CN107143455A - 一种减轻混流式水泵水轮机无叶区压力脉动危害的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种减轻混流式水泵水轮机无叶区压力脉动危害的方法，其特征在于，包括对混流式水泵水轮机所做的以下两方面的优化：1)将混流式水泵水轮机转轮高压侧叶片倾斜布置，使叶片的进水边骨线与轴线方向的夹角Φ不小于15°；2)在保证混流式水泵水轮机转轮及其叶片刚强度要求的基础上再增加2～3个叶片，其目的是减小转轮高压侧叶道间距，以缩小脱流漩涡的发展空间。

Description

一种减轻混流式水泵水轮机无叶区压力脉动危害的方法
技术领域
本发明涉及一种减轻混流式水泵水轮机无叶区压力脉动危害的方法，属于水力机械和抽水蓄能技术领域。
背景技术
在抽水蓄能电站水泵水轮机的运行中，常遇到各种压力脉动导致的水力不稳定问题，“无叶区压力脉动”是其中之一，比常规水轮机严重得多。所谓的“无叶区压力脉动”是指发生在活动导叶和转轮之间的压力脉动，其特点是幅值大，频率高，是混流式水泵水轮机面临的主要稳定性威胁，甚至会导致严重的机组振动和厂房振动。
现代的大型抽水蓄能电站多采用抽水与发电同机的可逆混流式水泵水轮机，既可以抽水时在水泵工况运行，也可以发电时在水轮机工况运行。可逆混流式水泵水轮机与常规的离心泵不同，其设置有导水机构，导水机构包括活动导叶和固定导叶。与常规水轮机不同，可逆混流式水泵水轮机无叶区压力脉动幅值远大于尾水管涡带压力脉动，尤其是在水轮机空载和部分负荷工况以及水泵0流量工况，个别水泵水轮机模型无叶区压力脉动的相对幅值甚至超过90％，这对于水头(或扬程)高达300m～700m的抽水蓄能电站来说，是非常大的不稳定问题，引起国内外高度重视。
但是，由于常规水电站遇到的大量稳定性问题多发生在尾水管，涡带压力脉动是主要危害源，对发生在活动导叶和转轮之间无叶区的压力脉动关注较少，了解不深入，甚至不太清楚其来源及传播方式，对旋转的转轮叶片和静止的活动导叶之间的动静干涉更知之甚少，因此很难提出行之有效的减轻措施。
因此，有必要研究混流式水泵水轮机转轮和活动导叶间无叶区压力脉动的产生机理，并在此基础上提出减小混流式水泵水轮机无叶区压力脉动危害的方法，以减轻其对抽水蓄能电站安全稳定运行的危害。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种减轻混流式水泵水轮机无叶区压力脉动危害的方法，该方法是在研究清楚无叶区压力脉动产生原因的基础上提出的，能够有效减轻其对抽水蓄能电站运行稳定性的危害，减小机组振动及厂房振动。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种减轻混流式水泵水轮机无叶区压力脉动危害的方法，其特征在于，包括对混流式水泵水轮机所做的以下两方面的优化：1)将混流式水泵水轮机转轮高压侧叶片倾斜布置，使叶片的进水边骨线与轴线方向的夹角Φ不小于15°；2)在保证混流式水泵水轮机转轮及其叶片刚强度要求的基础上再增加2～3个叶片，其目的是减小转轮高压侧叶道间距，以缩小脱流漩涡的发展空间。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明是在弄清混流式水泵水轮机无叶区压力脉动产生原因及转轮叶片和活动导叶之间动静干涉方式的基础上形成的，所提设计方法有很强理论基础，可做到有的放矢。2、本发明提出的减轻无叶区压力脉动的设计措施基于对已运行抽水蓄能电站水泵水轮机不同设计方式及相应运行效果的经验总结，理论联系实际。3、设计方法及步骤简单明了，可操作性强。
附图说明
图1是混流式水泵水轮机转轮高压侧叶片倾斜布置示意图；图中：1为转轮上冠，2为下环，3为转轮叶片，4为叶片水轮机工况进水边轮廓线，D1为转轮高压侧直径，D2为转轮低压侧直径，B0为活动导叶高度。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提出了一种减轻水泵水轮机无叶区压力脉动危害的方法，其包括对水泵水轮机所做的以下两个方面的优化：
1)如图1所示，将混流式水泵水轮机转轮高压侧(水轮机工况进水边，水泵工况出水边)叶片3倾斜布置，使叶片3的进水边骨线4与轴线方向的夹角Φ不小于15°，其技术效果是可以把不同高度水轮机工况叶片进水边脱流漩涡分散在不同的径向角度，以分散脱流漩涡对顶盖的动态作用力，使各高度层因脱流漩涡激起的无叶区压力脉动不同步，降低该压力脉动的幅值。并且，活动导叶相对高度B0/D1(其中：D1为转轮高压侧直径，B0为活动导叶高度)越低，夹角Φ应越大；转轮叶片数越小，夹角Φ越大。
2)在保证混流式水泵水轮机转轮及其叶片刚强度要求的(常规设计)基础上再增加2～3个叶片，其目的主要是减小转轮高压侧叶道间距，以缩小脱流漩涡的发展空间，通过减小脱流自由涡尺寸的方式降低涡心流速，提高涡心压力，使该部位沿圆周方向压力分布更均匀，以降低无叶区压力脉动。
本发明所提出的减轻混流式水泵水轮机无叶区压力脉动危害的方法，是基于“水泵水轮机无叶区压力脉动主要是水泵水轮机转轮高压侧压力分布不均匀引起的，尤其是水轮机偏离工况的高幅值无叶区压力脉动，主要源自转轮叶片进口的脱流漩涡”这一创新概念提出的新设计方法。之所以认为无叶区大部分幅值较高的压力脉动多数源于脱流漩涡，是转轮叶片高压侧压力不均匀带来的影响，其原因在于：
(1)水泵水轮机转轮叶片比较少(目前已运行水泵水轮机转轮叶片数Zr＝5～9，而常规混流式水轮机转轮叶片数Zr＝13～17)，在同样转轮直径的条件下，叶片间距比常规水轮机大，在水轮机偏离工况进口水流可能产生或大或小的冲角，给脱流漩涡以更大发展空间；
(2)水泵水轮机使用水头都比较高，且机组安装高程都比较低，通常在下水库水面下30m～70m，转轮高压侧平均静压力非常高；而脱流漩涡是自由涡，不同旋转半径上旋转流速Vu与半径r的乘积保持相等(Vu·r＝const)，会造成涡心流速非常高，涡心压力非常低；因此，在每个叶道内，都会因脱流漩涡的存在而形成非常大的压力差；
(3)随着转轮旋转，当每个叶片转过时，都会有一高低交错的压力顺序经过，并将其传递给不旋转的无叶区，使无叶区感应到频率为Zr·fn(其中：Zr为转轮叶片数，fn为转速频率)的压力波，形成无叶区压力脉动。
因此，本发明专利设计的转轮叶片在高压侧倾斜布置，既可以使脱流漩涡保持倾斜，其压力最低点在不同的高程分布在不同的径向角度，也就是在同一个径向角度各流层压力不一致、不同步，从而降低各层压力脉动波传递合成的总体压力脉动幅值；还可以造成各高度层倾斜叶片及其脱流涡和垂直导叶之间的干涉波不同步，从而降低干涉能力及干涉程度，并大幅度降低固定导叶区压力脉动及其引起的顶盖和厂房振动。而增加叶片数，则可缩短各叶片之间的距离，进而减小脱流漩涡发展空间，在脱流漩涡初始速度相同的条件下减小了漩涡初始半径，达到了降低涡心流速、提高涡心压力、进而降低其引起压力脉动幅值之目的，减轻其危害。
本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (1)

1.一种减轻混流式水泵水轮机无叶区压力脉动危害的方法，其特征在于，包括对混流式水泵水轮机所做的以下两方面的优化：
1)将混流式水泵水轮机转轮高压侧叶片倾斜布置，使叶片的进水边骨线与轴线方向的夹角Φ不小于15°；
2)在保证混流式水泵水轮机转轮及其叶片刚强度要求的基础上再增加2～3个叶片，其目的是减小转轮高压侧叶道间距，以缩小脱流漩涡的发展空间。
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