CN106870244B - 一种带圆弧螺旋形叶片的冷却塔用双转轮水轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带圆弧螺旋形叶片的冷却塔用双转轮水轮机，包括蜗壳(1)、导水机构(2)、基础转轮(3)、出水管(7)、支撑板(8)、主轴(9)、轴承组件(10)、风扇(11)，其特征在于，还包括增能转轮(4)、所述增能转轮(4)位于基础转轮(3)的出水口下方，增能转轮(4)通过法兰与基础转轮(3)连接；增能转轮(4)包括圆弧螺旋形叶片(5)和圆管(6)，其中：所述圆弧螺旋形叶片(5)是根据圆弧螺旋线沿主轴(9)的轴向逐渐拉伸呈空间交叉扭曲形状并均匀分布设置在圆管6的周向内壁上。本发明能够解决水流能多次能量转换的难题，以实现对水流能的高效利用，提高冷却塔的冷却效果。

Description

一种带圆弧螺旋形叶片的冷却塔用双转轮水轮机
技术领域
本发明属于冷却塔用水轮机技术领域，特别是涉及一种带圆弧螺旋形叶片的冷却塔用冷却塔用双转轮水轮机。
背景技术
水动力冷却塔用水轮机是利用工业冷却塔循环水系统中的富余水头驱动冷却塔风机转动的水轮机。在当今节能减排、低碳生活、生态保护的时代背景下，具有无电力消耗特点的冷却塔用水轮机被列为工业节能减排的典型代表，其节能效果十分显著。
现有冷却塔用水轮机的机型大多选择超低比转速混流式水轮机，属于水轮机拓展应用的新生事物。但因冷却塔用水轮机的开发技术还不成熟，专业人员仍然按照用于传统水轮机理论来开发冷却塔用水轮机，导致水能转换率低，输出功率小，冷却塔的冷却效果不佳。
中国专利申请201310627136.0公开了一种“冷却塔专用蜗壳混流式水轮机组”，该水轮机组包括蜗壳混流式水轮机、上部的风机与下部的布水器三部分，虽然整个装置没有电力消耗、尺寸小、结构简单、运行维护方便，但还明显存在结构设计不够合理等问题，因此不具有对水能进行多次能量转换的功能。
中国专利申请201220494837.2公开了“一种双叶轮冷却塔水轮机”，该水轮机的进水管和机体连接为90度直角进水，并设两个叶轮，一个为死叶轮，一个为活叶轮。当水进入机体内，先进入死叶轮，然后由死叶轮向外喷水，从四周冲击活叶轮进行工作。虽然该装置具有结构简单、尺寸小、且没有电力消耗等优点，但存在的明显不足是无法实现对水能的多次能量转换，以达到对其高效利用和提高水轮机输出功率的目的。
综上所述，如何克服现有技术所存在的不足成为当今冷却塔用水轮机领域中亟待解决的重点难题之一。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术所存在的不足而提供一种带圆弧螺旋形叶片的冷却塔用水轮机，本发明能够解决水流能多次能量转换的难题，以实现对水流能的高效利用，提高冷却塔的冷却效果。
根据本发明提出的一种带圆弧螺旋形叶片的冷却塔用双转轮水轮机，包括蜗壳、导水机构、基础转轮、出水管、支撑板、主轴、轴承组件、风扇，其特征在于，还包括增能转轮、所述增能转轮位于基础转轮的出水口下方，增能转轮通过法兰与基础转轮连接；增能转轮包括圆弧螺旋形叶片和圆管，其中：所述圆弧螺旋形叶片是根据圆弧螺旋线沿主轴的轴向逐渐拉伸呈空间交叉扭曲形状并均匀分布设置在圆管的周向内壁上，以所述主轴为中心旋转面的圆弧螺旋形叶片的各截面的交点为原点建立坐标系，所述圆弧螺旋形叶片的中间截面型线特征点在直角坐标系下的位置参数如表1-4所示，其中：以M1、M2、M3、M4分别表示四条型线，x1、x2、x3、x4分别为四条型线的横坐标，y1、y2、y3、y4分别为四条型线的纵坐标；
表1：单位：mm
序号 M1Z-X1 M1Z-Y1 序号 M1F-X1 M1F-Y1
101 20.79 -34.17 111 16.64 -36.37
102 12.37 -38.04 112 7.82 -39.23
103 3.29 -39.86 113 -1.41 -39.98
104 -5.95 -39.56 114 -10.54 -38.59
105 -14.85 -37.14 115 -19.11 -35.14
106 -22.96 -32.76 116 -26.64 -29.84
107 -29.84 -26.64 117 -32.76 -22.96
108 -35.15 -19.09 118 -37.14 -14.84
109 -38.59 -10.49 119 -39.56 -5.9
110 -39.98 -1.28 120 -39.85 3.41
拟合后的两条曲线方程分别为：
M1的正面曲线方程：y＝2×10-5x4+0.0003x3+0.0035x2-0.0921x-39.286；
M1的反面曲线方程：y＝3×10-5x4+0.0008x3+0.004x2-0.2019x-39.536；
表2：单位：mm
拟合后的两条曲线方程分别为：
M2的正面曲线方程：y＝8×10-7x4+4×10-5x3+0.0009x2-0.1165x-117.85；
M2的反面曲线方程：y＝8×10-7x4+6×10-5x3+0.001x2-0.1461x-118；
表3：单位：mm
序号 M3Z-X3 M3Z-Y3 序号 M3F-X3 M3F-Y3
301 97.64 -174.55 311 95.56 -175.69
302 54.67 -192.38 312 52.37 -193.02
303 8.78 -199.81 313 6.39 -199.89
304 -37.52 -196.45 314 -39.88 -195.98
305 -81.78 -182.51 315 -83.96 -181.52
306 -121.59 -158.79 316 -123.49 -157.32
307 -154.85 -126.58 317 -156.36 -124.71
308 -179.79 -87.59 318 -180.84 -85.43
309 -195.11 -43.96 319 -195.63 -41.59
310 -199.99 2.03 320 -199.95 4.46
拟合后的两条曲线方程分别为：
M3的正面曲线方程：y＝2×10-7x4+2×10-5x3+0.0006x2-0.1257x-196.48；
M3的反面曲线方程:y＝2×10-7x4+2×10-5x3+0.0006x2-0.137x-196.56。
表4：单位：mm
序号 M4Z-X4 M4Z-Y4 序号 M4F-X4 M4F-Y4
401 144.63 -260.4 411 143.12 -261.18
402 80.72 -286.49 412 79.06 -286.9
403 12.57 -297.18 413 10.85 -297.19
404 -56.15 -291.85 414 -57.84 -291.51
405 -121.75 -270.94 415 -123.31 -270.18
406 -180.71 -235.46 416 -182.05 -234.35
407 -229.84 -187.32 417 -230.91 -185.98
408 -266.51 -129.28 418 -267.25 -127.67
409 -288.76 -64.31 419 -289.12 -62.58
410 -295.39 4.01 420 -295.35 5.78
拟合后的两条曲线方程分别为：
M4的正面曲线方程：y＝5×10-8x4+8×10-5x3+0.0004x2-0.1317x-292.02；
M4的反面曲线方程：y＝3×10-8x4+3×10-5x3+0.001x2-0.0552x-294.83。
本发明的实现原理是：针对用于水力发电的水轮机中尾水管具有导流和回收能量的作用，以及冷却塔用水轮机中的水流量小、水头低和尺寸小的难题，本发明是在冷却塔用水轮机的基础转轮的下方设置增能转轮，该增能转轮包括圆弧螺旋形叶片和圆管，其中：所述圆弧螺旋形叶片是根据圆弧螺旋线沿主轴的轴向逐渐拉伸呈空间交叉扭曲形状并均匀分布设置在圆管的周向内壁上，以所述主轴为中心旋转面的圆弧螺旋形叶片的各截面的交点为原点建立坐标系，这就使得圆弧螺旋形叶片能够很好的克服水流阻力，发挥出最大的转能；当水流从蜗壳流过导叶后，依次对基础转轮和增能转轮做功，水流出增能转轮后，经过出水管再次进入中央空调循环水系统。由于增能转轮能够将流出基础转轮的水流的势能再次转换成转轮的旋转机械能，从而很好地解决了水能多次能量转换的难题，提高了水轮机的输出功率，以增强冷却塔的冷却效果。
本发明与现有技术相比其显著优点在于：
一是本发明提供了一种新型高效的冷却塔用水轮机水力设计新方案，具体是在基础转轮水能利用的基础上增设增能转轮，使得在同等水头和流量下，本发明水轮机对水流能转换率在现有基础转轮的基础上增加了18％，增能效果显著，从而增强了冷却塔的冷却效果。
二是本发明的采用的圆弧螺旋形叶片是根据圆弧螺旋线沿主轴的轴向逐渐拉伸呈空间交叉扭曲形状并均匀分布设置在圆管的周向内壁上，大大减小了水力损失，提高了冷却塔用水轮机的输出功率。
三是本发明的冷却塔用水轮机运行稳定，对水流能的转换率高，广泛适用于在潮流能、峡谷水力发电等领域推广应用。
附图说明
图1为本发明提出的一种带圆弧螺旋形叶片的冷却塔用双转轮水轮机的结构示意图。
图2为本发明提出的一种带圆弧螺旋形叶片的冷却塔用双转轮水轮机的增能转轮的结构示意图。
图3为本发明提出的一种带圆弧螺旋形叶片的冷却塔用双转轮水轮机的增能转轮的圆弧螺旋形叶片的四个轴向截面剖面线相对位置的示意图。
图4为本发明提出的一种带圆弧螺旋形叶片的冷却塔用双转轮水轮机的增能转轮的圆弧螺旋形叶片的单叶片的外形结构示意图。
图5为本发明提出的一种带圆弧螺旋形叶片的冷却塔用双转轮水轮机的增能转轮的圆弧螺旋形叶片的双叶片组合结构示意图。
附图中的编号说明：蜗壳1、导水机构2、基础转轮3、增能转轮4、圆弧螺旋形叶片5、圆管6、出水管7、支撑板8、主轴9、轴承组合10、风扇11。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
实施例1。结合图1和图2，本发明提出的一种带圆弧螺旋形叶片的冷却塔用双转轮水轮机，包括蜗壳1、导水机构2、基础转轮3、增能转轮4、圆弧螺旋形叶片5、圆管6、出水管7、支撑板8、主轴9、轴承组件10和风扇11，所述导水机构2竖直设置在蜗壳1的空腔中部，基础转轮3内嵌于导水机构2，所述增能转轮4位于基础转轮3的出水口下方，增能转轮4通过法兰与基础转轮3连接，增能转轮4外壁设有锥形出水管6；增能转轮4包括圆弧螺旋形叶片5和圆管6，其中：所述圆弧螺旋形叶片5是根据圆弧螺旋线沿主轴9的轴向逐渐拉伸呈空间交叉扭曲形状并均匀分布设置在圆管6的周向内壁上；所述支撑板8固定在蜗壳1上方，用于支撑主轴9、轴承组合10和风扇11；所述主轴9与基础转轮3固连，主轴9穿过轴承组合10上部与风扇11固连。
本发明提出的一种带圆弧螺旋形叶片的冷却塔用双转轮水轮机的进一步的优选方案是：
所述均匀分布设置在圆管6的周向内壁上的圆弧螺旋形叶片5的数量为2-4枚。
所述增能转轮进水口与基础转轮出水口尺寸相等；所述基础转轮3的叶片、增能转轮4的圆弧螺旋形叶片5依次受水流冲击而旋转，同时将该旋转力矩传递给与之相连接的主轴9，带动风扇11转动。
所述增能转轮4的圆管6的进水端与出水端均为圆形截面。
所述增能转轮4的外部设有出水管7，所述出水管7的形状为圆锥形，所述圆锥形截面的扩散角度为18°。
实施例2。结合图3，以所述主轴9为中心旋转面的圆弧螺旋形叶片5的各截面的交点为原点建立坐标系，所述圆弧螺旋形叶片5的中间截面型线特征点在直角坐标系下的位置参数如表1-4所示，其中：以M1、M2、M3、M4分别表示四条型线，x1、x2、x3、x4分别为四条型线的横坐标，y1、y2、y3、y4分别为四条型线的纵坐标；
表1：单位：mm
序号 M1Z-X1 M1Z-Y1 序号 M1F-X1 M1F-Y1
101 20.79 -34.17 111 16.64 -36.37
102 12.37 -38.04 112 7.82 -39.23
103 3.29 -39.86 113 -1.41 -39.98
104 -5.95 -39.56 114 -10.54 -38.59
105 -14.85 -37.14 115 -19.11 -35.14
106 -22.96 -32.76 116 -26.64 -29.84
107 -29.84 -26.64 117 -32.76 -22.96
108 -35.15 -19.09 118 -37.14 -14.84
109 -38.59 -10.49 119 -39.56 -5.9
110 -39.98 -1.28 120 -39.85 3.41
拟合后的两条曲线方程分别为：
M1的正面曲线方程：y＝2×10-5x4+0.0003x3+0.0035x2-0.0921x-39.286；
M1的反面曲线方程：y＝3×10-5x4+0.0008x3+0.004x2-0.2019x-39.536；
表2：单位：mm
拟合后的两条曲线方程分别为：
M2的正面曲线方程：y＝8×10-7x4+4×10-5x3+0.0009x2-0.1165x-117.85；
M2的反面曲线方程：y＝8×10-7x4+6×10-5x3+0.001x2-0.1461x-118；
表3：单位：mm
序号 M3Z-X3 M3Z-Y3 序号 M3F-X3 M3F-Y3
301 97.64 -174.55 311 95.56 -175.69
302 54.67 -192.38 312 52.37 -193.02
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306 -121.59 -158.79 316 -123.49 -157.32
307 -154.85 -126.58 317 -156.36 -124.71
308 -179.79 -87.59 318 -180.84 -85.43
309 -195.11 -43.96 319 -195.63 -41.59
310 -199.99 2.03 320 -199.95 4.46
拟合后的两条曲线方程分别为：
M3的正面曲线方程：y＝2×10-7x4+2×10-5x3+0.0006x2-0.1257x-196.48；
M3的反面曲线方程:y＝2×10-7x4+2×10-5x3+0.0006x2-0.137x-196.56；
表4：单位：mm
序号 M4Z-X4 M4Z-Y4 序号 M4F-X4 M4F-Y4
401 144.63 -260.4 411 143.12 -261.18
402 80.72 -286.49 412 79.06 -286.9
403 12.57 -297.18 413 10.85 -297.19
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405 -121.75 -270.94 415 -123.31 -270.18
406 -180.71 -235.46 416 -182.05 -234.35
407 -229.84 -187.32 417 -230.91 -185.98
408 -266.51 -129.28 418 -267.25 -127.67
409 -288.76 -64.31 419 -289.12 -62.58
410 -295.39 4.01 420 -295.35 5.78
拟合后的两条曲线方程分别为：
M4的正面曲线方程：y＝5×10-8x4+8×10-5x3+0.0004x2-0.1317x-292.02；
M4的反面曲线方程：y＝3×10-8x4+3×10-5x3+0.001x2-0.0552x-294.83。
实施例3。本发明提出的一种带圆弧螺旋形叶片的冷却塔用双转轮水轮机的增能转轮结构的设计方案如图4-5所示，几种典型的设计参数由实施例3-1、实施例3-2、实施例3-3分别给出，其中：
实施例3-1：所述增能转轮4的所述圆管6的上圆面和下圆面的的半径均为为301mm、高度为240mm；所述圆弧螺旋形叶片5的数量为2枚，圆弧螺旋形叶片5的截面形状选择对称翼型；圆弧螺旋形叶片5的最大宽度为292mm、最大直径为602mm、厚度为20mm；所述出水管7的形状为圆锥形，出水管7圆锥形截面的扩散角为18°。
实施例3-2：所述增能转轮4的所述圆管6的上圆面和下圆面的的半径均为为542mm、高度为432mm；所述圆弧螺旋形叶片5的数量为3枚，圆弧螺旋形叶片5的截面形状选择对称翼型；圆弧螺旋形叶片5的最大宽度为526mm、最大直径为1084mm、厚度为36mm；所述出水管7的形状为圆锥形，出水管7圆锥形截面的扩散角为18°。
实施例3-3：所述增能转轮4的所述圆管6的上圆面和下圆面的的半径均为为692mm、高度为552mm；所述圆弧螺旋形叶片5的数量为4枚，圆弧螺旋形叶片5的截面形状选择对称翼型；圆弧螺旋形叶片5的最大宽度为672mm、最大直径为1385mm、厚度为46mm；所述出水管7的形状为圆锥形，出水管7圆锥形截面的扩散角为18°。
本发明具体应用中的过程为：来自中央空调循环水系统的尾水，经所述蜗壳1流经所述导水机构2并冲击所述基础转轮3的叶片；接下来，水流冲击所述增能转轮4的所述圆弧螺旋形叶片5；接下来，所述增能转轮4联动所述主轴9，使得所述风扇11转动，所述风扇11转动而冷却尾水水温，冷却后的尾水再次进入中央空调循环水系统使用。该过程周而复始，循环往复，以实现对水流能的高效利用，提高了冷却塔的冷却效果。
本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。
本发明经反复试验验证，取得了满意的试用效果。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种带圆弧螺旋形叶片的冷却塔用双转轮水轮机技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (5)

1.一种带圆弧螺旋形叶片的冷却塔用双转轮水轮机，包括：蜗壳(1)、导水机构(2)、基础转轮(3)、出水管(7)、支撑板(8)、主轴(9)、轴承组件(10)、风扇(11)，其特征在于，还包括增能转轮(4)，所述增能转轮(4)位于基础转轮(3)的出水口下方，增能转轮(4)通过法兰与基础转轮(3)连接；增能转轮(4)包括圆弧螺旋形叶片(5)和圆管(6)，其中：所述圆弧螺旋形叶片(5)是根据圆弧螺旋线沿主轴(9)的轴向逐渐拉伸呈空间交叉扭曲形状并均匀分布设置在圆管(6)的周向内壁上，所述圆弧螺旋形叶片(5)的中间截面型线特征点在直角坐标系下的位置参数如表1-4所示，其中：以M1、M2、M3、M4分别表示四条型线，x1、x2、x3、x4分别为四条型线的横坐标，y1、y2、y3、y4分别为四条型线的纵坐标；
表1：单位：mm
序号 M1Z-X1 M1Z-Y1 序号 M1F-X1 M1F-Y1 101 20.79 -34.17 111 16.64 -36.37 102 12.37 -38.04 112 7.82 -39.23 103 3.29 -39.86 113 -1.41 -39.98 104 -5.95 -39.56 114 -10.54 -38.59 105 -14.85 -37.14 115 -19.11 -35.14 106 -22.96 -32.76 116 -26.64 -29.84 107 -29.84 -26.64 117 -32.76 -22.96 108 -35.15 -19.09 118 -37.14 -14.84 109 -38.59 -10.49 119 -39.56 -5.9 110 -39.98 -1.28 120 -39.85 3.41
拟合后的两条曲线方程分别为：
M1的正面曲线方程：y＝2×10-5x4+0.0003x3+0.0035x2-0.0921x-39.286；
M1的反面曲线方程：y＝3×10-5x4+0.0008x3+0.004x2-0.2019x-39.536；
表2：单位：mm
序号 M2Z-X2 M2Z-Y2 序号 M2F-X2 M2F-Y2 201 59.22 -104.37 211 56.28 -105.98 202 33.49 -115.23 212 30.26 -116.12 203 5.99 -119.85 213 2.64 -119.97 204 -21.79 -118.01 214 -25.09 -117.35 205 -48.38 -109.82 215 -51.44 -108.42 206 -72.33 -96.75 216 -74.99 -93.68 207 -92.39 -76.57 217 -94.51 -73.95 208 -107.51 -53.31 218 -108.96 -50.27 209 -116.88 -27.21 219 -117.59 -23.91 210 -119.99 0.38 220 -119.94 3.76
拟合后的两条曲线方程分别为：
M2的正面曲线方程：y＝8×10-7x4+4×10-5x3+0.0009x2-0.1165x-117.85；
M2的反面曲线方程：y＝8×10-7x4+6×10-5x3+0.001x2-0.1461x-118；
表3：单位：mm
序号 M3Z-X3 M3Z-Y3 序号 M3F-X3 M3F-Y3 301 97.64 -174.55 311 95.56 -175.69 302 54.67 -192.38 312 52.37 -193.02 303 8.78 -199.81 313 6.39 -199.89 304 -37.52 -196.45 314 -39.88 -195.98 305 -81.78 -182.51 315 -83.96 -181.52 306 -121.59 -158.79 316 -123.49 -157.32 307 -154.85 -126.58 317 -156.36 -124.71 308 -179.79 -87.59 318 -180.84 -85.43 309 -195.11 -43.96 319 -195.63 -41.59 310 -199.99 2.03 320 -199.95 4.46
拟合后的两条曲线方程分别为：
M3的正面曲线方程：y＝2×10-7x4+2×10-5x3+0.0006x2-0.1257x-196.48；
M3的反面曲线方程:y＝2×10-7x4+2×10-5x3+0.0006x2-0.137x-196.56；
表4：单位：mm
序号 M4Z-X4 M4Z-Y4 序号 M4F-X4 M4F-Y4 401 144.63 -260.4 411 143.12 -261.18 402 80.72 -286.49 412 79.06 -286.9 403 12.57 -297.18 413 10.85 -297.19 404 -56.15 -291.85 414 -57.84 -291.51 405 -121.75 -270.94 415 -123.31 -270.18 406 -180.71 -235.46 416 -182.05 -234.35 407 -229.84 -187.32 417 -230.91 -185.98 408 -266.51 -129.28 418 -267.25 -127.67 409 -288.76 -64.31 419 -289.12 -62.58 410 -295.39 4.01 420 -295.35 5.78
拟合后的两条曲线方程分别为：
M4的正面曲线方程：y＝5×10-8x4+8×10-5x3+0.0004x2-0.1317x-292.02；
M4的反面曲线方程：y＝3×10-8x4+3×10-5x3+0.001x2-0.0552x-294.83。
2.根据权利要求1所述的一种带圆弧螺旋形叶片的冷却塔用双转轮水轮机，其特征在于，所述均匀分布设置在圆管(6)的周向内壁上的圆弧螺旋形叶片(5)的数量为2-4枚。
3.根据权利要求2所述的一种带圆弧螺旋形叶片的冷却塔用双转轮水轮机，其特征在于，所述增能转轮进水口与基础转轮出水口尺寸相等；所述基础转轮(3)的叶片、增能转轮(4)的圆弧螺旋形叶片(5)依次受水流冲击而旋转，同时将该旋转力矩传递给与之相连接的主轴(9)，带动风扇(11)转动。
4.根据权利要求3所述的一种带圆弧螺旋形叶片的冷却塔用双转轮水轮机，其特征在于，所述增能转轮(4)的圆管(6)的进水端与出水端均为圆形截面。
5.根据权利要求4所述的一种带圆弧螺旋形叶片的冷却塔用双转轮水轮机，其特征在于，所述增能转轮(4)的外部设有出水管(7)，所述出水管(7)的形状为圆锥形；所述圆锥形截面的扩散角度为18°。
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