CN107387290B - 一种长短叶片的双击式水轮机转轮 - Google Patents

一种长短叶片的双击式水轮机转轮 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种长短叶片的双击式水轮机转轮，包括上盖、轮叶以及下底三个部分，轮叶中的叶片均匀布置在上盖和下底之间，上盖与下底为相同半径及厚度的圆盘；叶轮中的叶片由长叶片和短叶片交替设置组成，长叶片与短叶片各有8片，均匀分布在轴的四周，长、短叶片前端位于一个以轴中心为原点的圆周上。双击式水轮机通过轴与发电机相连，当水射流冲击叶片时，叶片带动转轮和轴一起旋转，通过发电机将水能转换为电能。本发明能够使用在高水头小流量的水能转换发电系统中，提高水能的转换效率。

Description

一种长短叶片的双击式水轮机转轮
技术领域
本发明涉及一种长短叶片的双击式水轮机转轮，属于流体机械及工程设备技术领域。
背景技术
随着我国经济的发展和人民生活水平的不断提高，人们对于电力的需求量不断增大。水电站装机容量的不断扩大以及对水轮机发电效率要求的不断提高，水轮机效率的提高已成为当今水力机械行业研究的重点。水轮机是将水能转化成旋转机械能的一种水力原动机，能量的转换是借助转轮叶片与水流相互作用来实现的。根据转轮内水流运动的特征和转轮转换水流能量形式的不同，水轮机分成两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机。冲击式水轮机仅利用了水流的动能，冲击式水轮机的转轮始终处于大气中，来自压力钢管的高压水流在进入水轮机之前借助特殊的导水装置(如喷嘴)转变成高速自由射流，该射流冲击转轮的部分轮叶，并在轮叶的约束下发生流速大小和方向的急剧改变，从而将其动能大部分传递给轮叶，驱动轮叶旋转。在射流冲击轮叶的整个过程中，射流内的压力基本不变，近似为大气压。冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同可分为水斗式、斜击式和双击式三种。
双击式水轮机又称班克式，它的转轮是由两块圆盘夹了许多弧形叶片而组成的圆柱，水流进入转轮，首先冲击上部叶片，然后落到转轮的内部空间，再一次冲击转轮的下部叶片。在工作过程中转轮充满水，但水在转轮内是无压流动。这种水轮机结构简单、制作方便，但效率低、转轮叶片强度差，仅适用于单机出力不超过1000kw的小型水电站，其适用水头一般为5～100m。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供了一种长短叶片的双击式水轮机转轮，当水射流冲击长短交替的叶片时，带动转轮和轴一起旋转，通过发电机将水能转换成电能。
为解决上述问题，本发明提供一种长短叶片的双击式水轮机转轮，由上盖、轮叶和下底构成，所述上盖和下底为半径相同、厚度相同的圆盘，所述轮叶位于上盖和下底之间，呈圆柱状；所述转轮通过轮叶中心的轴与发电机相连，水流从喷嘴射出，以与叶片圆周切线呈25°角方向射向叶片，在冲击长、短叶片后流入转轮，再次冲击下面的叶片，实现双次冲击转轮叶片，轮叶带动转轮和轴一起旋转，通过发电机将水能转换为电能；
所述上盖中心设置有一个轴孔，上盖边缘均匀设置若干个个长叶片孔和相同数量的短叶片孔，长、短叶片孔交替出现，所有长、短叶片孔前端到轴孔中心距离相等；
所述轮叶由叶片和轴构成，所述轴位于轮叶的中心位置；所述叶片包括长叶片和短叶片，且长、短叶片绕轴均匀交替分布于上盖和下底之间，构成圆柱；所述轴贯穿上盖的轴孔；所述长、短叶片前端到轴中心距离相等；所述长、短叶片分别固定在长、短叶片孔内；
所述轮叶与下底固定连接；
所述长、短叶片的长度相等，进口面和出口面不同，所述进口面是指水流流入叶片时的接触面，所述出口面是指水流流出转轮叶片时与叶片的接触面；
以轴孔中心为原点建立坐标系，长、短叶片的进、出口面上的点的二维坐标如下表所示：
其中，line1为长叶片出口面所在曲线，line2为长叶片进口面所在曲线，line3为短叶片出口曲面所在曲线，line4为短叶片进口曲面所在曲线。
前述的长叶片孔的数量为8。
前述的上盖半径R1，长、短叶片孔前端到轴孔中心距离R2，上盖的轴孔半径r，上盖厚度d，满足如下关系：R1：R2：r：d＝10:7:1:1。
前述的上盖半径R1，长、短叶片长度L，满足如下关系：R1：L＝1：4。
前述的轮叶直接焊接在下底上，或者在制造过程中下底与轮叶一同浇铸。
前述的长、短叶片的进、出口面上的点拟合后的曲线如下：
Line1：y＝-0.0431x2+2.5692x-0.5186
Line2：y＝-0.0439x2+2.6572x-3.6372
Line3：y＝-0.0342x2+2.4624x-19.987
Line4：y＝-0.0362x2+2.6167x-24.154。
前述的转轮在制造时，首先根据适用水头及流量，确定所应用转轮的尺寸；然后根据所确定的转轮尺寸，依据上盖半径R1，长、短叶片孔前端到轴孔中心距离R2，上盖的轴孔半径r，上盖厚度d的比例关系R1：R2：r：d＝10:7:1:1，以及上盖半径R1，长、短叶片长度L的比例关系R1：L＝1：4，以及长、短叶片的进、出口面上的点的二维坐标或拟合曲线，对转轮整体几何机构按照相应的尺寸进行缩放。
本发明的有益效果为：
将本发明的转轮应用于双击式水轮机，能够使用在高水头小流量的水能转换发电系统中，在运行时水能转换发电的效率比较高，而且高效率区域比较宽，即在额定流量的10％～100％范围内都能保证90％以上的高效率区。本发明可以提高转轮叶片的强度并提高其效率，对小型电站的发展以及新能源的综合利用具有深远的意义。
附图说明
图1为长短叶片的双击式水轮机转轮三维整体结构图；
图2为长短叶片的双击式水轮机转轮上盖平面俯视图；
图3为长短叶片的双击式水轮机转轮轮叶示意图；(a)为三维示意图，(b)为平面图；
图4为长、短叶片进口面以及出口面所在曲线示意图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1为本发明的长短叶片的双击式水轮机转轮三维整体结构图，由上盖1、轮叶2以及下底3组成，转轮通过轮叶2中心的轴2-3与发电机相连，轮叶2为圆柱状，轮叶2中的叶片均匀布置在上盖1和下底3之间，上盖1与下底3为相同半径及厚度的圆盘。
如图2所示，为长短叶片的双击式水轮机转轮上盖平面俯视图，从图中可以看出，水流从喷嘴射出，以与叶片圆周切线呈25°角方向射向叶片，在冲击长短叶片后流入转轮，再次冲击下面的叶片，实现双次冲击转轮叶片。在上盖1中心设置有一个轴孔，边缘均匀设置8个长叶片孔和8个短叶片孔，两种不同叶片孔交替出现，叶片孔前端到轴孔中心距离相等即长、短叶片孔前端位于一个以轴孔中心为原点的圆周上。本发明定义圆盘上盖1的半径为R1，厚度为d，长、短叶片孔前端到轴孔中心距离为半径R2，轴孔半径为r(轴孔半径根据发电机尺寸确定，需比发电机尺寸略大一些)。
本申请的上盖半径R1，长、短叶片孔前端到轴孔中心距离R2，轴孔半径为r，上盖厚度d，满足如下关系：R1：R2：r：d＝10:7:1:1。
如图3(a)、(b)所示的轮叶三维示意图和平面图，轮叶2由叶片和轴2-3构成，叶片为长、短叶片交替分布，构成圆柱。本发明中有8个长叶片2-1和8个短叶片2-2。轮叶2中的轴2-3位于轮叶2的中心位置，长、短叶片前端到轴2-3中心距离相等即长、短叶片前端位于一个以轴2-3中心为原点的圆周上。到轴2-3与上盖1的轴孔位置相对应，轴2-3半径比轴孔半径r略小一些，便于轴2-3贯穿轴孔。
长叶片2-1与短叶片2-2的排列与上盖1上面的叶片孔相对应，长叶片2-1与短叶片2-2绕轴2-3均匀交替分布，长叶片2-1前端以及短叶片2-2前端到轴2-3中心的距离均为R2，便于上盖1与轮叶2之间的连接使用。本发明定义长叶片2-1与短叶片2-2的长度均为L。
双击式水轮机通过轴2-3与发电机相连，当水射流冲击轮叶时，轮叶带动转轮和轴一起旋转，通过发电机将水能转换为电能。
下底3与上盖1均为圆盘，半径均为R1，厚度为d，与上盖1不同在于下底3为一个实心圆盘，轮叶2直接通过焊接与下底3连接，或者在制造过程中下底3与轮叶2一同浇铸。
本申请的上盖半径R1，叶片长度L，满足如下关系：R1：L＝1：4。
定义进口面为水流流入叶片时的接触面，出口面为水流流出转轮叶片时与叶片的接触面，如图4所示，长、短叶片进口面以及出口面所在曲线示意图。长叶片进口面所在曲线为line2，出口面所在曲线为line1；短叶片进口曲面所在曲线为line4，出口曲面所在曲线为line3。每条曲线上面选取6个点进行曲线拟合，以轴中为原点建立坐标系，获得的长、短叶片所在曲线的二维坐标如下表1。
表1长、短叶片进、出口面所在曲线的二维坐标
根据特征曲线的二维坐标，为保证转轮的水力性能和结构强度，对4条线性的提取点进行曲线拟合，拟合后的曲线保证转轮翼型曲线更加光滑，水力性能更佳。在x-y平面中，4条曲线的拟合曲线方程式如下：
Line1：y＝-0.0431x2+2.5692x-0.5186
Line2：y＝-0.0439x2+2.6572x-3.6372
Line3：y＝-0.0342x2+2.4624x-19.987
Line4：y＝-0.0362x2+2.6167x-24.154
根据上述拟合曲线，可绘制出长短叶片的三围空间曲面图。
本发明的转轮在制造时，按以下要求进行：
(1)根据适用水头及流量，确定所应用转轮的尺寸，如转轮直径；
(2)根据所确定的转轮尺寸，依据本申请所提供的上盖半径R1，叶片孔前端到轴孔中心距离半径R2，轴孔半径r，上盖厚度d所满足得关系：R1：R2：r：d＝10:7:1:1，以及上盖半径R1，叶片长度L所满足得关系：R1：L＝1：4以及叶片内表面特征曲线点坐标或拟合曲线的主要比例关系，对转轮整体几何机构按照相应的尺寸进行缩放；
(3)对于叶片曲面根据本发明提供的如表1的特征点进行整体拟合，也可以根据几个特征曲线进行从线到面的拟合。
(4)将整体转轮的模型三维建模后即可以进行工厂铸造生产，对轮叶和下底可以采用整体一起融铸，也可以将轮叶和下底分开铸造后，再进行焊接。对于转轮的最后成品还需要进行表面打磨，表面的平整、光滑程度对转轮的运行效率也有重要的影响。
本发明可以根据不同的水头和流量，对该转轮进行几何形状上的缩放。本发明转轮具有较高的宽效率曲，在额定流量的10％～100％范围内都能保证90％以上的高效率区。
通过上以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种长短叶片的双击式水轮机转轮，其特征在于，由上盖、轮叶和下底构成，所述上盖和下底为半径相同、厚度相同的圆盘，所述轮叶位于上盖和下底之间，呈圆柱状；所述转轮通过轮叶中心的轴与发电机相连，水流从喷嘴射出，以与叶片圆周切线呈25°角方向射向叶片，在冲击长、短叶片后流入转轮，再次冲击下面的叶片，实现双次冲击转轮叶片，轮叶带动转轮和轴一起旋转，通过发电机将水能转换为电能；所述上盖中心设置有一个轴孔，上盖边缘均匀设置若干个长叶片孔和相同数量的短叶片孔，长、短叶片孔交替出现，所有长、短叶片孔前端到轴孔中心距离相等；
所述轮叶由叶片和轴构成，所述轴位于轮叶的中心位置；所述叶片包括长叶片和短叶片，且长、短叶片绕轴均匀交替分布于上盖和下底之间，构成圆柱；所述轴贯穿上盖的轴孔；所述长、短叶片前端到轴中心距离相等；所述长、短叶片分别固定在长、短叶片孔内；
所述轮叶与下底固定连接；
所述长、短叶片的长度相等，进口面和出口面不同，所述进口面是指水流流入叶片时的接触面，所述出口面是指水流流出转轮叶片时与叶片的接触面；
以轴孔中心为原点建立坐标系，长、短叶片的进、出口面上的点的二维坐标如下表所示：
其中，line1为长叶片出口面所在曲线，line2为长叶片进口面所在曲线，line3为短叶片出口曲面所在曲线，line4为短叶片进口曲面所在曲线。
2.根据权利要求1所述的一种长短叶片的双击式水轮机转轮，其特征在于，所述长叶片孔的数量为8。
3.根据权利要求1所述的一种长短叶片的双击式水轮机转轮，其特征在于，所述上盖半径R1，长、短叶片孔前端到轴孔中心距离R2，上盖的轴孔半径r，上盖厚度d，满足如下关系：R1：R2：r：d＝10:7:1:1。
4.根据权利要求1所述的一种长短叶片的双击式水轮机转轮，其特征在于，所述上盖半径R1，长、短叶片长度L，满足如下关系：R1：L＝1：4。
5.根据权利要求1所述的一种长短叶片的双击式水轮机转轮，其特征在于，所述轮叶直接焊接在下底上，或者在制造过程中下底与轮叶一同浇铸。
6.根据权利要求1所述的一种长短叶片的双击式水轮机转轮，其特征在于，所述长、短叶片的进、出口面上的点拟合后的曲线如下：
Line1：y＝-0.0431x2+2.5692x-0.5186
Line2：y＝-0.0439x2+2.6572x-3.6372
Line3：y＝-0.0342x2+2.4624x-19.987
Line4：y＝-0.0362x2+2.6167x-24.154。
7.根据权利要求1所述的一种长短叶片的双击式水轮机转轮，其特征在于，所述转轮在制造时，首先根据适用水头及流量，确定所应用转轮的尺寸；然后根据所确定的转轮尺寸，依据上盖半径R1，长、短叶片孔前端到轴孔中心距离R2，上盖的轴孔半径r，上盖厚度d的比例关系R1：R2：r：d＝10:7:1:1，以及上盖半径R1，长、短叶片长度L的比例关系R1：L＝1：4，以及长、短叶片的进、出口面上的点的二维坐标或拟合曲线，对转轮整体几何机构按照相应的尺寸进行缩放。
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