CN115013221B - 一种特高水头特大容量的水轮机引水和导水部件及其水力设计方法 - Google Patents

一种特高水头特大容量的水轮机引水和导水部件及其水力设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种特高水头特大容量的混流式水轮机引水和导水部件及其水力设计方法，本发明通过双层蜗壳、双层固定导叶和双层活动导叶的构想，在兼顾考虑水力损失和结构强度的基础上，达到增大一倍过流量，提升发电功率的目的。蜗壳水力设计通过假定蜗壳断面平均流速不变的原则完成。同时，考虑到蜗壳断面应力分布均匀，截面主体仍采用圆形截面。在设计过程中，仅需计算单层蜗壳截面，另一层截面通过对称关系得到。固定导叶通过不改变水流环量的原则确定安放角度，并根据强度要求加厚为翼型。活动导叶额定安放角度通过水轮机基本方程得到。本发明在增大引水和导水机构过流量的同时，兼顾了结构强度和水力损失，能有效提高水轮机出力。

Description

一种特高水头特大容量的水轮机引水和导水部件及其水力设计方法
技术领域
本发明属于流体机械及工程设备技术领域，具体涉及一种特高水头特大容量的水轮机引水和导水部件及其水力设计方法。
背景技术
在碳达峰、碳中和的目标牵引下，以风能和太阳能为代表的新能源实现了阶跃式发展。在以新能源为主体的新型电力***中，水电的储能和调节作用的重要性日益凸显。
我国水电工程已经取得了瞩目的成就。目前，白鹤滩是世界单机容量最大的水轮发电机组，装机容量为100万千瓦，额定水头约为200m。浙江天台抽水蓄能电站是世界上水头最高的抽水蓄能电站，单机容量为42.5万千瓦，额定水头为724米。然而伴随着水电开发的进程，水电工程对水力发电设备的要求也越来越严苛。如雅鲁藏布江大拐弯总装机容量达5000万千瓦，落差达2200m。如以天台抽蓄单机容量进行估算，需要布置多级电站，共约120台机组，电站基建投资成本巨大。为减少机组布置台数，降低电站投资成本，急需开发兼顾特高水头（600米级）和超大容量（大于60万千瓦级）的水力设备。
引水和导水机构是最重要的水力设备之一，目前高水头引水及导水机构均为单层结构，在超大容量工作条件下，水流速度和运动空间增大，水力损失加剧，且结构强度受到一定的挑战。
发明内容
针对目前特高水头特大容量水力设备的技术空缺，本发明仅聚焦于该类水力设备引水和导水部件。本发明的目的在于公开一种特高水头特大容量的的水轮机引水和导水部件及其水力设计方法。通过双层蜗壳、双层固定导叶和双层活动导叶的构想，达到增大过流量，提升发电功率的目的。
本发明的上述目的主要是通过以下技术方案得以解决的：
一种特高水头特大容量的水轮机引水和导水部件，其特征在于，包括上层蜗壳、下层蜗壳以及设置在所述上层蜗壳和下层蜗壳之间的隔板，其中上层蜗壳和所述下层蜗壳以所述隔板为对称面上下对称设置，所述上层蜗壳和所述下层蜗壳上分别设有对称设置的固定导叶和活动导叶。
本发明还提供一种特高水头特大容量的水轮机引水和导水部件设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1.蜗壳水力设计；
步骤S2.固定导叶水力设计；
步骤S3.活动导叶水力设计；
其中，步骤S1具体实现方法为：
假设蜗壳中水流速度 V c为常数。此外，考虑到上下两层蜗壳过流量相等，截面形状相同，故在设计过程中，取设计流量的一半作为单层蜗壳断面设计流量。
蜗壳断面平均流速 V c通过式（1）计算确定：
（1）
式中为进口断面流速系数，推荐取0.7-0.8，为水轮机额定水头；
进口断面面积通过式（2）确定：
（2）
式中为单层蜗壳断面设计流量；
任一断面流量 Q i、过流面积 F i，计算通过式（3）、（4）进行计算：
（3）
（4）
式中为蜗壳包角；
在蜗壳水力设计过程中，在圆周方向上，每间隔一定包角，选定一个蜗壳截面，所有蜗壳截面必须覆盖整个圆周，随后，即可通过根据式（3）、式（4）计算不同截面流量和面积。
确定各个截面面积后，即可求解各个蜗壳截面形状，蜗壳截面形状求解先通过求解 R= h和 R= h/2时的面积 A h和 A h/2，通过对所求过流面积与 A h和 A h/2比较，即可根据式（5）分类进行计算：
（5）
按照上述方法，依次确定各个不同包角处蜗壳截面形状，各个截面径向位置 R a，由座环系列尺寸确定，完成单层蜗壳截面形状计算后，将不同蜗壳截面形状沿上下两层对称轴对称，并依次扫掠，即可完成双层蜗壳建模。
进一步地，步骤S2具体实现方法为：
固定导叶水力设计采取不改变水流环量的原则，故水流速度与圆周方向夹角 θ，可以通过式（6）计算，计算过程中，假设上下两层导叶过流量一致，取机组流量一半进行计算，
（6）
式中 θ为水流速度与圆周方向夹角， V r为径向速度， V u为圆周速度，其中，,，式中 r为导叶骨线上的点到水轮机中心线之间的距离， k值通过蜗壳进口断面速度矩计算得到， R a为蜗壳截面起始点到轴心线的距离。
进一步地，步骤S3具体实现方法为：
活动导叶水力设计假定导叶出口速度矩等于转轮进口速度矩，根据水轮机基本方程式（7）求解导叶额定开度安放角，与固定导叶假设一致，活动导叶设计流量也取机组流量一半，
（7）
式中—转轮出口半径；—水轮机转轮出口过流面积；—旋转角速度；—额定水头；—导叶高度；—转轮出口安放角； η h—水轮机机组效率； g—重力加速度；
活动导叶分布圆直径 D 0通过式（8）确定：
（8）
式中为转轮外径；
导叶弦长 L g通过式（9）确定
（9）
式中为导叶数；
根据导叶安放角、分布圆直径和导叶弦长参数，即可完成活动导叶水力设计。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.由于上下分层隔板的作用，提高了大流量条件下引水和导水水力的结构强度。
2.隔板抑制了水流在轴向方向运动，减小了流动损失。
3.改善了偏工况下，蜗壳内漩涡作用，减小了机组压力脉动和机组振动。
4.增大了了隔舌端蜗壳截面径向半径，抑制了水流轴向运动空间，改善了蜗壳环量分布。
附图说明
图1为本发明蜗壳截面计算示意图；
图2为本发明蜗壳包角示意图；
图3为本发明上下层蜗壳翻转示意图；
图4为本发明固定导叶安放角示意图；
图5为本发明活动导叶安放角示意；
图6为本发明双层引水及导水部件示意图；
图中，1-上层蜗壳、2-下层蜗壳、3-固定导叶、4-活动导叶，5-隔板。
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。
本实施例提供一种特高水头特大容量的水轮机引水和导水部件，如图3和图6所示，包括上层蜗壳1、下层蜗壳2以及设置在所述上层蜗壳和下层蜗壳之间的隔板5，其中上层蜗壳1和所述下层蜗壳2以所述隔板5为对称面上下对称设置，所述上层蜗壳1和所述下层蜗壳2上分别设有对称设置的固定导叶3和活动导叶4。
本实施例介绍一种特高水头特大容量的引水和导水部件设计过程。机组水头为，机组流量为，额定转速为500rpm。为了方便与模型转轮搭配，采用相似换算公式，将原型计算水头和流量换算到模型水头和流量，。
步骤一：蜗壳水力设计
蜗壳断面平均流速计算方程：
（1）
式中，计算。
进口断面面积计算方程为：
（2）
计算。
如图2所示，以进口断面为基准，每隔15°包角选取一蜗壳截面，通过式（3）和式（4）分别计算各个截面流量和截面积，计算结果统计于表1。
表1 蜗壳截面流量和面积计算统计表
根据表1各截面计算面积，即可通过式（5）计算对应截面半径，确定各截面形状，其中，本实施例中 h值为35.66mm。将求解的各个截面，沿包角增大方向扫掠，并转轮中心翻转，完成蜗壳水力设计建模，如图五所示。
（5）
步骤二：如图4所示，固定导叶水力设计
通过式（6）求解固定导叶安放角：
（6）
解得， θ=25.2°const为常数。其中，，，。
步骤三：如图5所示，活动导叶水力设计
活动导叶额定工况角度通过式（7）计算。
（7）
解得通过式（8）和式（9）确定活动导叶分布圆直径和导叶弦长分别为 D=300mm， L=91.57mm。
（8）
（9）
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。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。
尽管本文较多地使用了上层蜗壳、下层蜗壳、蜗壳包角等。但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (3)

1.一种特高水头特大容量的水轮机引水和导水机构设计方法，其特征在于，上述方法设计的引水机构和导水机构包括上层蜗壳、下层蜗壳以及设置在所述上层蜗壳和下层蜗壳之间的隔板，其中上层蜗壳和所述下层蜗壳以所述隔板为对称面上下对称设置，所述上层蜗壳和所述下层蜗壳上分别设有对称设置的固定导叶和活动导叶，所述方法包括如下步骤：
步骤S1.蜗壳水力设计；
步骤S2.固定导叶水力设计；
步骤S3.活动导叶水力设计；
其中，步骤S1具体实现方法为：
假设蜗壳断面平均流速Vc为常数，此外，考虑到上下两层蜗壳过流量相等，截面形状相同，故在设计过程中，取工作流量的一半作为单层蜗壳断面设计流量，
蜗壳断面平均流速Vc通过式(1)计算确定：
式中α为进口断面流速系数，推荐取0.7-0.8，Hr为水轮机额定水头；
进口断面面积通过式(2)确定：
式中Qr为单层蜗壳断面设计流量；
任一断面流量Qi、过流面积Fi，计算通过式(3)、(4)进行计算：
式中为蜗壳包角；
在蜗壳水力设计过程中，在圆周方向上，每间隔一定包角，选定一个蜗壳截面，所有蜗壳截面必须覆盖整个圆周，随后，即可通过根据式(3)、式(4)计算不同截面流量和面积；
确定各个截面面积后，即可求解各个蜗壳截面形状，蜗壳截面形状求解先通过求解R＝h和R＝h/2时的面积Ah和Ah/2，通过对所求过流面积与Ah和Ah/2比较，即可根据式(5)分类进行计算：
按照上述方法，依次确定各个不同包角处蜗壳截面形状，各个截面径向位置Ra，由座环系列尺寸确定，完成单层蜗壳截面形状计算后，将不同蜗壳截面形状沿上下两层对称轴对称，并依次扫掠，即可完成双层蜗壳建模，其中，R为蜗壳断面半径；h为导叶高度，Ai是第i个蜗壳截面的面积，L是R＜h/2时蜗壳椭圆断面的短轴。
2.如权利要求1所述的一种特高水头特大容量的水轮机引水和导水机构设计方法，其特征在于，步骤S2具体实现方法为：
固定导叶水力设计采取不改变水流环量的原则，故水流速度与圆周方向夹角θ，可以通过式(6)计算，计算过程中，假设上下两层导叶过流量一致，取机组流量一半进行计算，
式中θ为水流速度与圆周方向夹角，Vr为径向速度，Vu为圆周速度，其中，式中r为导叶骨线上的点到水轮机中心线之间的距离，k值通过蜗壳进口断面速度矩计算得到。
3.如权利要求1所述的一种特高水头特大容量的水轮机引水和导水机构的设计方法，其特征在于，步骤S3具体实现方法为：
活动导叶水力设计假定导叶出口速度矩等于转轮进口速度矩，根据水轮机基本方程式(7)求解导叶额定开度安放角α0，与固定导叶假设一致，活动导叶设计流量也取机组流量一半，
式中r2—转轮出口半径；A2—水轮机转轮出口过流面积；ω—旋转角速度；Hr—额定水头；h—导叶高度；β2—转轮出口安放角；ηh—水轮机机组效率；g—重力加速度；
活动导叶分布圆直径D0通过式(8)确定：
式中D1为转轮外径；
导叶弦长Lg通过式(9)确定
式中Z0为导叶数；
根据导叶安放角、分布圆直径和导叶弦长参数，即可完成活动导叶水力设计。
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