CN104699888B - 一种基于水泵水轮机的液力透平设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于水泵水轮机的液力透平设计方法，所述液力透平转轮的直径根据水泵水轮机全特性曲线高效运行区单位转速和单位流量相似得到，所述液力透平的转轮是基于水泵水轮机叶轮按照中间流面分割并进行背靠背式叶片水力变换得到，所述液力透平导叶的开度是依据水泵水轮机全特性曲线中对应工况点的活动导叶开度进行设置，所述的蜗壳水力模型基圆为液力透平外径的1.2～1.6倍，所述液力透平出水管水力模型是根据双吸泵双吸结构进水管设计以及优化得到。本发明的优点在于：不但可以保证设计液力透平具有较高水力效率，而且还可以使该液力透平具有较宽的高效运行区，同时该液力透平继承了水泵水轮机的优点，启动迅速，运行稳定性好。
Description
技术领域
本发明属于流体机械及工程技术领域，特别是涉及一种背靠背式叶片的液力透平设计方法，尤其涉及一种基于水泵水轮机的液力透平设计方法。
背景技术
液力透平能有效的利用余压能转变成动能等机械能，达到节约能源，提高经济效益的目的。目前国内普遍使用的液力透平以的反转泵为主，不仅运行效率偏低，而且高效区相对较窄，启动过程耗费时间长，运行工况不稳定，制约了能量回收工程领域的发展。因此，工程上也需要发展一种新型的液力透平，提高整机效率、运行稳定性、拓宽高效运行区以及提高液力透平的运行稳定性。
例如：文献《能量回收液力透平的研究现状及展望》对目前国内外已有液力透平设计方法进行了总结，其中尚无关于本方法涉及的设计方法。文献《能量回收液力透平开发设计》公开了一种通过反转泵设计方法设计的液力透平水力部件效率约为84％，运行效率偏低，而且高效区相对较窄，启动过程耗费时间长，运行工况不稳定。
CN201110439235文献公开了一种径流式液力透平优化设计方法，与本方法区别在于其为优化已有迳流水力部件，而本方法主要针对原始水力部件设计。
CN201110317836.0文献公开了一种液力透平叶轮，与本方法区别在于其为通过对于反转泵叶轮优化后设计的新叶轮，而方法主要为水力部件的设计方法，而非某种具体叶轮。且实施例运行效率偏低，而且高效区相对较窄，启动过程耗费时间长，运行工况不稳定。
上述文献均未公开一种基于水泵水轮机的液力透平设计方法，而且也没有得到本发明的技术启示。
主要技术内容
为了克服现有液力透平设计方法的运行效率偏低、高效区相对较窄、启动过程耗费时间长、运行工况不稳定等方面的不足，本发明提出了一种基于水泵水轮机的液力透平设计方法。本发明以水泵水轮机的性能为依据，进行背靠背式液力透平的设计。不但可以保证设计的液力透平具有较高的水力效率，而且还可以使该液力透平具有较宽的高效运行区，同时该液力透平继承了水泵水轮机的优点，启动迅速，运行稳定性好。
本发明的技术方案是：一种基于水泵水轮机的液力透平设计方法，设计的液力透平由背靠背式叶轮、导叶、蜗壳以及双吸式出水管组成，所述各部件按照蜗壳、导叶、叶轮、出水管依次连接，其各部件设计方法包括以下步骤：
(1)选用模型水泵水轮机的模型，利用通用水泵水轮机模型试验台完成水轮机工况活动导叶不同开度下的性能测试，水泵水轮机的水头H由水泵水轮机进、出口压力差测量获得，输出功率P可由测功电机完成测量，流量Q可由水泵水轮机进口管路上安装的电磁流量计测出，由此可以计算出水泵水轮机在不同工况点的水力效率η＝P/(ρgQH)，其中ρ：水的密度，g：重力加速度；
(2)完成不同开度下的特性曲线绘制，绘制不同开度下的单位转速-单位流量曲线并在n11-Q11曲线中做出水力效率等值线，其中D2为模型水泵水轮机转轮直径；
(3)选取液力透平工作时转速为ny；
(4)根据n11-Q11曲线中的最优效率点的单位转速n11，已知液力透平的设计水头，根据相似定律，通过公式计算得到液力透平叶轮对应的公称直径D2y，其中Hd为液力透平设计水头；
(5)利用求解得到的D2y根据液力透平的设计流量Qd通过单位流量计算公式计算得到液力透平的单位流量Q11y；
(6)判断液力透平的工况点(n11，Q11y)是否在水泵水轮机特性曲线的高效区，如果计算得到的工况点偏离水泵水轮机的高效区，则返回第(3)步，直至液力透平工况点计算出的单位转速和单位流量处于水泵水轮机特性曲线的高效区；
(7)对模型水泵水轮机的几何参数进行缩放，使其公称直径D2＝D2y；
(8)在缩放后的水泵水轮机转轮轴面图上做出中间流线；
(9)利用中间流线回转形成的回转面分割删除转轮中靠近轮毂的部分水力区域；
(10)对水泵水轮机转轮剩余部分以导叶中间平面为对称面进行镜像处理，并优化转轮内部结构，使其变成背靠背式叶轮；
(11)对于液力透平的导叶部件，去除已有模型水泵水轮机的固定导叶部件，仅保留水泵水轮机的活动导叶部件，对应工况点的取值以单位转速和单位流量为参数，其开度与液力透平额定工况点在水泵水轮机特性曲线上对应的开度一致，同时保持已有模型水泵水轮机的涡壳断面形状不变，减小液力透平的蜗壳水力模型基圆至叶轮入口直径的约为1.2～1.6倍，优选1.35倍。
(12)按照双吸泵出口管设计方法设计液力透平的出口管路并进行水力优化。
本发明的优点是：本发明提出的一种基于水泵水轮机的液力透平设计方法，不但可以保证液力透平的水力效率高于目前通用反转泵，继承水泵水轮机的启动迅速特性，大大降低了轴向力，摆脱了推力轴承对转速的限制，而且设计出的液力透平运行稳定能承受系统运行参数的小幅度波动。该液力透平设计方法在能量回收工程领域具有推广价值。
附图说明
图1为一种基于水泵水轮机的液力透平设计方法的流程图。
图2为本发明实施例水泵水轮机模型的试验性能曲线。
图3为本发明实施例液力透平的叶轮木模图。
图4为本发明实施例液力透平的三维结构图。
图5为本发明实施例液力透平的性能曲线。
图6为比较例液力透平的性能曲线。
具体实施方式
实施例1：
本实施例基于水泵水轮机的液力透平设计方法流程图如图1所示，包括如下步骤。
(1)液力透平设计参数：设计流量Qd＝3170m3/h，设计水头Hd＝281m。选用已有的模型水泵水轮机，利用通用水泵水轮机模型试验台完成水轮机工况活动导叶不同开度下的性能测试。水泵水轮机的水头H由水泵水轮机进、出口压力差测量获得，输出功率P可由测功电机完成测量。流量Q可由水泵水轮机进口管路上安装的电磁流量计测出。由此可以计算出水泵水轮机在不同工况点的水力效率η＝P/(ρgQH)。
(2)完成不同开度下的特性曲线绘制，绘制不同开度下的n11-Q11曲线，其中并在n11-Q11曲线中做出水力效率等值线，如图2所示。
(3)选取液力透平工作时转速为ny＝3000rpm。
(4)根据n11-Q11曲线中的最优效率点的单位转速n11＝54rpm，通过计算并取整得到液力透平转轮对应的公称直径D2y＝0.3m。
(5)由公式计算得到液力透平的单位流量Q11y＝583.3L/s。该工况点对应水泵水轮机活动导叶的开度为17°。
(6)判断液力透平对应的工况点(n11，Q11y)是否在水泵水轮机特性曲线的高效区。如果计算得到的工况点偏离水泵水轮机的高效区，则返回第3步，直至液力透平工况点计算出的单位转速和单位流量处于水泵水轮机特性曲线的高效区。
(7)缩放水泵水轮机的三维模型，使其公称直径D2＝D2y＝0.3m。
(8)在水泵水轮机转轮轴面图上做出中间流线。
(9)利用中间流线回转形成的回转面分割删除转轮中靠近轮毂的部分水力区域。
(10)对水泵水轮机转轮进行镜像处理，并优化转轮内部结构，使其变成背靠背式叶轮。
(11)去除固定导叶，保留活动导叶并且其开度与液力透平额定工况点在水泵水轮机特性曲线上对应的开度一致，同时保持涡壳断面形状不变，减小涡壳的基圆至液力透平叶轮进口直径的1.2～1.6倍，本例选1.31倍。
(12)按照双吸泵出口管设计方法设计液力透平的出口管路。
设计水力模型几何结果如表1所示：
表1：实施例水力模型几何参数
设计水力模型各项性能指标如表2所示：
表2：实施例水力模型性能参数
按照液力透平的设计结果，分别绘制液力透平叶轮的木模图如图3所示，本实施例液力透平的三维水力图如图4所示，本实施例设计的液力透平其性能曲线如图5所示。
从本实施例液力透平的性能曲线(图5所示)上额定工况点的位置可以看出，该额定工况点处于高效区且高效区范围较宽，保证了机组在流量波动情况下机组的高效运行。流量与水头呈现一一对应关系，保证了机组运行时的稳定性。液力透平机组额定工况点的效率为92.5％，与原水泵水轮机对应工况点的效率相同，该设计方法不会改变机组的运行效率。
比较例：
文献《能量回收液力透平开发设计》通过反转泵设计方法设计，采用单级双吸式的液力透平水力部件，
其设计水力模型几何结果如表3所示：
表3：比较例水力模型几何参数
其设计水力模型各项性能指标如表4所示：
表4：比较例水力模型性能参数
对比比较例与本发明实施例1，比较例给定的额定效率点为84％，而本发明实施例额定效率达到92.5％，大大提高了液力透平机组运行效率。对比图5与图6，本发明实施例对比比较例，本发明实施例使液力透平具有较宽的高效运行区，同时继承了水泵水轮机的优点，运行稳定性好。
Claims (4)
1.一种基于水泵水轮机的液力透平设计方法，设计的液力透平由背靠背式叶轮、导叶、蜗壳以及双吸式出水管组成，各部件按照蜗壳、导叶、叶轮、出水管依次连接，其特征在于，设计方法包括以下步骤：
(1)选用模型水泵水轮机的模型，利用通用水泵水轮机模型试验台完成水轮机工况活动导叶不同开度下的性能测试，水泵水轮机的水头H由水泵水轮机进、出口压力差测量获得，输出功率P可由测功电机完成测量，流量Q可由水泵水轮机进口管路上安装的电磁流量计测出，由此可以计算出水泵水轮机在不同工况点的水力效率η＝P/(ρgQH)，其中ρ：水的密度，g：重力加速度；
(2)完成不同开度下的特性曲线绘制，绘制不同开度下的单位转速单位流量曲线并在n11-Q11曲线中做出水力效率等值线，其中D2为模型水泵水轮机转轮直径；
(3)选取液力透平工作时转速为ny；
(4)根据n11-Q11曲线中的最优效率点的单位转速n11，已知液力透平的设计水头，根据相似定律，通过公式计算得到液力透平转轮对应的公称直径D2y，其中Hd为液力透平设计水头；
(5)利用求解得到的D2y根据液力透平的设计流量Qd通过单位流量计算公式计算得到液力透平的单位流量Q11y；
(6)判断液力透平的工况点(n11，Q11y)是否在水泵水轮机特性曲线的高效区，如果计算得到的工况点偏离水泵水轮机特性曲线的高效区，则返回第(3)步，直至液力透平工况点计算出的单位转速和单位流量处于水泵水轮机特性曲线的高效区；
(7)对模型水泵水轮机的几何参数进行缩放，使其模型水泵水轮机转轮直径D2＝D2y；
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(12)按照双吸泵出口管设计方法设计液力透平的出口管路并进行水力优化。
2.如权利要求1所述的基于水泵水轮机的液力透平设计方法，其特征在于：所述的液力透平转轮对应的公称直径是根据相似设计按照单位转速和单位流量位于水泵水轮机特性曲线的高效运行区计算得到。
3.如权利要求1所述的基于水泵水轮机的液力透平设计方法，其特征在于：所述的液力透平的背靠背式叶轮是基于水泵水轮机转轮按照中间流面分割并进行背靠背式叶片水力变换获得的。
4.如权利要求1所述的基于水泵水轮机的液力透平设计方法，其特征在于：所述液力透平的蜗壳水力模型基圆直径为液力透平叶轮入口直径的1.2～1.6倍。
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