CN101560940A - 应用于水动节能冷却塔的直联低速小型混流式水轮机 - Google Patents

Abstract

一种应用于水动节能冷却塔的直联低速小型混流式水轮机，它包括：一个进水的蜗壳(1)；一个环形布置有单列导叶的座环(2)；一个转轮(12)；一个直锥型出水管(9)以及一个侧出水箱(10)；所述座环(2)安装在蜗壳(1)的内侧，座环(2)中的导叶之间的出水口与曲面叶片(4)之间形成的进水口相通，曲面叶片(4)之间形成的出水口与直锥型出水管(9)的进水口相通，直锥型出水管(9)的出水口与侧出水箱(10)的进水口相通，其特征是所述的转轮(12)上安装有轴承座(6)，轴承座(6)中安装有轴(7)，轴(7)上直接安装有冷却风扇叶片；单位转速

的值为28－42，式中n为冷却风扇叶片的额定转速，D1为转轮(12)进水口直径，H为进塔水压。本发明具有尺寸小，效率高，噪音低的优点。

Description

应用于水动节能冷却塔的直联低速小型混流式水轮机

技术领域

本发明涉及一种冷却塔，尤其是一种驱动冷却塔冷却风扇的水轮机，具体地说是一种不带减速箱，通过合理设计各部分尺寸尤其是进水座环和转轮的关键参数使水轮机的输出转速为风机转速额定值从而省去传统反击式水轮机使用的减速箱的应用于水动节能冷却塔的直联低速小型混流式水轮机。

背景技术

众所周知，空调冷却塔尤其是工业空调冷却塔，在设计时冷却循环水都留有足够多的富裕能量，为了实现节能的目的，使用水轮机回收这部分富裕能量，将其转化为水轮机的旋转机械能用于驱动冷却风扇，省去了传统的大功率冷却电机，节能效果十分显著。

现在我国的工业空调冷却塔循环水富裕水头一般在4m～15m之间，布水管处需要0.5m～1m的压力水头，因此用于回收这部分循环水富裕水头的水轮机工作在有背压的环境，而冷却塔风机转速较低，为了做到与冷却塔风扇直联，必须选用低速混流式水轮机，而目前在我国水轮机型谱中，能满足这种工作环境的与冷却风机直联的低速混流式水轮机还没有，需采用将一般混流式水轮机通过一个减速器与冷却塔风机相联的驱动模式，由于减速箱的工作条件较差，不仅噪音大、寿命短，而且也相应地提高了制造成本。因此研制出这种满足这种工作环境的低单位转速与冷却塔风机直联的混流式水轮机，有着重大的现实意义。

申请人通过大量计算分析和实验认为，只要合理地对水轮机各部分的尺寸进行设计就可将水轮机的输出转速控制在希望的范围之内。

发明内容

本发明的目的是针对带有减速箱的冷却塔用水轮机存在的噪音大、故障率高，制造和维护成本高的问题，设计一种效率高、尺寸小的可广泛应用于水动节能冷却塔的直联低速小型混流式水轮机，从而使冷却塔用水轮机彻底与齿轮减速箱告别。

本发明的技术方案是：

一种应用于水动节能冷却塔的直联低速小型混流式水轮机，它包括：

一个进水的蜗壳1；

一个环形布置有单列导叶的座环2；

一个由下环3、曲面叶片4、上冠5组成的低转速混流式水轮机转轮12；

一个直锥型出水管9以及一个侧出水箱10；

所述座环2安装在蜗壳1的内侧，座环2中的导叶之间的进水口与蜗壳1的出水通道相通，蜗壳1的进水口与冷却塔循环水管的出水口相通，座环2中的导叶之间的出水口与转轮中间的曲面叶片4之间形成的进水口相通，曲面叶片4之间形成的出水口与直锥型出水管9的进水口相通，直锥型出水管9的出水口与侧出水箱10的进水口相通，侧出水箱10的出水口与冷却塔循环水管的进水口相通，其特征是所述的转轮12上安装有轴承座6，轴承座6中安装有轴7，轴7上直接安装有冷却风扇叶片；单位转速 $n_{11}=\frac{n{D}_1}{\sqrt{H}}$ 的值为28-42，式中n为冷却风扇叶片的额定转速，D1为转轮12进水口直径，H为进塔水压。

所述的转轮流道部分高度H1与转轮12的进水口直径之间的关系为：H1/D1＝0.35～0.42，转轮12的出水口直径D2与进水口直径D1的比值D₂/D₁＝0.4～0.6，转轮12的上冠面与下环面均为曲面，其中形成上冠面的母线平均曲率为1.6rad/m～1.7rad/m，形成下环面的母线平均曲率为4.8rad/m～4.9rad/m；转轮12中的曲面叶片4的数量为16～20，曲面叶片翼形最小厚度与最大厚度之比为0.28～0.34。

所述的座环2中的导叶成单列布置，它既起导流作用又起支撑作用，导叶的内圆直径D4、外圆直径D3与转轮12进水口直径D3之比D₄/D₁、D₃/D₁的比例分别为1～1.1与1.15～1.25，导叶的数量为15～19，导叶采用负曲率翼形。

所述的直锥型出水管9的高度H2为转轮12进水口直径D1的0.2～0.5倍，直锥型出水管9出口直径D5为转轮12进水口直径D1的0.45～0.75倍。

所述的侧出水箱10的高度H3为转轮12进水口直径D1的0.2～0.4倍，侧出水箱10共设置有4个出水口，每个出水口宽度B为转轮12进水口直径D1的0.4～0.6倍。

所述的水轮机的左右方向最大尺寸L1为转轮12进水口直径D1的1.8～2.0倍，其前后方向最大尺寸L2为转轮12进水口直径D1的1.7～1.9倍。

所述的直接影响本发明效率的导叶的迎水面的曲线方程为y＝A₁x⁴+B₁x³+C₁x²+D₁x+E₁，其中A₁＝-7×10^-8～-9×10^-8、B₁＝3.5×10^-5～5.5×10^-5、C₁＝-6.5×10^-5～-8.5×10^-5、D₁＝2.2×10^-1～2.6×10^-1、E₁＝-9×10^-2～-1.3×10^-1，背水面的曲线方程为y＝A₂x⁴+B₂x³+C₂x²+D₂x+E₂，其中A₂＝1.9×10^-9～2.3×10^-9、B₂＝-1.7×10^-6～-2.1×10^-6、C₂＝-9.5×10^-4～-1.0×10^-3、D₂＝2.5×10^-1～3.0×10^-1、E₂＝3.1～3.7，方程中x、y的单位为毫米，且所述导叶的头部迎水面和背水面之间圆滑连接，所述导叶的尾部迎水面和背水面之间折线连接。

本发明的有益效果：

本发明通过合理设计和匹配从根本上解决了非发电型冷却塔用混流式水轮机输出转速的控制问题，它可通过冷却风扇所需的额定转速最终确定座环中负曲率导叶的尺寸和形状以及确定转轮中曲面叶片的尺寸和形状，并可通过计算机优化获得最佳的尺寸，以满足驱动力的要求。

本发明可省去减速箱，因此可大大减少整机的噪音，降低制造和维护成本，大大增加无故障工作时间80％以上，同时可使整体的效率保持在86％以上。

本发明突破了传统水轮设计中单位转速的使用范围，使单位转速的取值从传统的80以上减少到28-42之间，即 $n_{11}=\frac{n{D}_1}{\sqrt{H}}$ 的值介于28-42之间，其中n₁₁为单位转速，n为实际风机转速(r/min)，D1为转轮进水边直径(m)，H为进塔水压(以水柱为单位：m)。不仅适应了冷却塔水轮机的特点，而且有利于减小整体尺寸，提高效率。

附图说明

图1是本发明的蜗壳断面为多金属梯形时整体结构正视示意图。

图2是图1的俯视示意图。

图3是本发明的蜗壳断面为多金属椭圆形时整体结构正视示意图

图4是本发明的转轮叶片三视示意图。

图5是本发明的负曲率导叶翼形三视示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-5所示。

一种应用于水动节能冷却塔的直联低速小型混流式水轮机，它包括一个进水的横断面呈椭圆形(图3)或梯形(图1)的金属蜗壳1，一个布置有单列环形导叶的座环2，一个由下环3、曲面叶片4、上冠5组成的低转速混流式水轮机转轮12，一个直锥型出水管9以及一个侧出水箱10，座环2安装在蜗壳1的内侧，蜗壳1支承在支墩8上，转轮12的下部安装有汇流盘11，如图1所示，座环2中的导叶之间的进水口与蜗壳1的出水通道相通，蜗壳1的进水口与冷却塔循环水管的出水口相通，座环2中的导叶之间的出水口与转轮12中间的曲面叶片4之间形成的进水口相通，曲面叶片4之间形成的出水口与直锥型出水管9的进水口相通，直锥型出水管9的出水口与侧出水箱10的进水口相通，侧出水箱10的出水口与冷却塔循环水管的进水口相通，所述的转轮上安装有轴承座6，轴承座6中安装有轴7，轴7上直接安装有冷却风扇叶片(图中未示出)。整机的单位转速 $n_{11}=\frac{n{D}_1}{\sqrt{H}}$ 的取值在28-42之间(式中n为冷却风扇叶片的额定转速，D1为转轮12进水口直径，H为进塔水压，单位为水柱高度m)，由公式可知，只要风扇的转速n和小头压力H确定(这两个参数由冷却塔的设计参数确定)即可确定唯一的转轮进水口直径D1，从而可唯一地确定整个水轮机各部分(包括转轮、叶片、座环、导叶、最大长度和最大宽度)的尺寸：

如转轮12流道部分高度H1/D1＝0.35～0.42，，转轮12出水口直径与进水口直径比值D₂/D₁＝0.4～0.6，转轮12的上冠面与下环面均为曲面，其中形成上冠面的母线平均曲率为1.6rad/m-1.7rad/m，形成下环面的母线平均曲率为4.8rad/m-4.9rad/m；转轮12中的曲面叶片4的数量为16～20，曲面叶片翼形最小厚度与最大厚度之比为0.28～0.34。如图4所示。

座环2中的导叶成单列布置，它既起导流作用又起支撑作用，导叶的内、外圆与转轮标称进口直径之比D₄/D₁、D₃/D₁分别为1～1.1与1.15～1.25，导叶数为15～19，导叶采用负曲率翼形。图5是一个负曲率翼形导叶的三视投影图。

直锥型出水管9的高度H2为转轮12进水口直径D1的0.2～0.5倍，直锥型出水管9出口直径D5为转轮12进水口直径D1的0.45～0.75倍。如图1、3所示。

侧出水箱10的高度H3为转轮12进水口直径D1的0.2～0.4倍，侧出水箱10共设置有4个出水口，每个出水口宽度B为转轮12进水口直径D1的0.4～0.6倍。如图1、3所示。

水轮机的左右方向最大尺寸L1为转轮进水口直径D1的1.8～2.0倍，其前后方向最大尺寸L2为转轮进水口直径D1的1.7～1.9倍。

作为直接影响水轮机效率的导叶的迎水面的曲线方程为y＝A₁x⁴+B₁x³+C₁x²+D₁x+E₁，其中A₁＝-7×10^-8～-9×10^-8、B₁＝3.5×10^-5～5.5×10^-5、C₁＝-6.5×10^-5～-8.5×10^-5、D₁＝2.2×10^-1～2.6×10^-1、E₁＝-9×10^-2～-1.3×10^-1，背水面的曲线方程为y＝A₂x⁴+B₂x³+C₂x²+D₂x+E₂，其中A₂＝1.9×10^-9～2.3×10^-9、B₂＝-1.7×10^-6～-2.1×10^-6、C₂＝-9.5×10^-4～-1.0×10^-3、D₂＝2.5×10^-1～3.0×10^-1、E₂＝3.1～3.7，方程中x、y的单位为毫米，且所述导叶的头部迎水面和背水面之间圆滑连接，所述导叶的尾部迎水面和背水面之间折线连接。

由上可知，本领域的技术人员根据本发明的所提供的公式即可很方便地设计出符合要求的水轮机。实验数据表明，只有当单位转速n11的取值介于28-42之间时才能保证本发明的水轮机的效率保持在86％左右，而当n11的取值小于28时，实测转速将明显低于额定转速30％以上，而要提高1/3的转速则效率必须原有基础上提高90％以上，而上单位转速n11取值大于42时，不仅整体尺寸增加，而且实测输出转速也会出现相同的情况，因此单位转速n11的取值范围以28-42为最佳值。

本发明的主要工作过程：

一定压力及流量的水通过蜗壳形成一定的环量进入座环，通过导叶的导流与增速作用冲击水轮机转轮，带动转轮旋转，转轮带动轴7转动，轴7带动上端的风扇叶片转动，完成水能到机械能的转换，从转轮出来的水最后从侧出水箱排出进入空调系统循环。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1、一种应用于水动节能冷却塔的直联低速小型混流式水轮机，它包括：

一个进水的蜗壳(1)；

一个环形布置有单列导叶的座环(2)；

一个由下环(3)、曲面叶片(4)、上冠(5)组成的低转速混流式水轮机转轮(12)；

一个直锥型出水管(9)以及一个侧出水箱(10)；

所述座环(2)安装在蜗壳(1)的内侧，座环(2)中的导叶之间的进水口与蜗壳(1)的出水通道相通，蜗壳(1)的进水口与冷却塔循环水管的出水口相通，座环(2)中的导叶之间的出水口与转轮中间的曲面叶片(4)之间形成的进水口相通，曲面叶片(4)之间形成的出水口与直锥型出水管(9)的进水口相通，直锥型出水管(9)的出水口与侧出水箱(10)的进水口相通，侧出水箱(10)的出水口与冷却塔循环水管的进水口相通，其特征是所述的转轮(12)上安装有轴承座(6)，轴承座(6)中安装有轴(7)，轴(7)上直接安装有冷却风扇叶片；单位转速 $n_{11}=\frac{n{D}_1}{\sqrt{H}}$ 的值为28-42，式中n为冷却风扇叶片的额定转速，D1为转轮(12)进水口直径，H为进塔水压。

2、根据权利要求1所述的水轮机，其特征是所述的转轮流道部分高度H1与转轮(12)的进水口直径之间的关系为：H1/D1＝0.35～0.42，转轮(12)的出水口直径D2与进水口直径D1的比值D₂/D₁＝0.4～0.6，转轮(12)的上冠面与下环面均为曲面，其中形成上冠面的母线平均曲率为1.6rad/m～1.7rad/m，形成下环面的母线平均曲率为4.8rad/m～4.9rad/m；转轮(12)中的曲面叶片(4)的数量为16～20，曲面叶片翼形最小厚度与最大厚度之比为0.28～0.34。

3、根据权利要求1所述的水轮机，其特征是所述的座环(2)中的导叶成单列布置，它既起导流作用又起支撑作用，导叶的内圆直径D4、外圆直径D3与转轮(12)进水口直径D3之比D₄/D₁、D₃/D₁的比例分别为1～1.1与1.15～1.25，导叶的数量为15～19，导叶采用负曲率翼形。

4、根据权利要求1所述的水轮机，其特征是所述的直锥型出水管(9)的高度H2为转轮(12)进水口直径D1的0.2～0.5倍，直锥型出水管(9)出口直径D5为转轮(12)进水口直径D1的0.45～0.75倍。

5、根据权利要求1所述的水轮机，其特征是所述的侧出水箱(10)的高度H3为转轮(12)进水口直径D1的0.2～0.4倍，侧出水箱(10)共设置有4个出水口，每个出水口宽度B为转轮(12)进水口直径D1的0.4～0.6倍。

6、根据权利要求1所述的水轮机，其特征是它的左右方向最大尺寸L1为转轮(12)进水口直径D1的1.8～2.0倍，其前后方向最大尺寸L2为转轮(12)进水口直径D1的1.7～1.9倍。

7、根据权利要求1所述的水轮机，其特征是所述的导叶的迎水面的曲线方程为y＝A₁x⁴+B₁x³+C₁x²+D₁x+E₁，其中A₁＝-7×10^-8～-9×10^-8、B₁＝3.5×10^-5～5.5×10^-5、C₁＝-6.5×10^-5～-8.5×10^-5、D₁＝2.2×10^-1～2.6×10^-1、E₁＝-9×10^-2～-1.3×10^-1，背水面的曲线方程为y＝A₂x⁴+B₂x³+C₂x²+D₂x+E₂，其中A₂＝1.9×10^-9～2.3×10^-9、B₂＝-1.7×10^-6～-2.1×10^-6、C₂＝-9.5×10^-4～-1.0×10^-3、D₂＝2.5×10^-1～3.0×10^-1、E₂＝3.1～3.7，方程中x、y的单位为毫米，且所述导叶的头部迎水面和背水面之间圆滑连接，所述导叶的尾部迎水面和背水面之间折线连接。

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