专利名称：混流式水轮机反向s型长短叶片转轮的制作方法
技术领域：
:本发明涉及一种混流式水轮机反向S型长短叶片转轮。
背景技术：
:近些年，特别是三峡技术引进后，我国的混流式水轮机水力设计水平有了长足的进步。但是随着技术的发展，国内外各电站对混流式水轮机的效率和稳定性的要求也逐步提高。针对小流量、大流量和最优工况，电站方面需要转轮能量性能具有更加宽泛的运行范围，也就是具有较高的能量指标。对叶片的空化和压力脉动提出了较高的要求。同时由于很多电站水头变幅较大，转轮要在不同的水头段下运行，这就决定了在很多情况下机组要不可避免地运行在偏离工况条件下，这就会使转轮空化和尾水管压力脉动变得很严重。水轮机转轮由于其转轮直径偏大，从而导致其圆盘损失增大，大大降低了水轮机的效率；同时，较高的流速也导致在部分负荷条件下，转轮进口出现强烈的动静干涉现象，尾水管进口出现强烈的压力脉动和高强度的空化等一系列问题。在这样的电站中，若使用常规水轮机转轮，不仅转轮效率水平偏低，而且还会给机组运行带来严重的不稳定性问题。现有的混流式转轮叶片一般为常规叶片和负倾角叶片。常规叶片俯视图如图4所示，其进水边4为直线或抛物线，最多只有一个拐点。负倾角叶片俯视图如图5所示，其进水边4为直线或抛物线，最多只有一个拐点。发明内容:本发明的目的在于公开一种高效率运行同时提高稳定性的混流式水轮机反向S型长短叶片。本发明的技术方案为:一种混流式水轮机反向S型长短叶片转轮，包括一个上冠(1)、一个下环(3 )和若干个连接在上冠(1)和下环(3 )之间的长短叶片(2 )，每一个叶片均有一个正对水轮机上游导流机构的进水边(4 )和一个正对下游的出水边(5 ),其特征是:叶片(2)的进水边(4)从A点到D点之间带有两个拐点，即叶片(2)的进水边(4)带有P1、P2两个拐点，叶片(2)的进水边(4)为反向“S”型；叶片(2)的上冠型线(6)即叶片与上冠的交线，从D点到C点之间带有两个拐点，即叶片(2)的上冠型线(6)带有S1、S2两个拐点，上冠型线(6)呈现反向“S”型；叶片(2)的下环型线(7)即叶片与下环的交线，从A点到B点之间带有两个拐点，叶片(2)的下环型线(7)有X1、X2两个拐点，下环型线(7)呈现反向“S”型，叶片相关点、线的定义:点A为叶片进水边(4)与下环(3)的交点，点B为叶片出水边(5)与下环(3)的交点，点C为叶片出水边(5)与上冠(I)的交点，点D为叶片进水边(4)与上冠(1)的交点，线AD为叶片的进水边(4)，线BC为叶片的出水边(5)。本发明的长叶片包角Θ L根据转轮所要求达到的水力性能进行优化确定，短叶片的包角按以下方式确定:θS/0L=0.35、.45。长叶片进口角PL2与短叶片进口角β S2大小并不相同，二者之差Δβ2=PL2-eS2，Λ β2大小与θ S/θ L的比值大小有关，Θ S/Θ L比值越大，Δ β 2越小。短叶片轴面长度由短叶片轴面中间流线GH与长叶片轴面中间流线GK的比值进行确定:GH/GK=0.60-0.70。短叶片到长叶片负压面开口 a0与短叶片包角Θ S和短叶片轴面中间流线GH两个参数有关，a0值要足够小才能起到相应的作用，Θ S越小、GH长度越短，a0值就越小。相邻叶片之间的节距Θ P大小相同。混流式水轮机长短叶片转轮叶片数为:十三个长叶片与十三个短叶片，或者十五个长叶片与十五个短叶片。通过改变进水边形状实现具有更加宽广的闻效率运行范围的同时提闻稳定性；通过对混流式水轮机长叶片和短叶片的优化设计，减轻部分负荷工况下尾水管压力脉动的问题，减轻高水头、大容量水轮机进口空化问题，提高水轮机运行范围；长短叶片设计，使叶片数翻倍，最大限度地减小了单叶片应力负荷，提高了转轮的整体强度性能，从而可应用到更高水头范围，即从原来应用的200米水头扩大到300米水头；为叶片径向长度、特殊的叶片的上冠型线(叶片与上冠交线)的形状和特殊的叶片的下环型线(叶片与下环交线)的形状，提高转轮的效率和稳定性。本发明工作原理为:水轮机是将水流的能量转换为机械能的装置。反击式水轮机利用了水流的势能和动能。水流充满整个水轮机的流道，整个流道是有压封闭系统，水流是有压流动，水流沿着转轮外圆整周进水，从转轮的进口纸出口水流压力逐渐减小。水流冲击水轮机转轮叶片，其惯性力作用引起作用于叶片的力，反过来，叶片使水流的速度(方向或大小)、压力发生变化。按照本发明，进水边设计合理的反S型长短转轮叶片，会使混流式水轮机在以下方面获益。1、水轮机效率(I)叶片进水边呈反“S”型，其中下部适应小流量时来流，其中上部适应大流量时来流，从而同时改善小流量和大流量时叶片进口的流态。这样才能保持进水边头部小，有利于提高转轮最优工况效率。叶片的进水边A、D与出水边B、C弧长与公称直径Φ的比增大，相当于加长叶片，增加做功面积，提高能量转化率，实现具有更加宽广的高效率运行范围，即实现电站在小流量、大流量和最优工况的运行工况内都具有闻效率的性能指标。(2)叶片的上冠型线(叶片与上冠交线)的形状，对大流量的水轮机效率影响较大，增加了上冠附近叶片压力面和吸力面的压差，有利于转轮效率的提高。同时，降低出口流速，改善转轮内流态。(3)叶片的下环型线(叶片与下环交线)的形状，对水轮机小流量效率影响较大，增加了下环附近叶片压力面和吸力面的压差，有利于转轮效率的提高。同时，降低出口流速，改善转轮内流态。(4)长短叶片转轮设计可减小其直径的，从而减小整机尺寸，进而降低转轮制造成本，减小电站开挖量，带来一系列的经济效益；而且转轮直径的减小会使圆盘损失降低，从而提高转轮的效率。(5)水轮机模型试验表明:具有合理形状的叶片进水边、叶片的上冠型线(叶片与上冠交线)和叶片的下环型线(叶片与下环交线)的反S型长短叶片，可使水轮机最优效率提高5 10%。，并且使小流量和大流量水轮机效率大幅度提高。2、水轮机稳定性(I)实践表明:转轮出口环量与尾水管压力脉动，有直接的关系，是衡量水轮机稳定性的重要指标。叶片的上冠型线(叶片与上冠交线)的形状和特殊的叶片的下环型线(叶片与下环交线)的形状改变，加之长短叶片设计，使出水边形状随之改变，叶片载荷减小，从而控制在偏离最优工况时转轮出口的环量分布，从根本上避免能量聚集，实现降低尾水管内的压力脉动，提高机组运行的稳定性。同时由于叶片加长，降低了叶片表面流速，因此有助于提高机组稳定性。(2)在部分负荷的运行范围内，流向转轮下环侧的二次流减小，涡流率也减小，其中涡流率定义为角动量和轴向动量之比。涡流率与尾水管处的压力脉动密切相关，涡流率的减小会带来尾水管压力脉动的降低。(3)转轮直径和叶片角度的减小使水轮机工况下叶片进口液流角变化减小，从而提高转轮进口的空化特性。(4)长短叶片设计，使叶片数翻倍，最大限度地减小了单叶片应力负荷，提高了转轮的整体强度性能，从而可应用到更高水头范围，即从原来应用的200米水头扩大到350米水头。
:图1混流式水轮机反S型长短叶片轴面结构示意2混流式水轮机反S型长短叶片平面结构示意3混流式水泵水轮机长短叶片转轮装配4混流式水轮机常规转轮叶片俯视5混流式水轮机负倾角转轮叶片俯视6混流式水轮机反S型长短叶片转轮叶片俯视7混流式水轮机反S型长短叶片转轮叶片立体图
具体实施方式
:如图1、图2所示，一种混流式水轮机反向S型长短叶片转轮，包括一个上冠1、一个下环3和若干个连接在上冠I和下环3之间的长短叶片2，每一个叶片均有一个正对水轮机上游导流机构的进水边4和一个正对下游的出水边5，其特征是:叶片2的进水边4从A点到D点之间带有两个拐点，即叶片2的进水边4带有P1、P2两个拐点，叶片2的进水边4为反向“S”型；叶片2的上冠型线6即叶片与上冠的交线，从D点到C点之间带有两个拐点，如图5所示，即叶片2的上冠型线6带有S1、S2两个拐点，上冠型线6呈现反向“S”型；叶片2的下环型线7即叶片与下环的交线，从A点到B点之间带有两个拐点，叶片2的下环型线7有X1、X2两个拐点，下环型线7呈现反向“S”型，叶片相关点、线的定义:点A为叶片进水边4与下环3的交点，点B为叶片出水边5与下环3的交点，点C为叶片出水边5与上冠I的交点，点D为叶片进水边4与上冠I的交点，线AD为叶片的进水边4，线BC为叶片的出水边5。所述的叶片的数量范围:十三个长叶片与十三个短叶片；或者十四个长叶片与十四个短叶片；或者十五个长叶片与十五个短叶片。长叶片包角Θ L根据转轮所要求达到的水力性能进行优化确定，短叶片的包角Θ S按以下方式确定:Θ s/Θ L=0.35、.45，长叶片进口角PL2与短叶片进口角β S2大小并不相同，二者之差Ai32=i3L2_i3S2，短叶片轴面长度由短叶片轴面中间流线GH与长叶片轴面中间流线GK的比值进行确定:GH/GK=0.6(Γ0.7。图1-图7中所示的各技术参数及部件说明:β 1: 叶片出口角；
3L2:长叶片进口角；3S2:短叶片进口角；0L:长叶片包角；9S:短叶片包角；θ p:叶片节距；a0:短叶片到长叶片负压面开口；AD:进水边BC:长叶片出水边EF:短叶片出水边GH:短叶片轴面中间流线GK:长叶片轴面中间流线1:上冠2:长短叶片3:下环4:进水边5:出水边6:长叶片7:短叶片1.转轮叶片反S型设计如图3所示，本发明包括一个上冠1、一个下环3和若干个连接在上冠I和下环3之间的三维扭曲叶片2，每一叶片有一正对水轮机上游导流机构的进水边4和正对下游的出水边5。图1中ABCD为叶片的轴面图为叶片旋转投影到一个经过水轮机转动中心Z的平面形成的图形，Φ为A点的直径(又称为公称直径)，P表示进水侧，O表示出水侧，Z表示水轮机转动中心。叶片相关点、线的定义:点A为叶片进水边4与下环3的交点，点B为叶片出水边5与下环3的交点，点C为叶片出水边5与上冠I的交点，点D为叶片进水边4与上冠I的交点，线AD为叶片的进水边4，线BC为叶片的出水边5。叶片2的进水边4从A点到D点之间有两个拐点。图6中两个拐点分别位于直线AD的两侧，以A点为起始点，从A点沿着进水边4运行，先经过直线AD右侧的一个拐点，然后经过直线AD左侧的一个拐点，最后到达D点。在图7中显示叶片2的进水边4有P1、P2两个拐点，而且呈明显的反“S”型；叶片2的上冠型线6 (叶片与上冠交线)从D点到C点之间有两个拐点。图6中两个拐点分别位于直线DC的两侧，以D为起始点，从D点沿着叶片背面与上冠交线6运行，先经过直线DC右侧的一个拐点，然后经过直线DC左侧的一个拐点，最后到达C点。在图7中显示叶片2的上冠型线6有S1、S2两个拐点，而且略呈反“S”型；叶片2的下环型线7 (叶片与下环交线)从A点到B点之间有两个拐点。图6中两个拐点分别位于直线AB的两侧，以A为起始点，从A点沿着叶片工作面或背面与下环交线7运行，先经过直线AB右侧的一个拐点，然后经过直线AB左侧的一个拐点，最后到达B点。在图7中显示叶片2的下环型线7有X1、X2两个拐点，而且略呈反“S”型。2.长短叶片设计。
在混流式水轮机长短叶片转轮的水力设计中，由于长叶片对转轮空化性能起决定作用，故首先对长叶片的各个参数进行优化。通过调整图2中长叶片的包角ΘL和叶片出口角β I来使转轮的空化性能满足要求，通过调整长叶片的叶片进口角PL2使转轮的运行范围满足要求。此时，根据长叶片包角QL和叶片进口角PL2来确定短叶片的包角0S和叶片进口角PS2，从而设计出短叶片的初步翼型。然后，求出短叶片到长叶片负压面开口a0，对aO大小进行评价，若其值过大，则可通过调整短叶片轴面中间流线GH的长度和其包角Θ S值的大小来使aO变小，在调整aO过程中，要注意短叶片包角Θ S值的变化对进口空化和运行范围的影响。所有的设计过程，都采用CFD数值模拟的方法对长叶片和短叶片进行联合计算。CFD数值模拟之后，可以根据设计数据，加工水轮机长短叶片模型转轮，对其进行模型试验，进一步评价其性能，同时也对其设计结果进行最终的评定。
权利要求
1.一种混流式水轮机反向S型长短叶片转轮，包括一个上冠(I)、一个下环(3)和若干个连接在上冠(I)和下环(3)之间的长短叶片(2)，每一个叶片均有一个正对水轮机上游导流机构的进水边(4)和一个正对下游的出水边(5)，其特征是:叶片(2)的进水边(4)从A点到D点之间带有两个拐点，即叶片(2)的进水边(4)带有P1、P2两个拐点，叶片(2)的进水边(4)为反向“S”型；叶片(2)的上冠型线(6)即叶片与上冠的交线，从D点到C点之间带有两个拐点，即叶片(2)的上冠型线(6)带有S1、S2两个拐点，上冠型线(6)呈现反向“S”型；叶片(2)的下环型线(7)即叶片与下环的交线，从A点到B点之间带有两个拐点，叶片(2)的下环型线(7)有X1、X2两个拐点，下环型线(7)呈现反向“S”型，叶片相关点、线的定义:点A为叶片进水边(4)与下环(3 )的交点，点B为叶片出水边(5 )与下环(3 )的交点，点C为叶片出水边(5 )与上冠(I)的交点，点D为叶片进水边(4)与上冠(I)的交点，线AD为叶片的进水边(4)，线BC为叶片的出水边(5)。
2.根据权利要求1所述的一种混流式水轮机反向S型长短叶片转轮，其特征是:所述的叶片的数量范围:十三个长叶片与十三个短叶片；或者十四个长叶片与十四个短叶片；或者十五个长叶片与十五个短叶片。
3.根据权利要求1所述的一种混流式水轮机反向S型长短叶片转轮，其特征是:长叶片包角QL根据转轮所要求达到的水力性能进行优化确定，短叶片的包角0S按以下方式确定:0S/0L=0.35、.45，长叶片进口角PL2与短叶片进口角β S2大小并不相同，二者之差Λ β 2=β L2-^ S2,短叶片轴面长度由短叶片轴面中间流线GH与长叶片轴面中间流线GK的比值进行确定:GH/GK=0.6 (Γθ.7。
全文摘要
本发明的混流式水轮机反向S型转轮，包括一个上冠、一个下环和若干个连接在该上冠和下环之间的长叶片和短叶片。叶片进水边呈现反向“S”型，通过对长叶片和短叶片的包角，叶片的进出口角，短叶片轴面流道的长度，短叶片到相邻长叶片背面开口的大小等参数进行优化，大大降低部分负荷条件下尾水管压力脉动，减小转轮直径，从而提高转轮效率，改善小流量和大流量时叶片进口的流态，同时，还能保持进水边头部小，获得更高的最优效率；加长叶片，实现具有更加宽广的高效率运行范围；叶片的上冠型线的形状和特殊的叶片的下环型线的形状略呈反向“S”型，降低出口流速，改善转轮内流态，提高机组运行的稳定性。
文档编号F03B3/12GK103114953SQ20121052465
公开日2013年5月22日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者韩秀丽, 赵昊阳, 王茜芸, 魏显著, 刘万江, 高海军 申请人:哈尔滨电机厂有限责任公司, 国家水力发电设备工程技术研究中心, 哈尔滨大电机研究所