CN102213176B - 一种应用流体动力做功的同径叶轮组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同径叶轮组，特别公开了一种应用流体动力做功的同径叶轮组。该应用流体动力做功的同径叶轮组，其特征是：同径叶轮组流道为缓波浪状流道，缓波浪状流道由一端相切配合的多比例线叶片与导向叶片对应构成，流体对流经导向叶片和多比例线叶片所走转角都是45度圆弧。该应用流体动力做功的同径叶轮组，同径叶轮组能保持畅通的缓波浪状流道，流体压力速度平稳，只有极小的沿程损失，每组叶轮可同时工作在较佳工作状态，达到较高的机械效率。

Description

一种应用流体动力做功的同径叶轮组

（一）      技术领域

    本发明涉及一种同径叶轮组，特别涉及一种应用流体动力做功的同径叶轮组。

（二）      背景技术

    专利号为ZL97213812.9，专利名称为一种新型汽轮机叶轮组，其中一项主要技术，只要使流体速度和叶轮转动线速度保持二比一最佳比例，即可使叶轮组达到较高的机械效率。根据叶片特征，在具体应用时无法实现整体保持二比一最佳比例，只能在叶片的任意一点达到二比一最佳比例线，致使流体对流不通畅，流体压力速度不平稳。而且现在制约喷气式发动机的瓶颈问题主要在于做功叶轮组不能满足压气机大气量高气压的做功需求，使发动机在正常工作下燃油处于浓混合状态下燃烧，浪费大量燃料，从而使排气速度不能大幅度提高，早在1930年飞行员弗兰克·惠特尔就发现此问题，至今没能得到有效的解决。

（三）      发明内容

    本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种能使流体对流畅通、流体压力速度平稳、通流损失极小、机械效率高的应用流体动力做功的同径叶轮组。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种应用流体动力做功的同径叶轮组，其特征是：同径叶轮组流道为缓波浪状流道，缓波浪状流道由一端相切配合的多比例线叶片与导向叶片对应构成，流体对流经导向叶片和多比例线叶片所走转角都是45度圆弧。

该应用流体动力做功的同径叶轮组，所述多比例线叶片包括叶中、叶根和叶顶，叶中、叶根和叶顶分别设有叶中比例线、叶根比例线和叶顶比例线，叶中比例线根据二比一的最佳比例进行设计，叶根比例线根据二比X的比例进行设计，叶顶比例线根据二比Y的比例进行设计,所述X为叶根到叶轮中心的距离与叶中到叶轮中心的距离之比，所述Y为叶顶到叶轮中心的距离与叶中到叶轮中心的距离之比。同径叶轮组为水轮机组、燃气轮机组、喷气式发动机组或汽轮机组。所述水轮机组包括外壳，外壳上侧设有导流弯管，导流弯管为两半圆形弯桶配合螺栓固定，导流弯管上部设有圆孔，外壳下侧设有泄水管，外壳内壁安装有导向叶片，外壳内部设有导叶片轮毂和动叶片轮毂，动叶片轮毂外壁安装有多比例线叶片，导叶片轮毂和动叶片轮毂内安装有轴，轴穿过圆孔与发电机相连接。导向叶片与导叶片轮毂间隙配合，多比例线叶片与外壳间隙配合，导向叶片与多比例线叶片一端相切配合构成缓波浪状流道。

该应用流体动力做功的同径叶轮组，根据流道中流体对流状态，按多种比例关系设计多比例线叶片，每组叶轮同时工作时，流体对流与多比例线叶片相互作用时，确保流体对流的状态，形成缓波浪状流道。本发明的具体设计方法和技术方案如下：

（1）找出动态最佳受力角度157.5度：

图1中，取一个铅垂可以找出一条铅直线，也就是一头对着地球中心的直线，一切物体自由下落都是沿着这条铅直线下落。我们在设计水轮机时，如果把叶片设计成与这条铅直线重合，这种叶轮它不会转动；如果把叶片设计成水平，与铅直线构成90度直角，这种叶轮它也不会转动。要想使叶轮转动，叶片就得有一定斜度，也就是把叶片设计在45度上最佳，实际上与铅直线构成的角度是135度，当水轮机转动起来后，水流速度和叶轮转动线速度还有一个二比一最佳比例[参见《火力发电机设备》一书第61页]，所以水流的转角就不是135度，而是157.5度。

（2）用45度圆弧代替157.5度角：

逆风中行驶的帆船[参见《物理基础知识》一书第32页]，通过这一实例我们看到，古代人们对力的应用已非常科学，风吹帆面，帆面不是平直而是有一定弧度，风的力经过帆面改变了力的方向，船方能逆向行驶，通过这一现象说明：圆弧是多点斜面，斜面可以改变力的方向[参见《小型水电站》一书第769页]。图2中，157.5度这个角与45度圆弧相比较，它们很接近，在45度圆弧中，冲力与反冲力的合力是水平的，流体对流在经过45度时，产生的离心力是水平的，与叶轮转向一致，因此我们用45度圆弧代替157.5度的角。

（3）缓波浪状流道：

图3中，叶轮利用对流，也就是让流体的对流转45度圆弧这样一个弯，流体对流在通过45度圆弧时的损失只有0.1-0.15，可以说它的损失很小。用45度圆弧组成一个流体对流的流道，这个流体对流即畅通，做功角度又较佳，因此就形成了缓波浪状流体流道。

（4）叶中比例线设计方法：

图4中，取一个45度圆弧，把这个圆弧分成若干份，以45度圆弧起点为0点，下面的分别定为分距点1’、分距点2’、分距点3’……取分距点1’和0点距离的1/2，由分距点1’水平向右量记点，这个点叫比例点1’’；取分距点2’和0点距离的1/2，由分距点2’水平向右量记点，这个点叫比例点2’’；取分距点3’和0点距离的1/2，由分距点3’水平向右量记点，这个点叫比例点3’’；……以此类推，把这些比例点都记上，再把这些比例点用线连起来，这条线叫做叶中比例线。

（5）叶根、叶顶比例线设计方法：

按二比一设计出动叶片比例线，虽然在理论上最佳，但并不代表整体动叶片型线，为了保证动叶片的最大利用化，把这个最理想的叶片比例线，设计为动叶片1/2处的叶片比例线，也就是叶中。

在动叶片与轮毂配合处，称为叶根，边缘处称为叶顶。叶根和叶顶比例线设计时，以叶轮半径为基数，由叶轮中心A点到叶轮边缘画一条直线，在叶根、叶中、叶顶分别记上B、C、D三点（见图7），AB占AC的比例X，由X根据叶中比例线的设计方法，按2比X设计出叶根比例线，AD占AC的比例Y，由Y根据叶中比例线的设计方法，按2比Y设计出叶顶的比例线。

为了便于说明，设AB占AC的比例为1/2，也就是0.5，X取值为0.5，按2比0.5的比例设计叶根比例线（见图5）。以45度圆弧起点为0点，下面的分别定为分距点1’、分距点2’、分距点3’……取分距点1’和0点距离的0.5/2，由分距点1’水平向右量记点，这个点叫比例点1’’；取分距点2’和0点距离的0.5/2，由分距点2’水平向右量记点，这个点叫比例点2’’；取分距点3’和0点距离的0.5/2，由分距点3’水平向右量记点，这个点叫比例点3’’……以此类推，把这些点都记上，再把这些点用线连起来，这条线就是叶根比例线。

设AD占AC的比例为3/2，也就是1.5，Y取值为1.5，按2比1.5的比例设计叶顶的比例线（见图6），以45度圆弧起点为0点，下面的分别定为分距点1’、分距点2’、分距点3’…..取分距点1’和0点距离的1.5/2，由分距点1’水平向右量记点，这个点叫比例点1’’； 取分距点2’和0点距离的1.5/2，由分距点2’水平向右量记点，这个点叫比例点2’’； 取分距点3’和0点距离的1.5/2，由分距点3’水平向右量记点，这个点叫比例点3’’……以此类推，把这些比例点都记上，再把这些比例点用线连起来，这条线就是叶顶的比例线。

（6）多比例线叶片：

根据叶根比例线、叶中比例线、叶顶比例线就初步给动叶片定型，在具体应用中是由许多比例线构成的，各种比例线的0点用直线连起来，为动叶片的前端线；各种比例线的比例点1’’在一条直线上，用线连起来叫比例点直线1’’’； 各种比例线的比例点2’’在一条直线上，用线连起来叫比例点直线2’’’； 各种比例线的比例点3’’在一条直线上，用线连起来叫比例点直线3’’’……（见图8），多种比例线与多条比例点直线构成经纬网，形成动叶片工作面，动叶片是由许多比例线构成的，我们称为多比例线叶片。

（7）逆向思维还原法：

水流冲动多比例线叶片位移时，水流从0点到45度圆弧分距点1时，各种比例线的比例点1’同时还原于45度圆弧的分距点1，（即比例点直线1与分距点1重合）；水流从0点到45度圆弧分距点2时，各种比例线的比例点2’同时还原于45度圆弧分距点2；水流从0点到45度圆弧分距点3时，各种比例线的比例点3’同时还原于45度圆弧分距点3……根据还原法，水流从0点到45度圆弧各分距点时，各种比例线相对应的比例点直线与其重合，多比例线叶片完成做功过程，水流从多比例线叶片0点直线到尾端直线时，所走转角是45度圆弧。

（8）坐标定位：

图9中，多比例线叶片工艺加工时，以45度圆弧为基础，分别找出各种比例线的各比例点在坐标中的位置，确定各比例点在横坐标与竖坐标的距离，在制作时用横坐标与竖坐标的距离找出各比例点的位置，确定多比例线叶片的制作型线。

（9）叶片数：

根据叶轮直径来确定，在具体应用中气体和液体因介质不同，叶轮利用气体时叶片数相对较多，叶轮利用液体时叶片数相对较少。

（10）夹角：

多比例线叶片与轮毂配合处有一定夹角，为保证流体的转角为45度圆弧，在具体设计应用中应稍加微调。

本发明与现有技术相比，其特点是同径叶轮组流道为缓波浪状，流体对流经导叶片所走转角是45度圆弧，进入多比例线叶片后，冲动多比例线叶片位移，流体对流从多比例线叶片0点直线一端到尾点直线一端时，虽然多比例线叶片各点的线速度不同，但是都在同一时间内完成这一做功过程，流体所走转角是45度圆弧，与导叶片45度圆弧一致。多比例线叶片是由45度圆弧，根据流体速度与圆周线速度及叶轮直径大小等多种比例关系的比例而形成的，因此流体对流与多比例线叶片相互作用时，根据动态还原法，保证流体对流所走转角是45度圆弧。在一定流体对流速度时，控制同径叶轮组转速与设计转速一致时，同径叶轮组就能保持畅通的缓波浪状流道，只有极小的沿程损失，每组叶轮可同时工作在较佳工作状态，达到较高的机械效率。

本发明的有益效果是：该应用流体动力做功的同径叶轮组，同径叶轮组能保持畅通的缓波浪状流道，流体压力速度平稳，只有极小的沿程损失，每组叶轮可同时工作在较佳工作状态，达到较高的机械效率。

（四）      附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图1为本发明的角度比较示意图。

附图2为本发明的45度圆弧与157.5度角比较示意图。

附图3为本发明的缓波浪状流道展开图。

附图4为本发明的叶中比例线设计示意图。

附图5为本发明的叶根比例线设计示意图。

附图6为本发明的叶顶比例线设计示意图。

附图7为本发明的叶根、叶顶与叶中的比例关系示意图。

附图8为本发明的比例点直线示意图。

附图9为本发明的坐标定位示意图。

附图10为本发明的水轮机同径叶轮组剖视示意图。

图中，1外壳，2轴，3导流弯管，4导向叶片，5导叶片轮毂,6动叶片轮毂，7多比例线叶片,8水流,9发电机,10泄水管，11缓波浪状流道，12圆孔，A叶轮中心,B叶根,C叶中,D叶顶。

（五）      具体实施方式

附图为本发明的一种具体实施例。该应用流体动力做功的同径叶轮组，其特征是：同径叶轮组流道为缓波浪状流道11，缓波浪状流道11由一端相切配合的多比例线叶片7与导向叶片4对应构成，流体对流经导向叶片4和多比例线叶片7所走转角都是45度圆弧。所述多比例线叶片7包括叶中C、叶根B和叶顶D，叶中C、叶根B和叶顶D分别设有叶中比例线、叶根比例线和叶顶比例线，叶中比例线根据二比一的最佳比例进行设计，叶根比例线根据二比X的比例进行设计，叶顶比例线根据二比Y的比例进行设计,所述X为叶根B到叶轮中心A的距离与叶中C到叶轮中心A的距离之比，所述Y为叶顶D到叶轮中心A的距离与叶中C到叶轮中心A的距离之比。同径叶轮组为水轮机组、燃气轮机组、喷气式发动机组或汽轮机组。所述水轮机组包括外壳1，外壳1上侧设有导流弯管3，导流弯管3为两半圆形弯桶配合螺栓固定，导流弯管3上部设有圆孔12，外壳1下侧设有泄水管10，外壳1内壁安装有导向叶片4，外壳1内部设有导叶片轮毂5和动叶片轮毂6，动叶片轮毂6外壁安装有多比例线叶片7，导叶片轮毂5和动叶片轮毂6内安装有轴2，轴2穿过圆孔12与发电机9相连接。导向叶片4与导叶片轮毂5间隙配合，多比例线叶片7与外壳1间隙配合，导向叶片4与多比例线叶片7一端相切配合构成缓波浪状流道11。

该应用流体动力做功的同径叶轮组,应用在水轮机上，就解决了水轮机单机利用而不能多级利用的通流问题，可以实现水轮机的多级利用。本发明应用在燃气轮机上，就能满足压气机大气量、高气压的做功需求。本发明应用在喷气式发动机上，可使发动机在正常工作下燃油处于稀混合状态，节约大量燃料，而且使排气速度大幅度提高。本发明还可以应用在其它一些利用流体动力做功的机械上。

图10中，水轮机同径叶轮组工作时，水流8经过导流弯管3进入导向叶片4，经过导向叶片4导向时所走转角是45度圆弧，进入多比例线叶片7，水流8与多比例线叶片7相互作用，完成做功过程，水流转角是45度圆弧，冲动叶轮旋转，带动导叶片轮毂5、动叶片轮毂6和轴2、发电机9同时转动，进入下一级导向叶片4时走45度圆弧，再进入下一级多比例线叶片7完成做功过程，水流转角还是45度圆弧，最后经泄水管10流向下游。水轮机同径叶轮组水流道为缓波浪状，叶片长短适中一致，不影响动态水流畅通，水流道中水流压力速度基本一致，只有极小的沿程损失，每组叶轮直径相同其圆周线速度相同，多比例线叶片7与水流道中压力速度基本一致的动态水流相互作用时，在一定水流速度时，只要控制水轮机转速与设计转速一致时，水轮机可达到较高的机械效率。

Claims (4)

1.一种应用流体动力做功的同径叶轮组，其特征是：同径叶轮组流道为缓波浪状流道（11），缓波浪状流道（11）由一端相切配合的多比例线叶片（7）与导向叶片（4）对应构成，流体对流经导向叶片（4）和多比例线叶片（7）所走转角都是45度圆弧；所述多比例线叶片（7）包括叶中（C）、叶根（B）和叶顶（D），叶中（C）、叶根（B）和叶顶（D）分别设有叶中比例线、叶根比例线和叶顶比例线，叶中比例线根据二比一的最佳比例进行设计，叶根比例线根据二比X的比例进行设计，叶顶比例线根据二比Y的比例进行设计,所述X为叶根（B）到叶轮中心（A）的距离与叶中（C）到叶轮中心（A）的距离之比，所述Y为叶顶（D）到叶轮中心（A）的距离与叶中（C）到叶轮中心（A）的距离之比。

2.根据权利要求1所述的应用流体动力做功的同径叶轮组，其特征是：同径叶轮组为水轮机组、燃气轮机组、喷气式发动机组或汽轮机组。

3.根据权利要求2所述的应用流体动力做功的同径叶轮组，其特征是：所述水轮机组包括外壳（1），外壳（1）上侧设有导流弯管（3），导流弯管（3）为两半圆形弯桶配合螺栓固定，导流弯管（3）上部设有圆孔（12），外壳（1）下侧设有泄水管（10），外壳（1）内壁安装有导向叶片（4），外壳（1）内部设有导叶片轮毂（5）和动叶片轮毂（6），动叶片轮毂（6）外壁安装有多比例线叶片（7），导叶片轮毂（5）和动叶片轮毂（6）内安装有轴（2），轴（2）穿过圆孔（12）与发电机（9）相连接。

4.根据权利要求3所述的应用流体动力做功的同径叶轮组，其特征是：导向叶片（4）与导叶片轮毂（5）间隙配合，多比例线叶片（7）与外壳（1）间隙配合，导向叶片（4）与多比例线叶片（7）一端相切配合构成缓波浪状流道（11）。

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