[发明专利]一种用于低水头抽水蓄能电站的小型混流式水泵水轮机

说明书

技术领域

本发明属于水力机械技术领域，特别是涉及一种用于低水头抽水蓄能电站的小型混流式水泵水轮机。 

背景技术

随着电力系统的迅速扩大和发展，抽水蓄能电站在电力系统中所担任的调峰、调频、调相和事故备用等的功效越来越显著。抽水蓄能机组是抽水蓄能电站的主要机组，时下抽水蓄能机型主要是可以双向运行的可逆式水泵水轮机，它兼具水轮机和水泵的作用。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、优化、运行等众多经验，取得了良好的成果。与此同时，诸如太阳能、风能、潮汐能等新能源的开发也是气势勃勃，但这些能源的不稳定性以及不连续性，给综合利用与便民生活带来很大的困难。为了保证电力系统的稳定和能源的合理利用，在综合多能源利用的小电力系统中，可以利用抽水蓄能电站调节，一般水头不会超过50m。在公知技术中，对小型低水头混流式水泵水轮机研究很少，由于对从蜗壳经由导叶到转轮再到弯肘型尾水管这个流道的水力设计、高性能的转轮叶片的设计和优化以及机组总体结构布局缺乏设计经验，使得这种结构简单、水利性能良好、安装维修方便、所需上水库和下水库开挖量少的小型混流式可逆机组未得到应有的开发与推广。 

中国专利申请200810010743.1公开了一种“水泵水轮机”，该方案提供了一个结构简单、造价低、流量小、体积小的微小型水泵水轮机，但其不足之处在于，一是将水轮机工况与水泵工况进行互换工作时要更换转轮，给连续生产运行带来了极大的限制；二是该翼型叶片的制造工艺极其复杂，尺寸精度难以保证，直接影响运行效率。 

中国专利申请201310049897.2公开了“一种低水头轴伸贯流式水泵水轮机及其叶片”，该方案包括水泵水轮机、可逆式电机、流道以及导流机构，能够同时满足水轮机发电和水泵抽水两种运行工况，适用于低水头抽水蓄能电站。但还存在以下明显不足：一是轴伸贯流式水泵水轮机采用直弯尾水管，尾水能量回收效率低，导致整个机组的效率降低；二是轴伸贯流式水泵水轮机轴线长、轴封困 难和环境噪音大，且运行和检修不便，故一般只能应用于小型机组；三是转轮叶片和导叶的加工困难、结构复杂和造价高。 

如何克服现有技术的不足，充分利用我国水力资源，确保电网的稳定运行，进一步开发和推广低水头小型混流式可逆机组已成为当今水力机械技术领域中亟待解决的重点难题之一。 

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种用于低水头抽水蓄能电站的小型混流式水泵水轮机，本发明既可满足两次水流方向相反的水泵水轮机抽水工况和发电工况，即同一个转轮同时满足抽水和发电的双重需求，又可满足水泵水轮机在两种运行工况下均能够高效运行。 

根据本发明提出的一种用于低水头抽水蓄能电站的小型混流式水泵水轮机，它包括蜗壳、尾水管、转轮室、导叶、上盖、转轮、座环和轴承端盖，其中：蜗壳、导叶、转轮和尾水管依次连接,转轮包括转轮叶片、下环、上冠和泄水锥，上盖设置在转轮上，轴承端盖设置在上盖上，其特征在于转轮叶片的包角为105°～124°，转轮叶片进水边与出水边的夹角为54°～86°，转轮叶片为空间三维扭曲曲面、在垂直骨线方向厚度相等，转轮叶片的型线为月牙形，转轮叶片厚度与水轮机工况下的转轮叶片进口高度B1比值为0.06～0.11，水轮机工况下的转轮叶片进口高度B1与导叶高度B2相等，导叶翼型为对称鲸形,上冠上设有三个均布的减压孔，蜗壳轴向截面为圆形截面，尾水管为弯肘型，其平直段轴向截面为圆形截面。 

本发明的工作原理在于：在低水头抽水蓄能电站的运行机组中，包括可逆式电机和本发明的小型混流式水泵水轮机，可逆式电机兼具有发电机和电动机双重功能，水泵水轮机兼具有水轮机和水泵双重功能。水泵水轮机的运行可以分为两种工况，即水轮机工况和水泵工况，其中水轮机工况通过水泵水轮机将上水库的水放到下水库，将水的位能转换为电能；水泵工况利用电能将下水库的水提升到上水库，产生水位能。两种工况的能量转换过程详见图2，当电力等其它能源充裕时，该机组工作在水泵工况，将下水库（17）水抽至上水库（14）储存为水位能；当电力等其它能源缺乏时，该机组工作在水轮机工况，产生电能，从而确保电力供应的稳定性。