CN103912434B - 一种小水电轴流式水轮机装置 - Google Patents

一种小水电轴流式水轮机装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小水电轴流式水轮机，包括布置有导叶的上座环（1）、下座环（3）和16个活动导叶（2）、支撑盖（6）、底环（7）、转轮室（4）、轮毂（8）、泄水锥（9）及3个安装固定在轮毂上的叶片（10）和直锥型尾水管（5）。导水机构中心圆直径较大，活动导叶上下座环自导叶进口外延一定尺寸，采用16个活动导叶，导叶开度偏大，转轮运行转速高，叶片外缘进出口水流角大，转轮室轮毂比小，过流量大，形状在转轮出口收缩，自直锥型尾水管又开始扩散，经过数值模拟，水轮机效率能够达到85%。结构简单，尺寸小，加工方便，经济成本低，效率高，能够用于低水头大流量电站发电，也可供早期小水电增效扩容改造使用。

Description

一种小水电轴流式水轮机装置
技术领域
本发明属于流体机械的技术领域，具体而言，涉及一种适用于低水头大流量小型电站的轴流式水轮机。
背景技术
为发展小水电，繁荣农村经济，早期，我国建造了大批小型电站，其中，2~6m的低水头水能资源开发主要选用轴流式水轮机，但其运行的平均效率较低，而且其过流部件易空蚀破坏，并产生振动。运行至今，期间虽经修补，但桨叶变形较大，振动和空化空蚀很严重，出力和效率很不理想，需要进行增效扩容改造工作。
考虑到改造成本，大部分电站选择不改变原有水轮机机型，继续沿用轴流式水轮机，在原水轮机预埋部分的基础上，通过改变导水机构、流道尺寸转轮和尾水管等措施来提高机组容量。
但现有轴流式水轮机，在5m以下的水头运行时均效率不高，难以达到低水头电站增效扩容改造目标，此时，需要开发高效的低水头轴流式水轮机来满足需求。
高效的低水头轴流式水轮机，其结构简单，尺寸小，经济成本低，而贯流式水轮机转轮直径在2.5 m以下时，机组制造困难，土建结构较复杂。因此，对于一些新建低水头小型电站选用高效的低水头轴流式水轮机，可降低电站千瓦造价。
发明内容
本发明的目的则是克服了现有技术的不足，设计一种结构简单，尺寸小，加工方便，经济成本低，效率高，能够用于低水头大流量电站的轴流式水轮机，也可供早期小水电增效扩容改造使用。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
提供一种小水电轴流式水轮机，包括上座环、下座环、活动导叶、支撑盖、底环、转轮室、轮毂、泄水锥和3个安装固定在所述轮毂上的叶片和直锥型尾水管，所述活动导叶成环状并能转动地设置在所述上座环和下座环之间，所述下座环设置在所述转轮室的上部，所述支撑盖设置在所述活动导叶的环状的中心位置并且固定在所述轮毂的上端，所述泄水锥连接在所述轮毂的下方，所述轮毂和泄水锥设置在所述转轮室内，所述转轮室与所述直锥型尾水管连接，所述下座环与转轮室之间通过所述底环连接在一起。
所述上座环的外缘直径d6与所述转轮室的直径D1的比值为1.783~1.787，所述活动导叶的进口边缘直径d3与D1的比值为1.655~1.659，所述活动导叶的出口边缘直径d4与D1的比值为1.116~1.120，所述活动导叶的旋转中心直径D0与D1的比值为1.371~1.375；所述转轮室的高度H1与D1的比值为0.399~0.413，所述转轮室的出口向内收缩，收缩处为一段圆弧，其圆弧半径R0与D1的比值为1.206~1.210。
进一步地，所述活动导叶的截面为对称翼型，所述对称翼型弦长L0与D1的比值为0.317~0.321，其最大厚度dmax0与L0的比值为0.150~0.154，其最大厚度点到其前缘距离xd0与L0的比值为0.161~0.165，所述活动导叶的高度b0与D1的比值为0.448~0.452。
进一步地，所述支撑盖的下翼板流线形状由不同半径的两段圆弧连接而成，其圆弧半径分别为r1和r2，r1与D1的比值为0.300~0.304，r2与D1的比值为0.898~0.902；所述底环的流线形状为一段圆弧，其圆弧半径r3与D1的比值为0.052~0.056。
进一步地，所述转轮室的高度H1与D1的比值为0.399~0.413，所述转轮室的出口向内收缩，收缩处为一段圆弧，其圆弧半径R0与D1的比值为1.206~1.210。
进一步地，所述轮毂和泄水锥的边缘光滑过渡。
进一步地，所述轮毂最大直径为dh，其上端直径为d1，其高度为h2，其母线为半径为R1的圆弧，所述转轮所在的转轮室直径为D1，所述叶片在所述轮毂上的安装位置的中心的高度为h4，其中，dh与D1的比值为0.298~0.302，d1与D1比值为0.258~0.262，R1与D1的比值为0.658~0.662，h2与D1的比值为0.318~0.322，h4与h2的比值为0.555~0.559。
进一步地，所述泄水锥连接在所述轮毂的下方，所述轮毂和泄水锥的边缘光滑过渡，所述泄水锥的上端直径为d3，其下端直径为d2，高度为h3，其母线由不同半径的两段圆弧连接而成，圆弧半径自上而下分别为R2和R3，其中，d3与D1的比值为0.258~0.262，d2与D1的比值为0.048~0.052，R2与D1的比值为1.405~1.409，R3与D1的比值为0.312~0.316，h3与h2的比值为0.857~0.861。
进一步地，所述直锥型尾水管，进口直径D2与转轮直径D1的比值为0.956~0.0.960，出口直径D3与D1的比值为1.831~1.835，尾水管高度H2与D1的比值为1.563~1.568。
进一步地，所述活动导叶有16个。
进一步地，水流从所述活动导叶至由所述轮毂和泄水锥组成的转轮之间流动时的方向由径向转为轴向。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1. 本发明的一种小水电轴流式水轮机，经过数值模拟与实验验证，在3~5m低水头段，叶轮效率能够达到85%，能够用于低水头大流量电站发电，也可供早期小水电增效扩容改造使用。
2. 较传统轴流式水轮机，本发明低水头大流量轴流式水轮机，活动导叶旋转中心直径大，导叶长，活动导叶上下座环自导叶进口外延一定尺寸，导流效果好，导水机构内部流动损失小。
3. 较传统轴流式水轮机，本发明低水头大流量轴流式水轮机，导叶开度大，转轮运行转速高，轮毂比小，过流量大，结构简单，尺寸小，加工方便，经济成本低，效率高。
附图说明
图1是本发明的水轮机整体结构示意图。
图2是本发明的水轮机各部分尺寸示意图。
图3是本发明的水轮机导叶截面翼型分布及形状示意图。
图4和图5是本发明的水轮机转轮各部分尺寸示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备内部的方向为内，反之为外。
本发明中所述的“左、右”的含义指的是阅读者正对附图时，阅读者的左边即为左，阅读者的右边即为右。
本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
本发明所述的“前缘”指叶栅翼型前缘，水轮机转轮叶片是由不同翼型组成的，翼型前缘是本领域技术人员惯用的技术术语，本领域技术人员均能清楚知道其所表述的具体位置。
如图1、图2和图5所示，一种小水电轴流式水轮机装置，包括布置有导叶的上座环1、下座环3和16个活动导叶2、支撑盖6、底环7、转轮室4、轮毂8、泄水锥9及3个安装固定在轮毂上的叶片10和直锥型尾水管5。
如图2所示，D1为转轮直径，座环外缘直径d6与转轮直径D1的比值约为1.783~1.787，导叶进口边直径d3与D1的比值约为1.655~1.659、出口边直径d4与D1的比值约为1.116~1.120，导叶旋转中心直径D0与D1的比值约为1.371~1.375。水流在导叶与转轮之间流动方向由径向转为轴向，支撑盖6的下翼板流线形状可用两段圆弧拟合，圆弧半径分别为r1、r2，r1与转轮直径D1的比值约为0.300~0.304，r2与转轮直径D1的比值约为0.898~0.902，底环7流线形状为一段圆弧，圆弧半径r3与转轮直径D1的比值约为0.052~0.056。转轮室4高度H1与转轮直径D1的比值约为0.399~0.413，最大直径为D1，出口收缩，型线可用一段圆弧拟合，圆弧半径R0与转轮直径D1的比值约为1.206~1.210，尾水管进口直径D2与转轮直径D1的比值约为0.956~0.0.960，出口直径D3与D1的比值约为1.831~1.835，尾水管高度H2与D1的比值约为1.564~1.568。
如图3所示，导叶截面为对称翼型，翼型弦长L0与D1的比值约为0.317~0.321，最大厚度dmax0与L0的比值约为0.150~0.154，最大厚点到翼型前缘距离xd0与L0的比值约为0.161~0.165，导叶高度b0与转轮直径D1的比值约为0.448~0.452。
如图4所示，轮毂最大直径为d1，轮毂比dh/D1为0.298~0.302，轮毂上端直径为d1，母线可用一段圆弧拟合，圆弧半径为R1，d1与D1比值为0.258~0.262，R1与D1的比值为0.658~0.662，泄水锥光滑联接在轮毂下方，上端直径为d5，下端直径为d2，泄水锥母线可用两段圆弧拟合，圆弧半径分别为R2、R3，d3与D1的比值为0.26，d2与D1的比值为0.048~0.052，R2与D1的比值为1.405~1.409，R3与D1的比值为0.312~0.316。
如图5所示，轮毂高度为h2，叶片安装位置中心高度为h4，h2与D1的比值约为0.318~0.322，h4与h2的比值为0.555~0.559，泄水锥高度为h3，h3与h2的比值为0.857~0.861，叶片从轮毂侧到轮缘由不等厚度、不等弦长的翼型组成。
以下是几个具体算例：
例1，设叶轮直径D1为1.2m，工作水头为3m，转轮额定转速为260r/min，机组实测流量5.464m3/s，轴功率136.8kW，水轮机效率85.06%。
例2，设叶轮直径D1为1.2m，工作水头为4m，转轮额定转速为300r/min，机组实测流量6.307m3/s，轴功率210.4kW，水轮机效率85.01%。
例3，设叶轮直径D1为1.2m，工作水头为4m，转轮额定转速为335r/min，机组实测流量7.048m3/s，轴功率300.8kW，水轮机效率87.00%。
例4，设叶轮直径D1为1.6m，工作水头为3m，转轮额定转速为203r/min，机组实测流量9.904m3/s，轴功率238.5kW，水轮机效率81.84%。
例5，设叶轮直径D1为2m，工作水头为3m，转轮额定转速为162r/min，机组实测流量15.281m3/s，轴功率372.4kW，水轮机效率82.81%。
本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种小水电轴流式水轮机，包括上座环(1)、下座环(3)、活动导叶(2)、支撑盖(6)、底环(7)、转轮室(4)、轮毂(8)、泄水锥(9)和3个安装固定在所述轮毂(8)上的叶片(10)和直锥型尾水管(5)，所述活动导叶(2)成环状并能转动地设置在所述上座环(1)和下座环(3)之间，所述下座环(3)设置在所述转轮室(4)的上部，所述支撑盖(6)设置在所述活动导叶(2)的环状的中心位置并且固定在所述轮毂(8)的上端，所述泄水锥(9)连接在所述轮毂(8)的下方，所述轮毂(8)和泄水锥(9)设置在所述转轮室(4)内，所述转轮室(4)与所述直锥型尾水管(5)连接，所述下座环(3)与转轮室(4)之间通过所述底环(7)连接在一起，其特征在于，
所述上座环外缘直径d6与转轮直径D1的比值为1.783～1.787，所述活动导叶(2)的进口边缘直径d3与D1的比值为1.655～1.659，所述活动导叶(2)的出口边缘直径d4与D1的比值为1.116～1.120，所述活动导叶(2)的旋转中心直径D0与D1的比值为1.371～1.375；所述转轮室(4)的高度H1与D1的比值为0.399～0.413，所述转轮室(4)的出口向内收缩，收缩处为一段圆弧，其圆弧半径R0与D1的比值为1.206～1.210。
2.根据权利要求1所述的一种小水电轴流式水轮机，其特征在于，所述活动导叶(2)的截面为对称翼型，所述对称翼型弦长L0与D1的比值为0.317～0.321，其最大厚度dmax0与L0的比值为0.150～0.154，其最大厚度点到其前缘距离xd0与L0的比值为0.161～0.165，所述活动导叶(2)的高度b0与D1的比值为0.448～0.452。
3.根据权利要求1所述的一种小水电轴流式水轮机，其特征在于，所述支撑盖(6)的下翼板流线形状由不同半径的两段圆弧连接而成，其圆弧半径分别为r1和r2，r1与D1的比值为0.300～0.304，r2与D1的比值为0.898～0.902；所述底环(7)的流线形状为一段圆弧，其圆弧半径r3与D1的比值为0.052～0.056。
4.根据权利要求1所述的一种小水电轴流式水轮机，其特征在于，所述轮毂(8)和泄水锥(9)的边缘光滑过渡。
5.根据权利要求1所述的一种小水电轴流式水轮机，其特征在于，所述轮毂最大直径为dh，其上端直径为d1，其高度为h2，其母线为半径为R1的圆弧，所述转轮直径为D1，所述叶片在所述轮毂上的安装位置的中心的高度为h4，其中，dh与D1的比值为0.298～0.302，d1与D1比值为0.258～0.262，R1与D1的比值为0.658～0.662，h2与D1的比值为0.318～0.322，h4与h2的比值为0.555～0.559。
6.根据权利要求5所述的一种小水电轴流式水轮机，其特征在于，所述泄水锥连接在所述轮毂的下方，所述轮毂和泄水锥的边缘光滑过渡，所述泄水锥的上端直径为d5，其下端直径为d2，高度为h3，其母线由不同半径的两段圆弧连接而成，圆弧半径自上而下分别为R2和R3，其中，d5与D1的比值为0.258～0.262，d2与D1的比值为0.048～0.052，R2与D1的比值为1.405～1.409，R3与D1的比值为0.312～0.316，h3与h2的比值为0.857～0.861。
7.根据权利要求1所述的一种小水电轴流式水轮机，其特征在于，所述直锥型尾水管(5)，进口直径D2与转轮直径D1的比值为0.956～0.0.960，出口直径D3与D1的比值为1.831～1.835，尾水管高度H2与D1的比值为1.563～1.568。
8.根据权利要求1所述的一种小水电轴流式水轮机，其特征在于，所述活动导叶(2)有16个。
9.根据权利要求1所述的一种小水电轴流式水轮机，其特征在于，水流从所述活动导叶(2)至由所述轮毂(8)和泄水锥(9)组成的转轮之间流动时的方向由径向转为轴向。
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