CN107829861B - 一种基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机，它包括叶轮、转动轴、引水流道、轴承支撑架，其特征在于，所述叶轮包括多枚梨形线翼型叶片，所述叶轮固定在引水流道的进口段沿中心线往上1/3处，所述叶轮固定在引水流道的过渡段的尾部，水流由引水流道的进水口经过引水流道的进口段被引入到引水流道的过渡段，带动叶轮转动，随后经引水流道的出口段流到引水流道的出水口；所述梨形线翼型叶片以转动轴为中心被设置在叶片固定板上，梨形线翼型叶片空间上呈圆周分布，叶片固定板以焊接方式固定在轴承支撑架上。本发明的结构简单，效率高，既可用于海洋潮流能发电的水轮机，也可在山区、平原、山泉以及塘坝溪水等微小潮流能条件下发电使用。

Description

一种基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机
技术领域
本发明属于流体机械及水电工程设备技术领域，特别是涉及一种基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机。
技术背景
当前，开发清洁可再生能源是人类发展需求的必然趋势。水能是绿色可再生资源，其开发利用具有重大意义。然而，随着我国水电资源的大规模开发，属于经济指标较好的中、高水头站点已经越来越少，随之对低水头微型电站的开发利用已经成为研究的热点。冲击式水轮机作为近代的水力机械，在具有效率高、收益高等优点，主要应用于高水头电站，是高水头水能资源开发中的一种经济适宜的水能转换设备。如何利用这些优点开发出一种能够应用于低水头微型电站的、高效的、经济的冲击式水轮机具有重大意义。
目前开发水能的方式一般是建设水电站，利用高效率的水轮机来转换水能，但它对选址有一定的要求，例如一些零散低水头的水能资源就无法利用。如果在低水头的溪流上建设水坝提高水头，由于建设水坝存在破坏环境、投资成本较大、建设工期较长等缺点，导致水能转换效率低，输出功率小，经济性较差。
中国专利申请CN201110155603公开了“水利渠道、河道组合式水车发电装置”，该方案虽然提出了一种新型的水车，应用于低水头发电，但是没有引水流道，同时，叶片效率较低，使用价值较差。中国专利申请201620875878公开了“水车发电装置”，该方案将水车应用于发电中，但是叶片并未仍采用传统的方式，经济价值低下，不具有使用价值。
综上所述，如何克服现有技术所存在的不足已成为当今流体机械及水电工程设备技术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的不足而提供一种基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机，本发明的结构简单，效率高，既可用于海洋潮流能发电的水轮机，也可在山区、平原、山泉以及塘坝溪水等微小潮流能条件下发电使用。
根据本发明提出的一种基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机，它包括叶轮、转动轴、引水流道、轴承支撑架，其特征在于，所述叶轮包括多枚梨形线翼型叶片，所述叶轮固定在引水流道的上方，所述叶轮固定在引水流道的过渡段的尾部，水流由引水流道的进水口经过引水流道的进口段被引入到引水流道的过渡段，带动叶轮转动，随后经引水流道的出口段流到引水流道的出水口；所述梨形线翼型叶片以转动轴为中心被设置在叶片固定板上，梨形线翼型叶片空间上呈圆周分布，叶片固定板以焊接方式固定在轴承支撑架上；所述引水流道的进口段和引水流道的出口段均与地面平行，引水流道的过渡段采用以渐开线为轨迹的波浪线形式，所述引水流道的过渡段的截面曲线上的关键点的坐标以如下方式表示，X代表引水流道的过渡段的截面翼型曲线上的关键点的空间横坐标值，Y代表引水流道的过渡段的截面翼型曲线上的关键点的空间纵坐标值，参数见表1，
表1：
序号 X Y 序号 X Y
1 -5.0603 -10.5735 11 -14.5015 -5.2004
2 -10.1997 -8.6523 12 0.4763 -10.8971
3 -13.0397 -7.7661 13 -6.0276 -10.3019
4 -3.3027 -11.5696 14 -7.0202 -10.5513
5 -13.7278 -5.8433 15 -4.2403 -11.1892
6 -11.1933 -8.4382 16 -2.3343 -11.2801
7 -1.4656 -10.7351 17 -8.9119 -10.2258
8 -8.0282 -10.6993 18 -12.2115 -8.3297
9 -9.5022 -9.3887 19 -0.4803 -10.5369
10 -13.4043 -6.8128 20 -15.4608 -4.8381
拟合后的方程为：
y＝10-5x5+0.0004x4+0.0044x3+0.049x2+0.2093x-10.793。
本发明的实现原理是：本发明提出的一种基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机，其叶片采用具有梨形线翼型的设计方式，冲击式水轮机的转轮由空间上呈圆周分布的叶轮组成，每组叶轮以自转的转动轴为中心呈空间均匀分布，梨形线翼型叶片经由焊接方式将其固定在叶片固定板上。水轮机的引水流道采用沿渐开线为轨迹的波浪曲线，采用这种结构不仅可以降低水流的压力脉动，同时使得有更多的水流能够集中撞击到叶轮；冲击式水轮机的叶片采用梨形线翼型的结构，这样能够在叶轮旋转时产生较大的转轮扭矩，从而提高机组的出力。梨形线翼型叶片的设置方式和翼型，还能够逐渐降低每个结构单元内的水头，充分利用水流的动能和势能，减小整体水轮机的水力损失，提高冲击式水轮机的效率。
本发明与现有技术相比其显著优点是：
第一，本发明提出的基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机，其叶轮的叶片根据梨形线的翼型设计，极大的增加了转轮的出力，提高了水轮机的效率。
第二，本发明提出的基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机采用沿渐开线为轨迹波浪曲线的引水流道的设计，克服了现有传统的喷嘴设计的不足，采用这种结构不仅可以降低生产成本，而且可以降低水流的在流道中的压力，同时使得有更多的水流能够集中撞击到叶轮，提高转轮的出力。
第三，本发明的叶轮与叶轮之间的容量相对鱼类比较大，转速很慢，能使鱼群顺利通过，即使很长的鳗鲡也可以安全通过，有效的解决了鱼类难于迁徙、对生态环境造成破坏以及水轮机与河道生物难于共存的问题。
附图说明
图1是本发明提出的一种基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机的左视图。
图2是本发明提出的一种基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机的转轮的布置结构方式示意图。
图3是本发明提出的一种基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机的引水流道的结构示意图。
图4是本发明提出的一种基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机的单叶片的截面型线示意图。
图5是本发明提出的一种基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机的引水流道的过渡段的截面型线示意图。
图中编号说明：引水流道的进水口1、引水流道的出水口2、转动轴3、叶片4、引水流道的进口段5、轴承支撑架6、引水流道的过渡段7、引水流道的出口段8。
具体实施方案
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至图5，本发明提出的一种基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机，它包括叶轮、转动轴3、引水流道5、轴承支撑架6，其中：所述叶轮包括多枚梨形线翼型叶片4，所述叶轮固定在引水流道的上方，所述叶轮固定在引水流道的过渡段7的尾部，水流由引水流道的进水口1经过引水流道的进口段5被引入到引水流道的过渡段7，带动叶轮转动，随后经引水流道的出口段8流到引水流道的出水口2；所述梨形线翼型叶片4以转动轴3为中心被设置在叶片固定板上，梨形线翼型叶片4空间上呈圆周分布，叶片固定板以焊接方式固定在轴承支撑架6上；所述引水流道的进口段5和引水流道的出口段8均与地面平行，引水流道的过渡段7采用以渐开线为轨迹的波浪线形式，所述引水流道的过渡段7的截面曲线上的关键点的坐标以如下方式表示，X代表引水流道的过渡段7的截面翼型曲线上的关键点的空间横坐标值，Y代表引水流道的过渡段7的截面翼型曲线上的关键点的空间纵坐标值，参数见表1，
表1：
序号 X Y 序号 X Y
1 -5.0603 -10.5735 11 -14.5015 -5.2004
2 -10.1997 -8.6523 12 0.4763 -10.8971
3 -13.0397 -7.7661 13 -6.0276 -10.3019
4 -3.3027 -11.5696 14 -7.0202 -10.5513
5 -13.7278 -5.8433 15 -4.2403 -11.1892
6 -11.1933 -8.4382 16 -2.3343 -11.2801
7 -1.4656 -10.7351 17 -8.9119 -10.2258
8 -8.0282 -10.6993 18 -12.2115 -8.3297
9 -9.5022 -9.3887 19 -0.4803 -10.5369
10 -13.4043 -6.8128 20 -15.4608 -4.8381
拟合后的方程为：
y＝10-5x5+0.0004x4+0.0044x3+0.049x2+0.2093x-10.793。
实施例2。
结合图1、图2和图4，所述的叶轮包括3枚梨形线翼型叶片4，所述叶轮中的梨形曲线在轴向的截面翼型曲线上的关键点的坐标以如下方式表示，Z代表梨形线翼型叶片4截面翼型曲线上的关键点的空间横坐标值，W代表梨形线翼型叶片4截面翼型曲线上的关键点的空间纵坐标值，参数见表2，
表2：
序号 Z W 序号 Z W
1 -6.3651 -8.6932 11 -5.2918 -7.4914
2 -5.3666 -12.4651 12 -4.9568 -8.2264
3 -6.9776 -9.2302 13 -4.4743 -8.8824
4 -8.0461 -10.4499 14 -3.9786 -9.5288
5 -6.1767 -12.3873 15 -3.5105 -10.1953
6 -5.7661 -8.1415 16 -3.1525 -10.9245
7 -7.5615 -9.7976 17 -3.1531 -11.7202
8 -8.2029 -11.2309 18 -3.7656 -12.2275
9 -7.7028 -11.8485 19 -4.5539 -12.4242
10 -6.9668 -12.1922 20 -5.3008 -7.4817
表2中所述参数的数学方程式为：Z＝1+sint；W＝2·cost·(1+sint)，其中t为任意有理数。
实施例3。
结合图1至图3，本发明所述的轴承支撑架6上设置的叶轮数量为10～12个。
所述的引水流道的进口段5的长度L0与引水流道的过渡段7的长度L1的比值为0.37～0.44；引水流道的出口段8的长度L2与引水流道的过渡段7的长度L1的比值为1.62～1.69。
所述的叶轮的直径D1与转动轴3的直径D0的比值为1.95～2.02；轴承支撑架6的直径D2与转动轴3的直径D0的比值为9.39～9.46。
实施例4。
结合图1至图3，所述的引水流道的进口段5的上挡板高度A1与引水流道的进水口高度A2的比值为0.18～0.25；引水流道的进口段5的下底座高度A3与引水流道的进水口高度A2的比值为1.32～1.39；引水流道的出口段8的上挡板高度B1与引水流道的出水口高度B2的比值为1.38～1.45；引水流道的出口段8的下底座高度B3与引水流道的出水口高度B2的比值为0.57～0.64；引水流道的进口段5的上挡板长度C1与转轮室的长度C2的比值为0.28～0.36；引水流道的出口段8的上挡板长度C3与转轮室的长度C2的比值为0.35～0.42。
所述的叶轮在受外力之后将力矩传递给转动轴3，所述转动轴3将力矩传递给与水轮机相连的外部发电设备。
下面结合附图进一步公开本发明的主要部件尺寸的具体实施例。
实施例5。
结合图1和图3，所述叶轮的直径D1为0.4m，转动轴的直径D0的比值为0.198m；轴承支撑架的直径D2为1.87m。所述的轴承支撑架上设置的叶轮的数量为12个。所述的引水流道的进口段长度L0为0.702m，引水流道的过渡段长度L1为1.594m，引水流道的出口段长度L2为2.704m。所述的引水流道的进口段的上挡板高度A1为0.185m，引水流道的进水口1的高度A2为0.718m，引水流道的进口段的下底座高度A3为1m；引水流道的出口段的上挡板高度B1为0.895m，引水流道的出水口2的高度B2为0.614m，引水流道的出口段的下底座高度B3为0.394m；引水流道进口段的上挡板长度C1为1.016m，转轮室的长度C2为2.8m，引水流道的出口段的上挡板长度C3为1.185m。当水流流经波浪曲线为渐开线的引水流道时，每个结构单元内的水头逐渐降低，水流的压力脉动有所减小，更多的水流集中撞击到叶轮，充分利用了水流的动能和势能，减小整体水轮机的水力损失，提高了水轮机的效率；同时每组转轮所受外力之后旋转，其自转输出力矩，此外，多组转轮围绕支撑架中心主轴进行公转，公转产生另一部分力矩，该冲击式水轮机，可产生两种力矩传递给与之相连的外部发电机组发电。
实施例6。
结合图1和图3，所述叶轮的直径D1为1m，转动轴的直径D0的比值为0.491m；轴承支撑架的直径D2为4.648m。所述的轴承支撑架上设置的叶轮数量为10个。所述的引水流道进口段长度L0为1.742m，引水流道的过渡段长度L1为3.952m，引水流道的出口段长度L2为6.706m。所述的引水流道的进口段的上挡板高度A1为0.458m，引水流道的进水口1的高度A2为1.781m，引水流道的进口段的下底座高度A3为2.48m；引水流道出口段的上挡板高度B1为2.22m，出水口高度B2为1.52m，引水流道出口段的下底座高度B3为9.6m；引水流道进口段的上挡板长度C1为2.519m，转轮室的长度C2为6.943m，引水流道出口段的上挡板长度C3为2.938m。当水流流经波浪曲线为渐开线的引水流道时，每个结构单元内的水头逐渐降低，水流的压力脉动有所减小，更多的水流集中撞击到叶轮，充分利用了水流的动能和势能，减小整体冲击式水轮机的水力损失，提高了冲击式水轮机的效率；同时每组转轮所受外力之后旋转，其自转输出力矩，此外，多组转轮围绕支撑架中心主轴进行公转，公转产生另一部分力矩，该冲击式水轮机，可产生两种力矩传递给与之相连的外部发电机组发电。
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基于梨形线翼型叶片的冲击式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 (7)

1.一种基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机，它包括叶轮、转动轴(3)、引水流道(5)、轴承支撑架(6)，其特征在于，所述叶轮包括多枚梨形线翼型叶片(4)，所述叶轮固定在引水流道的上方，所述叶轮固定在引水流道的过渡段(7)的尾部，水流由引水流道的进水口(1)经过引水流道的进口段(5)被引入到引水流道的过渡段(7)，带动叶轮转动，随后经引水流道的出口段(8)流到引水流道的出水口(2)；所述梨形线翼型叶片(4)以转动轴(3)为中心被设置在叶片固定板上，梨形线翼型叶片(4)空间上呈圆周分布，叶片固定板以焊接方式固定在轴承支撑架(6)上；所述引水流道的进口段(5)和引水流道的出口段(8)均与地面平行，引水流道的过渡段(7)采用以渐开线为轨迹的波浪线形式，所述引水流道的过渡段(7)的截面曲线上的关键点的坐标以如下方式表示，X代表引水流道的过渡段(7)的截面翼型曲线上的关键点的空间横坐标值，Y代表引水流道的过渡段(7)的截面翼型曲线上关键点的空间纵坐标值，参数见表1，
表1：
序号 X Y 序号 X Y 1 -5.0603 -10.5735 11 -14.5015 -5.2004 2 -10.1997 -8.6523 12 0.4763 -10.8971 3 -13.0397 -7.7661 13 -6.0276 -10.3019 4 -3.3027 -11.5696 14 -7.0202 -10.5513 5 -13.7278 -5.8433 15 -4.2403 -11.1892 6 -11.1933 -8.4382 16 -2.3343 -11.2801 7 -1.4656 -10.7351 17 -8.9119 -10.2258 8 -8.0282 -10.6993 18 -12.2115 -8.3297 9 -9.5022 -9.3887 19 -0.4803 -10.5369 10 -13.4043 -6.8128 20 -15.4608 -4.8381
拟合后的方程为：
y＝10-5x5+0.0004x4+0.0044x3+0.049x2+0.2093x-10.793。
2.根据权利要求1所述的一种基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机，其特征在于：所述叶轮包括3枚梨形线翼型叶片(4)，所述梨形线翼型叶片(4)的轴向截面翼型曲线上关键点的坐标以如下方式表示，Z代表梨形线翼型叶片(4)的截面翼型曲线上关键点的空间横坐标值，W代表梨形线翼型叶片(4)的截面翼型曲线上关键点的空间纵坐标值，参数见表2，
表2：
序号 Z W 序号 Z W 1 -6.3651 -8.6932 11 -5.2918 -7.4914 2 -5.3666 -12.4651 12 -4.9568 -8.2264 3 -6.9776 -9.2302 13 -4.4743 -8.8824 4 -8.0461 -10.4499 14 -3.9786 -9.5288 5 -6.1767 -12.3873 15 -3.5105 -10.1953 6 -5.7661 -8.1415 16 -3.1525 -10.9245 7 -7.5615 -9.7976 17 -3.1531 -11.7202 8 -8.2029 -11.2309 18 -3.7656 -12.2275 9 -7.7028 -11.8485 19 -4.5539 -12.4242 10 -6.9668 -12.1922 20 -5.3008 -7.4817
表2中所述参数的数学方程式为：Z＝1+sint；W＝2·cost·(1+sint)，其中t为任意有理数。
3.根据权利要求2所述的一种基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机，其特征在于：所述叶片固定板上设置的叶轮的数量为10～12个。
4.根据权利要求3所述的一种基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机，其特征在于：引水流道的进口段(5)长度L0与引水流道的过渡段(7)长度L1的比值为0.37～0.44；引水流道的出口段(8)长度L2与引水流道的过渡段(7)长度L1的比值为1.62～1.69。
5.根据权利要求4所述的一种基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机，其特征在于：叶轮的直径D1与转动轴(3)的直径D0的比值为1.95～2.02；轴承支撑架(6)的直径D2与转动轴(3)的直径D0的比值为9.39～9.46。
6.根据权利要求5所述的一种基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机，其特征在于：所述引水流道的进口段(5)的上挡板高度A1与引水流道的进水口(1)的高度A2的比值为0.18～0.25；引水流道的进口段(5)的下底座高度A3与引水流道的进水口高度A2的比值为1.32～1.39；引水流道的出口段(8)的上挡板高度B1与出水口高度B2的比值为1.38～1.45；引水流道的出口段(8)的下底座高度B3与出水口高度B2的比值为0.57～0.64；引水流道的进口段(5)的上挡板长度C1与转轮室的长度C2的比值为0.28～0.36；引水流道的出口段(8)的上挡板长度C3与转轮室的长度C2的比值为0.35～0.42。
7.根据权利要求6所述的一种基于梨形线翼型叶片的冲击式水轮机，其特征在于：所述叶轮在受外力之后将力矩传递给转动轴(3)，所述转动轴(3)将力矩传递给与水轮机相连的外部发电设备。
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