮的扬程大小满足要求。此时，根据长叶片包角θ_L和叶片出口角β_L2来确定短叶片的包角θ_S和叶片出口角β_S2，从而设计出短叶片的初步翼型。然后，求出短叶片到长叶片负压面开口a₀，对a₀大小进行评价，若其值过大，则可通过调整短叶片轴面中间流线GH的长度和其包角θ_S值的大小来使a₀变小，在调整a₀过程中，要注意短叶片包角θ_S值的变化对水泵扬程和进口空化的影响。所有的设计过程，都采用CFD数值模拟的方法对长叶片和短叶片进行联合计算。当水泵工况性能满足要求后，再进行水轮机工况的CFD数值计算，若满足要求则完成长短叶片转轮的设计；若水轮机工况不满足要求，则重新调整参数，重复以上各步骤，直到水轮机工况满足要求即可。CFD数值模拟之后，可以根据设计数据，加工水泵水轮机长短叶片模型转轮，对其进行模型试验，进一步评价其性能，同时也对其设计结果进行最终的评定。

按照本发明，设计合理的混流式水泵水轮机长短叶片转轮，会使混流式水泵水轮机在以下方面获益：

1、在部分负荷的运行范围内，流向转轮下环侧的二次流减小，涡流率也减小，其中涡流率定义为角动量和轴向动量之比。涡流率与尾水管处的压力脉动密切相关，涡流率的减小会带来尾水管压力脉动的降低。

2、叶片载荷减小，压力脉动会减小。

3、在泵工况下，由于叶片出口滑移减小，泵扬程会得到增加，为满足扬程-流量特性，转轮直径可以做的小一些，或者泵工况叶片出口角可以设计的更小一些。

4、转轮直径的减小可以使整机尺寸减小，从而可以使转轮制造成本降低，使电站开挖量减小，带来一系列的经济效益；而且转轮直径的减小会使圆盘损失降低，从而提高转轮的效率。

5、转轮直径的减小还可以使转轮内部流体的离心力降低，使水轮机工况运行时转轮的反水泵效应减弱，从而可以改善转轮水轮机工况下的“S”特性。

6、泵工况叶片出口角的减小会使扬程-流量曲线的斜率变大，使泵流量随扬程的的变化变小，从而使一定扬程范围内泵进口液流角的变化减小，这就会使泵的进口空化特性得到提高。

7、转轮直径和叶片角度的减小使水轮机工况下叶片进口液流角变化减小，从而提高转轮进口的空化特性。

附图说明：

图1水泵水轮机长短叶片平面结构示意图

图2水泵水轮机长短叶片轴面结构示意图

图3混流式水泵水轮机长短叶片转轮装配图

具体实施方式

如图3中所示，一种混流式水泵水轮机长短叶片转轮，包括一个上冠5、一个下环6，如图1所示，若干个长叶片1和短叶片2，如图2所示，其中上冠型线3、下环型线4和长短叶片水泵工况进水边7经过CFD数值模拟进行优化设计。混流式水泵水轮机长短叶片转轮叶片数为：四个长叶片与四个短叶片，或者五个长叶片与五个短叶片。混流式水泵水轮机长短叶片转轮长叶片包角θ_L，短叶片的包角按以下方式确定：θ_S/θ_L＝0.40～0.85。泵工况长叶片出口角β_L2与泵工况短叶片出口角β_S2二者之差Δβ₂＝β_L2-β_S2＝1.4°～2.6°。短叶片轴面长度由短叶片轴面中间流线GH与长叶片轴面中间流线GK的比值：GH/GK＝0.60～0.85。相邻叶片之间的节距θ_p大小相同，适用比转速范围： $n_s=3.65\frac{n\sqrt{Q}}{H^{3/4}}=73~255.5(m,\mathrm{KW});$

给出公式中各个符号的含义：

θ_S：短叶片包角；

θ_L：长叶片包角；

Δβ₂：泵工况长短叶片出口角之差；

β_L2：泵工况长叶片出口角；

β_S2：泵工况短叶片出口角；

GH：短叶片轴面中间流线；

GK：长叶片轴面中间流线；

a₀：短叶片到长叶片负压面开口；

n_s：比转速；

n：转速；

Q：泵工况最高效率工况下对应的流量；

H：泵工况最高效率工况下对应的扬程；

n_s单位：m，KW。

Claims (1)

1.一种混流式水泵水轮机长短叶片转轮，包括一个上冠、一个下环，若干个长叶片和短叶片，其特征是：混流式水泵水轮机长短叶片转轮叶片数为：四个长叶片与四个短叶片，或者五个长叶片与五个短叶片，混流式水泵水轮机长短叶片转轮长叶片包角θ_L，短叶片的包角按以下方式确定：θ_S/θ_L＝0.40～0.85，泵工况长叶片出口角β_L2与泵工况短叶片出口角β_S2二者之差Δβ₂＝β_L2-β_S2＝1.4°～2.6°，短叶片轴面长度由短叶片轴面中间流线GH与长叶片轴面中间流线GK的比值：GH/GK＝0.60～0.85。相邻叶片之间的节距θ_p大小相同，适用比转速范围：

$n_s=3.65\frac{n\sqrt{Q}}{H^{3/4}}=73~255.5(m,\mathrm{KW});$

给出公式中各个符号的含义：

θ_S：短叶片包角；

θ_L：长叶片包角；

Δβ₂：泵工况长短叶片出口角之差；

β_L2：泵工况长叶片出口角；

β_S2：泵工况短叶片出口角；

GH：短叶片轴面中间流线；

GK：长叶片轴面中间流线；

a₀：短叶片到长叶片负压面开口；

n_s：比转速；

n：转速；

Q：泵工况最高效率工况下对应的流量；

H：泵工况最高效率工况下对应的扬程；

n_s单位：m，KW。

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