CN115081138A - 改善水泵水轮机运行稳定性的导叶设计方法和水泵水轮机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善水泵水轮机运行稳定性的导叶设计方法和水泵水轮机，其特征在于，对水泵水轮机的活动导叶进行以下两方面的优化：1)通过分析座头鲸鳍状肢截面实测数据，以EPPLER 1214为基础翼型构建活动导叶，相比以传统NACA翼型为基础构建的活动导叶，新导叶能够有效改善水泵水轮机的反S特性；2)参照座头鲸鳍状肢前缘突起结构，在以EPPLER 1214翼型为基础生成的仿生导叶前缘处设置2‑3个突起，前缘突起能够有效减轻水泵水轮机无叶区低频压力脉动。本发明能够有效改善水泵水轮机的反S形特性，提高运行稳定性。
Description
技术领域
本发明属于流体机械及工程设备技术领域，具体涉及改善水泵水轮机运行稳定性的导叶设计方法和水泵水轮机。
背景技术
抽水蓄能作为电力系统中可灵活调节的绿色清洁能源，在与风电、光伏等配合、保障电网安全稳定运行中起到至关重要的作用。在实现“双碳”目标的大背景下，我国在规划中明确了加速发展抽水蓄能的目标。抽水蓄能电站的核心设备是水泵水轮机，其安全稳定运行便显得尤为重要，而目前的水泵水轮机性能曲线存在着较明显的反S区，这意味着水泵水轮机在变工况运行过程中稳定性较差，并引发强烈的压力脉动，会妨碍机组并网，严重时造成机组结构损伤破坏。我国的抽水蓄能电站已发生多起安全事故。
水泵水轮机的内部流场十分复杂，其反S形特征形成的机理尚未完全得到解释。一些工程措施例如采用非同步导叶可以改善反S特性，但导叶非同步开启会导致水轮机入流的不平衡，导致局部压力脉动增大，噪声和振动等问题加剧，降低了机组的疲劳强度，同时，单独的控制系统增加了机组的运行、维护成本。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种改善水泵水轮机在反S区运行稳定性的活动导叶设计方法和导叶结构。该方法是通过对水泵水轮机运行在反S区的流动机理的详细分析后提出的，采用该方法的水泵水轮机能够有效改善其反S形特性，提高运行稳定性。
本发明的上述目的主要是通过以下技术方案得以解决的：
一种改善水泵水轮机运行稳定性的导叶设计方法，其特征在于，采用与座头鲸鳍状肢截面形状相似的翼型作为活动导叶的基础翼型生成仿生导叶，参照座头鲸鳍状肢前缘突起结构，在仿生导叶前缘设置突起。
进一步地，前缘设有突起的仿生导叶具有以下特征，具体包括：
1)用EPPLER 1214翼型替代原始活动导叶的基础翼型，将EPPLER 1214 翼型等比例缩放使其弦长与原始活动导叶的弦长一致；
2)在以EPPLER 1214翼型为基础生成的仿生导叶前缘设置突起：其中所述突起形状与正弦波相近，则仿生导叶前缘满足如下公式：
式中，s为活动导叶展向长度；n为导叶前缘上突起的个数，设流向为X 轴方向，活动导叶的展向方向为Z轴方向，坐标原点为活动导叶前缘边的中点， x为活动导叶前缘在X轴上的坐标值，z为活动导叶前缘在Z轴方向上的坐标值，λ为波长。
进一步地，振幅A＝0.0294c～0.0343c，波长λ＝0.2303c～0.3161c，其中c为翼型弦长。
进一步地，导叶前缘上突起的个数n＝2或3。
一种水泵水轮机，其特征在于：
具有参考座头鲸鳍状肢形状结构设计的仿生活动导叶。
进一步地，其中，前缘设有突起的仿生导叶具有以下特征，具体包括：
1)用EPPLER 1214翼型替代原始活动导叶的基础翼型，将EPPLER 1214 翼型等比例缩放使其弦长与原始活动导叶的弦长一致；
2)在以EPPLER 1214翼型为基础生成的仿生导叶前缘设置突起：其中所述突起形状与正弦波相近，则仿生导叶前缘满足如下公式：
式中，s为活动导叶展向长度；n为导叶前缘上突起的个数，设流向为X 轴方向，活动导叶的展向方向为Z轴方向，坐标原点为活动导叶前缘边的中点， x为活动导叶前缘在X轴上的坐标值，z为活动导叶前缘在Z轴方向上的坐标值，λ为波长。
进一步地，振幅A＝0.0294c～0.0343c，波长λ＝0.2303c～0.3161c，其中c为翼型弦长。
进一步地，所述导叶前缘上突起的个数n＝2或3。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的提出是建立在对水泵水轮机反S区典型工况下的内部流动进行详细定性和定量分析基础之上的，技术方案具有可靠的理论和数据支撑。
(2)本发明中的水泵水轮机采用以EPPLER 1214翼型为基础构建的活动导叶，与安装原型活动导叶的水泵水轮机相比，能够有效的改善水泵水轮机的运行稳定性。
(3)进一步在以EPPLER 1214翼型为基础所构建的活动导叶前缘设置突起，能够有效减轻水泵水轮机无叶区低频压力脉动。
附图说明
图1为本发明实施例中涉及的以EPPLER 1214翼型为基础构建的活动导叶的立体结构示意图；
图2为本发明实施例中涉及的以EPPLER 1214翼型为基础构建的仿生活动导叶的平面结构示意图；
图3为本发明实施例中涉及的设置了前缘突起的活动导叶的立体结构示意图；
图4为本发明实施例中涉及的设置了前缘突起的活动导叶的平面结构示意图；
图5为本发明实施例中涉及的水泵水轮机的立体结构示意图；
图6为本发明实施例中涉及的原型活动导叶与以EPPLER 1214翼型为基础构建的活动导叶的水泵水轮机外特性曲线图；
图7为设置前缘突起之前(a)和之后(b)活动导叶表面附近压力脉动的频域图。
图中各部件标号如下：
10-以EPPLER 1214为基础构建的活动导叶；20-设置了前缘突起的活动导叶；30-固定导叶；40-水轮机转轮；100-水泵水轮机。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
本实施例中以某抽水蓄能电站水泵水轮机的模型机组为研究对象，在水泵水轮机中，已知原型活动导叶的弦长为83.51mm，展向高度为66.72mm。则可知以EPPLER 1214为基础构建的活动导叶弦长c＝83.51mm，展向高度为 s＝66.72mm。构建以EPPLER 1214为基础构建的活动导叶10，如图1所示。分别对具有原型导叶和具有以EPPLER 1214为基础构建的活动导叶10的水泵水轮机进行数值计算，得到如图6所示的外特性结果。可以看到采用原型导叶的水泵水轮机当单位流量Q11小于307.33l/s时，这一段曲线的斜率为正，外特性曲线存在着明显的反S特性，水轮机运行在单位转速为68.90-70.85rpm区间时会进入不稳定的状态。当水泵水轮机采用活动导叶10后反S特性明显改善，提高了运行的稳定性。
在以EPPLER 1214为基础构建的活动导叶10的基础上，参考座头鲸鳍状肢前侧突起结构在以EPPLER 1214为基础构建的活动导叶10前缘设置两个突起，构建设置了前缘突起的活动导叶20，具体方法为：
分析座头鲸鳍状肢原始数据，认为突起形状与正弦波相近，本实施例中，选择振幅A＝0.0318c，波长λ＝0.2524c，其中c为翼型的弦长；s为活动导叶展向长度；n为导叶前缘上突起的个数，数值为2或3。如图2所示，设流向为X 轴方向，活动导叶的展向方向为Z轴方向，坐标原点为活动导叶前缘边的中点， x为活动导叶前缘在X轴上的坐标值，z为活动导叶前缘在Z轴方向上的坐标值，则活动导叶前缘满足如下公式：
现已知活动导叶的弦长为83.51mm，展向高度为66.72mm，便可以求得活动导叶前缘突起的数值，构建设置了前缘突起的活动导叶20，如图3和图4所示。
如图5所示，分别将以EPPLER 1214为基础构建的活动导叶10和设置了前缘突起的活动导叶20安装在水泵水轮机100中围绕水轮机转轮40设置，在活动导叶20外围设置有固定导叶30。计算水泵水轮机运行在反S区典型工况下的内部流动情况，监测无叶区靠近活动导叶表面附近的压力脉动，得到图7 所示的结果。可以发现当导叶前缘设置突起后，低频段(频率小于50Hz)压力脉动幅值由6255.16Pa降至4538.71Pa，降幅为27.44％；高频段(频率大于120Hz) 压力脉动幅值变化不大，由7167.98Pa降至6915.10Pa，降幅为3.53％。因此可知活动导叶前缘突起能够有效减弱水泵水轮机无叶区内低频压力脉动。
以上实施例仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的改善水泵水轮机运行稳定性的方法和水泵水轮机并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。
本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (8)
1.一种改善水泵水轮机运行稳定性的导叶设计方法，其特征在于：采用与座头鲸鳍状肢截面形状相似的翼型作为活动导叶的基础翼型生成仿生导叶，参照座头鲸鳍状肢前缘突起结构，仿生导叶前缘设置突起。
2.根据权利要求1所述的一种改善水泵水轮机运行稳定性的导叶设计方法，其特征在于：
1)用EPPLER 1214翼型替代原始活动导叶的基础翼型，将EPPLER 1214翼型等比例缩放使其弦长与原始活动导叶的弦长一致；
2)在以EPPLER 1214翼型为基础生成的仿生导叶前缘设置突起：其中所述突起形状与正弦波相近，则仿生导叶前缘满足如下公式：
式中，s为活动导叶展向长度；n为导叶前缘上突起的个数，设流向为X轴方向，活动导叶的展向方向为Z轴方向，坐标原点为活动导叶前缘边的中点，x为活动导叶前缘在X轴上的坐标值，z为活动导叶前缘在Z轴方向上的坐标值，λ为波长。
3.根据权利要求2所述的一种改善水泵水轮机运行稳定性的导叶设计方法，其特征在于：振幅A＝0.0294c～0.0343c，波长λ＝0.2303c～0.3161c，其中c为翼型弦长。
4.根据权利要求2所述的一种改善水泵水轮机运行稳定性的导叶设计方法，其特征在于：所述导叶前缘上突起的个数n＝2或3。
5.一种水泵水轮机，其特征在于：
具有参考座头鲸鳍状肢形状结构设计的仿生活动导叶。
6.根据权利要求5所述的一种水泵水轮机，其特征在于：
1)用EPPLER 1214翼型替代原始活动导叶的基础翼型，将EPPLER 1214翼型等比例缩放使其弦长与原始活动导叶的弦长一致；
2)在以EPPLER 1214翼型为基础生成的仿生导叶前缘设置突起：其中所述突起形状与正弦波相近，则仿生导叶前缘满足如下公式：
式中，s为活动导叶展向长度；n为导叶前缘上突起的个数，设流向为X轴方向，活动导叶的展向方向为Z轴方向，坐标原点为活动导叶前缘边的中点，x为活动导叶前缘在X轴上的坐标值，z为活动导叶前缘在Z轴方向上的坐标值，λ为波长。
7.根据权利要求6所述的一种改善水泵水轮机运行稳定性的导叶设计方法，其特征在于：振幅A＝0.0294c～0.0343c，波长λ＝0.2303c～0.3161c，其中c为翼型弦长。
8.根据权利要求6所述的一种改善水泵水轮机运行稳定性的导叶设计方法，其特征在于；所述导叶前缘上突起的个数n＝2或3。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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