CN105927458B - 一种超低水头倒灌式钟型水轮机 - Google Patents

一种超低水头倒灌式钟型水轮机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超低水头倒灌式钟型水轮机，包括导流机构、转轮室、转轮、水轮机转轴和虹吸式尾水管；导流机构包括內罩、外罩和固定导叶，外罩同轴套装在內罩的外周，且外罩呈钟型；固定导叶倾斜设置在內罩与外罩之间；转轮室的底部与外罩顶部固定连接，转轮室的顶部与虹吸式尾水管固定连接；转轮倒置安装在转轮室内，转轮包括轮毂和安装在轮毂上的若干个转轮叶片；轮毂的底部与內罩顶部固定连接，轮毂的顶部与水轮机转轴固定连接。采用上述结构后，能较好保证水流流态和机组出力；采用虹吸式尾水管能减少不必要的土建投资，避免厂房的建设投入。另外，结构简单，尺寸较小，安装方便，能够有效利用超低水头资源。

Description

一种超低水头倒灌式钟型水轮机
技术领域
本发明涉及一种利用超低水头可再生能源发电的倒灌钟型水轮机，属于流体机械及水电工程设备技术领域；特别是一种超低水头倒灌式钟型水轮机。
背景技术
能源是人类生存和经济发展的基础，然而随着世界经济的高速发展，人类社会对能源的需求不断增长，能源短缺、环境污染以及生态恶化等问题也逐渐加深。当今社会，人类能源消费过度依赖煤炭、石油、天然气等不可再生能源，为了不断优化我国能源结构，可再生能源的开发利用变得尤为重要。
我国水力资源非常丰富，居世界首位，水电是清洁的可再生能源，在我国能源消费结构中比重较大。由于中高水头资源的开发常伴随着较大的淹没损失与移民拆迁费用，且已逐渐开发待尽，发展小水电变得非常重要。我国的低水头资源主要分布在我国东南等经济发达，人口密集的地区。由于低水头电站拥有建设投资少，工期短且资源分散，对环境的负影响较小等优势，已经得到广泛重视。
传统的电站常采用尾水管下置的配置方式，这种配置方式常会带来较大的土建工程，当对超低水头进行开发利用时，采用传统水轮机下置的配置方式会受到空间和资金的限制，而采用具有上置的虹吸尾水管的水轮机可以最大程度的避免此类问题，该发明可以将尾水管固定于已有的挡水建筑物，此外采用钟型导流机构在获得较好流态的同时可以减小土建投资，采用倾斜式固定导叶的形式在保证机组出力的同时能减少建设投资和对鱼类的伤害。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种超低水头倒灌式钟型水轮机，该超低水头倒灌式钟型水轮机结构简单、尺寸小巧、安装方便、资源利用率高、投资低和与鱼类友好。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种超低水头倒灌式钟型水轮机，包括导流机构、转轮室、转轮、水轮机转轴和虹吸式尾水管。
导流机构包括內罩、外罩和固定导叶，外罩同轴套装在內罩的外周，且外罩呈钟型；固定导叶倾斜设置在內罩与外罩之间。
转轮室的底部与外罩顶部固定连接，转轮室的顶部与虹吸式尾水管固定连接。
转轮倒置安装在转轮室内，转轮包括轮毂和安装在轮毂上的若干个转轮叶片。
轮毂的底部与內罩顶部固定连接，轮毂的顶部与水轮机转轴固定连接。
外罩的曲面母线由三段不同曲率的圆弧构成，三段圆弧的半径r1、r2、r3与转轮直径D1的比值分别为0.768～0.774、0.853～0.859、0.307～0.313；外罩进口直径d1与转轮直径D1的比值为1.539～1.545；外罩出口直径d2与转轮直径D1的比值为0.994～1.000；内罩的曲面母线也由三段不同曲率的圆弧构成，三段圆弧的半径r4、r5、r6与转轮直径D1的比值分别为1.197～1.203、0.802～0.808、0.503～0.509；内罩进口直径d3与转轮直径D1的比值为0.354～0.360，内罩出口直径d4与转轮直径D1的比值为0.256～0.262。
每个转轮叶片均由空间截面Span＝0、0.25、0.50、0.75、1.0处的5个不同翼型拟合而成。
假设转轮叶片的每个翼型中心线角度为γ，中心线与转轮叶片上侧的距离为f，翼型厚度为2·f，翼型上某点占翼型中心线长度的比例为x％，其中进水边处x＝0，出水边处x＝100；则：
Span＝0处翼型的中心线角度满足方程γ＝0.0016x2+0.2317x+9.9892，翼型厚度的二分之一满足方程f＝-0.0146x2+1.4657x+3.5214。
Span＝0.25处翼型的中心线角度满足方程γ＝0.0002x2+0.226x+34.53，翼型厚度的二分之一满足方程f＝3E-05x3-0.0177x2+1.4219x+5.0107。
Span＝0.5处翼型的中心线角度满足方程γ＝-0.0002x2+0.1587x+49.866，翼型厚度的二分之一满足方程f＝7E-05x3-0.021x2+1.4061x+5.2925。
Span＝0.75处翼型的中心线角度满足方程γ＝-0.0001x2+0.0968x+59.513，翼型厚度的二分之一满足方程f＝8E-05x3-0.0211x2+1.2914x+5.155。
Span＝1.0处翼型的中心线角度满足方程γ＝-9E-05x2+0.052x+65.854，翼型厚度的二分之一满足方程f＝8E-05x3-0.0194x2+1.1216x+4.6394。
每个固定导叶的中心线与內罩的中心轴线之间所呈的夹角为72度°。
所述转轮室由曲面和锥面构成，转轮室进水侧直径即外罩出口直径d2与转轮直径D1的比值为0.994～1.000，转轮室出水侧直径d5与转轮直径D1的比值为1.037～1.043；曲面母线圆弧的半径r10与转轮直径D1的比值为1.764～1.770，锥面高度h1与转轮直径D1的比值为0.207～0.213。
所述轮毂由三段不同曲率的曲面构成，三段曲面母线的半径r7、r8、r9与转轮直径D1的比值分别为0.979～0.985、1.025～1.031、1.239～1.245，轮毂出水侧直径d6与转轮直径D1的比值为0.138～0.144。
所述虹吸式尾水管沿着水流方向依次包括上升段、弯肘A段、扩散段、弯肘B段和下降段；弯肘B段上设置有真空破坏阀。
上升段与转轮室的交界面为A-A，上升段与弯肘A段的交界面为B-B，弯肘A段与扩散段的交界面为C-C，扩散段与弯肘B段的交界面为D-D，弯肘B段与下降段的交界面为E-E，尾水管出口断面为F-F；则各交界面参数如下，A-A截面与B-B截面均为圆环面，该圆环面的外圆直径即转轮室出水侧直径d5与转轮直径D1的比值为1.037～1.043，圆环面的内圆直径即轮毂出水侧直径d6与转轮直径D1的比值为0.138～0.144；C-C截面为椭圆面，椭圆的短轴L1与转轮直径D1的比值为0.884～0.890，椭圆的长轴L2与转轮直径D1的比值为1.034～1.040；D-D截面为圆角矩形，D-D截面的圆角半径R1与转轮直径D1的比值为0.396～0.402，矩形宽L3与转轮直径D1的比值为0.884～0.890，矩形长L4与转轮直径D1的比值为1.831～1.837；E-E截面也为圆角矩形，E-E截面的圆角半径R2与转轮直径D1的比值为0.242～0.248，矩形宽L5与转轮直径D1的比值为1.079～1.085，矩形长L6与转轮直径D1的比值为1.911～1.917；F-F截面为直角矩形，其中，直角矩形的矩形宽L7与转轮直径D1的比值为1.131～1.137，矩形长L8与转轮直径D1的比值为1.951～1.957。
本发明采用上述结构后，具有如下有益效果：
1、本发明导流机构呈钟型，不同工况下采用该发明导流机构时导流机构水力损失在0.025m～0.032m之间，水流轴向流入导流机构，没有发生方向变化，且由于进口较大，既保证了较好的流态有保证了装置流量(即保证了出力)，固定导叶数量少且呈倾斜式布置，对鱼类伤害较小。
2、本发明所设计的转轮叶片具有较强的做功能力，不同工况下，转轮处损失在0.07m～0.14m之间。
3、本发明转轮呈倒置形式布置，安装真空破坏阀用于虹吸流的建立与断流。
4、本发明所设计的虹吸式尾水管截面按最优的流速递减规律横向扩散，具有很好地回收动能的作用，不同工况下，尾水管的水力损失在0.18m～0.28m之间。
5、本发明尾水管呈虹吸式，可以利用已有的挡水建筑物，有效减小了土建开挖工程。
6、较传统水轮机，本发明具有结构简单、尺寸小巧、安装方便、资源利用率高、投资低和鱼类友好等特点，且能够很好地利用超低水头资源，尤其是水头在2m左右情况，均可采用本发明的水轮机进行水力发电。
附图说明
图1是本发明一种超低水头倒灌式钟型水轮机的结构示意图。
图2是本发明的导流机构示意图。
图3是本发明的转轮示意图。
图4是本发明的转轮室示意图。
图5是本发明的转轮叶片的翼型位置参数定义图。
图6是本发明的转轮叶片的翼型参数定义图。
图7是本发明的转轮叶片的翼型形状示意图。
图8是本发明的虹吸式尾水管结构示意图。
图9是本发明虹吸式尾水管的截面形状示意图。
图10显示了本发明转轮叶片的翼型压力载荷分布图。
图中：1、外罩；2、内罩；3、固定导叶；4、转轮室；5、轮毂；6、转轮叶片；7、水轮机转轴；8、上升段；9、弯肘A段；10、扩散段；11、弯肘B段；12、下降段；13、真空破坏阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种超低水头倒灌式钟型水轮机，包括导流机构、转轮室4、转轮、水轮机转轴7和虹吸式尾水管。
导流机构包括內罩2、外罩1和固定导叶3。
外罩同轴套装在內罩的外周，且外罩呈钟型，水流轴向流入导流机构，没有发生方向变化，且由于进口较大，既保证了较好的流态有保证了装置流量(即保证了出力)。
如图2所示，外罩的曲面母线由三段不同曲率的圆弧构成，三段圆弧的半径r1、r2、r3与转轮直径D1的比值分别为0.768～0.774、0.853～0.859、0.307～0.313；外罩进口直径d1与转轮直径D1的比值为1.539～1.545；外罩出口直径d2与转轮直径D1的比值为0.994～1.000；内罩的曲面母线也由三段不同曲率的圆弧构成，三段圆弧的半径r4、r5、r6与转轮直径D1的比值分别为1.197～1.203、0.802～0.808、0.503～0.509；内罩进口直径d3与转轮直径D1的比值为0.354～0.360，内罩出口直径d4与转轮直径D1的比值为0.256～0.262。
固定导叶倾斜设置在內罩与外罩之间，每个固定导叶的中心线与內罩的中心轴线之间所呈的夹角优选为72度°。
不同工况下采用该发明导流机构时导流机构水力损失在0.025m～0.032m之间，充分体现钟型导流机构水力损失少，流态好的特点。另外，既能保证出力又对鱼类伤害小。
转轮室的底部与外罩顶部固定连接，转轮室的顶部与虹吸式尾水管固定连接。
如图4所示，转轮室由曲面和锥面构成，转轮室进水侧直径即外罩出口直径d2与转轮直径D1的比值为0.994～1.000，转轮室出水侧直径d5与转轮直径D1的比值为1.037～1.043；曲面母线圆弧的半径r10与转轮直径D1的比值为1.764～1.770，锥面高度h1与转轮直径D1的比值为0.207～0.213。
如图1和图3所示，转轮倒置安装在转轮室内，转轮包括轮毂5和安装在轮毂上的若干个转轮叶片6，转轮叶片6的数量优选为3-5个。
轮毂的底部与內罩顶部固定连接，轮毂的顶部与水轮机转轴固定连接。
上述轮毂由三段不同曲率的曲面构成，三段曲面母线的半径r7、r8、r9与转轮直径D1的比值分别为0.979～0.985、1.025～1.031、1.239～1.245，轮毂出水侧直径d6与转轮直径D1的比值为0.138～0.144。
如图5所示，每个转轮叶片均由空间截面Span＝0、0.25、0.50、0.75、1.0处的5个不同翼型拟合而成，其中Span＝0为轮毂处截面，Span＝1.0为轮缘处截面。
如图6所示，假设转轮叶片的每个翼型中心线角度为γ，中心线与转轮叶片上侧的距离为f，翼型厚度为2·f，翼型上某点占翼型中心线长度的比例为x％，其中进水边处x＝0，出水边处x＝100；则如图7所示：
Span＝0处翼型的中心线角度满足方程γ＝0.0016x2+0.2317x+9.9892，翼型厚度的二分之一满足方程f＝-0.0146x2+1.4657x+3.5214。
Span＝0.25处翼型的中心线角度满足方程γ＝0.0002x2+0.226x+34.53，翼型厚度的二分之一满足方程f＝3E-05x3-0.0177x2+1.4219x+5.0107。
Span＝0.5处翼型的中心线角度满足方程γ＝-0.0002x2+0.1587x+49.866，翼型厚度的二分之一满足方程f＝7E-05x3-0.021x2+1.4061x+5.2925。
Span＝0.75处翼型的中心线角度满足方程γ＝-0.0001x2+0.0968x+59.513，翼型厚度的二分之一满足方程f＝8E-05x3-0.0211x2+1.2914x+5.155。
Span＝1.0处翼型的中心线角度满足方程γ＝-9E-05x2+0.052x+65.854，翼型厚度的二分之一满足方程f＝8E-05x3-0.0194x2+1.1216x+4.6394。
设计工况(转速为195r/min，水轮机工作水头为2.00m)时，五个翼型上的压力载荷分布如图10所示较为均匀，其中不同工况下采用该发明转轮时转轮损失仅在0.07m～0.14m之间。
在图10中，横坐标为顺气流方向翼型长度的相对值，纵坐标表示压力载荷，单位为Pa。
如图1、图8和图9所示，上述虹吸式尾水管沿着水流方向依次包括上升段8、弯肘A段9、扩散段10、弯肘B段11和下降段12；弯肘B段上设置有真空破坏阀13。
上升段与转轮室的交界面为A-A，上升段与弯肘A段的交界面为B-B，弯肘A段与扩散段的交界面为C-C，扩散段与弯肘B段的交界面为D-D，弯肘B段与下降段的交界面为E-E，尾水管出口断面为F-F；则各交界面参数如下，A-A截面与B-B截面均为圆环面，该圆环面的外圆直径即转轮室出水侧直径d5与转轮直径D1的比值为1.037～1.043，圆环面的内圆直径即轮毂出水侧直径d6与转轮直径D1的比值为0.138～0.144；C-C截面为椭圆面，椭圆的短轴L1与转轮直径D1的比值为0.884～0.890，椭圆的长轴L2与转轮直径D1的比值为1.034～1.040；D-D截面为圆角矩形，D-D截面的圆角半径R1与转轮直径D1的比值为0.396～0.402，矩形宽L3与转轮直径D1的比值为0.884～0.890，矩形长L4与转轮直径D1的比值为1.831～1.837；E-E截面也为圆角矩形，E-E截面的圆角半径R2与转轮直径D1的比值为0.242～0.248，矩形宽L5与转轮直径D1的比值为1.079～1.085，矩形长L6与转轮直径D1的比值为1.911～1.917；F-F截面为直角矩形，其中，直角矩形的矩形宽L7与转轮直径D1的比值为1.131～1.137，矩形长L8与转轮直径D1的比值为1.951～1.957。
设计工况(转速为195r/min，水轮机工作水头为2.00m)时，尾水管的水力损失为0.24m，其中六个截面的平均速度分别为4.05m/s、3.96m/s、3.66m/s、2.25m/s、1.68m/s、1.51m/s，尾水管各截面平均流速沿流线方向逐渐减小，在C-C段到D-D段由于设计的截面横向扩散，截面逐渐变大所以平均流速按一定规律下降，尾水管起到较好的回收能量的作用。
以下是几个具体算例：
例1，设水轮机转轮直径D1为1.0m，转轮额定转速为195r/min，水轮机工作水头为1.50m，水轮机实测流量为2.94m3/s，出力为37.96kW，水轮机效率为87.75％；
例2，设水轮机转轮直径D1为1.0m，转轮额定转速为195r/min，水轮机工作水头为1.75m，水轮机实测流量为3.06m3/s，出力为46.09kW，水轮机效率为87.74％；
例3，设水轮机转轮直径D1为1.0m，转轮额定转速为195r/min，水轮机工作水头为2.00m，水轮机实测流量为3.19m3/s，出力为54.51kW，水轮机效率为87.10％；
例4，设水轮机转轮直径D1为1.0m，转轮额定转速为195r/min，水轮机工作水头为2.25m，水轮机实测流量为3.30m3/s，出力为62.56kW，水轮机效率为85.89％；
例5，设水轮机转轮直径D1为0.8m，转轮额定转速为244r/min，水轮机工作水头为2.00m，水轮机实测流量为2.04m3/s，出力为34.58kW，水轮机效率为86.40％；
例6，设水轮机转轮直径D1为1.2m，转轮额定转速为195r/min，水轮机工作水头为2m，水轮机实测流量为4.60m3/s，出力为78.54kW，水轮机效率为87.03％。
通过以上算例可以看出，本发明在1.50m～2.25m的水头范围内不同流量工况下，均能保证较高的效率，且直径越大，效率越高，能够达到充分利用超低水头资源的作用。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种超低水头倒灌式钟型水轮机，其特征在于：包括导流机构、转轮室、转轮、水轮机转轴和虹吸式尾水管；
导流机构包括內罩、外罩和固定导叶，外罩同轴套装在內罩的外周，且外罩呈钟型；固定导叶倾斜设置在內罩与外罩之间；
转轮室的底部与外罩顶部固定连接，转轮室的顶部与虹吸式尾水管固定连接；
转轮倒置安装在转轮室内，转轮包括轮毂和安装在轮毂上的若干个转轮叶片；
轮毂的底部与內罩顶部固定连接，轮毂的顶部与水轮机转轴固定连接；每个转轮叶片均由空间截面Span＝0、0.25、0.50、0.75、1.0处的5个不同翼型拟合而成，其中Span＝0为轮毂处截面，Span＝1.0为轮缘处截面；假设转轮叶片的每个翼型中心线角度为γ，中心线与转轮叶片上侧的距离为f，翼型厚度为2·f，翼型上某点占翼型中心线长度的比例为x％，其中进水边处x＝0，出水边处x＝100；则：
Span＝0处翼型的中心线角度满足方程γ＝0.0016x2+0.2317x+9.9892，翼型厚度的二分之一满足方程f＝-0.0146x2+1.4657x+3.5214；
Span＝0.25处翼型的中心线角度满足方程γ＝0.0002x2+0.226x+34.53，翼型厚度的二分之一满足方程f＝3E-05x3-0.0177x2+1.4219x+5.0107；
Span＝0.5处翼型的中心线角度满足方程γ＝-0.0002x2+0.1587x+49.866，翼型厚度的二分之一满足方程f＝7E-05x3-0.021x2+1.4061x+5.2925；
Span＝0.75处翼型的中心线角度满足方程γ＝-0.0001x2+0.0968x+59.513，翼型厚度的二分之一满足方程f＝8E-05x3-0.0211x2+1.2914x+5.155；
Span＝1.0处翼型的中心线角度满足方程γ＝-9E-05x2+0.052x+65.854，翼型厚度的二分之一满足方程f＝8E-05x3-0.0194x2+1.1216x+4.6394。
2.根据权利要求1所述的超低水头倒灌式钟型水轮机，其特征在于：外罩的曲面母线由三段不同曲率的圆弧构成，三段圆弧的半径r1、r2、r3与转轮直径D1的比值分别为0.768～0.774、0.853～0.859、0.307～0.313；外罩进口直径d1与转轮直径D1的比值为1.539～1.545；外罩出口直径d2与转轮直径D1的比值为0.994～1.000；内罩的曲面母线也由三段不同曲率的圆弧构成，三段圆弧的半径r4、r5、r6与转轮直径D1的比值分别为1.197～1.203、0.802～0.808、0.503～0.509；内罩进口直径d3与转轮直径D1的比值为0.354～0.360，内罩出口直径d4与转轮直径D1的比值为0.256～0.262。
3.根据权利要求1所述的超低水头倒灌式钟型水轮机，其特征在于：每个固定导叶的中心线与內罩的中心轴线之间所呈的夹角为72度。
4.根据权利要求1所述的超低水头倒灌式钟型水轮机，其特征在于：所述转轮室由曲面和锥面构成，转轮室进水侧直径即外罩出口直径d2与转轮直径D1的比值为0.994～1.000，转轮室出水侧直径d5与转轮直径D1的比值为1.037～1.043；曲面母线圆弧的半径r10与转轮直径D1的比值为1.764～1.770，锥面高度h1与转轮直径D1的比值为0.207～0.213。
5.根据权利要求1所述的超低水头倒灌式钟型水轮机，其特征在于：所述轮毂由三段不同曲率的曲面构成，三段曲面母线的半径r7、r8、r9与转轮直径D1的比值分别为0.979～0.985、1.025～1.031、1.239～1.245，轮毂出水侧直径d6与转轮直径D1的比值为0.138～0.144。
6.根据权利要求1所述的超低水头倒灌式钟型水轮机，其特征在于：所述虹吸式尾水管沿着水流方向依次包括上升段、弯肘A段、扩散段、弯肘B段和下降段；弯肘B段上设置有真空破坏阀。
7.根据权利要求6所述的超低水头倒灌式钟型水轮机，其特征在于：上升段与转轮室的交界面为A-A，上升段与弯肘A段的交界面为B-B，弯肘A段与扩散段的交界面为C-C，扩散段与弯肘B段的交界面为D-D，弯肘B段与下降段的交界面为E-E，尾水管出口断面为F-F；则各交界面参数如下，A-A截面与B-B截面均为圆环面，该圆环面的外圆直径即转轮室出水侧直径d5与转轮直径D1的比值为1.037～1.043，圆环面的内圆直径即轮毂出水侧直径d6与转轮直径D1的比值为0.138～0.144；C-C截面为椭圆面，椭圆的短轴L1与转轮直径D1的比值为0.884～0.890，椭圆的长轴L2与转轮直径D1的比值为1.034～1.040；D-D截面为圆角矩形，D-D截面的圆角半径R1与转轮直径D1的比值为0.396～0.402，矩形宽L3与转轮直径D1的比值为0.884～0.890，矩形长L4与转轮直径D1的比值为1.831～1.837；E-E截面也为圆角矩形，E-E截面的圆角半径R2与转轮直径D1的比值为0.242～0.248，矩形宽L5与转轮直径D1的比值为1.079～1.085，矩形长L6与转轮直径D1的比值为1.911～1.917；F-F截面为直角矩形，其中，直角矩形的矩形宽L7与转轮直径D1的比值为1.131～1.137，矩形长L8与转轮直径D1的比值为1.951～1.957。
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