优化叶片数的枯水期转轮及配备该转轮的混流式水轮机制造技术

一种优化叶片数的枯水期转轮及配备该转轮的混流式水轮机，包括上冠和下环以及设置在所述上冠和下环之间沿周向均布的多个叶片，Qk：枯水期平均流量；Qr：丰水期水轮机额定流量；K：Qk与Qr之比，K＝Qk/Qr；△Zr：丰水期转轮与枯水期转轮的叶片数的差值；△Zr与所述K值负相关，即K值越小，△Zr越大。本发明专利技术减少适于枯水期使用的转轮上的叶片数量，可在保持枯水期转轮叶片出口开度与丰水期转轮相比不减小的情况下，大幅降低水轮机转轮最优运行区过流量而又避免经常出现水轮机组运行时转轮叶片间杂物卡堵现象的发生，同时易于转轮加工制造、也可减少转轮内部水流摩擦阻力有利于提高水力效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种优化叶片数的枯水期转轮，还涉及一种安装有该转轮的混流式水轮机。 
技术介绍
经过长期的技术发展，混流式水轮机已基本定型。由于混流式水轮机结构紧凑，技术成熟，效率较高，能适应很宽的水头范围，是目前运用最广泛的一种水轮机。 水轮机是根据电站的水力参数进行选型设计，结合工程总体布置和水轮机的水力特性，按照技术先进、经济合理的原则，选择和确定水轮机的技术参数。设计单位流量一般在综合特性曲线上最优效率与5％出力限制线之间的范围内选取(通常接近5％出力限制线)，以满足额定出力和负荷性质。由于混流式水轮机转轮叶片不可调节，对于一个经选型确定的转轮，只能在一定的流量范围与水头范围内高效、安全稳定运行。 在许多中小型径流式水电站中，由于受各种条件的限制，无调节水库，只能以水定电。汛期径流量占全年的比例较大，机组通常按汛期水力参数选型。枯水期河道来流量较小，电站往往不能满负荷运行。当来水流量小于单台水轮机的正常运行流量(为额定流量的70％以下)时，一种情况是让机组在偏离设计工况的小负荷区域运行，不仅效率大幅降低，水力资源得不到充分利用，时常还会引起机组振动，存在安全隐患；另一种情况是由于偏离设计工况太多带来机组振动等安全问题，只能停机弃水，白白浪费水力资源。 为了解决径流式水电站枯水期的水力资源不能高效利用问题，传统的方法是根据枯水期的水力参数，再增加一台小容量水轮发电机组，与 原有机组配合运行。增加小容量机组需要对原厂房和引水管路等设施进行改造，不仅投资大，建设周期长，不确定因素多，而且对电站的正常生产和管理维护也会造成影响。 为了克服混流式水轮机在远离最优工况区域运行时存在的低效与振动等问题，目前市场上也出现了一些将转轮上的叶片设计成长短两种或三种甚至更多种叶片，如中国专利号CN201210524652.6的专利技术专利，公告日为2013年5月22日，公开了混流式水轮机反向S型长短叶片转轮，此种结构的转轮是将若干个连接在上冠和下环之间的叶片设计成长叶片和短叶片两种结构；另外，如中国专利号201310704054.1的专利技术专利，公告日为2014年04月02日，公开了一种混流式水泵水轮机，此种结构的水轮机是将安装在蜗壳内中部的转轮中，将位于上冠和下环之间的叶片设计成每组叶片由一个长叶片、一个中长叶片和两个短叶片组成，即将叶片设计为长中短三种叶片。前者通过改变转轮叶片在空间的形状力争扩大混流式水轮机的高效运行范围，后者通过采用长、中、短三种叶片的组合方式尽可能降低混流式水泵水轮机在特点“S”区的涡强度。二者的理念都是基于以长期运行工况高效为主、兼顾改善短期运行工况性能，其优点是不需更换转轮，缺点是兼顾的范围十分有限，不适于枯水期时间长、枯水期来水流量小于丰水期额定流量70％的径流式水电站。 
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种转轮和水轮机。 按照本专利技术提供的一种优化叶片数的枯水期转轮采用的主要技术方案为：包括上冠和下环以及设置在所述上冠和下环之间沿周向均布的多个叶片， Qk：枯水期平均流量； Qr：丰水期水轮机额定流量； K：Qk与Qr之比，K＝Qk/Qr； △Zr：丰水期转轮与枯水期转轮的叶片数的差值； 所述△Zr与所述K值的关系如下表： K 0.6～0.7 0.5～0.6 0.4～0.5 0.4以下 △Zr(个) 2～3 3～4 4～5 5以上 △Zr与所述K值负相关，即K值越小，△Zr越大。 本专利技术提供的优化叶片数的枯水期转轮还可具有如下附属技术特征： Zr：枯水期转轮上的叶片数； 所述Zr与所述K值正相关，即K值越小，Zr越小。所述枯水期转轮的叶片数Zr为7-11个。 多个所述叶片呈周向均匀布置， 上冠包角：每个所述叶片的上冠型线与进口边型线的交点A、上冠型线与出口边型线的交点B、所述转轮中心连接所述交点A和交点B形成的夹角； 下环包角：每个所述叶片的下环型线与进口边型线的交点C、下环型线与出口边型线的交点D、所述转轮中心连接所述交点C和所述交点D形成的夹角； 所述枯水期转轮的上冠包角为70-110度，所述枯水期转轮的下环包角为50-80度。 转轮叶片轴面流道由所述叶片的上冠型线、进口边型线、出口边型线以及下环型线围成，所述枯水期转轮叶片的轴面流道面积小于所述丰水期转轮叶片的轴面流道面积。 P点：转轮的上冠内流道型线进口点与所述转轮的旋转轴心线的垂直交点； d1：所述P点到所述枯水期转轮的所述叶片出口边型线与上冠型线的交点的距离； d2：所述P点到所述丰水期转轮的所述叶片出口边型线与上冠型线的交点的距离； 所述d1大于所述d2。 P点：转轮的上冠内流道型线进口点与所述转轮的旋转轴心线的垂直交点； d3：所述P点到所述枯水期转轮的所述叶片出口边型线与下环型线的交点的距离； d4：所述P点到所述丰水期转轮的所述叶片出口边型线与下环型线的交点的距离； 所述d3小于所述d4。 所述叶片的出口总面积与所述K值正相关，即K值越小，出口总面积越小。 按照本专利技术提供的一种混流式水轮机采用的主要技术方案为：包括蜗壳、座环、导水机构、转轮和尾水管，所述水轮机安装有丰水期转轮或枯水期转轮，所述枯水期转轮包括上冠和下环以及设置在所述上冠和下环之间沿周向均布的多个叶片， Qk：枯水期平均流量； Qr：丰水期水轮机额定流量； K：Qk与Qr之比，K＝Qk/Qr； △Zr：丰水期转轮与枯水期转轮的叶片数的差值； 所述△Zr与所述K值的关系如下表： K 0.6～0.7 0.5～0.6 0.4～0.5 0.4以下 △Zr(个) 2～3 3～4 4～5 5以上 △Zr与所述K值负相关，即K值越小，△Zr越大。 采用本专利技术提供的优化叶片数的枯水期转轮和混流式水轮机带来的有益效果为： 当径流式水电站枯水期过机流量大幅减小后，为充分有效利用水资源，提高水轮机偏离设计工况的运行效率，在不改变其他任何已安装的水轮机部件的前提下，用枯水期转轮替换丰水期转轮，可以以最经济的手段实现径流式水电站枯水期机组高效稳定运行； 通过优化转轮内部轴面流道和叶片型线，使转轮水力性能最优区与电站实际运行区吻合，确保在枯水期过机流量大幅减小后，水轮机使用枯水期转轮后的效率、空化及水力稳定性等水力性能有根本改善； 本专利技术减少适于枯水期使用的转轮上的叶片数量，可在保持枯水期转轮叶片出口开度与丰水期转轮相比不减小的情况下，大幅降低水轮机转轮最优运行区过流量而又避免经常出现水轮机组运行时转轮叶片间杂物卡堵现象的发生。 混流式水轮机转轮的加工量和加工难度与转轮叶片数正相关，减少所述枯水期转轮的叶片数量易于该转轮加工制造。 本专利技术减少所述枯水期转轮的叶片数量，可减少转轮内部水流摩擦阻力，有利于提高水力效率。 附图说明图1为本专利技术所述转轮的结构图。 ...

【技术保护点】
一种优化叶片数的枯水期转轮，包括上冠和下环以及设置在所述上冠和下环之间沿周向均布的多个叶片，其特征在于：Qk：枯水期平均流量；Qr：丰水期水轮机额定流量；K：Qk与Qr之比，K＝Qk/Qr；△Zr：丰水期转轮与枯水期转轮的叶片数的差值；所述△Zr与所述K值的关系如下表：K0.6～0.70.5～0.60.4～0.50.4以下△Zr(个)2～33～44～55以上△Zr与所述K值负相关，即K值越小，△Zr越大。

【技术特征摘要】
1.一种优化叶片数的枯水期转轮，包括上冠和下环以及设置在所述
上冠和下环之间沿周向均布的多个叶片，其特征在于：
Qk：枯水期平均流量；
Qr：丰水期水轮机额定流量；
K：Qk与Qr之比，K＝Qk/Qr；
△Zr：丰水期转轮与枯水期转轮的叶片数的差值；
所述△Zr与所述K值的关系如下表：
K
0.6～0.7
0.5～0.6
0.4～0.5
0.4以下
△Zr(个)
2～3
3～4
4～5
5以上
△Zr与所述K值负相关，即K值越小，△Zr越大。
2.如权利要求1所述的优化叶片数的枯水期转轮，其特征在于：
Zr：枯水期转轮上的叶片数；
所述Zr与所述K值正相关，即K值越小，Zr越小。所述枯水期转轮叶
片数Zr为7-11个。
3.如权利要求1所述的优化叶片数的枯水期转轮，其特征在于：多
个所述叶片呈周向均匀布置，
上冠包角：每个所述叶片的上冠型线与进口边型线的交点A、上冠型
线与出口边型线的交点B、所述转轮中心连接所述交点A和交点B形成的夹
角；
下环包角：每个所述叶片的下环型线与进口边型线的交点C、下环型
线与出口边型线的交点D、所述转轮中心连接所述交点C和所述交点D形成
的夹角；
所述枯水期转轮的上冠包角为70-110度，所述枯水期转轮的下环包
角为50-80度。
4.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈锐，王鑫，田娅娟，薛鹏，彭忠年，莫为泽，陆力，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11