CN107559121A - 一种椭圆曲面的斜击式水轮机转轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种椭圆曲面的斜击式水轮机转轮，包括圆盘和若干个轮叶，在圆盘中心设有轴孔，轴通过轴孔与发电机相连，轴孔的直径由发电机决定；轮叶通过焊接将轮叶根部固定在圆盘一周；轮叶由一个二分之一椭圆球面构成，该椭圆球面并未闭合，一侧被切割了整个半椭圆球面的四分之一，在固定轮叶时，该切割面朝外。斜击式水轮机通过轴与发电机相连，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。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

一种椭圆曲面的斜击式水轮机转轮

技术领域

本发明涉及一种椭圆曲面的斜击式水轮机转轮，属于流体机械及工程技术领域。

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。

在斜击式水轮机中，从喷嘴出来的自由射流不是沿切向，而是沿着与转轮旋转平面成某一角度（约200~250）的方向，从转轮的一侧进入轮叶再从另一侧流出轮叶。与水斗式相比，其过流量较大，但其转轮采用单曲面斗叶，从斗叶流出的水会产生飞溅现象，因此效率较低。这种水轮机一般多用于中小型水电站，适用水头一般为20~300m。

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，提供了一种椭圆曲面的斜击式水轮机转轮，当水射流冲击椭圆曲面的轮叶时，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，本发明提供一种椭圆曲面的斜击式水轮机转轮，由圆盘和均匀布置于圆盘边缘的若干个轮叶组成；所述圆盘具有一定的厚度，在圆盘的中心位置开设轴孔，转轮通过轴孔与发电机通过轴相连，将水轮机的旋转机械能通过发电机转换为电能，轴孔的直径由发电机决定；所述轮叶由一个沿长轴方向切割的二分之一椭圆球面构成，且该二分之一椭圆球面的平行于长轴的一个侧面被切割了整个半椭圆球面的四分之一，在固定轮叶时，该切割面朝外，椭圆曲面的厚度由具体电站要求而定。

前述的圆盘一周均匀布置了8个轮叶。

前述的轮叶的根部通过焊接方式固定在圆盘一周。

前述的轮叶外边缘到圆盘轴孔中心距离为半径r，椭圆曲面的长轴长为a，短半轴长为b，被切割完剩下的短半轴长度为c，满足以下关系：a：b=20:7，b：c=2:1，a：r=2:3。

前述的转轮在制造时，首先，根据适用水头及流量，确定所应用转轮的直径；然后根据所确定的转轮直径，依据半径r、椭圆曲面长轴a、短半轴b、被切割完剩下的短半轴长度c四者的比值，对转轮整体几何机构按照相应的尺寸进行缩放。

前述的转轮在铸造生产时，对轮叶及圆盘采用整体一起融铸，或者将轮叶和圆盘分开铸造后，再进行焊接。

本发明的有益效果为：

将本发明的转轮应用于斜击式水轮机，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。

本发明的转轮为椭圆曲面，可以很好的减少水的飞溅现象，提高其效率，对中小型水电站发展以及开展新能源的综合利用具有深远的意义。

附图说明

图1 为椭圆曲面的斜击式水轮机转轮三维整体结构图；

图2为椭圆曲面的斜击式水轮机转轮平面俯视图；

图3 为单个轮叶内表面示意图。

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为椭圆曲面的斜击式水轮机转轮三维整体结构图，转轮由圆盘2和均匀布置于圆盘2边缘的若干个轮叶1组成，圆盘具有一定的厚度，在圆盘的中心位置开设轴孔，转轮通过轴孔与发电机通过轴相连，将水轮机的旋转机械能通过发电机转换为电能，轴孔的直径由发电机决定。轮叶1的根部通过焊接方式固定在圆盘2一周。轮叶由一个沿长轴方向切割的二分之一椭圆球面构成，且该二分之一椭圆球面沿平行于长轴的侧面被切割了整个半椭圆球面的四分之一，在固定轮叶时，该切割面朝外。本发明中圆盘2一周均匀布置了8个轮叶。

如图2所示，为椭圆曲面的斜击式水轮机转轮平面俯视图，从图中可以看出在圆盘2边缘均匀布置的8个轮叶1，轮叶1外边缘到圆盘2轴孔中心距离为半径r。椭圆曲面的斜击式水轮机通过轴穿过轴孔与发电机相连，当水射流冲击轮叶1时，轮叶1带动转轮和轴一起旋转，通过发电机将水能转换为电能。

如图3所示，为单个轮叶内表面示意图，从图中可以看出椭圆曲面的长轴长为a，短半轴长为b，被切割完剩下的短半轴长度为c，椭圆曲面的具体厚度可以由具体电站要求而定。本申请各个长度比值满足关系如下：a：b=20:7，b：c=2:1，a：r=2:3，加工时具体尺寸可按照相关比例进行具体设置。

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，即转轮的直径；

（2）根据所确定的转轮的直径，依据本申请所提供的半径r、椭圆曲面长轴a、短半轴b、被切割完剩下的短半轴长度c四者的比值，对转轮整体几何机构按照相应的尺寸进行缩放；

（3）将整体转轮的模型三维建模后即可以进行工厂铸造生产，对轮叶及圆盘可以采用整体一起融铸，也可以将轮叶和圆盘分开铸造后，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。

本申请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。本申请的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 (6)

1.一种椭圆曲面的斜击式水轮机转轮，其特征在于，由圆盘和均匀布置于圆盘边缘的若干个轮叶组成；所述圆盘具有一定的厚度，在圆盘的中心位置开设轴孔，转轮通过轴孔与发电机通过轴相连，将水轮机的旋转机械能通过发电机转换为电能，轴孔的直径由发电机决定；所述轮叶由一个沿长轴方向切割的二分之一椭圆球面构成，且该二分之一椭圆球面的平行于长轴的一个侧面被切割了整个半椭圆球面的四分之一，在固定轮叶时，该切割面朝外，椭圆曲面的厚度由具体电站要求而定。

2.根据权利要求1所述的一种椭圆曲面的斜击式水轮机转轮，其特征在于，所述圆盘一周均匀布置了8个轮叶。

3.根据权利要求1所述的一种椭圆曲面的斜击式水轮机转轮，其特征在于，所述轮叶的根部通过焊接方式固定在圆盘一周。

4.根据权利要求1所述的一种椭圆曲面的斜击式水轮机转轮，其特征在于，所述轮叶外边缘到圆盘轴孔中心距离为半径r，椭圆曲面的长轴长为a，短半轴长为b，被切割完剩下的短半轴长度为c，满足以下关系：a：b=20:7，b：c=2:1，a：r=2:3。

5.根据权利要求4所述的一种椭圆曲面的斜击式水轮机转轮，其特征在于，所述转轮在制造时，首先，根据适用水头及流量，确定所应用转轮的直径；然后根据所确定的转轮直径，依据半径r、椭圆曲面长轴a、短半轴b、被切割完剩下的短半轴长度c四者的比值，对转轮整体几何机构按照相应的尺寸进行缩放。

6.根据权利要求1所述的一种椭圆曲面的斜击式水轮机转轮，其特征在于，所述转轮在铸造生产时，对轮叶及圆盘采用整体一起融铸，或者将轮叶和圆盘分开铸造后，再进行焊接。