CN103244335A - 一种多叶水轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多叶水轮机。包括组成水轮机的蜗壳、转轮、支撑盖、轴承、底环和泄流管，在蜗壳螺旋形流道中、转轮径向外周设置有喷嘴环，喷嘴环有均匀间隔设置的喷射液流驱动转轮的喷孔；转轮圆周上有均匀间隔设置的叶片，叶片之间形成与喷孔喷射液流匹配的弧形流道。本发明的多叶水轮机流道不仅转换液流的动能，还转换液流的一部分势能；在一定的转速范围内，出力与流量基本上为线性关系，不需复杂的调节控制系统。水轮机结构大为简化，制造工艺简单，降低了成本。本发明的多叶水轮机结构紧致，适用于作为小（微）型水力发电、管路中液体动力能量转换为旋转的机械能等用途。

Description

一种多叶水轮机

技术领域

本发明属于机械设计制造领域，尤其属于水轮机设计制造领域，特别涉及水轮机的转轮、流道设计技术。

背景技术

现有反击式水轮机由蜗壳、固定导叶、导水机构、转轮、尾水管等过流部件组成，依靠转轮转换水流的势能量。混流式转轮叶片数一般13至17片，轴流式和贯流式转轮叶片数一般3至5片,叶片均为雕塑曲面，加工工艺复杂。固定导叶、活动导叶均为曲面零部件。冲击式水轮机转轮的水斗的型面也为复杂的雕塑曲面。

设计时，现有的水轮机的主要过流部件中蜗壳、导水机构、转轮、尾水管要通过“水力设计—模型试验—反复修改流道设计”来达到性能指标要求。制造时，这些过流部件的制造也非常复杂。作为流体动力转换设备，对于一些应用，如微型发电装置、管路中液体动力能量转换等，无论从产品结构和制造工艺，还是从调节和控制特性等方面都不太适合。

现有的水轮机其出力与流量和水头间关系是非常复杂的非线性关系，运行过程中调节复杂。

因此，对于小型发电和管路中液体动力能量转换装置，为了提高其常规的适用性，需要一种结构简单，制造方便，调节和控制容易的水轮机。

发明内容

本发明根据现有技术的不足公开了一种多叶水轮机。本发明要解决的问题是提供一种结构紧致的多叶水轮机，本发明水轮机不需复杂的调节控制系统，适用于小型发电装置、提高管路中液体动力能量转换。

本发明通过以下技术方案实现：

多叶水轮机，包括组成水轮机的蜗壳、转轮、支撑盖、轴承、底环和泄流管，其特征是：在蜗壳螺旋形流道中、转轮径向外周设置有喷嘴环，喷嘴环有均匀间隔设置的喷射液流驱动转轮的喷孔。

所述转轮圆周上有均匀间隔设置的叶片，叶片之间形成与喷孔喷射液流匹配的弧形流道。

所述叶片由横截面结构相同的弧面柱体和轴向设置的固定轴构成；所述弧面柱体由轴向设置的内弧面、外弧面和平面构成，固定轴位于内弧面底部和外弧面底部之间；内弧面和外弧面均为圆弧且弧面方向同向设置，内弧面圆弧两端分别通过平面一和平面二与外弧面圆弧两端连接，其中叶片弧面柱体一侧的平面一与外弧面通过连接圆弧过度连接，平面一或平面二在外弧面圆弧端的延伸线与叶片横截面径向轴线的夹角为22～25度。

叶片安放角α是15～20度。

进一步所述喷孔横截面的形状是两端半圆与中间矩形构成的腰形孔，各喷孔轴向与喷嘴环切线的夹角为22～25度。

上述喷孔数量为18～20个，转轮叶片数量是喷孔数量的3倍，即54～60个。

上述蜗壳螺旋形流道的横截面由入口至尾端是面积逐渐变小的梯形。

本发明多叶水轮机运行时，通过管道将一定压力的液体引入蜗壳，螺旋型蜗壳流道使得液体的径向流速分布更均匀，均匀的液体流向腰型孔喷嘴环并形成高速液流，喷嘴环上的各腰型孔出流混合后形成转轮前的较为均匀的流场分布；高速液流通过转轮不仅主要转换液流的动能，还转换液流的一部分势能；然后从转轮的叶片出流通过再通过底环的扩散流道流入泄水管。

本发明喷嘴环有均匀间隔设置的喷孔，喷孔横截面的形状是两端半圆与中间矩形构成的腰形孔，腰形孔具有类似反击式水轮机的导水机构的部分功能，但结构简单，便于加工；喷嘴环上均匀间隔设置的18～20个喷孔出流混合后较为均匀，形成转轮前需要的高速入流流场分布；高速液流通过转轮不仅主要转换液流的动能，还转换液流的一部分势能，与现有的冲击式水轮机转轮只转换液流的动能在原理上不同。

本发明转轮叶片采用横截面结构相同的弧面柱体和轴向设置的固定轴构成。这种圆弧-直线横截面的直纹面结构，相对于具有雕塑曲面，加工工艺复杂的现有叶片，其结构大为简化、容易加工，使得设计制造更简化，生产成本低。

本发明的转轮属于叶片等高的径流式转轮，等高的直纹面叶片在转轮分布圆按给定的叶片安放角沿周向均匀间隔设置。由于转轮叶片进口处圆柱的直径大于叶片出口处圆柱的直径，而且在转轮旋转方向倾斜有15～20度的叶片安放角，叶片间进口面积明显大于出口，所有每两直叶片间为具有一定反动度的收缩流道，该流道具有转换液流的一部分势能的能力。所述安放角α是叶片安装固定后，叶片内弧面圆弧两端连线与转轮径向线的夹角，所述转轮径向线是通过转轮圆心与叶片内弧面圆弧内侧端的连线。

经检测，根据不同转速下“流量-输出轴功率”关系曲线、不同流量下“转速-输出轴功率”曲线，本发明的多叶水轮机在一定的转速范围内，水轮机出力与流量基本上为线性关系。

本发明有益性，本发明的多叶水轮机流道不仅转换液流的动能，还转换液流的一部分势能；在一定的转速范围内，出力与流量基本上为线性关系，不需复杂的调节控制系统。水轮机结构大为简化，制造工艺简单，降低了成本。本发明的多叶水轮机结构紧致，适用于作为小（微）型水力发电、管路中液体动力能量转换为旋转的机械能等用途。

附图说明

图1是本发明水轮机纵截面结构示意图；

图2是本发明水轮机蜗壳、转轮、喷嘴环截面结构示意图，即图1AA面示意图；

图3是图1局部放大示意图；

图4是喷嘴环轴向截面示意图；

图5是喷嘴环径向截面示意图；

图6是喷嘴环立体示意图；

图7是转轮叶片布置示意图；

图8是转轮径向截面示意图；

图9是转轮叶片横截面示意图；

图10是转轮叶片立体结构示意图；

图11是转轮叶片布置局部放大结构示意图；

图12是蜗壳立体结构示意图；

图13是不同转速下“流量-输出轴功率”关系曲线；

图14是不同流量下“转速-输出轴功率”关系曲线。

图中，1是蜗壳，2是喷嘴环，2a是喷孔，3是转轮，3a是叶片，3b是叶片间流道，4是支撑盖，5是底环，6是泄流管，7是轴承，A是平面一或平面二在外弧面圆弧端的延伸线与叶片横截面径向轴线的夹角，A1是平面二，A2是固定轴，A3是平面一，R是连接圆弧，R1是内弧面，R2是外弧面，α是安放角，b是喷孔轴向与喷嘴环切线的夹角。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行进一步的描述，本实施例只用于对本发明进行进一步的说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整属于本发明保护的范围。

结合图1至图12。

多叶水轮机，包括组成水轮机的蜗壳1、转轮3、支撑盖4、轴承7、底环5和泄流管6，在蜗壳1螺旋形流道中、转轮3径向外周设置有喷嘴环2，喷嘴环2有均匀间隔设置的喷射液流驱动转轮3的喷孔2a。

转轮3圆周上有均匀间隔设置的叶片3a，叶片3a之间形成与喷孔2a喷射液流匹配的弧形流道3b。

叶片3a由横截面结构相同的弧面柱体和轴向设置的固定轴A2构成；弧面柱体由轴向设置的内弧面R1、外弧面R2和平面构成，固定轴A2位于内弧面R1底部和外弧面R2底部之间；内弧面R1和外弧面R2均为圆弧且弧面方向同向设置，内弧面R1圆弧两端分别通过平面一A3和平面二A1与外弧面R2圆弧两端连接，其中叶片3a弧面柱体一侧的平面一A3与外弧面R2通过连接圆弧R过度连接，平面一A3或平面二A1在外弧面R2圆弧端的延伸线与叶片3a横截面径向轴线的夹角A为22～25度。

叶片3a安放角α是15～20度。

喷孔2a横截面的形状是两端半圆与中间矩形构成的腰形孔，各喷孔2a轴向与喷嘴环2切线的夹角b为22～25度。

喷孔2a数量为18～20个，叶片3a数量是喷孔2a数量的3倍，即54～60个。

蜗壳1螺旋形流道的横截面由入口至尾端是面积逐渐变小的梯形。

结合图1、图2和图3，图1是本发明水轮机纵截面结构示意图，图中表示了水轮机截面各结构状态；图2是本发明水轮机蜗壳、转轮、喷嘴环截面结构示意图，即图1AA面示意图；图3是图1局部放大示意图；如图所示，水轮机包括蜗壳1、转轮3、支撑盖4、轴承7、底环5和泄流管6，水流按图中箭头方向流动，在蜗壳1螺旋形流道中、转轮3径向外周设置有喷嘴环2，喷嘴环2有均匀间隔设置的喷射液流驱动转轮3的喷孔2a；水流通过蜗壳1进入水轮机，水流引入蜗壳1并由螺旋型蜗壳1流道使得液体的径向流速分布基本均匀，然后流向喷嘴环2并形成高速液流，喷嘴环2上的喷孔2a喷出流混合后形成转轮3前的更为均匀的流场分布。高速液流通过叶片3a与转轮3进行液流的动能和部分势能转换后，从转轮3的叶片3a出流，通过底环5的扩散流道流入泄水管6；转轮3在喷嘴环2中转动，转轮3的叶片3a由喷嘴环2喷射液流驱动。

如图1和图3所示，喷嘴环2固定在支撑盖4和底环5之间，水流进入蜗壳1后须经喷嘴环2再与转轮3进行能量转换，结合图12，蜗壳1螺旋形流道的横截面由入口至尾端是面积逐渐变小的梯形，该结构使液体的径向流速分布基本均匀，在通过喷嘴环2后进一步形成转轮3前的更为均匀的流场分布。

结合图4、图5和图6，如图所示，图4是喷嘴环轴向截面示意图，图5是喷嘴环径向截面示意图，图6是喷嘴环立体示意图；本发明喷嘴环2为具有一定厚度的环状结构，安装在支撑盖4和底环5之间，驱动水流需经喷嘴环2后再与转轮3进行能量转换，喷嘴环2上喷孔2a横截面的形状是两端半圆与中间矩形构成的腰形孔，各喷孔2a轴向与喷嘴环2切线的夹角b为22～25度，喷嘴环2与水轮机的固定通过环两侧分别与支撑盖4或底环5固定实现。本例喷嘴环2上均匀设置有18个喷孔2a。

结合图7、图8、图9和图10，如图所示，图7是转轮叶片布置示意图，图8是转轮径向截面示意图，图9是转轮叶片横截面示意图，图10是转轮叶片立体结构示意图；转轮3及其叶片3a结构是本发明重要部分。

图7和图8表示了本发明转轮3及其叶片3a的布置结构，如图7所示，本发明叶片3a均匀布置在转轮3环上，本发明可以设置三倍于喷嘴环2上喷孔2a数量的叶片3a数量，叶片3a通过固定轴A2固定在转轮3的盖板上，叶片3a内弧面R1与喷嘴环2喷孔2a喷射液流匹配实现能量的转换。

图9是转轮叶片横截面示意图，图10是转轮叶片立体结构示意图；如图所示，本发明叶片3a由横截面结构相同的弧面柱体和轴向设置的固定轴A2构成；弧面柱体由轴向设置的内弧面R1、外弧面R2和两侧的平面构成，固定轴A2位于内弧面R1底部和外弧面R2底部之间；内弧面R1和外弧面R2均为圆弧且弧面方向同向设置，所谓同向设置指弧面凹陷方向相同形成异形的凹槽，内弧面R1圆弧两端分别通过平面一A3和平面二A1与外弧面R2圆弧两端连接，其中叶片3a弧面柱体一侧的平面一A3与外弧面R2通过连接圆弧R过度连接，平面一A3或平面二A1在外弧面R2圆弧端的延伸线与叶片3a横截面径向轴线的夹角A为22～25度，即平面一A3和平面二A1相对于竖直的径向轴线倾斜设置，且有相同的倾斜夹角A；本例内弧面R1和外弧面R2的横截面是不同半径圆弧上一段，固定半径的弧面有利于简化加工程序，较雕塑曲面叶片的加工大幅提高了效率，节约了加工成本，且使最终的水轮机调节控制性能更佳。叶片3a安装固定后，有连接圆弧R的弧面柱体一侧位于弧形流道3b进水口。

结合图11，如图所示，图11是转轮叶片布置局部放大结构示意图。图中表示了叶片3a安装后形成的弧形流道3b，安放角α是叶片安装固定后，叶片内弧面R1圆弧两端连线与转轮径向线的夹角，所述转轮径向线是通过转轮圆心与叶片内弧面圆弧内侧端的连线。本例安放角α是15～20度。本发明的转轮属于叶片等高的径流式转轮，等高的直纹面叶片在转轮分布圆按15～20度的叶片安放角α沿周向均匀间隔设置。由于转轮叶片3a进口处圆柱的直径大于叶片出口处圆柱的直径，而且在转轮3旋转方向倾斜有15～20度的叶片安放角，叶片间进口面积明显大于出口，所有每两直叶片间为具有一定反动度的收缩流道，该流道具有转换液流一部分势能的能力。

经检测试验，得到不同转速下“流量-输出轴功率”关系曲线如图13所示，不同流量下“转速-输出轴功率”关系曲线如图14所示。图13和图14说明本发明的多叶水轮机在一定的转速范围内，水轮机出力与流量基本上为线性关系。

Claims (7)

1.一种多叶水轮机，包括组成水轮机的蜗壳（1）、转轮（3）、支撑盖（4）、轴承（7）、底环（5）和泄流管（6），其特征是：在蜗壳（1）螺旋形流道中、转轮（3）径向外周设置有喷嘴环（2），喷嘴环（2）有均匀间隔设置的喷射液流驱动转轮（3）的喷孔（2a）。

2.根据权利要求1所述的多叶水轮机，其特征是：所述转轮（3）圆周上有均匀间隔设置的叶片（3a），叶片（3a）之间形成与喷孔（2a）喷射液流匹配的弧形流道（3b）。

3.根据权利要求2所述的多叶水轮机，其特征是：所述叶片（3a）由横截面结构相同的弧面柱体和轴向设置的固定轴（A2）构成；所述弧面柱体由轴向设置的内弧面（R1）、外弧面（R2）和平面构成，固定轴（A2）位于内弧面（R1）底部和外弧面（R2）底部之间；内弧面（R1）和外弧面（R2）均为圆弧且弧面方向同向设置，内弧面（R1）圆弧两端分别通过平面一（A3）和平面二（A1）与外弧面（R2）圆弧两端连接，其中叶片（3a）弧面柱体一侧的平面一（A3）与外弧面（R2）通过连接圆弧（R）过度连接，平面一（A3）或平面二（A1）在外弧面（R2）圆弧端的延伸线与叶片（3a）横截面径向轴线的夹角（A）为22～25度。

4.根据权利要求3所述的多叶水轮机，其特征是：叶片（3a）安放角（α）是15～20度。

5.根据权利要求1至4任一项所述的多叶水轮机，其特征是：所述喷孔（2a）横截面的形状是两端半圆与中间矩形构成的腰形孔，各喷孔（2a）轴向与喷嘴环（2）切线的夹角（b）为22～25度。

6.根据权利要求5所述的多叶水轮机，其特征是：所述喷孔（2a）数量为18～20个，叶片（3a）数量是喷孔（2a）数量的3倍。

7.根据权利要求5所述的多叶水轮机，其特征是：所述蜗壳（1）螺旋形流道的横截面由入口至尾端是面积逐渐变小的梯形。

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