CN112360660B - 一种长短叶片型可逆式水泵水轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种长短叶片型可逆式水泵水轮机，该水泵水轮机的过流域包括依次连接的蜗壳、导叶域、转轮和尾水管；其中蜗壳内设置整流板，固定导叶与活动导叶轮廓均为对称型线，转轮叶片由若干长叶片、短叶片以相同的数量间隔均匀布置组成，长叶片骨线出口边半径与短叶片骨线出口边半径比例为2/3～2.5/3，弯肘形尾水管内设有消涡装置。本发明旨在提高水泵水轮机综合效率，并提升机组运行稳定性，其具有广阔的应用前景和推广价值，是抽水蓄能电站发展的需要，更对我国实现智能电网有重要的意义。

Description

一种长短叶片型可逆式水泵水轮机
技术领域
本发明属于水力机械技术领域，特别是涉及一种长短叶片型可逆式水泵水轮机。
背景技术
近年来新能源的蓬勃发展给电力行业注入了新活力，实现智能电网提高用电效率已成为衡量一个国家或者地区高新技术发展水平的重要依据。世界各国将智能电网作为推进产业结构调整、激发科技创新的重要方策。我国相关政策中多次强调将“区块链”作为核心技术与自主创新的重要突破口，加之相继出台了一系列扶持政策，使得提高电网经济可靠性成为当下能源、电力等行业大力发展规划之事。
抽水蓄能电站不仅为新能源的发展保驾护航，其因是清洁能源的利用对环境冲击较小，并且具有相对成熟的技术而备受青睐，在实现智能电网进程中起到重要作用。抽蓄电站的关键之一在于机组性能，主要指标包含发电工况与抽水工况的综合效率、水泵水轮机运行安全稳定性等，影响上述性能的具体表现在于水泵水轮机内流场特性。可逆式水泵水轮机是当下水力发电行业研究的重点所在，其在向高水头、大容量、高效率发展的同时，也对机组运行稳定性、可靠性、安全性提出了更高的要求。
传统型水泵水轮机采用全长叶片，水轮机工况出口段形成“假射流”形态，且尾水管进水段涡旋强度较大；水泵工况为扩散型流道，叶间流道内相对速度逐渐减小，阻力越来越大，水力损失增加等使得泵工况效率较低，且蜗壳内会有紊流现象。此外传统型全长叶片转轮抗气蚀能力相对较低，尤其在叶片宽边区域。中国专利申请201110183170. 4公开了一种混流式水泵水轮机长短叶片转轮，其长叶片与短叶片采用不同叶型参数，使得转轮加工成本高，此外转轮直径缩小意味着对应导叶、蜗壳、尾水管过流域，甚至引水系统等所有尺寸均需改变，不利于对现有机组已有部件的利用。中国专利申请201310704054.1公开了一种混流式水泵水轮机，其采用了三种不同长度的叶片以减小转轮内漩涡，但三叶片布置结构复杂造价高，且最短叶片与最长叶片之间过窄间距明显会降低转轮过流能力。
综上所述，为提高可逆式水泵水轮机综合效率及内流场稳定性，从结构上改良机组运行特性是当下国内外学者研究的热点课题。寻找新思路提高水轮机与水泵两工况下运行效率，并且改善非设计工况及过渡工况水泵水轮机内流非稳定性，且结构上改良方策需满足容易加工制造、成本低等要求，已成为当下水力机械领域探究的重要方向。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术所存在的不足而提供一种长短叶片型可逆式水泵水轮机，其能够在实现发电工况与抽水工况高效运行的基础上，解决水泵水轮机内流场涡旋难题以提高机组运行安全稳定性。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种长短叶片型可逆式水泵水轮机，该水泵水轮机的过流域包括依次连接的蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮以及尾水管；其中转轮由上冠、下环、泄水锥，以及若干间隔均布的长叶片、短叶片组成，且长叶片、短叶片为空间三维扭曲曲面，沿转轮轴向将长叶片均分截取五个叶型轮廓面，该五个叶型轮廓面对应的十条曲线拟合后方程如下：
截面Ⅰ：
A:z=-207.1-3.299x+3.46y-0.01535x2+0.03904xy-0.008126y2+4.136e-05x3+1.296e-05x2y-5.554e-05xy2-5.956e-05y3
B:z=-720.7-15.47x+14.35y-0.06848x2+0.2054xy-0.07058y2+0.0002522x3+0.0001946x2y-0.0005055xy2-9.902e-06y3
截面Ⅱ：
C:z=-183.9-3.029x+2.57y-0.007774x2+0.02588xy+0.00234y2+0.0001076x3-8.334e-05x2y+3.534e-05xy2-9.542e-05y3
D:z=-501.2-11.32x+8.98y-0.0428x2+0.131xy-0.02365y2+0.0003475x3-8.072e-05x2y-0.000153xy2-0.0001541y3
截面Ⅲ：
E:z=-98.26-1.424x+0.8046y+0.002057x2-0.0007395xy+0.01275y2+0.0001381x3-0.0001596x2y+0.0001379xy2-0.0001061y3
F:z=-244.2-4.688x+2.568y+0.006958x2+0.01998xy+0.02768y2+0.0004022x3-0.0004772x2y+0.0002985xy2-0.000281y3
截面Ⅳ：
G:z=15.72+1.106x-0.3595y+0.006773x2-0.02043xy+0.00335y2+3.61e-05x3-7.486e-05x2y+9.572e-05xy2-9.041e-06y3
H:z=-29.91+0.6479x-1.006y+0.02648x2-0.03599xy+0.03011y2+0.0001793x3-0.0003759x2y+0.0003029xy2-0.0001651y3
截面V：
I:z=-25.1-0.1221x+0.07917y+0.00672x2-0.002571xy+0.005825y2+1.673e-05x3-6.653e-05x2y+3.16e-05xy2-3.295e-05y3
J:z=-13.91+0.2795x-0.2492y+0.01228x2-0.01353xy+0.01155y2+7.472e-05x3-0.0001645x2y+0.0001146xy2-6.645e-05y3。
本发明进一步的改进在于，短叶片与长叶片叶型一致，长叶片骨线出口边半径RL与短叶片骨线出口边半径RS比例为2/3，长叶片、短叶片个数相等，分别为6~8个。
本发明进一步的改进在于，蜗壳曲面面积值绕圆周方向变化趋势方程为：A=-0.1646d+78.329，其中，A为蜗壳截面面积，d为圆周方向角度，其包角为315°～345°。
本发明进一步的改进在于，蜗壳内置有整流板，整流板按圆周方向布置，整流板安装位置起点为隔舌点向大径方向γ=10~15度，整流板的个数为5~6个，相邻整流板两两相距角度α为30~40度。
本发明进一步的改进在于，整流板轴向高度B1为整流板中线所在蜗壳截面半径，整流板骨线距蜗壳内侧圆周边距离为蜗壳最外侧与内侧半径差值的1/2~2/3，整流板周向弧长角度β为30~35度，整流板厚度B2近似等于转轮叶片最大厚度。
本发明进一步的改进在于，固定导叶的导叶轮廓线为对称鲸型，导叶个数为20个，其型线K方程为：y=-1e-09x6-1e-06x5-0.0004x4-0.0612x3-5.8749x2-298.3x-6109.9。
本发明进一步的改进在于，活动导叶的导叶轮廓线为对称鲸型，导叶个数为20个，其型线L方程为：y=-2e-08x6-1e-05x5-0.0031x4-0.4426x3-38.873x2-1458.2x-25156。
本发明进一步的改进在于，尾水管带有消涡装置，其安装位置在尾水管直锥段靠近转轮侧1/2~2/3段，包括内圈空心圆锥体，套装在内圈空心圆锥体内的Y型架以及连接在内圈空心圆锥体与尾水管之间的外圈支架，外圈支架用于消除尾水管管壁相对较弱涡旋流，内圈空心圆锥体与Y型架用于削弱涡核。
本发明进一步的改进在于，消涡装置的外圈支架、内圈空心圆锥体以及Y型架三者的厚度B5与尾水管壁厚相等，外圈支架个数为3~4个，一侧焊接于尾水管内壁，另一侧与内圈空心圆锥体连接。
本发明进一步的改进在于，内圈空心圆锥体外壁与外圈支架连接，其半径Rz为尾水管连接转轮侧半径Rw的1/3~2/3，其内侧镶焊Y型架。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
第一，本发明提出的长短叶片在转轮内间隔均布，通过CFD计算验证表明该复合型转轮改善了水泵水轮机内流场特性，提高了水泵水轮机综合效率及空化性能；短叶片实质为长叶片的部分，在相同模具对应位置加工即可，降低了机组整体造价。
第二，本发明提出的带整流板的蜗壳与带消涡装置的尾水管，整流板和消涡装置结构简单易于安装，分别改善了抽水和发电工况出流稳定性，进而提高了水泵水轮机的运行稳定性。
附图说明
图1为本发明提出的一种长短叶片型可逆式水泵水轮机结构示意图。
图2为复合型转轮俯视图。
图3为转轮长叶片截面图。
图4为对称型固定导叶型线示意图。
图5为对称型活动导叶型线示意图。
图6为蜗壳内整流板示意图。
图7为直锥段尾水管内消涡装置结构示意图。
图8为消涡装置尺寸示意图。
附图标记说明：
1-蜗壳，2-固定导叶，3-活动导叶，4-转轮，5-长叶片，6-短叶片，7-尾水管，8-整流板，9-消涡装置。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的详细说明。
如图1-5所示，是本发明提出的一种长短叶片型可逆式水泵水轮机，包括依次连接的蜗壳1，固定导叶2，活动导叶3，带长叶片5和短叶片6的转轮4，以及尾水管7。蜗壳1截面为圆形，靠近尾部采用椭圆形截面，以便与高度不变的座环蝶形边相接，蜗壳1包角为315°～345°，蜗壳内置整流板8。固定导叶2和活动导叶3分别以单列环形方式均布，导叶个数均为20个。转轮4包含数量相等的长叶片5、短叶片6，叶片曲面为空间三维扭曲面，短叶片骨线出口边半径RS与长叶片骨线出口边半径RL比值为2/3。尾水管7包含直锥段、弯肘段和扩散段，其中直锥段尾水管内设消涡装置9。消涡装置9包括内圈空心圆锥体11，套装在内圈空心圆锥体11内的Y型架12以及连接在内圈空心圆锥体11与尾水管7之间的外圈支架10，外圈支架10用于消除尾水管管壁相对较弱涡旋流，内圈空心圆锥体11与Y型架12用于削弱涡核。
如图3所示，所述长叶片五个截面型线方程如下：
截面Ⅰ：
A:z=-207.1-3.299x+3.46y-0.01535x2+0.03904xy-0.008126y2+4.136e-05x3+1.296e-05x2y-5.554e-05xy2-5.956e-05y3
B:z=-720.7-15.47x+14.35y-0.06848x2+0.2054xy-0.07058y2+0.0002522x3+0.0001946x2y-0.0005055xy2-9.902e-06y3
截面Ⅱ：
C:z=-183.9-3.029x+2.57y-0.007774x2+0.02588xy+0.00234y2+0.0001076x3-8.334e-05x2y+3.534e-05xy2-9.542e-05y3
D:z=-501.2-11.32x+8.98y-0.0428x2+0.131xy-0.02365y2+0.0003475x3-8.072e-05x2y-0.000153xy2-0.0001541y3
截面Ⅲ：
E:z=-98.26-1.424x+0.8046y+0.002057x2-0.0007395xy+0.01275y2+0.0001381x3-0.0001596x2y+0.0001379xy2-0.0001061y3
F:z=-244.2-4.688x+2.568y+0.006958x2+0.01998xy+0.02768y2+0.0004022x3-0.0004772x2y+0.0002985xy2-0.000281y3
截面Ⅳ：
G:z=15.72+1.106x-0.3595y+0.006773x2-0.02043xy+0.00335y2+3.61e-05x3-7.486e-05x2y+9.572e-05xy2-9.041e-06y3
H:z=-29.91+0.6479x-1.006y+0.02648x2-0.03599xy+0.03011y2+0.0001793x3-0.0003759x2y+0.0003029xy2-0.0001651y3
截面V：
I:z=-25.1-0.1221x+0.07917y+0.00672x2-0.002571xy+0.005825y2+1.673e-05x3-6.653e-05x2y+3.16e-05xy2-3.295e-05y3
J:z=-13.91+0.2795x-0.2492y+0.01228x2-0.01353xy+0.01155y2+7.472e-05x3-0.0001645x2y+0.0001146xy2-6.645e-05y3
本发明的实现原理是：
本发明提出的一种长短叶片型可逆式水泵水轮机，是在水轮机工况下运行时将水流的能量转换为机械能，水泵工况下运行时将机械能转换为水能的装置。（1）水轮机工况工作原理：水流经蜗壳1后进入固定导叶2以及固定导叶3，在导叶域形成一定环量后进入转轮4，部分水流能在转轮内转换为机械能后，通过尾水管7出流，其中尾水管7内设消涡装置9。由于转轮的旋转势必在尾水管进水段形成涡旋，尤其对于非设计工况及瞬态工况，消涡装置9的外圈支架10一方面用于支撑内圈空心直锥段11，另一方面用于消除靠近尾水管旋壁流的旋向；空心直锥段11内焊Y型架12，二者共同用于削减尾水管进水端涡核并起到整定出流的作用。（2）水泵工况工作原理：水流以一定的速度从尾水管7进入转轮4，转轮4对水流进行作功后，水流到达活动导叶域再到固定导叶4，最后经蜗壳1出流。蜗壳1内置整流板8，由于水泵工况为扩散型流道，蜗壳1内流态较为紊乱，整流板8用于整定出流以减小蜗壳内水力损失。
实施例
转轮4包含长叶片5和短叶片6各7个，且长短叶片出口边骨线半径比为2/3。转轮长叶片5为三维扭曲曲面，从轴向按骨线方向均分五个截面，虚线所示为各截面叶片所在型线。
金属蜗壳1截面为圆型，靠近尾部采用椭圆形截面，蜗壳曲面面积值绕圆周方向变化趋势方程为：A=-0.1646d+78.329，其中，A为蜗壳截面面积，d为圆周方向角度，其包角为342°。
蜗壳1内设5个整流板8，其安装在隔舌点向蜗壳大径方向21度起，两两整流板之间相距30度。
固定导叶2、活动导叶3分别沿圆周方向均布各20个，导叶轮廓为对称鲸型，固定导叶型线K方程为：y=-1e-09x6-1e-06x5-0.0004x4-0.0612x3-5.8749x2-298.3x-6109.9；活动导叶型线L方程为：y=-2e-08x6-1e-05x5-0.0031x4-0.4426x3-38.873x2-1458.2x-25156。
尾水管7内设有消涡装置9，外圈支架10共3个，与空心圆锥段11内的Y型架12在对应位置上同面。
通过理论分析、水力计算和CFD数值模拟验证，结果表明本发明长短叶片布置不仅提高了水泵水轮机综合效率，且减轻了各运行工况下流道内涡旋非稳定现象。水轮机工况尾水管内消涡装置阻止了转轮出口涡带的进一步扩散，从而提高了尾水管能量恢复系数；蜗壳内整流板整定了水泵工况紊乱出流，增强了整个水泵水轮机的运行安全稳定性。此外，转轮内设置长短叶片使得叶片受力面积倍增，从而单叶片承受荷载降低，从刚度及强度的角度提高了转轮的可靠性。
本发明的具体实施中未涉及的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种长短叶片型可逆式水泵水轮机的技术思想的具体支持，不能以此来限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (6)

1.一种长短叶片型可逆式水泵水轮机，其特征在于，该水泵水轮机的过流域包括依次连接的蜗壳（1）、固定导叶（2）、活动导叶（3）、转轮（4）以及尾水管（7）；其中转轮（4）由上冠、下环、泄水锥，以及若干间隔均布的长叶片（5）、短叶片（6）组成，且长叶片（5）、短叶片（6）为空间三维扭曲曲面，沿转轮轴向将长叶片（5）均分截取五个叶型轮廓面，该五个叶型轮廓面对应的十条曲线拟合后方程如下：
截面Ⅰ：
A:z=-207.1-3.299x+3.46y-0.01535x2+0.03904xy-0.008126y2+4.136e-05x3+1.296e-05x2y-5.554e-05xy2-5.956e-05y3
B:z=-720.7-15.47x+14.35y-0.06848x2+0.2054xy-0.07058y2+0.0002522x3+0.0001946x2y-0.0005055xy2-9.902e-06y3
截面Ⅱ：
C:z=-183.9-3.029x+2.57y-0.007774x2+0.02588xy+0.00234y2+0.0001076x3-8.334e-05x2y+3.534e-05xy2-9.542e-05y3
D:z=-501.2-11.32x+8.98y-0.0428x2+0.131xy-0.02365y2+0.0003475x3-8.072e-05x2y-0.000153xy2-0.0001541y3
截面Ⅲ：
E:z=-98.26-1.424x+0.8046y+0.002057x2-0.0007395xy+0.01275y2+0.0001381x3-0.0001596x2y+0.0001379xy2-0.0001061y3
F:z=-244.2-4.688x+2.568y+0.006958x2+0.01998xy+0.02768y2+0.0004022x3-0.0004772x2y+0.0002985xy2-0.000281y3
截面Ⅳ：
G:z=15.72+1.106x-0.3595y+0.006773x2-0.02043xy+0.00335y2+3.61e-05x3-7.486e-05x2y+9.572e-05xy2-9.041e-06y3
H:z=-29.91+0.6479x-1.006y+0.02648x2-0.03599xy+0.03011y2+0.0001793x3-0.0003759x2y+0.0003029xy2-0.0001651y3
截面V：
I:z=-25.1-0.1221x+0.07917y+0.00672x2-0.002571xy+0.005825y2+1.673e-05x3-6.653e-05x2y+3.16e-05xy2-3.295e-05y3
J:z=-13.91+0.2795x-0.2492y+0.01228x2-0.01353xy+0.01155y2+7.472e-05x3-0.0001645x2y+0.0001146xy2-6.645e-05y3；
短叶片（6）与长叶片（5）叶型一致，长叶片骨线出口边半径RL与短叶片骨线出口边半径RS比例为2/3，长叶片（5）、短叶片（6）个数相等，分别为6~8个；
蜗壳（1）截面面积值绕圆周方向变化趋势方程为：A=-0.1646d+78.329，其中，A为蜗壳截面面积，d为圆周方向角度，其包角为315°～345°；
蜗壳（1）内置有整流板（8），整流板（8）按圆周方向布置，整流板（8）的个数为5~6个，相邻整流板两两相距角度α为30~40度；
整流板（8）轴向高度B1等于整流板中线所在蜗壳截面半径，整流板骨线距蜗壳内侧圆周边距离为蜗壳最外侧与内侧半径差值的1/2~2/3，整流板周向弧长角度β为30~35度，整流板厚度B2近似等于转轮叶片最大厚度。
2.根据权利要求1所述的一种长短叶片型可逆式水泵水轮机，其特征在于，固定导叶（2）的导叶轮廓线为对称鲸型，导叶个数为20个，其型线K方程为：y=-1e-09x6-1e-06x5-0.0004x4-0.0612x3-5.8749x2-298.3x-6109.9。
3.根据权利要求1所述的一种长短叶片型可逆式水泵水轮机，其特征在于，活动导叶（3）的导叶轮廓线为对称鲸型，导叶个数为20个，其型线L方程为：y=-2e-08x6-1e-05x5-0.0031x4-0.4426x3-38.873x2-1458.2x-25156。
4.根据权利要求1所述的一种长短叶片型可逆式水泵水轮机，其特征在于，尾水管（7）带有消涡装置（9），其安装位置在尾水管直锥段靠近转轮侧1/2~2/3段，包括内圈空心圆锥体（11），套装在内圈空心圆锥体（11）内的Y型架（12）以及连接在内圈空心圆锥体（11）与尾水管（7）之间的外圈支架（10），外圈支架（10）用于消除尾水管管壁相对较弱涡旋流，内圈空心圆锥体（11）与Y型架（12）用于削弱涡核。
5.根据权利要求4所述的一种长短叶片型可逆式水泵水轮机，其特征在于，消涡装置（9）的外圈支架（10）、内圈空心圆锥体（11）以及Y型架（12）三者的厚度B5与尾水管壁厚相等，外圈支架（10）个数为3~4个，一侧焊接于尾水管内壁，另一侧与内圈空心圆锥体（11）连接。
6.根据权利要求4所述的一种长短叶片型可逆式水泵水轮机，其特征在于，内圈空心圆锥体（11）外壁与外圈支架（10）连接，其半径Rz为尾水管连接转轮侧半径Rw的1/3~2/3，其内侧镶焊Y型架（12）。
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