CN110454310B - 一种仿生学水轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生学水轮机，属于流体机械发电技术领域域，包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管，转轮位于蜗壳内的中部，转轮绕旋转轴对称，固定导叶和活动导叶均分布在蜗壳内，其特征在于：所述转轮包括上冠、下环和连接在上冠与下环之间的叶片，所述叶片的头部为n段圆弧组成的浅仿生学形状，n段圆弧相切连接，叶片的尾部为m段圆弧和直线组成的深仿生学形状，m段圆弧和直线相切连接，所述转轮的进口与活动导叶的出口相连，转轮的出口与尾水管相连。本发明充分考虑了叶片包角的变化影响，使得整个转轮能够有效减弱漩涡分离和动静干涉的强度，进而有效保障机组稳定性，提高机组的能量转换效率。

Description

一种仿生学水轮机

技术领域

本发明涉及到流体机械发电技术领域域，尤其涉及一种仿生学水轮机。

背景技术

随着我国抽水蓄能电站的大力建设，我国将会产生更多、更高水头、更大容量的抽水蓄能电站。

从全球范围看，抽水蓄能是储能方式中最成熟、最可靠、经济性最好的储能方式。根据国际可再生能源署2016年底发布的“电力储存与可再生能源——2030年的成本与市场”报告，到2017年中，全球储能装机容量为176GW，其中169GW抽水蓄能，占96％；3.3GW热能储存，占1.9％；1.9GW电池储能，占1.1％；1.6GW机械储能，占0.9％。与发达国家抽水蓄能电站占电力总装机的比重相比，我国的比重明显偏低，我国抽水蓄能的合理比例应保持在10％以上，目前我国的抽水蓄能占比还不到2％。因此抽水蓄能技术的发展空间还很大。

目前，抽水蓄能机组从实际运行效果来看，还存在诸如振动过大，不能并网，机组转轮出现裂纹等工程事故问题。

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。

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，从而使叶片形成向内凹的形状，未考虑到叶片包角的变化影响，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；叶片包角对水力性能参数，如效率和压力脉动的影响特别大；因而不利于保障机组稳定性和提高机组的能量转换效率。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种仿生学水轮机，本发明充分考虑了叶片包角的变化影响，使得整个转轮能够有效减弱漩涡分离和动静干涉的强度，进而有效保障机组稳定性，提高机组的能量转换效率。

本发明通过下述技术方案实现：

一种仿生学水轮机，包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管，转轮位于蜗壳内的中部，转轮绕旋转轴对称，固定导叶和活动导叶均分布在蜗壳内，活动导叶分布于转轮的外周，固定导叶分布于活动导叶的外周，其特征在于：所述转轮包括上冠、下环和连接在上冠与下环之间的叶片，所述叶片的头部为n段圆弧组成的浅仿生学形状，n段圆弧相切连接，叶片的尾部为m段圆弧和直线组成的深仿生学形状，m段圆弧和直线相切连接，所述转轮的进口与活动导叶的出口相连，转轮的出口与尾水管相连。

所述叶片为9个，9个叶片沿上冠和下环的圆周均匀分布。

所述n段圆弧的半径为R₁，R₂……R_n，直线高度为叶片高度的10％-40％。

所述m段圆弧的半径为r₁，r₂……r_m，直线高度为叶片高度的20％-90％。

所述n段圆弧的半径R_n通过转轮的叶片进口冲击程度、叶片脱流强度、漩涡分离程度、水头H_th、轴面速度C_m、圆周速度C_u、圆弧所在半径处叶片包角φ_i和圆弧所在半径处几何安放角β_i按式1进行计算；

其中，n为转速，H_th为水头，U为速度，C_m为轴面速度，C_u为圆周速度，φ_i为圆弧所在半径处叶片包角，β_i为圆弧所在半径处几何安放角，g为重力加速度。

所述m段圆弧的半径r_m通过叶片和活动导叶动静干涉的激烈程度引起的压力脉动强度ΔH、控制叶片和活动导叶之间无叶区的漩涡分离强度Ω、水头H_th、轴面速度C_m、圆周速度C_u和圆弧所在半径处几何安放角β_i按式2进行计算；

其中，n为转速，H_th为水头，U为速度，C_m为轴面速度，C_u为圆周速度，Ω为漩涡分离强度，β_i为圆弧所在半径处几何安放角，ΔH为压力脉动强度，g为重力加速度。

本发明的基本原理如下：

通过从上冠到下环之间的不同高度上，对转轮的叶片流线选择不同的叶片包角进行组合，在叶片高压边，即大半径边形成不同形式的曲线边，以此减小混流式转轮水力机械在水轮机或水泵模式运行时转轮和导叶之间的压力脉动。

本发明的有益效果主要表现在以下方面：

1、本发明，“转轮包括上冠、下环和连接在上冠与下环之间的叶片，叶片的头部为n段圆弧组成的浅仿生学形状，n段圆弧相切连接，叶片的尾部为m段圆弧和直线组成的深仿生学形状，m段圆弧和直线相切连接，转轮的进口与活动导叶的出口相连，转轮的出口与尾水管相连”，较现有技术而言，结构简单，在不增加辅助装置和附属叶片的情况下，经试验验证大大改善了混流式机组或者水泵水轮机的稳定性，提高机组安全稳定运行特性。叶片的这种特定形状特征，使得整个转轮能够有效减弱漩涡分离和动静干涉的强度，进而有效保障机组稳定性，提高机组的能量转换效率。

2、本发明，能够有效改善机组稳定性，经试验验证相比普通叶片降低压力脉动1.5％；仿生学叶片能够降低压力脉动强度，如图5所示，其对0-100％整个负荷区间的压力脉动均有改善。特别是0-50％负荷的部分负荷区域，这也是水泵水轮机压力脉动强度最为关键的区域。最大降低压力脉动1.5％，并且对压力脉动曲线而言，整个曲线很平顺，无脉动幅值数据突变现象，能够给机组的稳定运行带来积极效果。

3、本发明，能够有效改善机组S特性，经试验验证增加安全余量20m；对于水泵水轮机而言，活动导叶开度在小开度，约6-8度时的四象限曲线，如果曲线的形状不好；和空载特性曲线的交点处斜率为正，机组在该区域运行时即会出现一个扬程对应三个流量的情况，这时的机组运行很不稳定，严重时会导致机组不能安全并网。通过优化设计的仿生学叶片，在小开度的曲线形状得到了很大改善，S形曲线为正斜率的临界点的安全余量相比普通叶片增加了20m，这给机组的安全运行带来很大的好处，如图6所示。

4、本发明，能够有效改善水泵工况空化性能，经试验验证增加空化安全余量0.5％；对于水泵水轮机而言，水泵工况的空化性能直接决定着机组能否在无空化状态安全运行。对于空化而言，进口冲击是产生空化的直接原因。特别是电站设计水头变幅很大，水泵水轮机的空化会非常严重。采用仿生学叶片，能够很好的改善叶片进口的流动冲击，避免出现脱流产生的空化现象，如图7所示。对于最高扬程工况，即离水泵设计点最远的工况，空化性能最差，空化安全余量得到了很大的提高。相比普通叶片，空化安全余量由1.5％率提高到2.0％。

5、本发明，能够保持较高的能量特性，经试验验证增加加权平均效率0.4％；能量特性是机组的重要属性，直接影响着电站的收益。如图8所示，通过使用仿生学叶片，叶片进口的冲击得到了很好的改善，出口的脱流也被抑制；无叶区的动静干涉强度被有效约束，因此机组的能量指标也得到了提高。相比普通叶片，加权平均效率提高了0.4％。

6、本发明，n段圆弧的半径R_n通过转轮的叶片进口冲击程度、叶片脱流强度、漩涡分离程度、水头H_th、轴面速度C_m、圆周速度C_u、圆弧所在半径处叶片包角φ_i和圆弧所在半径处几何安放角β_i按式1进行计算；m段圆弧的半径r_m通过叶片和活动导叶动静干涉的激烈程度引起的压力脉动强度ΔH、控制叶片和活动导叶之间无叶区的漩涡分离强度Ω、水头H_th、轴面速度C_m、圆周速度C_u和圆弧所在半径处几何安放角β_i按式2进行计算；使得整个转轮呈翼型设计，且翼型形状的给定是经过了严格的公式计算获得，能够进一步保障机组稳定性，提高机组的能量转换效率。

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为本发明转轮的结构示意图；

图3为叶片头部示意图；

图4为叶片尾部示意图；

图5为仿生学叶片与普通叶片压力脉动对比图；

图6为仿生学叶片与普通叶片S形安全余量对比图；

图7为仿生学叶片与普通叶片空化安全余量对比图；

图8为仿生学叶片与普通叶片效率对比图；

图中标记：1、蜗壳，2、固定导叶，3、活动导叶，4、转轮，5、尾水管，6、上冠，7、下环，8、叶片。

具体实施方式

实施例1

参见图1-图4，一种仿生学水轮机，包括蜗壳1、固定导叶2、活动导叶3、转轮4和尾水管5，转轮4位于蜗壳1内的中部，转轮4绕旋转轴对称，固定导叶2和活动导叶3均分布在蜗壳1内，活动导叶3分布于转轮4的外周，固定导叶2分布于活动导叶3的外周，所述转轮4包括上冠6、下环7和连接在上冠6与下环7之间的叶片8，所述叶片8的头部为n段圆弧组成的浅仿生学形状，n段圆弧相切连接，叶片8的尾部为m段圆弧和直线组成的深仿生学形状，m段圆弧和直线相切连接，所述转轮4的进口与活动导叶3的出口相连，转轮4的出口与尾水管5相连。

“转轮包括上冠、下环和连接在上冠与下环之间的叶片，叶片的头部为n段圆弧组成的浅仿生学形状，n段圆弧相切连接，叶片的尾部为m段圆弧和直线组成的深仿生学形状，m段圆弧和直线相切连接，转轮的进口与活动导叶的出口相连，转轮的出口与尾水管相连”，较现有技术而言，结构简单，在不增加辅助装置和附属叶片的情况下，经试验验证大大改善了混流式机组或者水泵水轮机的稳定性，提高机组安全稳定运行特性。叶片的这种特定形状特征，使得整个转轮能够有效减弱漩涡分离和动静干涉的强度，进而有效保障机组稳定性，提高机组的能量转换效率。

实施例2

参见图1-图5，一种仿生学水轮机，包括蜗壳1、固定导叶2、活动导叶3、转轮4和尾水管5，转轮4位于蜗壳1内的中部，转轮4绕旋转轴对称，固定导叶2和活动导叶3均分布在蜗壳1内，活动导叶3分布于转轮4的外周，固定导叶2分布于活动导叶3的外周，所述转轮4包括上冠6、下环7和连接在上冠6与下环7之间的叶片8，所述叶片8的头部为n段圆弧组成的浅仿生学形状，n段圆弧相切连接，叶片8的尾部为m段圆弧和直线组成的深仿生学形状，m段圆弧和直线相切连接，所述转轮4的进口与活动导叶3的出口相连，转轮4的出口与尾水管5相连。

所述叶片8为9个，9个叶片8沿上冠6和下环7的圆周均匀分布。

能够有效改善机组稳定性，经试验验证相比普通叶片降低压力脉动1.5％；仿生学叶片能够降低压力脉动强度，如图5所示，其对0-100％整个负荷区间的压力脉动均有改善。特别是0-50％负荷的部分负荷区域，这也是水泵水轮机压力脉动强度最为关键的区域。最大降低压力脉动1.5％，并且对压力脉动曲线而言，整个曲线很平顺，无脉动幅值数据突变现象，能够给机组的稳定运行带来积极效果。

实施例3

参见图1-图6，一种仿生学水轮机，包括蜗壳1、固定导叶2、活动导叶3、转轮4和尾水管5，转轮4位于蜗壳1内的中部，转轮4绕旋转轴对称，固定导叶2和活动导叶3均分布在蜗壳1内，活动导叶3分布于转轮4的外周，固定导叶2分布于活动导叶3的外周，所述转轮4包括上冠6、下环7和连接在上冠6与下环7之间的叶片8，所述叶片8的头部为n段圆弧组成的浅仿生学形状，n段圆弧相切连接，叶片8的尾部为m段圆弧和直线组成的深仿生学形状，m段圆弧和直线相切连接，所述转轮4的进口与活动导叶3的出口相连，转轮4的出口与尾水管5相连。

所述叶片8为9个，9个叶片8沿上冠6和下环7的圆周均匀分布。

所述n段圆弧的半径为R₁，R₂……R_n，直线高度为叶片8高度的10％。

能够有效改善机组S特性，经试验验证增加安全余量20m；对于水泵水轮机而言，活动导叶开度在小开度，约6-8度时的四象限曲线，如果曲线的形状不好；和空载特性曲线的交点处斜率为正，机组在该区域运行时即会出现一个扬程对应三个流量的情况，这时的机组运行很不稳定，严重时会导致机组不能安全并网。通过优化设计的仿生学叶片，在小开度的曲线形状得到了很大改善，S形曲线为正斜率的临界点的安全余量相比普通叶片增加了20m，这给机组的安全运行带来很大的好处，如图6所示。

实施例4

参见图1-图7，一种仿生学水轮机，包括蜗壳1、固定导叶2、活动导叶3、转轮4和尾水管5，转轮4位于蜗壳1内的中部，转轮4绕旋转轴对称，固定导叶2和活动导叶3均分布在蜗壳1内，活动导叶3分布于转轮4的外周，固定导叶2分布于活动导叶3的外周，所述转轮4包括上冠6、下环7和连接在上冠6与下环7之间的叶片8，所述叶片8的头部为n段圆弧组成的浅仿生学形状，n段圆弧相切连接，叶片8的尾部为m段圆弧和直线组成的深仿生学形状，m段圆弧和直线相切连接，所述转轮4的进口与活动导叶3的出口相连，转轮4的出口与尾水管5相连。

所述叶片8为9个，9个叶片8沿上冠6和下环7的圆周均匀分布。

所述n段圆弧的半径为R₁，R₂……R_n，直线高度为叶片8高度的25％。

所述m段圆弧的半径为r₁，r₂……r_m，直线高度为叶片8高度的20％。

能够有效改善水泵工况空化性能，经试验验证增加空化安全余量0.5％；对于水泵水轮机而言，水泵工况的空化性能直接决定着机组能否在无空化状态安全运行。对于空化而言，进口冲击是产生空化的直接原因。特别是电站设计水头变幅很大，水泵水轮机的空化会非常严重。采用仿生学叶片，能够很好的改善叶片进口的流动冲击，避免出现脱流产生的空化现象，如图7所示。对于最高扬程工况，即离水泵设计点最远的工况，空化性能最差，空化安全余量得到了很大的提高。相比普通叶片，空化安全余量由1.5％率提高到2.0％。

实施例5

参见图1-图8，一种仿生学水轮机，包括蜗壳1、固定导叶2、活动导叶3、转轮4和尾水管5，转轮4位于蜗壳1内的中部，转轮4绕旋转轴对称，固定导叶2和活动导叶3均分布在蜗壳1内，活动导叶3分布于转轮4的外周，固定导叶2分布于活动导叶3的外周，所述转轮4包括上冠6、下环7和连接在上冠6与下环7之间的叶片8，所述叶片8的头部为n段圆弧组成的浅仿生学形状，n段圆弧相切连接，叶片8的尾部为m段圆弧和直线组成的深仿生学形状，m段圆弧和直线相切连接，所述转轮4的进口与活动导叶3的出口相连，转轮4的出口与尾水管5相连。

所述叶片8为9个，9个叶片8沿上冠6和下环7的圆周均匀分布。

所述n段圆弧的半径为R₁，R₂……R_n，直线高度为叶片8高度的40％。

所述m段圆弧的半径为r₁，r₂……r_m，直线高度为叶片8高度的90％。

所述n段圆弧的半径R_n通过转轮4的叶片进口冲击程度、叶片脱流强度、漩涡分离程度、水头H_th、轴面速度C_m、圆周速度C_u、圆弧所在半径处叶片包角φ_i和圆弧所在半径处几何安放角β_i按式1进行计算；

其中，n为转速，H_th为水头，U为速度，C_m为轴面速度，C_u为圆周速度，φ_i为圆弧所在半径处叶片包角，β_i为圆弧所在半径处几何安放角，g为重力加速度。

所述m段圆弧的半径r_m通过叶片8和活动导叶3动静干涉的激烈程度引起的压力脉动强度ΔH、控制叶片8和活动导叶3之间无叶区的漩涡分离强度Ω、水头H_th、轴面速度C_m、圆周速度C_u和圆弧所在半径处几何安放角β_i按式2进行计算；

其中，n为转速，H_th为水头，U为速度，C_m为轴面速度，C_u为圆周速度，Ω为漩涡分离强度，β_i为圆弧所在半径处几何安放角，ΔH为压力脉动强度，g为重力加速度。

能够保持较高的能量特性，经试验验证增加加权平均效率0.4％；能量特性是机组的重要属性，直接影响着电站的收益。如图8所示，通过使用仿生学叶片，叶片进口的冲击得到了很好的改善，出口的脱流也被抑制；无叶区的动静干涉强度被有效约束，因此机组的能量指标也得到了提高。相比普通叶片，加权平均效率提高了0.4％。

n段圆弧的半径R_n通过转轮的叶片进口冲击程度、叶片脱流强度、漩涡分离程度、水头H_th、轴面速度C_m、圆周速度C_u、圆弧所在半径处叶片包角φ_i和圆弧所在半径处几何安放角β_i按式1进行计算；m段圆弧的半径r_m通过叶片和活动导叶动静干涉的激烈程度引起的压力脉动强度ΔH、控制叶片和活动导叶之间无叶区的漩涡分离强度Ω、水头H_th、轴面速度C_m、圆周速度C_u和圆弧所在半径处几何安放角β_i按式2进行计算；使得整个转轮呈翼型设计，且翼型形状的给定是经过了严格的公式计算获得，能够进一步保障机组稳定性，提高机组的能量转换效率。

Claims (2)

1.一种仿生学水轮机，包括蜗壳(1)、固定导叶(2)、活动导叶(3)、转轮(4)和尾水管(5)，转轮(4)位于蜗壳(1)内的中部，转轮(4)绕旋转轴对称，固定导叶(2)和活动导叶(3)均分布在蜗壳(1)内，活动导叶(3)分布于转轮(4)的外周，固定导叶(2)分布于活动导叶(3)的外周，其特征在于：所述转轮(4)包括上冠(6)、下环(7)和连接在上冠(6)与下环(7)之间的叶片(8)，所述叶片(8)的头部为n段圆弧组成的浅仿生学形状，n段圆弧相切连接，叶片(8)的尾部为m段圆弧和直线组成的深仿生学形状，m段圆弧和直线相切连接，所述转轮(4)的进口与活动导叶(3)的出口相连，转轮(4)的出口与尾水管(5)相连；所述n段圆弧的半径为R₁，R₂……R_n，直线高度为叶片(8)高度的10％-40％；所述m段圆弧的半径为r₁，r₂……r_m，直线高度为叶片(8)高度的20％-90％；所述n段圆弧的半径R_n通过转轮(4)的叶片进口冲击程度、叶片脱流强度、漩涡分离程度、水头H_th、轴面速度C_m、圆周速度C_u、圆弧所在半径处叶片包角φ_i和圆弧所在半径处几何安放角β_i按式1进行计算；

其中，n为转速，H_th为水头，U为速度，C_m为轴面速度，C_u为圆周速度，φ_i为圆弧所在半径处叶片包角，β_i为圆弧所在半径处几何安放角，g为重力加速度；

所述m段圆弧的半径r_m通过叶片(8)和活动导叶(3)动静干涉的激烈程度引起的压力脉动强度ΔH、控制叶片(8)和活动导叶(3)之间无叶区的漩涡分离强度Ω、水头H_th、轴面速度C_m、圆周速度C_u和圆弧所在半径处几何安放角β_i按式2进行计算；

其中，n为转速，H_th为水头，U为速度，C_m为轴面速度，C_u为圆周速度，Ω为漩涡分离强度，β_i为圆弧所在半径处几何安放角，ΔH为压力脉动强度，g为重力加速度。

2.根据权利要求1所述的一种仿生学水轮机，其特征在于：所述叶片(8)为9个，9个叶片(8)沿上冠(6)和下环(7)的圆周均匀分布。

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