CN110439724A - 一种用于水力机械的混流式转轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水力机械的混流式转轮，属于流体机械发电技术领域域，包括上冠，下环和多个转轮叶片，其特征在于：转轮叶片包括叶片本体、叶片高压边和叶片低压边，叶片高压边的高度方向从上到下设有特征点A、特征点B、特征点C和特征点D，特征点A处的包角大于特征点B处的包角且特征点C处的包角大于特征点D处的包角且特征点C处的包角大于特征点B处的包角叶片高压边在空间的周向方向上形成“S”形曲线。本发明能够在叶片高压边上冠到下环之间的不同高度上产生不同的接触条件，形成不同的入流，从而有效减弱动静干涉，进而减小无叶区压力脉动的脉动值，保障机组长期安全运行。

Description

一种用于水力机械的混流式转轮

技术领域

本发明涉及到流体机械发电技术领域域，尤其涉及一种用于水力机械的混流式转轮。

背景技术

混流式转轮包括上冠、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叶之间形成动静干涉，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，但目前常规混流式转轮设计很难减小这个压力脉动值。

转轮叶片包角是混流式转轮设计中的一个重要几何参数，叶片包角是指叶片进口边和出口边之间在同一平面上对应的最大圆周角；如图2俯视图所示：在转轮叶片负Z轴向投影中，叶片高压边上的任意点和转轮中心连线，如图2中的线OA与过转轮中心的统一射线，如图2中的线OY之间的夹角通常混流式转轮如图1所示，其包角在高压边高度方向上，高压边可分布任意多个特征点，如叶片高压边与下环交点D高度值最小，叶片高压边与上冠交点A高度值最大；为递增或递减的，即如图2中所示高压边基本为一直线，难以减小压力脉动值。

公开号为CN 101344059，公开日为2009年01月14日的中国专利文献公开了一种混流式水轮机反向S型转轮，包括一个上冠、一个下环和若干个连接在上冠和下环之间的曲面叶片，每一叶片均有一正对水轮机中、上游导流机构的进水边和正对下游的出水边，其特征是：叶片的进水边型线从A点到D点之间有两个拐点，叶片的进水边型线有P1、P2两个拐点，显示叶片的进水边型线为反向“S”型；叶片的上冠型线即叶片与上冠交线，从D点到C点之间有两个拐点，叶片的上冠型线有S1、S2两个拐点，上冠型线呈现反向“S”型；叶片的下环型线即叶片与下环交线，从A点到B点之间有两个拐点，叶片的下环型线有X1、X2两个拐点，下环型线呈现反向“S”型；叶片的轴面进水边A、D与轴面出水边B、C流线弧长与公称直径的比，即弧长AB/大于等于41％、弧长CD/大于等于48％，而且弧长CD大于弧长AB。

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用于水力机械的混流式转轮，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。

以上述专利文献为代表的现有技术，在实际应用中，都难以有效减弱动静干涉，减小无叶区压力脉动的脉动值，机组运行稳定性和可靠性欠佳，无法保障机组长期安全运行。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种用于水力机械的混流式转轮，本发明能够在叶片高压边上冠到下环之间的不同高度上产生不同的接触条件，形成不同的入流，从而有效减弱动静干涉，进而减小无叶区压力脉动的脉动值，保障机组长期安全运行。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于水力机械的混流式转轮，包括上冠，下环和多个转轮叶片，上冠，下环和多个转轮叶片绕旋转轴对称，其特征在于：所述转轮叶片包括叶片本体、叶片高压边和叶片低压边，所述叶片高压边的高度方向从上到下设有特征点A、特征点B、特征点C和特征点D，所述特征点A处的包角大于特征点B处的包角且特征点C处的包角大于特征点D处的包角且特征点C处的包角大于特征点B处的包角叶片高压边在空间的周向方向上形成“S”形曲线。

所述转轮叶片的轴面投影中，特征点A至旋转轴的距离为半径Ra，特征点B至旋转轴的距离为半径Rb，特征点C至旋转轴的距离为半径Rc，特征点D至旋转轴的距离为半径Rd，Rb＞Ra且Rd＞Rc且Rb＞Rc且Rc＞Ra；叶片高压边在空间的径向方向上呈“S”形曲线。

所述转轮叶片在空间的周向和径向方向形成双“S”形曲线，转轮叶片在空间上形成“S”形曲线。

所述特征点B在高度方向上的位置，通过式1计算获得；

Hab＝K×((1-Hr/800)*Had) 式1

式中，Hab为特征点B至特征点A的垂直距离；Had为特征点A至特征点D的垂直距离；Hr为当前转轮所运用电站的额定水头；K为系数，取值范围0.6-1.1，Hr大取小值，Hr小取大值。

所述特征点C在高度方向上的位置，通过式2计算获得；

Hac＝0.5×(Had-Hab) 式2

式中，Hac为特征点C至特征点D的垂直距离；Hab为特征点B至特征点A的垂直距离；Had为特征点A至特征点D的垂直距离。

本发明的基本原理如下：

在水泵或水轮机水力机械中，以水轮机为例，由于导叶与水流的相互作用以及边界层的影响，导叶出口处的速度是不均匀的。又由于导叶的出口速度分布就是转轮叶片的进口条件，所以每一个转轮叶片在转动一个导叶间距的过程中，其进口边界条件会发生周期性的变化。这样，作用于这个转轮叶片上的力，包括径向、切向和轴向力也会发生一个周期性的变化，即动静干涉现象。

对于单个转轮叶片，即转动系统来说，这个力的变化频率等于转频与导叶叶片数的乘积，即fs＝Zg·fn；

式中，fs是叶片上动静干涉脉动频率，Zg是导叶叶片数，fn是转轮转动频率。

反之，对单个导叶，即静止系统来说，作用在其上的力的频率等于转频与转轮叶片数的乘积，即fr＝Zr·fn；

式中，fr是导叶上动静干涉脉动频率，Zr是转轮叶片数，fn是转轮转动频率。

转轮叶片与导叶之间的动静干涉，会在它们之间产生强烈的压力脉动，称为“无叶区压力脉动”，脉动会向两个方向传播：沿流动方向向尾水管传播，这种轴向传播，并不会产生异常高频振动；反水流方向，沿导叶、蜗壳的这种径向传播，会引起水力振动。如果压力脉动频率和机组自振频率相近，或压力脉动幅值过大，就会引发系统强烈振动，危害机组运行。为保证整个机组的安全运行，“无叶区压力脉动”被要求限定在一个较小的值内。压力脉动值以式ΔH/H·100％表示，ΔH为脉动压力值，H为工作水头或扬程值。

影响动静干涉产生压力脉动的主要因素有几何参数和流动参数。几何参数有转轮叶片数与静止活动导叶数的匹配及两者之间径向间隙。流动参数为转轮的旋转速度、无叶区的流速和压力水平等。常规混流转轮设计较难减小无叶区压力脉动值，由此需对转轮叶片几何参数进行大量优化设计。由于“无叶区压力脉动”是在导叶出口和转轮叶片进口之间产生，所以对转轮叶片高压边的几何参数优化十分重要，其中包括高压边的半径值，转轮叶片包角变化值等。

本发明的有益效果主要表现在以下方面：

一、本发明，“转轮叶片包括叶片本体、叶片高压边和叶片低压边，所述叶片高压边的高度方向从上到下设有特征点A、特征点B、特征点C和特征点D，所述特征点A处的包角大于特征点B处的包角且特征点C处的包角大于特征点D处的包角且特征点C处的包角大于特征点B处的包角叶片高压边在空间的周向方向上形成“S”形曲线”，较现有技术而言，当水流从导叶流向转轮时，在叶片高压边上冠到下环之间的不同高度上产生不同的接触条件，形成不同的入流，从而有效减弱动静干涉，进而减小无叶区压力脉动的脉动值；并且在小流量工况叶片高压边发生脱流时产生不同的扰动，进一步加大转轮叶片对水流的适应性，减小无叶区压力脉动，保障机组长期安全运行。

二、本发明，转轮叶片的轴面投影中，特征点A至旋转轴的距离为半径Ra，特征点B至旋转轴的距离为半径Rb，特征点C至旋转轴的距离为半径Rc，特征点D至旋转轴的距离为半径Rd，Rb＞Ra且Rd＞Rc且Rb＞Rc且Rc＞Ra；叶片高压边在空间的径向方向上呈“S”形曲线，较公开号为CN 103649524A，公开日为2014年03月19日的中国专利文献，叶片高压边整体内凹而言，本发明叶片高压边在高度方向上，上部为外凸，下部为内凹，形成的“S”形曲线，由于动静干涉产生压力脉动的主要因素与导叶及转轮叶片两者之间径向间隙相关，水流自导叶进入转轮叶片从上冠到下环间是不均匀的，靠上冠部分流量较大，在减小转轮叶片最上部半径后且在径方向上形成半径大小的“S”形曲线分布，能够有效减弱动静干涉，从而能够减小无叶区压力脉动，保障机组运行安全；较公开号为CN101344059，公开日为2009年01月14日的中国专利文献，叶片高压边上部内凹，下部外凸而言，具有在小流量工况时，减弱叶片高压边正面脱流的效果；在大流量工况时，减弱叶片高压边背面脱流的效果，从而降低小流量和大流量无叶压力脉动，保障机组长期安全运行，参见表1和表2。

三、本发明，Rb＞Ra且Rc＞Ra，使得转轮叶片上冠处半径最小，能够明显减弱动静干涉，从而能够减小无叶区压力脉动，进一步保障机组运行安全。

四、本发明，特征点B在高度方向上的位置，通过式1计算获得，能够根据实际电站水头条件的变化，在叶片高压边形成不同的“S”形曲线，使上冠到下环之间入流条件发生变化，从而减弱动静干涉,降低压力脉动。

五、本发明，特征点C在高度方向上的位置，通过式2计算获得，特征点C在高度方向上的位置与电站应用水头和特征点B位置相关，和特征点B联动，变化上冠到下环来流条件，进而能够减弱动静干涉。

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为现有技术混流式转轮的结构示意图；

图2为现有技术混流式转轮的包角结构示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图中标记：1、上冠，2、下环，3、转轮叶片，4、叶片本体，5、叶片高压边，6、叶片低压边。

具体实施方式

实施例1

参见图3，一种用于水力机械的混流式转轮，包括上冠1，下环2和多个转轮叶片3，上冠1，下环2和多个转轮叶片3绕旋转轴对称，所述转轮叶片3包括叶片本体4、叶片高压边5和叶片低压边6，所述叶片高压边5的高度方向从上到下设有特征点A、特征点B、特征点C和特征点D，所述特征点A处的包角大于特征点B处的包角且特征点C处的包角大于特征点D处的包角且特征点C处的包角大于特征点B处的包角叶片高压边5在空间的周向方向上形成“S”形曲线。

本实施例为最基本的实施方式，“转轮叶片包括叶片本体、叶片高压边和叶片低压边，所述叶片高压边的高度方向从上到下设有特征点A、特征点B、特征点C和特征点D，所述特征点A处的包角大于特征点B处的包角且特征点C处的包角大于特征点D处的包角且特征点C处的包角大于特征点B处的包角叶片高压边在空间的周向方向上形成“S”形曲线”，较现有技术而言，当水流从导叶流向转轮时，在叶片高压边上冠到下环之间的不同高度上产生不同的接触条件，形成不同的入流，从而有效减弱动静干涉，进而减小无叶区压力脉动的脉动值；并且在小流量工况叶片高压边发生脱流时产生不同的扰动，进一步加大转轮叶片对水流的适应性，减小无叶区压力脉动，保障机组长期安全运行。

实施例2

参见图3，一种用于水力机械的混流式转轮，包括上冠1，下环2和多个转轮叶片3，上冠1，下环2和多个转轮叶片3绕旋转轴对称，所述转轮叶片3包括叶片本体4、叶片高压边5和叶片低压边6，所述叶片高压边5的高度方向从上到下设有特征点A、特征点B、特征点C和特征点D，所述特征点A处的包角大于特征点B处的包角且特征点C处的包角大于特征点D处的包角且特征点C处的包角大于特征点B处的包角叶片高压边5在空间的周向方向上形成“S”形曲线。

所述转轮叶片3的轴面投影中，特征点A至旋转轴的距离为半径Ra，特征点B至旋转轴的距离为半径Rb，特征点C至旋转轴的距离为半径Rc，特征点D至旋转轴的距离为半径Rd，Rb＞Ra且Rd＞Rc且Rb＞Rc且Rc＞Ra；叶片高压边5在空间的径向方向上呈“S”形曲线。

本实施例为一较佳实施方式，转轮叶片的轴面投影中，特征点A至旋转轴的距离为半径Ra，特征点B至旋转轴的距离为半径Rb，特征点C至旋转轴的距离为半径Rc，特征点D至旋转轴的距离为半径Rd，Rb＞Ra且Rd＞Rc且Rb＞Rc且Rc＞Ra；叶片高压边在空间的径向方向上呈“S”形曲线，较公开号为CN 103649524A，公开日为2014年03月19日的中国专利文献，叶片高压边整体内凹而言，本发明叶片高压边在高度方向上，上部为外凸，下部为内凹，形成的“S”形曲线，由于动静干涉产生压力脉动的主要因素与导叶及转轮叶片两者之间径向间隙相关，水流自导叶进入转轮叶片从上冠到下环间是不均匀的，靠上冠部分流量较大，在减小转轮叶片最上部半径后且在径方向上形成半径大小的“S”形曲线分布，能够有效减弱动静干涉，从而能够减小无叶区压力脉动，保障机组运行安全；较公开号为CN101344059，公开日为2009年01月14日的中国专利文献，叶片高压边上部内凹，下部外凸而言，具有在小流量工况时，减弱叶片高压边正面脱流的效果；在大流量工况时，减弱叶片高压边背面脱流的效果，从而降低小流量和大流量无叶压力脉动，保障机组长期安全运行，参见表1和表2。

表1为CN 101344059、CN 103649524A与本发明的对比。

表1

表2为CN 103649524A和CN 101344059与本发明的实施例1和实施例2中关于无叶区压力脉动相对值的比较。

表2

可见，在本发明实施例中，对于水轮机的无叶区压力脉动，在空载工况最大可降低24％，在50％负荷工况最大可降低19％，在额定负荷最大可降低57％。

实施例3

参见图3，一种用于水力机械的混流式转轮，包括上冠1，下环2和多个转轮叶片3，上冠1，下环2和多个转轮叶片3绕旋转轴对称，所述转轮叶片3包括叶片本体4、叶片高压边5和叶片低压边6，所述叶片高压边5的高度方向从上到下设有特征点A、特征点B、特征点C和特征点D，所述特征点A处的包角大于特征点B处的包角且特征点C处的包角大于特征点D处的包角且特征点C处的包角大于特征点B处的包角叶片高压边5在空间的周向方向上形成“S”形曲线。

所述转轮叶片3的轴面投影中，特征点A至旋转轴的距离为半径Ra，特征点B至旋转轴的距离为半径Rb，特征点C至旋转轴的距离为半径Rc，特征点D至旋转轴的距离为半径Rd，Rb＞Ra且Rd＞Rc且Rb＞Rc且Rc＞Ra；叶片高压边5在空间的径向方向上呈“S”形曲线。

所述转轮叶片3在空间的周向和径向方向形成双“S”形曲线，转轮叶片3在空间上形成“S”形曲线。

本实施例为又一较佳实施方式，Rb＞Ra且Rc＞Ra，使得转轮叶片上冠处半径最小，能够明显减弱动静干涉，从而能够减小无叶区压力脉动，进一步保障机组运行安全。

实施例4

参见图3，一种用于水力机械的混流式转轮，包括上冠1，下环2和多个转轮叶片3，上冠1，下环2和多个转轮叶片3绕旋转轴对称，所述转轮叶片3包括叶片本体4、叶片高压边5和叶片低压边6，所述叶片高压边5的高度方向从上到下设有特征点A、特征点B、特征点C和特征点D，所述特征点A处的包角大于特征点B处的包角且特征点C处的包角大于特征点D处的包角且特征点C处的包角大于特征点B处的包角叶片高压边5在空间的周向方向上形成“S”形曲线。

所述转轮叶片3的轴面投影中，特征点A至旋转轴的距离为半径Ra，特征点B至旋转轴的距离为半径Rb，特征点C至旋转轴的距离为半径Rc，特征点D至旋转轴的距离为半径Rd，Rb＞Ra且Rd＞Rc且Rb＞Rc且Rc＞Ra；叶片高压边5在空间的径向方向上呈“S”形曲线。

所述转轮叶片3在空间的周向和径向方向形成双“S”形曲线，转轮叶片3在空间上形成“S”形曲线。

所述特征点B在高度方向上的位置，通过式1计算获得；

Hab＝K×((1-Hr/800)*Had) 式1

式中，Hab为特征点B至特征点A的垂直距离；Had为特征点A至特征点D的垂直距离；Hr为当前转轮所运用电站的额定水头；K为系数，取值范围0.6-1.1，Hr大取小值，Hr小取大值。

本实施例为又一较佳实施方式，特征点B在高度方向上的位置，通过式1计算获得，能够根据实际电站水头条件的变化，在叶片高压边形成不同的“S”形曲线，使上冠到下环之间入流条件发生变化，从而减弱动静干涉,降低压力脉动。

实施例5

参见图3，一种用于水力机械的混流式转轮，包括上冠1，下环2和多个转轮叶片3，上冠1，下环2和多个转轮叶片3绕旋转轴对称，所述转轮叶片3包括叶片本体4、叶片高压边5和叶片低压边6，所述叶片高压边5的高度方向从上到下设有特征点A、特征点B、特征点C和特征点D，所述特征点A处的包角大于特征点B处的包角且特征点C处的包角大于特征点D处的包角且特征点C处的包角大于特征点B处的包角叶片高压边5在空间的周向方向上形成“S”形曲线。

所述转轮叶片3的轴面投影中，特征点A至旋转轴的距离为半径Ra，特征点B至旋转轴的距离为半径Rb，特征点C至旋转轴的距离为半径Rc，特征点D至旋转轴的距离为半径Rd，Rb＞Ra且Rd＞Rc且Rb＞Rc且Rc＞Ra；叶片高压边5在空间的径向方向上呈“S”形曲线。

所述转轮叶片3在空间的周向和径向方向形成双“S”形曲线，转轮叶片3在空间上形成“S”形曲线。

所述特征点B在高度方向上的位置，通过式1计算获得；

Hab＝K×((1-Hr/800)*Had) 式1

式中，Hab为特征点B至特征点A的垂直距离；Had为特征点A至特征点D的垂直距离；Hr为当前转轮所运用电站的额定水头；K为系数，取值范围0.6-1.1，Hr大取小值，Hr小取大值。

所述特征点C在高度方向上的位置，通过式2计算获得；

Hac＝0.5×(Had-Hab) 式2

式中，Hac为特征点C至特征点D的垂直距离；Hab为特征点B至特征点A的垂直距离；Had为特征点A至特征点D的垂直距离。

本实施例为最佳实施方式，“转轮叶片包括叶片本体、叶片高压边和叶片低压边，所述叶片高压边的高度方向从上到下设有特征点A、特征点B、特征点C和特征点D，所述特征点A处的包角大于特征点B处的包角且特征点C处的包角大于特征点D处的包角且特征点C处的包角大于特征点B处的包角叶片高压边在空间的周向方向上形成“S”形曲线”，较现有技术而言，当水流从导叶流向转轮时，在叶片高压边上冠到下环之间的不同高度上产生不同的接触条件，形成不同的入流，从而有效减弱动静干涉，进而减小无叶区压力脉动的脉动值；并且在小流量工况叶片高压边发生脱流时产生不同的扰动，进一步加大转轮叶片对水流的适应性，减小无叶区压力脉动，保障机组长期安全运行。

特征点C在高度方向上的位置，通过式2计算获得，特征点C在高度方向上的位置与电站应用水头和特征点B位置相关，和特征点B联动，变化上冠到下环来流条件，进而能够减弱动静干涉。

Claims (5)

1.一种用于水力机械的混流式转轮，包括上冠(1)，下环(2)和多个转轮叶片(3)，上冠(1)，下环(2)和多个转轮叶片(3)绕旋转轴对称，其特征在于：所述转轮叶片(3)包括叶片本体(4)、叶片高压边(5)和叶片低压边(6)，所述叶片高压边(5)的高度方向从上到下设有特征点A、特征点B、特征点C和特征点D，所述特征点A处的包角大于特征点B处的包角且特征点C处的包角大于特征点D处的包角且特征点C处的包角大于特征点B处的包角叶片高压边(5)在空间的周向方向上形成“S”形曲线。

2.根据权利要求1所述的一种用于水力机械的混流式转轮，其特征在于：所述转轮叶片(3)的轴面投影中，特征点A至旋转轴的距离为半径Ra，特征点B至旋转轴的距离为半径Rb，特征点C至旋转轴的距离为半径Rc，特征点D至旋转轴的距离为半径Rd，Rb＞Ra且Rd＞Rc且Rb＞Rc且Rc＞Ra；叶片高压边(5)在空间的径向方向上呈“S”形曲线。

3.根据权利要求1所述的一种用于水力机械的混流式转轮，其特征在于：所述转轮叶片(3)在空间的周向和径向方向形成双“S”形曲线，转轮叶片(3)在空间上形成“S”形曲线。

4.根据权利要求1所述的一种用于水力机械的混流式转轮，其特征在于：所述特征点B在高度方向上的位置，通过式1计算获得；

Hab＝K×((1-Hr/800)*Had) 式1

式中，Hab为特征点B至特征点A的垂直距离；Had为特征点A至特征点D的垂直距离；Hr为当前转轮所运用电站的额定水头；K为系数，取值范围0.6-1.1，Hr大取小值，Hr小取大值。

5.根据权利要求1所述的一种用于水力机械的混流式转轮，其特征在于：所述特征点C在高度方向上的位置，通过式2计算获得；

Hac＝0.5×(Had-Hab) 式2

式中，Hac为特征点C至特征点D的垂直距离；Hab为特征点B至特征点A的垂直距离；Had为特征点A至特征点D的垂直距离。