CN107237711A - 一种亲鱼型轴流式水轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种亲鱼型轴流式水轮机，包括蜗壳、亲鱼型导水系统、亲鱼型转轮系统和尾水管；亲鱼型导水系统包括与蜗壳内缘出水口连接的承压外壳、与承压外壳相嵌套的翼型导流板、及控制翼型导流板转动的传动机构；亲鱼型转轮系统包括螺旋叶片及与螺旋叶片无缝隙连接的轮毂；本发明对传统轴流式水轮机易对鱼体造成挤压或剪切力伤害的导水机构和易对鱼体造成机械、压力、剪切、空蚀等多重损伤的转轮结构进行优化设计，提高了水利工程生态效益，实现了水电能源与鱼类资源的协调发展。

Description

一种亲鱼型轴流式水轮机

技术领域

本发明涉及水轮机结构设计及水生态交叉技术领域，具体地指一种亲鱼型轴流式水轮机。

背景技术

为缓解大坝对洄游鱼类的阻隔效应，保护鱼类生物的多样性，大型水利工程在规划、设计、施工及其运行过程中均采取了相应的补偿措施。比如，美国哥伦比亚河流域的邦纳维尔、约翰代等10多座水电站新建的鱼道，成功地解决了鲑科鱼类通过20～34m较高水头枢纽的洄游问题。我国于1960年建成了第一座鱼道，至20世纪末已建成有30余座。同时建设仿自然鱼道、升鱼机和鱼闸等，帮助洄游鱼类上行过坝。对于帮助鱼类下行过坝的措施，国内外通常采用表面鱼道、溢流坝、旁通鱼道等帮助鱼类下行过坝，同时在水轮机进口前端设置物理阻隔设施及行为阻隔设施以防止鱼体进入水轮机流道。

上述措施虽然具有一定的成效，但是建设费用高、效率低，而且仍然会有大量的鱼通过水轮机时受到伤害，达不到预期的效果，同时还会造成水流能量的消耗。水轮机流道作为大坝最经济的泄水通道不但保持大坝上下游水体的连续性又带来了巨大的发电效益，然而由于传统水轮机流道及其水力特性的复杂性，鱼类借助水轮机流道下行过坝将遭受机械、压力、剪切、空蚀等多重损伤，导致水轮机流道过鱼效率较低。为提高水轮机流道过鱼效率，减小鱼体通过水轮机下行的损伤概率，有必要在保证水轮机发电效益的同时对传统水轮机流道结构及水力特性进行优化，提高水利工程生态效益，实现水电能源与鱼类资源的协调发展。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种亲鱼型轴流式水轮机，对传统轴流式水轮机易对鱼体造成挤压或剪切力伤害的导水机构和易对鱼体造成机械、压力、剪切、空蚀等多重损伤的转轮结构进行优化设计，提高水利工程生态效益，实现水电能源与鱼类资源的协调发展。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种亲鱼型轴流式水轮机，包括蜗壳、亲鱼型导水系统、亲鱼型转轮系统和尾水管；

所述亲鱼型导水系统包括与蜗壳内缘出水口连接的承压外壳、与承压外壳相嵌套的翼型导流板、及控制翼型导流板转动的传动机构；

所述亲鱼型转轮系统包括螺旋叶片及与螺旋叶片无缝隙连接的轮毂。

优选地，所述翼型导流板的数量为多个，且沿着蜗壳内缘出水口环向均匀布置。

优选地，所述翼型导流板的数量为8-24个。

优选地，所述翼型导流板的数量为12个。

优选地，所述传动机构包括传动轴，所述传动轴输出端与翼型导流板的输入端固定连接，所述传动轴下端设于底环上，上端与接力器连接。

优选地，所述承压外壳为弧形柱状结构，其开口面为弧面且包络翼型导流板的转轴区域。

优选地，所述蜗壳内缘出水口下侧与上侧分别与底环和顶环焊接，所述承压外壳安装于底环和顶环之间并且环向均匀布置。

优选地，所述轮毂为上宽下窄的圆台形结构，所述螺旋叶片为空间螺旋结构，由上至下沿着轮毂表面环绕。

优选地，所述螺旋叶片的叶片进口安放角度为49-69°，其中叶片进口安放角度指叶片进口端的叶片骨线与水平线的夹角。

优选地，所述螺旋叶片的数量为三个，每个螺旋叶片的叶片进口安放角度为54°。

本发明的有益效果：

1、对传统轴流式水轮机的转轮结构进行了优化改进，消除传统轴流式水轮机桨叶与轮毂间隙，改变转轮叶片结构形式，优化转轮叶片压力分布状态，减小了过机鱼体在转轮区域遭受的机械、压力、剪切、空蚀等多重损伤。

2、改进传统轴流式水轮机的座环及导水机构，消除传统水轮机座环与活动导叶间隙对过机鱼体的挤压及摩擦。

3、优化传统轴流式水轮机导水机构，采用既能支撑蜗壳内缘又能控制水轮机流量的亲鱼型导水系统，消除原结构中固定导叶与活动导叶间间隙对过机鱼体造成的机械、剪切损伤，同时优化了蜗壳进水室压力分布状态。

4、过机鱼体顺具有一定曲率的导流板流向进入具有相近倾斜角度螺旋式转轮叶片，并顺螺旋叶片“滑”下去，减小过机鱼体遭受撞击、剪切力、压力、空蚀损伤等伤害。

5、减小转轮室内壁与叶片边缘间隙，消除了通常出现在叶片外缘附近的低压涡流阻力，减少对过机鱼体的伤害。

6、螺旋叶片与轮毂为无缝隙连接，减小水轮机运行时产生紊流和气泡等不利水力条件的概率。

7、使得水轮机在满足发电效率的同时成为鱼体下行过坝的过鱼设施，既满足了传统水利水电的工程要求，又能满足现如今水生态水利设施过鱼要求。实现传统水轮机组向“环境友好型”、“资源节约型”方向发展的革新。

8、嵌套导水系统及亲鱼型转轮系统的设计相较于传统固定导叶、活动导叶，尤其是轴流转桨式叶片的设计具有施工操作简单、运行后维护方便、技术实现更轻松等优点。

9、亲鱼型的转轮系统为过机鱼体创造出顺水流方向“螺旋下滑”的顺畅通道，从而实现帮助鱼类通过水轮机流道安全下行过坝的目的。

附图说明

图1为一种亲鱼型轴流式水轮机的结构示意图；

图2为图1中亲鱼型导水系统安装结构示意图；

图3为图2中翼型导流板及承压外壳在底环上的布置结构示意图；

图4为图3中翼型导流板与承压外壳之间的安装结构示意图；

图5为图4中承压外壳的结构示意图；

图6为承压外壳与底环和顶环之间的安装结构示意图；

图7为亲鱼型转轮系统的结构示意图；

图8为翼型导流板个数为8个时的导水机构压力云图和转轮体压力云图；

图9为翼型导流板个数为12个时的导水机构压力云图和转轮体压力云图；

图10为翼型导流板个数为18个时的导水机构压力云图和转轮体压力云图；

图11为翼型导流板个数为24个时的导水机构压力云图和转轮体压力云图；

图12为叶片进口安放角度为69°和68°时的转轮体压力云图；

图13为叶片进口安放角度为64°和59°时的转轮体压力云图；

图14为叶片进口安放角度为54°和49°时的转轮体压力云图；

图中，蜗壳1、亲鱼型导水系统2、承压外壳2.1、翼型导流板2.2、传动机构2.3、传动轴2.3.1、底环2.4、顶环2.5、亲鱼型转轮系统3、螺旋叶片3.1、轮毂3.2、尾水管4。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1至7所示，一种亲鱼型轴流式水轮机，包括蜗壳1、亲鱼型导水系统2、亲鱼型转轮系统3和尾水管4；

所述亲鱼型导水系统2包括与蜗壳1内缘出水口连接的承压外壳2.1、与承压外壳2.1相嵌套的翼型导流板2.2、及控制翼型导流板2.2转动的传动机构2.3；

所述亲鱼型转轮系统3包括螺旋叶片3.1及与螺旋叶片3.1无缝隙连接的轮毂3.2。

优选地，所述翼型导流板2.2的数量为多个，且沿着蜗壳1内缘出水口环向均匀布置。

优选地，所述翼型导流板2.2的数量为8-24个。翼型导流板2.2的数量选择过程见下述试验表格及图。

优选地，所述翼型导流板2.2的数量为12个。

优选地，所述传动机构2.3包括传动轴2.3.1，所述传动轴2.3.1输出端与翼型导流板2.2的输入端固定连接，所述传动轴2.3.1下端设于底环2.4上，上端与接力器连接。优选地，传动轴2.3.1下端与底环2.4铰接连接，翼型导流板2.2端部和传动轴2.3.1固定，这样翼型导流板2.2可以随传动轴2.3.1转动而转动，传动轴2.3.1转动角度由安放于水轮机顶盖上的拐臂、控制环及接力器控制，完成根据水轮机负荷调节水轮机流量的作用，这是一个反馈调节，发电机输出的功率的大小指导接力器去控制传动轴2.3.1进而改变翼型导流板2.2的开度，发电机如果需要输出功率变小，则通过这套操作使得翼型导流板2.2开度减小，从而减小进入转轮室的流量，反之，亦然。

优选地，所述承压外壳2.1为弧形柱状结构，其开口面为弧面且包络翼型导流板2.2的转轴区域。优选地，本实施例中承压外壳2.1端面为150°开口扇形，起到支撑蜗壳1内缘和传递轴向荷载作用。另外由于承压外壳2.1包络翼型导流板2.2的转轴区域，因此可以避免水流从蜗壳1内缘出水口出来后直接冲击翼型导流板2.2的转轴区域，导致传动机构2.3发生故障，同时承压外壳2.1也可以帮助翼型导流板2.2和传动轴2.3.1承受来自蜗壳1内缘的轴向挤压。

优选地，所述蜗壳1内缘出水口下侧与上侧分别与底环2.4和顶环2.5焊接，所述承压外壳2.1安装于底环2.4和顶环2.5之间并且环向均匀布置。这样设计后，承压外壳2.1支撑底环2.4和顶环2.5，而蜗壳1内缘出水口下侧与上侧分别与底环2.4和顶环2.5焊接，因此也就间接地支撑了蜗壳1内缘。

优选地，所述轮毂3.2为上宽下窄的圆台形结构，所述螺旋叶片3.1为空间螺旋结构，由上至下沿着轮毂3.2表面环绕。轮毂3.2设计采用圆台体进行结构改良，相较于传统轮毂3.2，其目的在于牵引蜗壳辐向水流顺畅通过转轮室，降低转轮室内部因产生较大空蚀负压对过机鱼体造成致命损伤的可能。

优选地，所述螺旋叶片3.1的叶片进口安放角度为49-69°，其中叶片进口安放角度指叶片进口端的叶片骨线与水平线的夹角。叶片进口安放角度的选择过程见下述试验表格及图。

优选地，所述螺旋叶片3.1的数量为三个，每个螺旋叶片3.1的叶片进口安放角度为54°。因为叶片数量和叶片大小是成反比的，叶片数量越多，单片叶片的表面积相应越小，三个螺旋叶片3.1在转轮室内创造出3条可供鱼“下滑”通过的“滑梯”通道。

优选地，螺旋叶片3.1旋转周数为轮毂3.2顶部端面圆周的3/5。螺旋叶片3.1叶片外缘处与转轮室内壁间隙为叶片宽度的1/10，目的在于减小过机鱼体受结构间隙造成的剪切力及压力梯度变化等带来的损伤。另外，为保证水轮机流道流速、压力的平稳过度，减小过机鱼体受到的伤害，翼型导流板2.2曲率应保证与螺旋叶片3.1曲率相同。

本实施例工作原理如下：

亲鱼型导水系统中的承压外壳2.1实现了支撑蜗壳1内缘，传递轴向荷载的作用；翼型导流板2.2则发挥引导水流、调节水轮机流量等功能。两者的结合又消除了结构间隙给过机鱼体带来的机械、压力梯度、涡流空蚀等损伤。而亲鱼型转轮系统独有的螺旋叶片3.1实现了鱼体沿螺旋“滑梯”通过转轮室时可以低碰撞，小阻力，低剪切，更安全。通过亲鱼型导水系统与亲鱼型转轮系统的配合运行，既保证了水轮机组的高效有序运行，又实现了鱼体高效安全过坝的水生态保护的目的。

有研究表明幼鱼通过传统水轮机下行时，水轮机座环与导叶结构是造成过机鱼体受到切割、挤压等机械伤害及剪切应力损伤的主要部位，为此，本“亲鱼型”水轮机对传统水轮机座环及导水机构进行优化设计。为避免过机鱼体受座环与活动导叶间隙的切割和挤压，本“亲鱼型”水轮机去除传统水轮机座环结构，仅设置可以控制流量的导水机构，且优化活动导叶结构，采用导流板及传动轴实现传统水轮机座环和导水机构的作用。为确定导流板的最优数目以使水轮机流道获得利于鱼类下行的水动力环境，本设计对翼型导流板个数分别为8个、12个、18个、24个时水轮机流道进行水动力数值模拟，针对水轮机流道水动力特性对过机鱼体的影响可知，过大的压力梯度及流道内过大的负压是造成鱼体损伤的机理之一，以此为数值模拟优化目标得出“亲鱼型”水轮机翼型导流板数目为12个时其转轮区域压力梯度最小，转轮的螺旋叶片上压力分布情况见下表。另外，本试验不同翼型导流板个数的导水机构压力云图和转轮体压力云图见图8、9、10、11。

传统轴流式水轮机转轮桨叶及桨叶与轮毂的间隙是造成鱼体在转轮室受撞击及摩擦损伤的主要原因，同时转轮进出口急剧的压力突降和转轮出口的负压是致使鱼体遭受压力损伤关键因子。为减小过机鱼体通过水轮机转轮区域遭受的机械损伤及压力损伤，“亲鱼型”水轮机转轮采用螺旋形转轮叶片无缝连接轮毂，同时叶片倾斜角度与其上导流板曲率一致，以减小过机鱼体遭受桨叶撞击及桨叶与轮毂间隙摩擦损伤，让鱼体顺叶片螺旋而下。为优化转轮的螺旋叶片的数目及倾斜角度，本设计采用数值模拟方法对6种不同螺旋叶片安放角进行优化设计，结果得出螺旋叶片进口安放角为54°时叶片压力梯度最小，压力分布均匀，负压值最小，同时水轮机工作力矩最大即水轮机获得最大出力。其各种叶片布置形式下压力分布情况见下表。另外，本试验中不同叶片进口安放角度的转轮体压力云图见图12、13、14。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种亲鱼型轴流式水轮机，包括蜗壳（1）、亲鱼型导水系统（2）、亲鱼型转轮系统（3）和尾水管（4），其特征在于：

所述亲鱼型导水系统（2）包括与蜗壳（1）内缘出水口连接的承压外壳（2.1）、与承压外壳（2.1）相嵌套的翼型导流板（2.2）、及控制翼型导流板（2.2）转动的传动机构（2.3）；

所述亲鱼型转轮系统（3）包括螺旋叶片（3.1）及与螺旋叶片（3.1）无缝隙连接的轮毂（3.2）。

2.根据权利要求1所述的一种亲鱼型轴流式水轮机，其特征在于：所述翼型导流板（2.2）的数量为多个，且沿着蜗壳（1）内缘出水口环向均匀布置。

3.根据权利要求1或2所述的一种亲鱼型轴流式水轮机，其特征在于：所述翼型导流板（2.2）的数量为8-24个。

4.根据权利要求3所述的一种亲鱼型轴流式水轮机，其特征在于：所述翼型导流板（2.2）的数量为12个。

5.根据权利要求1或2所述的一种亲鱼型轴流式水轮机，其特征在于：所述传动机构（2.3）包括传动轴（2.3.1），所述传动轴（2.3.1）输出端与翼型导流板（2.2）的输入端固定连接，所述传动轴（2.3.1）下端设于底环（2.4）上，上端与接力器连接。

6.根据权利要求1所述的一种亲鱼型轴流式水轮机，其特征在于：所述承压外壳（2.1）为弧形柱状结构，其开口面为弧面且包络翼型导流板（2.2）的转轴区域。

7.根据权利要求1所述的一种亲鱼型轴流式水轮机，其特征在于：所述蜗壳（1）内缘出水口下侧与上侧分别与底环（2.4）和顶环（2.5）焊接，所述承压外壳（2.1）安装于底环（2.4）和顶环（2.5）之间并且环向均匀布置。

8.根据权利要求1所述的一种亲鱼型轴流式水轮机，其特征在于：所述轮毂（3.2）为上宽下窄的圆台形结构，所述螺旋叶片（3.1）为空间螺旋结构，由上至下沿着轮毂（3.2）表面环绕。

9.根据权利要求1或8所述的一种亲鱼型轴流式水轮机，其特征在于：所述螺旋叶片（3.1）的叶片进口安放角度为49-69°，其中叶片进口安放角度指叶片进口端的叶片骨线与水平线的夹角。

10.根据权利要求9所述的一种亲鱼型轴流式水轮机，其特征在于：所述螺旋叶片（3.1）的数量为三个，每个螺旋叶片（3.1）的叶片进口安放角度为54°。