CN109026496A - 转轮及管道式水轮机 - Google Patents

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杨魏
贾慧婷
侯奕敏
刘竹青
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    • F03B3/00Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/12Blades; Blade-carrying rotors
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Abstract

本发明实施例提供了一种转轮及管道式水轮机,涉及水力发电技术领域。其中,转轮包括转轴,还包括多个升力型叶片及多个阻力型叶片;每个所述升力型叶片的两端分别连接在所述转轴的两端处,多个所述升力型叶片分布在以所述转轴的中心为球心的球形表面上;每个所述阻力型叶片呈Bach型,安装在所述转轴的中部。本发明中的转轮,阻力型叶片呈Bach型,其两侧所受水流的不同压力会形成压力差,驱动阻力型叶片转动做功,从而带动转轴及升力型叶片转动,在启动后通过升力型叶片产生的升力带动转轴旋转进行发电,以供给远传设备使用,具有良好的启动性能而且在持续性供电的同时不影响正常供水。

Description

转轮及管道式水轮机
技术领域
本发明实施例涉及水力发电技术领域,尤其涉及一种转轮及管道式水轮机。
背景技术
在输水工程中,为保障饮水安全,常常需要对输水管道中的流量、压力、水质等进行测量,并将所测量数据通过互联网传送到数据中心。随着我国城市化发展进程的不断加快,水资源需求迅猛增加,输水管网系统也得到快速扩张并变得错综复杂。输水管网系统中需要配置更多的测量设备对于水质、流量等进行监控。这些测量设备及传递信号的远程传输装置等远传设备多是借助管道式水轮机进行电力供给。
管道式水轮机通过利用管道中流体推动安装在管道中的转轮转动进行发电。由于转轮工作时产生的压力损失较小,不会对管道内原有的水流流动造成很大影响,因而只要管道中的水流不断流动,管道式水轮机就可以持续为管道内的检测设备供电。但目前管道式水轮机中常用的转轮主要是升力型转轮和阻力性转轮两类,其中,升力型转轮在小流量工况下启动性能较差,不能保证持续性供电;阻力性转轮造成的水力损失较大,会影响正常供水且功率较低。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的之一是提供一种转轮,改善转轮在小流量工况下的启动性能,避免产生较大的水力损失。
本发明的目的之二是提供一种使用上述转轮的管道式水轮机。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题之一,本发明提供一种转轮,包括转轴,还包括多个升力型叶片及多个阻力型叶片,每个所述升力型叶片的两端分别连接在所述转轴的两端处,多个所述升力型叶片分布在以所述转轴的中心为球心的球形表面上;每个所述阻力型叶片呈Bach型,安装在所述转轴的中部。
其中,在所述转轴的第一端设置有上托,所述转轴的第二端设置有下托,所述升力型叶片的一端与所述上托相连,另一端与所述下托相连。
其中,所述上托沿所述上托朝着所述转轴中心方向固定连接第一轴筒,所述下托沿所述下托朝着所述转轴中心方向固定连接第二轴筒,中平行于叶片骨线的两端分别为第一端与第二端,其中,所述第一端与所述第一轴筒相连,所述第二端与所述第二轴筒相连。
其中,所述升力型叶片为等截面叶片,呈翼型。
其中,所述升力型叶片的中线为圆弧线,多个所述升力型叶片的中线位于以所述转轴的中心为球心、直径为D的球面上,所述阻力型叶片的直径为D0,其中,D0/D为1/3~1/2;所述阻力型叶片的高度H0不超过所述升力型叶片的高度H的一半。
其中,所述阻力型叶片的高度H0与直径D0的比值为0.6~1.0,所述阻力型叶片的重叠比为0.1~0.3。
其中,所述阻力型叶片包括平板段与柱面段,所述平板段与所述柱面段平滑连接,所述平板段的长度l与所述柱面段的半径r的比值为0.2~0.6,所述柱面段的弧面所对应的圆心角为120°~135°。
其中,所述升力型叶片的叶片倾角为θ,所述升力型叶片的中线所在球面的半径为R,所述升力型叶片的叶片弦长为C,所述升力型叶片的数量为N=σ·R·cosθ/C,其中,σ的取值范围为1.3~2.1。
其中,多个所述升力型叶片沿所述转轴的中轴线对称分布。
为解决上述技术问题之二,本发明提供了一种管道式水轮机,包括如上所述的转轮。
(三)有益效果
本发明提供的转轮,阻力型叶片呈Bach型,其两侧所受水流的不同压力会形成压力差,驱动阻力型叶片转动做功,从而带动转轴及升力型叶片转动,当升力型叶片开始转动后,使用该转轮的管道式水轮机正式启动,经由升力型叶片产生的升力做功,通过带动转轴旋转进行发电,以供给远传设备使用,从而避免了传统升力型转轮启动性能差的问题,又解决了阻力型转轮造成的水力损失对正常供水的影响;本发明提供的管道式水轮机,通过使用转轮,具有良好的启动性能而且在持续性供电的同时不影响正常供水。
附图说明
图1为本发明实施例转轮的结构示意图;
图2为图1中所示的转轮在管道内的使用示意图;
图3为图1中所示的阻力型叶片的结构示意图;
图4为图1中所示的阻力型叶片的截面示意图;
图5为图1中所示的升力型叶片的截面示意图。
图中:1、转轴;2、升力型叶片;3、阻力型叶片;4、上托;5、下托;6、第一轴筒;7、第二轴筒;8、连接管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如表1所示为传统升力型转轮用于水轮机时在不同流速下的运动情况,由表1中的数据可见,传统升力型转轮的启动过程是一个不稳定的过程,伴有转轮的抖动和一定的随机性,因此,临近启动流速的测量会存在较大的测量误差和偶然性。另外,管道式水轮机在应用点的平均流速为0.26~0.79m/s,而升力型转轮的临界启动流速在0.69m/s左右,落在管道式水轮机在应用点平均流速的较大值范围内,当管道内水流流速较大时,升力型转轮容易出现自启动问题。以V=0.69m/s为例,在临界启动流速的水流作用下,升力型转轮先大幅度抖动,并伴有间歇性缓慢转动,随着间歇性缓慢转动使升力型转轮到达某一力矩较大的相位角,升力型转轮加速,而且加速后的升力型转轮在到达下一个力矩较小的相位前没有停止;升力型转轮从间歇性转动变为连续的缓慢转动,保持连续低速旋转,并缓慢加速,逐步度过启动过程,快速加速,到达平衡状态。升力型转轮在水流作用下的整个启动过程不稳定,启动性能较差。
表1升力型转轮运动情况
而传统的阻力型转轮临界启动流速在0.18m/s,启动过程较为平稳,不存在强烈抖动的现象。阻力型转轮的临界启动流速为0.18m/s,当其在静止状态受到水流作用力时,容易自启动;阻力型转轮用在输水管网中时,会造成较大的压力损失,从而造成水压不足引发供水问题。
基于传统升力型转轮和阻力型转轮的不足,如图1所示本发明实施例转轮的结构示意图,其包括转轴1、多个升力型叶片2及安装在转轴1中部的多个阻力型叶片3。其中,每一个升力型叶片2的第一端与转轴1的一端相连,每一个升力型叶片2的第二端与转轴2的另一端相连;多个升力型叶片2分布在以转轴1的中心为球心的球形表面上,每个阻力型叶片3呈Bach型,即阻力型叶片3沿垂直于前缘的剖面形状为Bach型,其中,Bach型是一种分段叶型,其几何结构是由一条直线和圆弧构成。
如图2所示,该转轮在使用时,在升力型转轮无法自启动的低速水流作用下,阻力型叶片3两侧所受水流的不同压力形成压力差,驱动阻力型叶片3转动做功,从而带动转轴1旋转及升力型叶片2转动。由于阻力型叶片3呈Bach型,具有较高的功率,而且形状简单,在转轮自启动后对流场的影响比较小,能够保证正常供水。当升力型叶片2转动后,使用该转轮的管道式水轮机正式启动,通过升力型叶片产生的升力做功,带动转轴1旋转进行发电,以供给远传设备使用。由上可见,本发明中的转轮既能够在小流量工况下实现启动,克服了升力型转轮启动性差的不足,又能避免阻力型转轮造成的水力损失,不影响正常供水。
具体的,在转轴1的一端设置有上托4,在转轴1的另一端设置有下托5。上托4及下托5之间相互平行,均沿转轴1的径向向外延伸,升力型叶片2的一端与上托4相连,另一端与下托5相连。其中,上托4及下托5背离升力型叶片2的一侧可以分别设置一个球状凸台,两个球状凸台的球心均位于转轴1的中心。相邻两个升力型叶片2之间的夹角相等,并且沿转轴1的中轴线对称分布。升力型叶片2与转轴1通过上托4、下托5连为一体,两者同步运动。
其中,上托4沿上托4朝向转轴1中心的方向固定连接第一轴筒6,下托5沿下托5朝向转轴1中心的方向固定连接第二轴筒7,第一轴筒6的中轴线、第二轴筒7的中轴线均与转轴1的中轴线重合。阻力型叶片3中平行于叶片骨线的两端分别与第一轴筒6与第二轴筒7相连。当阻力型叶片3两侧所受水流的不同压力形成压力差带动阻力型叶片3转动做功时,通过第一轴筒6、第二轴筒7带动设在上托4与下托5上的升力型叶片2转动,实现小流量工况下的水轮机的启动,保证持续性供电。
其中,升力型叶片2被垂直于升力型叶片2中线的截面截取后的截面形状如图5所示,需要说明的是,截取中线上不同的位置所获得的截面形状相同,即升力型叶片2为等截面叶片。优选地,升力型叶片2呈翼型,翼型中弧线的中点所形成的连线为升力型叶片2的中线。进一步的,升力型叶片2的截面形状为对称翼型,可以选用NACA0018翼型。当然,升力型叶片2还可以为非对称翼型,如凹凸型翼型、S型翼型或平凸型翼型。
具体的,升力型叶片2的中线为圆弧线,多个升力型叶片2的中线位于同一个球面上,该球面的直径为D。阻力型叶片3旋转过程中扫过的圆的最大直径为阻力型叶片3的直径,记为D0,其中,D0/D的比值范围在1/3~1/2;优选的,D0/D的比值为1/3。阻力型叶片3的高度H0与直径D0的比值约为0.77,阻力型叶片3的高度H0不超过升力型叶片2的高度H的一半。
阻力型叶片3的高度H0与直径D0的比值为0.6~1.0,阻力型叶片3旋转过程中扫过的圆的最小直径为阻力型叶片3的叶片间距,记为S0,当阻力型叶片3有两个时,两个阻力型叶片3直线段之间的最短距离即为叶片间距。转轴1的轴径为L,(S0-L)/D0的取值范围为0.1~0.3;(S0-L)/D0的比值即为阻力型叶片3的重叠比,优选地,阻力型叶片3的重叠比为0.19。具体地,本发明实施例中阻力型叶片3的叶片间距S0为26mm,高度H0为46mm,直径D0为60mm;转轴1的轴径为15mm。
如图3所示,阻力型叶片3包括平板段与柱面段,平板段与柱面段平滑连接,平板段的长度l与柱面段的半径r的比值为0.2~0.6,l/r的比值即为阻力型叶片3的形状因子;优选的,阻力型叶片3的形状因子为0.2。柱面段所对应的圆心角为120°~135°。用垂直于阻力型叶片3中线的截面截取阻力型叶片3所得的截面形状如图4所示。优选的,柱面段所对应的圆心角为124°,平板段的长度l为8mm,柱面段的半径r为25mm。
多个升力型叶片2的中线所在球面中过某一升力型叶片2中线的径向面与转轴1的轴线之间形成的倾角为该升力型叶片2的叶片倾角,记为θ,升力型叶片2的中线所在球面的半径为R,升力型叶片2的叶片弦长为C,升力型叶片2的数量为N=σ·R·cosθ/C,其中,σ的取值范围为1.3~2.1。优选的,升力型叶片2的中线所在的平面与转轴1的中心线之间形成的倾角θ为15°。
多个升力型叶片2沿转轴1的中轴线对称分布。具体的,升力型叶片2的实度为1.8°。升力型叶片2的数量有6个,相邻的两个升力型叶片2之间的夹角为60°;6个升力型叶片通过第一轴筒6、第二轴筒7与两个阻力型叶片2相连。
本发明实施例还提供了一种管道式水轮机,包括如上所述的转轮,转轮中的转轴1与连接管8相连,在转轴1与连接管8的连接处设有密封装置。具体地,该转轴1的中心线与连接管8的中心线垂直。转轮通过法兰连接在输水管路中,水流从输水管路进入连接管8,通过阻力型叶片3实现低速水流作用下的转动做功,带动升力型叶片2旋转,从而实现整个转轮的自启动,通过升力型叶片2的转动带动与其相连的发电机进行发电。其中,多个升力型叶片2的旋转轨迹呈球形,球形的球心位于转轴1的中线与连接管8的中线的交汇点处。该管道式水轮机用于远距离小管径输水管道中的小功率发电装置,通过水流带动转轮旋转,持续稳定地为输水管中不便接入电网或传统电池不能满足电量需求的传输设备进行供电。该转轮的输出功率为瓦级别,启动性能较好,成本较低,且结构简单易于安装,能够满足远距离输水管路中远传设备等的供电需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种转轮,包括转轴,其特征在于,还包括多个升力型叶片及多个阻力型叶片;每个所述升力型叶片的两端分别连接在所述转轴的两端处,多个所述升力型叶片分布在以所述转轴的中心为球心的球形表面上;每个所述阻力型叶片呈Bach型,安装在所述转轴的中部。
2.根据权利要求1所述的转轮,其特征在于,在所述转轴的第一端设置有上托,所述转轴的第二端设置有下托,所述升力型叶片的一端与所述上托相连,另一端与所述下托相连。
3.根据权利要求2所述的转轮,其特征在于,所述上托沿所述上托朝着所述转轴中心方向固定连接第一轴筒,所述下托沿所述下托朝着所述转轴中心方向固定连接第二轴筒,所述阻力型叶片中平行于叶片骨线的两端分别为第一端与第二端,其中,所述第一端与所述第一轴筒相连,所述第二端与所述第二轴筒相连。
4.根据权利要求1-3任一项所述的转轮,其特征在于,所述升力型叶片为等截面叶片,呈翼型。
5.根据权利要求4所述的转轮,其特征在于,所述升力型叶片的中线为圆弧线,多个所述升力型叶片的中线均位于以所述转轴中心为球心、直径为D的球面上,所述阻力型叶片的直径为D0,其中,D0/D为1/3~1/2;所述阻力型叶片的高度H0不超过所述升力型叶片的高度H的一半。
6.根据权利要求5所述的转轮,其特征在于,所述阻力型叶片的高度H0与直径D0的比值为0.6~1.0,所述阻力型叶片的重叠比为0.1~0.3。
7.根据权利要求1所述的转轮,其特征在于,所述阻力型叶片包括平板段与柱面段,所述平板段与所述柱面段平滑连接,所述平板段的长度l与所述柱面段的半径r的比值为0.2~0.6,所述柱面段的弧面所对应的圆心角为120°~135°。
8.根据权利要求4所述的转轮,其特征在于,所述升力型叶片的叶片倾角为θ,所述升力型叶片的中线所在球面的半径为R,所述升力型叶片的叶片弦长为C,所述升力型叶片的数量为N=σ·R·cosθ/C,其中,σ的取值范围为1.3~2.1。
9.根据权利要求1所述的转轮,其特征在于,多个所述升力型叶片沿所述转轴的中轴线对称分布。
10.一种管道式水轮机,其特征在于,包括如权利要求1-9任一项所述的转轮。
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