本發(fā)明涉及一種減輕混流式水泵水輪機無葉區(qū)壓力脈動危害的方法，屬于水力機械和抽水蓄能技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在抽水蓄能電站水泵水輪機的運行中，常遇到各種壓力脈動導(dǎo)致的水力不穩(wěn)定問題，“無葉區(qū)壓力脈動”是其中之一，比常規(guī)水輪機嚴(yán)重得多。所謂的“無葉區(qū)壓力脈動”是指發(fā)生在活動導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間的壓力脈動，其特點是幅值大，頻率高，是混流式水泵水輪機面臨的主要穩(wěn)定性威脅，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重的機組振動和廠房振動。
現(xiàn)代的大型抽水蓄能電站多采用抽水與發(fā)電同機的可逆混流式水泵水輪機，既可以抽水時在水泵工況運行，也可以發(fā)電時在水輪機工況運行?？赡婊炝魇剿盟啓C與常規(guī)的離心泵不同，其設(shè)置有導(dǎo)水機構(gòu)，導(dǎo)水機構(gòu)包括活動導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉。與常規(guī)水輪機不同，可逆混流式水泵水輪機無葉區(qū)壓力脈動幅值遠大于尾水管渦帶壓力脈動，尤其是在水輪機空載和部分負(fù)荷工況以及水泵0流量工況，個別水泵水輪機模型無葉區(qū)壓力脈動的相對幅值甚至超過90％，這對于水頭(或揚程)高達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，渦帶壓力脈動是主要危害源，對發(fā)生在活動導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間無葉區(qū)的壓力脈動關(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導(dǎo)葉之間的動靜干涉更知之甚少，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轉(zhuǎn)輪和活動導(dǎo)葉間無葉區(qū)壓力脈動的產(chǎn)生機理，并在此基礎(chǔ)上提出減小混流式水泵水輪機無葉區(qū)壓力脈動危害的方法，以減輕其對抽水蓄能電站安全穩(wěn)定運行的危害。
技術(shù)實現(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無葉區(qū)壓力脈動危害的方法，該方法是在研究清楚無葉區(qū)壓力脈動產(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行穩(wěn)定性的危害，減小機組振動及廠房振動。
為實現(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無葉區(qū)壓力脈動危害的方法，其特征在于，包括對混流式水泵水輪機所做的以下兩方面的優(yōu)化：1)將混流式水泵水輪機轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)葉片傾斜布置，使葉片的進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轉(zhuǎn)輪及其葉片剛強度要求的基礎(chǔ)上再增加2～3個葉片，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：1、本發(fā)明是在弄清混流式水泵水輪機無葉區(qū)壓力脈動產(chǎn)生原因及轉(zhuǎn)輪葉片和活動導(dǎo)葉之間動靜干涉方式的基礎(chǔ)上形成的，所提設(shè)計方法有很強理論基礎(chǔ)，可做到有的放矢。2、本發(fā)明提出的減輕無葉區(qū)壓力脈動的設(shè)計措施基于對已運行抽水蓄能電站水泵水輪機不同設(shè)計方式及相應(yīng)運行效果的經(jīng)驗總結(jié)，理論聯(lián)系實際。3、設(shè)計方法及步驟簡單明了，可操作性強。
附圖說明
圖1是混流式水泵水輪機轉(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為葉片水輪機工況進水邊輪廓線，d1為轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)直徑，d2為轉(zhuǎn)輪低壓側(cè)直徑，b0為活動導(dǎo)葉高度。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。
本發(fā)明提出了一種減輕水泵水輪機無葉區(qū)壓力脈動危害的方法，其包括對水泵水輪機所做的以下兩個方面的優(yōu)化：
1)如圖1所示，將混流式水泵水輪機轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)(水輪機工況進水邊，水泵工況出水邊)葉片3傾斜布置，使葉片3的進水邊骨線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工況葉片進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)壓力脈動不同步，降低該壓力脈動的幅值。并且，活動導(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轉(zhuǎn)輪及其葉片剛強度要求的(常規(guī)設(shè)計)基礎(chǔ)上再增加2～3個葉片，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。
本發(fā)明所提出的減輕混流式水泵水輪機無葉區(qū)壓力脈動危害的方法，是基于“水泵水輪機無葉區(qū)壓力脈動主要是水泵水輪機轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)壓力分布不均勻引起的，尤其是水輪機偏離工況的高幅值無葉區(qū)壓力脈動，主要源自轉(zhuǎn)輪葉片進口的脫流漩渦”這一創(chuàng)新概念提出的新設(shè)計方法。之所以認(rèn)為無葉區(qū)大部分幅值較高的壓力脈動多數(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)水泵水輪機轉(zhuǎn)輪葉片比較少(目前已運行水泵水輪機轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)zr＝5～9，而常規(guī)混流式水輪機轉(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)水輪機大，在水輪機偏離工況進口水流可能產(chǎn)生或大或小的沖角，給脫流漩渦以更大發(fā)展空間；
(2)水泵水輪機使用水頭都比較高，且機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)每個葉片轉(zhuǎn)過時，都會有一高低交錯的壓力順序經(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。
因此，本發(fā)明專利設(shè)計的轉(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，其壓力最低點在不同的高程分布在不同的徑向角度，也就是在同一個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波傳遞合成的總體壓力脈動幅值；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)壓力脈動及其引起的頂蓋和廠房振動。而增加葉片數(shù)，則可縮短各葉片之間的距離，進而減小脫流漩渦發(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，達到了降低渦心流速、提高渦心壓力、進而降低其引起壓力脈動幅值之目的，減輕其危害。
本發(fā)明僅以上述實施例進行說明，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)明原理對個別部件進行的改進或等同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護范圍之外。