一种考虑流体可压缩性水泵水轮机泵工况下驼峰区优化装置及方法

1.本发明涉及水轮机技术领域，具体涉及一种考虑流体可压缩性水泵水轮机泵工况下驼峰区优化装置及方法。


背景技术：

2.抽水蓄能是当前技术最成熟、经济性最优、最具大规模开发条件的电力系统绿色低碳清洁灵活调节电源。在我国能源低碳转型、实现“碳达峰”、“碳中和”期间，抽水蓄能电站将迎来新的发展机遇。可逆式水泵水轮机作为抽水蓄能电站能量转换的关键设备，正朝着高扬程、高比速、高容量方向发展，此时其内部流体的流速和压力也会随之加剧，水的可压缩性对水泵水轮机运行稳定性的影响也不可忽略。在数值模拟过程中，如果采用不可压缩模型进行计算，尽管可以用该模型计算捕获到水轮机内部的不稳定流动现象，但与实际结果有较大的误差。
3.水泵水轮机在泵工况部分负荷下运行时，各种流动不稳定结构如旋转失速、射流尾迹、动静干涉容易诱发驼峰不稳定现象的产生，驼峰不稳定现象会引起剧烈的压力脉动和水泵水轮机组振动，严重影响抽水蓄能电站的安全稳定运行。近年来，基于cfd的优化设计理念逐渐应用于水泵水轮机中，通过调整几何系数改变转轮和/或导叶的结构/轮廓，在一定程度上改善了驼峰不稳定性。
4.现有技术cn109058023a公开了一种拓宽水泵水轮机运行稳定性区域的方法和水泵水轮机，现有技术cn113969855a公开了抑制水泵水轮机泵工况驼峰的叶片改型方法，现有技术cn114576065a公开了一种具有弯扭掠特性的水泵水轮机转轮。上述现有技术存在的不足之处在于：(1)未考虑水的弱可压缩性，即水泵水轮机运行过程中水的密度变化对机组性能的影响；(2)对转轮和/或导叶的优化与流动控制很多都是基于机组本身的结构和流动特征确定优化方案，优化的时间和加工成本较高。
5.现有技术jp2018080616a公开了一种液压水轮机及其操作方法，其通过设置流量调节机构、注水孔结构以改善/抑制驼峰不稳定现象。但该现有技术(jp2018080616a)仍然存在以下不足之处：(1)未考虑水的弱可压缩性，即水泵水轮机运行过程中水的密度变化对机组性能的影响；(2)未侧重于水泵水轮机泵工况下注水孔结构对驼峰区的影响，其对驼峰区不稳定性的改善效果一般，有待进一步优化提高。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种考虑流体可压缩性水泵水轮机泵工况下驼峰区优化装置及方法，其通过考虑水的弱可压缩性，即水泵水轮机运行过程中水的密度变化对机组性能的影响，并侧重于关注水泵水轮机泵工况下注水通道结构对驼峰区的影响，其通过注水通道结构的设计，能够减少导叶栅处的流动分离，从而抑制了水泵水轮机泵工况运行过程中各种不稳定流动的发生及发展，进而抑制或延迟驼峰区的形
成，因此能够更有效地改善/抑制驼峰区不稳定现象，在工程设计上为扩大水泵水轮机的安全稳定运行范围具有很好的参考意义。
7.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
8.一种考虑流体可压缩性水泵水轮机泵工况下驼峰区优化装置，其包括蜗壳(1)、尾水管(2)、转轮(3)、第一导叶(4)、第二导叶(5)，尾水管连接于蜗壳的下端，第二导叶设置于第一导叶的径向外周侧，转轮设置于第一导叶的径向内周侧，第一导叶为可调节导叶；其特征在于：第一导叶(4)包括第一导叶本体(41)、调节转轴(42)、第一通道(43)、第二通道(44)、第三通道(45)、第四通道(46)，调节转轴用于驱动第一导叶本体转动，调节转轴内设置有第一通道、第二通道，第一导叶本体内设置有第三通道、第四通道，第一通道、第二通道分别与第三通道、第四通道相连通，第三通道的出口端位于第一导叶本体的第一弧形面的径向内侧端，第四通道的出口端位于第一导叶本体的第一弧形面的径向外侧端；第二导叶(5)包括第二导叶本体一(51)、第二导叶本体二(52)、转动体(53)、转动体转轴(54)、第五通道(55)、第六通道(56)，第二导叶本体一、转动体、第二导叶本体二依次连接并构成第二导叶，转动体转轴用于驱动转动体相对于第二导叶本体一或第二导叶本体二转动，第二导叶本体一、第二导叶本体二为固定导叶，转动体转轴内设置有第五通道，转动体内设置有第六通道，第五通道与第六通道相连通。
9.进一步地，第一通道(43)、第三通道(45)构成第一注水通道(注水孔)结构，第二通道(44)、第四通道(46)构成第二注水通道(注水孔)结构，第五通道(55)、第六通道(56)构成第三注水通道(注水孔)结构。
10.进一步地，所述转动体(53)呈圆柱体结构，转动体设置于第二导叶本体一与第二导叶本体二之间，且与它们弧形过渡，也即第二导叶本体一的径向外端部设置有多个过渡圆弧与转动体外周面弧形过渡，第二导叶本体二的径向内端部设置有多个过渡圆弧与转动体外周面弧形过渡。
11.进一步地，所述第一通道(43)上连接有第一调节阀，第二通道(44)上连接有第二调节阀，第一调节阀、第二调节阀分别用于控制第三通道(45)、第四通道(46)的通断和流量。
12.进一步地，所述第五通道(55)上连接有第三调节阀，第三调节阀用于控制第六通道(56)的通断和流量。
13.进一步地，在周向方向上，第三通道(45)或第四通道(46)的出口端的水流喷射方向与第六通道(56)的出口端的水流喷射方向相反，也即第三通道或第四通道的出口端的水流喷射方向为顺时针方向，第六通道的出口端的水流喷射方向为逆时针方向。
14.进一步地，在水轮机工况下，通过第一调节阀控制第三通道(45)打开，通过第二调节阀控制第四通道(46)关闭，并可通过调节转轴(42)调节第三通道的出口端的水流喷射角度；同时，通过转动体转轴(54)驱动转动体(53)转动以使第六通道(56)的出口端向第二导叶本体一(51)的一侧转动或靠近，该第六通道的出口端的喷射水流在第一导叶的下游端与第三通道的出口端的喷射水流合流；在泵工况下，通过第一调节阀控制第三通道(45)关闭，通过第二调节阀控制第四通道(46)打开，并可通过调节转轴调节第四通道(46)的出口端的水流喷射角度；同时，通过转动体转轴(51)驱动转动体转动以使第六通道(56)的出口端向第二导叶本体二(52)的一侧转动或靠近，该第六通道的出口端的喷射水流在第二导叶的下
游端与第四通道(46)的出口端的喷射水流合流。
15.一种考虑流体可压缩性水泵水轮机泵工况下驼峰区优化装置的控制方法，其包括以下步骤：
16.步骤(1)：在水轮机工况下，通过第一调节阀控制第三通道(45)打开，通过第二调节阀控制第四通道(46)关闭，并可通过调节转轴(42)调节第三通道(45)的出口端的水流喷射角度；同时，通过转动体转轴(54)驱动转动体(53)转动以使第六通道(56)的出口端向第二导叶本体一(51)的一侧转动或靠近，该第六通道的出口端的喷射水流在第一导叶的下游端与第三通道的出口端的喷射水流合流；
17.步骤(2)：通过第一调节阀调节第三通道(45)的水流喷射流量或压力，通过第三调节阀调节第六通道(56)的水流喷射流量或压力；
18.步骤(3)：在泵工况下，通过第一调节阀控制第三通道(45)关闭，通过第二调节阀控制第四通道(46)打开，并可通过调节转轴(42)调节第四通道(46)的出口端的水流喷射角度；同时，通过转动体转轴(54)驱动转动体(53)转动以使第六通道(56)的出口端向第二导叶本体二(52)的一侧转动或靠近，该第六通道的出口端的喷射水流在第二导叶的下游端与第四通道的出口端的喷射水流合流；
19.步骤(4)：通过第二调节阀调节第四通道(46)的水流喷射流量或压力，通过第三调节阀调节第六通道(56)的水流喷射流量或压力。
20.本发明的一种考虑流体可压缩性水泵水轮机泵工况下驼峰区优化装置及方法，其通过考虑水的弱可压缩性，即水泵水轮机运行过程中水的密度变化对机组性能的影响，并侧重于关注水泵水轮机泵工况下注水通道结构对驼峰区的影响，其通过注水通道(注水孔)结构的设计(具体地，第一通道、第三通道构成第一注水通道结构，第二通道、第四通道构成第二注水通道结构，第五通道、第六通道构成第三注水通道结构)，能够减少导叶栅处的流动分离，从而抑制了水泵水轮机泵工况运行过程中各种不稳定流动的发生及发展，进而抑制或延迟驼峰区的形成，因此能够更有效地改善/抑制驼峰区不稳定现象，在工程设计上为扩大水泵水轮机的安全稳定运行范围具有很好的参考意义。
附图说明
21.图1为现有技术水泵水轮机结构示意图；
22.图2为本发明水泵水轮机局部结构示意图；
23.图3为本发明水泵水轮机局部结构示意图；
24.图4为本发明水泵水轮机局部结构示意图(水轮机工况)；
25.图5为本发明水泵水轮机局部结构示意图(泵工况)；
26.图6为展示了不可压缩和可压缩数值模拟与实验对比的性能曲线图；
27.图7为展示了可压缩模型各个部件的水力损失图；
28.图8为4种不同注入水流速的性能曲线对比图；
29.图9为4种不同注入水流速、性能曲线不同流量工况下水泵水轮机总的水力损失图。
30.图中：蜗壳1、尾水管2、转轮3、第一导叶4、第二导叶5、第一导叶本体41、调节转轴42、第一通道43、第二通道44、第三通道45、第四通道46、第二导叶本体一51、第二导叶本体
二52、转动体53、转动体转轴54、第五通道55、第六通道56。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。
32.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
33.如图1-5所示，一种考虑流体可压缩性水泵水轮机泵工况下驼峰区优化装置，其包括蜗壳1、尾水管2、转轮3、第一导叶4、第二导叶5，尾水管2连接于蜗壳1的下端，第二导叶5设置于第一导叶4的径向外周侧，转轮3设置于第一导叶4的径向内周侧，第一导叶4为可调节导叶/活动导叶；其特征在于：第一导叶4包括第一导叶本体41、调节转轴42、第一通道43、第二通道44、第三通道45、第四通道46，调节转轴42用于驱动第一导叶本体41转动，调节转轴42内设置有第一通道43、第二通道44，第一导叶本体41内设置有第三通道45、第四通道46，第一通道43、第二通道44分别与第三通道45、第四通道46相连通，第三通道45的出口端位于第一导叶本体41的第一弧形面的径向内侧端，第四通道46的出口端位于第一导叶本体41的第一弧形面的径向外侧端；第二导叶5包括第二导叶本体一51、第二导叶本体二52、转动体53、转动体转轴54、第五通道55、第六通道56，第二导叶本体一51、转动体53、第二导叶本体二52依次连接并构成第二导叶5，转动体转轴54用于驱动转动体53相对于第二导叶本体一51或第二导叶本体二52转动，第二导叶本体一51、第二导叶本体二52为固定导叶，转动体转轴54内设置有第五通道55，转动体53内设置有第六通道56，第五通道55与第六通道56相连通。
34.第一通道43、第三通道45构成第一注水通道(注水孔)结构，第二通道44、第四通道46构成第二注水通道(注水孔)结构，第五通道55、第六通道56构成第三注水通道(注水孔)结构。
35.进一步地，转动体53呈圆柱体结构，转动体53设置于第二导叶本体一51与第二导叶本体二52之间，且与它们弧形过渡，也即第二导叶本体一51的径向外端部设置有多个过渡圆弧与转动体53外周面弧形过渡，第二导叶本体二52的径向内端部设置有多个过渡圆弧与转动体53外周面弧形过渡。
36.进一步地，第一通道43上连接有第一调节阀/控制阀，第二通道44上连接有第二调节阀/控制阀，第一调节阀、第二调节阀分别用于控制第一通道43/第三通道45、第二通道44/第四通道46的通断和流量。
37.进一步地，第五通道55上连接有第三调节阀/控制阀，第三调节阀用于控制第五通道55/第六通道56的通断和流量。
38.进一步地，在周向方向上，第三通道45或第四通道46的出口端的水流喷射方向与第六通道56的出口端的水流喷射方向相反，也即第三通道45或第四通道46的出口端的水流喷射方向为顺时针方向，第六通道56的出口端的水流喷射方向为逆时针方向。
39.如图4-5所示，进一步地，在水轮机工况下，通过第一调节阀控制第三通道45打开，通过第二调节阀控制第四通道46关闭，并可通过调节转轴42调节第三通道45的出口端的水
流喷射角度；同时，通过转动体转轴54驱动转动体53转动以使第六通道56的出口端向第二导叶本体一51的一侧转动或靠近，该第六通道56的出口端的喷射水流在第一导叶4的下游端与第三通道45的出口端的喷射水流合流(
“→”
表示水流流向)；在泵工况下，通过第一调节阀控制第三通道45关闭，通过第二调节阀控制第四通道46打开，并可通过调节转轴42调节第四通道46的出口端的水流喷射角度；同时，通过转动体转轴54驱动转动体53转动以使第六通道56的出口端向第二导叶本体二52的一侧转动或靠近，该第六通道56的出口端的喷射水流在第二导叶5的下游端与第四通道46的出口端的喷射水流合流(
“→”
表示水流流向)。
40.一种考虑流体可压缩性水泵水轮机泵工况下驼峰区优化装置的控制方法，其包括以下步骤：
41.步骤(1)：在水轮机工况下，通过第一调节阀控制第三通道45打开，通过第二调节阀控制第四通道46关闭，并可通过调节转轴42调节第三通道45的出口端的水流喷射角度；同时，通过转动体转轴54驱动转动体53转动以使第六通道56的出口端向第二导叶本体一51的一侧转动或靠近，该第六通道56的出口端的喷射水流在第一导叶4的下游端与第三通道45的出口端的喷射水流合流；
42.步骤(2)：通过第一调节阀调节第三通道45的水流喷射流量或压力，通过第三调节阀调节第六通道56的水流喷射流量或压力；
43.步骤(3)：在泵工况下，通过第一调节阀控制第三通道45关闭，通过第二调节阀控制第四通道46打开，并可通过调节转轴42调节第四通道46的出口端的水流喷射角度；同时，通过转动体转轴54驱动转动体53转动以使第六通道56的出口端向第二导叶本体二52的一侧转动或靠近，该第六通道56的出口端的喷射水流在第二导叶5的下游端与第四通道46的出口端的喷射水流合流；
44.步骤(4)：通过第二调节阀调节第四通道46的水流喷射流量或压力，通过第三调节阀调节第六通道56的水流喷射流量或压力。
45.如图6所示，其展示了不可压缩和可压缩数值模拟与实验对比的性能曲线图。可以发现可压缩模型能够更好的预测驼峰区(0.68q
des-0.80q
des
)的性能曲线，也进一步验证了在工程计算中加入可压缩模型的必要性。
46.如图7所示，其展示了可压缩模型各个部件的水力损失图。当进入驼峰初始工况(0.80q
des
)导叶栅内水力损失最大，这与驼峰区的形成密切相关。
47.如图8所示，其给出了4种不同注入水流速(10、20、30、40m/s)的性能曲线对比图，可以发现4种流速都能够有效地抑制或延迟驼峰区的形成。其中10、30、40m/s注入水流速将驼峰区的形成延迟了更小的流量工况(驼峰拐点从0.75q
des
延迟至0.68q
des
)。值得注意的是，当注入水流速30m/s的时候，尽管驼峰区延迟发展，但是驼峰区域扩大(即在0.59q
des
时，正斜率依然存在)。当注入水流速为20m/s的时候，驼峰区的形成相比其他3种注入水流速延迟到了更加小的流量工况(驼峰拐点从0.75q
des
延迟至0.65q
des
)。
48.如图9所示，其给出了4种不同注入水流速、性能曲线不同流量工况下水泵水轮机总的水力损失图(其中横坐标0表示未注水时的水力损失)。
[0049]“轴向”为水泵水轮机的旋转轴线方向，“径向”为转轮的直径/半径方向。
[0050]
本发明的一种考虑流体可压缩性水泵水轮机泵工况下驼峰区优化装置及方法，其
通过考虑水的弱可压缩性，即水泵水轮机运行过程中水的密度变化对机组性能的影响，并侧重于关注水泵水轮机泵工况下注水通道结构对驼峰区的影响，其通过注水通道(注水孔)结构的设计(具体地，第一通道43、第三通道45构成第一注水通道结构，第二通道44、第四通道46构成第二注水通道结构，第五通道55、第六通道56构成第三注水通道结构)，能够减少导叶栅处的流动分离，从而抑制了水泵水轮机泵工况运行过程中各种不稳定流动的发生及发展，进而抑制或延迟驼峰区的形成，因此能够更有效地改善/抑制驼峰区不稳定现象，在工程设计上为扩大水泵水轮机的安全稳定运行范围具有很好的参考意义。
[0051]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、水平、竖直等)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变，所述的“连接”可以是直接连接，也可以是间接连接，所述的“设置”、“设置于”、“设于”可以是直接设于，也可以是间接设于。
[0052]
上述实施方式是对本发明的说明，不是对本发明的限定，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种考虑流体可压缩性水泵水轮机泵工况下驼峰区优化装置，其包括蜗壳(1)、尾水管(2)、转轮(3)、第一导叶(4)、第二导叶(5)，尾水管连接于蜗壳的下端，第二导叶设置于第一导叶的径向外周侧，转轮设置于第一导叶的径向内周侧，第一导叶为可调节导叶；其特征在于：第一导叶(4)包括第一导叶本体(41)、调节转轴(42)、第一通道(43)、第二通道(44)、第三通道(45)、第四通道(46)，调节转轴用于驱动第一导叶本体转动，调节转轴内设置有第一通道、第二通道，第一导叶本体内设置有第三通道、第四通道，第一通道、第二通道分别与第三通道、第四通道相连通，第三通道的出口端位于第一导叶本体的第一弧形面的径向内侧端，第四通道的出口端位于第一导叶本体的第一弧形面的径向外侧端；第二导叶(5)包括第二导叶本体一(51)、第二导叶本体二(52)、转动体(53)、转动体转轴(54)、第五通道(55)、第六通道(56)，第二导叶本体一、转动体、第二导叶本体二依次连接并构成第二导叶，转动体转轴用于驱动转动体相对于第二导叶本体一或第二导叶本体二转动，第二导叶本体一、第二导叶本体二为固定导叶，转动体转轴内设置有第五通道，转动体内设置有第六通道，第五通道与第六通道相连通。2.如权利要求1所述的一种考虑流体可压缩性水泵水轮机泵工况下驼峰区优化装置，其特征在于，所述转动体(53)呈圆柱体结构，转动体设置于第二导叶本体一与第二导叶本体二之间，且与它们弧形过渡，也即第二导叶本体一的径向外端部设置有多个过渡圆弧与转动体外周面弧形过渡，第二导叶本体二的径向内端部设置有多个过渡圆弧与转动体外周面弧形过渡。3.如权利要求2所述的一种考虑流体可压缩性水泵水轮机泵工况下驼峰区优化装置，其特征在于，所述第一通道(43)上连接有第一调节阀，第二通道(44)上连接有第二调节阀，第一调节阀、第二调节阀分别用于控制第三通道(45)、第四通道(46)的通断和流量。4.如权利要求3所述的一种考虑流体可压缩性水泵水轮机泵工况下驼峰区优化装置，其特征在于，所述第五通道(55)上连接有第三调节阀，第三调节阀用于控制第六通道(56)的通断和流量。5.如权利要求4所述的一种考虑流体可压缩性水泵水轮机泵工况下驼峰区优化装置，其特征在于，在周向方向上，第三通道(45)或第四通道(46)的出口端的水流喷射方向与第六通道(56)的出口端的水流喷射方向相反，也即第三通道或第四通道的出口端的水流喷射方向为顺时针方向，第六通道的出口端的水流喷射方向为逆时针方向。6.如权利要求5所述的一种考虑流体可压缩性水泵水轮机泵工况下驼峰区优化装置，其特征在于，在水轮机工况下，通过第一调节阀控制第三通道(45)打开，通过第二调节阀控制第四通道(46)关闭，并可通过调节转轴(42)调节第三通道的出口端的水流喷射角度；同时，通过转动体转轴(54)驱动转动体(53)转动以使第六通道(56)的出口端向第二导叶本体一(51)的一侧转动或靠近，该第六通道的出口端的喷射水流在第一导叶的下游端与第三通道的出口端的喷射水流合流；在泵工况下，通过第一调节阀控制第三通道(45)关闭，通过第二调节阀控制第四通道(46)打开，并可通过调节转轴调节第四通道(46)的出口端的水流喷射角度；同时，通过转动体转轴(51)驱动转动体转动以使第六通道(56)的出口端向第二导叶本体二(52)的一侧转动或靠近，该第六通道的出口端的喷射水流在第二导叶的下游端与第四通道(46)的出口端的喷射水流合流。7.一种考虑流体可压缩性水泵水轮机泵工况下驼峰区优化装置的控制方法，其包括如
权利要求4或5所述的一种考虑流体可压缩性水泵水轮机泵工况下驼峰区优化装置，其包括以下步骤：步骤(1)：在水轮机工况下，通过第一调节阀控制第三通道(45)打开，通过第二调节阀控制第四通道(46)关闭，并可通过调节转轴(42)调节第三通道(45)的出口端的水流喷射角度；同时，通过转动体转轴(54)驱动转动体(53)转动以使第六通道(56)的出口端向第二导叶本体一(51)的一侧转动或靠近，该第六通道的出口端的喷射水流在第一导叶的下游端与第三通道的出口端的喷射水流合流；步骤(2)：通过第一调节阀调节第三通道(45)的水流喷射流量或压力，通过第三调节阀调节第六通道(56)的水流喷射流量或压力；步骤(3)：在泵工况下，通过第一调节阀控制第三通道(45)关闭，通过第二调节阀控制第四通道(46)打开，并可通过调节转轴(42)调节第四通道(46)的出口端的水流喷射角度；同时，通过转动体转轴(54)驱动转动体(53)转动以使第六通道(56)的出口端向第二导叶本体二(52)的一侧转动或靠近，该第六通道的出口端的喷射水流在第二导叶的下游端与第四通道的出口端的喷射水流合流；步骤(4)：通过第二调节阀调节第四通道(46)的水流喷射流量或压力，通过第三调节阀调节第六通道(56)的水流喷射流量或压力。

技术总结
本发明公开了一种考虑流体可压缩性水泵水轮机泵工况下驼峰区优化装置，其包括蜗壳(1)、尾水管(2)、转轮(3)、第一导叶(4)、第二导叶(5)，第二导叶设置于第一导叶的径向外侧；其特征在于：第一导叶包括第一导叶本体(41)、调节转轴(42)、第一通道(43)、第二通道(44)、第三通道(45)、第四通道(46)，第二导叶包括第二导叶本体一(51)、第二导叶本体二(52)、转动体(53)、转动体转轴(54)、第五通道(55)、第六通道(56)，第一通道、第三通道构成第一注水通道结构，第二通道、第四通道构成第二注水通道结构，第五通道、第六通道构成第三注水通道结构。本发明能够更有效地改善/抑制驼峰区不稳定现象的发生及发展。的发生及发展。的发生及发展。


技术研发人员：阳君 冯显华 彭涛 白梓韬 刘小华
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.01.27
技术公布日：2023/6/27