拓宽水泵水轮机运行稳定性区域的方法和水泵水轮机

摘要

本发明提供一种拓宽水泵水轮机运行稳定性区域的方法和水泵水轮机，能够有效改善水泵水轮机的驼峰区的运行稳定性。本发明所提供的拓宽水泵水轮机运行稳定性区域的方法，其特征在于：将活动导叶的前缘设置成沿着展向方向延伸的波状前缘。本发明所提供的水泵水轮机，其特征在于：具有沿着展向方向延伸的波状前缘的活动导叶。相对于传统水泵水轮机的导叶设计，本发明提出的改进水泵水轮机水泵工况运行稳定性的设计思想，能够使水泵水轮机水泵工况驼峰区向小流量方向移动，并且改善驼峰区时导叶的内部流场，从而有效拓宽水泵水轮机的稳定运行区。

说明书

技术领域

本发明涉及一种拓宽水泵水轮机运行稳定性区域的方法和水泵水轮机。

技术背景

在我国不断优化能源结构的过程中，抽水蓄能技术日益成熟，已经成为大规模存储电力的最高效的方式之一。抽水蓄能电站具有削峰调谷的功能，灵活的调节能力有利于电网的稳定运行，能够实现电网的节能减排，提高电力系统的经济效益，促进对水资源的节约利用和环境保护。但抽水蓄能电站的核心设备——水泵水轮机在水泵工况运行时存在很窄的不稳定驼峰区，在该区运行将产生强烈的压力脉动，同时使得噪声增大，甚至爆音，导致机组效率下降，甚至引发机组外结构破坏等问题，严重影响机组安全稳定运行。

由于水泵水轮机驼峰区形成机理较为复杂，属于世界性难题。对于如何改善驼峰区不稳定性的研究尚不足，改善驼峰区的具体实施方案更是寥寥无几。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种拓宽水泵水轮机运行稳定性区域的方法和水泵水轮机，能够有效改善水泵水轮机的驼峰区的运行稳定性。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

<方法>

本发明提供一种拓宽水泵水轮机运行稳定性区域的方法，其特征在于：将活动导叶的前缘设置成沿着展向方向延伸的波状前缘。

进一步，本发明提供的拓宽水泵水轮机运行稳定性区域的方法，还可以具有以下特征：

设置成波状前缘的活动导叶是由原型活动导叶变换而来：

设流向为X轴方向，活动导叶的展向方向为Z轴方向，坐标原点为原型活动导叶前缘外边的中点，x为原型活动导叶在X轴上的坐标值，x₁为变换后的活动导叶在X轴上的坐标值，z为活动导叶前缘在Z轴方向的坐标，则x₁满足如下公式：

式中，c为活动导叶的弦长；x_LE为活动导叶在Z轴方向上不同截面对应的波状前缘波动幅度在X轴上的坐标值：

式中，s为活动导叶在Z轴方向上的长度；n为活动导叶的波状前缘在Z轴方向上的余弦波的个数，n＝s/λ；A为波幅，

原型活动导叶的横截面为矩形。

优选地，本发明提供的拓宽水泵水轮机运行稳定性区域的方法，还可以具有以下特征：活动导叶波状前缘的波幅A＝0.01～0.12c，波长λ＝1/12～1/4s，c为活动导叶的弦长，s为活动导叶在展向方向上的长度。

<水泵水轮机>

本发明提供一种水泵水轮机，其特征在于：具有沿着展向方向延伸的波状前缘的活动导叶。

进一步，本发明提供的水泵水轮机，还可以具有以下特征：

具有波状前缘的活动导叶是由原型活动导叶变换而来：

设流向为X轴方向，活动导叶的展向方向为Z轴方向，坐标原点为原型活动导叶前缘外边的中点，x为原型活动导叶在X轴上的坐标值，x₁为变换后的活动导叶在X轴上的坐标值，z为活动导叶前缘在Z轴方向的坐标，则x₁满足如下公式：

式中，c为活动导叶的弦长；x_LE为活动导叶在Z轴方向上不同截面对应的波状前缘波动幅度在X轴上的坐标值：

式中，s为活动导叶在Z轴方向上的长度；n为活动导叶的波状前缘在Z轴方向上的余弦波的个数，n＝s/λ；A为波幅，

原型活动导叶的横截面为矩形。

优选地，本发明提供的水泵水轮机，还可以具有以下特征：活动导叶波状前缘的波幅A＝0.01～0.12c，波长λ＝1/12～1/4s，c为活动导叶的弦长，s为活动导叶在展向方向上的长度。

发明的作用与效果

(1)相对于传统水泵水轮机的导叶设计，本发明提出的改进水泵水轮机水泵工况运行稳定性的设计思想，能够使水泵水轮机水泵工况驼峰区向小流量方向移动，并且改善驼峰区时导叶的内部流场，从而有效拓宽水泵水轮机的稳定运行区。

(2)通过调整设计参数波幅A和波长λ，能够灵活设计优化波状前缘导叶的形状，使水泵水轮机获得最佳的水力特性。

(3)具体给出了波状前缘导叶的参数优化范围，波幅在0.01～0.12c，波长在1/12～1/4s范围内可以显著改善水泵水轮机驼峰区水力特性。

(4)明确了改善水泵水轮机不稳定区域的核心内部流场区域在隔舌下方四分之一区域附近。

附图说明

图1为本发明实施例中涉及的活动导叶的原型活动导叶的立体结构示意图；

图2为本发明实施例中涉及的原型活动导叶的平面结构示意图；

图3为本发明实施例中涉及的波状前缘活动导叶的平面结构示意图；

图4为本发明实施例中涉及的波状前缘活动导叶的立体结构示意图；

图5为本发明实施例中涉及的水泵水轮机的立体结构示意图；

图6为本发明实施例中涉及的原型活动导叶与波状前缘活动导叶的水泵水轮机外特性曲线图；

图7为本发明实施例中涉及的原型活动导叶的中间区域的流线图；

图8为本发明实施例中涉及的波状前缘活动导叶的中间区域的流线图。

图中各部件标号如下：

10-原型活动导叶；20-波状前缘活动导叶；30-叶轮；40-固定导叶；100-水泵水轮机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的拓宽水泵水轮机运行稳定性区域的方法和水泵水轮机的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例>

本实施例中以某实际抽水蓄能电站的水泵水轮机为研究对象，在水泵水轮机中，如图1和2所示活动导叶的原型活动导叶10的尺寸为：弦长c＝993.8mm，展向方向长度s＝794.0mm。为了拓宽水泵水轮机运行稳定性区域，将原型活动导叶的前缘(即与流体最先接触的边缘部分，横截面为矩形)设置成沿着展向方向延伸的波状，具体方法为：

首先，对该原型活动导叶10进行横坐标变换：

如图3和4所示，设流向为X轴方向，活动导叶的展向方向为Z轴方向，坐标原点为原型活动导叶前缘外边的中点，x为图1所示的原型活动导叶10在X轴上的坐标值(变换前的横坐标值)，x₁为变换后的波状前缘活动导叶20在X轴上的坐标值(变换后的横坐标值)，z为活动导叶前缘在Z轴方向的坐标，则：

式1中，c为活动导叶的弦长，如图1和2所示原型活动导叶10和波状前缘活动导叶20的弦长相等；x_LE为波状前缘活动导叶20在Z轴方向上不同截面对应的波状前缘的波动幅度的横坐标值：

式2中，s为活动导叶在Z轴方向上的长度，原型活动导叶10与波状前缘活动导叶20的长度相等；n为波状前缘活动导叶20在Z轴方向上的余弦波的个数，n＝s/λ；A为波幅。

然后，选定波幅A和波长λ，本实例中选择为A＝0.04c，λ＝1/4s，从而确定波状前缘活动导叶20的具体波形。

如图5所示，将最终确定的波状前缘活动导叶20安装至水泵水轮机100中，波状前缘活动导叶20围绕叶轮30设置，在波状前缘活动导叶20外围设置有固定导叶40。

如图6所示，对具有原型活动导叶10的水泵水轮机进行数值计算，其驼峰区的波峰到波谷的区域为89.56-95.00m³/s；相应的，对具有波状前缘活动导叶20的水泵水轮机进行数值计算，得到其驼峰区波峰到波谷的区域为77.10-84.56m³/s。与具有原型活动导叶10的水泵水轮机相比，具有波状前缘活动导叶20的水泵水轮机100的扬程-流量曲线的驼峰区波峰和波谷点都不同程度的向更小流量的方向上移动。表明波状前缘活动导叶20的应用使得水泵水轮机100能够在更大流量范围内稳定运行，可见扩宽水泵水轮机的安全稳定区域是非常可观的。

如图7和8所示，在驼峰区运行时，与原型活动导叶10相比，波状前缘活动导叶20在隔舌下方四分之一区域(图7中的3号区域)的内部流场得到改善，波状前缘活动导叶20上下弧面的速度分布更加均匀，延缓了上弧面的流动损失，流线更加平顺，流动状态良好。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的拓宽水泵水轮机运行稳定性区域的方法和水泵水轮机并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。