CN106121893B - 一种吸收水能的叶轮系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸收水能的叶轮系统，包括沿横轴安装的横轴叶轮叶片、沿竖轴安装的竖轴叶轮叶片、汇流罩、渐扩式弯肘管道以及导流罩，所述渐扩式弯肘管道的截面为面积逐渐增大的圆形，所述渐扩式弯肘管道包括水平段和竖直段，所述汇流罩设置在所述水平段的入口前端，所述横轴叶轮叶片设置在所述水平段的入口内，所述竖轴叶轮叶片设置在所述竖直段的出口，所述导流罩设置所述竖直段圆形截面的中心且位于所述竖轴叶轮叶片前端。本发明叶轮系统不但可以很好地吸收水流的动能，也对水轮机尾流的能量进行回收，提高了水能的利用效率。

Description

一种吸收水能的叶轮系统

技术领域

本发明涉及水力发电领域，特别是涉及水轮机尾流能量回收利用的发电领域。

背景技术

随着经济的高速发展，能源的需求量与日俱增，特别在电力行业经常会出现电力供应不足的现象，所以充分利用能源十分必要，水能作为清洁能源已得到广泛的应用。水轮机是利用水力资源作能量转换的一种机械装置，实际运行时，水流经过转轮，在转动平面后方形成与叶片转动方向相反的尾流漩涡，储存一定能量。但一般情况，尾流不会再进行处理，直接由尾水管排出，其能量没有得到有效利用，造成了浪费。

转动参考系中，运动物体将受到科氏力的作用。在北半球，作用力方向为沿运动方向向左，南半球则相反。水平面旋转的漩涡本身具有一定的角动量，水向下流失，质量减小，而为了保持原有的角动量，角速度就会变大。以上两种因素共同作用下,水平面的漩涡速度增大。

水力发电本身就存在尾流能量不能有效利用的现象，这是由于尾水管的布置方式受到限制，没有形成利于尾流漩涡储存及增加能量的环境。

本发明利用地球科氏力使水平漩涡旋转速度加快这一特性，提供了一种对水轮机尾流能量回收的转动系统，来提高水能的利用效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供了一种用于水轮机的叶轮系统，充分吸收水流动能和水轮机尾流能量，解决了现有水轮机尾流能量浪费的问题。

本发明所采用的技术方案是：

一种吸收水能的叶轮系统，包括沿横轴安装的横轴叶轮叶片、沿竖轴安装的竖轴叶轮叶片、汇流罩、渐扩式弯肘管道以及导流罩，所述渐扩式弯肘管道的截面为面积逐渐增大的圆形，所述渐扩式弯肘管道包括水平段和竖直段，所述汇流罩设置在所述水平段的入口前端，所述横轴叶轮叶片设置在所述水平段的入口内，所述竖轴叶轮叶片设置在所述竖直段的出口，所述导流罩设置所述竖直段圆形截面的中心且位于所述竖轴叶轮叶片前端。

所述横轴叶轮叶片采用厚度为8％～30％弦长的翼型，叶片呈细长型；所述竖轴叶轮叶片采用厚度为小于8％弦长的薄翼型，叶片整体呈扁平宽大形。

所述渐扩式弯肘管道还包括一中间连接过渡段，该中间连接过渡段位于所述水平段和竖直段之间，水平段和竖直段的中心线成90°。

所述横轴叶轮叶片在北半球，当横轴叶轮叶片转到最上方时，横轴叶轮叶片的前缘在右侧，横轴叶轮叶片的尾缘在左侧；所述横轴叶轮叶片在南半球，当横轴叶轮叶片转到最上方时，横轴叶轮叶片的前缘在左侧，横轴叶轮叶片的尾缘在右侧；所述竖轴叶轮叶片在北半球，正视竖轴叶轮叶片，当竖轴叶轮叶片转到最上方时，竖轴叶轮叶片的前缘在左侧，尾缘在右侧，且在高度方向前缘在尾缘的右上方；所述竖轴叶轮叶片在南半球，正视竖轴叶轮叶片，当竖轴叶轮叶片转到最上方时，竖轴叶轮叶片的前缘在右侧，尾缘在左侧，在高度方向前缘在尾缘的左上方。

所述横轴叶轮叶片安装于水平放置的轮毂上，所述轮毂安装在渐扩式弯肘管道和汇流罩连接处；所述竖轴叶轮叶片安装在渐扩式弯肘管道竖直段内的竖轴上。

所述导流罩最大半径处的竖直段内的环形水流流动截面积小于汇流罩的圆形截面积。

本发明叶轮系统的发电原理为，水流由缩口的汇流罩进入渐扩式弯肘管道，当水流过横轴叶轮叶片时，由于采用风力机翼型结构，翼型产生攻角和升力，进而转化成切向力矩，驱动横轴叶轮叶片旋转，此时横轴叶轮叶片吸收了水流动时产生的动能。受旋转横轴叶轮叶片反作用，离开横轴叶轮叶片的尾流以一定角速度、和与横轴叶轮叶片旋转相反的方向旋转远离横轴叶轮叶片。横轴叶轮叶片转动规律是：翼型呈圆弧形的前缘带动呈尖尾巴的后缘转动。以此转动规律为设计标准，在本发明中，正视风轮旋转平面，横轴叶轮叶片为瞬时针旋转，其形成的尾流以逆时针旋转离开横轴叶轮叶片并形成不稳定的流场。尾流由于一定的角速度旋转也具有一定的动能。采用渐扩式的管道结构。经90°转弯的弯肘管道引流，旋转的尾流旋涡轴线发生90°的改变，尾流旋转平面由垂直面变为水平面，尾流继续在渐扩式弯肘管道中稳流和加速。在竖直段内，尾流漩涡受到地球科氏力和重力的影响，尾流逆时针旋转的角速度加大，旋转动能加大。受导流罩的影响，水流向竖轴叶轮叶片的四周分布，由于截面积减小，旋转速度进一步加大。旋转流动的水流冲击竖轴叶轮叶片，产生攻角及切向力矩，与竖轴叶轮叶片进行动量交换，推动其旋转，进而把横轴水轮机的尾流和地球科氏力和重力综合产生的能量进行了利用。

在北半球，地球科氏力影响水流以逆时针的方向旋转并向下流，而在南半球则相反。为此本发明中，如果横轴叶轮叶片设计的旋转方向是顺时针旋转，而竖轴叶轮叶片旋转的方向是逆时针；在南半球则正好相反。

水流经过横轴叶轮叶片后，形成与横轴叶轮叶片旋转方向相反的尾流漩涡。由连续性方程和伯努利方程，漩涡形状呈逐渐扩散状态，由渐扩式弯肘管道引导改变尾流漩涡的流场方向，从而保护其流场完整性及能量水平。

与现有技术相比，本发明叶轮系统，通过设置在横轴的横轴叶轮叶片吸收水流水平方向上的动能，尾流并在横轴叶轮叶片后端产生旋流，在渐扩式弯肘管道内进一步对产生的旋流进行稳流和加速，从而提高尾流对竖轴叶轮叶片的驱动力，从而实现尾流的能量的吸收，达到水能的最大化吸收。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为本发明转轮转动方向及水流方向示意图；

图4为尾流漩涡在立轴转动叶轮叶片上的水流作用力示意图，为立轴转动叶轮的俯视图。

图5为横轴转动叶轮叶片的剖面图。

图6为立轴转动叶轮叶片的剖面图。

图中：1转轮支架；2轮毂；3横轴叶轮叶片；4汇流罩；5渐扩式弯肘管道；6导流罩；7竖轴叶轮叶片；8轮毂；9竖轴。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括了转轮支架1、轮毂2、横轴叶轮叶片3和汇流罩4。转轮支架1安装在汇流罩4连接处，轮毂2上安装横轴叶轮叶片3，并与转轮支架1相连接。横轴叶轮叶片3采用风力机翼型断面结构，横轴叶轮叶片宽度由水流速度和叶片数来确定。渐扩式弯肘管道5，由水平段、竖直段和中间连接过渡段构成，水平段和竖直段的中心线成90°弯角，两者通过中间连接过渡段平滑过渡，其中水平段的前端置有横轴叶轮叶片3，竖直段的尾部置有竖轴叶轮叶片7。水流入口为缩口的汇流罩4，管道形状自横轴叶轮叶片3转动平面之后保持渐扩状态。竖直方向上安装的竖轴叶轮叶片7，竖轴9有相同旋转中心线。竖轴叶轮叶片7形状及安置角度由尾流漩涡的切线速度决定。

来流由汇流罩4进入管道前端，对横轴叶轮叶片3进行冲击，叶片产生升力，叶片前缘带动尾缘而顺时针转动。在反作用力的影响下，叶片后的尾流成逆时针方向旋转，且继续向下游前进。该旋转尾流由渐扩式弯肘管道5的90°弯角引导，由沿水平方向逆时针旋转前进改变为沿垂直方向逆势针旋转。在北半球科氏力影响下，逆时针转速加大，旋转动能加大；在重力的影响下，旋转速度进一步加大；在导流罩6的影响下，由于此时其流通面积逐渐减小，流速进一步加大；具有一定旋转速度的尾流，冲击竖轴转轮的具有一定安装角的扁平叶片，叶片也会产生升力，带动竖轴转动。

如图2正视图所示，在北半球，叶片采用前缘在右侧，尾缘在左侧的安装方式；如横轴叶轮叶片3所示，叶片右侧为前缘，且呈直线；而左侧呈曲线形。在水流流动作用下，横轴叶轮叶片3右侧带动左侧旋转，最终叶片顺时针旋转，形成如图1所示的逆时针旋转的尾流。

如图2所示，竖轴叶轮叶片7安装存在一定的向右上方的倾斜角，其中右上方为竖轴叶轮叶片7的前缘，左下方为竖轴叶轮叶片7的后缘。在水流的作用下，右上方带动左下方旋转，呈逆时针方向。

如图3所示，转轮支架1尺寸较小且安装方向与来流方向相互垂直，故不会削减来流速度并对原流场分布造成大程度的破坏。根据来流方向及图2中横轴叶轮叶片3布置方式，横轴叶轮叶片3将以顺时针方向旋转(以图2视图角度观察)，旋转平面后方形成逆时针的尾流漩涡(以图2视图角度观察)。经过渐扩式弯肘管道的90°弯角作用，漩涡中心轴线由水平方向转变为垂直方向。漩涡维持逆时针旋转方向作用在竖轴叶轮叶片7上，推动转轮同样以逆时针方向旋转(以图4视图角度观察)。横轴叶轮旋转方向为顺时针(以图2视图角度观察)，弯肘管道水平段、竖直段的尾流漩涡方向为逆时针(分别以图2、图4视图角度观察)，竖轴叶轮的旋转方向为逆时针(以图4视图角度观察)。以上针对布置在北半球的系统成立，对于南半球，叶片安置方向、叶轮旋转方向、尾流漩涡旋转方向均与上述相反。

如图4所示，逆时针的水流冲击竖轴转动叶轮叶片，产生攻角及切向力矩，与叶片进行动量交换，推动其旋转，叶轮旋转方向与水平面漩涡方向相同，为逆时针(以图4视图角度观察，标箭头旋线部分为外线)。

如图5所示，横轴转动叶轮的叶片采用翼型结构，其右侧为圆弧形，为前缘；左侧为尖尾形，为尾缘；在流体的作用下，前缘带动尾缘旋转。

如图6所示，竖轴转动叶轮为轴流转桨式结构，叶片采用弯曲不大的薄翼，叶片扁平，其右侧也为圆弧形，为前缘；左侧为尖尾形，为尾缘；在流体的作用下，前缘带动尾缘旋转。

Claims (6)

1.一种吸收水能的叶轮系统，其特征在于：包括沿横轴安装的横轴叶轮叶片、沿竖轴安装的竖轴叶轮叶片、汇流罩、渐扩式弯肘管道以及导流罩，所述渐扩式弯肘管道的截面为面积逐渐增大的圆形，所述渐扩式弯肘管道包括水平段和竖直段，所述汇流罩设置在所述水平段的入口前端，所述横轴叶轮叶片设置在所述水平段的入口内，所述竖轴叶轮叶片设置在所述竖直段的出口，所述导流罩设置所述竖直段圆形截面的中心且位于所述竖轴叶轮叶片前端。

2.根据权利要求1所述的叶轮系统，其特征在于：所述横轴叶轮叶片采用厚度为8％～30％弦长的翼型，叶片呈细长型；所述竖轴叶轮叶片采用厚度为小于8％弦长的薄翼型，叶片整体呈扁平宽大形。

3.根据权利要求1所述的叶轮系统，其特征在于：所述渐扩式弯肘管道还包括一中间连接过渡段，该中间连接过渡段位于所述水平段和竖直段之间，水平段和竖直段的中心线成90°。

4.根据权利要求1所述的叶轮系统，其特征在于：所述横轴叶轮叶片在北半球，当横轴叶轮叶片转到最上方时，横轴叶轮叶片的前缘在右侧，横轴叶轮叶片的尾缘在左侧；所述横轴叶轮叶片在南半球，当横轴叶轮叶片转到最上方时，横轴叶轮叶片的前缘在左侧，横轴叶轮叶片的尾缘在右侧；所述竖轴叶轮叶片在北半球，正视竖轴叶轮叶片，当竖轴叶轮叶片转到最上方时，竖轴叶轮叶片的前缘在左侧，尾缘在右侧，且在高度方向前缘在尾缘的右上方；所述竖轴叶轮叶片在南半球，正视竖轴叶轮叶片，当竖轴叶轮叶片转到最上方时，竖轴叶轮叶片的前缘在右侧，尾缘在左侧，在高度方向前缘在尾缘的左上方。

5.根据权利要求1所述的叶轮系统，其特征在于：所述横轴叶轮叶片(3)安装于水平放置的轮毂(2)，所述轮毂(2)安装在渐扩式弯肘管道(5)和汇流罩(4)连接处；所述竖轴叶轮叶片(7)安装在渐扩式弯肘管道(5)竖直段内的竖轴(9)上。

6.根据权利要求1所述的叶轮系统，其特征在于：所述导流罩最大半径处的竖直段内的环形水流流动截面积小于汇流罩的圆形截面积。