CN113969855A - 抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法，包括保持所述中间展向面轮廓线的位置固定；将所述中间展向面轮廓线与所述反方向展向面轮廓线、所述正方向展向面轮廓线拟合成光滑曲面，并将所述光滑曲面作为改型叶片。采用本发明提供的抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法得到的改型叶片，通过抑制转轮出口流动不均匀区域，进一步改变转轮出口无叶区涡团的空间分布特征，从而打乱涡团在无叶区中的时空分布特征，最终改善机组中的流动，从而达到抑制水泵水轮机泵工况驼峰的现象。

Description

抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法
技术领域
本发明涉及带导叶泵或水泵水轮机泵模式在部分负荷工况运行时产生的流动不稳定性现象的抑制技术领域，特别涉及中低比转速混流式水泵水轮机在泵模式下工作时在低流量工况下产生的特性曲线驼峰的抑制方法。
背景技术
随着社会的进步和技术的发展，人们对水资源的大量开采以及利用越来越多，其中，抽水蓄能电站的发展在水电发展中起着至关重要的作用。
但是，在实际应用中，现有的水泵水轮机的运行中，存在有下述问题。
首先，当水泵水轮机泵模式在偏工况下运行时，由于转轮与活动导叶之间存在强烈的动静干涉效应，容易在机组无叶区诱发旋转失速团，其次，进一步诱发机组外特性驼峰，并且，此时机组在一个扬程下存在两个或多个流量，诱发强烈的水压脉动，从而造成转轮径向力波动、转子动力学不稳定以及机组的振动等一系列问题。
为了提高机组运行的稳定性，避免或者抑制外特性驼峰，在工程上可以从很多方面来对离心泵或水泵水轮机泵模式进行优化与控制，例如转轮的优化设计，调整导叶开度，扩大转轮与导叶之间的间距，添加长短叶片等。
然而，在转轮的优化设计中，已有的文献基于反问题设计，通过试验设计(DOE)、响应面法(RSM)、遗传算法等一些优化方法对叶片几种参数进行评估，从而选取最优的设计参数。在导叶设计以及导叶开闭规律中，工程中也总结了许多相关的设计方法以及运行方式。由于机组内部的流动十分复杂，目前对泵中的流动不稳定机理尚未达到全面***的认识。
通过总结已有技术，发现已有的转轮或导叶的优化与流动控制都是根据机组自身的流动特征来确定优化设计方案。这种优化方式较为复杂，优化的时间成本与加工成本较高。
因此，为了更好地满足机组稳定运行的要求，亟需对机组内部流动不稳定特征与形成机理进行进一步分析与探讨，期望从源头上，以高效，简单的方式抑制离心泵或水泵水轮机泵模式的外特性驼峰，从而取得更好的社会与经济效益。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法，通过对转轮叶片进行整体倾斜，来有效地改善机组内部产生的不稳定现象。
本发明的一个方面，提供了一种抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法，所述叶片包括转轮、基准叶片、上冠、下环和中间展向面，所述基准叶片与所述上冠相交构成所述基准叶片的第一个展向面轮廓线，所述基准叶片与所述下环相交构成所述基准叶片的第2n+1个展向面轮廓线，所述基准叶片与所述中间展向面相交构成所述基准叶片的中间展向面轮廓线；所述改型方法包括以下步骤；
保持所述中间展向面轮廓线的位置固定；
将所述第一个展向面轮廓线和所述第一个展向面轮廓线至所述中间展向面轮廓线之间的各展向面轮廓线分别绕转轮的中心线向所述转轮旋转的反方向旋转预设角度，形成反方向展向面轮廓线；以及，将第2n+1个展向面轮廓线和第2n+1个展向面轮廓线至所述中间展向面轮廓线之间的各展向面轮廓线分别绕所述转轮的旋转中心线朝所述转轮旋转的正方向旋转预设角度，形成正方向展向面轮廓线；
将所述中间展向面轮廓线与所述反方向展向面轮廓线、所述正方向展向面轮廓线拟合成光滑曲面，并将所述光滑曲面作为改型叶片。
此外，优选的方案为，所述n的具体数值，根据所述基准叶片的扭曲程度确定；其中，
所述n的最小取值为2。
此外，优选的方案为，在所述反方向和正方向旋转的过程中所述第一个展向面轮廓线、所述第2n+1个展向面轮廓线以及在所述第一个展向面轮廓线和所述第2n+1个展向面轮廓线之间的展向面轮廓线的旋转角度与各展向面轮廓线至所述中间展向面的距离成比例。
此外，优选的方案为，当所述n＝2时；
将所述第一个展向面轮廓线绕所述转轮的中心线沿所述转轮旋转的反方向旋转θ/2，将所述第一个展向面轮廓线与所述中间展向面轮廓线之间的展向面轮廓线绕所述转轮的中心线沿所述转轮旋转的反方向旋转θ/4；
同样的，将所述第2n+1个展向面轮廓线绕所述转轮旋转中心线朝所述转轮旋转的正方向旋转θ/2，而将所述第2n+1个展向面轮廓线与所述中间展向面轮廓线之间的展向面轮廓线绕所述转轮的中心线沿所述转轮旋转的正方向旋转θ/4。
此外，优选的方案为，第一个展向面轮廓线至第2n+1个展向面轮廓线之间具有的轮廓线等间距设置。
此外，优选的方案为，在中低比转速混流式水泵水轮机的倾斜角θ至少为6°。
本发明涉及的抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法，与现有技术相比，具有以下优点及技术效果：
①改型方法简单：对叶片整体进行大角度的倾斜，使得叶片向转动方向倾斜，得到的改型叶片的几何模型简单，大大简化了优化流程，提高了生产效率和工作可靠性。
②适应性广：现有的优化技术大多是对转轮进行具体的优化与改型，同时对导叶形状与开闭规律进行特别选定，这些优化较为复杂，同时具有特定几何模型的局限性。
本发明从打乱转轮与导叶之间的动静干涉出发，即将原始叶片出口从近为垂直改型为大倾斜角出口，从而将原始转轮叶片出口各个展向上同步的低频相位打乱，形成不同步的低频相位，进而改变无叶区涡团的时空分布特征，本改型方案对中低比转速混流式水泵水轮机具有较强的普遍性。
③不改变转轮各个展向上的进出口角度分布，排除了由于叶片角的变化而带来的不利影响。
因此，采用本发明提供的水泵水轮机泵工况驼峰抑制的叶片改型方法具有改型简单、功能明显、适用性广的特点。与已有的技术相比，本发明改善了繁琐的优化流程、保证了工作可靠性、代表性以及使用便捷性。
为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1示出了根据本发明的抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法的流程图。
图2示出了根据本发明实施例的水泵水轮机结构示意图。
图3示出了根据本发明实施例的转轮结构示意图。
图4示出了根据本发明实施例的转轮基准叶片的三维图。
图5示出了根据本发明实施例的第一个展向面轮廓线的改型方法示意图。
图6示出了根据本发明实施例的叶片展向面轮廓线的改型方法示意图。
图7示出了根据本发明实施例的改型叶片的三维图。
附图说明：
1、尾水管；2、转轮；3、活动导叶；4、固定导叶；5、蜗壳；6、基准叶片；7、上冠；8、下环；9、中间展向面；10、第一个展向面轮廓线；11、第2n+1个展向面轮廓线；12、中间展向面轮廓线。
在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的原理、及改型过程进行详细描述。
图1示出了根据本发明的抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法的流程图；图2示出了根据本发明实施例的水泵水轮机结构示意图；图3示出了根据本发明实施例的转轮结构示意图；图4示出了根据本发明实施例的转轮基准叶片的三维图；图5示出了根据本发明实施例的第一个展向面轮廓线的改型方法示意图；图6示出了根据本发明实施例的叶片展向面轮廓线的改型方法示意图；以及，图7示出了根据本发明实施例的改型叶片的三维图。
如图2所示，为本发明涉及的水泵水轮机结构示意图，水泵水轮机具体包括尾水管1、转轮2、活动导叶3、固定导叶4和蜗壳5。
当该水泵水轮机运行在泵模式时，水从尾水管1入流，经过转轮2、活动导叶3、固定导叶4后从蜗壳5处流出。由于转轮2和活动导叶3之间存在着无叶区，导致在转轮2运行的过程中，易与活动导叶3产生动静干涉效应，动静干涉效应会诱导无叶区的不稳定流动，使得不稳定流动向着无叶区中进行发展并传播，从而诱发性能曲线驼峰。
本发明的目的是为了改善转轮2的流动特性，抑制水泵水轮机泵工况驼峰，并根据基准叶片6为基础进行叶片改型。
图3示出了根据本发明实施例的转轮结构示意图，包括基准叶片6、上冠7和下环8，上冠7设置在基准叶片6的底部，下环8设置在基准叶片6的顶部。
图4示出了根据本发明实施例的转轮基准叶片的三维图，包括中间展向面9，基准叶片6与上冠7相交构成基准叶片6的第一个展向面轮廓线10，基准叶片6与下环8相交构成基准叶片6的第2n+1个展向面轮廓线11和基准叶片6与中间展向面9相交构成基准叶片6的中间展向面轮廓线12。
本发明涉及的抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法的原理是以基准叶片6为基准，通过旋转不同展向面上的轮廓线，从而达到叶片改型的目的。
本发明涉及的抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法，包括以下步骤：
保持中间展向面轮廓线12的位置固定；
将第一个展向面轮廓线10和第一个展向面轮廓线10至中间展向面轮廓线12之间的各展向面轮廓线分别绕转轮2的中心线向转轮2旋转的反方向旋转预设角度，形成反方向展向面轮廓线；以及，
将第2n+1个展向面轮廓线11和第2n+1个展向面轮廓线11至中间展向面轮廓线12之间的各展向面轮廓线分别绕转轮2的旋转中心线朝转轮2旋转的正方向旋转预设角度，形成正方向展向面轮廓线。
将中间展向面轮廓线12与经过正方向和反方向旋转之后的展向面轮廓线拟合成光滑曲面，并将光滑曲面作为改型叶片。
详细的，在本发明的实施例中，第一个展向面轮廓线10至第2n+1个展向面轮廓线11之间具有的轮廓线，等距分成2n+1条轮廓线。
详细的，在本发明的实施例中，n的具体数值是根据基准叶片6的扭曲程度确定，当扭曲程度较大时取最大值，当扭曲程度较小时取最小值；其中，n的最小取值为2。
详细的，在本发明的实施例中，为达到抑制外特性驼峰效果，在中低比转速混流式水泵水轮机的倾斜角θ至少为6°。
更加详细的，保持中间展向面轮廓线12的位置固定；在正方向旋转和反方向旋转的过程中第一个展向面轮廓线10、第2n+1个展向面轮廓线11以及在第一个展向面轮廓线10和第2n+1个展向面轮廓线11之间的展向面轮廓线的旋转角度与各展向面轮廓线至中间展向面9的距离成比例。
更加详细的，如图5所示，示出了展向面轮廓线廓线的改型方法，虚线为基准叶片6的展向面轮廓线，实线为本发明涉及的改型叶片的展向面轮廓线，其中，D1为转轮2进口直径，D2为转轮2出口直径。
由图可知，第一个展向面轮廓线10绕着旋转中心线朝转轮旋转的正方向旋转θ/2，此时叶片进出口分别绕着旋转中心线进行了θ/2角度倾斜，而叶片进出口安放角不发生变化。
更加详细的，如图6所示，作为一个具体实施例，当n＝2时；保持中间展向面轮廓线12的位置固定；
将第一个展向面轮廓线10绕转轮2的中心线沿转轮2旋转的反方向旋转θ/2，将第一个展向面轮廓线10与中间展向面轮廓线12之间的展向面轮廓线绕转轮2的中心线沿转轮2旋转的反方向旋转θ/4；
同样的，将第2n+1个展向面轮廓线11绕转轮2旋转中心线朝转轮2旋转的正方向旋转θ/2，而将第2n+1个展向面轮廓线11与中间展向面轮廓线12之间的展向面轮廓线绕转轮2的中心线沿转轮2旋转的正方向旋转θ/4。
这样将中间展向面轮廓线12与旋转之后的各展向面轮廓线拟合成光滑曲面，得到改型叶片。
观察图6可知，通过本发明抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法，得到的改型叶片的出口产生了明显的倾斜。
图7显示了采用大倾斜角(θ＝15°)的改型叶片的三维图，通过观察与图3对比可知，除了基准叶片6与中间展向面9相交构成基准叶片6的中间展向面轮廓线12，其他展向面轮廓线产生了大角度交错倾斜，改型叶片与转轮2水平面之间的夹角变小，打乱了基准叶片6中转轮2与活动导叶3之间的动静干涉效应，达到抑制曲线驼峰的目的。
本发明涉及的抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法，与现有技术相比，具有以下优点及技术效果：
1、本发明涉及的抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法，改型方法简单，对叶片整体进行大角度的倾斜，使得叶片向转动方向倾斜，得到的改型叶片的几何模型简单，大大简化了优化流程，提高了生产效率和工作可靠性。
2、本发明涉及的抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法，适应性广，现有的优化技术大多是对转轮进行具体的优化与改型，同时对导叶形状与开闭规律进行特别选定，这些优化较为复杂，同时具有特定几何模型的局限性。
本发明从打乱转轮与导叶之间的动静干涉出发，即将原始叶片出口从近为垂直改型为大倾斜角出口，从而将原始转轮叶片出口各个展向上同步的低频相位打乱，形成不同步的低频相位，进而改变无叶区涡团的时空分布特征，本改型方案对中低比转速混流式水泵水轮机具有较强的适应性。
3、本发明涉及的抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法，不改变转轮各个展向上的进出口角度分布，排除了由于叶片角的变化而带来的流动影响。
此发明意在通过改变不同展向面上叶轮出口与导叶进口之间的相对空间位置以打乱转轮与导叶之间的动静干涉效应，进而打乱转轮叶片出口各个展向上同步的低频相位，最终改变无叶区涡团的时空分布特征。
该方法简单、有效，有利于机组在低负荷工况下长期、稳定工作，为水利设备的稳定运行提供了一种可行方向，可广泛应用于水力实验的流场控制，特别是，可有效应用至中低比转速混流式水泵水轮机泵模式下不稳定流动控制中，提高水电站安全稳定运行，以及水资源的高效安全利用。
如上参照图1至图7以示例的方式描述根据本发明的抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (6)

1.一种抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法，所述叶片包括转轮(2)、基准叶片(6)、上冠(7)、下环(8)和中间展向面(9)，所述基准叶片(6)与所述上冠(7)相交构成所述基准叶片(6)的第一个展向面轮廓线(10)，所述基准叶片(6)与所述下环(8)相交构成所述基准叶片(6)的第2n+1个展向面轮廓线(11)，所述基准叶片(6)与所述中间展向面(9)相交构成所述基准叶片(6)的中间展向面轮廓线(12)；所述改型方法包括以下步骤；
保持所述中间展向面轮廓线(12)的位置固定；
将所述第一个展向面轮廓线(10)和所述第一个展向面轮廓线(10)至所述中间展向面轮廓线(12)之间的各展向面轮廓线分别绕转轮(2)的中心线向所述转轮(2)旋转的反方向旋转预设角度，形成反方向展向面轮廓线；以及，将第2n+1个展向面轮廓线(11)和第2n+1个展向面轮廓线(11)至所述中间展向面轮廓线(12)之间的各展向面轮廓线分别绕所述转轮(2)的旋转中心线朝所述转轮(2)旋转的正方向旋转预设角度，形成正方向展向面轮廓线；
将所述中间展向面轮廓线(12)与所述反方向展向面轮廓线、所述正方向展向面轮廓线拟合成光滑曲面，并将所述光滑曲面作为改型叶片。
2.如权利要求1所述的抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法，其特征在于：
所述n的具体数值，根据所述基准叶片(6)的扭曲程度确定；其中，
所述n的最小取值为2。
3.如权利要求2所述的抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法，其特征在于，
在所述反方向和正方向旋转的过程中所述第一个展向面轮廓线(10)、所述第2n+1个展向面轮廓线(11)以及在所述第一个展向面轮廓线(10)和所述第2n+1个展向面轮廓线(11)之间的展向面轮廓线的旋转角度与各展向面轮廓线至所述中间展向面(9)的距离成比例。
4.如权利要求3所述的抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法，其特征在于，
当所述n＝2时；
将所述第一个展向面轮廓线(10)绕所述转轮(2)的中心线沿所述转轮(2)旋转的反方向旋转θ/2，将所述第一个展向面轮廓线(10)与所述中间展向面轮廓线(12)之间的展向面轮廓线绕所述转轮(2)的中心线沿所述转轮(2)旋转的反方向旋转θ/4；
同样的，将所述第2n+1个展向面轮廓线(11)绕所述转轮(2)旋转中心线朝所述转轮(2)旋转的正方向旋转θ/2，而将所述第2n+1个展向面轮廓线(11)与所述中间展向面轮廓线(12)之间的展向面轮廓线绕所述转轮(2)的中心线沿所述转轮(2)旋转的正方向旋转θ/4。
5.如权利要求1所述的抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法，其特征在于，
第一个展向面轮廓线(10)至第2n+1个展向面轮廓线(11)之间具有的轮廓线等间距设置。
6.如权利要求1或2所述的抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法，其特征在于，
在中低比转速混流式水泵水轮机的倾斜角θ至少为6°。
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