CN103161645B - 一种切流通道式水轮机 - Google Patents

Abstract

一种切流通道式水轮机，包括机壳、主轴、转轮与隔断体；转轮上均匀设有至少三副可收拢与可展开的叶片；隔断体把水轮机内水流通道分割成单条或多条，水流通道与转轴垂直，水流通道进水口接高压引水管，出水口接尾水管。转轮上有叶片室，叶片室设展开角度的限位部，叶片展开后切向流入流道的高压水流方向与叶片正面垂直，水流与叶片同速度同方向同步推动转轮旋转，叶片高效率将水力能量转换成机械能。隔断体低水压侧面设有引导叶片收拢使其进入叶片室的斜面滑块；叶片转过隔断体后，在高压水流输入口，通过弹簧力自动展开。本发明，效率高，结构简单，易加工制造，易于推广。

Description

一种切流通道式水轮机

技术领域

本发明属于水轮机领域，涉及一种新型的水轮机，具体为一种切流通道式水轮机，能够在小水电站中高效的将水能转化成机械能。

背景技术

水轮机分反击式与冲击式两大类。反击式水轮机是将水流的势能和动能转换为水轮机的旋转机械能，其转轮是实现能量转换的核心部件，也是决定水轮机性能关键部件。水流通过转轮叶片时，水流流速的大小、方向均发生变化，水流以势能和动能给每个叶片以反作用力，从而产生旋转力矩使转轮转动。按转轮区域水流方向相对于主轴方向的不同反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种。当高压水流从圆周径向（幅向）流入使转轮旋转，完成能量转换后，低压水流依主轴方向流出，此水轮机称混流式水轮机。当高压水流从水轮机主轴方向流入，使转轮旋转，完成能量转换后，低压水流也从主轴方向流出，此水轮机称轴流式水轮机。当水流进出转轮时既不沿径向也不沿轴向，而是与主轴成一锐角，此水轮机称斜流式水轮机。此外，将轴流式水轮机的主轴装置成水平或倾斜的，且不设蜗壳，使水流直贯转轮，此类水轮机称之为贯流式水轮机。反击式水轮机转轮的旋转方向与水流方向不一致，水流压力作用在转轮叶片表面不是垂直关系，不同的水头、不同的流量、不同的水轮机转速，水轮机转轮叶片的空间形状、转轮叶片与主轴的角度均是变化的，因此水轮机尤其转轮叶片的制造与加工工艺很复杂。

冲击式水轮机是将水流动能转换为水轮机的旋转机械能，高压水流通过喷嘴变为高速自由射流冲击转轮，冲击过程中水流速度的大小和方向均发生变化，从而利用水流动能产生旋转力矩使转轮转动。冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同又可分为水斗式、斜击式和双击式三种。冲击式水轮机系列较少且效率相对较低，主要应用于高水头低流量情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种切流通道式水轮机，能量转换的效率高，应用范围广，叶片无复杂曲面，且结构简单，加工成本低，易于推广。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种切流通道式水轮机，包括机壳及其中心的主轴、转轮位于主轴的外部且与主轴刚性连接，转轮上均匀设有至少三副可展开或收拢的叶片，转轮上还设有叶片收拢时容纳叶片的叶片室，叶片室的一端设有用于限定叶片展开角度的限位部，机壳内还设有至少一个用于引导叶片收拢使其进入叶片室的隔断体；所述隔断体将机壳内的水流通道分割成一条或者多条，每条水流通道均设有高压水流切流方向进入水流通道的进水口和低压水流切流方向流出水流通道的出水口。

所述高压水流与低压水流均垂直于主轴。

所述叶片是两面均为圆弧面的弧形叶片，形状与棘爪结构机械相似，叶片的一端通过销轴与转轮连接，实现以销轴为回转中心的转动，并在销轴处设置扭力弹簧。

水流通道内的相邻两叶片完全展开后，两叶片之间在机壳内壁形成的弧长小于每条水流通道的进水口切入点与出水口切出点的弧长；转轮旋转的过程中，叶片、转轮与机壳内壁形成封闭腔，防止进水口与出水口之间形成直接通道，即保证进水口高压水流与出水口低压水流之间不会形成直接通道，使得高压水流以正压力作用于叶片并带动转轮轴旋转将水能转化为机械能。

所述叶片展开后，叶片的正面与高压水流方向垂直；当叶片收拢进入叶片室后，叶片反面与转轮构成完整的圆柱体。

所述隔断体靠近出水口一侧设有用于引导叶片收拢进入叶片室的斜面。

本发明通过隔断体将水轮机转轮室内的水流通道分割成一条或者多条，水流通道与水轮机转轮垂直，水流通道的进水口接高压引水管，出水口接低压尾水管，叶片将水流通道隔断，切向流入水流通道的高压水流与切向流出的低压水流分别作用于叶片正面与反面，此压力差推动叶片移动，叶片带动转轮轴旋转。当叶片移动到出水口时，隔断体上的斜面引导叶片收拢进入转轮上的叶片室内，当叶片全部转过隔断体后，进入高压水流的进水口，通过扭力弹簧的弹力，自动展开；再次移动到进水口时，重复上述循环动作，带动转轮旋转。叶片的移动方向与高压水流方向一致，叶片的移动线速度与高压水流的线速度相同，高压水力能量高效率地通过叶片传递给转轮，通过水轮机主轴输出转矩，将水能转化成机械能。

由于水轮机高压水流沿切向并与转轮垂直方向流入水轮机，高压水流在与转轴垂直的水流通道内流动，水力能推动叶片，叶片带动转轮轴转动实现能量转换后，低压水流沿切向并与转轮垂直方向流出，故将本装置称为切流通道式的水轮机。

带叶片的转轮是切流通道式水轮机的关健部件，在出水口转轮与隔断体共同作用引导叶片收拢进转轮叶片室，转轮旋转，叶片经过隔断体后，叶片再顺利地展开，是本水轮机安全可靠运行的关键。当叶片运动旋转到出水口时，叶片正面与反面均处于低水压区，无压力差，隔断体上设置的引导斜面能使叶片收拢进入转轮叶片室中，当叶片转过隔断体再次进入高压进水口后，由于水流通道中相邻叶片对通道的阻断作用，使得刚进入进水口的叶片正、反面均处高水压区，无压力差。叶片受离心力和弹簧弹力作用，克服机械摩擦力和运动中的水阻力，叶片会自动展开；如此，转轮轴在旋转过程中，叶片收拢、滑过隔断体、自动展开、再闭合的循环运动，实现水轮机安全可靠运行。

叶片数的确定：叶片在水轮机转轮室均匀布置，叶片数越多转轮则越复杂；为了保证转轮旋转的过程中高压水流不与低压水流形成直通通道；要求水流通道内的相邻叶片完全展开后，两叶片之间在机壳转轮室内壁形成的弧长小于每条水流通道的进水口切入点与出水口切出点的弧长，转轮旋转的过程中叶片、转轮与机壳会形成封闭腔，进水口与出水口之间不会形成直接通道。

隔断体将水轮机水流通道分割成单条或多条水流通道。采用平均分割法，如果要分割成n条水流通道，每条水流通道所占角度为360°/n。水流通道数n根据水轮机设计容量、水头、流量及水轮机转速等参数综合考虑后确定。每一条水流通道都有独立的进水口与出水口，进水口连接高压引水管道，出水口连接低压尾水管道。

水流与水流通道壁存在水力损失，水流通道越长损耗越大，会降低水轮机效率；但是水流通道越长水流做功时间越长，利于提高效率，所以水流通道长度须综合上述两因素后进行确定。

本发明的有益效果：

1）本发明的采用切流通道式设计，相比反击式水轮机，结构简单，单易于生产加工。

2）本发明的水流通道与转轮及主轴垂直，水流方向与叶片正面夹角是90°,其正压力转换系数是正弦函数Sin90°其值是1；叶片正面承受的作用力就是垂直方向的水流正压力；叶片移动方向与高压水流方向一致，转轮叶片移动线速度与高压水流速度相同，高压水流以正压力推动叶片旋转，效率特性近似线性，能够以90%以上的高效率将高压水的能量直接传递给叶片，转化为转轮的旋转机械能。中大型反击式水轮机效率曲线是抛物线，由于水流量与落差较稳定，工作点设置在最大值附近，效率可达90%以上。而小、微型水电站，水流量及落差变化较大，小型及微型反击式水轮机由于水流方向与转轮旋转方向不一致，水流方向与叶片正表面亦不是垂直关系，正压力转换系数同样是正弦函数，由于不是90°关系，其值是小于1；特别在水流量小，水位落差小其数值变化又较大时，微、小型水轮机，转换效率快速下降，只有60%左右。因此本发明的水轮机在微、小型水轮机市场性价比高，效率高，具有很好的发展前景。

3）微型及小型水轮发电机组的水电站，机组安装地势较低，防汛可预见性及措施较差，采用切流通道式水轮机，若将其立式布置，与发电机采取分体式连接，则可提高发电机的安装高程，相应地提高电站的防汛能力。

4）根据工作原理，如果输入口接高压气体，输出口是低压出口，此机械就变成了一台气轮机。如果不设置输入口，在相应位置设易燃气体（易燃油）的喷嘴及设置火花塞，根据转轮叶片位置，确定喷气时间及点火时间，此机械就变成了一台内燃机。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例1的剖视图。

图2是本发明实施例2的剖视图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，该实施例中为一台单切流通道水轮机，包括机壳1及其中心的主轴8、转轮2位于主轴的外部且与主轴刚性连接，转轮2为圆柱体，转轮2上均匀设有三副门形叶片3，转轮上还设有用于容纳叶片的叶片室4，叶片室4的一端设有用于限定叶片展开角度的限位部，叶片室用于容纳叶片和限制叶片展开角度，机壳1内还设有一个用于引导叶片以使其进入叶片室内的隔断体5；所述隔断体5将水轮机机壳内的两条水流通道中的右水流通道阻塞，保留左水流通道（或左水流通道阻塞，保留右水流通道），水流通道上设有使水流方向垂直于转轴并切向流入通道的进水口6和切向流出水流通道的出水口7，进水口接高水压引水管，出水口接低水压尾水管；隔断体5靠近出水口一侧设有用于引导叶片容纳进入叶片室的滑块斜面。

所述叶片是两面均为圆弧面的弧形叶片，形状与棘爪结构机械相似，相邻两叶片正面夹角120°，转轮旋转过程中，最少有一副叶片在水流通道内与水轮机机壳、转轮形成密闭腔。

叶片展开后叶片正受力面垂直高压水流方向。

叶片的一端通过销轴与转轮连接，实现以销轴为回转中心的转动，并在销轴处设置扭力弹簧。

工作时，进水口6与高压引水管连接，出水口7与低水压尾水管连接；当高压水流从进水口流入水轮机时，转轮右侧水流通道被隔断体5阻断，保留着左侧水流通道，叶片自由展开后形成密闭腔，高压水流垂直作用在叶片正面，叶片背面为低压水流，转轮叶片正反两面所受压力不等，叶片所受的压力是水力压强与叶片截面积乘积，此压力与水流通道空间中点的半径乘积是逆时针方向的旋转力矩，此旋转力矩推动转轮旋转，将水能转换成机械能。高压水流方向与叶片旋转方向一致，高压水流速度与叶片移动线速度相同，高压水流与叶片相对静止，高压水力将能量高效地传递给转轮。

实施例2：

如图2所示，该实施例中为一台双切流通道水轮机，包括机壳1及其中心的主轴8、转轮2位于主轴的外部且与主轴刚性连接，转轮2上均匀设有四个可展开或收拢的叶片3，转轮上还设有于叶片收拢时容纳叶片的叶片室4，叶片室4的一端设有用于限定叶片展开角度的限位部，机壳1内还设有两个用于引导叶片收拢使其进入叶片室的隔断体5；所述隔断体又将环形水流通道平均分割成左右二条切向流道，左侧通道上端设置为高压进水口，下端设置为低压出水口，左侧通道内水流方向是逆时针；右侧通道下端设置为高压进水口，上端设置为低压出水口，右侧通道内水流方向也是逆时针，两条水流通道中的两叶片受力方向都是逆时针。双水流通道内两叶片受力均衡，有利水轮机稳定运行。

所述叶片3的两面都是弧面状的门形叶片。相邻两片门形叶片正面夹角90°，水流通道的进水口切入点与出水口切出点之间的弧长夹角大于90°，转轮旋转过程中，每流道内最少有一副叶片在水流通道内与水轮机机壳、转轮形成密闭腔。两叶片在两条水流通道内展开后叶片正受力面垂直高压水流方向。

工作时，当高压水流从进水口切向流入水轮机时，转轮左侧与右侧水流通道内的水流方向都是逆时钟方向，两条流道内则最少有两片转轮叶片的受逆时钟方向的正压力。与单切流通道水轮机工作原理相同，高压水流方向与叶片运动方向一致，高压水流速度与叶片移动线速度相同，高压水流与叶片相对静止，高压水力能量高效地传递给叶片，叶片拖动转轮旋转，将水能转换成机械能。

另外，根据工程要求，切向水流通道可平均分割成n条切向水流通道，每条切流通道内的水流方向都与转轮旋转方向相同，每条水流通道均设置有使水流方向垂直于转轴并切向流入水流通道的进水口6和切向流出水流通道的出水口7。

Claims (1)

1.一种切流通道式水轮机，包括机壳（1）及其中心的主轴（8）、转轮（2）位于主轴的外部且与主轴刚性连接，其特征在于：转轮（2）上均匀设有至少三副可展开或收拢的叶片（3），转轮上还设有叶片收拢时容纳叶片的叶片室（4），叶片室（4）的一端设有用于限定叶片展开角度的限位部，机壳（1）内还设有至少一个用于引导叶片收拢使其进入叶片室的隔断体（5）；所述隔断体（5）将机壳（1）内的水流通道分割成一条或者多条，每条水流通道均设有高压水流切流方向进入水流通道的进水口（6）和低压水流切流方向流出水流通道的出水口（7）；相邻两叶片完全展开后，两叶片之间在机壳（1）内壁形成的弧长小于每条水流通道的进水口切入点与出水口切出点的弧长；转轮（2）旋转的过程中，叶片（3）、转轮（2）与机壳（1）内壁形成封闭腔，防止进水口与出水口之间形成直接通道，所述隔断体（5）靠近出水口一侧设有用于引导叶片收拢进入叶片室的斜面；所述叶片（3）是两面均为圆弧面的弧形叶片，叶片的一端通过销轴与转轮连接，实现以销轴为回转中心的转动，并在销轴处设置扭力弹簧。