[发明专利]混流式水轮机反向S型转轮

说明书

技术领域：混流式水轮机反向S型转轮属于水轮机制造领域技术。

技术背景：经过长期技术发展，混流式水轮机已基本定型，但是转 轮的片翼型的微小改进可能对水轮机效率和稳定性产生较大影响。近几 年来，国内大、中型水轮发电机组招标要求混流式水轮机转轮在保证稳 定性的前提下，对能量指标提出了特殊的要求。要求在小流量、大流量 和最优工况的运行工况内都具有高效率的性能指标，即随流量变化仍然 保持高效率，实现增加机组出力，使电站获得更大的经济效益。

早期的研究成果表明，较大的导叶分布圆配合水轮机叶片进水边头 部较大可以提高小流量和大流量运行工况的效率，但最优效率较低。现 代的研究成果表明，导叶分布圆及叶片头部较小，可以提高水轮机模型 最优工况和大流量运行工况的效率，但是小流量运行工况的效率低。电 站要求的小流量、大流量和最优工况的运行工况内都具有高效率的性能 指标在目前对水轮机的认识上是矛盾的。现有的混流式转轮叶片一般为 常规叶片和负倾角叶片。常规叶片俯视图如图2所示，其进水边4为直 线或抛物线，最多只有一个拐点。负倾角叶片俯视图如图3所示，其进 水边4为直线或抛物线，最多只有一个拐点。

发明内容：本发明的目的在于公开一种混流式水轮机反向S型转轮。 本发明涉及的主要部位为转轮叶片进水边，通过改变进水边形状实现具 有更加宽广的高效率运行范围的同时提高稳定性；其次为叶片径向长度、 特殊的叶片的上冠型线(叶片与上冠交线)的形状和特殊的叶片的下环 型线(叶片与下环交线)的形状，提高转轮的效率和稳定性。本发明的 技术方案为：一种混流式水轮机反向S型转轮，包括一个上冠、一个下 环和若干个连接在上冠和下环之间的曲面叶片，每一叶片均有一正对水 轮机中、上游导流机构的进水边和正对下游的出水边：叶片的进水边从A 点到D点之间有两个拐点，叶片的进水边有P1、P2两个拐点，叶片的进 水边为反向“S”型；叶片的上冠型线即叶片与上冠交线，从D点到C点 之间有两个拐点，叶片的上冠型线有S1、S2两个拐点，上冠型线呈现反 向“S”型；叶片的下环型线即叶片与下环交线，从A点到B点之间有两 个拐点，叶片的下环型线有X1、X2两个拐点，下环型线呈现反向“S” 型。叶片相关点、线的定义：点A为叶片进水边(4)与下环(3)的交 点，点B为叶片出水边(5)与下环(3)的交点，点C为叶片出水边(5) 与上冠(1)的交点，点D为叶片进水边(4)与上冠(1)的交点，线 AD为叶片的进水边(4)，线BC为叶片的出水边(5)。

按照本发明，进水边设计合理的反S型转轮叶片，会使混流式水轮 机在以下方面获益。

1水轮机效率

叶片进水边呈反“S”型，其中下部适应小流量时来流，其中上部适 应大流量时来流，从而同时改善小流量和大流量时叶片进口的流态。这 样才能保持进水边头部小，有利于提高转轮最优工况效率。

叶片的进水边A、D与出水边B、C弧长与公称直径φ的比增大，相 当于加长叶片，增加做功面积，提高能量转化率，实现具有更加宽广的 高效率运行范围，即实现电站在小流量、大流量和最优工况的运行工况 内都具有高效率的性能指标。同时由于叶片加长，降低了叶片表面流速， 因此有助于提高机组稳定性。

叶片的上冠型线(叶片与上冠交线)的形状，对大流量的水轮机效 率影响较大，增加了上冠附近叶片压力面和吸力面的压差，有利于转轮 效率的提高。同时，降低出口流速，改善转轮内流态。

叶片的下环型线(叶片与下环交线)的形状，对水轮机效率影响较 大，增加了下环附近叶片压力面和吸力面的压差，有利于转轮效率的提 高。同时，降低出口流速，改善转轮内流态。

水轮机模型试验表明：具有合理形状的叶片进水边、叶片的上冠型 线(叶片与上冠交线)和叶片的下环型线(叶片与下环交线)的反S型 叶片，可使水轮机最优效率提高5～10‰，并且使小流量和大流量水轮机 效率大幅度提高。

2水轮机稳定性

实践表明：转轮出口环量与尾水管压力脉动，有直接的关系，是衡 量水轮机稳定性的重要指标。叶片的上冠型线(叶片与上冠交线)的形 状和特殊的叶片的下环型线(叶片与下环交线)的形状改变，使出水边 形状随之改变，从而控制在偏离最优工况时转轮出口的环量分布，从根 本上避免能量聚集，实现降低尾水管内的压力脉动，提高机组运行的稳 定性。

附图说明：

图1混流式水轮机反S型转轮装配图