水泵水轮机转轮及水泵水轮机S区安全裕度的优化方法与流程

本发明涉及水泵水轮机转轮及水泵水轮机s区安全裕度的优化方法，属于水泵水轮机转轮设计领域。

背景技术：

1、抽水蓄能机组可双向运行的独特方式，在电网中能够发挥较好的调峰、调频作用，能够与风电、太阳能等不稳定、间隙性的新型能源有效配合，能够有效优化电网的效率及灵活性，保证电网的安全及稳定。为消纳新能源，抽水蓄能机组角色由发电向储能转变，特别是对一些拟建的混合式抽水电站，混合式抽水蓄能电站往往建设在两个已有电站之间，用两个已有电站的水库当作上库和下库使用，水库水位变幅较大，导致电站水头变幅明显增加。目前正在建设的某300米水头段混合式抽水蓄能电站水头变幅已超过1.5，远远超过规范建议的不大于1.3，电站机组设计难度大大提高。

2、抽水蓄能机组起停机频繁，因此机组能否稳定运行对电站来说至关重要，其水轮机工况s特性品质好坏关乎机组能否安全并网和稳定运行。因此在转轮设计时，需特别关注s特性区，特别是力矩为零区域以及接近零流量区域，这是极不稳定区，该区域s特性品质的好坏直接决定了s区安全裕度的大小。目前，行业内一般定义s区安全裕度为在t11～n11四象限特性曲线上，导叶开度线与n11坐标轴(t11＝0)的交点处，其切线与n11坐标轴的夹角小于等于90°时即为进入s特性区，该处的n11值换算成水头与考虑频率变化的最小水头的差值即为s区安全裕度。

3、研究表明，中低比转速水泵水轮机s特性曲线在正流量区变化平缓，流量受转速影响小，主要由导叶开度来决定。s特性较为突出，飞逸线变化平缓，这主要是因为机组的转轮叶片流道长，离心力大，在转轮外缘形成一个挡水环，阻挡水进入转轮所致。在水轮机工况，导叶开度较小时，紊乱的水流主要集中在转轮高压边靠下环附近，使s特性从小开度开始品质就变差，导致s区安全裕度不足。

4、综上，现有混流式水泵水轮机转轮存在叶片流道长，离心力大，在水轮机工况，导叶开度较小时，s特性差，导致s区安全裕度不足的技术问题。

技术实现思路

1、本发明是为了解决现有混流式水泵水轮机转轮存在叶片流道长，离心力大，在水轮机工况，导叶开度较小时，s特性差，导致s区安全裕度不足的技术问题，进而提供了一种水泵水轮机转轮及水泵水轮机s区安全裕度的优化方法。

2、本发明的技术方案是一种水泵水轮机转轮，包括上冠、下环、多个长叶片、多个短叶片，上冠设置在下环的上方，多个长叶片与多个短叶片以水泵水轮机转轮的旋转轴为中心沿径向交替均匀布置在上冠与下环之间的流道内，多个长叶片靠近水泵水轮机转轮的旋转轴的一边为长叶片低压边，多个长叶片远离水泵水轮机转轮的旋转轴的一边为长叶片高压边，多个短叶片靠近水泵水轮机转轮的旋转轴的一边为短叶片低压边，多个短叶片远离水泵水轮机转轮的旋转轴的一边为短叶片高压边，所述短叶片高压边靠近下环侧加工为梯级内凹式翼型。

3、作为本发明的另一种改进，梯级内凹式翼型的轴面投影为梯级式光滑曲线，短叶片高压边与梯级内凹式翼型搭接部分为直线。

4、作为本发明的另一种改进，水泵水轮机s区安全裕度的优化方法，包括以下步骤：

5、步骤一、通过参数化设计软件建模，以水泵水轮机转轮的上冠线和下环线为基础，在上冠线和下环线之间生成多条控制转轮叶片翼型的流线；

6、步骤二、通过参数化控制叶片从低压侧到高压侧流线长度；

7、步骤三、控制多个长叶片翼型的多条流线的长度从上冠到下环成线性增加；

8、步骤四、控制多个短叶片翼型靠上冠的多条流线从上冠到下环方向成线性增加，控制多个短叶片翼型靠下环的多条流线从上冠到下环方向按减小-增加-减小-增加的规律往复变化，短叶片高压边靠近下环侧生成为梯级内凹式翼型。

9、作为本发明的另一种改进，步骤四中梯级内凹式翼型的控制参数由梯级内凹式翼型第一级起始点到短叶片高压边与上冠交点的距离g1、梯级内凹式翼型第一级凹点至短叶片高压边的距离s1、第二级凹点至短叶片高压边的距离s2、第一级内凹式翼型起始点到结束点的高度h1、第二级内凹式翼型起始点到结束点的高度h2和梯级内凹式翼型在短叶片高压边占据的总高度l组成。

10、作为本发明的另一种改进，梯级内凹式翼型的控制参数满足如下关系：s2＝2s1，s1的取值范围满足0.5％d1<s1<0.75δ，式中d1为水泵水轮机转轮的短叶片高压侧的标称直径，δ为水泵水轮机转轮的短叶片的最大厚度值。

11、作为本发明的另一种改进，梯级内凹式翼型的控制参数满足如下关系：

12、b0>g1>0.6b0，式中b0为短叶片高压边的垂直高度。

13、作为本发明的另一种改进，梯级内凹式翼型的控制参数满足如下关系：

14、h2＝2h1，l/7<h1<7.5l，0<l<0.4b0，式中b0为短叶片高压边的垂直高度。

15、本发明的有益效果：

16、1、本发明通过将水泵水轮机转轮中的短叶片高压边靠下环部位设计为梯级内凹式翼型，可以使高压侧靠下环附近的水流较晚的接触到叶片，从而抑制或减弱无叶区挡水环的生成和发展，使水流从导叶流出后以较稳定的流态进入转轮，提升了水泵水轮机s区安全裕度。

17、2、梯级内凹式翼型主要分布在短叶片高压边靠下环方向的下部，可以减小对水泵水轮机其它水力性能的影响。

技术特征：

1.一种水泵水轮机转轮，其特征在于它包括上冠(1)、下环(2)、多个长叶片(3)和多个短叶片(4)，上冠(1)设置在下环(2)的上方，多个长叶片(3)与多个短叶片(4)以水泵水轮机转轮的旋转轴为中心沿径向交替均匀布置在上冠(1)与下环(2)之间的流道内，多个长叶片(3)靠近水泵水轮机转轮的旋转轴的一边为长叶片低压边(5)，多个长叶片(3)远离水泵水轮机转轮的旋转轴的一边为长叶片高压边(7)，多个短叶片(4)靠近水泵水轮机转轮的旋转轴的一边为短叶片低压边(6)，多个短叶片(4)远离水泵水轮机转轮的旋转轴的一边为短叶片高压边(8)，所述短叶片高压边(8)靠近下环(2)侧加工为梯级内凹式翼型(9)。

2.根据权利要求1所述的水泵水轮机转轮，其特征在于，所述梯级内凹式翼型(9)的轴面投影为梯级式光滑曲线，短叶片高压边(8)与梯级内凹式翼型(9)搭接部分为直线。

3.基于权利要求1或2所述的水泵水轮机转轮的水泵水轮机s区安全裕度的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的水泵水轮机s区安全裕度的优化方法，其特征在于，步骤四中梯级内凹式翼型(9)的控制参数由梯级内凹式翼型(9)第一级起始点到短叶片高压边(8)与上冠(1)交点的距离g1、梯级内凹式翼型(9)第一级凹点至短叶片高压边(8)的距离s1、第二级凹点至短叶片高压边(8)的距离s2、第一级内凹式翼型起始点到结束点的高度h1、第二级内凹式翼型起始点到结束点的高度h2和梯级内凹式翼型(9)在短叶片高压边占据的总高度l组成。

5.根据权利要求4所述的水泵水轮机s区安全裕度的优化方法，其特征在于，梯级内凹式翼型(9)的控制参数满足如下关系：

6.根据权利要求4所述的水泵水轮机s区安全裕度的优化方法，其特征在于，梯级内凹式翼型(9)的控制参数满足如下关系：

7.根据权利要求4所述的水泵水轮机s区安全裕度的优化方法，其特征在于，梯级内凹式翼型(9)的控制参数满足如下关系：

技术总结水泵水轮机转轮及水泵水轮机S区安全裕度的优化方法，属于水泵水轮机转轮设计领域。本发明解决了现有混流式水泵水轮机转轮存在叶片流道长，离心力大，在水轮机工况，导叶开度较小时，S特性差，导致S区安全裕度不足的技术问题。一种水泵水轮机转轮上冠设置在下环的上方，多个长叶片与多个短叶片以水泵水轮机转轮的旋转轴为中心沿径向交替均匀布置在上冠与下环之间的流道内，通过参数化控制叶片从低压侧到高压侧流线长度；控制多个短叶片翼型靠下环附近的多条流线从上冠到下环方向按减小‑增加‑减小‑增加的规律往复变化，短叶片高压边靠近下环侧生成为梯级内凹式翼型。提升了水泵水轮机S区安全裕度。本发明用于水泵水轮机转轮的优化。技术研发人员：邓磊,李树林,郑程,张韬,赵毅锋,吴喜东,张广,倪晋兵,刘文杰,韩文福,付国龙,魏欢,张国亮,张飞,肖微,宋瀚生受保护的技术使用者：国网新源集团有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/5