CN1453471A - 水泵－水轮机的分流叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水泵－水轮机分流叶轮，所述叶轮上具有长叶片和短叶片，它们被支撑在冠部和带部上，并且长叶片和短叶片沿着叶轮圆周方向交替设置。相对于一条始于主轴中心点并经过短叶片前缘在垂直于主轴的投影面上的冠部侧端点的直线，短叶片前缘的带部侧端点位于与在泵模式下叶轮转向相反的方向上。

Description

水泵-水轮机的分流叶轮

发明领域

本发明涉及一种水泵-水轮机的分流叶轮，该叶轮的长叶片和短叶片沿着叶轮的圆周方向交替分布，以便通过调节短叶片的抽吸侧，即用作泵时进水侧的前缘形状而改善泵的涡凹特性。

背景技术

通常，水泵-水轮机可以通过改变叶轮的转向而实现发电作业(水轮机模式)和泵作业(泵模式)之间的自由转换。

在水轮机模式中，水泵-水轮机通过导向叶片将流入螺旋型壳体中的水流导入叶轮，从而趋动叶轮，同时通过主轴将当时产生的旋转力矩输送给可逆发电机-发动机。

在泵模式中，水泵-水轮机通过发电机-发动机的动力并按照与发电模式相反的方向转动并驱动叶轮，从而水流从一个导流管被导入叶轮。在这种情况下，叶轮将能量传递给水流，从而通过导向叶片和螺旋型壳体将水流泵送入一上部蓄水池中。

在发电作业和泵作业之间可以自由转换的水泵-水轮机的叶轮包括沿圆周方向等距离分布的多个叶片。叶轮叶片被支撑在位于主轴(转动轴)侧的冠部(叶毂)和位于水道下/外部侧的带部之间。在具有如上所述结构的水泵-水轮机叶轮中，通常叶轮3包括6至7个具有相同几何形状的叶轮叶片7，这些叶片沿着叶轮3的圆周方向被固定在冠部8和带部之间，如图6所示，其示出了一个带部被移去的水泵-水轮机，如日本已公开专利No.2000-136766所述。

然而在高级水泵-水轮机中，人们提出了一种所谓的分流叶轮，这是为了在水轮机模式中即使在低水压和/或部分载荷作业下也能高效地执行作业，并且在水轮机和泵模式中都能防止在进水侧产生涡凹。如图7所示，分流叶轮有如下结构特点。即，短(较短)叶片11被插在相邻的长(较长)叶片10之间(如日本已公开专利No.2001-90650所述)。

在分流叶轮中，4至6个长短叶片10和11被分别交替设置，叶轮叶片7的总数目比普通的传统水泵-水轮机的叶轮要多。如前所述，普通水泵-水轮机的叶轮具有6至7个叶片。因此，分流叶轮被当作一种多叶片叶轮，它比传统叶轮具有更多的叶片。

在多叶片叶轮的情况下，因为随着叶片数目的增加，在泵操作时在叶片出口侧的“滑动”减少，所以水压-释放(H-Q)特性改变。为了维持H-Q特性，叶片的直径和/或叶片角被设计得较小。叶片直径的减小使得叶轮冠部和带部的直径减小，并由于圆盘摩擦损失的减少以及整个机器的小型化而带来效率的提高。另一方面，通过应用减小叶片角这一方法，在泵操作时水压释放的变化较小，也就是说，一定水压范围的入摄角的变化变小，从而泵的涡凹特性被改善。不论应用何种方法，即使在部分载荷作业下，相对流动角与叶片角的偏离在水轮机的进水侧减小，同时水轮机的进水处涡凹不容易产生。另外，由于对二级流动的控制，通过多叶片形式可以期望获得压力波动的减少以及效率的改善。

但是在一具有相同叶片的普通多叶片叶轮中，形成在相邻叶片之间的出口通道的宽度减小。小的出口宽度不仅带来制造及维护原型叶轮的困难，而且造成高低压泵的涡凹特性的不平衡。对于分流叶轮而言，每隔一个有一个短叶片，从而出口宽度不会过分地减小。鉴于以上考虑，分流叶轮能够有效地应用多叶片叶轮的优点。

图8是从导流管侧方向看分流叶轮投影到与转动轴垂直的平面上的投影图。在图8中，实线代表长叶片10，虚线代表短叶片11。如图8所示，传统的分流叶轮具有如下构造。在与转动轴垂直的投影平面中，射线RL₁与长叶片10的前缘(即泵进水侧曲边)的投影线彼此重合。这里，射线RL₁始于转动轴的中心点O，并经过长叶片10的边缘线12的冠部侧端点P₁。主轴的中心点O、边缘线12的冠部侧端点P₁以及边缘线12的带部侧端点Q₁都分布在射线RL₁上。短叶片11的结构与上述相同。也就是说，在与转动轴垂直的投影平面中，射线RL₂与作为短叶片11前缘的投影线的边缘线13彼此重合。这里，射线RL₂始于转动轴的中心点O，并经过短叶片11的边缘线13的冠部侧端点P₂。主轴的中心点O、边缘线13的冠部侧端点P₂、以及边缘线13的带部侧端点Q₂都分布在射线RL₂上。

图9是一个展开图，其示意性地示出了在传统的分流叶轮中带部侧的叶片-叶片间的流动情况。如图9所示，短叶片11的前缘13位于环形连接相邻长叶片10的前缘12的假设前缘线ILE的下游侧。在泵作业的一个设计位置，水流以如虚线所示的相应的速度矢量W₀流入长叶片10。在这种情况下，涡凹不容易产生，这是因为长叶片10的进水角与水流的流入角之间的差别较小。当作业条件改变为低压时，泵的排放就会增加。结果，水流以如实线所示的矢量W流入长叶片10。为此，在长叶片10的压力面上围绕前缘12就容易产生涡凹CAV。上述趋势更容易出现在带部9附近。

泵的涡凹CAV仅在长叶片10上产生，因为通过长叶片的整流水流入短叶片11。在传统的分流叶轮中，长短叶片10和11之间的水流通道宽度FW如图9所示那样窄。因此，当涡凹CAV大量产生时，那部分的水流通道容易被涡凹堵塞，并且水泵-水轮机容易达到临界涡凹状态。因此，在传统分流叶轮的情况下，在低压作业期间，作业条件变得不稳定，同时泵的效率大大降低，因此不可避免的是水压作业范围被限制得窄。

当仅仅把短叶片设计得更短时，长叶片10与短叶片11之间的流道宽度FW变宽，堵塞缓解，但是在水轮机作业时短叶片上的叶片载荷就会下降。叶片载荷的下降意味着更短的叶片不会达到有效的作业，还会在短叶片的进水侧引起涡凹特性的恶化。因此，最好不能仅仅缩短短叶片。

发明内容

基于对上述情况的考虑而提出的本发明的主旨在于提供一种水泵-水轮机的分流叶轮(或水泵-水轮机分流叶轮)，该分流叶轮可以避免低压作业期间长叶片上的涡凹堵塞长短叶片之间的流道，并且可以拓宽水压作业的范围以及提高泵的效率。

这一目标以及其它一些目标可以根据本发明通过提供一种具有长短叶片的水泵-水轮机分流叶轮来实现，这些长短叶片被支撑在冠部和带部之间，并沿着叶轮的圆周方向交替分布。

其中短叶片在抽吸侧的前缘具有如此形成的一条边缘线，即相对于一条始于叶轮的旋转中心并经过在垂直于旋转轴的投影面上的边缘线的冠部侧端点的直线，边缘线的带部侧端点位于在泵模式时叶轮转向相反的方向上。

下面将描述优选实施例。

短叶片前缘的边缘线具有一条直线。

短叶片前缘的边缘线可以有一条沿分流叶轮旋转方向弯曲的凸曲线。

短叶片前缘的边缘线可以由一条直线与一条沿分流叶轮旋转方向弯曲的凸曲线组合而成。

短叶片前缘的边缘线可以具有一条沿着分流叶轮旋转方向弯曲的凹曲线。

根据以上所述本发明的特点，当考虑靠近带部侧叶片-叶片间的流动时，在泵模式期间，本发明的短叶片的前缘比传统分流叶轮中短叶片的前缘更靠近下游。因此，长短叶片之间的流道变宽。这样在低压作业时就可以避免叶轮轻易地处于临界涡凹状态，并且可以扩大水压作业的范围。

附图简介

从下述参考附图的描述中可以更清楚地了解本发明的特征及其它特点，其中：

图1示出了根据本发明第一实施例的水泵-水轮机分流叶轮，它是从导流管侧看把叶轮叶片投影到与主轴(转动轴)垂直的一个平面上时示出了叶轮进口的投影图；

图2是一个展开图，示出了靠近图1所示叶轮的带部的泵进口处的叶片-叶片间的流动；

图3示出了根据本发明第二实施例的水泵-水轮机分流叶轮，它是从导流管侧看叶轮叶片投影到与主轴(转动轴)垂直的平面上时示出了叶轮进口的投影图；

图4示出了根据本发明第二实施例的水泵-水轮机分流叶轮的一种改进型，它是从导流管侧看叶轮叶片投影到与主轴(转动轴)垂直的平面上时示出了叶轮进口的投影图；

图5示出了根据本发明第三实施例的水泵-水轮机分流叶轮，它是从导流管侧看叶轮叶片投影到与主轴(转动轴)垂直的平面上时示出了叶轮进口的投影图；

图6是把带部移去后传统水泵-水轮机的叶轮的透视图；

图7示意性示出了在一水流表面上水泵-水轮机分流叶轮的一个结构的平面图；

图8示出了传统水泵-水轮机分流叶轮，它是从导流管侧看叶轮叶片投影到与主轴(转动轴)垂直的平面上时示出了叶轮进口的投影图；

图9是一展开图，示出了靠近图8所示叶轮的带部的泵进口处的叶片-叶片间的流动。

具体实施方式

以下是参考附图对根据本发明的水泵-水轮机分流叶轮的实施例的描述。

(第一实施例)

图1描述的是根据本发明第一实施例的水泵-水轮机分流叶轮。

参考图1，水泵-水轮机分流叶轮15包括冠部20、带部21、长叶片17和短叶片18。长叶片和短叶片分别由实线和虚线表示，并且其上下部分被支撑在冠部和带部上，并沿着叶轮的圆周方向交替分布。对于短叶片18而言，在抽吸侧，即泵作业时水流的进口侧上，前缘19的边缘线LE将带部侧端点K₁与冠部侧端点J₁连接起来。在这种情况下，边缘线LE是一条直线，它不与始于主轴中心点O并经过边缘线LE在垂直于旋转轴的投影面上的冠部侧端点J₁的射线RL重合。对于边缘线LE而言，相对于在垂直于旋转轴的投影面上的射线RL，带部侧端点K₁位于在泵模式时与叶轮转向相反的方向上。

在如上所述根据第一实施例的分流叶轮中，带部21上的短叶片18的叶片长度比传统的要短。图2是示出了叶片-叶片间流动以及分流叶轮15的叶轮叶片16在带部侧的分布情况的展开图。如图2所示，可以看出如虚线所示，短叶片18b的前缘点被从传统短叶片18a的前缘点向下游移去。这就充分地拓宽了水流通道，因为在长叶片17的前缘22附近没有短叶片18存在。

因此，即使水泵-水轮机在低压点作业，并且长叶片17的压力面23上的前缘22附近有涡凹CAV产生并增强，水流通道也很难被堵塞。因此，分流叶轮不容易处于临界涡凹状态，并且能够稳定地作业，同时泵在低压时的效率改善。此外，流动模式的改善使得压力作业的范围扩大到低压侧。

在第一实施例中，短叶片的前缘19被如此形成，即仅有边缘线LE的带部侧端点K₁被移位，从而将冠部侧的叶片长度保持得与传统短叶片18a一样长。所以，与简单地缩短短叶片18的叶片长度不同，平均叶片长度变得相对长。因此，水轮机作业期间对短叶片上的叶片载荷以及对进口涡凹特性的影响就被尽可能地降低了。

在这种情况下，短叶片的边缘线LE的带部侧端点K₁最好由下述方法确定。也就是说，相对于射线RL，在与主轴(转动轴)垂直的投影面上的角度θ_k1由方程(1)确定。角θ_k1由连接主轴(转动轴)的中心点O与带部侧端点K₁之间的假想线给出。

θ_k1≤10°…(1)

在这种情况下，角度θ_k1在考虑以下一些条件时可以得出最优值。其中一个条件就是低压泵作业时涡凹特征的改进。另一个条件是对短叶片18上的叶片载荷分布的影响以及对水轮机作业时进水侧产生的涡凹的影响。从经验上讲，如果边缘线LE在与主轴(转动轴)垂直的投影面中形成为直线，当角度设置为5°≤θ_k1≤10°时可获得最佳平衡效果。

(第二实施例)

图3是根据本发明第二实施例的水泵-水轮机分流叶轮，其中相同的参考标记代表与第一实施例相同的部件。

对于短叶片18而言，在抽吸侧，前缘19的边缘线LE将带部侧端点K₁与冠部侧端点J₁连接起来。在这种情况下，边缘线LE不与始于主轴中心点O并经过边缘线LE在垂直于旋转轴的投影面上的冠部侧端点J₁的射线RL重合。对于边缘线LE而言，相对于在垂直于旋转轴的投影面上的射线RL，带部侧端点K₁位于与在泵模式时叶轮转向相反的方向上。第二实施例与第一实施例的不同之处在于在泵模式下边缘线LE的形状是一条相对于叶轮15的转向RV的凸曲线。

更具体地说，在第二实施例中，与主轴垂直的投影面上的边缘线LE的极坐标点K(r，θ)满足下面的方程(2)。在这种情况下，叶轮15的转向RV被设置为θ的正向，θ的范围从冠部侧端点J₁(r₀＝0，θ₀＝0)到带部侧端点K₁(r₁，θ₁)。 $\frac{\&PartialD;\mathrm{\&theta;}}{\&PartialD;r}\&le;0,{\mathrm{\&theta;}}_1<0...\left(2\right)$

在第二实施例中，短叶片18的前缘19的边缘线LE具有凸向叶轮15的转向RV的形状，并且带部侧端点K₁相对于射线RL位于在泵模式时叶轮转向相反的方向上。这就可以充分地拓宽水流通道，因为在长叶片17的前缘22附近没有短叶片18存在。因此，即使水泵-水轮机在低压点作业，并且在叶片17的压力面23上在前缘22附近有涡凹产生并增强，水流通道也很难被堵塞。因此，分流叶轮不容易处于临界涡凹状态，并且能够稳定地作业，同时泵在低压时的效率改善。此外，流动模式的改善使得压力作业的范围扩大到低压侧。另外，因为短叶片18的长度不必尽量缩短，于是可以减少对叶片载荷分布的影响，并减小在水轮机作业时对进水侧涡凹特性的影响。

第二实施例不限于已描述的那些特征，还可以进行其它改进。例如，如图4所示，短叶片18的前缘19的边缘线LE可以由直线与曲线组合。边缘线LE包括沿着射线RL的直至中点Km(r_m，θm)的直线，以及相对于叶轮15的转向RV的位于中点Km与带部侧端点K₁之间的凸曲线。

(第三实施例)

图5是根据本发明第三实施例的水泵-水轮机分流叶轮，其中相同的附图标记表示与第一个及第二实施例相同的部件。

对于短叶片18而言，在抽吸侧，前缘19的边缘线LE将带部侧端点K₁与冠部侧端点J₁连接起来。在这种情况下，边缘线LE不与始于主轴中心点O并经过边缘线LE在垂直于旋转轴的投影面上的冠部侧端点J₁的射线RL重合。对于边缘线LE而言，相对于在垂直于旋转轴的投影面上的射线RL，带部侧端点K₁位于与在泵模式下叶轮转向相反的方向上。第三实施例与第一实施例的不同之处在于在泵模式下边缘线LE的形状为直线与相对于叶轮15的转向RV的凹曲线的组合。

更具体地说，在第三实施例中，在与主轴垂直的投影面上的边缘线LE的极坐标点K(r，θ)满足下面的方程(3)。在这种情况下，叶轮15的转向RV被设置为θ的正向，θ的范围从冠部侧端点J₁(r₀＝0，θ₀＝0)到带部侧端点K₁(r₁，θ₁)。 $\frac{\&PartialD;\mathrm{\&theta;}}{\&PartialD;r}\&GreaterEqual;0,{\mathrm{\&theta;}}_1<0...\left(3\right)$

在第三实施例中，短叶片18的前缘19的边缘线LE的形状为凹向叶轮15的转向RV的凹曲线，并且带部侧端点K₁相对于射线RL位于与在泵模式时叶轮转向相反的方向上。这就可以充分地拓宽水流通道，因为在长叶片17的前缘22附近没有短叶片18存在。因此，即使水泵-水轮机在低压点作业，并且在长叶片17的压力面23上在前缘22附近有涡凹CAV产生并增强，水流通道也很难被堵塞。因此，分流叶轮不容易处于临界涡凹状态，并且能够稳定地作业，同时泵在低压时的效率改善。此外，流动模式的改善使得压力作业的范围扩大到低压侧。尤其是，即使泵作业时在长叶片17的带部侧和冠部侧都发生涡凹，涡凹特性也可以通过应用凹曲线形状而得到极大的改善。另外，因为短叶片18的长度不必尽量缩短，于是可以减少对叶片载荷分布的影响，并减小在水轮机作业时对进水侧涡凹特性的影响。

在上述各实施例中，短叶片18的前缘19(泵模式时的进水侧)的边缘线LE按下述方式形成。短叶片具有边缘线LE，该边缘线LE是投影到与主轴垂直的一个平面上的前缘。边缘线LE的带部侧端点相对于射线RL位于与泵模式时叶轮转向RV相反的方向上，射线RL从主轴中心点O起经过边缘线LE在与主轴垂直的平面上的冠部侧端点J₁。为了定位带部侧端点，可以应用各种形状的边缘线。即，边缘线LE的形状可以是直线、相对于转向RV的凹曲线或相对于转向RV的凸曲线，以及这些线的组合。可以根据给定的条件可适当地选择边缘线的形状。

本发明提供了一种水泵-水轮机分流叶轮，它可以避免低压作业时长叶片上的泵涡凹堵塞长短叶片之间的流道。这种流动模式的改进拓宽了水压作业的范围，并提高泵的效率，同时对水轮机作业时特性的影响尽可能的小。

应当注意，本发明不应该被所描述的实施例限定，在由所附的权利要求限定的范围内可以进行许多其他的改进和改型。

Claims (5)

1、一种具有长叶片和短叶片的水泵-水轮机分流叶轮，所述长叶片和短叶片被支撑在一冠部和一带部之间，并且沿着叶轮的圆周方向交替设置，

其特征在于：在短叶片的抽吸侧的前缘具有一条这样的边缘线，即相对于一条始于叶轮旋转中心并经过边缘线在垂直于旋转轴的投影面上的冠部侧端点的直线，边缘线的带部侧端点位于与在泵模式时叶轮转向相反的方向上。

2、如权利要求1所述的水泵-水轮机分流叶轮，其特征在于：所述短叶片的前缘的边缘线具有一条直线。

3、如权利要求1所述的水泵-水轮机分流叶轮，其特征在于：所述短叶片的前缘的边缘线具有一条在泵模式下沿着所述叶轮的旋转方向弯曲的凸曲线。

4、如权利要求1所述的水泵-水轮机分流叶轮，其特征在于：所述短叶片的前缘的边缘线具有一条由直线和在泵模式下沿着所述分流叶轮的旋转方向弯曲的凸曲线组合而成的线。

5、如权利要求1所述的水泵-水轮机分流叶轮，其特征在于：所述短叶片的前缘的边缘线具有一条在泵模式下沿着所述叶轮的旋转方向弯曲的凹曲线。

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