CN104454631B - 一种带有不对称sx型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵 - Google Patents

一种带有不对称sx型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带有不对称SX型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵，它包括正向进水流、转轮、导叶、齿轮箱、可逆式电机、灯泡体、套管和反向进水流道，其特征在于所述转轮包括叶片、轮毂和泄水锥，其中：所述轮毂沿周向均匀设置叶片，在轮毂的反向泄水一侧设置泄水锥；所述叶片的形状为空间扭曲SX型，其轴向中间截面翼型呈不对称S型，导叶为斜向空间曲面的活动导叶，与转桨式叶片实现协同配合作用。本发明能够满足可逆贯流泵抽水工况和发电工况两次水流相反、一个转轮同时满足抽水和发电双重工况的需求，并且保证两个运行工况的效率均达到最佳。本发明适用于2～5m水位落差的各种可逆贯流泵站，可实现水资源的高效开发利用。

Description

一种带有不对称SX型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵
技术领域
本发明属于流体机械及水利水电工程设备技术领域，特别是涉及一种带有不对称SX型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵。
背景技术
随着我国水电资源的大规模开发，属于经济指标好的中、高水头水能资源开发已接近饱和，随之开发超低水头径流式电站已成为水电领域研究的热点课题。公知的贯流式水轮机因具有适用水头低、流量大、转速高和效率高，而且高效区比较宽、机组结构紧凑和布置简单等优点而成为超低水头水能资源开发利用中首选的经济适宜的水轮机型式。
在南水北调工程中，有许多贯流式泵站在枯水期从水源地抽水输送至北方，为解决华北地区的资源性缺水问题做出巨大贡献。但是，在汛期充盈的水量就会被弃掉，造成了水能资源的浪费。如果再布置一些单向的贯流式水电站去利用这部分能源，会付出巨大的经济成本，同时过多的工程还会对生态环境造成一定的影响。所以研究开发一种高效的可逆贯流泵已然成为水力机械领域的热点。
同时，在电网当中，可逆贯流泵还能充当抽水蓄能电站的角色，在电力系统电力富余时，抽水蓄能，在电力系统需要电时，放水发电，从而实现调峰填谷、调频调压以及事故备用和黑启动的作用。目前，常规的抽水蓄能电站都是中、高水头的，水头一般大于50m，而对于水头低于5m以下的研究鲜见，研制新型高效的机组更显得迫切。
中国专利申请201310049897.2公开了“一种低水头高效轴伸贯流式水泵水轮机及其叶片”，涉及一种适用于5～20m水头抽水蓄能电站的机组及其叶片型式，叶片采用空间曲面造型，小尺寸转轮可以实现500～1000rad/s的高速运行。但其主要工况是正向发电工况，主要功能是发电，且不适用于水头低于5m的超低水头。同时，转速运行区域远高于常规低扬程泵站的转速范围(n<200rad/s)。
杨鸿年在发表的“国产首台可逆型灯泡贯流式泵组研制”一文中，提出了一种型号为32GWN-42应用在南水北调工程上的水泵，采用C型叶片，适用扬程4.0～4.5m，同时还兼有发电功能，适用水头范围1.8～2.2m；但该发电工况适用水头范围远小于水泵工况扬程，而且两种工况实测效率都很低，严重造成优质水能资源的浪费；同时转轮型式为定桨式，不能很好地适应不同的流量、水位落差和负荷变化。
中国专利申请201110086551.0“一种六工况双向潮汐发电水轮机”，公开了一种采用全新导叶型线和转轮叶片厚度分布规律的六工况双向潮汐灯泡贯流式发电水轮机，叶片采用S型叶片，以实现双向水轮机发电工况的高效，正向水轮机效率87.02％，反向水轮机效率78.14％；但其主要功能还是实现双向发电功能，对水泵工况未做说明。
陈明康在发表的“潮汐发电双向灯泡贯流水泵水轮机的研制”一文中，提出了潮汐电站六工况转换：正向发电—正向泄水—正向抽水—反向发电—反向泄水—反向抽水，以实现潮汐电站的双向发电功能；但所述正向抽水工况仅是为正向发电库侧水位降低后继续降低库侧水位，为反向发电工况做准备，同理，所述反向抽水工况仅是为反向发电海侧水位退潮后抬高库侧水位，为正向发电工况做准备；这种功能的实现局限于潮汐电站库侧容积有限情况下，而且扬程必须低于1.2m。
中国专利申请201220169203.X公开了一种“大型可逆贯流泵发电机组”，该装置包括水轮机、齿轮箱、水泵、发电机等，其中所述的齿轮箱具有的四根轴分别与水轮机、水泵和发电机连接；一定水位差流过水轮机，带动水轮机旋转，水轮机同时又带动水泵运转，将水抽上高处去，在不需要抽水时，水轮机就带动发电机转，以实现发电目的。但是这种装置水轮机和水泵是两个独立的转轮，结构复杂，流道水力损失大以及机组机械损耗大。
综上所述，针对在泵站基础上实现超低水头水能资源的开发利用，要求正向水泵工况和反向水轮机工况都要具备较高的效率，才能保证既能满足调水需求，又能合理高效开发超低水头水能资源，而现有的水力设计方法均无法达不到两全的要求。如何克服现有技术的不足已成为当今流体机械及水利水电工程设备技术领域中亟待解决的重点难题之一。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术存在的不足而提供一种带有不对称SX型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵，本发明能够在2～5m水位落差的运行条件下，满足可逆贯流泵抽水工况和发电工况两次水流相反、一个转轮同时满足抽水和发电工况的双重需求，并且保证两个运行工况的效率均达到最佳。
根据本发明提出的一种带有不对称SX型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵，它包括正向进水流道、转轮、导叶、齿轮箱、可逆式电机、灯泡体、套管和反向进水流道，其中：所述正向进水流道设置在转轮的正向进水端，导叶设置在灯泡体的颈部，可逆式电机和齿轮箱置于灯泡体内，转轮通过主轴与齿轮箱、可逆式电机依次同轴设置，套管与灯泡体嵌套连接，灯泡体的正向出水端设置反向进水流道；其特征在于所述转轮包括叶片、轮毂和泄水锥，其中：所述轮毂沿周向均匀设置叶片，在轮毂的反向泄水一侧设置泄水锥；所述叶片的形状为空间扭曲SX型，沿叶片的外缘至轮毂的径向，呈空间交叉的X型，从轮毂沿径向向外，叶片的攻角逐渐变大；所述叶片的厚度从轮毂向外缘侧逐渐变小；所述叶片的弦长从轮毂向外缘侧逐渐增大；所述叶片的轴向中间截面翼型呈不对称S型，即在近水泵工况进水边半S型的弯曲度大于近水泵工况出水边半S型弯曲度，截面翼型中间厚，进出水边薄。
本发明的工作原理：与常规泵站相比，本发明的可逆贯流泵站是一种特殊形式的泵站，其特点在于：采用的可逆贯流泵必须兼具水泵和水轮机两种功能、可逆式电机必须兼具电动机和发电机两种功能；其运行方式分为正向水泵工况和反向水轮机工况，即在需要调水的时候，可逆式电机实现电动机功能，带动转轮将水从低水位侧抽向高水位侧，满足用水需求；在用水地区水量充盈时，高水位侧水流经可逆贯流泵下泄至低水位侧，水流带动转轮及可逆式电机转动，从而实现“水能——机械能——电能”的协同转化功能。本发明通过桨叶调节机构来微调叶片的安放角度φ以适应不同水位变化、负荷变化，同时通过导叶调节机构来调节导叶的开度以改变流道的过流量、导叶出口环量，从而加强了导叶与叶片协同配合的作用，由此保证了可逆贯流泵始终能够在高效区可靠运行。
本发明与现有技术相比其显著优点在于：一是本发明的转轮为贯流转桨式结构，通过调节叶片的安放角，可以适应不同水位变化和负荷变化；二是本发明采用的导叶是斜向空间曲面活动导叶，具有更好导水性能，导叶角度可调，能够满足水泵出流和水轮机运行所需环量的要求，当和叶片实现协同配合，完全能够适应各种限制工况下的水流状况；三是本发明的叶片的形状为空间扭曲SX型，特别是轴向中间截面翼型形状设计为非对称S型，能同时满足正向水泵工况和反向水轮机工况过流能力和做功能力的要求，保证水泵和水轮机双向效率都达到最高；如在设计流量30.3m3/s下，正向水泵工况效率能达到83％以上；设计水头3.0m下，反向水轮机工况效率能达到75％以上，出力可达600kW以上；水泵工况下转轮效率能达到92％以上，水轮机工况下转轮效率能达到90％以上；四是本发明在超低水头时仍能正常发电，大大扩展了现有水能资源的可利用范围；五是本发明的可逆贯流泵站可以现有泵站为主体，进行增容和功能改造，泵站与电站结合为一体，避免了过多的工程施工，对于减少施工用地和保护生态环境具有重要意义，同时还节约投资成本；六是本发明的可逆贯流泵站双向运行，两种工况水流流向相反，对全流道有清理作用，可显著减少附着物和泥沙的定向堆积。本发明适用于2-5m水位落差的各种可逆贯流泵站，可替代现有各种低扬程大流量贯流泵站，实现水资源的高效开发利用。
附图说明
图1是本发明提出的一种带有非对称SX型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵的二维流道俯视示意图。
图2是本发明提出的一种带有非对称SX型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵的二维流道正视示意图。
图3包括图3a和图3b，其中：图3a为本发明提出的转轮的结构主视图，图3b为本发明提出的转轮的结构左视图。
图4包括图4a和图4b，其中：图4a为本发明提出的叶片的四个轴向空间截面剖面线相对位置的示意图，图4b为本发明提出的叶片的四个轴向中间截面剖视面的投影图。
图5是本发明提出的叶片的轴向中间截面M1型线的示意图。
图6是本发明提出的叶片的轴向中间截面M2型线的示意图。
图7是本发明提出的叶片的轴向中间截面M3型线的示意图。
图8是本发明提出的叶片的轴向中间截面M4型线的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
结合图1和图2，本发明提出的一种带有不对称SX型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵，它包括正向进水流道(1)、转轮(2)、导叶(3)、齿轮箱(4)、可逆式电机(5)、灯泡体(6)、套管(7)和反向进水流道(8)，其中：所述正向进水流道(1)设置在转轮(2)的正向进水端，导叶(3)设置在灯泡体(6)的颈部，可逆式电机(5)和齿轮箱(4)置于灯泡体(6)内，转轮(2)通过主轴与齿轮箱(4)、可逆式电机(5)依次同轴设置，套管(7)与灯泡体(6)嵌套连接，灯泡体(6)的正向出水端设置反向进水流道(8)；其特征在于所述转轮(2)包括叶片(13)、轮毂(14)和泄水锥(15)，其中：所述轮毂(14)沿周向均匀设置叶片(13)，在轮毂(14)的反向泄水一侧设置泄水锥(15)；所述叶片(13)的形状为空间扭曲SX型，沿叶片(13)的外缘至轮毂(14)的径向，呈空间交叉的X型，从轮毂(14)沿径向向外，叶片(13)的攻角逐渐变大；所述叶片(13)的厚度从轮毂(14)向外缘侧逐渐变小；所述叶片(13)的弦长从轮毂(14)向外缘侧逐渐增大；所述叶片(13)的轴向中间截面翼型呈不对称S型，即在近水泵工况进水边半S型的弯曲度大于近水泵工况出水边半S型弯曲度，截面翼型中间厚，进出水边薄。
结合图3至图8，本发明提出的一种带有不对称SX型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵的进一步优选方案是：
本发明所述叶片(13)的轴向中间截面翼型型线曲线上部分点的坐标以如下方式表示：
以叶片(13)的转动轴与各截面的交点为原点建立坐标系，x1、x2、x3、x4为各坐标的横坐标，y1、y2、y3、y4为各坐标的纵坐标，M1、M2、M3、M4分别表示四个型线，则叶片(13)的中间截面型线部分点在直角坐标系下的位置参数如表1所示：
表1：叶片(13)的轴向中间截面型线部分点在直角坐标系下的位置参数表(单位：mm)
编号 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110
M1Z-X1 -1051.94 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 723.52
M1Z-Y1 412.22 283.23 195.07 122.71 61.52 6.51 -46.31 -100.7 -162.71 -221.18
编号 110 111 112 113 114 115 116 117 118 101
M1F-X1 723.52 600 400 200 0 -200 -400 -600 -800 -1051.94
M1F-Y1 -221.18 -217.8 -184.77 -145.53 -98.47 -40.59 30.78 117.03 223.46 412.22
编号 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210
M2Z-X2 -1086.18 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 759.98
M2Z-Y2 509.71 328.82 217.77 122.76 41.79 -31.31 -101.18 -172.58 -253.17 -343.5
编号 210 211 212 213 214 215 216 217 218 201
M2F-X2 759.98 600 400 200 0 -200 -400 -600 -800 -1086.18
M2F-Y2 -343.5 -309.06 -240.04 -186.02 -119.18 -43.68 44.84 148.7 273.51 509.71
编号 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310
M3Z-X3 -1009.68 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 781.4
M3Z-Y3 509.33 357.02 229.86 119.87 24.85 -61.15 -144.06 -229.2 -324.51 -439.32
编号 310 311 312 313 314 315 316 317 318 301
M3F-X3 781.4 600 400 200 0 -200 -400 -600 -800 -1009.68
M3F-Y3 -439.32 -381.76 -302.76 -223.5 -143.97 -57.64 49.54 166.35 301.19 509.33
编号 401 402 403 404 405 406 407 408 409 410
M4Z-X4 -837.44 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 774.96
M4Z-Y4 404.47 399.61 260.76 136.02 23.52 -80.07 -179.91 -281.49 -390.33 -512.02
编号 410 411 412 413 414 415 416 417 418 401
M4F-X4 774.96 600 400 200 0 -200 -400 -600 -800 -837.44
M4F-Y4 -512.02 -444.58 -348.87 -251.41 -151.56 -47.49 69.89 199.45 349.68 404.47
表1中：MnZ表示第n个型线的正压面曲线，MnF表示第n个型线的负压面曲线(n＝1、2、3、4)；MnZ-Xn表示型线Mn正压面曲线的xn坐标值，MnZ-Yn表示型线Mn正压面曲线的yn坐标值(n＝1、2、3、4)；MnF-Xn表示型线Mn负压面曲线的xn坐标值，MnF-Yn表示型线Mn负压面曲线的yn坐标值(n＝1、2、3、4)；
所述四个截面的八条曲线拟合后方程如下：
M1正压面曲线：
y11＝-1E-07x3+1E-05x2-0.2678x+8.6429；
M1负压面曲线：
y12＝-7E-08x3+0.0002x2-0.251x-101.03；
M2正压面曲线：
y21＝-1E-07x3+2E-05x2-0.3598x-28.102；
M2负压面曲线：
y22＝-8E-08x3+0.0001x2-0.3445x-119.93；
M3正压面曲线：
y31＝-1E-07x3+2E-05x2-0.4201x-58.299；
M3负压面曲线：
y32＝-1E-07x3+0.0001x2-0.4121x-147.11；
M4正压面曲线：
y41＝-1E-07x3+1E-05x2-0.5087x-76.288；
M4负压面曲线：
y42＝-7E-08x3+0.0001x2-0.5081x-156.15。
本发明所述叶片(13)包括外缘面、内缘面、进出水侧面、正压面和负压面，其外缘面为圆弧面，内缘面为与轮毂(14)交接的空间曲面，进出水侧面为平滑过渡直圆弧面，正压面与负压面为光顺的空间曲面。
本发明所述叶片(13)的数量为3片或4片。
本发明所述转轮(2)为贯流转桨式转轮，其叶片(13)的初始安放角为45°，即叶片定位线(12)与机组转动中心线(9)之间的夹角φ，初始安放角调整值为-4～+4°。
本发明所述导叶(3)为活动斜向空间曲面导叶，各导叶(3)构成的封水面与机组转动中心线(9)成悬空交叉分布，所述导叶(3)沿周向均匀布置在灯泡体(6)颈部，导叶(3)的数量为5或7片，所述导叶转动中心线(10)与机组转动中心线(9)之间的夹角θ为70～75°，导叶(3)的开度调整范围为0～88°。
本发明所述正向进水流道(1)或反向进水流道(8)中进水的水位落差范围为2～5m。
本发明所述转轮(2)转速范围为100～200rad/s。
下面通过列表方式进一步说明将本发明用于灯泡可逆贯流泵站的具体实施例。
表2：本发明的带有不对称SX型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵的运行参数表
表2中所示实施例1～4为转轮(2)公称直径为3.1m时，不同转速、不同设计流量和不同叶片(13)个数水泵工况下可逆灯泡贯流泵装置的测量及计算参数；表2中所示实施例5～7为转轮(2)公称直径为3.1m时，不同转速和不同水头水轮机工况下可逆灯泡贯流泵装置的测量及计算参数。
本发明适用于水位落差范围为2～5m、其运行速度为100～200rad/s的各种低扬程大流量可逆贯流泵站，除上述实施例中用于灯泡可逆贯流泵站外，还包括适用于可逆竖井贯流泵站以及可逆轴伸贯流泵站等。
本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。
本发明经反复试验验证，取得了满意的应用效果。

Claims (9)

1.一种带有不对称SX型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵，它包括正向进水流道(1)、转轮(2)、导叶(3)、齿轮箱(4)、可逆式电机(5)、灯泡体(6)、套管(7)和反向进水流道(8)，其中：所述正向进水流道(1)设置在转轮(2)的正向进水端，导叶(3)设置在灯泡体(6)的颈部，可逆式电机(5)和齿轮箱(4)置于灯泡体(6)内，转轮(2)通过主轴与齿轮箱(4)、可逆式电机(5)依次同轴设置，套管(7)与灯泡体(6)嵌套连接，灯泡体(6)的正向出水端设置反向进水流道(8)；其特征在于所述转轮(2)包括叶片(13)、轮毂(14)和泄水锥(15)，其中：所述轮毂(14)沿周向均匀设置叶片(13)，在轮毂(14)的反向泄水一侧设置泄水锥(15)；所述叶片(13)的形状为空间扭曲SX型，沿叶片(13)的外缘至轮毂(14)的径向，呈空间交叉的X型，从轮毂(14)沿径向向外，叶片(13)的攻角逐渐变大；所述叶片(13)的厚度从轮毂(14)向外缘侧逐渐变小；所述叶片(13)的弦长从轮毂(14)向外缘侧逐渐增大；所述叶片(13)的轴向中间截面翼型呈不对称S型，即在靠近水泵工况进水边半S型的弯曲度大于靠近水泵工况出水边半S型弯曲度，截面翼型中间厚，进出水边薄。
2.根据权利要求1所述的一种带有不对称SX型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵，其特征在于所述叶片(13)的轴向中间截面翼型型线曲线上部分点的坐标以如下方式表示：
以叶片(13)的转动轴与各截面的交点为原点建立坐标系，x1、x2、x3、x4为各坐标的横坐标，y1、y2、y3、y4为各坐标的纵坐标，M1、M2、M3、M4分别表示四个型线，则叶片(13)的中间截面型线部分点在直角坐标系下的位置参数如表1所示：
表1：叶片(13)的轴向中间截面型线部分点在直角坐标系下的位置参数表、单位：mm
表1中：MnZ表示第n个型线的正压面曲线，MnF表示第n个型线的负压面曲线，所述n＝1、2、3、4；MnZ-Xn表示型线Mn正压面曲线的xn坐标值，MnZ-Yn表示型线Mn正压面曲线的yn坐标值，所述n＝1、2、3、4；MnF-Xn表示型线Mn负压面曲线的xn坐标值，MnF-Yn表示型线Mn负压面曲线的yn坐标值，所述n＝1、2、3、4；
所述四个截面的八条曲线拟合后方程如下：
M1正压面曲线：
y1＝-(1E-07)x1 3+(1E-05)x1 2-0.2678x1+8.6429；
M1负压面曲线：
y1＝-(7E-08)x1 3+0.0002x1 2-0.251x1-101.03；
M2正压面曲线：
y2＝-(1E-07)x2 3+(2E-05)x2 2-0.3598x2-28.102；
M2负压面曲线：
y2＝-(8E-08)x2 3+0.0001x2 2-0.3445x2-119.93；
M3正压面曲线：
y3＝-(1E-07)x3 3+(2E-05)x3 2-0.4201x3-58.299；
M3负压面曲线：
y3＝-(1E-07)x3 3+0.0001x3 2-0.4121x3-147.11；
M4正压面曲线：
y4＝-(1E-07)x4 3+(1E-05)x4 2-0.5087x4-76.288；
M4负压面曲线：
y4＝-(7E-08)x4 3+0.0001x4 2-0.5081x4-156.15。
3.根据权利要求1或2所述的一种带有不对称SX型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵，其特征在于所述叶片(13)包括外缘面、内缘面、进出水侧面、正压面和负压面，其外缘面为圆弧面，内缘面为与轮毂(14)交接的空间曲面，进出水侧面为平滑过渡直圆弧面，正压面与负压面为光顺的空间曲面。
4.根据权利要求1或2所述的一种带有不对称SX型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵，其特征在于所述叶片(13)的数量为3片或4片。
5.根据权利要求3所述的一种带有不对称SX型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵，其特征在于所述叶片(13)的数量为3片或4片。
6.根据权利要求1所述的一种带有不对称SX型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵，其特征在于所述转轮(2)为贯流转桨式转轮，其叶片(13)的初始安放角为45°，即叶片定位线(12)与机组转动中心线(9)之间的夹角φ，初始安放角调整值为-4～+4°。
7.根据权利要求1所述的一种带有不对称SX型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵，其特征在于所述导叶(3)为活动的斜向空间曲面导叶，导叶(3)构成的封水面与机组转动中心线(9)呈悬空交叉分布，导叶(3)沿周向均匀布置在灯泡体(6)颈部，导叶(3)的数量为5或7片；所述导叶转动中心线(10)与机组转动中心线(9)之间的夹角θ为70～75°，导叶(3)的开度调整范围为0～88°。
8.根据权利要求1所述的一种带有不对称SX型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵，其特征在于所述正向进水流道(1)或反向进水流道(8)中进水的水位落差范围为2～5m。
9.根据权利要求1所述的一种带有不对称SX型叶片的低扬程大流量可逆贯流泵，其特征在于所述转轮(2)转速范围为100～200rad/s。
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