本發(fā)明涉及一種減輕混流式水泵水輪機(jī)無葉區(qū)壓力脈動(dòng)危害的方法，屬于水力機(jī)械和抽水蓄能技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)的運(yùn)行中，常遇到各種壓力脈動(dòng)導(dǎo)致的水力不穩(wěn)定問題，“無葉區(qū)壓力脈動(dòng)”是其中之一，比常規(guī)水輪機(jī)嚴(yán)重得多。所謂的“無葉區(qū)壓力脈動(dòng)”是指發(fā)生在活動(dòng)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間的壓力脈動(dòng)，其特點(diǎn)是幅值大，頻率高，是混流式水泵水輪機(jī)面臨的主要穩(wěn)定性威脅，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重的機(jī)組振動(dòng)和廠房振動(dòng)。
現(xiàn)代的大型抽水蓄能電站多采用抽水與發(fā)電同機(jī)的可逆混流式水泵水輪機(jī)，既可以抽水時(shí)在水泵工況運(yùn)行，也可以發(fā)電時(shí)在水輪機(jī)工況運(yùn)行?？赡婊炝魇剿盟啓C(jī)與常規(guī)的離心泵不同，其設(shè)置有導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)包括活動(dòng)導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉。與常規(guī)水輪機(jī)不同，可逆混流式水泵水輪機(jī)無葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值遠(yuǎn)大于尾水管渦帶壓力脈動(dòng)，尤其是在水輪機(jī)空載和部分負(fù)荷工況以及水泵0流量工況，個(gè)別水泵水輪機(jī)模型無葉區(qū)壓力脈動(dòng)的相對幅值甚至超過90％，這對于水頭(或揚(yáng)程)高達(dá)300m～700m的抽水蓄能電站來說，是非常大的不穩(wěn)定問題，引起國內(nèi)外高度重視。
但是，由于常規(guī)水電站遇到的大量穩(wěn)定性問題多發(fā)生在尾水管，渦帶壓力脈動(dòng)是主要危害源，對發(fā)生在活動(dòng)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間無葉區(qū)的壓力脈動(dòng)關(guān)注較少，了解不深入，甚至不太清楚其來源及傳播方式，對旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪葉片和靜止的活動(dòng)導(dǎo)葉之間的動(dòng)靜干涉更知之甚少，因此很難提出行之有效的減輕措施。
因此，有必要研究混流式水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和活動(dòng)導(dǎo)葉間無葉區(qū)壓力脈動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出減小混流式水泵水輪機(jī)無葉區(qū)壓力脈動(dòng)危害的方法，以減輕其對抽水蓄能電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的危害。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種減輕混流式水泵水輪機(jī)無葉區(qū)壓力脈動(dòng)危害的方法，該方法是在研究清楚無葉區(qū)壓力脈動(dòng)產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上提出的，能夠有效減輕其對抽水蓄能電站運(yùn)行穩(wěn)定性的危害，減小機(jī)組振動(dòng)及廠房振動(dòng)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種減輕混流式水泵水輪機(jī)無葉區(qū)壓力脈動(dòng)危害的方法，其特征在于，包括對混流式水泵水輪機(jī)所做的以下兩方面的優(yōu)化：1)將混流式水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)葉片傾斜布置，使葉片的進(jìn)水邊骨線與軸線方向的夾角φ不小于15°；2)在保證混流式水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及其葉片剛強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上再增加2～3個(gè)葉片，其目的是減小轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)葉道間距，以縮小脫流漩渦的發(fā)展空間。
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明是在弄清混流式水泵水輪機(jī)無葉區(qū)壓力脈動(dòng)產(chǎn)生原因及轉(zhuǎn)輪葉片和活動(dòng)導(dǎo)葉之間動(dòng)靜干涉方式的基礎(chǔ)上形成的，所提設(shè)計(jì)方法有很強(qiáng)理論基礎(chǔ)，可做到有的放矢。2、本發(fā)明提出的減輕無葉區(qū)壓力脈動(dòng)的設(shè)計(jì)措施基于對已運(yùn)行抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)不同設(shè)計(jì)方式及相應(yīng)運(yùn)行效果的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，理論聯(lián)系實(shí)際。3、設(shè)計(jì)方法及步驟簡單明了，可操作性強(qiáng)。
附圖說明
圖1是混流式水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)葉片傾斜布置示意圖；圖中：1為轉(zhuǎn)輪上冠，2為下環(huán)，3為轉(zhuǎn)輪葉片，4為葉片水輪機(jī)工況進(jìn)水邊輪廓線，d1為轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)直徑，d2為轉(zhuǎn)輪低壓側(cè)直徑，b0為活動(dòng)導(dǎo)葉高度。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
本發(fā)明提出了一種減輕水泵水輪機(jī)無葉區(qū)壓力脈動(dòng)危害的方法，其包括對水泵水輪機(jī)所做的以下兩個(gè)方面的優(yōu)化：
1)如圖1所示，將混流式水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)(水輪機(jī)工況進(jìn)水邊，水泵工況出水邊)葉片3傾斜布置，使葉片3的進(jìn)水邊骨線4與軸線方向的夾角φ不小于15°，其技術(shù)效果是可以把不同高度水輪機(jī)工況葉片進(jìn)水邊脫流漩渦分散在不同的徑向角度，以分散脫流漩渦對頂蓋的動(dòng)態(tài)作用力，使各高度層因脫流漩渦激起的無葉區(qū)壓力脈動(dòng)不同步，降低該壓力脈動(dòng)的幅值。并且，活動(dòng)導(dǎo)葉相對高度b0/d1(其中：d1為轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)直徑，b0為活動(dòng)導(dǎo)葉高度)越低，夾角φ應(yīng)越大；轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)越小，夾角φ越大。
2)在保證混流式水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及其葉片剛強(qiáng)度要求的(常規(guī)設(shè)計(jì))基礎(chǔ)上再增加2～3個(gè)葉片，其目的主要是減小轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)葉道間距，以縮小脫流漩渦的發(fā)展空間，通過減小脫流自由渦尺寸的方式降低渦心流速，提高渦心壓力，使該部位沿圓周方向壓力分布更均勻，以降低無葉區(qū)壓力脈動(dòng)。
本發(fā)明所提出的減輕混流式水泵水輪機(jī)無葉區(qū)壓力脈動(dòng)危害的方法，是基于“水泵水輪機(jī)無葉區(qū)壓力脈動(dòng)主要是水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)壓力分布不均勻引起的，尤其是水輪機(jī)偏離工況的高幅值無葉區(qū)壓力脈動(dòng)，主要源自轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口的脫流漩渦”這一創(chuàng)新概念提出的新設(shè)計(jì)方法。之所以認(rèn)為無葉區(qū)大部分幅值較高的壓力脈動(dòng)多數(shù)源于脫流漩渦，是轉(zhuǎn)輪葉片高壓側(cè)壓力不均勻帶來的影響，其原因在于：
(1)水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片比較少(目前已運(yùn)行水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)zr＝5～9，而常規(guī)混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)zr＝13～17)，在同樣轉(zhuǎn)輪直徑的條件下，葉片間距比常規(guī)水輪機(jī)大，在水輪機(jī)偏離工況進(jìn)口水流可能產(chǎn)生或大或小的沖角，給脫流漩渦以更大發(fā)展空間；
(2)水泵水輪機(jī)使用水頭都比較高，且機(jī)組安裝高程都比較低，通常在下水庫水面下30m～70m，轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)平均靜壓力非常高；而脫流漩渦是自由渦，不同旋轉(zhuǎn)半徑上旋轉(zhuǎn)流速vu與半徑r的乘積保持相等(vu·r＝const)，會造成渦心流速非常高，渦心壓力非常低；因此，在每個(gè)葉道內(nèi)，都會因脫流漩渦的存在而形成非常大的壓力差；
(3)隨著轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)每個(gè)葉片轉(zhuǎn)過時(shí)，都會有一高低交錯(cuò)的壓力順序經(jīng)過，并將其傳遞給不旋轉(zhuǎn)的無葉區(qū)，使無葉區(qū)感應(yīng)到頻率為zr·fn(其中：zr為轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)，fn為轉(zhuǎn)速頻率)的壓力波，形成無葉區(qū)壓力脈動(dòng)。
因此，本發(fā)明專利設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)輪葉片在高壓側(cè)傾斜布置，既可以使脫流漩渦保持傾斜，其壓力最低點(diǎn)在不同的高程分布在不同的徑向角度，也就是在同一個(gè)徑向角度各流層壓力不一致、不同步，從而降低各層壓力脈動(dòng)波傳遞合成的總體壓力脈動(dòng)幅值；還可以造成各高度層傾斜葉片及其脫流渦和垂直導(dǎo)葉之間的干涉波不同步，從而降低干涉能力及干涉程度，并大幅度降低固定導(dǎo)葉區(qū)壓力脈動(dòng)及其引起的頂蓋和廠房振動(dòng)。而增加葉片數(shù)，則可縮短各葉片之間的距離，進(jìn)而減小脫流漩渦發(fā)展空間，在脫流漩渦初始速度相同的條件下減小了漩渦初始半徑，達(dá)到了降低渦心流速、提高渦心壓力、進(jìn)而降低其引起壓力脈動(dòng)幅值之目的，減輕其危害。
本發(fā)明僅以上述實(shí)施例進(jìn)行說明，各部件的結(jié)構(gòu)、設(shè)置位置及其連接都是可以有所變化的。在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對個(gè)別部件進(jìn)行的改進(jìn)或等同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。