CN103498749A - 一种用于低水头抽水蓄能电站的小型混流式水泵水轮机 - Google Patents

一种用于低水头抽水蓄能电站的小型混流式水泵水轮机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于低水头抽水蓄能电站的小型混流式水泵水轮机，其特征是转轮叶片的包角为105°～124°，转轮叶片进水边与出水边的夹角为54°～86°，转轮叶片为空间三维扭曲曲面、在垂直骨线方向厚度相等，转轮叶片的型线为月牙形，转轮叶片厚度与水轮机工况下的转轮叶片进口高度B1比值为0.06～0.11，水轮机工况下的转轮叶片进口高度B1与导叶高度B2相等，导叶翼型为对称鲸形，上冠上设有三个均布的减压孔，蜗壳轴向截面为圆形截面，尾水管为弯肘型，其平直段轴向截面为圆形截面。本发明既可满足两次水流方向相反的水泵抽水工况和水轮机发电工况，又可满足水泵水轮机在两种运行工况下均能够高效运行。

Description

一种用于低水头抽水蓄能电站的小型混流式水泵水轮机
技术领域
本发明属于水力机械技术领域，特别是涉及一种用于低水头抽水蓄能电站的小型混流式水泵水轮机。 
背景技术
随着电力***的迅速扩大和发展，抽水蓄能电站在电力***中所担任的调峰、调频、调相和事故备用等的功效越来越显著。抽水蓄能机组是抽水蓄能电站的主要机组，时下抽水蓄能机型主要是可以双向运行的可逆式水泵水轮机，它兼具水轮机和水泵的作用。目前，中高水头以及大容量水泵水轮机在国内外已经有了比较深入的研究，积累了设计、优化、运行等众多经验，取得了良好的成果。与此同时，诸如太阳能、风能、潮汐能等新能源的开发也是气势勃勃，但这些能源的不稳定性以及不连续性，给综合利用与便民生活带来很大的困难。为了保证电力***的稳定和能源的合理利用，在综合多能源利用的小电力***中，可以利用抽水蓄能电站调节，一般水头不会超过50m。在公知技术中，对小型低水头混流式水泵水轮机研究很少，由于对从蜗壳经由导叶到转轮再到弯肘型尾水管这个流道的水力设计、高性能的转轮叶片的设计和优化以及机组总体结构布局缺乏设计经验，使得这种结构简单、水利性能良好、安装维修方便、所需上水库和下水库开挖量少的小型混流式可逆机组未得到应有的开发与推广。 
中国专利申请200810010743.1公开了一种“水泵水轮机”，该方案提供了一个结构简单、造价低、流量小、体积小的微小型水泵水轮机，但其不足之处在于，一是将水轮机工况与水泵工况进行互换工作时要更换转轮，给连续生产运行带来了极大的限制；二是该翼型叶片的制造工艺极其复杂，尺寸精度难以保证，直接影响运行效率。 
中国专利申请201310049897.2公开了“一种低水头轴伸贯流式水泵水轮机及其叶片”，该方案包括水泵水轮机、可逆式电机、流道以及导流机构，能够同时满足水轮机发电和水泵抽水两种运行工况，适用于低水头抽水蓄能电站。但还存在以下明显不足：一是轴伸贯流式水泵水轮机采用直弯尾水管，尾水能量回收效率低，导致整个机组的效率降低；二是轴伸贯流式水泵水轮机轴线长、轴封困 难和环境噪音大，且运行和检修不便，故一般只能应用于小型机组；三是转轮叶片和导叶的加工困难、结构复杂和造价高。 
如何克服现有技术的不足，充分利用我国水力资源，确保电网的稳定运行，进一步开发和推广低水头小型混流式可逆机组已成为当今水力机械技术领域中亟待解决的重点难题之一。 
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种用于低水头抽水蓄能电站的小型混流式水泵水轮机，本发明既可满足两次水流方向相反的水泵水轮机抽水工况和发电工况，即同一个转轮同时满足抽水和发电的双重需求，又可满足水泵水轮机在两种运行工况下均能够高效运行。 
根据本发明提出的一种用于低水头抽水蓄能电站的小型混流式水泵水轮机，它包括蜗壳、尾水管、转轮室、导叶、上盖、转轮、座环和轴承端盖，其中：蜗壳、导叶、转轮和尾水管依次连接,转轮包括转轮叶片、下环、上冠和泄水锥，上盖设置在转轮上，轴承端盖设置在上盖上，其特征在于转轮叶片的包角为105°～124°，转轮叶片进水边与出水边的夹角为54°～86°，转轮叶片为空间三维扭曲曲面、在垂直骨线方向厚度相等，转轮叶片的型线为月牙形，转轮叶片厚度与水轮机工况下的转轮叶片进口高度B1比值为0.06～0.11，水轮机工况下的转轮叶片进口高度B1与导叶高度B2相等，导叶翼型为对称鲸形,上冠上设有三个均布的减压孔，蜗壳轴向截面为圆形截面，尾水管为弯肘型，其平直段轴向截面为圆形截面。 
本发明的工作原理在于：在低水头抽水蓄能电站的运行机组中，包括可逆式电机和本发明的小型混流式水泵水轮机，可逆式电机兼具有发电机和电动机双重功能，水泵水轮机兼具有水轮机和水泵双重功能。水泵水轮机的运行可以分为两种工况，即水轮机工况和水泵工况，其中水轮机工况通过水泵水轮机将上水库的水放到下水库，将水的位能转换为电能；水泵工况利用电能将下水库的水提升到上水库，产生水位能。两种工况的能量转换过程详见图2，当电力等其它能源充裕时，该机组工作在水泵工况，将下水库（17）水抽至上水库（14）储存为水位能；当电力等其它能源缺乏时，该机组工作在水轮机工况，产生电能，从而确保电力供应的稳定性。 
本发明与现有技术相比其显著优点在于：一是为确保低水头抽水蓄能电站在水泵工况和水轮机工况下都能够高效运行、流动顺畅和流道阻力损失小，本发明采用月牙形型线叶片，该叶片为空间三维扭曲曲面，在垂直骨线方向厚度相等，导叶翼型为对称鲸形；二是转轮能够满足双向工况的要求，即在水泵工况下尽可能多的将水流抽至上游水库，获得较多的水位能，在水轮机工况下将水位能尽可能多的转换为电能；三是采用弯肘型尾水管，尾水能量回收效率高，加之上述新型设计的叶片和导叶的综合协同作用，使得本发明该水泵水轮机在两种工况下的能量转换效率都能够达到85%以上；四是本发明的叶片和导叶的结构简单、加工容易和造价低，且噪音很小对环境无影响；五是本发明适用于10m～15m的低水头抽水蓄能电站，且流量小，所需上、下水库开挖量少，土建工程量小，使得机组整体造价比现有机组降低20%以上。 
附图说明
图1为本发明的小型混流式水泵水轮机的结构剖面示意图。 
图2为本发明运行中的抽水和发电两种工况下的能量转换关系示意图。 
图3为本发明的小型混流式水泵水轮机的转轮俯视示意图。 
图4为本发明的小型混流式水泵水轮机的转轮叶片俯视示意图。 
图5为本发明的小型混流式水泵水轮机的转轮叶片五个截面示意图。 
图6为本发明的小型混流式水泵水轮机的蜗壳俯视示意图。 
图7为本发明的小型混流式水泵水轮机的导叶俯视示意图。 
图8为本发明的小型混流式水泵水轮机的弯肘型尾水管主视示意图。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。 
结合图1、图3、图7，本发明提出的一种用于低水头抽水蓄能电站的小型混流式水泵水轮机，它包括蜗壳(1)、尾水管(4)、转轮室（5）、导叶(6)、上盖（7）、转轮(9)、座环（12）和轴承端盖（13），其中：蜗壳(1)、导叶(6)、转轮(9)和尾水管(4)依次连接,转轮（9）包括转轮叶片(2)、下环（3）、上冠（8）和泄水锥（19），上盖（7）设置在转轮（9）上，轴承端盖（13）设置在上盖（7）上，所述的转轮叶片(2)的包角为105°～124°，转轮叶片(2)进水边(11)与出 水边(10)的夹角为54°～86°，转轮叶片(2)为空间三维扭曲曲面、在垂直骨线方向厚度相等，转轮叶片(2)的型线为月牙形，转轮叶片(2)厚度与水轮机工况下的转轮叶片(2)进口高度B1比值为0.06～0.11，水轮机工况下的转轮叶片(2)进口高度B1与导叶(6)高度B2相等，所述的导叶(6)翼型为对称鲸形，所述的上冠（8）上设有三个均布的减压孔（18），所述的蜗壳(1)轴向截面为圆形截面，所述的尾水管(4)为弯肘型，其平直段轴向截面为圆形截面。 
本发明进一步的优选方案是：所述的转轮叶片（2）为空间三维扭曲曲面，是指在转轮叶片（2）高度方向位置上均分截取五个截面，该五个截面的十条曲线拟合后方程如下： 
截面1： 
A:y＝-8.1873e-07x4+3.3151e-04x3-0.0550x2+4.3443x-7.0786； 
B:y＝-7.0371e-07x4-2.8457e-04x3-0.0477x2+3.8439x+9.0093； 
截面2： 
C:y＝-8.3253e-07x4+3.3913e-04x3-0.0569x2+4.5383x-10.2586； 
D:y＝-7.1166e-07x4+2.8906e-04x3-0.0490x2+3.9749x+8.3510； 
截面3： 
E:y＝-7.9770e-07x4+3.2027e-04x3-0.0532x2+4.1926x+5.0454； 
F:y＝-5.8482e-07x4+2.3309e-04x3-0.0403x2+3.3553x+28.7474； 
截面4： 
G:y＝-6.2045e-07x4+2.4262e-04x3-0.0409x2+3.3220x+31.7707； 
H:y＝-5.6279e-07x4+2.2104e-04x3-0.0376x2+3.0802x+42.6535； 
截面5： 
I:y＝-6.3436e-07x4+2.4662e-04x3-0.0410x2+3.2495x+40.6523； 
J:y＝-5.4378e-07x4+2.0954e-04x3-0.0351x2+2.8187x+56.5296； 
所述的转轮叶片（2）个数为5～8个；所述的转轮(9)高度B3与水轮机工况下的转轮叶片(2)进水边（11）直径比值为0.366～0.407，水轮机工况下的转轮叶片(2)出水边（10）直径D4与进水边（11）直径D0比值为0.538～0.578；所述的 蜗壳(1)截面面积绕圆周方向变化趋势方程为：y＝-121.8016+4446.2x，蜗壳(1)包角为318°～337°，如图6所示；所述的导叶(6)以单列环形方式均布在座环（12）中，导叶(6)分布圆直径与水轮机工况下的转轮叶片(2)进水边(11)直径比值为0.855～0.861，导叶(6)喉部直径与水轮机工况下的转轮叶片(2)进水边(11)直径比值为0.124～0.131，导叶(6)个数为21个，导叶(6)的型线方程为y＝-1.0185e-04x3+0.0115x2+0.3339x+124.6627；所述的尾水管(4)的直锥段扩散角为13°，如图8所示；所述的水轮机工况下的转轮叶片(2)出水边（10）直径D7与进水边（11）直径D4的比值为1.661～1.812；所述的上冠（8）上设有三个均布的减压孔（18）的孔径为10mm。 
结合图2，现以设计用于抽水和发电两种工况的小型混流式水泵水轮机为例，其抽水和发电两种运行工况的机组及小型混流式水泵水轮机主要部件和设计参数为：该机组包括可逆式电机MG（16）、小型混流式水泵水轮机PT（20）、阀门（15）、引水机构、导流机构和流道，所述的流道包括一次贯通的蜗壳（1）流道，经由导叶（6）的流道，转轮（9）流道以及尾水管（4）流道；所述的可逆式电机（16）在水泵水轮机上侧，通过主轴与水泵水轮机连接；转轮（9）设置在转轮室（5）内，转轮上方是上盖（7），转轮（9）包括转轮叶片（2）、下环（3）、上冠（8）和泄水锥（19），在上冠（8）处设有三个均布的减压孔（18），所述的转轮叶片（2）的形状为在垂直骨线方向厚度相等，转轮叶片（2）满足混流式水轮机和混流式水泵的设计要求，兼顾水轮机和水泵两种运行工况；如图3所示,转轮（9）直径为250mm，转轮叶片（2）个数为6个，导叶（6）喉部直径为32.2mm，导叶（6）个数为21个，蜗壳（1）轴向截面为圆形截面，蜗壳（1）进口截面直径为250mm，尾水管（4）进口截面直径为142mm，出口截面直径为250mm；转轮叶片（2）如图4所示，为空间三维扭曲曲面，采用了月牙形型线，其空间特性通过五个截面来表示，取转轮旋转中心为基准，A、B、C、D，E、F、G、H、I和J表示曲线，如图5所示，Ax、Bx、Cx、Dx、Ex、Fx、Gx、Hx、Ix和Jx为曲线上对应点的横坐标，Ay、By、Cy、Dy、Ey、Fy、Gy、Hy、Iy和Jy为曲线上对应点的纵坐标，五个截面在直角坐标系中位置由部分点坐标表示如下： 
截面1 
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Ax 42.5 45 55 65 75 85 95 105 115
Ay 101.8 104.4 112.9 118.9 123.3 126.1 127.5 127.7 127.3
Bx 40 50 60 70 80 90 100 110 120
By 103.51 112.88 119.67 124.58 127.96 129.99 130.78 130.36 128.71
编号 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Ax 125 135 145 155 165 175 180    
Ay 124.3 120.5 115 107.3 96.48 79.42 63.63    
Bx 130 140 150 160 170 180 182.5    
By 125.75 121.33 115.16 106.69 94.68 74.8 65.97    
截面2： 
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Cx 42.5 45 55 65 75 85 95 105 115
Cy 103.93 106.71 115.76 122.21 126.69 129.13 130.96 131.02 129.75
Dx 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Dy 106.3 116.16 123.24 128.31 131.73 133.71 134.37 133.75 131.83
编号 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Cx 125 135 145 155 165 175 180    
Cy 127.09 122.91 116.99 108.82 97.4 79.65 63.78    
Dx 130 140 150 160 170 180 182.5    
Dy 128.54 123.73 117.09 108.09 95.45 74.91 66.14    
截面3： 
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Ex 42.5 45 55 65 75 85 95 105 115
Ey 110.07 112.41 120.4 126.16 130.13 129.55 133.62 133.36 131.79
Fx 42.5 45 55 65 75 85 95 105 115
Fy 115.11 117.33 124.68 130.03 133.73 136 136.95 136.64 135.08
编号 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Ex 125 135 145 155 165 175 180    
Ey 128.83 124.37 118.13 109.64 97.86 79.71 63.77    
Fx 125 135 145 155 165 175 180 182.5  
Fy 132.19 127.88 121.9 113.85 102.91 86.96 74.88 66.11  
截面4： 
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Gx 42.5 45 55 65 75 85 95 105 115
Gy 116.55 118.3 125.26 130.31 133.74 135.75 136.43 135.83 133.94
Hx 42.5 45 55 65 75 85 95 105 115
Hy 121.35 123.26 129.65 134.31 137.47 139.3 139.87 139.22 137.33
编号 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Gx 125 135 145 155 165 175 180    
[0046] 
Gy 130.68 125.91 119.35 110.51 98.35 79.76 63.76    
Hx 125 135 145 155 165 175 180 182.5  
Hy 134.14 129.51 123.21 114.82 103.51 87.14 74.86 66.09  
截面5： 
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Ix 45 55 65 75 85 95 105 115 125
Iy 124.35 130.32 134.66 137.54 139.09 139.38 138.43 136.21 132.63
Jx 42.5 45 55 65 75 85 95 105 115
Jy 127.83 129.43 134.87 138.83 141.44 142.8 142.97 141.96 139.73
编号 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Ix 135 145 155 165 175 180      
Iy 127.53 120.64 111.43 98.86 79.82 63.75      
Jx 125 135 145 155 165 175 180    
Jy 136.21 131.25 124.62 115.86 104.15 87.32 74.84    
所述五个截面的十条曲线拟合后方程如下： 
截面1： 
A:y＝-8.1873e-07x4+3.3151e-04x3-0.0550x2+4.3443x-7.0786； 
B:y＝-7.0371e-07x4-2.8457e-04x3-0.0477x2+3.8439x+9.0093； 
截面2： 
C:y＝-8.3253e-07x4+3.3913e-04x3-0.0569x2+4.5383x-10.2586； 
D:y＝-7.1166e-07x4+2.8906e-04x3-0.0490x2+3.9749x+8.3510； 
截面3： 
E:y＝-7.9770e-07x4+3.2027e-04x3-0.0532x2+4.1926x+5.0454； 
F:y＝-5.8482e-07x4+2.3309e-04x3-0.0403x2+3.3553x+28.7474； 
截面4： 
G:y＝-6.2045e-07x4+2.4262e-04x3-0.0409x2+3.3220x+31.7707； 
H:y＝-5.6279e-07x4+2.2104e-04x3-0.0376x2+3.0802x+42.6535； 
截面5： 
I:y＝-6.3436e-07x4+2.4662e-04x3-0.0410x2+3.2495x+40.6523； 
J:y＝-5.4378e-07x4+2.0954e-04x3-0.0351x2+2.8187x+56.5296。 
本发明经反复试验验证取得了满意的应用效果。实施例所述的小型混流式水 泵水轮机适用于10～15m的低水头抽水蓄能电站，转轮(9）运行转速为1000r/min～1500r/min，实际测得在水轮机工况下发电和水泵工况下抽水的能量转换效率均可达到87%以上。 
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种用于低水头抽水蓄能电站的小型混流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，均仍属于本发明技术方案保护的范围。 

Claims (9)

1.一种用于低水头抽水蓄能电站的小型混流式水泵水轮机，它包括蜗壳(1)、尾水管(4)、转轮室（5）、导叶(6)、上盖（7）、转轮(9) 、座环（12）和轴承端盖（13），其中：蜗壳(1)、导叶(6)、转轮(9)和尾水管(4)依次连接,转轮（9）包括转轮叶片(2)、下环（3）、上冠（8）和泄水锥（19），上盖（7）设置在转轮（9）上，轴承端盖（13）设置在上盖（7）上，其特征在于转轮叶片(2)的包角为105°～124°，转轮叶片(2)进水边(11)与出水边(10)的夹角为54°～86°，转轮叶片(2)为空间三维扭曲曲面、在垂直骨线方向厚度相等，转轮叶片(2)的型线为月牙形，转轮叶片(2)厚度与水轮机工况下的转轮叶片(2)进口高度B1比值为0.06～0.11，水轮机工况下的转轮叶片(2)进口高度B1与导叶(6)高度B2相等，导叶(6) 翼型对称鲸形，上冠（8）上设有三个均布的减压孔（18），蜗壳(1)轴向截面为圆形截面，尾水管(4)为弯肘型，其平直段轴向截面为圆形截面。
2.根据权利1要求所述的小型混流式水泵水轮机，其特征在于所述的转轮叶片（2）为空间三维扭曲曲面，是指在转轮叶片（2）高度方向位置上均分截取五个截面，该五个截面的十条曲线拟合后方程如下：
截面1：
A:                                                
Figure 2013104496035100001DEST_PATH_IMAGE002
；
B: ；
截面2：
C: ；
D: 
Figure 2013104496035100001DEST_PATH_IMAGE008
；
截面3：
E: ；
F: 
Figure 2013104496035100001DEST_PATH_IMAGE012
；
截面4：
G: 
Figure 2013104496035100001DEST_PATH_IMAGE014
；
H:
Figure 2013104496035100001DEST_PATH_IMAGE016
；
截面5：
I: 
Figure 2013104496035100001DEST_PATH_IMAGE018
；
J: 
Figure 2013104496035100001DEST_PATH_IMAGE020
。
3.根据权利要求1或2所述的小型混流式水泵水轮机，其特征在于转轮叶片（2）个数为5～8个。
4.根据权利要求1所述的小型混流式水泵水轮机，其特征在于转轮(9)高度B3与水轮机工况下的转轮叶片(2)进水边（11）直径比值为0.366～0.407，水轮机工况下的转轮叶片(2)出水边（10）直径D4与进水边（11）直径D0比值为0.538～0.578。
5.根据权利要求1所述的小型混流式水泵水轮机，其特征在于蜗壳(1)截面面积绕圆周方向变化趋势方程为：
Figure 2013104496035100001DEST_PATH_IMAGE022
，蜗壳(1)包角为318°～337°。
6.根据权利要求1所述的小型混流式水泵水轮机，其特征在于导叶(6)以单列环形方式均布在座环（12）中，导叶(6)分布圆直径与水轮机工况下的转轮叶片(2)进水边(11)直径比值为0.855～0.861，导叶(6)喉部直径与水轮机工况下的转轮叶片(2)进水边(11)直径比值为0.124～0.131，导叶(6)个数为21个，导叶(6)的型线方程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
。
7.根据权利要求1所述的小型混流式水泵水轮机，其特征在于尾水管(4)的直锥段扩散角为13°。
8.根据权利要求1所述的小型混流式水泵水轮机，其特征在于水轮机工况下的转轮叶片(2)出水边（10）直径D7与进水边（11）直径D4的比值为1.661～1.812。
9.根据权利要求1所述的小型混流式水泵水轮机，其特征在于上冠（8）上设有三个均布的减压孔（18）的孔径为10mm。
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