减轻抽水蓄能电站机组和厂房振动的水泵水轮机设计方法

摘要

本发明涉及一种减轻抽水蓄能电站机组和厂房振动的水泵水轮机设计方法，其包括在水泵水轮机水力参数设计选择中采取的以下两个方面优化：1)水泵水轮机的选择：选择水轮机工况最优水头Hopt与电站最高水头Hmax之比Hopt/Hmax小于1.25的水泵水轮机；2)防共振设计：在厂房结构固有频率难以避开ns·fr的情况下，活动导叶和固定导叶之间采用同径向线布置的方式，即活动导叶轴心径向线与固定导叶中心所在径向线之间的夹角在0°到2°之间，其中，fr为叶频，ns为叶片对活动导叶和固定导叶总体的整数覆盖系数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种减轻抽水蓄能电站机组和厂房振动的水泵水轮机设计方法，属于水力机械和抽水蓄能技术领域。

背景技术

现代的大型抽水蓄能电站多采用抽水与发电同机的可逆式水泵水轮机，抽水时作为水泵运行，发电时作为水轮机运行。部分抽水蓄能电站，水头变化很大，机组转速高，功率和机组尺寸也有往大型化发展的趋势。在抽水蓄能电站的运行中，常遇到大幅值、高频率压力脉动，引起水泵水轮机顶盖、机架和机组其它设备剧烈振动，部分抽水蓄能电站还产生非常强烈的厂房振动，严重威胁到电站安全及机组稳定运行。根据调查分析，厂房振动严重的抽水蓄能电站绝大多数是由水力因素引起的，其振动主频率多为水泵水轮机转轮叶片通过频率f_r(以下简称“叶频”，f_r＝Z_r·f_n，其中f_n为转速频率，Z_r为水泵水轮机转轮叶片数)的倍频，以2倍频和3倍频居多，公认为由“旋转”的转轮和“静止”的导叶之间的“动静”相互干扰引起。

因此，有必要研究水泵水轮机动静干扰的机理及对厂房振动的影响，并在此基础上提出减轻水泵水轮机动静干扰在水泵水轮机设计选择方面的措施和方法，减轻机组和厂房振动。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种减轻抽水蓄能电站机组和厂房振动的水泵水轮机设计方法，该方法是在弄清水泵水轮机动静干扰机理及对厂房振动影响的基础上提出的，能够有效减轻水泵水轮机动静干扰带来的机组和厂房振动等危害。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种减轻抽水蓄能电站机组和厂房振动的水泵水轮机设计方法，其包括在水泵水轮机水力参数设计选择中采取的以下两个方面优化：

1)水泵水轮机的选择：选择水轮机工况最优水头H_opt与电站最高水头H_max之比H_opt/H_max小于1.25的水泵水轮机；

2)防共振设计：在厂房结构固有频率难以避开n_s·f_r的情况下，活动导叶和固定导叶之间采用同径向线布置的方式，即活动导叶轴心径向线与固定导叶中心所在径向线之间的夹角在0°到2°之间，其中，f_r为叶频，n_s为叶片对活动导叶和固定导叶总体的整数覆盖系数。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明方法是在弄清水泵水轮机动静干扰机理及对厂房振动影响的基础上提出的，能够有效减轻水泵水轮机动静干扰带来的机组和厂房振动等危害。2、本发明提出的选择水轮机最优工况水头接近电站最高水头方法操作简单，方案明确而有效。3、本发明提出的防共振方案降激振频率效果明显，和提高厂房结构固有频率相比，可大幅度降低电站建设投资。

附图说明

图1是水泵水轮机水轮机最优工况转轮叶片进口速度三角形示意图；

图2是水泵水轮机水轮机工况在电站最高水头转轮叶片进口速度三角形示意图；

图3是水泵水轮机水轮机工况在电站最低水头转轮叶片进口速度三角形示意图；

图4是水泵水轮机活动导叶、固定导叶交错布置示意图；

图5是水泵水轮机活动导叶、固定导叶同径向线布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提出了一种减轻抽水蓄能电站机组和厂房振动的水泵水轮机设计方法，其包括在水泵水轮机水力参数设计选择中采取的以下两个方面优化：

1)水泵水轮机的选择：选择水轮机工况最优水头H_opt与电站最高水头H_max之比H_opt/H_max小于1.25的水泵水轮机。

经研究发现，现代抽水蓄能电站广泛采用的混流可逆式水泵水轮机转轮多按水泵设计，水轮机最优工况多不在电站运行区，最优工况水头H_opt大于电站最高水头H_max。如果最优工况还能做到转轮进口水流角和叶片进口安放角基本一致的话(如图1所示，其中1为叶片翼型，U为叶片圆周速度，V为绝对速度，W为相对速度，V_u为绝对速度的圆周速度分量，V_m为绝对速度的轴面速度分量，β为相对水流角)，在电站最高水头则转轮进口水流角小于叶片进口安放角，在叶片正面因边界层脱流产生旋涡(如附图2所示，图例说明同图1)；当电站工作在最低水头时，转轮进口水流角远小于叶片进口安放角，在叶片正面因边界层脱流产生更大旋涡(如图3所示，图例说明同图1)，涡心压力更低，在转轮和活动导叶间(常称“无叶区”，下同)扰动起大幅值压力脉动。因此，选择最优水头H_opt与电站最高水头H_max之比H_opt/H_max小于1.25的水泵水轮机，可减小电站各工况进口水流角和叶片安放角之间的差值，减轻叶片进口脱流，提高涡心压力，可起到降低无叶区压力脉动之作用，并进而减轻机组和厂房振动。

2)防共振设计：在厂房结构固有频率难以避开n_s·f_r的情况下，活动导叶和固定导叶之间采用同径向线布置的方式，即活动导叶轴心径向线与固定导叶中心所在径向线之间的夹角在0°到2°之间。

如果厂房结构固有频率难以避开n_s·f_r(式中：f_r为叶频，是转速频率f_n和转轮叶片数Z_r乘积；n_s为叶片对活动导叶和固定导叶总体的整数覆盖系数，n_s＝int(2Z_g/Z_r)，其中Z_g为导叶数)等频率。其中，int()表示取整运算，四舍五入。经研究发现，水泵水轮机在无叶区因转轮扰动产生叶频横波压力脉动，在向上游传播中又可能扰动活动导叶及固定导叶进口的脱流漩涡空腔，造成漩涡空腔产生膨胀-收缩循环，每个漩涡空腔的膨胀-收缩循环频率为叶频；而每个叶片覆盖范围内有n_z个活动导叶及n_z个固定导叶(其中n_z为叶片对导叶的整数覆盖系数，n_z＝int(Z_g/Z_r))，会产生2列脱流漩涡。如活动导叶和固定导叶同相位布置(即活动导叶轴心径向线与固定导叶中心所在径向线之间的夹角在0°到2°之间)，2列涡形成的压力脉动频率均为n_z·f_r，因相位相同，二者合成的压力脉动频率仍为n_z·f_r；但如果活动导叶和固定导叶交错布置，单个叶片覆盖范围内可能存在n_s个涡，2列涡膨胀-收缩合成的压力脉动频率为n_s·f_r。因此，如将图4所示的活动导叶和固定导叶交错布置改为图5所示的同径向线布置(图中，2表示活动导叶，3表示固定导叶)，则可将纵波压力脉动的最高可能频率由n_s·f_r降低到n_z·f_r，防止高频率厂房共振发生。

本发明所提出的减轻抽水蓄能电站机组和厂房振动危害的电站设计方法，是基于我们对国内大量抽水蓄能电站水泵水轮机转轮叶片和活动导叶、固定导叶动静干扰及引起机组振动、厂房振动实际状况总结发现的2个规律：

(1)在水泵水轮机的水轮机工况，之所以产生幅值很大无叶区压力脉动，是因为转轮按水泵设计，水轮机最优水头远大于电站最高水头，不在电站运行范围之内。水泵水轮机最优水头离电站最高水头越远，转轮叶片进口脱流越严重，无叶区压力脉动越大，电站也越不稳定，机组和厂房振动增大。

(2)如活动导叶和固定导叶有一列发生脱流漩涡空化，水泵水轮机旋转的转轮叶片和静止的活动导叶、固定导叶之间会产生动静干扰，并产生比无叶区压力脉动频率更高的压力脉动，其频率f是叶频f_r(f_r＝Z_r·f_n，Z_r是转轮叶片数，f_n是转速频率，简称转频)的整数倍，f＝n_z·f_r，n_z＝int(Z_g/Z_r)；如活动导叶和固定导叶交错布置，且二者均发生脱流旋涡，涡心压力在横波压力脉动搅动下低于空化压力，则可能产生2列压力脉动，其合成频率为f＝n_s·f_r，n_s＝int(2Z_g/Z_r)；但如果活动导叶和固定导叶同相位布置(活动导叶轴心径向线与固定导叶中心所在径向线之间的夹角在0°到2°之间)，即使二者均发生脱流旋涡，涡心压力在横波压力脉动搅动下低于空化压力，也产生了2列压力脉动，但因二者相位相同(或相位差小)其合成频率为n_z·f_r，而不是n_s·f_r。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。