CN110410258A - 水动力驱动叶轮及水动力装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水动力驱动叶轮及水动力装置，该水动力驱动叶轮包括：回转支承体；多个固装于回转支承体的水斗，多个水斗绕回转支承体的轴线均匀地圆周分布；水斗具有水斗腔，水斗腔包括沿回转支承体的径向延伸的腔侧壁、连接于腔侧壁的两端的近心壁面和远心壁面，远心壁面位于近心壁面远离回转支承体的轴线的一侧。通过本发明，缓解了现有技术中叶轮的加工工艺比较复杂，应用范围受到限制的技术问题。

Description

水动力驱动叶轮及水动力装置

技术领域

本发明涉及流体动力设备的技术领域，尤其涉及一种水动力驱动叶轮及水动力装置。

背景技术

流体动力设备是把液体的能量转换为机械能的动力机械，水轮机是一种典型的流体动力设备。叶轮是水轮机的核心部件；目前，叶轮通常需要经过流体动力学优化设计，具有复杂的曲面。为了获得曲面形状，保证叶轮的使用效果，叶轮的加工一般包括铸造工序和机械精加工工序。铸造工序需要利用比较复杂的模具来实施；机械精加工通常需要使用多轴机床。对于一些大型叶轮，通常难以实现一体铸造成型，在加工时还需要分解成多个单叶片，对单叶片铸造和机械精加工完成后，再进行组装。因为涉及到铸造、多轴机床加工和组装装配，因此加工工艺比较复杂，难度较大，导致制造周期长，成本高。

由于上述原因，叶轮的应用通常受到自身的加工工艺的限制，一般只应用于水电站中的大型水利设备，或者生产批量较大的流体动力马达设备中。

发明内容

本发明的目的是提供一种水动力驱动叶轮及水动力装置，以缓解现有技术中叶轮的加工工艺比较复杂，应用范围受到限制的技术问题。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种水动力驱动叶轮，包括：回转支承体；多个固装于所述回转支承体的水斗，多个所述水斗绕所述回转支承体的轴线均匀地圆周分布；所述水斗具有水斗腔，所述水斗腔包括沿所述回转支承体的径向延伸的腔侧壁、连接于所述腔侧壁的两端的近心壁面和远心壁面，所述远心壁面位于所述近心壁面远离所述回转支承体的轴线的一侧。

在优选的实施方式中，所述腔侧壁为圆柱面的一部分。

在优选的实施方式中，所述腔侧壁的轴线方向平行于所述回转支承体的径向。

在优选的实施方式中，所述近心壁面自所述水斗腔的底部至开口端，向靠近所述回转支承体的轴线的方向倾斜。

在优选的实施方式中，所述远心壁面自所述水斗腔的底部至开口端，向远离所述回转支承体的轴线的方向倾斜。

在优选的实施方式中，所述近心壁面与所述腔侧壁的轴线之间的夹角，小于所述远心壁面与所述腔侧壁的轴线之间的夹角。

在优选的实施方式中，所述水斗包括半筒体、焊接于所述半筒体两端的近心板和远心板，所述半筒体、所述近心板和所述远心板包围形成所述水斗腔，所述腔侧壁成型于所述半筒体的内壁，所述近心壁面成型于所述近心板，所述远心壁面成型于所述远心板。

在优选的实施方式中，所述水动力驱动叶轮包括6-12个所述水斗。

在优选的实施方式中，所述回转支承体包括外圆筒、设于所述外圆筒内的内圆筒和多个连接外圆筒和所述内圆筒的径向连杆，多个所述径向连杆绕所述外圆筒的轴线圆周分布；并且，沿所述外圆筒的轴线方向，相邻两个所述径向连杆相错开；多个所述水斗均连接于所述外圆筒。

本发明提供一种水动力装置，包括：上述的水动力驱动叶轮；入射管，其用于向所述水斗腔喷射液流；在所述水斗转动至，所述腔侧壁的轴线与所述入射管的轴线垂直的情况下，所述入射管的轴线，指向所述腔侧壁的底部沿自身轴线方向的中点。

本发明的特点及优点是：

本发明提供的水动力驱动叶轮在工作时，具有势能的液流向水斗腔进行喷射，液流对腔侧壁产生冲击力，可以驱动水斗和回转支承体转动，从而将液流的势能转化为旋转机械能。液流进入到水斗腔后，可沿腔侧壁、近心壁面和远心壁面向外运动，在向外运动的过程中，一方面继续施加冲击力，另一方面便于液流排出到水斗腔外，减少液体在水斗腔中积存，减少能量消耗，有利于提高将势能转化为机械能的转化效率。

该水动力驱动叶轮中，水斗腔中的腔侧壁、近心壁面和远心壁面，可分别制作得到，然后经过组装得到水斗，加工的难度较小，成本较低，适宜在单件小批量的情况下应用。

综上所述，该水动力驱动叶轮具有较高的能量转化效率，并且加工的难度较小，成本较低，可以在单件小批量的情况下应用，扩展了应用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的水动力驱动叶轮的第一视角的结构示意图；

图2为本发明提供的水动力驱动叶轮的第二视角的结构示意图；

图3为图2所示的水动力驱动叶轮中的水斗的结构示意图；

图4为图3中a-a向的剖视图；

图5为图3中b-b向的剖视图；

图6为本发明提供的水动力装置的局部示意图。

附图标号说明：

10、回转支承体；11、外圆筒；12、内圆筒；13、径向连杆；

20、水斗；21、半筒体；22、近心板；23、远心板；24、水斗支撑杆；

30、水斗腔；31、腔侧壁；311、腔侧壁的轴线；32、近心壁面；33、远心壁面；

40、入射管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一些动设备需要借助流体动力来驱动，但是，这些动设备的现场工况条件，不同于水电站中的大型水利设备，也不同于批量生产的流体动力马达设备。这些动设备需要根据现场工况条件来进行设计，通常属于单件小批量，并且自身结构尺寸较小；而这些动设备中所需要配备的流体动力设备，还需要与现场工况条件中的液流情况相匹配，因此通常也为结构尺寸较小的单件小批量产品，其中的叶轮如果采用铸造和机械精加工来制造，则会存在制造周期长、成本高的问题，所以，现有技术中的叶轮难以应用到这些动设备中。

实施例一

为了解决上述问题，本发明提供了一种水动力驱动叶轮，如图1、图3和图4所示，该水动力驱动叶轮包括：回转支承体10和多个固装于回转支承体10的水斗20，多个水斗20绕回转支承体10的轴线均匀地圆周分布；水斗20具有水斗腔30，水斗腔30包括沿回转支承体10的径向延伸的腔侧壁31、连接于腔侧壁31的两端的近心壁面32和远心壁面33，远心壁面33位于近心壁面32远离回转支承体10的轴线的一侧。腔侧壁31绕自身轴线延展，且具有缺口；近心壁面32和远心壁面33连接于腔侧壁31的两端，腔侧壁31、近心壁面32和远心壁面33可以包围形成水斗腔30，并且上述腔侧壁31的缺口，形成水斗腔30的开口。在工作时，液流从该开口进入到水斗腔30中，对腔侧壁31进行冲击。

该水动力驱动叶轮在工作时，具有势能的液流向水斗腔30进行喷射，液流对腔侧壁31产生冲击力，可以驱动水斗20和回转支承体10转动，从而将液流的势能转化为旋转机械能。液流进入到水斗腔30后，可沿腔侧壁31、近心壁面32和远心壁面33向外运动，在向外运动的过程中，一方面继续施加冲击力，另一方面便于液流排出到水斗腔30外，减少液体在水斗腔30中积存，减少能量消耗，有利于提高将势能转化为机械能的转化效率。该水动力驱动叶轮中，水斗腔30中的腔侧壁31、近心壁面32和远心壁面33，可分别制作得到，然后经过组装得到水斗20，加工的难度较小，成本较低，适宜在单件小批量的情况下应用。因此，该水动力驱动叶轮具有较高的能量转化效率，并且加工的难度较小，成本较低，可以应用到上述的动设备中，扩展了应用范围。

进一步地，如图3和图4所示，水斗20包括半筒体21、焊接于半筒体21两端的近心板22远心板23，半筒体21、近心板22和远心板23包围形成水斗腔30，腔侧壁31成型于半筒体21的内壁，半筒体21的轴线即为腔侧壁的轴线311，近心壁面32成型于近心板22，远心壁面33成型于远心板23。在制作时，对现有的筒状型材，沿经过其轴线的平面或者与该平面平行的一个平面进行切割，可以得到半筒体21；依据半筒体21的端面形状，对现有的板材进行切缝，可以分别得到近心板22和远心板23；然后将近心板22和远心板23分别焊接到半筒体21的两端，就可以得到水斗腔30。相比于现有技术中具有复杂曲面的叶轮需要进行通过铸造工序和机械精加工工序来制作，该水动力驱动叶轮的制作过程主要包括切割和焊接，工艺更加简单，加工难度更低，有利于缩短加工周期，节省加工成本。

如图1和图2所示，回转支承体10包括外圆筒11、设于外圆筒11内的内圆筒12和多个连接外圆筒11和内圆筒12的径向连杆13，多个径向连杆13绕外圆筒11的轴线圆周分布；回转支承体10的轴线即为外圆筒11的轴线相重合，多个水斗20均连接于外圆筒11。内圆筒12和外圆筒11可采用现有的筒状型材，经过切割的方式来制作；径向连杆13可以采用圆管状的型材或者杆状型材来制作，径向连杆13的与内圆筒12之间和径向连杆13与外圆筒11之间，可以采用焊接的方式来固定连接。上述回转支承体10，一方面，可以利用现有的型材来加工，制造工艺比较简单；另一方面，降低了整体重量，可以减少运转过程中的能量损耗，提高该水动力驱动叶轮的能量转化效率。

进一步地，如图2所示，沿外圆筒11的轴线方向，相邻两个径向连杆13相错开。具体地，各根径向连杆13在外圆筒11的轴线方向交替地错开分布，该结构可以优化受力，改善内圆筒12与外圆筒11之间的力矩的传递，提高运行的稳定性。

如图1-图3所示，水斗20包括水斗支撑杆24，水斗支撑杆24一端与近心板22固接，另一端固接于外圆筒11的外壁。水斗支撑杆24可以使用现有管材制作。优选地，水斗支撑杆24的轴线与回转支承体10的径向相重合。

为了进一步提高该水动力驱动叶轮的能量转化效率，在本发明的一实施方式中，如图3和图5所示，腔侧壁31为圆柱面的一部分。具体地，上述半筒体21为半圆柱筒，在制作时，可以使用现有的圆筒状型材或者管材，根据设计尺寸，沿径向平面或者与径向平面平行的一个平面进行切割，以得到该半筒体21。从水斗腔30的开口至底部，腔侧壁31为连续的平滑弧面，有利于液流在冲击到腔侧壁31后，沿腔侧壁31顺畅地流动，以提高运转的平稳性和连续性，一方面液流沿腔侧壁31流动时，可以继续对水斗20产生推力，另一方面便于液流向外排出，减少水斗腔30中液体的积存。

优选地，腔侧壁31的轴线方向平行于回转支承体10的径向。具体地，腔侧壁31的轴线为半圆柱状的半筒体21的轴线，该轴线与回转支承体10的轴线相垂直，有利于将液流的冲击力转化为绕回转支承体10的轴线的转矩，提高能量的转化效率。腔侧壁31的轴线与水斗支撑杆24的轴线相平行。

进一步地，如图3和图4所示，近心壁面32自水斗腔30的底部至开口端，向靠近回转支承体10的轴线的方向倾斜。在制作时，对半圆柱状的半筒体21的靠近回转支承体10的一端进行切割，形成斜角结构，然后将近心板22焊接固定到该斜角结构的端面上。这样，一方面可以减少半筒体21的材料，减轻重量；另一方面，倾斜的近心壁面32便于液流沿近心壁面32向外流出，同时倾斜的近心壁面32可与回转支承体10的径向形成小于90°的夹角，使得液流向外流动过程中，对近心壁面32的压力可以对水斗20产生推动效果，从而提高能量的利用效率。优选地，近心壁面32与回转支承体10的轴线相平行。

进一步地，如图3和图4所示，远心壁面33自水斗腔30的底部至开口端，向远离回转支承体10的轴线的方向倾斜。在制作时，对半圆柱状的半筒体21的远离回转支承体10的一端进行切割，形成斜角结构，然后将远心板23焊接固定到该斜角结构的端面上。这样，一方面可以减少半筒体21的材料，减轻重量；另一方面，倾斜的远心壁面33便于液流沿远心壁面33向外流出，同时倾斜的远心壁面33可与回转支承体10的径向形成小于90°的夹角，使得液流向外流动过程中，对远心壁面33的压力可以对水斗20产生推动效果，从而提高能量的利用效率。优选地，远心壁面33与回转支承体的轴线相平行。

如图4所示，将近心壁面32与腔侧壁的轴线311之间的夹角记为A，将远心壁面33与腔侧壁的轴线311之间的夹角记为B。优选地，A<B，有利于实现较高的能量转化效率，同时提高该水动力驱动叶轮运转的连续性和平稳性。

在本发明的一实施方式中，该水动力驱动叶轮包括6-12个水斗20，所有水斗20绕回转支承体10的轴线均匀地圆周分布，以保障该水动力驱动叶轮以较高的平稳性运转，减少运转过程中的脉动现象。优选地，该水动力驱动叶轮中水斗20的数量为奇数，以更好地减少脉动现象。

实施例二

本发明提供了一种水动力装置，包括：上述的水动力驱动叶轮和用于向水斗腔30喷射液流的入射管40；如图6所示，当水斗20转动至，腔侧壁31的轴线与入射管40的轴线垂直时，入射管40的轴线，指向腔侧壁31的底部沿自身轴线方向的中点。液流从入射管40的管口沿入射管40的轴线方向射出，冲击到腔侧壁31上，入射管40与水斗20按上述位置关系设置时，有助于充分利用液流的冲击力，产生尽量大的转动力矩，提高能量的转化效率。

具体地，当近心壁面32和远心壁面33均与腔侧壁31的轴线垂直时，腔侧壁31的底部沿自身轴线方向的中点，位于半筒体21的垂直于自身轴线的中间截面上。当近心壁面32相对于腔侧壁31的轴线倾斜，或者远心壁面33相对于腔侧壁31的轴线倾斜时，腔侧壁31的底部沿自身轴线方向的中点，即为腔侧壁31的沿自身轴线方向的长度最小的位置处的连线的中点，也即圆心到入射液流所在直线的垂足，此时驱动力臂最大。

在本发明的一实施方式中，该水动力装置包括多个绕回转支承体10的轴线均匀地圆周分布的入射管40。优选地，入射管40的数量为2-6个。更优选地，入射管40的数量为偶数，水斗20的数量为奇数，有利于减少回转支承体10受到额外的附加力，进一步减少脉动现象造成的运行不稳定的情况。

进一步地，入射管40采用管材制作，入射管40的内腔为圆柱形。如图6所示，腔侧壁31沿自身轴线方向的最大长度L1等于2-5倍的入射管40的内腔的直径；水斗腔30的高度L2等于2-5倍的入射管40的内腔的直径。

如图6所示，入射管40的轴线垂直于外圆筒11的轴线，在经过入射管40的轴线且与外圆筒11的轴线垂直的平面内，将入射管40的管口处的圆心与外圆筒11的轴线的连线，与入射管40的轴线之间的夹角，记为入射角C。优选地，C＝45°。

上面介绍了该水动力装置的结构特点，发明人依据该结构进行了具体实验：

入射管40的管口处的圆心距外圆筒11体的轴线的距离为400㎜，入射角C＝45°；入射管40内腔的直径为25㎜，半筒体21采用φ100㎜半管制作，L1＝100㎜，L2＝100㎜；A＝45°，B＝60°；腔侧壁31的底部沿自身轴线方向的中点距外圆筒11的轴线的距离为280㎜；水斗20数量为9个，水斗支撑杆24采用φ20㎜的管材。

在液流的总流量为20m3/h的驱动条件下，水动力驱动叶轮带动100kg负重，经水流冲击试验，水动力驱动叶轮能以120r/min的转速稳定运行。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种水动力驱动叶轮，其特征在于，包括：

回转支承体；

多个固装于所述回转支承体的水斗，多个所述水斗绕所述回转支承体的轴线均匀地圆周分布；

所述水斗具有水斗腔，所述水斗腔包括沿所述回转支承体的径向延伸的腔侧壁、连接于所述腔侧壁的两端的近心壁面和远心壁面，所述远心壁面位于所述近心壁面远离所述回转支承体的轴线的一侧。

2.根据权利要求1所述的水动力驱动叶轮，其特征在于，所述腔侧壁为圆柱面的一部分。

3.根据权利要求2所述的水动力驱动叶轮，其特征在于，所述腔侧壁的轴线方向平行于所述回转支承体的径向。

4.根据权利要求1所述的水动力驱动叶轮，其特征在于，所述近心壁面自所述水斗腔的底部至开口端，向靠近所述回转支承体的轴线的方向倾斜。

5.根据权利要求4所述的水动力驱动叶轮，其特征在于，所述远心壁面自所述水斗腔的底部至开口端，向远离所述回转支承体的轴线的方向倾斜。

6.根据权利要求5所述的水动力驱动叶轮，其特征在于，所述近心壁面与所述腔侧壁的轴线之间的夹角，小于所述远心壁面与所述腔侧壁的轴线之间的夹角。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的水动力驱动叶轮，其特征在于，所述水斗包括半筒体、焊接于所述半筒体两端的近心板和远心板，所述半筒体、所述近心板和所述远心板包围形成所述水斗腔，所述腔侧壁成型于所述半筒体的内壁，所述近心壁面成型于所述近心板，所述远心壁面成型于所述远心板。

8.根据权利要求1所述的水动力驱动叶轮，其特征在于，所述水动力驱动叶轮包括6-12个所述水斗。

9.根据权利要求1所述的水动力驱动叶轮，其特征在于，所述回转支承体包括外圆筒、设于所述外圆筒内的内圆筒和多个连接外圆筒和所述内圆筒的径向连杆，多个所述径向连杆绕所述外圆筒的轴线圆周分布；并且，沿所述外圆筒的轴线方向，相邻两个所述径向连杆相错开；

多个所述水斗均连接于所述外圆筒。

10.一种水动力装置，其特征在于，包括：

如权利要求1-9中任一项所述的水动力驱动叶轮；

入射管，其用于向所述水斗腔喷射液流；

在所述水斗转动至，所述腔侧壁的轴线与所述入射管的轴线垂直的情况下，所述入射管的轴线，指向所述腔侧壁的底部沿自身轴线方向的中点。