*CN103206331A*
(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 103206331 A(43)申请公布日 2013.07.17
(12)发明专利申请
(21)申请号 201310049897.2(22)申请日 2013.02.07
(71)申请人河海大学
地址211000 江苏省南京市西康路1号(72)发明人葛新峰 郑源 罗欣 钱瑭
吴在强(74)专利代理机构南京经纬专利商标代理有限
公司 32200
代理人彭英(51)Int.Cl.
E02B 9/04(2006.01)
F03B 3/12(2006.01)F03B 13/00(2006.01)F03B 3/06(2006.01)F03B 3/18(2006.01)
(54)发明名称
一种低水头高效轴伸贯流式水泵水轮机及其叶片(57)摘要
本发明涉及一种低水头轴伸贯流式水泵水轮机及其叶片，属于能源动力技术领域。包括水泵水轮机、可逆式电机、流道以及导流机构，所述流道包括依次贯通的进水段流道、导叶段流道、转轮室以及S型尾水管流道；所述转轮与可逆式电机通过主轴传动连接，而转轮另一侧设置有导流机构；所述转轮包括转轮轮毂、泄水锥，所述转轮轮毂沿周向均匀设置叶片，所述叶片的形状为中间厚两边薄，为空间三维扭曲曲面，其空间特性通过上中下三个截面表示；本发明能同时满足水轮机发电和水泵抽水两种工况，两种工况水流方向相反，即同一个转轮要同时满足抽水和发电的双重需求，而且同时能够兼顾两个运行工况的效率适用于低水头抽水蓄能电站。
权利要求书2页 说明书5页 附图4页权利要求书2页 说明书5页 附图4页
CN 103206331 ACN 103206331 A
权 利 要 求 书
1/2页
1.一种低水头轴伸贯流式水泵水轮机叶片，其特征在于：所述叶片的形状为中间厚两边薄，为空间三维扭曲曲面，其空间特性通过上中下三个截面表示；同时中间截面采用新型型线，该新型型线是由上下两端首尾相连的曲线组合而成，以三个截面的各型线的中心点为原点建立坐标系,x1、 x2、x3为各坐标的横坐标, y1 、y2、y3为各坐标的纵坐标, F1、 F2、F3分别表示三个型线，则该叶片部分点在直角坐标系统的位置如下表所示 ：
编号
F1上_X1F1上_Y1编号
F1下_X1F1下_Y1编号
F2上_X2F2上_Y2编号
F2下_X2F2下_Y2编号
F3上_X3F3上_Y3编号F3下_X3F3下_Y3
101
-59.55216.11910940.0-13.284201
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1050.01.642113
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-35.52217.910
其中Fn上表示第n个型线的上线，Fn下表示第n个型线的下线（n=1、2、3）；Fn上_Xn表示型线Fn上曲线的xn坐标值,Fn上_Yn表示型线Fn上曲线的yn坐标值（n=1、2、3）；Fn下_Xn表示型线Fn下曲线的xn坐标值,Fn下_Yn表示型线Fn下曲线的yn坐标值（n=1、2、3）。
2.根据权利要求1所述低水头轴伸贯流式水泵水轮机叶片，其特征在于：所述三个截面的六条曲线拟合后方程如下：
F1-F1上曲线:
y1 = 4.139e-005 x13 -0.0003387x12 -0.4065x1 + 1.731F1-F1下曲线:
y1 = 4.574e-005 x13 -0.0006619x12 -0.4059x1 -1.201F2-F2上曲线:
y2=8.084e-005x23 -0.0004966x22 -0.5473x2+ 2.202F2-F2下曲线:
y2=8.481e-005x23 +0.001491x22 -0.54141x2-1.947F3-F3上曲线:
y3=0.0001776x33 -0.003233x32 -0.7519x3+ 2.966F3-F3下曲线:
y3=0.0002241x33 +0.001285 x32 -0.8037x3-2.674。
3.一种基于权利要求1所述低水头轴伸贯流式水泵水轮机，其特征在于：包括水泵水轮机、可逆式电机、流道以及导流机构，所述流道包括依次贯通的进水段流道、导叶段流道、转轮室以及S型尾水管流道；所述可逆式电机设置在S型尾水管流道外侧，所述转轮与可逆
2
CN 103206331 A
权 利 要 求 书
2/2页
式电机通过穿过流道的主轴传动连接，而转轮的发电工况进口侧设置有导流机构；同时所述转轮设置在转轮室内，导流机构设置在进水段流道和导叶段流道内；所述转轮包括转轮轮毂、泄水锥，所述转轮轮毂沿周向均匀设置有多个截面为对称翼型的叶片，而转轮轮毂的泄水一侧安装泄水锥；所述叶片初始安放角为39°,调整值在-3°～3°之间。
4.根据权利要求3所述低水头轴伸贯流式水泵水轮机，其特征在于：所述导流机构包括导流体和活动导叶，所述活动导叶安装在导流体尾部上，活动导叶的个数为8个；活动导叶设置在导叶段流道内，导流体设置在进水段流道和导叶段流道内；所述导流体头部为球形，中部为圆柱体，尾部为锥形体，且所述锥角为18º，所述导流体的头部、中部设置在进水段流道内，所述导流体尾部设置在导叶段流道内。
3
CN 103206331 A
说 明 书
一种低水头高效轴伸贯流式水泵水轮机及其叶片
1/5页
技术领域
本发明涉及本发明涉及一种用于低水头的抽水蓄能电站的低水头高效轴伸贯流
式水泵水轮机水泵水轮机，属于流体机械及工程装备领域。
[0001]
背景技术
自从改革开放以来,随着我国经济建设的飞速发展和人民生活水平的不断提高,电力供应日趋紧张,峰谷差值逐渐加剧。基于保证电网安全和有效运行的要求,抽水蓄能电站作为一种拥有特殊性质的电站:调峰填谷,调频、调压、事故备用、黑启动等功能,将是我国电网发展的战略重点。抽水蓄能电站的工作方式是利用电力系统中多余电能，把高程低的水库(通称“下池”)内的水抽到高程高的水库(通称“上池”)内、以位能方式蓄存起来，系统需要电力时，再从上池放水至下池进行发电。常规而言一般抽水蓄能电站都是高水头电站其单机容量也很大,其主要是和电网进行配合运行。目前，中高水头以及大容量水泵水轮机在国内外已经有了比较深入的研究，积累了设计、施工和运行管理的经验，并在技术上取得了丰硕的成果。然而，随着新能源的发展如风能、太阳能、海洋潮流能等新能源的开发，由于这些能源的不稳定，如太阳能只能在有太阳的时候才可以发电,风电只能在风力达到一定强度时才可以风电。特别是这些能源在开发应用过程中可能远离大电网，如一些偏远地区如海岛，这些新能源的利用形成了一个孤立的小电力系统，为了保证孤网的稳定性和能源的合理利用，在这样的混合多能源应用的小的电力系统中，可以利用抽水蓄能电站进行调节，在其他能源过剩的时候储能，在其他能源不足的时候提供能量。这样的抽水蓄能电站一般都是很低的水头，一般在50 m以下，有些只有10m左右，本专利提供了一种低水头抽水蓄能的水泵水轮机转轮。该水泵水轮机转轮为贯流式双向三叶片转轮，为减少投资和布置方便电站采用轴伸贯流式布置形式。
[0003] 轴伸贯流式水泵水轮机在我国更是研究甚少，主要原因是对轴伸贯流式机组的流道设计、机组总体的结构型式、高性能转轮的设计优化及增速器的连接方式等关键技术缺乏深入的研究、设计，致使这种结构简单、安装维护方便，水力性能优良，土建工程量少的轴伸贯流式机组未能得到开发、推广使用。同时，我国低水头水力资源十分丰富，特别是华东、华南及沿海地区，工农业生产发达，用电需求量增加较快,新型轴伸贯流式机组的研究并将其运用于低水头抽水蓄能电站，对开展新能源的综合利用具有深远的意义。
[0002]
发明内容
[0004] 本发明提出一种低水头轴伸贯流式水泵水轮机，以解决水泵水轮机发电工况和抽水工况两次水流方向相反，同一个转轮要同时满足抽水和发电的双重需求,并且同时要兼顾两个运行工况的效率。
[0005] 本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种低水头轴伸贯流式水泵水轮机叶片，所述叶片的形状为中间厚两边薄，为空间三维扭曲曲面，其空间特性通过上中下三个截面表示；同时中间截面采用新型型线，该新型型线是由上下两端首尾相连的曲线组合
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说 明 书
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而成，以三个截面的各型线的中心点为原点建立坐标系,x1、 x2、x3为各坐标的横坐标, y1 、y2、y3为各坐标的纵坐标, F1、 F2、F3分别表示三个型线，则该叶片部分点在直角坐标系统的位置如下表所示 ：
编号
F1上_X1F1上_Y1编号
F1下_X1F1下_Y1编号
F2上_X2F2上_Y2编号
F2下_X2F2下_Y2编号
F3上_X3F3上_Y3编号F3下_X3F3下_Y3
101
-59.55216.11910940.0-13.284201
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102-50.015.82111030.896-11.940202-40.018.50721130.000-14.478302
-30.59717.76131130.597-19.403
103-40.014.62711120.0-8.806203-30.015.52221221.343-11.940303-25.016.41831225.0-18.209
104-20.09.8511120.0-1.493204-20.012.68721310.000-7.164304-15.013.28431315.0-14.179
1050.01.642113
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-30.00013.58230715.0-8.507316-15.09.701
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-35.52217.910
其中Fn上表示第n个型线的上线，Fn下表示第n个型线的下线（n=1、2、3）；Fn上_Xn表示型线Fn上曲线的xn坐标值,Fn上_Yn表示型线Fn上曲线的yn坐标值（n=1、2、3）；Fn下_Xn表示型线Fn下曲线的xn坐标值,Fn下_Yn表示型线Fn下曲线的yn坐标值（n=1、2、3）。
[0006] 优选的：所述三个截面的六条曲线拟合后方程如下：
F1-F1上曲线:
y1 = 4.139e-005 x13 -0.0003387x12 -0.4065x1 + 1.731F1-F1下曲线:
y1 = 4.574e-005 x13 -0.0006619x12 -0.4059x1 -1.201F2-F2上曲线:
y2=8.084e-005x23 -0.0004966x22 -0.5473x2+ 2.202F2-F2下曲线:
y2=8.481e-005x23 +0.001491x22 -0.54141x2-1.947F3-F3上曲线:
y3=0.0001776x33 -0.003233x32 -0.7519x3+ 2.966F3-F3下曲线:
y3=0.0002241x33 +0.001285 x32 -0.8037x3-2.674。[0007] 一种基于上述所述低水头轴伸贯流式水泵水轮机，包括水泵水轮机、可逆式电机、流道以及导流机构，所述流道包括依次贯通的进水段流道、导叶段流道、转轮室以及S型尾水管流道；所述可逆式电机设置在S型尾水管流道外侧，所述转轮与可逆式电机通过穿过流道的主轴传动连接，而转轮的发电工况进口侧设置有导流机构；同时所述转轮设置在转轮室内，导流机构设置在进水段流道和导叶段流道内；所述转轮包括转轮轮毂、泄水锥，所述转轮轮毂沿周向均匀设置有多个截面为对称翼型的叶片，而转轮轮毂的泄水一侧安装泄水锥；所述叶片初始安放角为39°,调整值在-3°～3°之间。
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CN 103206331 A[0008]
说 明 书
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优选的：所述导流机构包括导流体和活动导叶，所述活动导叶安装在导流体尾部
上，活动导叶的个数为8个；活动导叶设置在导叶段流道内，导流体设置在进水段流道和导叶段流道内；所述导流体头部为球形，中部为圆柱体，尾部为锥形体，且所述锥角为18º，所述导流体的头部、中部设置在进水段流道内，所述导流体尾部设置在导叶段流道内。[0009] 本发明的工作原理：本发明适用于低水头抽水蓄能电站。抽水蓄能电站是一种特殊形式的水电站, 与常规水电站主要不同之处在于：它有上、下两个水库将水循环利用，它的机电设备由两部分组成：水泵水轮机、和可逆式电机，水泵水轮机兼具有水轮机和水泵的双重功能,可逆式电机兼具发电机和电动机的双重功能。其运行可以分为两种工况，即水泵工况和水轮机工况，水泵工况将下水库的水提升到上水库，消耗电能，将电能转换为上水库水的位能；水轮机工况时将上水库的水通过水轮机放到下水库，将水的位能转换为电能，产生电能。其两种工况的能量转换过程见附图1。它利用电力系统其他能源充裕时，将多余容量和电量,通过电动机水泵将低处下水库的水抽到高处上水库中,将这部分水量以位能形式储存起来,待其他能源不足时,再将这部分水量通过水轮机发电机发电,以补充其他能源的不足,满足系统的用电稳定，如此不断循环工作。导水机构通过改变活动导叶的角度来改变通过水轮机的流量从而达到改变发电的出力或者适合于水泵抽水的功率，同时根据水头和流量的变化微调转轮的安放角度（θ）使轮转和活动导叶协联工作，保证水泵水轮机在高效区运行。
[0010] 本发明的一种低水头轴伸贯流式水泵水轮机，相比现有技术，具有以下有益效果：本发明为了保证水泵水轮机双向效率都很高，其转轮采用对称翼型设计，在发电工况和抽水工况下都能取得较好的能量转换效率。在正向发电时，水流通过进水流道流经活动导叶、转轮，最后由尾水管排向下游水库；反向抽水时水流方向相反。要求转轮能双向工作，并且正反向工作都能有较好的能量转换性能：正向发电能将水能转换为尽可能多的电能；反向抽水利用剩余电能将水抽至上游水库，以获得尽可能多的水的势能。转轮能量转换效率在正向发电时候达到80%以上；反向水泵工况时达到75%以上。该机组安装维护方便，在电站开发整体造价相对便宜，比灯泡贯流式机组造价低20%左右。附图说明
[0011] 附图1—抽水和发电两个工况的能量转换关系图；
附图2—轴伸贯流式水泵水轮机二维流道模型图；附图3—轴伸贯流式水泵水轮机结构示意图，图a是水泵水轮机的结构示意图,图b是图5a仰视图，图c是叶片水平放置结构示意图,图d是叶片垂直放置结构示意图；
附图4—转轮叶片截面图，叶片空间截面三个截面F1~F3,附图5、6、7是依次是附图4中F1、F2、F3三个截面上翼型空间型线；其中：S1—进水段流道，S2—导叶段流道，S3—转轮室，S4—s型尾水管流道，1—进水截面，2—导流体，3—导流机构，4—活动导叶，5—转轮，51-叶片，52-转轮轮毂，53-泄水锥,6-s型尾水管流道，7—主轴,8—发电机, 9—尾水管出水截面，b2-叶片最小厚度, b1-叶片最大厚度。具体实施方式
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说 明 书
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附图非限制性地公开了本发明一个优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详
细地说明本发明的技术方案。实施例
本实施例一种低水头轴伸贯流式水泵水轮机叶片，如图3~7所示，所述叶片的形
状为中间厚两边薄，为空间三维扭曲曲面，其空间特性通过上中下三个截面表示；同时中间截面采用新型型线，该新型型线是由上下两端首尾相连的曲线组合而成，以三个截面的各型线的中心点为原点建立坐标系,x1、 x2、x3为各坐标的横坐标, y1 、y2、y3为各坐标的纵坐标, F1、 F2、F3分别表示三个型线，则该叶片部分点在直角坐标系统的位置如下表所示 ：
[0013]
编号
F1上_X1F1上_Y1编号
F1下_X1F1下_Y1编号
F2上_X2F2上_Y2编号
F2下_X2F2下_Y2编号
F3上_X3F3上_Y3编号F3下_X3F3下_Y3
101
-59.55216.11910940.0-13.284201
-48.50718.20921040.000-15.821301
-35.52217.91031035.821-19.701
102-50.015.82111030.896-11.940202-40.018.50721130.000-14.478302
-30.59717.76131130.597-19.403
103-40.014.62711120.0-8.806203-30.015.52221221.343-11.940303-25.016.41831225.0-18.209
104-20.09.8511120.0-1.493204-20.012.68721310.000-7.164304-15.013.28431315.0-14.179
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-48.50718.20930930.597-18.209318
-30.59716.119
21044.179-16.26920140.000-15.82131035.821-19.701301
-35.52217.910
其中Fn上表示第n个型线的上线，Fn下表示第n个型线的下线（n=1、2、3）；Fn上_Xn表示型线Fn上曲线的xn坐标值,Fn上_Yn表示型线Fn上曲线的yn坐标值（n=1、2、3）；Fn下_Xn表示型线Fn下曲线的xn坐标值,Fn下_Yn表示型线Fn下曲线的yn坐标值（n=1、2、3）。
[0014] 优选的：所述三个截面的六条曲线拟合后方程如下：
F1-F1上曲线:
y1 = 4.139e-005 x13 -0.0003387x12 -0.4065x1 + 1.731F1-F1下曲线:
y1 = 4.574e-005 x13 -0.0006619x12 -0.4059x1 -1.201F2-F2上曲线:
y2=8.084e-005x23 -0.0004966x22 -0.5473x2+ 2.202F2-F2下曲线:
y2=8.481e-005x23 +0.001491x22 -0.54141x2-1.947F3-F3上曲线:
y3=0.0001776x33 -0.003233x32 -0.7519x3+ 2.966F3-F3下曲线:
y3=0.0002241x33 +0.001285 x32 -0.8037x3-2.674
本实施例的一种低水头轴伸贯流式水泵水轮机如图2所示，包括水泵水轮机、可逆式
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说 明 书
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电机、流道以及导流机构，所述流道包括依次贯通的进水段流道、导叶段流道、转轮室以及S型尾水管流道；所述可逆式电机设置在S型尾水管流道外侧，所述水轮机包括转轮和活动导叶，所述转轮与可逆式电机通过穿过流道的主轴传动连接，且可逆式电机位于转轮的一侧，而转轮的另一侧设置有导流机构；所述导流机构包括导流体和活动导叶，所述活动导叶安装在导流体上；同时所述转轮设置在转轮室内，活动导叶设置在导叶段流道内，导流体设置在进水段流道和导叶段流道内；
如图3所述转轮包括叶片、转轮轮毂、泄水锥三部分，所述转轮轮毂沿周向均匀设置有多个截面为对称翼型的叶片，而转轮轮毂的泄水一侧安装泄水锥；所述叶片的形状为中间厚两边薄；所述叶片初始安放角θ为39°,调整值在-3°～3°之间。转轮的叶片个数为3个，。转轮的叶片为一种新型高效叶片，其结合了贯流式水轮机叶片和贯流泵叶片的优点，能够使转轮兼做水轮机和水泵使用，并且具有良好的能量转换性能。如图4所示，所叙转轮叶片为空间三维扭曲曲面，其空间特性可以通过多个截面来表示，可以通过控制点拟合关键型线，再根据关键型线组成空间曲面, 叶片最小厚度b2与最大厚度b1之比为0.28～0.35。
[0015] 本发明仅仅适用于低水头抽水蓄能电站，使用水头为５~２０米，由于转轮尺寸较小可以采用高速运行，其运行速度为500rad/s~1000rad/s。[0016] 其运行分为两种工况，即水泵工况和水轮机工况，水泵工况即将水泵水轮机通过电动机获得动能将下水库的水提升到上水库，消耗电能，将电能转换为上水库水的位能；水轮机工况即即上水库的水通过水轮机将位能转换为电能，产生电能，通过水轮机后流向下水库。本发明不仅能双向工作，且有较好的能量转换性能，转轮能量转换效率在正向发电时候达到80%以上；反向水泵工况时达到75%以上。
[0017] 上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式，而不是作为对前述发明目的和所附权利要求内容和范围的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术和权利保护范畴。
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