CN114576065B - 一种具有弯扭掠特性的水泵水轮机转轮 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种具有弯扭掠特性的水泵水轮机转轮，属于水力发电设备领域。解决了现有水泵水轮机在单一的设计空间内往往无法满足同时控制驼峰特性与“S”特性要求的问题。水泵水轮机包括上冠、下环和转轮叶片，转轮叶片数量为多个，多个转轮叶片沿旋转轴Z轴布置并设置在上冠和下环之间，转轮叶片以水泵旋转方向为正方向，转轮叶片的两端侧边分别为转轮叶片高压边和转轮叶片低压边，转轮叶片高压边在轴面投影为不与Z轴平行的直线或二次曲线或圆弧，转轮叶片高压边在圆柱面投影展开为不与Z轴平行的直线或二次曲线或圆弧，转轮叶片的叶片安放角沿转轮叶片高压边展向线性分布。它主要用于水泵水轮机转轮。

Description

一种具有弯扭掠特性的水泵水轮机转轮
技术领域
本发明属于水力发电设备领域，特别是涉及一种具有弯扭掠特性的水泵水轮机转轮。
背景技术
抽水蓄能机组在电网用电高峰时以水轮机工况运行发电，从而减轻电网压力；而在用电低谷时以水泵工况运行，将电网中多余能耗以水势能的形式储存。目前的形式下，新能源(如风能、太阳能等)装机容量逐年增加的同时，也增加电网的波动性，为保证电网的稳定性，抽水蓄能机组势必更加频繁地在水泵工况及水轮机工况进行切换，因此，提升抽水蓄能机组额定工况运行效率，改善抽水蓄能机组非稳定特性显得尤为重要。
作为抽水蓄能机组的核心部件，水泵水轮机在水泵工况和水轮机工况运行时分别存在驼峰特性与“S”特性域两个典型不稳定特性，且研究表明这两个不稳定特性与水泵水轮机过渡过程稳定性息息相关。近年来，抽水蓄能电站向着超高水头、低比转速方向发展。随着抽水蓄能机组的发展，水泵水轮机必然更加频繁地在不同运行工况之间进行切换，而超高水头工况下这两个不稳定区域的存在将给抽水蓄能机组的安全、稳定的运行带来更大的挑战。
研究表明，驼峰特性与“S”特性多与水泵水轮机内无叶区内复杂的流场变化有关。水泵水轮机转轮高压边，作为泵工况下无叶区入口，水轮机工况下无叶区出口，其设计得当与否关系着整个机组的性能。而在常规设计中，涉及水泵水轮机转轮高压边的设计参数单一，在单一的设计空间内往往无法满足同时控制驼峰特性与“S”特性的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种具有弯扭掠特性的水泵水轮机转轮，以解决现有水泵水轮机在单一的设计空间内往往无法满足同时控制驼峰特性与“S”特性要求的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种具有弯扭掠特性的水泵水轮机转轮，所述水泵水轮机包括上冠、下环和转轮叶片，所述转轮叶片数量为多个，多个转轮叶片沿旋转轴Z轴布置并设置在上冠和下环之间，所述转轮叶片以水泵旋转方向为正方向，所述转轮叶片的两端侧边分别为转轮叶片高压边和转轮叶片低压边，所述转轮叶片高压边在轴面投影为不与Z轴平行的直线或二次曲线或圆弧，所述转轮叶片高压边在圆柱面投影展开为不与Z轴平行的直线或二次曲线或圆弧，所述转轮叶片的叶片安放角沿转轮叶片高压边展向线性分布。
更进一步的，所述转轮叶片高压边在轴面投影的投影几何由转轮叶片高压边上冠处直径DA、转轮叶片高压边中点处直径DB和转轮叶片高压边下环处直径DC三个参数控制。
更进一步的，所述转轮叶片高压边上冠处直径DA、转轮叶片高压边中点处直径DB和转轮叶片高压边下环处直径DC的取值范围为0.80-0.9D0，D0为活动导叶分布圆直径。
更进一步的，所述转轮叶片高压边在圆柱面投影的投影几何由转轮叶片高压边上冠处周向位置坐标θA、转轮叶片高压边中点处周向位置坐标θB和转轮叶片高压边下环处周向位置坐标θC三个参数控制。
更进一步的，所述转轮叶片高压边上冠处周向位置坐标θA、转轮叶片高压边中点处周向位置坐标θB和转轮叶片高压边下环处周向位置坐标θC的取值满足θmax、θmin分别为θA、θB、θC中的最大值和最小值，B0为转轮叶片高压边的高度，D0为活动导叶分布圆直径。
更进一步的，所述转轮叶片的叶片安放角通过转轮叶片高压边上冠处叶片安放角βA和转轮叶片高压边下环处叶片安放角βC进行控制。
更进一步的，所述转轮叶片高压边上冠处叶片安放角βA和转轮叶片高压边下环处叶片安放角βC满足|βA-βC|≤10°。
更进一步的，所述转轮叶片高压边倒椭圆角。
更进一步的，所述椭圆角的椭圆率变化范围为1-10。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：常规设计中转轮高压边位置为周向位置原点。本发明通过控制转轮叶片高压边在轴面及高压边柱面投影展开的曲线形状，调整安放角在转轮叶片高压边上的线性分布规律，以及改变转轮叶片高压边的椭圆率，达到对水泵水轮机转轮高压边参数化设计的目的。数值模拟结果证明，通过本发明的优化设计提供了一种具有“掠”“弯”“扭”的特性的转轮，可降低设计工况下无叶区及转轮流域内水力损失，进而提升水泵水轮机运行效率；改变水力损失随流量变化规律，进而降低水轮机工况“S”不稳定特性及水泵工况“驼峰”不稳定特性。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的水泵水轮机转轮装配结构示意图；
图2为本发明所述的泵水轮机常规转轮叶片轴面结构示意图；
图3为本发明所述的具有弯扭掠特性的水泵水轮机转轮叶片轴面结构示意图；
图4为本发明所述的水泵水轮机常规转轮叶片圆柱面投影示意图；
图5为本发明所述的具有弯扭掠特性的水泵水轮机转轮叶片圆柱面投影图；
图6为本发明所述的水泵水轮机常规叶片Z-Y面示意图；
图7为本发明所述的具有扭转特性的水泵水轮机转轮叶片Z-Y面示意图；
图8为本发明所述的水泵水轮机转轮叶片高压边倒椭圆角示意图；
图9为本发明所述的具有弯扭掠特性的水泵水轮机转轮叶片Z-Y面示意图；
图10为本发明所述的水泵水轮机常规叶片Z-X面示意图；
图11为本发明所述的具有弯扭掠特性的水泵水轮机转轮叶片Z-X面示意图；
图12为本发明所述的水泵水轮机活动导叶分布圆示意图；
图13为本发明所述的水泵水轮机转轮叶片高压边安放角示意图一；
图14为本发明所述的水泵水轮机转轮叶片高压边安放角示意图二。
1-上冠，2-下环，3-叶片，4-转轮叶片高压边，5-转轮叶片低压边。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参见图1-14说明本实施方式，一种具有弯扭掠特性的水泵水轮机转轮，水泵水轮机包括上冠1、下环2和转轮叶片3，转轮叶片3数量为多个，多个转轮叶片3沿旋转轴Z轴布置并设置在上冠1和下环2之间，转轮叶片3以水泵旋转方向为正方向，转轮叶片3的两端侧边分别为转轮叶片高压边4和转轮叶片低压边5，转轮叶片高压边4为水轮机工况运行的进水边、水泵工况运行的出水边。通过提出控制转轮叶片高压边4几何形状参数及参数变化范围，达到增加水泵水轮机转轮设计空间的目的。
转轮叶片高压边4与上冠1的连接点为A点，转轮叶片高压边4与下环2的连接点为C点，A点和C点的中点为B点，转轮叶片高压边4在轴面投影为不与Z轴平行的直线或二次曲线或圆弧，此时叶片具有掠的特性。转轮叶片高压边4在圆柱面投影展开为不与Z轴平行的直线或二次曲线或圆弧，此时叶片具有弯的特性。转轮叶片3的叶片安放角沿转轮叶片高压边4展向线性分布，此时叶片具有扭的特性。
转轮叶片高压边4在轴面投影的投影几何由转轮叶片高压边上冠处直径DA、转轮叶片高压边中点处直径DB和转轮叶片高压边下环处直径DC三个参数控制，转轮叶片高压边上冠处直径DA、转轮叶片高压边中点处直径DB和转轮叶片高压边下环处直径DC的取值范围为0.80-0.9D0，D0为活动导叶分布圆直径。
转轮叶片高压边4在圆柱面投影的投影几何由转轮叶片高压边上冠处周向位置坐标θA、转轮叶片高压边中点处周向位置坐标θB和转轮叶片高压边下环处周向位置坐标θC三个参数控制，转轮叶片高压边上冠处周向位置坐标θA、转轮叶片高压边中点处周向位置坐标θB和转轮叶片高压边下环处周向位置坐标θC的取值满足θmax、θmin分别为θA、θB、θC中的最大值和最小值，B0为转轮叶片高压边4的高度，D0为活动导叶分布圆直径。
转轮叶片3的叶片安放角通过转轮叶片高压边上冠处叶片安放角βA和转轮叶片高压边下环处叶片安放角βC进行控制，转轮叶片高压边上冠处叶片安放角βA和转轮叶片高压边下环处叶片安放角βC满足|βA-βC|≤10°。
转轮叶片高压边4倒椭圆角，椭圆角的椭圆率变化范围为1-10。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (7)

1.一种具有弯扭掠特性的水泵水轮机转轮，所述水泵水轮机包括上冠(1)、下环(2)和转轮叶片(3)，所述转轮叶片(3)数量为多个，多个转轮叶片(3)沿旋转轴Z轴布置并设置在上冠(1)和下环(2)之间，所述转轮叶片(3)以水泵旋转方向为正方向，其特征在于：所述转轮叶片(3)的两端侧边分别为转轮叶片高压边(4)和转轮叶片低压边(5)，所述转轮叶片高压边(4)在轴面投影为不与Z轴平行的直线或二次曲线或圆弧，所述转轮叶片高压边(4)在圆柱面投影展开为不与Z轴平行的直线或二次曲线或圆弧，所述转轮叶片(3)的叶片安放角沿转轮叶片高压边(4)展向线性分布，所述转轮叶片高压边(4)在圆柱面投影的投影几何由转轮叶片高压边上冠处周向位置坐标θA、转轮叶片高压边中点处周向位置坐标θB和转轮叶片高压边下环处周向位置坐标θC三个参数控制，所述转轮叶片高压边上冠处周向位置坐标θA、转轮叶片高压边中点处周向位置坐标θB和转轮叶片高压边下环处周向位置坐标θC的取值满足θmax、θmin分别为θA、θB、θC中的最大值和最小值，B0为转轮叶片高压边(4)的高度，D0为活动导叶分布圆直径。
2.根据权利要求1所述的一种具有弯扭掠特性的水泵水轮机转轮，其特征在于：所述转轮叶片高压边(4)在轴面投影的投影几何由转轮叶片高压边上冠处直径DA、转轮叶片高压边中点处直径DB和转轮叶片高压边下环处直径DC三个参数控制。
3.根据权利要求2所述的一种具有弯扭掠特性的水泵水轮机转轮，其特征在于：所述转轮叶片高压边上冠处直径DA、转轮叶片高压边中点处直径DB和转轮叶片高压边下环处直径DC的取值范围为0.80-0.9D0，D0为活动导叶分布圆直径。
4.根据权利要求1所述的一种具有弯扭掠特性的水泵水轮机转轮，其特征在于：所述转轮叶片(3)的叶片安放角通过转轮叶片高压边上冠处叶片安放角βA和转轮叶片高压边下环处叶片安放角βC进行控制。
5.根据权利要求4所述的一种具有弯扭掠特性的水泵水轮机转轮，其特征在于：所述转轮叶片高压边上冠处叶片安放角βA和转轮叶片高压边下环处叶片安放角βC满足|βA-βC|≤10°。
6.根据权利要求1所述的一种具有弯扭掠特性的水泵水轮机转轮，其特征在于：所述转轮叶片高压边(4)倒椭圆角。
7.根据权利要求6所述的一种具有弯扭掠特性的水泵水轮机转轮，其特征在于：所述椭圆角的椭圆率变化范围为1-10。
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