CN112177831B - 一种转轮室呈锯齿型结构的双向贯流式水轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种转轮室呈锯齿型结构的双向贯流式水轮机，包括依次连通的进水管、转轮室、尾水管，进水管内中心轴线上沿水流方向依次设置有活动导叶，活动导叶上连接有转轮，转轮位于转轮室内，转轮室内壁设置有多个依次相连的锯齿形结构的导板。通过在转轮室壁面设置锯齿形结构的导板，可以减少转轮与转轮室间隙处流动的轴向速度，从而减少向后的间隙泄漏流，同时削弱从叶片后缘脱落的叶顶泄漏涡以及轮毂分离出来的叶顶分离涡的强度，一定程度上不仅改善了间隙处的流态，减少了水力损失。

Description

一种转轮室呈锯齿型结构的双向贯流式水轮机
技术领域
本发明属于流体机械设备技术领域，具体涉及一种转轮室呈锯齿型结构的双向贯流式水轮机。
背景技术
双向贯流式水轮机是利用低水头水资源的理想发电装置，具有正向和反向两种发电工况，其性能和安全稳定性至关重要。然而，双向贯流式水轮机的转轮叶顶与转轮室内壁之间一般存在有间隙，间隙附近流动现象十分复杂。这种流动现象不仅涉及向后泄漏流、叶顶泄漏涡和叶顶分离涡等增加流动损失、恶化性能，而且诱发转轮叶片的空蚀、振动和噪声进而影响双向贯流式水轮机的安全稳定运行。为了减少叶顶间隙造成的流动损失，学者们采取了在叶片上加裙边、打孔、开槽等一些措施，改善了间隙附近的流态，但都对叶片本身有一定的损害，影响其效率和使用寿命，而且只限于一定方向水流。因此，开发一种不影响转轮叶片结构又能改善全工况特别是非设计工况下转轮叶顶和转轮室间隙流态的双向贯流式水轮机至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种转轮室呈锯齿型结构的双向贯流式水轮机，通过在转轮室壁面设置锯齿形结构的导板，减少转轮与转轮室间隙处流动的轴向速度，从而减少向后的间隙泄漏流。
本发明所采用的技术方案是，一种转轮室呈锯齿型结构的双向贯流式水轮机，包括依次连通的进水管、转轮室、尾水管，进水管内中心轴线上沿水流方向依次设置有活动导叶，活动导叶上连接有转轮，转轮位于转轮室内，转轮室内壁设置有多个依次相连的锯齿形结构的导板。
本发明的特点还在于，
每个导板包括倒V型支板，倒V型支板的一个开口端部连接直板，倒V型支板的开口端与转轮室内壁面贴合，倒V型支板的闭口端靠近转轮，倒V型支板的另一个开口端部连接另一个导板的直板，以此形成多个依次相连的锯齿形结构的导板。
导板轴向布置在转轮与转轮室的间隙位置。
转轮与转轮室的间隙为σ，每个导板的最大宽度l为2σ，每个导板的高度h为0.5σ。
转轮的叶片轮缘长度为L1，多个导板沿转轮室内壁面布置的总长度为0.8L1。
本发明的有益效果是：本发明一种转轮室呈锯齿型结构的双向贯流式水轮机，通过在转轮室壁面设置锯齿形结构的导板，可以减少转轮与转轮室间隙处流动的轴向速度，从而减少向后的间隙泄漏流，同时削弱从叶片后缘脱落的叶顶泄漏涡以及轮毂分离出来的叶顶分离涡的强度，一定程度上不仅改善了间隙处的流态，减少了水力损失，并提高了全工况特别是非设计工况下水轮机的效率；而且对于具有正反向工况的双向贯流式水轮机而言，可以解决不同方向来流的间隙流动问题。
附图说明
图1是本发明一种转轮室呈锯齿型结构的双向贯流式水轮机的结构示意图；
图2是本发明一种转轮室呈锯齿型结构的双向贯流式水轮机中导板的锯齿形函数图；
图3是本发明一种转轮室呈锯齿型结构的双向贯流式水轮机中导板的截面图；
图4是本发明一种转轮室呈锯齿型结构的双向贯流式水轮机中导板的三维图。
图中，1.进水管，2.活动导叶，3.转轮，4.转轮室，5.尾水管，6.导板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种转轮室呈锯齿型结构的双向贯流式水轮机，其结构如图1所示，包括依次连通的进水管1、转轮室4、尾水管5，进水管1内中心轴线上沿水流方向依次设置有活动导叶2，活动导叶2上连接有转轮3，转轮3位于转轮室4内，如图3及图4所示，转轮室4内壁沿周向设置有多个依次相连的锯齿形结构的导板6，导板6沿转轮室4内壁面布置，每个导板6包括倒V型支板，倒V型支板的一个开口端部连接直板，倒V型支板的另一个开口端部连接另一个导板6的直板，以此类推，形成多个锯齿形结构的导板6；倒V型支板的开口端与转轮室4内壁面贴合，倒V型支板的闭口端靠近转轮3，导板6轴向布置在转轮3与转轮室4间隙位置，轴向长度不超过转轮3的叶片轮缘长度。两个倒V型支板6之间的最小间距与直板的长度相同；
转轮3与转轮室4的间隙为σ，每个导板6的高度h为0.5σ，每个导板6的最大宽度l为2σ，直板的长度为l/2；
转轮3的叶片轮缘长度为L1，多个导板6沿转轮室4内壁面布置的总长度为0.8L1，相对叶顶处中心对称。
转轮室4的直径为D，导板6的数量n约等于πD/l。
导板6的形状调制公式如下：
Figure BDA0002748339740000041
其中，y为锯齿形波函数，h为导板6的高度，k＝0,1,…,∞，l为导板6的最大宽度；
导板6的形状调制公式函数图，如图2所示，x是坐标轴的横坐标值，y是坐标轴的纵坐标值。函数为周期函数，周期为l，即为倒V型支板加上一段直板，其中倒V型支板和直板的距离相等且为l/2，函数的最大幅值为h，对应于倒V型支板的高度。
本发明一种转轮室呈锯齿型结构的双向贯流式水轮机，其具体工作原理如下：
水流正向全工况特别是非设计工况下运行时，水流从进口管1进入活动导叶2，活动导叶2将水流以最优的冲角导流进入转轮室4并带动转轮3转动，同时水流也会从转轮3与转轮室4间隙处流动，产生间隙泄漏流、叶顶泄漏涡以及叶顶分离涡，影响间隙处的流态，间隙处的复杂流动会跟随转轮的水流进入尾水管5，进而加重尾水管的涡带的压力脉动，锯齿形结构的导板6能够减弱进入转轮3与转轮室4间隙处的泄漏流，消除部分泄漏涡以及分离涡，这样水力损失会减少同时也不会影响尾水管5中的流态，会提升水轮机的效率；水流反向全工况特别是非设计工况下运行时，尾水管5作为进水管，尾水管本身没有周向环量，相对正向工况效率会低点，转轮室4的锯齿形结构的导板6同样可以减轻转轮3与转轮室4间隙泄漏流的影响，从而减少反向工况的额外流动损失。
通过以上方式，本发明一种转轮室呈锯齿型结构的双向贯流式水轮机，通过在转轮室壁面进行锯齿形结构开槽，可以减少全工况特别是非设计工况下运行时转轮与转轮室间隙处流动的轴向速度，从而减少向后的间隙泄漏流，同时削弱从叶片后缘脱落的叶顶泄漏涡以及轮毂分离出来的叶顶分离涡的强度，一定程度上不仅改善了间隙处的流态，减少了水力损失，并提高了水轮机的效率；而且对于具有正反向工况的双向贯流式水轮机而言，可以解决不同方向来流的间隙流动问题。

Claims (2)

1.一种转轮室呈锯齿型结构的双向贯流式水轮机，其特征在于，包括依次连通的进水管(1)、转轮室(4)、尾水管(5)，所述进水管(1)内中心轴线上沿水流方向依次设置有活动导叶(2)，所述活动导叶(2)上连接有转轮(3)，所述转轮(3)位于转轮室(4)内，所述转轮室(4)内壁设置有多个依次相连的锯齿形结构的导板(6)；每个所述导板(6)包括倒V型支板，所述倒V型支板的一个开口端部连接直板，所述倒V型支板的开口端与转轮室(4)内壁面贴合，所述倒V型支板的闭口端靠近转轮(3)，所述倒V型支板的另一个开口端部连接另一个导板(6)的直板，以此形成多个依次相连的锯齿形结构的导板(6)；所述导板(6)轴向布置在转轮(3)与转轮室(4)的间隙位置；所述转轮(3)与转轮室(4)的间隙为σ，每个所述导板(6)的最大宽度l为2σ，每个所述导板(6)的高度h为0.5σ。
2.根据权利要求1所述的一种转轮室呈锯齿型结构的双向贯流式水轮机，其特征在于，所述转轮(3)的叶片轮缘长度为L1，多个导板(6)沿转轮室(4)内壁面布置的总长度为0.8L1。
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