CN101737224A - 内外套轴单灯泡体贯流式的两级转轮水轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内外套轴单灯泡体两级转轮贯流式水轮机。它将球面流道上的斜流转轮(称前转轮)替代传统贯流式水轮机导水机构活动导叶环列叶栅，前转轮与原有轴流转轮(称后转轮)组成两级转轮，前后两转轮遵循能量转换分配进行设计，可以对转(反向转动)。两转轮有自己独立的转轴，可用增速器连接传统发电机，也可使用双转子发电机，具有单一灯泡体。后转轮使用落差不变(能量输出不变)，前转轮可以设计为与后转轮承担相同的能量转换与输出，因此双转轮水轮机落差为传统单转轮水轮机落差的2倍，由于落差的增高出力亦可增加至2倍。在超高落差的使用条件下，两转轮反转动量矩平衡，气蚀性能好稳定性强，具有结构紧凑、运转适应范围广、环境友好等优点。

Description

内外套轴单灯泡体贯流式的两级转轮水轮机

技术领域

本发明属于水力发电设备机械技术领域，具体涉及内外套轴单灯泡体贯流式的两级转轮水轮机。

背景技术

水力发电工程、水力机械学科是一个具有悠久历史的学科。能源电力生产、电力设备、流体机械制造等都是国民经济的支柱行业，对社会的可持续发展有着举足轻重的作用。近年来随着经济的高速发展，能源紧缺矛盾日益突出，超梯度提高水力转轮水力性能、节能等被重视。

贯流式水轮机一般应用于低落差、大流量发电机组使用。传统的贯流式水轮机具有导水机构的活动导叶及转轮，传统单转轮水轮机工作过程：有压流体的入流由进水管进入，经过固定导叶与灯泡体组成的过流通道，流入圆锥流道的活动导叶，流体能量由转轮及轴变换成机械能传给发电机转子继而转换成电能，做功后的水流由转轮流出至尾水管至下游。

导水机构的活动导叶通过开度的变化来调节流量，形成转轮需要的环量，活动导叶不做功。转轮带动主轴转动将水能转化成机械能，进而带动发电机发电输出电能。

当前国家重视发展水力发电，需求会继续增大不可估量，大型水轮机组一台价值在一亿元以上。因为贯流式水轮机所需的土木工程规模远比轴流式水轮机、混流式水轮机要小得多，因而成为当代选型热点。由于贯流式水轮机电站不需要大量下挖工程，造价优势明显，近年来市场要求非常旺盛。但是目前的贯流式水轮机使用水头较低，当落差在25m以上时便不推荐使用贯流式水轮机。

发明内容

本发明的主要目的在于提高贯流式水轮机的使用落差，提供一种内外套轴单灯泡体贯流式的两级转轮水轮机。本发明用前转轮替代不做功的活动导叶，增加了一个做功的转轮，原来的转轮按位置关系称为后转轮，本发明内外套轴单灯泡体贯流式的两级转轮水轮机不仅可提高贯流水轮机的使用水头，还可以提高其稳定性及气蚀特性。

本发明目的通过以下方案来实现：

内外套轴单灯泡体贯流式的两级转轮水轮机，包括进水管1、固定导叶2、前转轮3、前转轮轴4、后转轮5、后转轮轴6、灯泡体7和尾水管锥管8，所述后转轮轴6与后转轮5连接，后转轮轴6外周套装有前转轮轴4，前转轮轴4与前转轮3连接，后转轮5与前转轮3旋转方向相反。

所述前转轮轴4和后转轮轴6靠近灯泡体7的一端分别与发电机转子连接。所述连接可以为键连接。

所述前转轮3还包括有呈圆锥球面的轮毂11，叶片安装在轮毂11上，轮毂11与前转轮轴4连接，且前转轮3安装在固定导叶2和后转轮5之间。轮毂11与前转轮轴4可以为螺栓或键连接。

所述前转轮3的叶片倾斜设置；后转轮5的叶片垂直于水平方向设置。

所述倾斜设置是叶片中轴线与水平线呈50～70度的夹角。

所述前转轮轴4和后转轮轴6均采用轴承支撑。

所述前转轮3与后转轮5做功后水的出流由尾水管锥管8排出。

两级转轮可大幅度提高贯流式水轮机的使用落差。两级转轮的贯流式水轮机将设计落差由前转轮与后转轮来分担。例如，当最高设计落差为50m时，前后转轮分担的设计落差各为25m，两级转轮贯流式水轮机就可适应用于50m的超高落差，因此落差为传统单转轮水轮机落差的2倍，由于落差的增高出力亦可增加至2倍。

前转轮与后转轮相互反转，两力矩被平衡所以振动非常小，没有活动导叶存在，那些控制它们开启闭合的复杂控制机构也就不需要了。

两级转轮时，前转轮出口压力十分高不用担心气蚀。

前转轮形成的角运动量被后面反向旋转的后转轮所吸收，两转轮将最大限度的利用角运动量。

本发明的内外套轴单灯泡体贯流式的两级转轮水轮机工作过程：有压流体由进水管1流入，经过固定导叶2与灯泡体7组成的过流通道，流入倾斜设置在圆锥球面流道中的前转轮3做功，由套轴4转换为机械能至发电机转子9；前转轮3转换了被分配的约一半能量后水流由转轮出口流出，接着流入水平设置的后转轮5做功，将另一半能量由后转轮轴6转换为机械能，输出至发电机转子10切割磁力线发出电能，做功后的水流由后转轮出口流出至尾水管锥管8，依次流出至下游。

传统贯流式水轮机在圆锥球面流道上设置活动导叶，本发明将水轮机的活动导叶置换成转轮的叶片(前转轮)，与原有转轮(后转轮)并行做功，使用落差可以提高至2倍，出力增大至2倍，水轮机出力调整可通过前转轮进行。协联工况运行由原来活动导叶与转轮进行，至现在由前转轮与后转轮进行。本发明利用了传统贯流式水轮机较成熟的活动导叶的增速流环境，由前转轮3置换了活动导叶，前转轮3是置于球面流道上的斜流转轮，转轮入口断面大，出口断面小，是非常好的增速流环境，因此本发明比现有技术中的两级轴流转轮水轮机更具有优越性及可行性。

本发明创造的优点和效果：

(1)高落差化：本两级转轮水轮机将给予的落差由前段转轮与后段转轮来分担。如果各段转轮的设计落差为25m的话，可以设计成最高落差为50m的两级转轮贯流式水轮机。

(2)高效率化与气蚀防止：前段转轮出口压力十分高，不用担心气蚀，可以设计出气蚀特性好的高扬力低抗力型的转轮动翼栅。

(3)本发明利用了传统贯流式水轮机较成熟的活动导叶的增速流环境，由前转轮3替换了活动导叶，前转轮3是置于球面流道上的斜流转轮，转轮入口断面大，出口断面小，是非常好的增速流环境，因此本发明比现有技术中的两级轴流转轮水轮机更具有优越性及可行性。

(4)适用范围的扩大：本两级转轮水轮机的基本理论没有比转速及尺寸的限制，因此从低落差至高落差、从小型机至大型机广泛围的贯流式水轮机都能适用。

附图说明

图1为本发明的内外套轴单灯泡体贯流式两级转轮水轮机结构图。

图1中，进水管1、固定导叶2、前转轮3、前转轮轴4、后转轮5、后转轮轴6、灯泡体7、尾水管锥管8，前转轮功率输出发电机9、后转轮功率输出发电机10、前转轮轮毂11。

具体实施方式

本发明内外套轴单灯泡体贯流式的两级转轮水轮机，包括进水管1、固定导叶2、后转轮5、后转轮轴6、灯泡体7和尾水管锥管8，后转轮轴6外周套装有前转轮轴4，前转轮轴4与前转轮3连接，前转轮3安装于固定导叶2与后转轮5之间，后转轮5与前转轮3旋转方向相反；前转轮轴4和后转轮轴6靠近灯泡体7的一端分别与发电机转子键连接。前转轮3包括有倾斜设置的叶片，叶片的中轴线与水平线的夹角为60，安装在圆锥球面的轮毂11上，轮毂11与前转轮轴4螺栓连接，同步旋转做功，后转轮5的叶片与水平方向垂直设置；前转轮轴4和后转轮轴6均采用两组轴承支撑，前转轮3与后转轮5做功后水的出流由尾水管锥管8排出。

本发明内外套轴单灯泡体贯流式的两级转轮水轮机工作过程：有压流体由进水管1流入，经过固定导叶2与灯泡体7组成的过流通道，流入前转轮3，由前转轮轴4转换为机械能至发电机转子9；前转轮3转换了被分配的约一半能量后水流由前转轮出口流出，接着流入水平设置的后转轮5做功，将另一半能量由后转轮轴6转换为机械能，输出至发电机转子10切割磁力线转换为电能输出；做功后的水流由后转轮出口流出至尾水管锥管8，依次流出至下游。

Claims (6)

1.内外套轴单灯泡体贯流式的两级转轮水轮机，包括进水管(1)、固定导叶(2)、后转轮(5)、后转轮轴(6)、灯泡体(7)和尾水管锥管(8)，其特征在于所述后转轮轴(6)外周套装有前转轮轴(4)，前转轮轴(4)与前转轮(3)连接，后转轮(5)与前转轮(3)旋转方向相反。

2.根据权利要求1所述的两级转轮水轮机，其特征在于所述前转轮轴(4)和后转轮轴(6)靠近灯泡体(7)的一端分别与发电机转子连接。

3.根据权利要求1所述的两级转轮水轮机，其特征在于所述前转轮(3)还包括有呈圆锥球面的轮毂(11)，叶片安装在轮毂(11)上，轮毂(11)与前转轮轴(4)连接，且前转轮(3)安装在固定导叶(2)和后转轮(5)之间。

4.根据权利要求1所述的两级转轮水轮机，其特征在于所述前转轮(3)的叶片倾斜设置；后转轮(5)的叶片垂直于水平方向设置。

5.根据权利要求3所述的两级转轮水轮机，其特征在于所述倾斜设置是叶片中轴线与水平线呈50～70度的夹角。

6.根据权利要求1所述的两级转轮水轮机，其特征在于所述前转轮轴(4)和后转轮轴(6)均采用轴承支撑。

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