CN104791172A - 双向分流的混流式水泵水轮机叶片空间位置的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双向分流的混流式水泵水轮机叶片空间位置确定方法，通过对长叶片和短叶片相关位置进出口直径、短叶片偏置位置等参数进行优化，可以使水泵水轮机转轮具有双向分流的功能，从而使水泵水轮机无叶区压力脉动大大降低，并大大改善水轮机工况下转轮进口的空化性能。

Description

双向分流的混流式水泵水轮机叶片空间位置的确定方法

技术领域：本发明涉及一种双向分流的混流式水泵水轮机叶片空间位置的确定方法。

背景技术：在我国，为了保证电力系统的有效运行，近年来建设了大量抽水蓄能电站。抽水蓄能电站装机容量很大，对解决电网“削峰填谷”的问题上起到重要的作用，从而帮助大容量的火力发电厂、核电站及风电场更经济地运行。此外，抽水蓄能电站能显著提高电力系统的稳定性，并通过各种辅助服务保证电网很高的电力质量。未来抽水蓄能电站无疑将继续在电力系统的组成中占据重要的地位。为了提高抽水蓄能电站的整体经济性，抽水蓄能电站中的水泵水轮机逐渐向高水头、高转速和大容量机组发展。但是，这样电站的水泵水轮机转轮由于其比转速低，提高其水力稳定性及其它性能会存在一系列难以解决的问题。低比转速水泵水轮机转轮由于其导叶相对高度较低，水轮机工况下转轮进口流速偏高，导致在水轮机工况下转轮进口出现强烈的动静干涉现象，从而造成无叶区压力脉动的大幅增加，影响水泵水轮机的水力稳定性；较高的流速也导致水轮机工况转轮进口发生高强度的空化，从而影响机组的寿命和安全稳定性；同时由于低比转速水泵水轮机直径偏大，导致其圆盘损失增大，使得水泵水轮机的效率降低很多。在这样的电站中，若使用常规的水泵水轮机转轮，不仅转轮效率水平偏低，而且还会给机组运行带来诸多的水力不稳定性问题。

发明内容：本发明通过对双向分流的混流式水泵水轮机转轮的优化设计，降低水泵水轮机无叶区压力脉动水平，改善超高水头、超大容量水泵水轮机的水轮机工况叶片进口空化问题。本发明的技术方案为：.

1)确定长短叶片双向分流位置：短叶片(1)水轮机方向出水边(2)与转轮下环(3)交点处直径D_S2和长叶片(4)水轮机方向出水边(5)与转轮下环(3)交点处直径D_L2的比值：D_S2/D_L2＝0.5～1；短叶片(1)水轮机方向进水边(6)与转轮下环(3)交点处直径D_S1和长叶片(4)水轮机方向进水边(7)与转轮下环(3)交点处直径D_L1的比值：D_S1/D_L1＝1～1.05；或长叶片(4)水轮机方向进水边(7)与转轮下环(3)交点处直径D_L1和短叶片(1)水轮机方向进水边(6)与转轮下环(3)交点处直径D_S1的比值：D_L1/D_S1＝1～1.05；

2)确定短叶片偏置角度：转轮流道内部压力梯度与速度梯度的关系如下式所示：

$\frac{\∂p}{\∂n}=\mathrm{\ρ}({\mathrm{\ω}}^{w}R\cos \mathrm{\β}-w\frac{\∂w}{\∂n})$

式中，p为压力，n为法向，ρ为流体密度，R为流体微团到圆心的距离，ω为旋转角速度，β为流线方向与周线相反方向的夹角，w为相对速度；根据公式，短叶片相对其中间位置偏置角度Δθ与叶片圆周分布角θ的比值：Δθ/θ＝-0.3～0.3,其中，负号表示短叶片俯视顺时针方向偏置,θ＝360/Z,，Z为叶片数；

3)确定叶片水轮机方向进水边与转轮上冠交点位置：短叶片(1)水轮机方向进水边(6)与转轮上冠(8)交点处直径D_S1’和短叶片(1)水轮机方向进水边(6)与转轮下环(3)交点处直径D_S1的比值：D_S1’/D_S1＝0.95～1；长叶片(4)水轮机方向进水边(7)与转轮上冠(8)交点处直径D_L1’和长叶片(4)水轮机方向进水边(7)与转轮下环(3)交点处直径D_L1的比值：D_L1’/D_L1＝0.95～1；

4)确定双向分流的混流式水泵水轮机转轮适用叶片数：3枚长叶片3枚短叶片，4枚长叶片4枚短叶片，5枚长叶片5枚短叶片，6枚长叶片6枚短叶片，7枚长叶片7枚短叶片

技术效果：如图1，图2所示，通过在混流式水泵水轮机转轮进出口不同大小的圆周直径上设计若干交错布置的长短叶片，在水泵水轮机运行时同时对转轮进口和出口的水流流态进行分流，从而达到改善转轮内部流态，提高转轮水力稳定性，提高转轮空化性能和水力性能的目的。以水轮机工况为例，当水流流经转轮时，首先进入转轮进口短叶片之间的流道内，随着水流流动的不断深入，水流流态不断发生变化甚至紊乱，当水流经过短叶片之间的长叶片头部时，长叶片对水流进行第一次分流，使得水流流态更加合理顺畅，从而提高转轮进口水力稳定性；当水流将要流出转轮出口时，在长叶片之间的短叶片承担了分流叶片的作用，从而对转轮出口水流进行了第二次的分流，进一步提高水流流态的稳定性。承担分流任务(水轮机工况)的叶片在转轮进出口可以分别是长叶片和短叶片，也可以仅仅是短叶片。同时，水泵工况叶片对水流的分流也是以上同样的原理。由于叶片在水轮机工况和水泵工况都对转轮进口和出口的水流进行了分流，故而称之为“双向分流”。

水轮机工况下，若转轮长短叶片进口直径相同的情况下，通过分析图3短叶片正向偏置时水泵水轮机无叶区水轮机额定工况压力脉动时域波形图、图4短叶片居中时水泵水轮机无叶区水轮机额定工况压力脉动时域波形图可知，在水轮机额定工况附近，无叶区压力脉动的主要来源主要为长叶片与活动导叶的动静干涉引起。在水泵水轮机长短叶片转轮设计中，若减小长叶片进口直径，使得长叶片在转轮进口承担分流任务，从而增大长叶片进口与活动导叶尾部的距离，使得叶片与活动导叶的动静干涉大为减轻，从而大大降低水轮机额定工况无叶区的压力脉动。

短叶片通过偏置合理的角度来控制转轮流道内的压力分布，消除或削弱流道内的脱流、回流和二次流等不稳定现象，从而进一步提高转轮的水力稳定性。转轮流道内部压力梯度与速度梯度的关系如式(1)所示：

$\frac{\∂p}{\∂n}=\mathrm{\ρ}({\mathrm{\ω}}^{w}R\cos \mathrm{\β}-w\frac{\∂w}{\∂n})---\left(1\right)$

式(1)中，p为压力，n为法向，ρ为流体密度，R为流体微团到圆心的距离，ω为旋转角速度，β为流线方向与周线相反方向的夹角，w为相对速度。由式(1)可知，通过短叶片相对其中间位置偏置适当的角度Δθ，可以改变流道内速度梯度的大小，进而使得压力梯度的值变得最小，从而大大削弱转轮内部脱流、回流和二次流不稳定现象，大大提高转轮的水力稳定性。

叶片进水边(水轮机方向)与转轮上冠交点位置对无叶区压力脉动测量值具有较为直接的影响。由于水泵水轮机无叶区压力脉动测点一般布置在顶盖上，减小叶片进水边(水轮机方向)与转轮上冠交点处直径的大小，可以加大此处叶片与导叶尾部的距离，从而减轻叶片与活动导叶的动静干涉现象，使得此处无叶区压力脉动测量值大幅降低，大大提高了水泵水轮机的运行稳定性。同时由于叶片进水边(水轮机方向)与转轮上冠交点处直径减小，可以有效降低转轮的圆盘摩擦损失，从而大大提高转轮的水力效率。

按照本发明，设计合理的双向分流的混流式水泵水轮机转轮与常规叶片的水泵水轮机转轮相比，无叶区压力脉动大幅降低，水轮机工况叶片进口空化得到有效改善。无叶区压力脉动的改善效果如图5双向分流与常规水泵水轮机无叶区水轮机工况压力脉动比较图、图6双向分流与常规水泵水轮机无叶区水泵工况压力脉动比较图所示。水轮机工况叶片进口空化改善效果如图7常规水泵水轮机水轮机工况综合特性曲线图、图8双向分流的水泵水轮机水轮机工况综合特性曲线图所示。

附图说明：

图1双向分流的混流式水泵水轮机叶片平面结构示意图

图2双向分流的混流式水泵水轮机叶片轴面结构示意图

图3短叶片正向偏置时水泵水轮机无叶区水轮机额定工况压力脉动时域波形图

图4短叶片居中时水泵水轮机无叶区水轮机额定工况压力脉动时域波形图

图5双向分流与常规水泵水轮机无叶区水轮机工况压力脉动比较图

图6双向分流与常规水泵水轮机无叶区水泵工况压力脉动比较图

图7常规水泵水轮机水轮机工况综合特性曲线图

图8双向分流的水泵水轮机水轮机工况综合特性曲线图

具体实施方式：

如图1，图2所示，短叶片1水轮机方向出水边2与转轮下环3交点处直径DS2和长叶片(4)水轮机方向出水边5与转轮下环3交点处直径DL2的比值：DS2/DL2＝0.5～1，使得短叶片在水轮机出口方向承担分流任务；短叶片1水轮机方向进水边6与转轮下环3交点处直径DS1和长叶片4水轮机方向进水边7与转轮下环3交点处直径DL1的比值：DS1/DL1＝1～1.05，此时长叶片在水轮机进口承担分流任务；或长叶片4水轮机方向进水边7与转轮下环3交点处直径DL1和短叶片1水轮机方向进水边6与转轮下环3交点处直径DS1的比值：DL1/DS1＝1～1.05，此时短叶片在水轮机进口承担分流任务。

如图1所示，短叶片相对其中间位置偏置角度Δθ与叶片圆周分布角θ的比值：Δθ/θ＝-0.3～0.3,其中，负号表示短叶片俯视顺时针方向偏置,θ＝360/Z,，Z为叶片数。针对不同叶片数的双向分流式转轮，短叶片相对其中间位置偏置角度Δθ的具体大小通过CFD计算流体动力学进行数值模拟，首先保证Δθ值的大小不对水泵工况和水轮机工况的能量性能产生不利影响，其次再通过CFD非定常数值模拟的方法进一步评估短叶片偏置对水泵水轮机压力脉动的影响，最终通过模型试验确定Δθ值的大小。

如图2所示，AB、EF为水泵水轮机叶片高压边在轴面的投影曲线，CD、GH为水泵水轮机叶片低压边在轴面的投影曲线，短叶片1水轮机方向进水边6与转轮上冠8交点处直径DS1’和短叶片(1)水轮机方向进水边6与转轮下环3交点处直径DS1的比值：DS1’/DS1＝0.95～1；长叶片4水轮机方向进水边7与转轮上冠8交点处直径DL1’和长叶片(4)水轮机方向进水边7与转轮下环3交点处直径DL1的比值：DL1’/DL1＝0.95～1。DS1’、DL1’大小也通过CFD数值模拟和模型试验相结合的方法进行确定。

如图3、图4所示，横坐标t为时间，纵坐标A为振幅。通过对短叶片在不同位置时，对水泵水轮机无叶区水轮机额定工况压力脉动时域波形图进行滤波分析，可以判定在水轮机额定工况，长叶片对无叶区压力脉动大小起着决定作用，为减小水轮机额定工况无叶区压力脉动，长叶片水轮机工况进口位置需要仔细分析确定。

如图5所示，横坐标为单位流量Q₁₁，其中，Q为流量，D为转轮直径，H为水头；纵坐标为压力脉动相对幅值ΔH/H；图中曲线9为常规水泵水轮机水轮机工况无叶区压力脉动曲线，曲线10为双向分流的水泵水轮机水轮机工况无叶区压力脉动曲线。由图5可知，相对常规水泵水轮机，双向分流的水泵水轮机水轮机工况无叶区压力脉动得到大幅降低。

如图6所示，横坐标为模型实际流量Q_m，纵坐标为压力脉动相对幅值ΔH/H；图中曲线11为常规水泵水轮机水泵工况无叶区压力脉动曲线，曲线12为双向分流的水泵水轮机水泵工况无叶区压力脉动曲线。由图6可知，相对常规水泵水轮机，双向分流的水泵水轮机水泵工况无叶区压力脉动也得到大幅降低。

如图7，图8所示，横坐标为单位流量Q₁₁，纵坐标为单位转速n₁₁，其中，n为转速，D为转轮直径，H为水头。图7中线13为常规水泵水轮机水轮机工况叶片头部正面脱流线，图7中14为常规水泵水轮机水轮机工况运行范围；图8中线15为双向分流水泵水轮机水轮机工况叶片头部正面脱流线，图8中16为双向分流水泵水轮机水轮机工况运行范围。由图7、图8对比可以看出，常规水泵水轮机水轮机工况叶片头部正面脱流线在水轮机运行范围之内，而双向分流的水轮机工况叶片头部正面脱流线在水轮机运行范围之外，双向分流的水泵水轮机水轮机工况叶片头部空化性能得到明显提高。

Claims (1)

1.一种双向分流的混流式水泵水轮机叶片空间位置确定方法，其特征是：

1)确定长短叶片双向分流位置：短叶片(1)水轮机方向出水边(2)与转轮下环(3)交点处直径DS2和长叶片(4)水轮机方向出水边(5)与转轮下环(3)交点处直径DL2的比值：DS2/DL2＝0.5～1；短叶片(1)水轮机方向进水边(6)与转轮下环(3)交点处直径DS1和长叶片(4)水轮机方向进水边(7)与转轮下环(3)交点处直径DL1的比值：DS1/DL1＝1～1.05；或长叶片(4)水轮机方向进水边(7)与转轮下环(3)交点处直径DL1和短叶片(1)水轮机方向进水边(6)与转轮下环(3)交点处直径DS1的比值：DL1/DS1＝1～1.05；

2)确定短叶片偏置角度：转轮流道内部压力梯度与速度梯度的关系如下式所示：

$\frac{\∂p}{\∂n}=\mathrm{\ρ}({\mathrm{\ω}}^{2}R\cos \mathrm{\β}-w\frac{\∂w}{\∂n})$

式中，p为压力，n为法向，ρ为流体密度，R为流体微团到圆心的距离，ω为旋转角速度，β为流线方向与周线相反方向的夹角，w为相对速度；根据公式，短叶片相对其中间位置偏置角度Δθ与叶片圆周分布角θ的比值：Δθ/θ＝-0.3～0.3,其中，负号表示短叶片俯视顺时针方向偏置,θ＝360/Z,，Z为叶片数；

3)确定叶片水轮机方向进水边与转轮上冠交点位置：短叶片(1)水轮机方向进水边(6)与转轮上冠(8)交点处直径DS1’和短叶片(1)水轮机方向进水边(6)与转轮下环(3)交点处直径DS1的比值：DS1’/DS1＝0.95～1；长叶片(4)水轮机方向进水边(7)与转轮上冠(8)交点处直径DL1’和长叶片(4)水轮机方向进水边(7)与转轮下环(3)交点处直径DL1的比值：DL1’/DL1＝0.95～1；

4)确定双向分流的混流式水泵水轮机转轮适用叶片数：3枚长叶片3枚短叶片，4枚长叶片4枚短叶片，5枚长叶片5枚短叶片，6枚长叶片6枚短叶片，7枚长叶片7枚短叶片。