CN102213177A - 冷却塔专用带配水器超低比转速高效率混流式水轮机 - Google Patents

冷却塔专用带配水器超低比转速高效率混流式水轮机 Download PDF

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Abstract

冷却塔专用带配水器超低比转速高效率混流式水轮机，涉及一种冷却塔用节能新型水动力设备它包括转轮、主轴、轴承装置、座环、底环、盖板，底环下部与配水器连接，座环是由蜗壳、导叶及上下盖板焊接成一体。具有结构新颖，运行稳定、噪音小、过流能力大、效率高、节能、环保的特点，采用CFD三维流动湍流非定常数的模拟方法对水轮机转轮及各过流部件进行优化设计，水轮机的转轮、导叶的几何参数设置为转轮进口直径D1与出口直径D2的比值D1/D2=1.508，转轮高度B0与转轮进口直径D1的比值：B0/D1=0.20，导叶相对高度
Figure 221892DEST_PATH_IMAGE001
0=0.09D1，转轮性能指标达到：比转速ns=(50~70)m·kW，单位转速n11=(45~55)r/min，效率ηm=(88.5%~90.5%)，解决了现有水轮机转轮比转速过高，不通过行星齿轮减速器无法与冷却塔风机参数相匹配的关键问题。

Description

冷却塔专用带配水器超低比转速高效率混流式水轮机
技术领域
本发明创造属于冷却塔节能新型水动力设备领域，具体说是一种冷却塔专用的带配水器的超低比转速、低单位转速、高效率的混流式水轮机，利用循环水余能，无需使用行星齿轮减速器，就能直接驱动风机，从而取代电机作为风机的动力。
背景技术
传统的冷却塔的风机冷却系统是由电动机、传动轴、伞齿轮变向装置、行星齿轮减速器、风机等部件组成，其结构复杂、可靠性差、电机耗电大、运行噪音大；电机、减速器维修成本高。因此用电机驱动风机的传统冷却方式既不环保又不节能。
鉴于目前冷却塔采用驱动风机的专用水轮机的性能、效率都不理想，主要原因是冷却塔留给水轮机的安装空间太小，高度及平面安装尺寸都有严格的限制；所使用的水轮机出口直接与配水器连接，水轮机的工作状态与在传统的水电站中工作状态是极不相同的，致使通过水轮机的流量减少、效率大幅度降低；根据风机的散热要求决定了风机的轴功率及要求的转速。要与风机要求的参数匹配，所使用的专用水轮机只能是低单位转速、低比转速的水轮机。目前用于水电站的混流式水轮机最优工况的比转速nso一般在(84～250)m.kW之间，最优单位转速n110一般在(60～80)之间，而满足冷却塔用水轮机在最优工况下的比转速ns在(50～70)m.kW之间，最优单位转速n110在(45～55)之间，才能与风机所需参数匹配。而且受安装空间所限，发电用的混流式水轮机的流道形状、尺寸及结构均需要较大改变。另外现有的水轮机座环、蜗壳、导叶是分别安装在机体上的，安装工序复杂。
由此可见，目前的混流式水轮机必须根据上述问题进行专门研究开发，对其结构做出相应调整。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明创造提供一种性能参数完全能与冷却塔风机要求的参数相匹配，不需要再通过行星齿轮减速器就可以直接与风机联接，驱动风机散热，取代电动机、减速器驱动风机的传统冷却方式，节能环保、成本低，结构紧凑，安装工序简单的冷却塔专用带配水器超低比转速高效率混流式水轮机。
本发明创造的目的是通过下述技术方案实现的：冷却塔专用带配水器超低比转速高效率混流式水轮机，它包括转轮、主轴、轴承装置、座环、底环、盖板，其特征在于：轴承装置包括第一压盖、轴承盖、轴承杯、径向轴承、卡环、推力轴承、第二压盖，所述轴承装置的各部件依次由上到下安装在主轴上，且径向轴承在轴承杯内，推力轴承直接安装在套筒内，整个轴承装置放置于套筒之中，套筒与盖板连接，底环下部与配水器连接，所述的座环是由蜗壳、导叶及上下盖板焊接成一体。
转轮通过键与主轴连接，并通过泄水锥固定。
所述的转轮进口直径D1与出口直径D2的比值：D1 /D2=1.508，转轮高度B0与转轮进口直径D1的比值：B0/D1=0.20，转轮的叶片数 Z1=19。
所述的导叶相对高度：                                                
Figure 594626DEST_PATH_IMAGE001
=0.09D1，导叶数Z0=18。
本发明创造的有益效果：本发明创造采用上述结构，具有结构新颖，运行稳定、噪音小、过流能力大、效率高、节能、环保的特点，由于座环采用蜗壳、导叶及上下盖板焊接一体，结构紧凑，安装方便。本发明创造在冷却塔狭小的安装空间的特定条件下，以带配水器全流道模拟作为边界条件，采用CFD三维流动湍流非定常数的模拟方法对水轮机转轮及各过流部件进行优化设计，将水轮机的转轮、导叶的几何参数设置为转轮进口直径D1与出口直径D2的比值D1/D2=1.508，转轮高度B0与转轮进口直径D1的比值：B0/D1=0.20，导叶相对高度
Figure 24208DEST_PATH_IMAGE002
0=0.09D1，设计成功具有超低比转速、低单位转速及高效率的水轮机转轮，经过模拟运算水轮机模型转轮性能指标达到：比转速ns=(50~70)m.kW，单位转速n11=(45~55)r/min，效率 ηm=(88.5%~90.5%)，圆满解决了现有水轮机转轮比转速过高，不通过行星齿轮减速器无法与冷却塔风机参数相匹配的关键问题。采用带配水器的全流道模拟作为转轮优化设计的边界条件，解决了冷却塔使用水电站发电流道水轮机因流道差别太大，引起通过水轮机的流量大大减小，从而减小了水轮机输出功率的普遍存在的问题。如果用于新塔下出水方式，不但能保证通过水轮机的流量，而且水轮机的效率还可进一步提高。
附图说明
图1为本发明创造冷却塔专用带配水器超低比转速高效率混流式水轮机的结构示意图。
图2为座环部分的结构示意图。
图3为转轮尺寸参数比例示意图。
具体实施方式
冷却塔专用带配水器超低比转速高效率混流式水轮机，它包括转轮8、主轴6、轴承装置、座环10、底环9、盖板12，轴承装置包括第一压盖3、轴承盖1、轴承杯4、径向轴承18、卡环16、推力轴承15、第二压盖14，其中第一压盖3、轴承盖1、轴承杯4、径向轴承18、卡环16、推力轴承15、第二压盖14，依次由上到下安装在主轴6上，且径向轴承18在轴承杯4内，推力轴承15直接安装在套筒17内，轴承杯4 通过螺栓把合在套筒17上面，轴承盖1内装有骨架密封，上面用第一压盖3封住，甩水环2安装在第一压盖3的上方，通过分半法兰固定在主轴6上，整个轴承装置放置于套筒17之中，套筒17与盖板12连接， 推力轴承15安装在套筒17内的下部，卡环16热套在主轴6上，安装在推力轴承15的上面，铜套13套装在主轴6上，转轮8通过主轴6的轴肩定位，并通过键5与主轴6连接，然后通过泄水锥7锁紧在主轴6上，座环10是由蜗壳20、导叶21及上盖板22、下盖板23焊接成一体制成，座环 10 的上盖板22与盖板12连接，座环10的下盖板23通过螺栓和底环9连接，座环10的底部设有底脚板11，底环9下部与配水器19连接，
其中转轮8由上冠、叶片、下环组成，转轮8进口直径D1与出口直径D2的比值为D1 /D2=1.508，转轮高度B0与转轮进口直径D1的比值：B0/D1=0.20，转轮的叶片数 Z1=19。导叶21相对高度：
Figure 980137DEST_PATH_IMAGE001
=0.09D1，导叶数为：Z0=18。
经过计算，转轮与流道的CFD分析结果如下。
1、涡壳与导叶的CFD分析：给出了涡壳内流线的速度分布、涡壳压力等值线、导叶附近的速度分布。根据涡壳内部流场的计算结果，涡壳流线分布均匀而有规律，压力梯度分布合理。涡壳出流与导叶配合很好，速度分布均匀，进口无撞击，出口无脱流。
2、水轮机转轮的CFD分析：叶片正、背面压力等值线较均匀、压力分布合理；叶片进出口角安放合理，水流对叶片表面撞击小，速度矢量较均匀；水流充满全流道，流道内无脱流现象产生。
3、水轮机尾水的CFD分析
尾水管及连接的配水器作为一个完整的尾水管流道进行计算，结果表明尾水管进口速度压力分布基本对称，尾水管直锥段内没有显著的涡带。
对于新建的下出水方式冷却塔，可用锥形尾水管代替本实施例中的配水器，锥形尾水管可直接与下环连接，不但能保证通过水轮机的流量，而且水轮机的效率还可进一步提高。
计算获得了超低比转速ns及低单位转速n11的混流式转轮。其性能指标ns=(50~70)m.kW，n11=(45~55)r/min，ηm=（88.5~90.5）%，从而解决了目前现有水轮机在冷却塔中直接驱动风机性能不匹配的难题，为取代电机、行星齿轮减速器的耗电大、不环保的驱动风机的方式奠定了坚实的理论基础。

Claims (5)

1.冷却塔专用带配水器超低比转速高效率混流式水轮机，它包括转轮、主轴、轴承装置、座环、底环、盖板，其特征在于：轴承装置包括第一压盖、轴承盖、轴承杯、径向轴承、卡环、推力轴承、第二压盖，所述轴承装置的各部件依次由上到下安装在主轴上，且径向轴承在轴承杯内，推力轴承直接安装在套筒内，整个轴承装置放置于套筒之中，套筒与盖板连接，底环下部与配水器连接，所述的座环是由蜗壳、导叶及上下盖板焊接成一体。
2.根据权利要求1所述的冷却塔专用带配水器超低比转速高效率混流式水轮机，其特征在于：转轮通过键与主轴连接，并通过泄水锥固定。
3.根据权利要求1或2所述的冷却塔专用超低比转速混流式水轮机，其特征在于：所述的转轮进口直径D1与出口直径D2的比值：D1 /D2=1.508，转轮高度B0与转轮进口直径D1的比值：B0/D1=0.20，转轮的叶片数 Z1=19。
4.根据权利要求1或2所述的冷却塔专用超低比转速混流式水轮机，其特征在于：所述的导叶相对高度：                                                
Figure 609402DEST_PATH_IMAGE001
=0.09D1，导叶数Z0=18。
5. 根据权利要求3所述的冷却塔专用超低比转速混流式水轮机，其特征在于：所述的导叶相对高度：
Figure 824043DEST_PATH_IMAGE001
=0.09D1，导叶数Z0=18。
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