CN105626350A - 采用沟槽减阻的混流式水轮机转轮 - Google Patents

Abstract

本发明为采用沟槽减阻的混流式水轮机转轮，解决已有混流式水轮机转轮表面粗糙度要求在Ra1.6以下，加工成本高，能量转换效率低的问题。上冠上的过流表面由并列的第一沟槽（5）构成，叶片上的过流表面由并列的第二沟槽（3）构成，下环上的过流表面由并列的第三沟槽（6）构成，第一、二、三沟槽的方向为顺设计工况时的流线方向，第一、二、三沟槽的结构为相同的对称V型结构（7），沟槽的高度h为0.1-0.3mm，沟槽的宽度s为0.1mm-0.3mm。本发明可以有效的降低水轮机转轮的表面阻力，提高水轮机效率，沟槽的高度、宽度尺度很小，可以降低对转轮表面粗糙度的要求，减小表面加工时间和难度。

Description

采用沟槽减阻的混流式水轮机转轮

技术领域：

本发明涉及一种混流式水轮机转轮，尤其涉及过流表面减阻的混流式水轮机转轮。

背景技术：

混流式水轮机是把水流的势能和动能转换成旋转机械能的水力发电设备，是目前应用最广泛的水轮机，转轮是混流式水轮机的核心部件，是把水能转换为机械能的关键部件，主要由上冠、下环和叶片组成，转轮内部流动为高雷诺数的湍流流动，水流与转轮过流面的表面阻力是造成能量损失的原因之一。要提高转轮转化能量的效率，就要尽可能降低水轮机转轮表面阻力；传统的设计制造理念中，为了减少水轮机转轮的表面阻力，要求转轮过流表面越光滑越好，通常的表面粗糙度要求在Ra1.6以下，加工成本高。

发明内容：

本发明的目的是提出一种表面粗糙度要求不高，加工成本低，可以有效的降低表面阻力，能量转换效率高的采用沟槽减阻的混流式水轮机转轮。

本发明是这样来实现的：

采用沟槽减阻的混流式水轮机转轮，由上冠1，若干在转轮圆周方向间隔分布的叶片2和下环4组成，叶片的上端与上冠连接，下端与下环连接，上冠上的过流表面由并列的第一沟槽5构成，叶片上的过流表面由并列的第二沟槽3构成，下环上的过流表面由并列的第三沟槽6构成，第一、二、三沟槽的方向为设计工况时的流线方向，第一、二、三沟槽的的横截面为相同的对称V型结构7，沟槽的高度h为0.1-0.3mm，沟槽的宽度s为0.1mm-0.3mm。

沟槽的高度h和宽度s尺寸按下列公式计算：

水轮机设计水头小于100m时：h＝s＝0.3mm，

水轮机设计水头在100m～200m时：h＝s＝0.2mm,

水轮机设计水头大于200m时：h＝s＝0.1mm。

上冠1、叶片2、下环4的过流表面的横截面为锯齿形。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明在混流式水轮机转轮的过流表面上设置了顺流向的沟槽，沟槽截面为对称V型结构，沟槽的高度h范围为0.1-0.3mm，宽度s为0.1mm-0.3mm，可以有效的降低水轮机转轮的表面阻力，提高水轮机效率；沟槽的高度、宽度尺度很小，不会改变转轮表面的整体形状，能保持原有的水力性能；在表面加工微小沟槽，加工简单，可以降低对转轮表面粗糙度的要求，减小表面加工时间和难度，具有加工成本低，适用范围广的特点，可以满足各种类型的混流式水轮机。

附图说明：

图1为本发明的混流式转轮整体结构示意图。

图2为本发明的混流式转轮上冠示意图。

图3为本发明的混流式转轮下环示意图。

图4为本发明的过流表面上设置的顺流向的沟槽结构示意图。

图5为本发明的过流表面横截面图。

图6为二次涡示意图。

由上冠1，叶片2，下环4组成，上冠上的过流表面由并列的第一沟槽5构成，叶片上的过流表面由并列的第二沟槽2构成，下环上的过流表面由并列的第三沟槽6构成，第一、二、三沟槽的方向为设计工况时的流线方向，第一、二、三沟槽的的结构为相同的对称V型结构7。

科学研究表明，当流体沿固体表面流动时，不是固体表面越光滑，表面阻力就越小。比如在动物界中，游动速度最快的鲨鱼的皮肤表面就是布满了沟槽结构，以便于它能尽可能的减小表面阻力，获得更高的游速。

通过实验研究和理论分析，科学家发现：湍流流动中，在固体表面与流体接触面设置沟槽，可以改变近表面的湍流拟序结构，如图6所示，在底层流向涡的作用下，在沟槽锋尖附近诱导产生二次涡，二次涡减弱了与低速条带相联系的反向旋转流向涡对，并在沟槽内保留低速流体,限制了流向涡的展向运动，减弱了边界层中的猝发过程，不仅减少了猝发的频率，而且减弱了猝发的强度，使流体在近壁流动中能耗大大降低，有效的减少了表面阻力。研究还表明，沟槽的形状对减阻效果有较大影响，同时沟槽的高度和宽度尺寸必须满足一定的条件才能达到理想的减阻效果。

目前，利用沟槽结构进行减阻已经开始应用在快速泳衣、长距离管道输送等方面，但是在水轮机的设计制造中还没有应用。混流式水轮机应用水头范围大致为30m～300m，转轮的直径范围大致为1m～8m，转轮内部流道较为狭窄，流速较快，转轮内流动的Re数为10⁹量级，是高Re数的湍流流动，表面阻力的影响较为明显。本发明通过研究混流式水轮机结构、内部流动特点，提出可以在混流式水轮机的转轮过流表面设置沟槽进行减阻，以提高水轮机效率。

科学研究表明，沟槽的形状和尺寸必须满足一定的条件，才能达到良好的减阻性能。根据实验研究和模拟计算，对称的V型结构沟槽有良好的减阻性能，而且无量纲尺寸h⁺≤25和s⁺≤30时具有良好的减阻特性，当h⁺＝s⁺＝15时，减阻效果最佳，可以减小表面阻力8％。因此，综合考虑混流式水轮机的结构和运行特点，沟槽的无量纲尺寸可以用下面的公式表示：

$h^{+}=0.026\frac{{\mathrm{hU}}_t{\mathrm{Re}}^{-0.1}}{\mathrm{\γ}}$

$s^{+}=0.026\frac{{\mathrm{sU}}_t{\mathrm{Re}}^{-0.1}}{\mathrm{\γ}}$

其中，h⁺为沟槽高度无量纲尺寸，s⁺为宽度的无量纲尺寸；h为沟槽的高度，s为沟槽的宽度，Re为雷诺数，γ为水的运动粘性系数；U_t为转轮进口平均相对流速，与混流式水轮机的设计水头高度相关。

水的运动粘性系数γ＝1.01×10¹⁶m²/s，水轮机内部流动为高Re数的湍流流动，Re＝1×10⁹，令h⁺＝s⁺＝15，

通过对混流式水轮机的统计分析，可以得出当混流式水轮机的设计水头小于100m时，典型的转轮进口平均流速U_t＝15m/s,

计算可得：h＝s＝0.3mm,

当混流式水轮机的设计水头为100m～200m时，典型的转轮进口平均流速U_t＝25m/s，计算可得：h＝s＝0.2mm，

当混流式水轮机的设计水头大于200m时，典型的转轮进口平均流速U_t＝35m/s,计算可得：h＝s＝0.1mm，

综合考虑加工精度和混流式水轮机应用范围，本发明提出了沟槽的加工尺寸：

水轮机设计水头小于100m时：h＝s＝0.3mm,

水轮机设计水头在100m～200m时：h＝s＝0.2mm，

水轮机设计水头大于200m时：h＝s＝0.1mm。

Claims (3)

1.采用沟槽减阻的混流式水轮机转轮，由上冠(1)，叶片(2)，下环(4)组成，其特征在于上冠上的过流表面由并列的第一沟槽(5)构成，叶片上的过流表面由并列的第二沟槽(3)构成，下环上的过流表面由并列的第三沟槽(6)构成，第一、二、三沟槽的方向为顺设计工况时的流线方向，第一、二、三沟槽的的结构为相同的对称V型结构(7)，沟槽的高度h为0.1-0.3mm，沟槽的宽度s为0.1mm-0.3mm。

2.按照权利要求1所述的采用沟槽减阻的混流式水轮机转轮，其特征在于沟槽的高度h和宽度s尺寸按下列公式计算：

水轮机设计水头小于100m时：h＝s＝0.3mm，

水轮机设计水头在100m-200m时：h＝s＝0.2mm,

水轮机设计水头大于200m时：h＝s＝0.1mm。

3.按照权利要求1所述的采用沟槽减阻的混流式水轮机转轮，其特征在于上冠(1)、叶片(2)、下环(4)的过流表面的横截面为锯齿形。