CN108194245A - 一种冲击式水轮机 - Google Patents

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王树齐
徐刚
朱仁庆
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B1/00—Engines of impulse type, i.e. turbines with jets of high-velocity liquid impinging on blades or like rotors, e.g. Pelton wheels; Parts or details peculiar thereto
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

本发明涉及一种冲击式水轮机，包括引水流道以及设置于引水流道两侧且分别与引水流道连通的进水口和出水口，引水通道包括由进水口至出水口依次设置的引水流道进口段、引水流道过渡段以及引水流道出口段；在所述引水流道过渡段尾部且沿引水流道中心线向上1/3的转轮室本体上固定有叶轮，所述叶轮包括一与转轮室本体固定连接的转动轴以及与转动轴固定且呈辐射状分布的轴承支撑架，所述叶轮还包括若干个呈圆周分布且设置在轴承支撑架上的叶片，所述叶片采用具有费马曲线设计的结构叶片。本发明的优点在于：本发明可以在低水头微型水电站中低成本、高效的运行，可安装在有坡度的河道下游，实现了对水能的高效利用。

Description

一种冲击式水轮机
技术领域
本发明属于流体机械及水电工程设备技术领域，特别涉及一种冲击式水轮机。
背景技术
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，利用高效率的转轮室来转换水能，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，克服冲击式水轮机在低水头微型水电站中效率低、成本高的问题，开发一种高效的、成本低收益高的冲击式水轮机，在标准冲击式水轮机不能进行有效运行的地方，能够充分利用水能合适使用，是当今流体机械及水电工程设备技术亟待解决的重点难题之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对当下冲击式水轮机在低水头微型电站利用率低，对鱼类生态环境影响大的技术难题，提供一种基于费马曲线叶片的冲击式水轮机。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种冲击式水轮机，其创新点在于：包括引水流道以及设置于引水流道两侧且分别与引水流道连通的进水口和出水口，所述引水通道包括由进水口至出水口依次设置的引水流道进口段、引水流道过渡段以及引水流道出口段；所述引水流道进口段和出口段均与地面平行，引水流道过渡段采用以渐开线为轨迹的波浪线形式；且在所述引水通道的引水流道进口段的上方和下方分别设有进水流道上挡板和进水流道下底座，在所述引水通道的引水流道出口段的上方和下方分别设有出水流道上挡板和出水流道下底座；
在所述引水流道过渡段尾部且沿引水流道中心线向上1/3的转轮室本体上固定有叶轮，所述叶轮包括一与转轮室本体固定连接的转动轴以及与转动轴固定且呈辐射状分布的轴承支撑架，所述叶轮还包括若干个呈圆周分布且设置在轴承支撑架上的叶片，所述叶片采用具有费马曲线设计的结构叶片。
进一步地，所述叶片是由单个叶片本体构成的，且叶片中的费马曲线在轴向的引水流道过渡段的截面曲线上关键点的坐标为（X，Y），且x=(16*θ)*cos(θ)；y=(16*θ)*sin(θ)。
进一步地，所述轴承支架上布置的叶片数量为10或12个。
进一步地，所述引水流道进口段的长度记为L0，引水流道过渡段的长度记为L1，引水流道出口段的长度记为L2，且L0与L1的比值为0.37～0.44，L2与L1的比值为1.62～1.69。
进一步地，所述叶片直径与转动轴直径的比值为1.95～2.02，所述轴承支撑架直径与转动轴直径的比值为9.39～9.46。
进一步地，所述进水流道上挡板的高度记为A1，进水口的高度记为A2，进水流道下底座的高度记为A3，且A1与A2的比值为0.18～0.25，A3与A2的比值为1.32～1.39；所述出水流道上挡板的高度记为B1，出水口的高度记为B2，出水流道下底座的高度记为B3，且B1与B2的比值为1.38～1.45，B3与B2的比值为0.57～0.64；所述进水流道上挡板的长度记为C1，转轮室本体的长度记为C2，出水流道上挡板的长度记为C3，且C1与C2的比值为0.28～0.36，C,3与C2的比值为0.35～0.42。
本发明的优点在于：
（1）本发明冲击式水轮机，与传统冲击式水轮机相比，叶轮的叶片根据费马曲线的翼型设计，极大的增加了转轮出力，提高了水车的效率；
（2）本发明冲击式水轮机，与传统冲击式水轮机相比，并未采用喷嘴设计，转轮室采用沿渐开线为轨迹波浪曲线的引水流道，不仅可以降低生产成本，采用这种结构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；
（3）本发明冲击式水轮机，叶片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车与河道生物难于共存的问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明冲击式水轮机的左视图。
图2为本发明冲击式水轮机中叶片的结构示意图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例
本实施例冲击式水轮机，如图1所示，包括引水流道5以及设置于引水流道5两侧且分别与引水流道5连通的进水口1和出水口2，引水通道5包括由进水口1至出水口2依次设置的引水流道进口段51、引水流道过渡段52以及引水流道出口段53；引水流道进口段51和引水流道出口段53均与地面平行，引水流道过渡段52采用以渐开线为轨迹的波浪线形式；且在引水通道5的引水流道进口段51的上方和下方分别设有进水流道上挡板11和进水流道下底座12，在引水通道5的引水流道出口段53的上方和下方分别设有出水流道上挡板21和出水流道下底座22。
实施例中，引水流道进口段51的长度记为L0，引水流道过渡段52的长度记为L1，引水流道出口段53的长度记为L2，且L0与L1的比值为0.37～0.44，L2与L1的比值为1.62～1.69；进水流道上挡板11的高度记为A1，进水口1的高度记为A2，进水流道下底座12的高度记为A3，且A1与A2的比值为0.18～0.25，A3与A2的比值为1.32～1.39；出水流道上挡板21的高度记为B1，出水口2的高度记为B2，出水流道下底座22的高度记为B3，且B1与B2的比值为1.38～1.45，B3与B2的比值为0.57～0.64；进水流道上挡板11的长度记为C1，转轮室本体的长度记为C2，出水流道上挡板21的长度记为C3，且C1与C2的比值为0.28～0.36，C,3与C2的比值为0.35～0.42。
在引水流道过渡段尾部且沿引水流道5中心线向上1/3的转轮室本体上固定有叶轮，叶轮包括一与转轮室本体固定连接的转动轴3以及与转动轴3固定且呈辐射状分布的轴承支撑架6，叶轮还包括10个呈圆周分布且设置在轴承支撑架6上的叶片4，如图2所示，叶片4采用具有费马曲线设计的结构叶片。
本实施例中，叶片4是由单个叶片本体构成的，叶片4直径与转动轴3直径的比值为1.95～2.02，轴承支撑架6直径与转动轴3直径的比值为9.39～9.46，且叶片4中的费马曲线在轴向的引水流道过渡段的截面曲线上关键点的坐标为（X，Y），且x=(16*θ)*cos(θ)；y=(16*θ)*sin(θ)，空间坐标值，见表1：
表1
注：表中是单个叶片在轴向的引水流道过渡段的截面曲线上关键点的坐标为（X，Y）】
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种冲击式水轮机，其特征在于：包括引水流道以及设置于引水流道两侧且分别与引水流道连通的进水口和出水口，所述引水通道包括由进水口至出水口依次设置的引水流道进口段、引水流道过渡段以及引水流道出口段；所述引水流道进口段和出口段均与地面平行，引水流道过渡段采用以渐开线为轨迹的波浪线形式；且在所述引水通道的引水流道进口段的上方和下方分别设有进水流道上挡板和进水流道下底座，在所述引水通道的引水流道出口段的上方和下方分别设有出水流道上挡板和出水流道下底座；
在所述引水流道过渡段尾部且沿引水流道中心线向上1/3的转轮室本体上固定有叶轮，所述叶轮包括一与转轮室本体固定连接的转动轴以及与转动轴固定且呈辐射状分布的轴承支撑架，所述叶轮还包括若干个呈圆周分布且设置在轴承支撑架上的叶片，所述叶片采用具有费马曲线设计的结构叶片。
2.根据权利要求1所述的冲击式水轮机，其特征在于：所述叶片是由单个叶片本体构成的，且叶片中的费马曲线在轴向的引水流道过渡段的截面曲线上关键点的坐标为（X，Y），且x=(16*θ)*cos(θ)；y=(16*θ)*sin(θ)。
3.根据权利要求1所述的冲击式水轮机，其特征在于：所述轴承支架上布置的叶片数量为10或12个。
4.根据权利要求1所述的冲击式水轮机，其特征在于：所述引水流道进口段的长度记为L0，引水流道过渡段的长度记为L1，引水流道出口段的长度记为L2，且L0与L1的比值为0.37～0.44，L2与L1的比值为1.62～1.69。
5.根据权利要求1所述的冲击式水轮机，其特征在于：所述叶片直径与转动轴直径的比值为1.95～2.02，所述轴承支撑架直径与转动轴直径的比值为9.39～9.46。
6.根据权利要求1所述的冲击式水轮机，其特征在于：所述进水流道上挡板的高度记为A1，进水口的高度记为A2，进水流道下底座的高度记为A3，且A1与A2的比值为0.18～0.25，A3与A2的比值为1.32～1.39；所述出水流道上挡板的高度记为B1，出水口的高度记为B2，出水流道下底座的高度记为B3，且B1与B2的比值为1.38～1.45，B3与B2的比值为0.57～0.64；所述进水流道上挡板的长度记为C1，转轮室本体的长度记为C2，出水流道上挡板的长度记为C3，且C1与C2的比值为0.28～0.36，C,3与C2的比值为0.35～0.42。
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