混流式水泵水轮机[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 1036965 A(43)申请公布日 2014.04.02

(21)申请号 2013107040.1(22)申请日 2013.12.19

(71)申请人广东电网公司电力科学研究院

地址510080 广东省广州市东风东路水均岗

8号

申请人清华大学(72)发明人姚泽 王正伟 阎宗国 支发林

黄青松 杨静 徐广文 李玺(74)专利代理机构广州知友专利商标代理有限

公司 44104

代理人周克佑 侯莉(51)Int.Cl.

F03B 3/12(2006.01)

权利要求书1页 说明书5页 附图5页权利要求书1页 说明书5页 附图5页

()发明名称

混流式水泵水轮机(57)摘要

本发明公开了一种混流式水泵水轮机，包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管，所述转轮位于蜗壳内中部，所述固定导叶和活动导叶分布在蜗壳内靠近转轮处，所述尾水管上接蜗壳底面中部，所述转轮主要由上冠、下环及叶片组成，所述叶片位于上冠和下环之间，所述叶片成组沿下环的圆周分布，每组叶片由一个长叶片、一个中长叶片和两个短叶片组成，其中一个短叶片作为第一短叶片位于该组叶片的长叶片与中长叶片之间，另一个短叶片作为第二短叶片位于该组叶片的中长叶片与相邻组叶片的长叶片之间。本发明“S”区曲线的弯曲程度明显减轻，二次流损失更小，流场的流动性能得到改善，保证了机组运行的稳定性，降低了机组发生振动的可能性。CN 1036965 ACN 1036965 A

权 利 要 求 书

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1.一种混流式水泵水轮机，包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管，所述转轮位于蜗壳内中部，所述固定导叶和活动导叶分布在蜗壳内靠近转轮处，所述尾水管上接蜗壳底面中部，所述转轮主要由上冠、下环及叶片组成，所述叶片位于上冠和下环之间，其特征在于：所述叶片成组沿下环的圆周分布，每组叶片由一个长叶片、一个中长叶片和两个短叶片组成，其中一个短叶片作为第一短叶片位于该组叶片的长叶片与中长叶片之间，另一个短叶片作为第二短叶片位于该组叶片的中长叶片与相邻组叶片的长叶片之间。

2.根据权利要求1所述的混流式水泵水轮机，其特征在于：所述中长叶片的包角长叶片的包角角

的0.4～0.5倍，所述第一短叶片、第二短叶片的包角

是

均是长叶片的包

的0.18～0.21倍。

3.根据权利要求1或2所述的混流式水泵水轮机，其特征在于：所述中长叶片的叶片出口安放角β2＝6.8°～7.7°，所述第一短叶片、第二短叶片的出口安放角β3＝14.2°～18.4°，长叶片的出口安放角β1＝14.2°～18.4°。

4.根据权利要求3所述的混流式水泵水轮机，其特征在于：每组叶片的中长叶片位于该组叶片的长叶片与相邻组叶片的长叶片的中间位置，每组叶片的第一短叶片位于该组叶片的长叶片和中长叶片的中间位置，每组叶片的第二短叶片位于该组叶片的中长叶片和相邻组叶片的长叶片的中间位置。

5.根据权利要求4所述的混流式水泵水轮机，其特征在于：所述长叶片的中间截面型线方程分别为：

y＝-0.3696x3-0.232x2-0.02173x-0.7814y＝-0.2821x3-0.08044x2+0.08556x-0.80036.根据权利要求5所述的混流式水泵水轮机，其特征在于：所述中长叶片的中间截面型线方程分别为：

y＝-0.02083x3+0.2262x2+0.1683x-1.079y＝-0.05556x3+0.1652x2+0.2243x-1.057

7.根据权利要求6所述的混流式水泵水轮机，其特征在于：第一短叶片的中间截面型线方程分别为：

y＝-1.391x2-5.572x-5.431y＝-0.7052x2-3.276x-3.651

8.根据权利要求7所述的混流式水泵水轮机，其特征在于：第二短叶片的中间截面型线方程分别为：

y＝0.1875x2+0.1335x-1.306y＝0.45x2+0.832x-0.9219

9.根据权利要求8所述的混流式水泵水轮机，其特征在于：所述叶片为5组。

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说 明 书混流式水泵水轮机

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技术领域

[0001]

本发明涉及一种水泵水轮机，特别涉及一种混流式水泵水轮机。

背景技术

抽水蓄能电站是利用电网中负荷低谷时的电力，由下水库抽水到上水库蓄能，待

电网高峰负荷时，放水回到下水库发电的水电站，又称蓄能式水电站。它不仅能够调峰、调频、调相，还承担紧急事故备用，保证电网安全、稳定运行，同时还能够改善能源结构、缓解用水矛盾。[0003] 目前，随着经济社会的快速发展，对抽水蓄能电站的要求也越来越高，抽水蓄能机组作为电站机组的核心部件，其安全稳定高效运行极为重要。抽水蓄能机组中的水泵水轮机既要满足在水泵工况下运行，又要在水轮机工况下运行。与常规的机组相比，工况更加复杂多变。然而，现有的水泵水轮机还存在以下缺陷：⑴水泵水轮机的转轮叶片一般为7个或9个，转轮出口的空间较小，水力损失及二次流损失很大，严重影响了水泵水轮机的运行效率；⑵由于抽水蓄能电站的特殊用途，使机组不可避免地运行在偏离设计工况点，比如在部分负荷区，水轮机的转轮进口动静干涉现象剧烈，尾水管压力脉动也较大，尤其在S区，运行工况的不稳定现象极为突出；⑶由于转轮的叶片背面脱流情况严重，引起转轮进口高强度的空化等一系列问题，严重影响着抽水蓄能电站的安全稳定运行及经济效益。[0004] 中国发明专利申请（专利申请号201110183170.4）公开了一种混流式水泵水轮机长短叶片转轮，包括一个上冠、一个下环、若干个经过优化设计的长叶片和短叶片。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，可以使水轮机工况部分负荷条件下尾水管压力脉动大大降低，转轮直径减小，从而提高转轮效率。但是，该长短叶片转轮还存在以下缺点：由于水泵水轮机叶片间流道较长，在“S”区叶片间产生的流动漩涡十分严重，对流场稳定性产生重要影响，机组运行稳定性问题依然存在。

[0002]

发明内容

本发明的目的是提供一种可大大降低“S”区涡强度、提高流场稳定性的混流式水泵水轮机。

[0006] 本发明的上述目的是通过以下的技术措施来实现的：一种混流式水泵水轮机，包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管，所述转轮位于蜗壳内中部，所述固定导叶和活动导叶分布在蜗壳内靠近转轮处，所述尾水管上接蜗壳底面中部，所述转轮主要由上冠、下环及叶片组成，所述叶片位于上冠和下环之间，其特征在于：所述叶片成组沿下环的圆周分布，每组叶片由一个长叶片、一个中长叶片和两个短叶片组成，其中一个短叶片作为第一短叶片位于该组叶片的长叶片与中长叶片之间，另一个短叶片作为第二短叶片位于该组叶片的中长叶片与相邻组叶片的长叶片之间。

[0005] [0007]

本发明每组叶片由一个长叶片、一个中长叶片和两个短叶片组成，在“S区”叶片间

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说 明 书

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产生的漩涡可以被有力的分解，涡强度大大降低，且两个短叶片产生的尾流漩涡可以相互作用，消除了其进一步发展成较大漩涡的可能性；S区曲线的弯曲程度明显减轻，二次流损失更小，流场的流动性能得到改善，保证了机组运行的稳定性，降低了机组发生振动的可能性。

[0008]

作为本发明的一种改进，所述中长叶片的包角

，所述第一短叶片、第二短叶片的包角。

与长叶片的包角与长叶片的包角

的关系为的关系均为

作为本发明的进一步改进，所述中长叶片的叶片出口安放角β2＝6.8°～

7.7°，所述第一短叶片、第二短叶片的出口安放角β3＝14.2°～18.4°、长叶片的出口安放角β1＝14.2°～18.4°。

[0010] 作为本发明的一种优选方式，每组叶片的中长叶片位于该组叶片的长叶片与相邻组叶片的长叶片的中间位置，每组叶片的第一短叶片位于该组叶片的长叶片和中长叶片的中间位置，每组叶片的第二短叶片位于该组叶片的中长叶片和相邻组叶片的长叶片的中间位置。

[0011] 本发明所述长叶片的中间截面型线方程为：

32

[0012] y＝-0.3696x-0.232x-0.02173x-0.7814

32

[0013] y＝-0.2821x-0.08044x+0.08556x-0.8003[0014] 所述中长叶片的中间截面型线方程为：

32

[0015] y＝-0.02083x+0.2262x+0.1683x-1.079

32

[0016] y＝-0.05556x+0.1652x+0.2243x-1.057[0017] 第一短叶片的中间截面型线方程为：

2

[0018] y＝-1.391x-5.572x-5.431

2

[0019] y＝-0.7052x-3.276x-3.651

[0020] 第二短叶片的中间截面型线方程为：

2

[0021] y＝0.1875x+0.1335x-1.306

2

[0022] y＝0.45x+0.832x-0.9219[0023] 优选地，本发明所述的叶片为5组。在保证水轮机组流量和出力的情况下，大大改善了流场的流动性能。

[0009]

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

[0025] 本发明叶片间的漩涡可以被有力的分解，涡强度大大降低，而且两个短叶片产生的尾流漩涡可以互相作用，消除了其进一步发展成较大漩涡的可能性；S区曲线的弯曲程度明显减轻，二次流损失更小，流场的流动性能得到改善，保证了机组运行的稳定性，降低了机组发生振动的可能性。

[0024]

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

[0027] 图1为本发明的整体结构示意图；[0028] 图2为本发明转轮的结构图；

[0026]

4

CN 1036965 A[0029]

说 明 书

3/5页

图3为本发明固定导叶与活动导叶的结构图；

[0030] 图4为本发明长叶片、中长叶片中间截面示意图；[0031] 图5为本发明短叶片中间截面示意图；[0032] 图6为本发明长、中长、短叶片包角及叶片出口安放角示意图；[0033] 图7为本发明叶片在上冠上分布示意图；[0034] 图8为本发明叶片在下环上分布示意图。[0035] 图中：1-蜗壳；2-固定导叶；3-活动导叶；4-转轮；5-尾水管；6-上冠；7-下环；8-叶片；9-长叶片；10-中长叶片；11-短叶片，12-第一短叶片，13-第二短叶片。具体实施方式

[0036] 如图1～8所示，是本发明一种混流式水泵水轮机，包括蜗壳1、固定导叶2、活动导叶3、转轮4和尾水管5，转轮4位于蜗壳1内中部，固定导叶2和活动导叶3分布在蜗壳1内靠近转轮4处，尾水管5上接蜗壳1底面中部，转轮5主要由上冠6、下环7及叶片8组成，叶片8位于上冠6和下环7之间，叶片8成组沿下环7的圆周分布，在本实施例中，叶片为5组，每组叶片由长叶片9、中长叶片10和两个短叶片11组成，其中一个短叶片作为第一短叶片12位于长叶片9与中长叶片10之间，另一个短叶片作为第二短叶片13位于中长叶片10与相邻组叶片的长叶片9之间。每组叶片的中长叶片10位于该组叶片的长叶片9与相邻组叶片的长叶片9的中间位置，每组叶片的第一短叶片12位于该组叶片的长叶片9和中长叶片10的中间位置，每组叶片的第二短叶片13位于该组叶片的中长叶片10和相邻组叶片的长叶片9的中间位置。

[0037]

中长叶片10的包角是长叶片9的包角的0.4倍，第一短叶片12、第二短

叶片13的包角均是长叶片9的包角的0.20倍。中长叶片10的叶片出口安放角

β2=7.0°，第一短叶片12、第二短叶片13的出口安放角β3=16.5°，长叶片9的出口安放

角β1=16.0°，参见图6。[0038] 如图4、5所示，长叶片9、中长叶片10和短叶片11的中间截面设计成两段首尾相接的曲线组成的闭合曲线，从长叶片9中间截面型线上取22个点，各点在直角坐标系中的坐标点如下：

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CN 1036965 A

说 明 书

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[0039]

[0040] （表1）[0041] [0042] [0043] [0044] [0045]

拟合后的两条曲线的方程分别为：

y＝-0.3696x3-0.232x2-0.02173x-0.7814y＝-0.2821x3-0.08044x2+0.08556x-0.8003以上即为长叶片9的中间截面型线方程。

从中长叶片10中间纵向截面型线上取14个点，各点在直角坐标系中的坐标点如

下：

[0046]

[0047] （表2）

拟合后的两条曲线的方程分别为：

32

[0049] y＝-0.02083x+0.2262x+0.1683x-1.079

32

[0050] y＝-0.05556x+0.1652x+0.2243x-1.057[0051] 以上即为中长叶片10的中间截面型线方程。

[0048]

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CN 1036965 A[0052]

说 明 书

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从短叶片中间截面型线上取14个点，各点在直角坐标系中的坐标点如下：

[0053]

[00] （表3）

第一短叶片12拟合后的两条曲线的方程分别为：

2

[0056] y＝-1.391x-5.572x-5.431

2

[0057] y＝-0.7052x-3.276x-3.651

[0058] 第二短叶片13拟合后的两条曲线的方程分别为：

2

[0059] y＝0.1875x+0.1335x-1.306

2

[0060] y＝0.45x+0.832x-0.9219[0061] 经过水力计算，根据计算结果可知，本发明可以减轻流动漩涡，降低S区内漩涡强度，采用本发明中应用的叶片形式及布置方式后，S区曲线得到了显著的改善，速度系数-流量系数曲线反弯的程度大大降低。在相同的导叶开度条件下，本发明流道内形成的漩涡的强度较弱，流线的扭曲程度得到进一步减轻，这是因为本发明的叶片结构方式可以有力的分解S区叶片间的漩涡，且两个短叶片产生的尾流漩涡可以互相作用，消除了其进一步发展成较大漩涡的可能性。

[0055] [0062]

在其它实施方式中，中长叶片的包角是长叶片的包角的0.4～0.5倍，第一

短叶片、第二短叶片的包角均是长叶片的包角的0.18～0.21倍。中长叶片的叶片

出口安放角β2＝6.8°～7.7°，第一短叶片、第二短叶片的出口安放角β3＝14.2°～

18.4°，长叶片的出口安放角β1＝14.2°～18.4°。[0063] 本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

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说 明 书 附 图

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图1

图2

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说 明 书 附 图

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图3

图4

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说 明 书 附 图

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图5

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说 明 书 附 图

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图6

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说 明 书 附 图

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图7

图8

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