水泵水轮机
Pump-Turbine

[本节为“抽水蓄能电站”栏目与“水轮机”栏目共用]

水泵水轮机顾名思义既可以作水泵使用又可以作水轮机使用,也称为可逆式水轮机,作水轮机运行时转轮顺时针旋转,逆时针旋转时作水泵运行,水泵水轮机主要用在抽水蓄能电站

轴流式水轮机贯流式水轮机斜流式水轮机混流式水轮机均可以实现可逆运转,当然只有经过设计变化后才能双向高效运行。可逆式轴流式水轮机应用水头范围大约在在3~40m,应用较少;可逆式贯流式水轮机应用水头范围大约在在2~20m,用在潮汐电站;可逆式斜流式水轮机应用水头范围大约在40~120m,由于结构复杂,造价高而应用不广;可逆式混流式水轮机根据不同型号应用水头范围在30~40m直到600~700m,是目前抽水蓄能电站应用最广的机型。本课件介绍可逆式混流式水轮机,即混流式水泵水轮机。

   混流式水泵水轮机转轮

混流式水泵水轮机转轮与混流式水轮机高水头转轮结构相同,由上冠叶片下环构成,外形更像离心泵的转轮。应用水头越高外形越扁平。在转轮上冠上有一圈上止漏环,在转轮下环底部也有一圈下止漏环。图1与图2是一个混流式水泵水轮机转轮模型的外观图。

混流式水泵水轮机转轮的外观图

图1--混流式水泵水轮机转轮的外观图

混流式水泵水轮机转轮的外观图二

图2--混流式水泵水轮机转轮的外观图二
     图3是混流式水泵水轮机与一般混流式水轮机轴面投影比较图,右面(c)图是中低水头的水轮机轴面投影示意图,中间(b)图是中高水头的水轮机或中低水头水泵水轮机轴面投影示意图,左面(a)图是高水头的水泵水轮机轴面投影示意图,它们之间最大的区别就是转轮外端叶片高度b不同、转轮下面口径D2不同。

混流式水泵水轮机转轮轴面投影图

图3--混流式水泵水轮机转轮轴面投影图
 混流式水泵水轮机的另一特点是叶片的长度比一般混流式水轮机要长得多,叶片数为6~9片。图4是混流式水泵水轮机模型的叶片立体图,为了看到叶片截去了下环。

混流式水泵水轮机转轮叶片排列图

图4--混流式水泵水轮机转轮叶片排列图
图5是截去下环的底视图,能看清叶片在转轮中的排列。

混流式水泵水轮机转轮叶片排列图二

图5--混流式水泵水轮机转轮叶片排列图二

看到混流式水泵水轮机转轮叶片是长长的弧形,与所说的翼型相差甚远,这是因为叶片在圆周方向长,叶片相对轴心的包角往往超过90度,故曲率至少比圆周大,又因为叶片越向后越靠近轴心,水流越往中心处的速度越快,故叶片与圆周切线夹角越向后越大。

图6是装配上主轴的转轮,主轴上的轴领是安装导轴承的位置。

装配了主轴的水泵水轮机转轮
图6--装配了主轴的水泵水轮机转轮
   混流式水泵水轮机转轮工作原理
为帮大家理解水流对叶片作用产生旋转力的原理,采用图解说明,图7是一个有6个叶片的转轮,图中用箭头线(向量)描绘了水流与作用力。

混流式水泵水轮机转轮叶片受力图

图7--混流式水泵水轮机转轮叶片受力图

    图7的(a)图是转轮正常工作的某一时刻t的位置,图中m是运动到叶片表面的一个水质点,水质点m的运动速度是V1,由于转轮在旋转,叶片在m点处的圆周速度是U1,水质点m相对于叶片该处的相对速度是W1,这样水质点m对叶片产生一个升力L1,升力L1在转轮圆周切向的分力是朝向推动转轮旋转的方向。

图7的(b)图是转轮正常工作的某一时刻,其时间是t后片刻,转轮旋转了一个角度,水质点m沿叶片表面运动到后部的一个位置,运动方向偏向叶片后方,同时由于水流向轴流动时,通道面积减小,水流速度加快,此时的水质点m的运动速度是V2;由于此时水质点m位置距轴心较近,在m点处的圆周速度是U2,比U1小;此时水质点m相对于叶片该处的相对速度是W2,这样水质点m对叶片产生一个升力L2,升力L2在转轮圆周切向的分力是朝向推动转轮旋转的方向。

图7仅表示了两个时刻的瞬态,其实水质点m一直沿叶片表面运动直到离开,其相对速度方向与叶片保持一定的夹角,故一直对叶片有作用力,水流中其它水质点同样都对叶片产生作用力,转轮在水流作用力下旋转做功。

关于转轮作为水泵的工作原理,简言之就是利用离心力原理,在此不再做介绍了。作水泵运行时,转轮旋转方向与作水轮机时相反,水流方向也相反,从转轮下方进入,从上方向四周流出。

   混流式水泵水轮机的导水机构

混流式水泵水轮机组成与一般混流式水轮机相似,主要由蜗壳导叶组成引水与导水系统;转轮;顶盖、底环、尾水管组成。图8是水泵水轮机的导水系统,与混流式水轮机导水系统结构与原理相同,由接力器推动控制环,再由连杆带动导叶转动,参见水轮机的导水

水泵水轮机的导水系统

图8--水泵水轮机的导水系统

由于抽水蓄能电站的发电、抽水、停机切换频繁,水泵水轮机负荷变化大、水流振动大、对导叶冲击大,为使导叶能平稳的调节,水泵水轮机也有采用每个导叶有单独接力器的导水传动机构,见图9。

水泵水轮机每个导叶有单独的接力器

图9—水泵水轮机每个导叶有单独的接力器
在每个导叶转轴上端头固定有拐臂,单导叶接力器一端连接导叶的拐臂另一端连接到接力器底座,接力器底座固定在水轮机顶盖(或水轮机基础)上,不能转动,接力器推拉拐臂使导叶转动。由于每个导叶单独使用一个接力器,减少了中间机械连接环节产生的间隙,使操作更平稳灵活,转动力更强劲;在必要时可进行导叶的不同步操作,使机组平稳启停。
混流式水泵水轮机的结构

混流式水泵水轮机结构与混流式水轮机结构相同,主要由蜗壳座环转轮顶盖底环导叶控制环接力器组成。当作水轮机运行时水流从蜗壳进水口进入,通过导叶进入转轮,从转轮下方经尾水管排出,作水泵运行时,水流方向相反。图10是混流式水泵水轮机结构示意图。

混流式水泵水轮机结构图

图10--混流式水泵水轮机结构图

前面介绍有多个接力器的结构,图11就是每个导叶由一个接力器驱动的水泵水轮机。

多个接力器的水泵水轮机
图11—多个接力器的水泵水轮机
下面有混流式水泵水轮机旋转动画,动画演示了混流式水泵水轮机在作水轮机时的运行状态与作水泵时的运行状态,动画中运动的蓝色小球代表水流。若在线观看时出现反转、不连贯、跳动等现象,可下载到本机后选用本地播放器播放即可恢复原动画播放效果。
混流式水泵水轮机旋转动画

混流式水泵水轮机虽能可逆运转,但要实现在作水轮机与水泵时都运行在高效率状况,其转速并不相同,一般情况是水泵转速为水轮机转速的1.2~1.35倍。

 
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