可逆式水泵水轮机的试验研究

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1、第? ?卷 水 利 水 电 技术 ? 年第 一? 期 可逆式水泵水轮机的试验研究 于纪幸陈 锐沈祝平余江城 ?中国水利水电科学研究院水力机电研究所? 【摘 要】通过对目前国内外水泵水轮机模型效率水平的对比分析 , 针对改善提高水泵 水轮机效率及其他水力性能的途径和效果进行了试验研究 , 借鉴国外 高水平水泵水轮机 通流部件几何形状和设计方 法进行了水力模型 与转轮的设计 , 介绍转轮叶片高低压边的 修型 、 导叶和固定导叶双列叶栅中的 固定导叶安放角对水轮机和水泵性能影响 的试验研 究结果 【关键词】水泵水轮机 转轮效率 ? 概述 在一些抽水 蓄能电站技术发展较早的 国 家 , 抽水蓄能技术已

2、有相当成熟的经验 ? 在 ? ? 年代 , 模型最优效率水平在? ?一? ?范围 , 近几年 由于水力计算和设计水平的提高 , 以及 大量的模型试验研究 , 使水泵水轮机的模型最 优效率达到了? ? 一? ? , 表 ? 列 出了我国近 几年从国外引进的抽水蓄能电站的水泵水轮机 模型性能参数 ? 我国于? ?年代 曾组织有关院校 开展混流式与斜流式水泵水轮机的模型试验研 究 , 在当时的条件下 , 模型效率水平与国外差距 较大 , 之后又长时间处于停滞状态 , 尽管近几年 陆续从国外引进了 ? ? 一? ? ? 水头段的水泵 域图 ? 在等值域图中 , 不同颜色 的交线即为等值 线 ? 这种处

3、理方法有许多优点 ? 它处理简单 , 只 要对每个小单元插值填色就行 ? 对于规则网格 和 不规则网格 , 二维和三维问题没有太多差别 ? 原始数据的误差不会扩散 ? 不会出现求等值线 时容易产生的交叉现象等 绘制三维等值域图的具体做法与上述的三 维实体造型技术大致相 同 , 只是事先需要规定 目标函数值的分段方式和指定的颜色 ? 在前面 所述的要点? ?中屏幕小三角形处理时 , 还要插 值求出小三角形中各点的函数值并查 出它所对 应的颜色 , 以此来代替实体表面的颜色 ? 三维流场造型 为了在计算机屏幕上进行三维流场显示 , ? 可以采用两种方式 ? 其一是计算出流道中的流 线或迹线进行显示

4、 , 其二是直接显示流速矢量 图 ? 为实现这一图象 , 只要在完成流场硬边界的 三维实体造型 后 , 再把计算出的 流速矢量也作 为实体迭加上去就行了 ? ? 结语 本文提供一种三维实体造型和绘制三维等 值域图 , 三维流场图的方法 ? 其原理简单 , 程序 量小 它除了应用能提供绘图功能的编译系统 如 ? ? ? ? ? 。进行编译以外 , 不需要任何 其他软件的支持 ? 利用这种方法获得的图象 , 立 体感强 , 能够满足工程实用 的需要 ? 它适合于作 为一个子程序直接联结在用户的应用软件上 ?收稿日期 ? ? ? 一? ?一? ? 责任编辑张绪平? 水轮机 , 使我国积累了一些 资料

5、和经验 , 但在 ? ? 水头段 , 我国 目前 尚处于技术空 白 , 更无资料和经验可借鉴 ? 在立足于 独立开发 和 国产化 的前 提下 , 我们对 ? ? 一? ? ? 水头 段的混流式水泵水轮机模型效率及其他水力性 能进行了试验研究 ? 表?从国外引进的水泵水轮机 模型性能参数 我们根据近年来国内已建和在建电站的工 程实际条件 , 设计和试验了? ?型吸水管 , 其主 要几何参数如图 ? 所示 , 这种吸水管与 ? 号系 列吸水管相比较 , 具有如下特点 ? ? ? 吸水口为 圆形 , 便于与抽水蓄能电站的尾水洞相接 ? ? ? 各断面面积按均匀扩散规律设计 , 从而保持流 速平缓变化

6、 ? ? ? 几何尺寸高而窄 , 便于相邻吸 水管之间宽度布置 , 但不降低水力性能指标 赢赢露迪燮竺竺 广州州 十三 陵陵天荒坪 坪溪口 口 水水轮机工况单位转 速 速 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?一, ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 水水轮机工况单位流量量 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?, ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 模模型水轮机工况最大效率率 ? ? ? ? ? ? ?

7、 ? ? ! ? ? ? ? ? ? ? ? 甲甲? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ! ? ? ? ? 水水轮机工况比转速速 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 水水泵工况单位转速 速速速速速 。一, ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 水水泵工况单位流量量量量量量 ? ? ? ?户 ? ? 、? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 模模型水泵工况最大效率率率率率率 甲甲 ? 二?

8、? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 水水泵工况比转速速速速速速 ? ? ?, ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 侧侧侧 土土二二 二 ? 一 一卫剑旦? ? ? 模型机组的流道设计 水泵水轮机的水力性能与常规机组一样 , 包括效率 、 空化和稳定性等指标 ? 基于我国水泵 水轮机研究的现状 , 在兼顾空化和稳定性的前 提下 , 把提高最优效率作为我们的工作重点之 一 , 但效率水平受诸多 因素的影响 , 转轮的设计 固然重要 , 但其他过流部件?包括蜗壳 、 固定导 叶和活动导叶及尾水管?的设计及过 流表面 的 加工质量对模型效率的影响也较大 ? 因此 , 在模 型机

9、组设计中主要对以下 因素进行了改进和提 高 ? ? ? 蜗壳的设计打破了 国内传统的设计方 式 , 采用 了缓冲 ? “ 的方式 , 这样在从蜗壳进口 至 ? ? “的 范围内断面 面积收缩缓慢 , 有利于减 小水力损失 ? ? ? 模型机组固定导叶设计成可 调 节方式 , 在试验中便于进行角度转换 , 找出与活 动导 叶及其他部件的最佳匹配 ? ? ? 模型机组采 用窄高型 吸水管 , 国内以往采用 的吸水管型号 ?例如? 号系列?都比较宽 , 不适合抽水蓄能电 站地下厂房的布置 图 ? 水泵水轮机模型通流部件 单线示意?单位 ? ? ? ? 模型转轮的水力设计及试验结果分析 水泵水轮机要兼

10、顾水轮机和水泵工况两种 功能 , 其转轮设计和水力计算一般以一种工况 为基础 , 而以另一种工况来校核 , 从而使转轮最 大限度的满足两种工况设计参数的要求 在转轮设计的过程中 , 根据国内外水轮机 和水泵工况性能参数的统计 , 对于? ? 。? ? ? ? 水头段 , 选择? ?, ? ? ? ?一? ? ? ?丫? , ? ? , ? ? ? ? ? ? ? ? , 以及可逆式水轮机比转速和最高 效率的变化量所示的趋势?见图 ? , 选定 气,? ? ?一? ? ? ? ? ? 设计加工了 ? 个不同水力参 数和几何 参数的转轮 , 于 ? ? ? 年? 月在中国 水利水电科学研究院水力机

11、电研究所高精度水 力模型通用试验台上进行了试验 , 并从 中筛选 了两个效率较高的转轮作了全特性试验 , ? 个 转轮最优效率点的参数列于表? ?以转轮方案 中最优效率为 ? ? ?计? ? 从表 ? 中可以看出 , 在水泵工况下 , ? 、?、? 转轮最优单位流量与设 计点的上限相等或接近 , 而最优单位转速比设 计点的上限高出 ? ? ? ?一? ? ? ?倍 , 从而达到了较 高的比转速 ? ? 转轮在水泵工况下性能参数在 最优点与设计点相同 , 但水轮机工况偏离较远 , 比转速过低 几何参数上看 , 两个转轮的轴面流道尺寸相同 , 叶片包角 、 叶片高压边安放角 、 上冠和下 环形状

12、基本相似 , 不同之处可能是设计方法 , 翼型以及 翼型加厚的型式和叶片加工精确度 ? ? 转轮采 用等厚翼型双边加厚 , 在五坐标机床上精加工 , 型线偏差小于 ? ? ? ? ? ? , 而?转轮则采用非等 厚翼型加厚 , 而且加工精度较差 , 型线和头尾部 形状偏差较大 , 从而影响了其水力性能 ? 亡? ? ? ? 次 ? 卜 门 ? ? ? ?, ? ?一 ? ? 图 ? 水泵水轮机一水泵效率与 比转速关系统计曲线 表?转轮最优效率点设计试验参数 寥寥 亩 ? 戈乏乏 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

13、? ? ? ! ! ! ? ? ? , ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?写? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? , ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 二二?, ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? , ( l/ s ) ) )2 1 9 。 98 8 8200 . 1 3 3 322 0 . 35 5 5227 . 3

14、3 3 3 纵纵 xp (%) ) )100 0 098.2 2 2100 0 0 98 .6 6 6 n n ns户 ( m . m 3 / S ) ) ) 42 . 1 1 139 . 2 2 2 42 . 3 3 343 . 8 8 8 n n n z, / n z, , 1 . 12 2 21 . 17 7 71 . 09 9 9 1 . 11 1 1 Q Q Q i, / Q气 , , 0 . 99 8 8 8 1 . 140 0 00 . 87 0 0 00 . 8 7 8 8 8 通过试验 , 不仅检验了计算程序与实际试 验结果的差别 , 为今后的设计积累了经验 , 还使 我们认

15、识到 , 影响效率高低的因素很多 , 除性能 参数要设计合理外 , 几何参数的选择和加工质 量的好坏也是决定性因素. 在几何参数的选择上 , 4 个转轮的高 、 低压 边直径比 (D , 一。.59 5D l ) 、 导叶相对高度(b o 一 0 .1 1 )和叶片数(Z一7 )都是一样的 , 其符号意 义如图3所示 , 差别在于轴面流道形状及其面 积变化规律 , 加厚翼型 的选择及加厚方式 , 叶片 高低压边形状及其角度和叶片包角等 . 从表 2 可以看出 , 转轮C和转轮D在水泵 水轮机两种工况中的性能参数都比较接近 , 但 转轮C的效率却比转轮D的效率高出 1% , 从 3O 图3 转轮尺寸示意 从表 2 还可以看出 , 转轮A和C在水泵工 况的性能参数非常接近 , 但水轮机工况 的性能 参数相差较多 , 其主要原因在于两个转轮在设 计低压边叶片角及开口上有所不同.为了使转 轮有较好的空化特性 , 两个转轮叶片吸水边都 具有一定量的正冲角 , 转轮A在上冠侧和下环 侧加等量冲角 , 而转轮C则不 同 , 对于可逆式 转轮 , 根据模型流场量测结果 , 发现在水轮机工 况下 , 低压边出口水流角度在上冠侧相当大 , 而 在下环侧比较小 , 沿低压边水流角度的变化要 比水泵工况进口水流角度变化大.按这一规律 设计的转轮C , 水轮机工况的效率较