CN108798969B - 一种基于水轮机模式的带流道式导叶的液力透平流道 - Google Patents

一种基于水轮机模式的带流道式导叶的液力透平流道 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于水轮机模式的带流道式导叶的液力透平流道，包括进水室、首级径向式正导叶、首级转轮、至少一级次级级间流道式导叶及相应级超低比转速转轮、出水室、主轴、轴承和机壳，轴承中心内装有主轴，主轴上从上至下依次装有首级转轮、至少一级次级级间导叶及与之相匹配的转轮，各级级间导叶均为结构相同的流道式导叶，引水室经首级导叶与首级转轮相连通，首级转轮经次级级间流道式导叶与相应级的转轮相连通，依次顺次类推，末级转轮与出水室相连通，本发明结构简单，运行稳定、安全可靠、高效，使用范围广，适用于中小流量、中高余压利用情况，节能环保，是高效利用水能或回收余能设备上的创新，经济和社会效益巨大。

Description

一种基于水轮机模式的带流道式导叶的液力透平流道
技术领域
本发明涉及水轮机，特别是一种基于水轮机模式的带流道式导叶的液力透平流道。
背景技术
目前，大多数用于余能回收的液力透平常采用多级泵反转，由于泵反转作透平运行时，进出口发生了逆转，因此，这些按泵工况设计的透平，其损失比泵工况运行时的大、效率低，高效工作范围窄，稳定性差。余能回收效率低，导致能源的二次浪费，因此提高液力透平的余能回收效率尤为重要。而水轮机是水能利用的常规原动机，其运行效率往往要比泵作液力透平的效率高很多，且高效工作范围宽，稳定性好，基于此点考虑，很有必要设计开发水轮机模式的液力透平。此外，液力透平的余能回收效率不仅取决于高效的转轮，还需要开发出与之相适应的流道，以提高液力透平整体余能回收效率。另外，由于受结构布局限制，液力透平流道还要求结构紧凑，运行稳定可靠。因此，需要设计开发出与水轮机模式液力透平及其相适应的流道，但至今未见有水轮机模式的液力透平流道的公开报道。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种基于水轮机模式的带流道式导叶的液力透平流道，可有效解决反转泵型液力透平效率低、高效区窄、稳定性差的问题。
本发明解决的技术方案是，一种基于水轮机模式的带流道式导叶的液力透
平流道，包括进水室、首级径向式正导叶、首级转轮、至少一级次级级间流道式导叶及相应级超低比转速转轮、出水室、主轴、轴承和机壳，轴承中心内装有主轴，主轴上从上至下依次装有首级转轮、至少一级次级级间导叶及与之相匹配的转轮，各级级间导叶均为结构相同的流道式导叶，引水室经首级导叶与首级转轮相连通，首级转轮经次级级间流道式导叶与相应级的转轮相连通，依次顺次类推，末级转轮与出水室相连通，水流由引水室将水流顺畅且轴对称的引向首级导叶，由首级导叶形成首级转轮所需要的环量，进入首级转轮，然后首级转轮经相连通的级间流道式导叶进入水轮机模式的低比转速混流式液力透平转轮，依次顺次类推，最后水流由与末级转轮相连通的出水室排出，与机壳一起构成流道式导叶的液力透平流道。
本发明结构简单，新颖独特，具有高的余能回收效率和高的水头利用能力，与发电机直联，设备装置效率高、运行稳定、安全可靠、高效，使用范围广（工作面宽），适用于中小流量、中高余压（水头）利用情况，节能环保，是高效利用水能或回收余能设备上的创新，经济和社会效益巨大。
附图说明
图1为本发明的结构剖面主视图；
图2为本发明的首级导叶俯视图；
图3为本发明的水轮机模式的低比转速混流式液力透平转轮的主视图；
图4为本发明的级间流道式导叶的主视图。
具体实施方式
以下结合附图和具体情况对本发明的具体实施方式做详细说明。
如图1-4所示，本发明一种基于水轮机模式的带流道式导叶的液力透平流道，包括进水室、首级径向式正导叶、首级转轮、至少一级次级级间流道式导叶及相应级超低比转速转轮、出水室、主轴、轴承和机壳，轴承8中心内装有主轴7，主轴7上从上至下依次装有首级转轮3、至少一级次级级间导叶4及与之相匹配的转轮5，各级级间导叶均为结构相同的流道式导叶，引水室1经首级导叶2与首级转轮3相连通，首级转轮3经次级级间流道式导叶4与相应级的转轮5相连通，依次顺次类推，末级转轮与出水室6相连通，水流由引水室1将水流顺畅且轴对称的引向首级导叶2，由首级导叶2形成首级转轮3所需要的环量，进入首级转轮3，然后首级转轮3经相连通的级间流道式导叶4进入水轮机模式的低比转速混流式液力透平转轮5，依次顺次类推，最后水流由与末级转轮相连通的出水室6排出，与机壳9一起构成流道式导叶的液力透平流道。
为了保证使用效果和使用方便，
所述的引水室1为圆断面蜗壳状，从进口到出口断面面积逐渐减小，构成水流从进口到出口间流量的均匀减小结构。
所述的首级导叶2为径向式导叶，在引导水流进入首级转轮3前，形成首级转轮3进口必要的环量，同时作为与蜗壳相连的座环的支柱，起支撑作用。
所述的首级转轮3和水轮机模式的低比转速混流式液力透平转轮5结构相同，均为水轮机模式的低比转速混流式转轮，转轮流道从进口到出口由径向变轴向，是由上冠、叶片、下环构成，转轮叶片的进口角β1＝60°～ 90°，转速为60～ 70r/min。
所述的级间流道式导叶4为每两个正反导叶及过渡区域均形成独立的分流道，没有公共的混合流道，减少了各导叶间的相互干扰，提高水力性能，水流由首级转轮3的出口流向级间流道式导叶4的反导叶，然后流入相应的正导叶，经过正导叶引导并形成次级转轮所需要的环量，再进入次级转轮，正导叶出口直径是水轮机模式的低比转速混流式液力透平转轮5的外直径加2-10mm，正导叶外直径是正导叶出口直径的1.3-1.5倍，正导叶出口的高度与转轮进口高度相等，反导叶高度是正导叶出口高度的1.5-1.8倍，反导叶进口直径与转轮口直径相同，正道轮出口角与转轮进口角相同，反导叶进口角与转轮水流法向出口角相同，均为90°。
所述的出水室6为蜗壳式环形出水室，环形截面与蜗壳截面断面面积相一致，出口面积与蜗壳进口面积相一致，所述的出水室6与末级转轮相连，其作用是使末级转轮出口处的水流能量有所降低，从而增加转轮前后的能量差，回收一部分剩余水流能量。
所述主轴7的转速为1500-3000r/min，直接带动风机或泵运行，或与发电机直联发电，无需加装减速机，提高设备的可靠性、稳定性，降低运行维护费。
所述的透平流道为立式或卧式，与机壳9构成一体结构。
所述的“水流”还可换作“液流”。
由上述结构可以看出，本发明包括进水部件（蜗壳与首级导叶）、首级转轮、至少一级级间流道式导叶及相应级水轮机模式的低比转速混流式转轮、出水室、轴承、主轴和机壳。其透平转轮按水轮机模式研制而成。水流环量的概念贯穿整个液力透平及其流道的水力研制过程，水流流过液力透平时，通过其环量的改变，把水流能量传递给转轮，变成转轮的旋转机械能，由水轮机主轴带动发电机发电或带动风机运行或泵运行；液力透平相应的进水部件、导叶和出水室均满足其转轮环量变化的需要，因此，转轮之外过流部件的研制也要按照环量的要求考虑，这是水轮机模式液力透平及其流道水力设计的关键，也是其与反转泵式液力透平的重要区别。
本发明的液力透平的流道始于引水室的进口，引水室为圆断面蜗壳，其研制原则为从进口到出口间流量均匀减少，断面面积逐渐减小，能形成必要的环量。水流经过引水室形成必要的环量后，流进首级导叶，首级导叶的功能是引导流体均匀地进入首级液力透平的转轮，并产生转轮工作需要的水流环量。本发明的首级导叶为径向式导叶，引导水流形成转轮进口环量，同时作为与蜗壳相连通的座环的支柱。水流经由首级导叶，形成首级转轮所需的环量后，流入首级转轮，水流带动首级转轮做功，再经由首级转轮出口流向次级级间导叶。本发明的各级级间导叶均为流道式导叶，其特点是每两个正、反导叶及过渡区域均形成独立的分流道，没有公共的混合空间，从而减少了各导叶间的相互干扰，有较好的水力性能；其作用是传递前后级转轮之间的流体，即把前一级转轮出口的水流集中起来按照透平工作需要的环量及方向要求送入下一级转轮。本发明的首级转轮和后级转轮均为水轮机模式低比转速混流式转轮，转轮流道从进口到出口由径向变为轴向，包括上冠、叶片、下环组成；其转轮的β1＝60°～90° (β1为叶片的进口角，即叶片翼型骨线在进水边处的切线与圆周方向的夹角)，其单位转速n11＝60～70r/min之间，其叶片比较平直，弯曲较小，叶片流道较短，属于低比转速混流式转轮。其特征还在于，其单位流量在0.2～0.3m3/s；转轮水力效率高，可达96％以上。水流最后经末级转轮出口，流向出水室，最后经由出水室流出。本发明的出水室为环形出水室，按其环形截面跟蜗壳截面断面面积保持对应一致，出口面积与蜗壳进口面积保持一致，出水室在末级转轮之后并与末级转轮相连，其作用是引导水流离开液力透平并回收末级转轮出口处的部分水流能量，提高液力透平的余能回收效率。
本发明的液力透平流道的工作过程为：从引水室进口流入引水室的高压液体，形成一定的水流环量后，再流经首级导叶形成必要的水流环量后，流入首级转轮做功，对首级转轮做功后的水流经由首级转轮出口轴向流入次级级间流道式导叶的反导叶，流经反导叶的水流以合适的方向进入正导叶，引导水流形成必要的环量后，流入次级转轮做功，经由次级转轮出口轴向流出转轮，如此顺次，只到最后轴向流出末级转轮出口的水流经由出水室流出液力透平。本发明的各级转轮所产生的旋转机械能由主轴输出，主轴的转速为1500-3000r/min，可以直接带动风机或泵运行，也可以与发电机直联发电而无需加装减速机，提高了设备的可靠性、稳定性，降低了设备的运行维护费用。
本发明在结构上采用，主轴上依次装有首级液力透平、至少一级的次级液力透平以及与末级液力透平相连的出水室；首级液力透平包括首级液力透平转轮及与之相适应的用于引导水流并形成首级转轮所需环量的蜗壳和首级导叶；次级液力透平包括与首级转轮结构相同的次级转轮及与之相配套的级间流道式导叶；与末级液力透平相连的出水室将水流引出液力透平；整个液力透平与机壳形成完整的液力透平流道。
本发明的能量传递过程为：高压水流从引水室进口流入，在引水室的作用下形成一定的水流环量后，再流经首级径向式导叶，形成必要的水流环量后，流入首级转轮做功，高压水流的压力能对首级转轮做功，转换为转轮的旋转机械能，然后水流经由首级转轮出口轴向流入级间流道式导叶的反导叶，流经反导叶的水流流入对应的正导叶，在正导叶的引导下，水流形成次级转轮所需要的环量后，流入次级转轮做功，继续把水流的压力能转换成转轮的旋转机械能，经由次级转轮出口轴向流出转轮，如此顺次类推，只到最后轴向流出末级转轮出口的水流经由出水室流出液力透平。转轮的旋转机械能经由主轴输出，主轴的转速为1500-3000r/min，可直接驱动风机或泵运行，或者与发电机直联而无需加装减速器，提高了装置效率，减少了设备维护费用，也提高了设备的可靠性。
本发明中过流部件的作用和特点为所述的引水室的外形是圆断面蜗壳。引水室的设计原则为从进口到出口间流量均匀减少，断面面积逐渐减小。所述首级导叶为径向式导叶，用来引导水流进入首级转轮的同时形成首级转轮所需进口环量，还能作为座环的支柱起支撑作用。流道式导叶的特征还在于，正导叶出口直径D3=D1+(2～10mm)，导叶外径D4=(1.3～1.5)D3，正导叶出口导叶高度 b3取与转轮进口高度b1相同，即b3= b1，反导叶高度b4=(1.5～1.8)b3 ，反导叶进口直径D6取与转轮出口直径相同，取正导叶出口角与转轮进口角相同，反导叶进口角取值与转轮水流法向出口角相同，取900。
所述首级转轮和次级转轮均为水轮机模式的低比转速混流式转轮，转轮流道从进口到出口由径向变为轴向，包括上冠、叶片、下环组成。转轮的β1＝60°～ 90°(β1为叶片的进口角，即叶片翼型骨线在进水边处的切线与圆周方向的夹角)，其单位转速n11＝60～70r/min之间，其叶片比较平直，弯曲较小，叶片流道较短，属于低比转速混流式转轮。此透平适用于中高余压的回收利用或相应能级的水能利用；经试验，转轮水力效率高，可达96％以上。所述出水室为环形出水室，按其环形截面跟蜗壳截面断面面积保持一致，出口面积与蜗壳进口面积保持一致，出水室与末级转轮相连，其作用是使末级转轮出口处的水流能量有所降低，从而增加转轮前后的能量差，回收一部分水流剩余能量，实现节能环保，各级转轮所产生的旋转机械能由主轴输出，主轴的转速为 1500-3000r/min，可以直接带动风机或泵运行，也可以与三相同步发电机直联发电而无需加装减速机，节约费用，提高了设备的可靠性、稳定性，降低了设备的运行维护费用，经济和社会效益巨大。

Claims (3)

1.一种基于水轮机模式的带流道式导叶的液力透平流道，包括进水室、首级径向式正导叶、首级转轮、至少一级次级级间流道式导叶及相应级超低比转速转轮、出水室、主轴、轴承和机壳，其特征在于，轴承（8）中心内装有主轴（7），主轴的转速为1500-3000r/min，主轴（7）上从上至下依次装有首级转轮（3）、至少一级次级级间导叶及与之相匹配的转轮（5），各级级间导叶均为结构相同的流道式导叶，引水室（1）为圆断面蜗壳状，从进口到出口断面面积逐渐减小，构成水流从进口到出口间流量的均匀减小结构，引水室（1）经首级导叶（2）与首级转轮（3）相连通，首级转轮（3）经次级级间流道式导叶（4）与相应级的转轮（5）相连通，依次顺次类推，末级转轮与出水室（6）相连通，水流由引水室（1）将水流顺畅且轴对称的引向首级导叶（2），由首级导叶（2）形成首级转轮（3）所需要的环量，首级导叶（2）为径向式导叶，在引导水流进入首级转轮（3）的同时，形成首级转轮（3）进口必要的环量，同时作为与蜗壳相连的座环的支柱，起支撑作用，进入首级转轮（3），然后首级转轮（3）经相连通的级间流道式导叶（4）进入水轮机模式的低比转速混流式液力透平转轮（5），依次顺次类推，最后水流由与末级转轮相连通的出水室（6）排出，与机壳（9）一起构成流道式导叶的液力透平流道；
所述的首级转轮（3）和各级转轮（5）结构相同，均为水轮机模式的低比转速混流式转轮，转轮流道从进口到出口由径向变轴向，是由上冠、叶片、下环构成，转轮叶片的进口角β1＝60°～90°，转速为60～70r/min；
所述的各级级间导叶（4）结构相同，均为流道式导叶，其每两个对应的正反导叶及过渡区域均形成独立的分流道，没有公共的混合区域，减少各导叶间的相互干扰，提高水力性能，水流由首级转轮（3）的出口流向级间流道式导叶（4）的反导叶，然后流入相应的正导叶，经过正导叶引导并形成次级转轮所需要的环量，再进入次级转轮，正导叶出口直径是水轮机模式的低比转速混流式液力透平转轮（5）的外直径加2-10mm，正导叶外直径是正导叶出口直径的1.3-1.5倍，正导叶出口的高度与转轮进口高度相等，反导叶高度是正导叶出口高度的1.5-1.8倍，反导叶进口直径与转轮口直径相同，正道轮出口角与转轮进口角相同，反导叶进口角与转轮水流法向出口角相同，均为90°；
所述的出水室（6）为蜗壳式环形出水室，环形截面与蜗壳截面断面面积对应一致，出口面积与蜗壳进口面积相一致，所述的出水室（6）与末级转轮相连，使末级转轮出口处的水流能量降低，从而增加转轮前后的能量差，回收一部分剩余水流能量；
主轴上依次装有首级液力透平、至少一级的次级液力透平以及与末级液力透平相连的出水室；首级液力透平包括首级液力透平转轮及与之相适应的用于引导水流并形成首级转轮所需环量的蜗壳和首级导叶；次级液力透平包括与首级转轮结构相同的次级转轮及与之相配套的级间流道式导叶；与末级液力透平相连的出水室将水流引出液力透平；整个液力透平与机壳形成完整的液力透平流道；工作时，从引水室进口流入引水室的高压液体，形成一定的水流环量后，再流经首级导叶形成必要的水流环量后，流入首级转轮做功，对首级转轮做功后的水流经由首级转轮出口轴向流入次级级间流道式导叶的反导叶，流经反导叶的水流以合适的方向进入正导叶，引导水流形成必要的环量后，流入次级转轮做功，经由次级转轮出口轴向流出转轮，如此顺次，只到最后轴向流出末级转轮出口的水流经由出水室流出液力透平，各级转轮所产生的旋转机械能由主轴输出，主轴的转速为1500-3000r/min，直接带动风机或泵运行，可与发电机直联发电而无需加装减速机，提高设备的可靠性、稳定性，降低设备的运行维护费用。
2.根据权利要求1所述的基于水轮机模式的带流道式导叶的液力透平流道，其特征在于：所述主轴（7）的转速为1500-3000r/min，直接带动风机或泵运行，或与发电机直联发电。
3.根据权利要求1所述的基于水轮机模式的带流道式导叶的液力透平流道，其特征在于：所述的透平流道为立式或卧式，与机壳（9）构成一体结构。
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