CN103912435A - 一种小水电轴流式水轮机转轮 - Google Patents

一种小水电轴流式水轮机转轮 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小水电轴流式水轮机转轮，包括轮毂、泄水锥及3个安装固定在轮毂上的叶片，轮毂比小，过流量大，轮毂母线可用一段圆弧拟合，易于制造，泄水锥和轮毂型线光滑连接，有效完成水流引导，叶片安装在偏轮毂下侧，采用3个叶片，轮毂侧翼型和外缘翼型的进、出口水流角和弦长相差较大，翼型厚度小，经过数值模拟与实验验证，叶轮效率能够达到95%。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转轮
技术领域
本发明属于流体机械技术领域，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转轮。
 
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，需要更换转轮，进行增效扩容改造工作。
为降低改造成本，大部分电站选择保留原水轮机预埋部分，不改变原机组蜗壳、进水廊道、尾水管等砼和预埋结构，在原有流道不改变的基础上，通过更换转轮等措施来提高机组容量。
但现有轴流式水轮机转轮，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转轮来满足需求。
 
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转轮，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转轮，包括轮毂、泄水锥和3片安装固定在所述轮毂上的叶片：
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；
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，所述叶片位于轮毂侧的叶栅翼型A弦长L1与栅距t1的比值为叶栅稠密度A，其中，所述叶栅稠密度A为0.931~0.935，所述叶栅翼型A弦长L1与转轮室直径D1的比值为0.269~0.273，所述叶栅翼型A最大厚度点的厚度dmax1与弦长L1的比值为0.113~0.117，其最大厚度点到前缘的距离xd1与弦长L1的比值为0.447~0.451，所述叶栅翼型A的最大翼型弯度fmax1与弦长L1的比值为0.082~0.086，所述叶栅翼型A的最大翼型弯度点至前缘的距离xf1与弦长L1的比值为0.620~0.624。 
进一步地，所述叶片由轮毂侧到轮缘的中间层翼型，即位于直径为0.6倍转轮室直径D1的圆柱层的叶栅翼型B，弦长L2与栅距t2的比值为叶栅稠密度B，所述叶栅稠密度B为0.711~0.716，弦长L2与转轮室直径D1的比值为0.476~0.480，所述叶栅翼型B最大厚度点的厚度dmax2与弦长L2的比值为0.053~0.057，其最大厚度点到前缘的距离xd2与弦长L2的比值为0.344~0.348，所述叶栅翼型B的最大翼型弯度fmax2与弦长L2的比值为0.031~0.035，所述叶栅翼型B的最大翼型弯度点至前缘的距离xf2与弦长L2的比值为0.527~0.531。 
进一步地，所述叶片位于轮缘侧的叶栅翼型C弦长L3与栅距t3的比值为叶栅稠密度C，其中，所述叶栅稠密度C为0.604~0.608，弦长L3与转轮室直径D1的比值为0.635~0.639，所述叶栅翼型C的最大厚度点的厚度dmax3与弦长L3的比值为0.028~0.032，所述叶栅翼型C的最大厚度点到前缘的距离xd3与弦长L3的比值为0.499~0.503，所述叶栅翼型C最大翼型弯度fmax3与弦长L3的比值为0.012~0.016，所述叶栅翼型C的最大翼型弯度点至前缘的距离xf2与弦长L2的比值为0.552~0.556。
进一步地，所述叶片上下两端分别为进水侧4和出水侧5，水流顺着所述叶片的进水侧4流向出水侧5。
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转轮，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95%，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. 轮毂比小，过流量大，轮毂母线可用一段圆弧拟合，易于制造，泄水锥和轮毂型线光滑连接，有效完成水流引导。
3. 叶片轮毂侧翼型和外缘翼型的进、出口水流角和弦长相差较大，翼型厚度小，低水头时，做工能力好，结构简单，尺寸小，加工方便，经济成本低。
 
附图说明
图1是本发明的叶轮整体结构示意图。
图2和图3是本发明的叶轮各部分尺寸示意图。
图4是本发明的转轮叶片在轮毂侧翼型分布及形状示意图。
图5是本发明的转轮叶片在直径为0.6D1的圆柱层的翼型分布及形状示意图。
图6是本发明的叶轮叶片在叶轮外缘处的翼型分布及形状示意图。
图7是本发明的叶片立体结构示意图。
 
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”是指叶栅翼型的前缘，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。
本发明所述的“翼型弯度”是指翼型中线到翼弦的的高度。
如图1所示，本发明的一种小水电轴流式水轮机转轮，包括轮毂2、泄水锥3及3个安装固定在轮毂上的叶片1。所述轮毂2为鼓型。如图2和图3所示，轮毂最大直径为dh，转轮室直径为D1，轮毂上端直径为d1，母线为圆弧形（可用一段圆弧拟合），圆弧半径为R1，轮毂高度为h2，叶片安装位置中心高度为h4，叶片上下两端分别为进水侧4和出水侧5，水流顺着叶片进水侧4流向出水侧5，轮毂比dh/D1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的比值约为0.318~0.322，h4与h2的比值为0.555~0.559。泄水锥光滑联接在轮毂下方，上端直径为d3，下端直径为d2，泄水锥母线由不同半径的两端圆弧连接而成（可用两段圆弧拟合），圆弧半径分别为R2、R3，高度为h3。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。
如图3所示，叶片从轮毂侧到轮缘由不等厚度、不等弦长的翼型组成，如图4所示，轮毂侧叶栅翼型弦长为L1，栅距为t1，叶栅稠密度为0.931~0.935，L1与转轮直径D1的比值为0.269~0.273，该翼型最大厚度dmax1与其弦长L1的比值约为0.113~0.117，翼型最大厚度点到前缘的距离xd1与其弦长L1的比值约为0.447~0.451，该翼型最大翼型弯度fmax1与其弦长L1的比值约为0.082~0.086，翼型最大翼型弯度点至前缘的距离xf1与其弦长L1的比值约为0.620~0.624。
如图5所示，叶片由轮毂侧到轮缘的中间层翼型，即直径为0.6倍叶轮直径D1的圆柱层叶栅翼型，弦长为L2，栅距为t2，叶栅稠密度为0.711~0.716，L2与转轮直径D1的比值为0.476~0.480，该翼型最大厚度dmax2与其弦长L2的比值约为0.053~0.057，翼型最大厚度点到前缘的距离xd2与其弦长L2的比值约为0.344~0.348，该翼型最大翼型弯度fmax2与其弦长L2的比值约为0.031~0.035，翼型最大翼型弯度点至前缘的距离xf2与其弦长L2的比值约为0.527~0.531。直径为0.6倍转轮室直径D1的圆柱层指的是该圆柱层的直径是0.6D1，圆柱层的中心轴与转轮的中心轴重合，即该圆柱层的半径为0.3D1，位于转轮室内。即直径为0.6倍叶轮直径D1的圆柱层的位置即为距离转轮的中心轴0.3D1的位置。
如图6所示，轮缘侧叶栅翼型弦长为L3，栅距为t3，叶栅稠密度为0.604~0.608，L3与转轮直径D1的比值为0.635~0.639，该翼型最大厚度dmax3与其弦长L3的比值约为0.028~0.032，翼型最大厚度点到前缘的距离xd3与其弦长L3的比值约为0.499~0.503，该翼型最大翼型弯度fmax3与其弦长L3的比值约为0.012~0.016，翼型最大翼型弯度点至前缘的距离xf2与其弦长L2的比值约为0.552~0.556。
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，叶轮效率94.56%。
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，叶轮效率94.68%。
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，叶轮效率95.60%。
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235.6kW，叶轮效率92.27%。
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367.9kW，叶轮效率93.31%。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1. 一种小水电轴流式水轮机转轮，包括轮毂、泄水锥和3片安装固定在所述轮毂上的叶片，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；
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。
2. 根据权利要求1所述的一种小水电轴流式水轮机转轮，其特征在于，所述叶片位于轮毂侧的叶栅翼型A弦长L1与栅距t1的比值为叶栅稠密度A，其中，所述叶栅稠密度A为0.931~0.935，所述叶栅翼型A弦长L1与转轮室直径D1的比值为0.269~0.273，所述叶栅翼型A最大厚度点的厚度dmax1与弦长L1的比值为0.113~0.117，其最大厚度点到前缘的距离xd1与弦长L1的比值为0.447~0.451，所述叶栅翼型A的最大翼型弯度fmax1与弦长L1的比值为0.082~0.086，所述叶栅翼型A的最大翼型弯度点至前缘的距离xf1与弦长L1的比值为0.620~0.624。
3. 根据权利要求1所述的一种小水电轴流式水轮机转轮，其特征在于，所述叶片由轮毂侧到轮缘的中间层翼型，即位于直径为0.6倍转轮室直径D1的圆柱层的叶栅翼型B，弦长L2与栅距t2的比值为叶栅稠密度B，所述叶栅稠密度B为0.711~0.716，弦长L2与转轮室直径D1的比值为0.476~0.480，所述叶栅翼型B最大厚度点的厚度dmax2与弦长L2的比值为0.053~0.057，其最大厚度点到前缘的距离xd2与弦长L2的比值为0.344~0.348，所述叶栅翼型B的最大翼型弯度fmax2与弦长L2的比值为0.031~0.035，所述叶栅翼型B的最大翼型弯度点至前缘的距离xf2与弦长L2的比值为0.527~0.531。
4. 根据权利要求1所述的一种小水电轴流式水轮机转轮，其特征在于，所述叶片位于轮缘侧的叶栅翼型C弦长L3与栅距t3的比值为叶栅稠密度C，其中，所述叶栅稠密度C为0.604~0.608，弦长L3与转轮室直径D1的比值为0.635~0.639，所述叶栅翼型C的最大厚度点的厚度dmax3与弦长L3的比值为0.028~0.032，所述叶栅翼型C的最大厚度点到前缘的距离xd3与弦长L3的比值为0.499~0.503，所述叶栅翼型C最大翼型弯度fmax3与弦长L3的比值为0.012~0.016，所述叶栅翼型C的最大翼型弯度点至前缘的距离xf2与弦长L2的比值为0.552~0.556。
5. 根据权利要求2或3中所述的一种小水电轴流式水轮机转轮，其特征在于，所述叶片上下两端分别为进水侧4和出水侧5，水流顺着所述叶片的进水侧4流向出水侧5。
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