一种可消除水泵水轮机无叶区脱流涡的带水平刃活动导叶

技术领域

本申请涉及流体机械及工程设备的技术领域，尤其涉及一种可消除水泵水轮机无叶区脱流涡的带水平刃活动导叶。

背景技术

近年来，水泵水轮机向超高水头和超大容量发展，但高水头下水泵水轮机振动问题突出，是行业内亟待突破的核心技术问题之一。目前投产运行的多个高水头水泵水轮机在高扬程水泵运行工况下顶盖出现流激振动问题，部分机组轴向振动位移超标。由于以往对转轮流道内水流压力脉动导致的顶盖流激振动机理缺乏深入研究，难以提出有效抑制或消除顶盖振动的措施，极大的限制了机组安全稳定运行。相关技术中，抑制顶盖振动主要依赖于限制水泵运行范围和调整水泵运行协联曲线等来缓解，但其效果不佳。现有措施难以消除无叶区脱流涡导致的水流压力脉动振源，从而解决水泵水轮机顶盖振动超标问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种可消除水泵水轮机无叶区脱流涡的带水平刃活动导叶，能够有效抑制高水头水泵水轮机在水泵工况下顶盖的异常振动，保证机组安全稳定运行。

本申请提供一种可消除水泵水轮机无叶区脱流涡的带水平刃活动导叶，包括活动导叶和水平刃结构，所述水平刃结构固定连接于活动导叶的靠近转轮侧中部，并随活动导叶转动，所述活动导叶固设有水平刃，以藉由所述活动导叶水平刃消除存在于叶片、蜗壳之间区域的无叶区脱流涡结构。

可选地，所述水平刃固接于活动导叶靠近转轮表面的中部位置。

可选地，每个所述导叶结构上各连接有水平刃，导叶数与水平刃数相等。

可选地，所述水平刃与活动导叶整体浇筑而成，二者之间不存在焊缝。

可选地，所述水平刃的外表面采用GOE 435AIRFOIL翼型曲线，并与活动导叶尾缘相切，所述尾缘为水泵运行工况的迎水面骨线。

可选地，所述水平刃的翼型曲线在距活动导叶尾缘2/3长度处相交。

可选地，所述水平刃的翼型曲线相交所成的夹角为20～40°。

可选地，所述水平刃翼型伸入无叶区最大尺寸略小于0.5倍的无叶区宽度。

以上提供的一种可消除水泵水轮机无叶区脱流涡的带水平刃活动导叶，一方面在高扬程水泵工况运行时，水平刃能消除无叶区旋转的脱流涡结构，从源头上消除无叶区脱流涡结构产生的水流压力脉动，从而解决由于无叶区区脱流涡导致的顶盖流激振动问题。第二方面，水平刃不会影响其他正常运行工况，尤其是在动静干涉脉动幅值较大的飞逸点附近运行时，水平刃的存在能抑制转轮进口回流，从而减轻无叶区动静干涉压力脉动幅值。相比于相关技术的常规水泵水轮机活动导叶，带水平刃的活动导叶不仅在水泵运行工况时能消除顶盖流激振动源头，提高水泵水轮机在水泵运行工况时的稳定性，而且在水轮机S区能抑制转轮进口回流，从而减轻S区飞逸点动静干涉压力脉动幅值，改善机组运行水力特性。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为相关技术中未带水平刃活动导叶下高扬程水泵运行工况下无叶区脱流涡结构俯视图。

图2为相关技术中未带水平刃活动导叶下高扬程水泵运行工况下无叶区测点压力脉动频谱图。

图3为本申请实施例的带水平刃活动导叶时高扬程水泵运行工况下无叶区涡结构俯视图。

图4为本申请实施例的带水平刃活动导叶时高扬程水泵运行工况下无叶区测点压力脉动频谱图。

图5为本申请实施例的带水平刃的活动导叶三维视图。

图6为本申请实施例的单个带水平刃的活动导叶细部图。

图7为本申请实施例的水平刃外缘翼型规律。

其中，图中元件标识如下：

1-蜗壳；2-固定导叶；3-活动导叶；4-叶片；5-水平刃；6-无叶区脱流涡结构；7-无叶区呈现的条状细涡结构。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

在介绍本申请的技术方案之前，有必要阐述下本申请的发明创造的创立背景。

已为普遍存在的是，水泵运行工况下顶盖振动问题并不是个例现象，而是高水头水泵水轮机在水泵运行工况的共有特性。在面对抑制顶盖振动的解决措施时，主要依赖于限制水泵运行范围和调整水泵运行协联曲线等来缓解，但其效果不佳。因此现有措施难以消除水流压力脉动振源，解决水泵水轮机顶盖振动超标问题。

基于发明人意识上述难题，首先必须找准振动源头、抓住传播路径、明确响应特性，并采取消除(抑制)振源、切断(阻隔)路径、改变(错开)响应的有效措施，缓解或消除顶盖超标异常振动。本发明人经过三维CFD数值模拟计算发现，水泵水轮机顶盖异常振动的原因之一为高扬程水泵运行工况下无叶区产生的脱流涡结构，该根源是本发明人所作出的创造性工作。无叶区脱流涡结构产生机理为：高扬程水泵工况下转轮出流在竖向分布不均匀，导致转轮出口水流除了圆周速度之外，还存在自身的旋转，旋转的主流绝对速度与导叶安放角不一致，其与活动导叶相互碰撞之后在无叶区内旋转，并形成一定数量的脱流涡，脱流涡在无叶区内以低于转轮的转速旋转。旋转的脱流涡与导叶相互作用，产生较大幅值的45～65Hz左右压力脉动。过大的水流压力脉动作用于转轮顶盖，导致顶盖产生相应频率的流激振动，影响机组安全稳定运行。

鉴于本申请人首次探索到高扬程水泵运行工况下无叶区产生的脱流涡结构是造成水泵运行工况下顶盖异常振动的根源之所在，特提出了一种有效的改进思路，即在活动导叶固设水平刃。一方面在高扬程水泵工况运行时，水平刃能消除无叶区旋转的脱流涡结构，从源头上消除无叶区脱流涡结构产生的水流压力脉动，从而解决由于无叶区区脱流涡导致的顶盖流激振动问题。第二方面，水平刃不会影响其他正常运行工况，尤其是在动静干涉脉动幅值较大的飞逸点附近运行时，水平刃的存在能抑制转轮进口回流，从而减轻无叶区动静干涉压力脉动幅值。相比于相关技术的常规水泵水轮机活动导叶，带水平刃的活动导叶不仅在水泵运行工况时能消除顶盖流激振动源头，提高水泵水轮机在水泵运行工况时的稳定性，而且在水轮机S区能抑制转轮进口回流，从而减轻S区飞逸点动静干涉压力脉动幅值，改善机组运行水力特性。由此，创立了本发明创造。

带水平刃活动导叶主要涉及两个步骤，步骤一为确定常规活动导叶体型，步骤二为确定水平刃体型。

(一)常规活动导叶体型确定

(1)导叶相对开度

导叶开度根据公式(1)确定。

式中：a

(2)导叶高度的确定b

导叶高度根据公式(2)确定。

式中：α

(3)导叶数Z

当Z

图1展示的是在以上原则下设计的未带水平刃的活动导叶，在高扬程水泵运行工况下无叶区产生的脱流涡结构，其产生机理为：高扬程水泵工况下转轮出流在竖向分布不均匀，导致转轮出口水流除了圆周速度之外，还存在自身的旋转，旋转的主流绝对速度与导叶安放角不一致，其与活动导叶相互碰撞之后在无叶区内旋转，并形成一定数量的脱流涡，脱流涡在无叶区内以低于转轮的转速旋转。

旋转的脱流涡与活动导叶相互作用，产生幅值较大的45～65Hz左右的压力脉动，其中主频为58Hz，如图2所示。过大的压力脉动作用于转轮顶盖上，导致顶盖振动位移超标，危及机组安全稳定运行。

(二)活动导叶水平刃体型确定

为了消除无叶区脱流涡，本实施例提供一种带水平刃的活动导叶，如图3所示，由于导叶水平刃的存在，无叶区脱流涡结构被水平刃破碎，此时无叶区涡结构呈现细长条状分布，且沿无叶区圆周方向均匀分布，无叶区由于脱流涡结构产生的巨大压力脉动也同样消失，如图4所示，以此从根源上解决了由无叶区脱流涡导致的顶盖异常振动问题。

如图5所示，该带水平刃的活动导叶包括具有水平刃的活动导叶本体，所述活动导叶本体靠无叶区一侧中间高度设置一定厚度水平刃，所述导叶本体另一测与常规导叶叶型相同。每个活动导叶上均设置水平刃，形成带水平刃的新型活动导叶结构，该水平刃与常规活动导叶整体浇筑而成，二者之间不存在焊缝，如图6所示。

带水平刃的活动导叶细部图如图7所示，水平刃外表面采用GOE 435AIRFOIL翼型曲线，与活动导叶尾缘位置(水泵运行工况的迎水面骨线)相切，在距活动导叶尾缘2/3长度处与活动导叶相交，夹角为20°～40°。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。