CN110397545B - 一种螺旋叶对旋式双转轮水轮机 - Google Patents

一种螺旋叶对旋式双转轮水轮机 Download PDF

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Abstract

一种螺旋叶对旋式双转轮水轮机，包括扩散段，与扩散段相连的方圆渐变段，与方圆渐变段相连的外壳，以及与外壳相连的尾水段，还包括设置在外壳内的前段转轮以及后段转轮；其中，所述前段转轮以及后段转轮分别包括内筒、设置在内筒上的双螺旋结构的螺旋叶片、设置螺旋叶片外部的外筒，所述内筒、螺旋叶片、外筒为一体式结构共同绕设置在外壳内部的固定轴旋转，且所述前段转轮与后段转轮转动方向相反。本发明采用两段式结构设计，具有较长的流道可减小流道内压力梯度；前、后段转轮反向转动，可消除旋转流态；内筒、螺旋叶片、外筒一体式结构防止叶片和外筒间产生气蚀，减小了鱼类受到机械损伤的概率。

Description

一种螺旋叶对旋式双转轮水轮机
技术领域
本发明属于河流能发电技术领域，尤其涉及一种螺旋叶对旋式双转轮水轮机。
背景技术
在传统水电站中，鱼类下行主要有两种渠道，一是体形较小的鱼穿过坝前拦污栅进入水轮机，另一种是鱼类通过溢洪道进入下游。事实上，鱼类游过水轮机或者途径溢洪道时，水轮机内部水流复杂多变并且机械结构复杂，而溢洪道内水流速度非常快，这两种途径均会导致鱼类机体受到损伤。
水轮机过鱼时减少或消除对鱼类损伤的能力已成为是否环境友好的重要指标，甚至成为工程能否开工的关键。所以，水轮机设计应考虑改善水轮机的友好过鱼能力，设计鱼类友好型水轮机，改善下行过机鱼的损伤情况，是解决鱼类下行过坝问题的重要措施之一。
大量研究表明，一旦鱼进入水轮机系统,就必须面对几何形状和水流特性的快速改变,可能受伤。受伤的程度取决于鱼的大小、水轮机的类型和尺寸、转速和运行工况的范围。各种来源的文献综述指出了鱼类受伤的7个主要原因:①直接与旋转的转轮叶片相撞。数据表明,死亡率随转轮圆周速度的增加而增加。②由固定机械部件(通常为活动导叶和固定导叶)引起的擦伤,这种情况变化很大, 取决于转速。③鱼卡在叶片末段与外壳之间受到擦伤。④当鱼从转轮的高压侧移动到低压侧时,压力快速变化,会使鱼鳔损伤。与压力降低有很大关系。⑤水力剪切和湍流。强大的剪切力和湍流会使鱼鳞脱落和受到其他伤害。⑥在低压区中,水汽气泡的形成与突然破裂,即空化作用,一般发生在叶尖和叶片背面的尾部。已经发现,鲑鱼的某些死亡率是由于蒸汽泡破裂形成的高压突击波所致。⑦不利的水质也可改变上述物理伤害机制的影响。
为了在高效发电的同时使过机鱼的损伤和死亡率最低，国内外都已投入一定的人力和财力进行了鱼类友好型水轮机的研究，代表性的研究成果如下：①ARL/NREC鱼类友好型水轮机。②VOITH小组关于鱼类友好型水轮机的设计概念。③最小间隙转轮。④美国瓦纳普姆水电站鱼类友好型水轮机。⑤最小间隙导叶。⑥上流式水轮机。⑥灯泡贯流式水轮机。
其中，ARL/NREC友鱼型水轮机基于泵叶轮的形状，在保证水轮机发电效率的同时，加大了流道尺寸，减少了转轮叶片、降低了叶片表面压力关于时间和速度关于距离的变化率。模型机组试验表明，该水轮机过鱼存活率可达98％，原型机组最高效率为90.8％，以其为代表的新型水轮机初步实现了鱼类友好的理念。
但是国内对于鱼类友好型水轮机的研究仍处于起步阶段，日益高涨的生态文明建设要求成为水利行业发展的新机遇。本发明在一定程度上填补国内鱼类友好型水轮机研究方面的空缺，有很大推广前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的水轮机，以减小鱼类收到机械损伤的概率，同时改善水流流态减少能量损失，提高水轮机效率。
为达到上述目的，本发明一种螺旋叶对旋式双转轮水轮机采用如下技术方案：
一种螺旋叶对旋式双转轮水轮机，包括扩散段，与扩散段相连的方圆渐变段，与方圆渐变段相连的外壳，以及与外壳相连的尾水段，还包括设置在外壳内的前段转轮以及后段转轮；其中，
所述前段转轮包括前段转轮内筒，所述前段转轮内筒上设置有两片双螺旋结构的前段螺旋叶片，所述前段螺旋叶片外部设置有前段转轮外筒，所述前段转轮内筒、前段螺旋叶片以及前段转轮外筒为固定连接；
所述后段转轮包括后段转轮内筒，所述后段转轮内筒上设置有两片双螺旋结构的后段螺旋叶片，所述后段螺旋叶片外部设置有后段转轮外筒，所述后段转轮内筒、后段螺旋叶片以及后段转轮外筒为固定连接；
所述方圆渐变段以及所述尾水段分别安装有一个支撑，所述支撑上安装有固定轴，所述前段转轮内筒和后段转轮内筒均套装在所述固定轴上，并可在所述固定轴上转动；
所述前段转轮外筒中部安装有固定的前段转轮齿轮，所述后段转轮外筒的中部安装有后段转轮齿轮，所述前段转轮齿轮、后段转轮齿轮分别通过齿形带与发电机相连。
进一步地，所述前段螺旋叶片与后段螺旋叶片的旋转方向相反，其中，所述前段螺旋叶片沿水流方向为顺时针旋转，后段螺旋叶片沿水流方向为逆时针旋转。
进一步地，所述前段螺旋叶片与后段螺旋叶片在所述前段转轮内筒和后段转轮内筒上的包角为720°，即它们围绕前段转轮内筒和后段转轮内筒分别旋转两周。
进一步地，所述前段转轮外筒与后段转轮外筒之间留有一定缝隙。
进一步地，所述前段转轮内筒前部和后段转轮内筒后部分别安装有引水锥和泄水锥，所述支撑分别安装在所述引水锥和泄水锥上。
优选地，所述引水锥后方，所述前段转轮内筒前部设置有环形均匀分布的8-12片导叶。
进一步地，所述发电机两端设置有两根输入轴，所述两根输入轴上安装有两个电机轴齿轮，所述前段转轮齿轮通过齿形带直接与设置在发电机一段输入轴上的电机轴齿轮相连，所述后段转轮齿轮通过齿形带与一个第一传动齿轮相连，所述第一传动齿轮同轴连接有一个第二传动齿轮，所述第二传动齿轮与设置在发电机另一端输入轴上的电机轴齿轮啮合。
进一步地，所述扩散段与方圆渐变段之间设置有可开启的闸门。
优选地，所述扩散段开口为方形结构，所述尾水段开口为圆形结构。
优选地，所述前段转轮外筒和后段转轮外筒与所述固定轴之间采用滚珠轴承连接，所述前段转轮外筒和后段转轮外筒的前端和后端分别设置有一个套装在固定轴上的滚珠轴承。
本发明具有如下优点：
1、本发明通过采用两段式结构设计，加长了水流流道来减小压力梯度。压力梯度指沿流体流动方向，单位路程长度上的压力变化。在进出口压力差相同的情况下，流道越长，压力梯度就越低。由于该水轮机采用两段式设计，可以将其流道设计的很长，有效降低了压力梯度，使得鱼类受到的压力变化趋于缓和。
2、本发明转轮叶片与内筒、外筒一体成型，消除了叶片与边壁的空隙，防止了间隙气蚀的发生，减小了鱼类受到机械损伤的概率，对鱼类友好。
3、本发明转轮前后对旋，清除旋转流态。本发明由两个对旋的转轮段构成，这种特殊的前后对旋结构，可有效清除旋转流态。改善后的流态有利于减少能量损失，提高了水轮机效率。而且由于转轮分成两段，进一步加长了流道长度，进而降低压力梯度。
4、本发明每个转轮采用螺旋线型叶片。螺旋型叶片即使在低水头和不稳定流量的条件下，也能保持高效运行。由于每个转轮只有两个螺旋叶片，减小了鱼类受机械损伤的概率，符合鱼类友好型设计。且结构简单，制造方便，造价较低。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为前段转轮横截面示意图；
图3为后段转轮横截面示意图；
图中：1扩散段，2闸门，3方圆渐变段，4引水锥，5支撑，6导叶，7轮毂，8前段转轮内筒，9前段转轮齿轮，10前段螺旋叶片，11前段转轮外筒，12 外壳，13尾水段，14泄水锥，15后段转轮内筒，16后段转轮齿轮，17后段螺旋叶片，18后段转轮外筒，19齿形带，20第一传动齿轮，21第二传动齿轮，22 电机轴齿轮，23发电机。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本实用关系做进一步地说明。
如图1、2、3所示，一种螺旋叶对旋式双转轮水轮机，包括扩散段1，所述扩散段1开口为方形结构，其主体为锥台式结构。所述扩散段1后方连接有方圆渐变段3，所述方圆渐变段3将前方扩散段1的方形结构转变为后方的圆形结构。与方圆渐变段3相连有外壳12，所述外壳12为圆筒形结构。与外壳12相连有尾水段14，所述尾水段14为圆台形结构。所述外壳12内部设置有前段转轮以及后段转轮，所述前端转轮和后段转轮在所述外壳12内各自旋转。
所述前段转轮包括前段转轮内筒8，所述前段转轮内筒8上设置有两片双螺旋结构的前段螺旋叶片10，所述前段螺旋叶片10外部设置有前段转轮外筒11，所述前段转轮外筒11与外壳12之间留有一定空间，防止转动摩擦。所述前段转轮内筒8、前段螺旋叶片10以及前段转轮外筒11为固定连接，优选地，三者之间焊接成型，以保证转动的一体性。
所述后段转轮包括后段转轮内筒15，所述后段转轮内筒15上设置有两片双螺旋结构的后段螺旋叶片17，所述后段螺旋叶片17外部设置有后段转轮外筒18，所述后段转轮外筒18与外壳12之间留有一定空间，防止转动摩擦。所述后段转轮内筒15、后段螺旋叶片17以及后段转轮外筒18为固定连接，优选地，三者之间焊接成型，以保证转动的一体性。
由于螺旋叶片和外筒之间采用焊接成型，使二者同时转动且消除了二者之间的缝隙，可有效防止螺旋叶片单独转动对鱼类造成的伤害。
所述方圆渐变段3以及所述尾水段14分别安装有一个支撑5，两个所述支撑5焊接在方圆渐变段3和尾水段14内部，两个所述支撑5上安装有固定轴，所述前段转轮内筒8和后段转轮内筒15均套装在所述固定轴上，优选地，所述前段转轮外筒11和后段转轮外筒18与所述固定轴之间采用滚珠轴承连接，所述前段转轮外筒11和后段转轮外筒18的前端和后端分别设置有一个套装在固定轴上的滚珠轴承，所述滚珠轴承内侧固定在固定轴外壁上，外侧固定在两个内筒内壁上。
所述前段螺旋叶片10与后段螺旋叶片17的旋转方向相反，其中，所述前段螺旋叶片10沿水流方向为顺时针旋转，后段螺旋叶片17沿水流方向为逆时针旋转。由于所述前段螺旋叶片10与后段螺旋叶片17的旋转方向相反，因此当水流冲击叶片时，所述前段螺旋叶片10与后段螺旋叶片17分别带动所述前段转轮和后段转轮进行相反方向的转动，这样可有效清除旋转流态，改善后的流态有利于减少能量损失，提高了水轮机效率。
所述前段转轮外筒11中部套装有固定的前段转轮齿轮9，所述后段转轮外筒18的中部套装有固定的后段转轮齿轮16，所述前段转轮齿轮9、后段转轮齿轮16分别通过齿形带19与发电机23相连。同时所述外壳12在所述前段转轮齿轮9、后段转轮齿轮16设置有开槽，以方便所述齿形带19的伸出。所述发电机 23两端设置有两根输入轴，所述两根输入轴上安装有两个电机轴齿轮22，所述前段转轮齿轮9通过齿形带19直接与设置在发电机23一段输入轴上的电机轴齿轮22相连，所述后段转轮齿轮16通过齿形带19与一个第一传动齿轮20相连，所述第一传动齿轮20同轴连接有一个第二传动齿轮21，所述第二传动齿轮21 与设置在发电机23另一端输入轴上的电机轴齿轮22啮合，由于前段转轮和后段转轮是反向转动，所以后段转轮设置两个同轴连接的第一传动齿轮20和第二传动齿轮21，以便将后段转轮的转动方向转换成与前段转轮相同的方向。所述前段螺旋叶片10与后段螺旋叶片17在所述前段转轮内筒8和后段转轮内筒15上的包角为720°，即它们围绕前段转轮内筒8和后段转轮内筒15分别旋转两周，如此设置可以减少螺旋叶片的螺旋度，缩短鱼类通过路径又保证水流对螺旋叶片的推动。
所述前段转轮外筒11与后段转轮外筒18之间留有一定缝隙，该缝隙大小根据实际情况进行处理，防止二者反向转动时发生摩擦，确保漏水最少。同时外壳 12处做一定的排水处理。
进一步地，所述扩散段1与方圆渐变段3之间设置有可开启的闸门2，所述闸门2可采用电动开启或是人工开启的方式，这两种开启方式均采用现有技术手段中存在的技术方案。
另外，本发明适用于水头不太高、压力不太大、水轮机流道较大、叶片较少的河床式水电站，布置应水平或接近水平，另外为满足转速及出力要求，过流量要大，水轮机直径要大。水流在上下游水位差的作用下推动叶片，该水轮机将水流的势能和动能转换为旋转机械能，并进一步转换为电能。

Claims (7)

1.一种螺旋叶对旋式双转轮水轮机，包括扩散段，与扩散段相连的方圆渐变段，与方圆渐变段相连的外壳，以及与外壳相连的尾水段，其特征在于：还包括设置在外壳内的前段转轮以及后段转轮；其中，
所述前段转轮包括前段转轮内筒，所述前段转轮内筒上设置有两片双螺旋结构的前段螺旋叶片，所述前段螺旋叶片外部设置有前段转轮外筒，所述前段转轮内筒、前段螺旋叶片以及前段转轮外筒为固定连接；
所述后段转轮包括后段转轮内筒，所述后段转轮内筒上设置有两片双螺旋结构的后段螺旋叶片，所述后段螺旋叶片外部设置有后段转轮外筒，所述后段转轮内筒、后段螺旋叶片以及后段转轮外筒为固定连接；
所述方圆渐变段以及所述尾水段分别安装有一个支撑，所述支撑上安装有固定轴，所述前段转轮内筒和后段转轮内筒均套装在所述固定轴上，并可在所述固定轴上转动；
所述前段转轮外筒中部安装有固定的前段转轮齿轮，所述后段转轮外筒的中部安装有后段转轮齿轮，所述前段转轮齿轮、后段转轮齿轮分别通过齿形带与发电机相连；
所述前段螺旋叶片与后段螺旋叶片的旋转方向相反，其中，所述前段螺旋叶片沿水流方向为顺时针旋转，后段螺旋叶片沿水流方向为逆时针旋转；
所述前段螺旋叶片与后段螺旋叶片在所述前段转轮内筒和后段转轮内筒上的包角为720°，即它们围绕前段转轮内筒和后段转轮内筒分别旋转两周；所述前段转轮外筒与后段转轮外筒之间留有一定缝隙。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋叶对旋式双转轮水轮机，其特征在于：所述前段转轮内筒前部和后段转轮内筒后部分别安装有引水锥和泄水锥，所述支撑分别安装在所述引水锥和泄水锥上。
3.根据权利要求2所述的一种螺旋叶对旋式双转轮水轮机，其特征在于：所述引水锥后方，所述前段转轮内筒前部设置有环形均匀分布的8-12片导叶。
4.根据权利要求1所述的一种螺旋叶对旋式双转轮水轮机，其特征在于：所述发电机两端设置有两根输入轴，所述两根输入轴上安装有两个电机轴齿轮，所述前段转轮齿轮通过齿形带直接与设置在发电机一段输入轴上的电机轴齿轮相连，所述后段转轮齿轮通过齿形带与一个第一传动齿轮相连，所述第一传动齿轮同轴连接有一个第二传动齿轮，所述第二传动齿轮与设置在发电机另一端输入轴上的电机轴齿轮啮合。
5.根据权利要求1所述的一种螺旋叶对旋式双转轮水轮机，其特征在于：所述扩散段与方圆渐变段之间设置有可开启的闸门。
6.根据权利要求1所述的一种螺旋叶对旋式双转轮水轮机，其特征在于：所述扩散段开口为方形结构，所述尾水段开口为圆形结构。
7.根据权利要求1所述的一种螺旋叶对旋式双转轮水轮机，其特征在于：所述前段转轮外筒和后段转轮外筒与所述固定轴之间采用滚珠轴承连接，所述前段转轮外筒和后段转轮外筒的前端和后端分别设置有一个套装在固定轴上的滚珠轴承。
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