CN104481776A - 适于枯水期运行的混流式转轮及配备该转轮的水轮机 - Google Patents

Abstract

一种适于枯水期运行的混流式转轮及配备该转轮的水轮机，包括上冠和下环以及设置在所述上冠和下环之间沿周向均布的多个叶片，Qk：枯水期平均流量；Qr：丰水期水轮机额定流量；K：Qk与Qr之比，K＝Qk/Qr；△βc：适于丰水期与适于枯水期的转轮下环处叶片出口安放角的差值；△βc与所述K值负相关，即K值越小，△βc越大。采用本发明提供的转轮和水轮机带来的有益效果为：当径流式水电站枯水期过机流量大幅减小后，为充分有效利用水资源，提高水轮机偏离设计工况的运行效率，在不改变其他任何已安装的水轮机部件的前提下，用枯水期转轮替换丰水期转轮，可以以最经济的手段实现电站枯水期机组高效稳定运行。

Description

适于枯水期运行的混流式转轮及配备该转轮的水轮机

技术领域

本发明涉及一种适于径流式水电站枯水期运行的混流式转轮，还涉及一种安装有该转轮的混流式水轮机。

背景技术

经过长期的技术发展，混流式水轮机已基本定型。由于混流式水轮机结构紧凑，技术成熟，效率较高，能适应很宽的水头范围，是目前运用最广泛的一种水轮机。

水轮机是根据电站的水力参数进行选型设计，结合工程总体布置和水轮机的水力特性，按照技术先进、经济合理的原则，选择和确定水轮机的技术参数。设计单位流量一般在综合特性曲线上最优效率与5％出力限制线之间的范围内选取(通常接近5％出力限制线)，以满足额定出力和负荷性质。由于混流式水轮机转轮叶片不可调节，对于一个经选型确定的转轮，只能在一定的流量范围与水头范围内高效、安全稳定运行。

在许多中小型径流式水电站中，由于受各种条件的限制，无调节水库，只能以水定电。汛期径流量占全年的比例较大，机组通常按汛期水力参数选型。枯水期河道来流量较小，电站往往不能满负荷运行。当来水流量小于单台水轮机的正常运行流量(为额定流量的70％以下)时，一种情况是让机组在偏离设计工况的小负荷区域运行，不仅效率大幅降低，水力资源得不到充分利用，时常还会引起机组振动，存在安全隐患；另一种情况是由于偏离设计工况太多带来机组振动等安全问题，只能停机弃水，白白浪费水力资源。

为了解决径流式水电站枯水期的水力资源不能高效利用问题，传统的方法是根据枯水期的水力参数，再增加一台小容量水轮发电机组，与原有机组配合运行。增加小容量机组需要对原厂房和引水管路等设施进行改造，不仅投资大，建设周期长，不确定因素多，而且对电站的正常生产和管理维护也会造成影响。

为了克服混流式水轮机在远离最优工况区域运行时存在的低效与振动等问题，目前市场上也出现了一些将转轮上的叶片设计成长短两种或三种甚至更多种叶片，如中国专利号CN201210524652.6的发明专利，公告日为2013年5月22日，公开了混流式水轮机反向S型长短叶片转轮，此种结构的转轮是将若干个连接在上冠和下环之间的叶片设计成长叶片和短叶片两种结构；另外，如中国专利号201310704054.1的发明专利，公告日为2014年04月02日，公开了一种混流式水泵水轮机，此种结构的水轮机是将安装在蜗壳内中部的转轮中，将位于上冠和下环之间的叶片设计成每组叶片由一个长叶片、一个中长叶片和两个短叶片组成，即将叶片设计为长中短三种叶片。前者通过改变转轮叶片在空间的形状力争扩大混流式水轮机的高效运行范围，后者通过采用长、中、短三种叶片的组合方式尽可能降低混流式水泵水轮机在特点“S”区的涡强度。二者的理念都是基于以长期运行工况高效为主、兼顾改善短期运行工况性能，其优点是不需更换转轮，缺点是兼顾的范围十分有限，不适于枯水期时间长、枯水期来水流量小于丰水期额定流量70％的径流式水电站。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种针对大大偏离设计工况的情况以及在不改变其他任何已安装的水轮机部件的适于枯水期运行的混流式转轮及配备该转轮的水轮机。

按照本发明提供的一种适于枯水期运行的混流式转轮采用的主要技术方案为：包括上冠和下环以及设置在所述上冠和下环之间沿周向均布的多个叶片，

Qk：枯水期平均流量；

Qr：丰水期水轮机额定流量；

K：Qk与Qr之比，K＝Qk/Qr；

△βc：丰水期转轮与枯水期转轮下环处叶片的出口安放角的差值；

所述△βc与所述K值的关系如下表：

K	0.6～0.7	0.5～0.6	0.4～0.5	0.4以下
					△βc(°)	2～4	4～6	6～8	8以上

△βc与所述K值负相关，即K值越小，△βc越大。

本发明提供的适于枯水期运行的混流式转轮还可具有如下附属技术特征：

βc：枯水期转轮下环处叶片的出口安放角；

所述βc与所述K值正相关，即所述K值越小，所述βc越小。所述枯水期转轮叶片出口安放角βc为8°≤βc＜15°。

多个所述叶片呈周向均匀布置，

上冠包角：每个所述叶片的上冠型线与进口边型线的交点A、上冠型线与出口边型线的交点B、所述转轮中心连接所述交点A和交点B形成的夹角；

下环包角：每个所述叶片的下环型线与进口边型线的交点C、下环型线与出口边型线的交点D、所述转轮中心连接所述交点C和所述交点D形成的夹角；

所述枯水期转轮的上冠包角为70-110度，所述枯水期转轮的下环包角为50-80度。

转轮叶片轴面流道由所述叶片的上冠型线、进口边型线、出口边型线以及下环型线围成，所述枯水期转轮叶片的轴面流道面积小于所述丰水期转轮叶片的轴面流道面积。

P点：转轮的上冠内流道型线进口点与所述转轮的旋转轴心线的垂直交点；

d1：所述P点到所述枯水期转轮的所述叶片出口边型线与上冠型线的交点的距离；

d2：所述P点到所述丰水期转轮的所述叶片出口边型线与上冠型线的交点的距离；

所述d1大于所述d2。

P点：转轮的上冠内流道型线进口点与所述转轮的旋转轴心线的垂直交点；

d3：所述P点到所述枯水期转轮的所述叶片出口边型线与下环型线的交点的距离；

d4：所述P点到所述丰水期转轮的所述叶片出口边型线与下环型线的交点的距离；

所述d3小于所述d4。

所述叶片的出口总面积与所述K值正相关，即K值越小，出口总面积越小。

按照本发明提供的一种水轮机采用的主要技术方案为：包括蜗壳、座环、导水机构、转轮和尾水管，其特征在于：所述水轮机安装有丰水期转轮或枯水期转轮，所述枯水期转轮包括上冠和下环以及设置在所述上冠和下环之间沿周向均布的多个叶片，

Qk：枯水期平均流量；

Qr：丰水期水轮机额定流量；

K：Qk与Qr之比，K＝Qk/Qr；

△βc：丰水期转轮与枯水期转轮下环处叶片的出口安放角的差值；

所述△βc与所述K值的关系如下表：

K	0.6～0.7	0.5～0.6	0.4～0.5	0.4以下
					△βc(°)	2～4	4～6	6～8	8以上

△βc与所述K值负相关，即K值越小，△βc越大。

采用本发明提供的转轮和水轮机带来的有益效果为：

当径流式水电站枯水期过机流量大幅减小后，为充分有效利用水资源，提高水轮机偏离设计工况的运行效率，在不改变其他任何已安装的水轮机部件的前提下，用枯水期转轮替换丰水期转轮，可以以最经济的手段实现径流式水电站枯水期机组高效稳定运行；

本发明通过优化转轮内部轴面流道和叶片型线，使转轮水力性能最优区与电站实际运行区吻合，确保在枯水期过机流量大幅减小后，水轮机使用枯水期转轮后的效率、空化及水力稳定性等水力性能有根本改善；

本发明对枯水期转轮下环处叶片出口安放角的优化设计，减少和消除了在枯水期流量工况运行时，转轮下游流道内转轮出口，特别是在靠近下环处因环量过大所引起的能量损失和由此形成的强烈涡带所造成的水流压力脉动(可导致机组运行失稳无法运行)。

附图说明

图1为本发明所述转轮的结构图。

图2为本发明所述转轮中叶片的结构图。

图3为本发明所述转轮中上冠包角的示意图。

图4为本发明所述转轮中下环包角的示意图。

图5为本发明所述转轮的下环处叶片的出口安放角的示意图。

图6为本发明所述的水轮机的结构图。

图7为本发明所述的水轮机中丰水期转轮和枯水期转轮的轴面流道的对比图。

图8为本发明所述的水轮机中丰水期转轮和枯水期转轮的效率比较图。

图9为本发明所述的水轮机丰水期转轮和枯水期转轮的出力比较图。

图10为本发明所述的水轮机丰水期转轮和枯水期转轮在K＝0.55时上冠处的流线分布对比图。

图11为本发明所述的水轮机丰水期转轮和枯水期转轮在K＝0.55时上冠处的压力分布对比图。

图12为本发明所述的水轮机丰水期转轮和枯水期转轮叶片出口面积图对比框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详述：

如图1至图12所示，按照本发明提供的一种适于枯水期运行的混流式转轮的实施例，包括上冠1和下环2以及设置在所述上冠1和下环2之间的多个叶片3，

Qk：枯水期平均流量；

Qr：丰水期水轮机额定流量；

K：Qk与Qr之比，K＝Qk/Qr；

△βc：丰水期转轮与枯水期转轮的下环2处叶片3的出口安放角的差值；

所述△βc与所述K值的关系如下表：

K	0.6～0.7	0.5～0.6	0.4～0.5	0.4以下
					△βc(°)	2～4	4～6	6～8	8以上

△βc与所述K值负相关，即K值越小，△βc越大。

βc：枯水期转轮7上的所述叶片3位于所述下环2处的出口安放角。

为减少和消除在枯水期流量工况运行时，转轮下游流道内因转轮出口，特别是在靠近下环2处环量过大所引起的能量损失和由此形成的强烈涡带所造成的水压脉动(可导致机组运行失稳无法运行)，本发明针对下环2处叶片3出口安放角βc进行了优化设计，我们根据电站枯水期运行的净水头、流量等参数，结合水轮机名义直径与额定转速，确定本发明转轮的最优设计工况点，并且根据最优设计工况点优化转轮下环2处叶片3的出口安放角βc，设计出转轮叶片3几何形状，针对设计好的叶片3形状进行内部流场CFD分析；利用CFD分析结果对叶片3几何形状进一步优化。上述过程不断循环，直至获得满意的设计结果。丰水期转轮10下环处叶片出口安放角一般为15-25°，本发明枯水期转轮7下环处2叶片3出口安放角βc为8-15°，βc正相关于K值，K值越小，βc越小。

在保持水轮机枯水期转轮7与丰水期转轮10外部配合尺寸不变的条件下，为大幅降低水轮机转轮最优运行区过流量而又避免经常出现水轮机组运行时转轮叶片间杂物卡堵现象的发生，本发明采取了加大叶片包角θ和减少叶片数的设计思路。

如图1至图7所示，按照本发明提供的枯水期转轮7，多个所述叶片3呈周向均匀分布，上冠包角θ1：每个所述叶片3的上冠型线31与进口边型线32的交点A、上冠型线31与出口边型线33的交点B、所述转轮中心连接所述交点A和交点B形成的夹角，所述上冠包角θ1为70-110度，可取值为75度、77度、88度、89度、100度。

下环包角θ2：每个所述叶片3的下环型线34与进口边型线32的交点C、下环型线34与出口边型线33的交点D、所述转轮中心连接所述交点C和所述交点D形成的夹角；所述下环包角θ2为50-80度，可取值为55度、57度、62度、64度、77度。

本发明枯水期转轮7上冠包角θ1一般为70-110°，下环包角θ2一般为50-80°，叶片包角θ与K值负相关，K值越小，θ越大。

△Zr：丰水期转轮7与枯水期转轮10上叶片数的差值；

所述△Zr与所述K值的关系如下表：

K	0.6～0.7	0.5～0.6	0.4～0.5	0.4以下
					△Zr(个)	2～3	3～4	4～5	5以上

Zr：枯水期转轮上的叶片数；

Zr与所述K值正相关，即K值越小，Zr越小，所述叶片数Zr为7-11个。

如图6、图7、图12所示，按照本发明提供的适于枯水期运行的混流式转轮，转轮叶片轴面流道由所述叶片3的上冠型线31、进口边型线32、出口边型线33以及下环型线34围成，所述枯水期转轮7的所述轴面流道面积(图7中实线部分)小于所述丰水期转轮10的所述轴面流道面积(图7虚线部分)，在保持枯水期转轮外形尺寸与丰水期转轮的外形尺寸一致的情况下，根据最优设计工况点优化转轮轴面流道。通过对所述枯水期转轮7采取较低的上冠型线31(增加P点到B点的距离)、较高的下环型线34(减小P点到D点的距离)、将叶片3出水边33与下环型线34的交点D向叶片3进水边32的方向移动等缩短出水边33高度的技术手段，使得本发明中枯水期转轮7的叶片轴面流道型线与丰水期转轮10的叶片轴面流道型线相比发生明显变化，提高了转轮轴面流道的收缩率，减小叶片出口总面积(叶片出口面积35与叶片数Zr的乘积)，所述叶片的出口总面积与所述K值正相关，即K值越小，出口总面积越小，可以有效确保在枯水期过机流量大幅减小后，水轮机的效率、空化及水力稳定性等水力性能有根本改善。

利用内部流场CFD分析方法经过大量计算，得到适于丰水期和枯水期两种时期不同流量的转轮叶片3，并且计算了转轮在丰水期和枯水期的工作效率、出力比较、K值在0.55时转轮的内部流场。计算结果如图8和图9所示，在丰水期转轮10额定流量的70％(K＝0.7)以下部分，枯水期转轮7显示出明显的效率优势，枯水期相对流量(K值)越小，差别越大；由于枯水期转轮7的水力效率逐渐高于丰水期转轮10，因此在相同流量下，出力也逐渐大于丰水期转轮10，相对流量(K值)越小，差别越大。图10为本发明所述的水轮机丰水期转轮10和枯水期转轮7在K＝0.55时上冠处的流线分布对比图,当枯水期流量大幅减小后，由于大部分水流从转轮靠近下环处流出，使过于宽敞的丰水期转轮10流道在上冠处两叶片间产生漩涡、流动分离和二次回流的现象。枯水期转轮7通过改变叶片轴面流道、重新设计叶片型线，使转轮的设计参数与枯水期的变化参数相吻合，从而表现出流动顺畅的流场。图11为本发明所述的水轮机丰水期转轮10和枯水期转轮7在K＝0.55时上冠处的压力分布对比图,当枯水期流量大幅减小后，在丰水期转轮10上冠处两叶片间产生漩涡，图中压力最低点即为漩涡中心。枯水期转轮7通过改变叶片轴面流道、重新设计叶片型线，使转轮的设计参数与枯水期的变化参数相吻合，从而消除了漩涡，改善了流场，表现出非常均匀的压力分布。

如图6至图12所示，按照本发明还提供一种水轮机的实施例，包括蜗壳4、座环8、导水机构5、转轮和尾水管6，所述水轮机安装有适于丰水期的丰水期转轮10或适于枯水期的枯水期转轮7，所述枯水期转轮7为上述实施例的转轮。本发明的水轮机根据河流在丰水期和枯水期不同过机流量的情况下，尤其是确保在枯水期过机流量大幅减小后，可以使水轮机的效率、空化及水力稳定性等水力性能有根本改善；为了达到上述目的，在不改变其他任何已安装的水轮机部件的情况下，仅仅更换转轮实现水轮机在丰水期和枯水期运行，即以最小的设备投资，从根本上解决了由于偏离设计工况太多所带来的水力资源低效利用和振动失稳等问题，提高了电站效益。

如图1和图6所示，按照本发明提供的水轮机，所配备的丰水期转轮10和枯水期转轮7具有完全相同的外部配合尺寸。

Claims (8)

1.一种适于枯水期运行的混流式转轮，包括上冠和下环以及设置在所述上冠和下环之间沿周向均布的多个叶片，其特征在于：

Qk：枯水期平均流量；

Qr：丰水期水轮机额定流量；

K：Qk与Qr之比，K＝Qk/Qr；

△βc：丰水期转轮与枯水期转轮下环处叶片的出口安放角的差值；

所述△βc与所述K值的关系如下表：

K 0.6～0.7 0.5～0.6 0.4～0.5 0.4以下 △βc(°) 2～4 4～6 6～8 8以上

△βc与所述K值负相关，即K值越小，△βc越大。

2.如权利要求1所述的适于枯水期运行的混流式转轮，其特征在于：

βc：所述枯水期转轮下环处叶片的出口安放角；

所述βc与所述K值正相关，即所述K值越小，所述βc越小。所述枯水期转轮叶片出口安放角βc为8°≤βc＜15°。

3.如权利要求1所述的适于枯水期运行的混流式转轮，其特征在于：多个所述叶片呈周向均匀布置，

上冠包角：每个所述叶片的上冠型线与进口边型线的交点A、上冠型线与出口边型线的交点B、所述转轮中心连接所述交点A和交点B形成的夹角；

下环包角：每个所述叶片的下环型线与进口边型线的交点C、下环型线与出口边型线的交点D、所述转轮中心连接所述交点C和所述交点D形成的夹角；

所述枯水期转轮的上冠包角为70-110度，所述枯水期转轮的下环包角为50-80度。

4.如权利要求1所述的适于枯水期运行的混流式转轮，其特征在于：转轮叶片轴面流道由所述叶片的上冠型线、进口边型线、出口边型线以及下环型线围成，所述枯水期转轮叶片的轴面流道面积小于所述丰水期转轮叶片的轴面流道面积。

5.如权利要求1所述的适于枯水期运行的混流式转轮，其特征在于：

P点：转轮的上冠内流道型线进口点与所述转轮的旋转轴心线的垂直交点；

d1：所述P点到所述枯水期转轮的所述叶片出口边型线与上冠型线的交点的距离；

d2：所述P点到所述丰水期转轮的所述叶片出口边型线与上冠型线的交点的距离；

所述d1大于所述d2。

6.如权利要求1所述的适于枯水期运行的混流式转轮，其特征在于：

P点：转轮的上冠内流道型线进口点与所述转轮的旋转轴心线的垂直交点；

d3：所述P点到所述枯水期转轮的所述叶片出口边型线与下环型线的交点的距离；

d4：所述P点到所述丰水期转轮的所述叶片出口边型线与下环型线的交点的距离；

所述d3小于所述d4。

7.如权利要求1所述的适于枯水期运行的混流式转轮，其特征在于：所述叶片的出口总面积与所述K值正相关，即K值越小，出口总面积越小。

8.一种水轮机，包括蜗壳、座环、导水机构、转轮和尾水管，其特征在于：所述水轮机安装有丰水期转轮或枯水期转轮，所述枯水期转轮为权利要求1-7任一项所述的适于枯水期运行的混流式转轮。