CN113266505A - 混流式转轮及避振方法 - Google Patents

混流式转轮及避振方法 Download PDF

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CN113266505A CN202110097687.5A CN202110097687A CN113266505A CN 113266505 A CN113266505 A CN 113266505A CN 202110097687 A CN202110097687 A CN 202110097687A CN 113266505 A CN113266505 A CN 113266505A
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倪晋兵
王正伟
夏翔
桂中华
孙慧芳
杨静
张飞
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Pumped Storage Technology And Economy Research Institute Of State Grid Xinyuan Holding Co ltd
Tsinghua University
State Grid Corp of China SGCC
China Agricultural University
State Grid Xinyuan Co Ltd
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Pumped Storage Technology And Economy Research Institute Of State Grid Xinyuan Holding Co ltd
Tsinghua University
State Grid Corp of China SGCC
China Agricultural University
State Grid Xinyuan Co Ltd
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Abstract

本说明书公开一种混流式转轮及避振方法。具体地，所述混流式转轮，包括：上冠、下环以及固定于所述上冠和所述下环之间的多个叶片；所述上冠和所述下环至少一者的外缘设置有避振结构，所述避振结构相对于所述混流式转轮的轴线对称设置且被配置为调整所述混流式转轮的固有频率。利用避振结构调整所述混流式转轮的固有频率，从而避免混流式机组在运行过程中的剧烈振动，进而提高混轮式机组整体结构的稳定性。

Description

混流式转轮及避振方法
技术领域
本说明书一个或多个实施例涉及水力机械技术领域，尤其涉及一种混流式转轮及避振方法。
背景技术
混流式机组的结构紧凑，效率较高，并且能适应很宽的水头范围，是目前广泛采用的水轮机型式。运行效率、空化性能和稳定性是评价水轮机性能的主要指标。随着水轮机设计及优化技术逐渐成熟，运行效率的增长空间已经非常有限，空化性能也在一定程度上得到改善，而稳定性问题仍然突出，国内外许多电站的机组在投运之后出现了不同程度的振动。与常规水轮机组相比，水泵水轮机组的稳定性问题更加严峻。
发明内容
有鉴于此，本说明书一个或多个实施例的目的在于提出一种混流式转轮及避振方法，以解决现有技术中混流式机组稳定性不足的问题。
基于上述目的，第一方面，本说明书一个或多个实施例提供了一种混流式转轮，包括：上冠、下环以及固定于所述上冠和所述下环之间的多个叶片；所述上冠和所述下环至少一者的外缘设置有避振结构，所述避振结构相对于所述混流式转轮的轴线对称设置且被配置为调整所述混流式转轮的固有频率。
进一步地，所述避振结构位于所述上冠和/或所述下环远离所述叶片的一侧。
进一步地，所述避振结构为凸起且向远离所述叶片的方向延伸；或者，所述避振结构为凹槽且向靠近所述叶片的方向延伸。
进一步地，所述凸起或所述凹槽沿所述混流式转轮的周向延伸成环。
进一步地，所述凸起或所述凹槽靠近所述混流式转轮的轴线的侧壁倾斜设置。
进一步地，所述凸起的厚度与预设距离的比值≤0.60且≥0.125；所述凹槽的深度与预设距离的比值≤0.30且≥0.125；其中，所述预设距离为所述上冠和所述下环距离所述混流式转轮的壳体的距离。
进一步地，所述避振结构的径向长度与所述混流式转轮的半径比值≤0.075且≥0.025。
进一步地，所述避振结构可拆卸连接所述上冠和/或所述下环。
进一步地，所述上冠和所述下环上设置有卡接部，所述避振结构上设置有卡接槽，所述卡接部和所述卡接槽配合实现所述避振结构的连接。
进一步地，所述避振结构和所述上冠或所述下环一体成型。
第二方面，本说明书一个或多个实施例提供了一种混流式转轮的避振方法，包括：
获取并根据混流式转轮的运行状态信息以及对应的运行工况信息，确定所述混流式转轮发生共振时对应的运行工况；
当所述运行工况处于稳态运行工况、过渡工况的开始阶段或过渡工况的结束阶段，则于所述混流式转轮的上冠和下环至少一者的外缘设置避振结构；其中，所述避振结构通过调整所述混流式转轮的原始轮廓线改变固有频率。
进一步地，所述避振结构通过对所述上冠和/或所述下环的外缘进行修型得到。
进一步地，还包括：
根据所述运行工况，确定固有频率的变化趋势并拟定修型参数；其中，所述修型参数包括修型厚度和修型长度；
基于所述变化趋势和所述修型参数进行模态分析；
根据模态分析结果，对所述修型参数进行筛选；
根据筛选后的修型参数，对所述上冠和所述下环进行修型。
从上面所述可以看出，本说明书一个或多个实施例提供的混流式转轮，通过在上冠和下环至少一者的外缘设置避振结构且该避振结构相对于所述混流式转轮的轴线对称设置，利用避振结构调整所述混流式转轮的固有频率，从而避免混流式机组在运行过程中的剧烈振动，进而提高混轮式机组整体结构的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书一个或多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本说明书一个或多个实施例提供的混轮式转轮的结构示意图；
图2为本说明书一个或多个实施例提供的混轮式转轮的剖视图；
图3为图2中标号A部的放大图；
图4为本说明书一个或多个实施例提供的避振方法的流程示意图；
图5为本说明书一个或多个实施例提供的修型方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本说明书一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
目前，考虑到电站的经济性，水泵水轮机逐渐向高水头、高比转速、大容量的方向发展，机组重量减小，叶片越来越薄，整体和局部的刚度都越来越小，更容易发生破坏。此外，相比于在电力系统中起基荷作用的水电站每年仅需启停数次，起负荷调节作用的抽水蓄能电站每天启停次数可能有十次之多，在频繁的启停、负荷增减等暂态过程中，机组承受的非稳定水激励力更加复杂多变，对混流机组的稳定性带来极大的挑战。
转轮是水轮机和水泵水轮机的核心部件，在工作中受到复杂的水压力作用，当激振力的模态与转轮的固有模态相同时，可能发生剧烈的振动或结构失效，严重威胁机组的安全与稳定。而一般情况下，当水力机械的性能参数确定后，转轮内主流流道的形状不能随意更改。
鉴于此，本说明书的第一方面提供一种混流式转轮。具体地，请参阅图1～图3，所述混流式转轮包括：上冠1、下环2以及固定于所述上冠1和所述下环2之间的多个叶片3；所述上冠和所述下环至少一者的外缘设置有避振结构(11、21)，所述避振结构(11、21)相对于所述混流式转轮的轴线对称设置且被配置为调整所述混流式转轮的固有频率。
示例性的，图1和图2中示出了上冠1、下环2均设置有避振结构的技术方案。其中，位于上冠1的避振结构采用附图标记11表示，位于下环2的避振结构采用附图标记21表示。
由于转轮沿轴线转动的特性，对称设置所述避振结构能够保证所述转轮本身结构的均衡稳定性，避免避振结构的引入带来转动不平衡。
这里，所述避振结构能够改变所述上冠和/或所述下环的原始轮廓线，使得混流式转轮的刚度矩阵、质量矩阵发生变化，从而改变所述混流式转轮的固有频率。此外，所述避振结构也会改变所述上冠和/或所述下环与壳体(参考图2和图3中的壳体4)之间的间隙，从而引起附加质量的变化，也会引起所述混流式转轮的固有频率发生变化。
由上述实施例可见，通过在上冠和下环至少一者的外缘设置避振结构且该避振结构相对于所述混流式转轮的轴线对称设置，利用避振结构调整所述混流式转轮的固有频率，从而避免混流式转轮在机组运行过程中发生共振，避免剧烈振动，进而达到提高水力机械运行稳定性、延长其使用寿命的技术效果。
此外，通过对所述上冠和所述下环至少一者的外缘设置避振结构，能够在保持机组水力性能的基础上实现对混流式转轮的固有频率的有效改变，简单高效。
需要说明的是，本实施例的技术方案至少适用于：(1)在某个常规稳态运行工况发生剧烈振动时，通过改变所述混流式转轮的固有频率使其与运行工况的水力激励频率不同，避免共振的发生则能够有效避免剧烈振动；(2)对于过渡工况的开始阶段或过渡工况的结束阶段，使得所述混流式转轮的固有频率变大或变小使得与过渡工况的水力激励频率无交叉，则能够有效避免共振，降低剧烈振动。
作为一个可选的实施例，所述避振结构位于所述上冠和/或所述下环远离所述叶片的一侧。这样的设置，能够确保所述避振结构不会对叶片内的水流造成影响，有利于保持机组水力性能。
作为一个可选的实施例，请参阅图2和图3所示，所述避振结构为凸起且向远离所述叶片的方向延伸。
通过设置凸起，使得原始轮廓线12向外偏移，实现混流式转轮的刚度矩阵、质量矩阵发生变化，从而改变所述混流式转轮的固有频率(总体上降低固有频率)；所述凸起能够减小所述上冠1和/或下环2与壳体4之间的间隙，引起附加质量变化，进一步改变混流式转轮的固有频率。此外，所述凸起能够增加所述混流式转轮的刚度，有利于提高所述混流式转轮的结构稳定。同时，混流式转轮外缘设置凸起还可以在一定程度上减少泄漏，提高效率。
这里，所述凸起可以通过对所述上冠1和/或下环2的边缘进行加厚得到。
作为一个可替换的实施例，所述避振结构为凹槽且向靠近所述叶片的方向延伸(图中未示出)。这里，所述凹槽使得原始轮廓线12向内偏移，实现混流式转轮的刚度矩阵、质量矩阵发生变化，从而改变所述混流式转轮的固有频率(总体上增加固有频率)；所述凹槽能够增加所述上冠1和/或下环2与壳体4之间的间隙，引起附加质量变化，进一步改变混流式转轮的固有频率。所述凹槽可以通过对所述上冠1和/或下环2的边缘进行减薄得到。
作为一个可选的实施例，所述凸起或所述凹槽沿所述混流式转轮的周向延伸成环。利用环状结构实现所述混流式转轮的外缘均设置避振结构，能够方便的实现对固有频率的高效调节，能够获取更加显著的固有频率变化。
作为一个可选的实施例，所述凸起或所述凹槽靠近所述混流式转轮的轴线的侧壁倾斜设置。如图3所示，侧壁的过渡长度为l0。通过设置倾斜侧壁，使得所述混流式转轮的表面逐渐变化，以减少对水流的影响。示例性的，所述过渡长度l0＝0.0125R，其中，R为转轮半径。
如图2和图3所示，预设距离δ对应于所述上冠1和所述下环2距离所述混流式转轮的壳体4的距离。在本说明书一个或多个实施例中，所述凸起的厚度δm与预设距离δ的比值≤0.60且≥0.125；所述凹槽(图中未示出)的深度与预设距离δ的比值≤0.30且≥0.125。通过设置比值范围，能够保障所述凸起或所述凹槽结构在调整所述混流式转轮的固有频率的同时不改变所述机组的水力性能。若比值过低，则难以达到调整所述混流式转轮的固有频率的作用。如比值过大，则存在改变机组的水力性能的风险。特别是，对于凹槽来说，若比值过大将难以保障所述混流式转轮的强度。
这里，根据转轮的具体结构、应用环境、剧烈振动对应的工况等信息，本领域技术人员能够适宜的比值。
示例性的，所述凸起的厚度δm与预设距离δ的比值为0.25、0.50等。
示例性的，所述凹槽的深度与预设距离δ的比值为0.125、0.25或0.30等。
在本说明书一个或多个实施例中，所述避振结构的径向长度lm与所述混流式转轮的半径R比值≤0.075且≥0.0125。这里限定lm/R的比值，使得仅需对所述上冠1和/或所述下环2的边缘进行较小的改变，就能够有效的改变所述混流式转轮的固有频率。
无论是起基荷作用的水电站还是抽水蓄能电站，都不可能避免的受到季节因素的影响，例如流量等。基于此，不同的季节电站的工况也存在一定的差异。为了所述混流式转轮能够适不同季节的要求，在本说明书一个或多个实施例中，所述避振结构11可拆卸形成于所述上冠和/或所述下环上。
例如，所述避振结构为凸起，将所述避振结构连接于所述上冠，使得所述混流式转轮的固有频率适用于夏季流量大的工况。将避振结构由所述上冠拆下，使得所述混流式转轮的固有频率适用于冬季流量小的工况。
又如，所述避振结构为凹槽，所述混流式转轮还包括填充件，所述填充件与所述凹槽匹配。当安装填充件时，所述混流式转轮恢复原始的轮廓线，其固有频率适用于夏季流量大的工况。将拆除填充件时，露出凹槽，所述混流式转轮的固有频率适用于冬季流量小的工况。
需要说明的是，所述避振结构可以通过多种方式实现与所述上冠和/或所述下环的连接，例如卡接、螺接等。这里，本领域技术人员能够在满足强度要求的条件下，合理选择具体的连接方式，不做具体限定。
作为一个可选的实施例，所述上冠和所述下环上设置有卡接部，所述避振结构上设置有卡接槽，所述卡接部和所述卡接槽配合实现所述避振结构的连接。
采用这样的结构设置，在所述上冠和所述下环上设置有卡接部，能够保证所述上冠和所述下环的结构稳定性；将卡接槽设置于避振结构上，有利于节约成本，其原因在于：相比于卡接槽设置于上冠和下环上导致上冠和下环损坏，具有卡接槽的避振结构成本更加低廉，若发生损坏，更换避振结构的成本也更加低廉。
需要说明的是，本领域技术人员能够合理选择卡接部和卡接槽的具体结构和数量，以满足连接强度的需求，这里不做具体限定。
在本说明书一个或多个实施例中，所述避振结构和所述上冠或所述下环一体成型。通过一体成型，所述混流式转轮的制备成本低，稳定性高。
本说明书的第二方面还提供一种混流式转轮的避振方法。如图4所示，所述避振方法，包括：
S401：获取并根据混流式转轮的运行状态信息以及对应的运行工况信息，确定所述混流式转轮发生共振时对应的运行工况。
需要说明的是，混流式转轮的运行状态信息包括转速、水头、流量、振动频率等。运行工况信息能够反映设置有混流式转轮的机组的运行工况，例如处于稳态运行工况、过渡工况等。
S402：当所述运行工况处于稳态运行工况、过渡工况的开始阶段或过渡工况的结束阶段，则于所述混流式转轮的上冠和下环至少一者的外缘设置避振结构；其中，所述避振结构通过调整所述混流式转轮的原始轮廓线改变固有频率。
通过对所述上冠和所述下环至少一者的外缘设置避振结构，能够在不改变机组水力性能的基础上实现对混流式转轮的固有频率的有效改变，简单高效，从而避免混流式转轮在机组运行过程中发生共振，避免剧烈振动，进而达到提高水力机械运行稳定性、延长其使用寿命的技术效果。
可选地，所述避振结构相对于所述混流式转轮的轴线对称设置。由于转轮沿轴线转动的特性，对称设置所述避振结构能够保证所述转轮本身结构的均衡稳定性，避免避振结构的引入带来转动不平衡。
需要说明的是，共振处于稳态运行工况、过渡工况的开始阶段或过渡工况的结束阶段时，调整固有频率使其与稳态运行工况、过渡工况的振动频率偏离，就能够有效消除共振。
在本说明书一个或多个实施例中，所述避振结构通过对所述上冠和/或所述下环的外缘进行修型得到。示例性的，所述修型可以是加厚。示例性的，所述修型可以是减薄。
需要说明的是，这里的修型，对于新的上冠或者下环可以直接铸造实现。对于使用中的上冠或下环，可以通过焊接、螺接、切削等方式实现，这里不做限定。
对于不同机组、振型而言，修型的效果存在差异。因此，在本说明书一个或多个实施例，还包括：
S501：根据所述运行工况，确定固有频率的变化趋势并拟定修型参数；其中，所述修型参数包括修型厚度和修型长度。
这里，所述变化趋势包括增加固有频率或降低固有频率。
S502：基于所述变化趋势和所述修型参数进行模态分析。
需要说明的是，模态分析可以采用本领域常规的分析软件实现，这里不做限定。
S503：根据模态分析结果，对所述修型参数进行筛选。
S504：根据筛选后的修型参数，对所述上冠和所述下环进行修型。
利用模态分析方法，对修型参数进行筛选，能够确保经过修型的混流式转轮的固有频率的变化幅度适宜，保证消除共振的效果。
可选地，本说明书的避振方法适用于水轮机和水泵水轮机。
为了进一步说明本说明书的技术方案具有的有益效果，以下通过实施例具体说明。
以某个原型混流式水泵水轮机转轮为例，设置过渡段长度l0为0.0125R，修型长度比lm/R为0.05。
当凹槽深度为预设距离δ的四分之一时，混流式转轮在流道中的0节径、1节径、2节径和3节径模态的频率分别升高5.07％、4.83％、3.32％和2.77％。
当凸起厚度为预设距离δ的四分之一时，混流式转轮在流道中的0节径、1节径、2节径和3节径模态的频率分别降低5.33％、4.89％、3.34％和2.62％。
当凸起厚度为预设距离δ的二分之一时，混流式转轮在流道中的0节径、1节径、2节径和3节径模态的频率分别降低10.94％、9.81％、6.58％和5.01％。
可见，本说明书的技术方案，通过在外缘处设置避振结构，能够有效调整所述混流式转轮的固有频率。其中，低阶节径模态随厚度的变化最为显著，因此这一避振方法对于动静干涉引发的共振尤为有效。
此外，发行人还针对原型混流式水泵水轮机转轮进行了动应力计算。结果表明，在转轮外缘处进行修型(加厚或减薄)可以使得共振工况的动应力水平大大降低，进而明显提高机组的运行稳定性和安全运行寿命。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本说明书一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。
本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混流式转轮，其特征在于，包括：上冠、下环以及固定于所述上冠和所述下环之间的多个叶片；所述上冠和所述下环至少一者的外缘设置有避振结构，所述避振结构相对于所述混流式转轮的轴线对称设置且被配置为调整所述混流式转轮的固有频率。
2.根据权利要求1所述的混流式转轮，其特征在于，所述避振结构位于所述上冠和/或所述下环远离所述叶片的一侧。
3.根据权利要求2所述的混流式转轮，其特征在于，所述避振结构为凸起且向远离所述叶片的方向延伸；或者，所述避振结构为凹槽且向靠近所述叶片的方向延伸。
4.根据权利要求3所述的混流式转轮，其特征在于，所述凸起的厚度与预设距离的比值小于等于0.60且大于等于0.125；所述凹槽的深度与预设距离的比值小于等于0.30且大于等于0.125；其中，所述预设距离为所述上冠和所述下环距离所述混流式转轮的壳体的距离。
5.根据权利要求3所述的混流式转轮，其特征在于，所述避振结构的径向长度与所述混流式转轮的半径比值小于等于0.075且大于等于0.025。
6.根据权利要求3所述的混流式转轮，其特征在于，所述凸起或所述凹槽沿所述混流式转轮的周向延伸成环。
7.根据权利要求3所述的混流式转轮，其特征在于，所述凸起或所述凹槽靠近所述混流式转轮的轴线的侧壁倾斜设置。
8.一种混流式转轮的避振方法，其特征在于，包括：
获取并根据混流式转轮的运行状态信息以及对应的运行工况信息，确定所述混流式转轮发生共振时对应的运行工况；
当所述运行工况处于稳态运行工况、过渡工况的开始阶段或过渡工况的结束阶段，则于所述混流式转轮的上冠和下环至少一者的外缘设置避振结构；其中，所述避振结构通过调整所述混流式转轮的原始轮廓线改变固有频率。
9.根据权利要求8的避振方法，其特征在于，所述避振结构通过对所述上冠和/或所述下环的外缘进行修型得到。
10.根据权利要求9的避振方法，其特征在于，所述修型方法，包括：
根据所述运行工况，确定固有频率的变化趋势并拟定修型参数；其中，所述修型参数包括修型厚度和修型长度；
基于所述变化趋势和所述修型参数进行模态分析；
根据模态分析结果，对所述修型参数进行筛选；
根据筛选后的修型参数，对所述上冠和所述下环进行修型。
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