CN111535972A - 一种带有双进口式蜗壳的低水头大流量轴流式水轮机 - Google Patents

一种带有双进口式蜗壳的低水头大流量轴流式水轮机 Download PDF

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陈会向
陈雅楠
郑源
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Abstract

本发明公开了一种带有双进口式蜗壳的低水头大流量轴流式水轮机，所述双进口式蜗壳内侧环形开口处设置座环，所述座环内设置有一周活动导叶，所述座环底部设置有转轮，泄水锥底部穿过转轮，泄水锥顶部套接在座环内侧；所述转轮底部设置有尾水管；蜗状结构段圆周方向设置有两个进水管，进水管末端设置有向下的斜面段；所述尾水管末端设置有多个出水管。叶片的正面与反面从上至下由不同曲率的曲面平滑连接。本发明通过两个进水口双向进水，提高了蜗壳中圆周方向上水流的均匀性，增强了水流在圆周方向上的速度分量，进而有效增大来流的水流环量，改善进入导水机构的水流条件，减小导水机构的水力损失，具有水力性能好、运行效率高等优点。

Description

一种带有双进口式蜗壳的低水头大流量轴流式水轮机
技术领域
本发明涉及一种带有双进口式蜗壳的低水头大流量轴流式水轮机，属于水轮机技术领域。
背景技术
近年来，水轮机已经成为了水力发电行业必不可少的组成部分，我国目前水轮机装机数量众多，其中应用较为广泛的是混流式、轴流式和贯流式水轮机。轴流式水轮机又称卡普兰式，水流在导叶与转轮之间有径向流动转变为轴向流动，而在转轮区内水流保持轴向流动。轴流式水轮机的应用水头较混流式低，但在同样直径与水头时，它的过流能力比混流式大，广泛应用于中低水头、大流量水电站。轴流式水轮机转轮由转轮体和叶片组成。
蜗壳作为水轮机的引水部件，从水力观点上看，其作用是使水流形成环量，以保证水流能以较小的冲角进入座环和活动导叶，减小导水机构的水力损失。
现有技术中一种水轮机通过将蜗壳蜗状结构段的所有断面均设置为椭圆形，有效增大转轮直径，以增大机组出力。但其仅改变了蜗壳断面形状，并未对进水条件作优化。
现有蜗壳均为单向进水口设计，蜗状结构段的断面逐渐减小以在导水机构前形成必要的环量。水流经由蜗壳进口断面至鼻端断面时，水流的切向分速度变化受断面尺寸影响较大，并不能理想地形成轴对称有势流动。
因此，如何克服现有技术的不足已成为当今混流式水轮机技术领域中亟待解决的重点难题之一。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种带有双进口式蜗壳的低水头大流量轴流式水轮机。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种带有双进口式蜗壳的低水头大流量轴流式水轮机，包括：双进口式蜗壳，所述双进口式蜗壳内侧环形开口处设置座环，所述座环内设置有一周活动导叶，所述座环底部设置有转轮，泄水锥底部穿过转轮，泄水锥顶部套接在座环内侧；所述转轮底部设置有尾水管；所述双进口式蜗壳包括蜗状结构段，蜗状结构段圆周方向设置有两个进水管，进水管末端设置有向下的斜面段；所述尾水管末端设置有多个出水管。
作为优选方案，所述两个进水管关于蜗状结构段中心对称。
作为优选方案，所述进水管高度与宽度之比b/a＝1.5～2.5。
作为优选方案，所述转轮包括转毂，转毂上均匀设置有多个叶片，所述泄水锥末端穿过转毂；所述叶片采用非等厚扭曲结构，叶片的正面与反面从上至下由不同曲率的曲面平滑连接。
作为优选方案，所述叶片正面与反面从上至下的曲面的截面翼型曲线设置如下：
距离泄水锥下边缘横轴向197mm处，叶片正面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝0.00403x2+0.79114x+43.6953
叶片反面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝0.00194x2+1.13114x+16.4691
距离泄水锥下边缘横轴向217mm处，叶片正面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝-1.77866×10-5x3+0.00842x2-0.26079x+58.4285
叶片反面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝8.48×10-4x2+0.84773x-15.968
距离泄水锥下边缘横轴向237mm处，叶片正面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝-1.7019×10-5x3+0.00872x2-0.78663x+71.7797
叶片反面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝-6.5435×10-7x4+3.69186×10-4x3-0.0754x2+7.32065x-245.30075
距离泄水锥下边缘横轴向257mm处，叶片正面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝-8.56475×10-6x3+0.00549x2-0.71048x+64.76445
叶片反面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝-7.44012×10-20x3+0.00138x2+0.02538x-4.72338
距离泄水锥下边缘横轴向277mm处，叶片正面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝9.2777×10-9x5-7.5269×10-6x4+0.00239x3-0.36764x2+27.42264x-773.0001
叶片反面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝0.00131x2-0.19742x+1.04017
距离泄水锥下边缘横轴向297mm处，叶片正面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝3.33985×10-9x5-2.6039×10-6x4+7.91058x3-0.11593x2+8.00103x-205.0969
叶片反面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝-3.885×10-10x5+4.4807×10-7x4-1.8185×10-4x3+0.0347x2-3.1998x+92.9279。
作为优选方案，所述双进口式蜗壳、座环、活动导叶、转轮和尾水管的中心在同一竖直轴线上。
作为优选方案，所述叶片数量为5-10个。
作为优选方案，所述斜面段内竖直设置有多个导流墩，所述导流墩等间隔设置。
有益效果：本发明提供的一种带有双进口式蜗壳的低水头大流量轴流式水轮机，本发明的水轮机应用双进口式蜗壳，通过两个进水口双向进水，提高了蜗壳中圆周方向上水流的均匀性，增强了水流在圆周方向上的速度分量，进而有效增大来流的水流环量，改善进入导水机构的水流条件，减小导水机构的水力损失，具有水力性能好、运行效率高等优点。
附图说明
图1是本发明提出的一种带有双进口式蜗壳的低水头大流量轴流式水轮机的结构示意图。
图2是本发明提出的双进口式蜗壳俯视结构图。
图3是本发明提出的座环与转轮结构示意图。
图4是本发明提出的进水管的截面尺寸示意图。
图5是本发明提出的叶片正向示意图。
图6是本发明提出的叶片径向示意图。
图7是本发明提出的叶片上距泄水锥下缘不同轴向距离处的翼型曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
结合图1-3所示，一种带有双进口式蜗壳的低水头大流量轴流式水轮机，按进水方向依次包括双进口式蜗壳1、座环2、活动导叶3、转轮4和尾水管5，所述双进口式蜗壳1内侧环形开口处设置座环2，所述座环2内设置有一周活动导叶3，所述座环2底部设置有转轮4，泄水锥6底部穿过转轮4，泄水锥6顶部套接在座环2内侧；所述转轮4底部设置有尾水管5；所述双进口式蜗壳1包括蜗状结构段101，蜗状结构段101圆周方向设置有两个进水管102，进水管102末端设置有向下的斜面段103；所述尾水管5末端设置有多个出水管501。
如图4所示，进水管102高度与宽度之比b/a＝1.5～2.5。
两个进水管102关于蜗状结构段中心对称。
所述转轮4包括转毂401，转毂401上均匀设置有多个叶片402，所述泄水锥6末端穿过转毂401；如图5-6所示，所述叶片402采用非等厚扭曲结构，叶片402的正面与反面从上至下由不同曲率的曲面平滑连接，叶片正面与反面从上至下的曲面的截面翼型曲线设置如下：
如图7所示，距离泄水锥下边缘横轴向197mm处，叶片正面与反面截面翼型曲线上的点坐标的数值参见表1。
表1
Figure BDA0002486154560000031
Figure BDA0002486154560000041
拟合的两条曲线分别表示为：
叶片正面：y＝0.00403x2+0.79114x+43.6953
叶片背面：y＝0.00194x2+1.13114x+16.4691
距离泄水锥下边缘横轴向217mm处，叶片正面与反面截面翼型曲线上的点坐标的数值参见表2。
表2
Figure BDA0002486154560000042
拟合的两条曲线分别表示为：
叶片正面：y＝-1.77866×10-5x3+0.00842x2-0.26079x+58.4285
叶片背面：y＝8.48×10-4x2+0.84773x-15.968
距离泄水锥下边缘横轴向237mm处，叶片正面与反面截面翼型曲线上的点坐标的数值参见表3。
表3
Figure BDA0002486154560000043
Figure BDA0002486154560000051
拟合的两条曲线分别表示为：
叶片正面：y＝-1.7019×10-5x3+0.00872x2-0.78663x+71.7797
叶片背面：y＝-6.5435×10-7x4+3.69186×10-4x3-0.0754x2+7.32065x-245.30075
距离泄水锥下边缘横轴向257mm处，叶片正面与反面截面翼型曲线上的点坐标的数值参见表4。
表4
Figure BDA0002486154560000052
拟合的两条曲线分别表示为：
叶片正面：y＝-8.56475×10-6x3+0.00549x2-0.71048x+64.76445
叶片背面：y＝-7.44012×10-20x3+0.00138x2+0.02538x-4.72338
距离泄水锥下边缘横轴向277mm处，叶片正面与反面截面翼型曲线上的点坐标的数值参见表5。
表5
Figure BDA0002486154560000053
Figure BDA0002486154560000061
拟合的两条曲线分别表示为：
叶片正面：
y＝9.2777×10-9x5-7.5269×10-6x4+0.00239x3-0.36764x2+27.42264x-773.0001叶片背面：y＝0.00131x2-0.19742x+1.04017
距离泄水锥下边缘横轴向297mm处，叶片正面与反面截面翼型曲线上的点坐标的数值参见表6。
表6
Figure BDA0002486154560000062
拟合的两条曲线分别表示为：
叶片正面：
y＝3.33985×10-9x5-2.6039×10-6x4+7.91058x3-0.11593x2+8.00103x-205.0969叶片背面：
y＝-3.885×10-10x5+4.4807×10-7x4-1.8185×10-4x3+0.0347x2-3.1998x+92.9279
所述双进口式蜗壳1、座环2、转轮4和尾水管5的中心在同一竖直轴线上。
所述叶片402数量为5-10个。
所述斜面段103内竖直设置有多个导流墩104。所述导流墩104等间隔设置。
实施例1：
以在某电站应用本发明提出的双进口式蜗壳的轴流式水轮机为例，该电站的水头变幅为24.5～40m，设计洪水流量为26000m3/s。
本发明优化的参数为：蜗状结构段圆周方向设置有两个进水管，两个进水管关于蜗状结构段中心对称，进水管末端设置有向下的斜面段；进水管高度与宽度之比b/a＝2.2。转轮的叶片采用非等厚扭曲结构，数量为5片；尾水管采用弯肘形尾水管，出水扩散段顶板仰角为11°。
实施例2：
本发明的具体应用过程为：本发明的双进口式蜗壳连接的两个进水管中的有压水流通过导流墩在蜗状结构段圆周方向上产生呈中心对称的切向流，使得水流在进入导水机构前产生足够大的环量，流出导水机构的水流推动转轮旋转，从而将水流能量转换为旋转机械能。水流从转轮出来，经尾水管排至下游。
本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知技术，可参考公知技术加以实施。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种带有双进口式蜗壳的低水头大流量轴流式水轮机，其特征在于：包括：双进口式蜗壳，所述双进口式蜗壳内侧环形开口处设置座环，所述座环内设置有一周活动导叶，所述座环底部设置有转轮，泄水锥底部穿过转轮，泄水锥顶部套接在座环内侧；所述转轮底部设置有尾水管；所述双进口式蜗壳包括蜗状结构段，蜗状结构段圆周方向设置有两个进水管，进水管末端设置有向下的斜面段；所述尾水管末端设置有多个出水管。
2.根据权利要求1所述的一种带有双进口式蜗壳的低水头大流量轴流式水轮机，其特征在于：所述两个进水管关于蜗状结构段中心对称。
3.根据权利要求1所述的一种带有双进口式蜗壳的低水头大流量轴流式水轮机，其特征在于：所述进水管高度与宽度之比b/a＝1.5～2.5。
4.根据权利要求1所述的一种带有双进口式蜗壳的低水头大流量轴流式水轮机，其特征在于：所述转轮包括转毂，转毂上均匀设置有多个叶片，所述泄水锥末端穿过转毂；所述叶片采用非等厚扭曲结构，叶片的正面与反面从上至下由不同曲率的曲面平滑连接。
5.根据权利要求4所述的一种带有双进口式蜗壳的低水头大流量轴流式水轮机，其特征在于：所述叶片正面与反面从上至下的曲面的截面翼型曲线设置如下：
距离泄水锥下边缘横轴向197mm处，叶片正面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝0.00403x2+0.79114x+43.6953
叶片反面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝0.00194x2+1.13114x+16.4691
距离泄水锥下边缘横轴向217mm处，叶片正面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝-1.77866×10-5x3+0.00842x2-0.26079x+58.4285
叶片反面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝8.48×10-4x2+0.84773x-15.968
距离泄水锥下边缘横轴向237mm处，叶片正面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝-1.7019×10-5x3+0.00872x2-0.78663x+71.7797
叶片反面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝-6.5435×10-7x4+3.69186×10-4x3-0.0754x2+7.32065x-245.30075
距离泄水锥下边缘横轴向257mm处，叶片正面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝-8.56475×10-6x3+0.00549x2-0.71048x+64.76445
叶片反面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝-7.44012×10-20x3+0.00138x2+0.02538x-4.72338
距离泄水锥下边缘横轴向277mm处，叶片正面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝9.2777×10-9x5-7.5269×10-6x4+0.00239x3-0.36764x2+27.42264x-773.0001
叶片反面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝0.00131x2-0.19742x+1.04017
距离泄水锥下边缘横轴向297mm处，叶片正面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝3.33985×10-9x5-2.6039×10-6x4+7.91058x3-0.11593x2+8.00103x-205.0969
叶片反面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝-3.885×10-10x5+4.4807×10-7x4-1.8185×10-4x3+0.0347x2-3.1998x+92.9279。
6.根据权利要求1所述的一种带有双进口式蜗壳的低水头大流量轴流式水轮机，
其特征在于：所述双进口式蜗壳、座环、活动导叶、转轮和尾水管的中心在同一
竖直轴线上。
7.根据权利要求4所述的一种带有双进口式蜗壳的低水头大流量轴流式水轮机，
其特征在于：所述叶片数量为5-10个。
8.根据权利要求1所述的一种带有双进口式蜗壳的低水头大流量轴流式水轮机，
其特征在于：所述斜面段内竖直设置有多个导流墩，所述导流墩等间隔设置。
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