CN110410259A - 一种叶片头部悬伸式转轮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种叶片头部悬伸式转轮，属于水力机械设备技术领域，包括上冠、下环和多个叶片，其特征在于：叶片包括进水边和出水边，进水边与上冠的交点为A，进水边与下环的交点为B，出水边与上冠的交点为C，出水边与下环的交点为D，至少一个叶片的进水边和出水边是弯曲的，叶片朝转轮内侧凹陷，进水边上的任意点P与A、B两点直线之间的距离在进水边上的中间点M处最大，交点A的半径Ra大于交点B的半径Rb，中间点M的半径Rm大于交点A的半径Ra，中间点M的半径Rm大于交点B的半径Rb。本发明能够改善水泵水轮机的S特性和压力脉动性能，这种转轮叶片特殊的几何特征能使机组在并网过程中更加稳定。

Description

一种叶片头部悬伸式转轮
技术领域
本发明涉及到水力机械设备技术领域，尤其涉及一种叶片头部悬伸式转轮。
背景技术
随着抽水蓄能电站的快速发展，水泵水轮机的稳定性越来越受到行业的关注，机组在调峰调频中能否快速、稳定并网对电力系统的正常运行有着重要的影响。然而目前传统的水泵水轮机转轮的进出边通常为一段直线，这种转轮的S特性和压力脉动特性普遍较差，存在运行中无法顺利并网的风险。
转轮包括上冠、下环和安装于它们之间的多个叶片。当水力机械为水轮机模式时，水流从转轮的高压边，即大半径方向流入，从转轮的低压边，即小半径方向流出，具有驱动转轮旋转的作用；当水力机械为水泵模式时，由外接输入功率，如电机带动转轮产生旋转，水流从转轮的低压边流入，从转轮的高压边流出。
转轮旋转时，转轮叶片与不动的导水叶片之间形成动静干涉，会在它们之间产生强烈的压力脉动，称为“无叶区压力脉动”，为保证整个机组的稳定运行，该压力脉动被要求限定在一个较小的值内，但目前常规转轮设计很难减小这个压力脉动值。
公开号为CN 103649524A，公开日为2014年03月19日的中国专利文献公开了一种混流式转轮，所述混流式转轮用于被强制流动的水流穿过，其特征在于，包括：
-轮，所述轮关于所述转轮的旋转轴旋转对称；
-上冠，所述上冠关于所述旋转轴旋转对称并且正对所述轮；
-多个向内弯曲的叶片，所述多个向内弯曲的叶片与所述轮以及所述上冠成为一体，并且每个所述叶片都具有在所述旋转轴附近的中心边缘以及与所述中心边缘相对的外围边缘，所述外围边缘在所述轮与所述上冠之间延伸，并且当所述水力机械工作在水轮机模式中时所述外围边缘用于首先被水流穿过，至少一个叶片的所述外围边缘是弯曲的，并且凹面因此朝向所述转轮的外侧，在所述外围边缘上的任意点与直线之间测得的第一距离在所述外围边缘上的中间点上最大，所述直线一方面穿过所述外围边缘与所述轮之间的第一连接点并且另一方面穿过所述外围边缘与所述上冠之间的第二连接点，所述中间点的半径严格小于所述第一连接点的半径，所述转轮的特征在于，所述中间点的半径严格小于所述第二连接点的半径。
该专利文献公开的用于水力机械的混流式转轮，涉及混流式转轮叶片高度方向的半径变化：中间半径最小，上下端大，进水边的弯曲方向为内凹的，这种几何特征不能更好的引导水流进入转轮流道，特别是不能有效改善部分负荷或者空载工况转轮前空腔内部流态，无法显著的降低水泵水轮机的S特性及压力脉动等性能所产生的不良影响。
发明内容
本发明为了克服上述这些现有技术的不足，提供一种叶片头部悬伸式转轮，本发明进水边的弯曲方向为外凸的，边缘凸面朝向转轮外侧，能够改善水泵水轮机的S特性和压力脉动性能，这种转轮叶片特殊的几何特征能使机组在并网过程中更加稳定。
本发明通过下述技术方案实现：
一种叶片头部悬伸式转轮，包括上冠、下环和多个叶片，上冠与下环关于转轮的旋转轴旋转对称，其特征在于：所述叶片包括进水边和出水边，叶片位于上冠和下环之间，叶片分别与上冠和下环相连，叶片与上冠连接形成的相贯线为叶片上冠型线，叶片与下环连接形成的相贯线为叶片下环型线，所述进水边与上冠的交点为A，进水边与下环的交点为B，所述出水边与上冠的交点为C，出水边与下环的交点为D，至少一个叶片的进水边和出水边是弯曲的，叶片朝转轮内侧凹陷，所述进水边上的任意点P与A、B两点直线之间的距离在进水边上的中间点M处最大，所述交点A的半径Ra大于交点B的半径Rb，中间点M的半径Rm大于交点A的半径Ra，中间点M的半径Rm大于交点B的半径Rb；朝向叶片上冠型线中线的第一垂面Pa，所述进水边向转轮的旋转一侧偏离，垂直于第一垂面Pa的第二垂面Pb上，中间点M相比交点A和交点B朝向转轮内侧偏离。
所述中间点M在A、B两点直线上的正交投影位于沿着所述直线延伸并以所述直线的中点为中心的区域，区域的高度H1为叶片高度H的15％-85％。
所述AB直线与第一垂面Pa相平行，AB直线与进水边之间的最大距离d1与叶片高度H的比值为5％-80％。
所述AB直线与第二垂面Pb相平行，AB直线与进水边之间的最大距离d2与叶片高度H的比值为5％-80％。
本发明的基本原理如下：
当转轮工作在水轮机模式时，每个叶片都具有悬伸式的进水边，所述进水边首先被压力驱动的水流穿过。由于本发明悬伸式的转轮叶片进水边独特设计，间接的缩小了转轮前空腔的距离，叶片可以更好的将水流导向下游。相对于进水边中间部分的悬伸特点，进水边与上冠和下环连接点向后收缩，从而增大了叶片根部与前方导叶之间的距离，一定程度上减小了壁面上压力脉动幅值。另外，朝转轮内侧凹陷的叶片像“水槽”一样将水流引向下游，可以降低叶片中间流面上的流速，使整个转轮内部的流态更加稳定。尤其当水轮机运行在部分负荷或者空载工况，悬伸内凹叶片还可以有效破坏转轮上游回流及涡带结构，从而使得流场更加顺畅，显著降低S特性及压力脉动对水轮机产生的不良影响。
本发明的有益效果主要表现在以下方面：
1、本发明，“叶片包括进水边和出水边，叶片位于上冠和下环之间，叶片分别与上冠和下环相连，叶片与上冠连接形成的相贯线为叶片上冠型线，叶片与下环连接形成的相贯线为叶片下环型线，进水边与上冠的交点为A，进水边与下环的交点为B，出水边与上冠的交点为C，出水边与下环的交点为D，至少一个叶片的进水边和出水边是弯曲的，叶片朝转轮内侧凹陷，进水边上的任意点P与A、B两点直线之间的距离在进水边上的中间点M处最大，交点A的半径Ra大于交点B的半径Rb，中间点M的半径Rm大于交点A的半径Ra，中间点M的半径Rm大于交点B的半径Rb；朝向叶片上冠型线中线的第一垂面Pa，进水边向转轮的旋转一侧偏离，垂直于第一垂面Pa的第二垂面Pb上，中间点M相比交点A和交点B朝向转轮内侧偏离”，至少一个叶片的进水边和出水边是弯曲的，叶片朝转轮内侧凹陷，较现有技术表现在叶片进水边附近叶片近似圆柱形叶片，或者叶片朝转轮外侧凹陷而言，对流场内的流动稳定性更加有利，能够限制部分负荷下的流态出现较为严重的回流和脱流的情况；进水边上的任意点P与A、B两点直线之间的距离在进水边上的中间点M处最大，所述交点A的半径Ra大于交点B的半径Rb，中间点M的半径Rm大于交点A的半径Ra，中间点M的半径Rm大于交点B的半径Rb，朝向叶片上冠型线中线的第一垂面Pa，进水边向转轮的旋转一侧偏离，即叶片具有明显悬伸的特征，较现有技术表现在进水边A点的半径通常大于B点，M点的半径相应的小于A点甚至会小于B点而言，叶片悬伸式设计对进水边附近的流场特征有所改善，尤其能够抑制水泵水轮机在部分负荷或者空载工况下的无叶区回流情况，能够有效改善水泵水轮机的S特性和压力脉动性能，从而使机组在并网过程中更加稳定，参见表1。
2、本发明，中间点M在A、B两点直线上的正交投影位于沿着所述直线延伸并以所述直线的中点为中心的区域，区域的高度H1为叶片高度H的15％-85％，叶片的进水边中间点M与上冠和下环的距离更加合适，有利于将转轮上游水流更好的引入下游。
3、本发明，AB直线与第一垂面Pa相平行，AB直线与进水边之间的最大距离d1与叶片高度H的比值为5％-80％，能够使叶片的进水边朝向转轮内侧凹陷，并且凹陷的程度不会使叶片与上冠和下环连接处的倾角太小，进而便于转轮的加工制造。
4、本发明，AB直线与第二垂面Pb相平行，AB直线与进水边之间的最大距离d2与叶片高度H的比值为5％-80％，使叶片的进水边朝向转轮内侧凹陷，特定的将AB直线与进水边之间的最大距离d2与叶片高度H的比值设置为5％-80％，能够保障凹陷的程度不会使叶片与上冠、下环连接处的倾角太小以至于影响转轮的制造。
附图说明
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明转轮轴面流道示意图；
图3为本发明叶片头部位置放大图；
图4为图3中Pa平面视图；
图5为图3中Pb平面视图；
图中标记：1、上冠，2、下环，3、叶片，4、进水边，5、出水边。
具体实施方式
实施例1
参见图1-图5，一种叶片头部悬伸式转轮，包括上冠1、下环2和多个叶片3，上冠1与下环2关于转轮的旋转轴旋转对称，所述叶片3包括进水边4和出水边5，叶片3位于上冠1和下环2之间，叶片3分别与上冠1和下环2相连，叶片3与上冠1连接形成的相贯线为叶片上冠型线，叶片3与下环连接形成的相贯线为叶片下环型线，所述进水边4与上冠1的交点为A，进水边4与下环2的交点为B，所述出水边5与上冠1的交点为C，出水边5与下环2的交点为D，至少一个叶片3的进水边4和出水边5是弯曲的，叶片3朝转轮内侧凹陷，所述进水边4上的任意点P与A、B两点直线之间的距离在进水边4上的中间点M处最大，所述交点A的半径Ra大于交点B的半径Rb，中间点M的半径Rm大于交点A的半径Ra，中间点M的半径Rm大于交点B的半径Rb，朝向叶片上冠型线中线的第一垂面Pa，所述进水边4向转轮的旋转一侧偏离，垂直于第一垂面Pa的第二垂面Pb上，中间点M相比交点A和交点B朝向转轮内侧偏离。
“叶片包括进水边和出水边，叶片位于上冠和下环之间，叶片分别与上冠和下环相连，叶片与上冠连接形成的相贯线为叶片上冠型线，叶片与下环连接形成的相贯线为叶片下环型线，进水边与上冠的交点为A，进水边与下环的交点为B，出水边与上冠的交点为C，出水边与下环的交点为D，至少一个叶片的进水边和出水边是弯曲的，叶片朝转轮内侧凹陷，进水边上的任意点P与A、B两点直线之间的距离在进水边上的中间点M处最大，交点A的半径Ra大于交点B的半径Rb，中间点M的半径Rm大于交点A的半径Ra，中间点M的半径Rm大于交点B的半径Rb；朝向叶片上冠型线中线的第一垂面Pa，进水边向转轮的旋转一侧偏离，垂直于第一垂面Pa的第二垂面Pb上，中间点M相比交点A和交点B朝向转轮内侧偏离”，至少一个叶片的进水边和出水边是弯曲的，叶片朝转轮内侧凹陷，较现有技术表现在叶片进水边附近叶片近似圆柱形叶片，或者叶片朝转轮外侧凹陷而言，对流场内的流动稳定性更加有利，能够限制部分负荷下的流态出现较为严重的回流和脱流的情况；进水边上的任意点P与A、B两点直线之间的距离在进水边上的中间点M处最大，所述交点A的半径Ra大于交点B的半径Rb，中间点M的半径Rm大于交点A的半径Ra，中间点M的半径Rm大于交点B的半径Rb，朝向叶片上冠型线中线的第一垂面Pa，进水边向转轮的旋转一侧偏离，即叶片具有明显悬伸的特征，较现有技术表现在进水边A点的半径通常大于B点，M点的半径相应的小于A点甚至会小于B点而言，叶片悬伸式设计对进水边附近的流场特征有所改善，尤其能够抑制水泵水轮机在部分负荷或者空载工况下的无叶区回流情况，能够有效改善水泵水轮机的S特性和压力脉动性能，从而使机组在并网过程中更加稳定，参见表1。
表1为现有技术转轮与本发明转轮的水泵工况无叶区压力脉动最大相对幅值、水轮机工况无叶区压力脉动相对幅值以及水轮机S特性裕量的对比表。
表1
从表1可以看出，本发明转轮，水泵水轮机在无叶区压力脉动的幅值下降明显，S特性裕量相比现有技术有显著的提升。
实施例2
参见图1-图5，一种叶片头部悬伸式转轮，包括上冠1、下环2和多个叶片3，上冠1与下环2关于转轮的旋转轴旋转对称，所述叶片3包括进水边4和出水边5，叶片3位于上冠1和下环2之间，叶片3分别与上冠1和下环2相连，叶片3与上冠1连接形成的相贯线为叶片上冠型线，叶片3与下环连接形成的相贯线为叶片下环型线，所述进水边4与上冠1的交点为A，进水边4与下环2的交点为B，所述出水边5与上冠1的交点为C，出水边5与下环2的交点为D，至少一个叶片3的进水边4和出水边5是弯曲的，叶片3朝转轮内侧凹陷，所述进水边4上的任意点P与A、B两点直线之间的距离在进水边4上的中间点M处最大，所述交点A的半径Ra大于交点B的半径Rb，中间点M的半径Rm大于交点A的半径Ra，中间点M的半径Rm大于交点B的半径Rb，朝向叶片上冠型线中线的第一垂面Pa，所述进水边4向转轮的旋转一侧偏离，垂直于第一垂面Pa的第二垂面Pb上，中间点M相比交点A和交点B朝向转轮内侧偏离。
所述中间点M在A、B两点直线上的正交投影位于沿着所述直线延伸并以所述直线的中点为中心的区域，区域的高度H1为叶片高度H的15％。
所述AB直线与第一垂面Pa相平行，AB直线与进水边4之间的最大距离d1与叶片高度H的比值为5％。
所述AB直线与第二垂面Pb相平行，AB直线与进水边4之间的最大距离d2与叶片高度H的比值为5％。
实施例3
参见图1-图5，一种叶片头部悬伸式转轮，包括上冠1、下环2和多个叶片3，上冠1与下环2关于转轮的旋转轴旋转对称，所述叶片3包括进水边4和出水边5，叶片3位于上冠1和下环2之间，叶片3分别与上冠1和下环2相连，叶片3与上冠1连接形成的相贯线为叶片上冠型线，叶片3与下环连接形成的相贯线为叶片下环型线，所述进水边4与上冠1的交点为A，进水边4与下环2的交点为B，所述出水边5与上冠1的交点为C，出水边5与下环2的交点为D，至少一个叶片3的进水边4和出水边5是弯曲的，叶片3朝转轮内侧凹陷，所述进水边4上的任意点P与A、B两点直线之间的距离在进水边4上的中间点M处最大，所述交点A的半径Ra大于交点B的半径Rb，中间点M的半径Rm大于交点A的半径Ra，中间点M的半径Rm大于交点B的半径Rb，朝向叶片上冠型线中线的第一垂面Pa，所述进水边4向转轮的旋转一侧偏离，垂直于第一垂面Pa的第二垂面Pb上，中间点M相比交点A和交点B朝向转轮内侧偏离。
所述中间点M在A、B两点直线上的正交投影位于沿着所述直线延伸并以所述直线的中点为中心的区域，区域的高度H1为叶片高度H的55％。
所述AB直线与第一垂面Pa相平行，AB直线与进水边4之间的最大距离d1与叶片高度H的比值为50％。
所述AB直线与第二垂面Pb相平行，AB直线与进水边4之间的最大距离d2与叶片高度H的比值为50％。
实施例4
参见图1-图5，一种叶片头部悬伸式转轮，包括上冠1、下环2和多个叶片3，上冠1与下环2关于转轮的旋转轴旋转对称，所述叶片3包括进水边4和出水边5，叶片3位于上冠1和下环2之间，叶片3分别与上冠1和下环2相连，叶片3与上冠1连接形成的相贯线为叶片上冠型线，叶片3与下环连接形成的相贯线为叶片下环型线，所述进水边4与上冠1的交点为A，进水边4与下环2的交点为B，所述出水边5与上冠1的交点为C，出水边5与下环2的交点为D，至少一个叶片3的进水边4和出水边5是弯曲的，叶片3朝转轮内侧凹陷，所述进水边4上的任意点P与A、B两点直线之间的距离在进水边4上的中间点M处最大，所述交点A的半径Ra大于交点B的半径Rb，中间点M的半径Rm大于交点A的半径Ra，中间点M的半径Rm大于交点B的半径Rb，朝向叶片上冠型线中线的第一垂面Pa，所述进水边4向转轮的旋转一侧偏离，垂直于第一垂面Pa的第二垂面Pb上，中间点M相比交点A和交点B朝向转轮内侧偏离。
所述中间点M在A、B两点直线上的正交投影位于沿着所述直线延伸并以所述直线的中点为中心的区域，区域的高度H1为叶片高度H的85％。
所述AB直线与第一垂面Pa相平行，AB直线与进水边4之间的最大距离d1与叶片高度H的比值为80％。
所述AB直线与第二垂面Pb相平行，AB直线与进水边4之间的最大距离d2与叶片高度H的比值为80％。
中间点M在A、B两点直线上的正交投影位于沿着所述直线延伸并以所述直线的中点为中心的区域，区域的高度H1为叶片高度H的15％-85％，叶片的进水边中间点M与上冠和下环的距离更加合适，有利于将转轮上游水流更好的引入下游。
AB直线与第一垂面Pa相平行，AB直线与进水边之间的最大距离d1与叶片高度H的比值为5％-80％，能够使叶片的进水边朝向转轮内侧凹陷，并且凹陷的程度不会使叶片与上冠和下环连接处的倾角太小，进而便于转轮的加工制造。
AB直线与第二垂面Pb相平行，AB直线与进水边之间的最大距离d2与叶片高度H的比值为5％-80％，使叶片的进水边朝向转轮内侧凹陷，特定的将AB直线与进水边之间的最大距离d2与叶片高度H的比值设置为5％-80％，能够保障凹陷的程度不会使叶片与上冠、下环连接处的倾角太小以至于影响转轮的制造。

Claims (4)

1.一种叶片头部悬伸式转轮，包括上冠(1)、下环(2)和多个叶片(3)，上冠(1)与下环(2)关于转轮的旋转轴旋转对称，其特征在于：所述叶片(3)包括进水边(4)和出水边(5)，叶片(3)位于上冠(1)和下环(2)之间，叶片(3)分别与上冠(1)和下环(2)相连，叶片(3)与上冠(1)连接形成的相贯线为叶片上冠型线，叶片(3)与下环连接形成的相贯线为叶片下环型线，所述进水边(4)与上冠(1)的交点为A，进水边(4)与下环(2)的交点为B，所述出水边(5)与上冠(1)的交点为C，出水边(5)与下环(2)的交点为D，至少一个叶片(3)的进水边(4)和出水边(5)是弯曲的，叶片(3)朝转轮内侧凹陷，所述进水边(4)上的任意点P与A、B两点直线之间的距离在进水边(4)上的中间点M处最大，所述交点A的半径Ra大于交点B的半径Rb，中间点M的半径Rm大于交点A的半径Ra，中间点M的半径Rm大于交点B的半径Rb，朝向叶片上冠型线中线的第一垂面Pa，所述进水边(4)向转轮的旋转一侧偏离，垂直于第一垂面Pa的第二垂面Pb上，中间点M相比交点A和交点B朝向转轮内侧偏离。
2.根据权利要求1所述的一种叶片头部悬伸式转轮，其特征在于：所述中间点M在A、B两点直线上的正交投影位于沿着所述直线延伸并以所述直线的中点为中心的区域，区域的高度H1为叶片高度H的15％-85％。
3.根据权利要求1所述的一种叶片头部悬伸式转轮，其特征在于：AB直线与第一垂面Pa相平行，AB直线与进水边(4)之间的最大距离d1与叶片高度H的比值为5％-80％。
4.根据权利要求1所述的一种叶片头部悬伸式转轮，其特征在于：AB直线与第二垂面Pb相平行，AB直线与进水边(4)之间的最大距离d2与叶片高度H的比值为5％-80％。
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