一种混流式水泵水轮机转轮及转轮S特性优化方法与流程

一种混流式水泵水轮机转轮及转轮s特性优化方法
技术领域
1.本发明涉及水力机械技术，具体涉及一种混流式水泵水轮机转轮及转轮s特性优化方法，本发明属于水轮机转轮设计。


背景技术：

[0002][0003]
水泵水轮机的转轮是抽蓄机组的核心部件，其在水轮机工况的s特性关乎机组能否安全稳定运行。s特性差的转轮会导致机组低水头启动时难以并网、甩负荷运行时严重的振动等问题。因此，在转轮的研发设计时需要留有足够的安全裕度。当前，抽蓄机组正在向高水头、大容量方向发展，与此对应转轮高压边的直径需要设计的更大，而转轮进口高度需要更矮，导致s特性更加突出。加上风、光等间歇式能源在电网所占比例逐年增加，抽蓄机组启停、甩负荷的频率增加，加重了机组在s区运行的风险。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是为了解决高水头、大容量抽蓄机组水泵水轮机转轮高压边的直径需要设置的更大，转轮进口高度需要更矮，导致s特性更加突出，同时为消纳风光等间歇式能源抽蓄机组启停、甩负荷的频率增加，加重了抽蓄机组在s区运行的风险，进而需要提供一种混流式水泵水轮机转轮及转轮s特性优化方法。
[0005]
本发明通过以下方案解决上述技术问题：
[0006]
一种混流式水泵水轮机转轮，它包括上冠、下环和多个叶片；上冠设置在下环上方，上冠和下环之间通道内设有多个叶片，多个叶片沿径向均布设置，每个叶片的高压边加工有凹凸结翼型。
[0007]
进一步地，凹凸结翼型的轴面投影为波浪形结构，凹凸结翼型与上方上冠为直线连接或光滑弧线连接，凹凸结翼型与下方高压边为直线连接或光滑弧线连接。
[0008]
一种混流式水泵水轮机转轮s特性优化方法，所述方法是按照以下步骤实现的：
[0009]
步骤一：通过ug三维建模软件建模，以叶片上高压边为中心，以凹凸结翼型波峰到波谷的直线距离数值s为半径做圆管特征；
[0010]
步骤二：圆管特征的圆管与叶片在叶片中面相交形成空间曲线，在基础转轮叶片高压边和空间曲线设置几何控制点，随后通过线条连接生成带有凹凸结的高压边，以带凹凸结的高压边重新拟合叶片曲面。
[0011]
进一步地，在转轮轴面上，高压边沿x轴向z轴平移的距离为s，s为凹凸结翼型峰顶至谷底的距离，其取值范围需满足0.5
‰
d《s《2t，其中d为转轮高压边直径，t为转轮叶片的最大厚度值，z轴为转轮的旋转轴。
[0012]
进一步地，在转轮轴面上，凹凸结翼型的起始点至高压边与上冠交点沿z轴距离g1的取值范围需满足g1《0.2b，其中b为高压边的总高度。
[0013]
进一步地，在转轮轴面上，两个相邻波峰沿z轴的距离g2取值范围需满足l/10《g2《
l/2，凹凸结翼型z轴方向占据的总高度l最大值需满足l《0.6b-g1。
[0014]
进一步地，步骤一中圆管特征是以叶片上高压边为中心s为半径做圆周转动形成的圆。
[0015]
本发明最为突出的特点和显著的有益效果是：
[0016]
1、研究表明，水泵水轮机的s特性与转轮进口回流区有关。转轮进口回流区在靠上冠侧形成，随着工况深入制动区，逐渐向下环侧扩张，造成转轮通道对上游来流的阻力增加。通过对转轮叶片翼型控制参数进行优化，可以起到优化s特性效果。
[0017]
2、本发明通过在转轮叶片高压边4增设凹凸结翼型6后，流体在流经高压边时，分流作用使流线沿凹凸结翼型6的凸结构向凹结构谷底汇集，这可以起到抑制或改善水泵水轮机在s区运行时转轮进口回流区的出现和发展。同时，凹凸结翼型6的分布主要集中在上冠1侧，这可以保障对其它性能(水泵和水轮机能量、水泵驼峰特性)的影响很小。
附图说明
[0018]
图1为本发明所述的混流式水泵水轮机转轮装配示意图。
[0019]
图2为本发明所述的混流式水泵水轮机转轮叶片布置示意图。
[0020]
图3为本发明所述的常规混流式水泵水轮机转轮叶片轴面图。
[0021]
图4为本发明所述的高压边增设凹凸结翼型的转轮叶片轴面图。
[0022]
图5为本发明所述的转轮叶片高压边增设凹凸结翼型的步骤示意图。
[0023]
图6为本发明所述的转轮叶片直边型高压边凹凸结翼型的控制参数轴面示意图。
[0024]
图7为本发明所述的转轮叶片曲线型高压边凹凸结翼型的控制参数轴面示意图。
[0025]
附图标记：1上冠；2下环；3叶片；4高压边；5低压边；6凹凸结翼型；7叶片中面；8空间曲线。
具体实施方式
[0026]
具体实施方式一：结合图1-图4对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种混流式水泵水轮机转轮，它包括上冠1、下环2和多个叶片3；上冠1设置在下环2上方，上冠1和下环2之间通道内设有多个叶片3，多个叶片3沿径向均布设置，每个叶片3的高压边4加工有凹凸结翼型6，每个叶片3的低压边5分别与转轴固定连接。
[0027]
具体实施方式二：结合图1-图4对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种混流式水泵水轮机转轮，凹凸结翼型6的轴面投影为波浪形结构，凹凸结翼型6与上方上冠1为直线连接或光滑弧线连接，凹凸结翼型6与下方高压边4为直线连接或光滑弧线连接。其它结构连接关系和具体实施方式一相同。
[0028]
具体实施方式三：结合图1-图7对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种混流式水泵水轮机转轮s特性优化方法，所述方法是按照以下步骤实现的：
[0029]
步骤一：通过ug建模软件三维建模，以叶片3上高压边4为中心，以凹凸结翼型6波峰到波谷的直线距离数值s为半径做圆管特征；
[0030]
步骤二：圆管特征的圆管与叶片3在叶片中面7相交形成空间曲线8，在基础转轮叶片高压边4和空间曲线8设置几何控制点，随后通过线条连接生成带有凹凸结的高压边，以带凹凸结的高压边重新拟合叶片曲面。
[0031]
具体实施方式四：结合图1-图6对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种混流式水泵水轮机转轮s特性优化方法，在转轮轴面上，高压边4沿x轴向z轴平移的距离为s，s为凹凸结翼型峰顶至谷底的距离，其取值范围需满足0.5
‰
d《s《2t，其中d为转轮高压边直径，t为转轮叶片3的最大厚度值，z轴为转轮的旋转轴。其它结构连接关系和具体实施方式三相同。
[0032]
具体实施方式五：结合图6和图7对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种混流式水泵水轮机转轮s特性优化方法，在转轮轴面上，凹凸结翼型的起始点至高压边4与上冠1交点沿z轴距离g1的取值范围需满足g1《0.2b，其中b为高压边的总高度。其它结构连接关系和具体实施方式四相同。
[0033]
具体实施方式六：结合图6和图7对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种混流式水泵水轮机转轮s特性优化方法，在转轮轴面上，两个相邻波峰沿z轴的距离g2取值范围需满足l/10《g2《l/2，凹凸结翼型z轴方向占据的总高度l最大值需满足l《0.6b-g1。其它结构连接关系和具体实施方式五相同。
[0034]
具体实施方式七：结合图5对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种混流式水泵水轮机转轮s特性优化方法，步骤一中圆管特征是以叶片3上高压边4为中心s为半径做圆周转动形成的圆。其它结构连接关系和具体实施方式三相同。
[0035]
工作原理：当机组在s区运行时，在转轮进口靠上冠1侧形成回流区，并且随着工况深入制动区，回流区逐渐向下环2侧发展。通过在转轮进口高压边靠上冠1侧增设凹凸结翼型6，可以增大水泵水轮机运行时转轮叶片进口对上游来流冲角的适应范围；同时由于分流作用流线沿凸结构向下方凹结构汇集，产生反方向分离涡，这可以抑制或改善转轮进口回流区的出现和发展，进而起到优化转轮s特性作用。
[0036]
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。

技术特征：
1.一种混流式水泵水轮机转轮，其特征在于：它包括上冠(1)、下环(2)和多个叶片(3)；上冠(1)设置在下环(2)上方，上冠(1)和下环(2)之间通道内设有多个叶片(3)，多个叶片(3)沿径向均布设置，每个叶片(3)的高压边(4)加工有凹凸结翼型(6)。2.根据权利要求1所述一种混流式水泵水轮机转轮，其特征在于：凹凸结翼型(6)的轴面投影为波浪形结构，凹凸结翼型(6)与上方上冠(1)为直线连接或光滑弧线连接，凹凸结翼型(6)与下方高压边(4)为直线连接或光滑弧线连接。3.一种混流式水泵水轮机转轮s特性优化方法，其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的：步骤一：通过三维建模软件建模，以叶片(3)上高压边(4)为中心，以凹凸结翼型(6)波峰到波谷的直线距离数值s为半径做圆管特征；步骤二：圆管特征的圆管与叶片(3)在叶片中面(7)相交形成空间曲线(8)，在基础转轮叶片高压边(4)和空间曲线(8)设置几何控制点，随后通过线条连接生成带有凹凸结的高压边，以带凹凸结的高压边重新拟合叶片曲面。4.根据权利要求3所述一种混流式水泵水轮机转轮s特性优化方法，其特征在于：在转轮轴面上，高压边(4)沿x轴向z轴平移的距离为s，s为凹凸结翼型峰顶至谷底的距离，其取值范围需满足0.5
‰
d<s<2t，其中d为转轮高压边直径，t为转轮叶片(3)的最大厚度值，z轴为转轮的旋转轴。5.根据权利要求4所述一种混流式水泵水轮机转轮s特性优化方法，其特征在于：在转轮轴面上，凹凸结翼型的起始点至高压边(4)与上冠(1)交点沿z轴距离g1的取值范围需满足g1<0.2b，其中b为高压边的总高度。6.根据权利要求5所述一种混流式水泵水轮机转轮s特性优化方法，其特征在于：在转轮轴面上，两个相邻波峰沿z轴的距离g2取值范围需满足l/10<g2<l/2，凹凸结翼型z轴方向占据的总高度l最大值需满足l<0.6b-g1。7.根据权利要求3所述一种混流式水泵水轮机转轮s特性优化方法，其特征在于：步骤一中圆管特征是以叶片(3)上高压边(4)为中心s为半径做圆周转动形成的圆。

技术总结
一种混流式水泵水轮机转轮及转轮S特性优化方法，本发明涉及水力机械技术，本发明的目的是为了解决高水头、大容量抽蓄机组水泵水轮机转轮高压边的直径需要设置的更大，转轮进口高度需要更矮，导致S特性更加突出，同时为消纳风光等间歇式能源抽蓄机组启停、甩负荷的频率增加，加重了抽蓄机组在S区运行的风险，它包括上冠、下环和多个叶片；上冠设置在下环上方，上冠和下环之间通道内设有多个叶片，多个叶片沿径向均布设置，每个叶片的高压边加工有凹凸结翼型。一种混流式水泵水轮机转轮S特性优化方法，步骤一：通过三维建模软件建模；步骤二：圆管特征的圆管与叶片在叶片中面相交形成空间曲线。本发明属于水轮机转轮设计。本发明属于水轮机转轮设计。本发明属于水轮机转轮设计。


技术研发人员：魏显著 陈太平 张锐 张美琴 孙铎
受保护的技术使用者：哈尔滨大电机研究所有限公司 哈尔滨电机厂有限责任公司
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/6/28