CN113915047B - 一种适应直流道的微水头水轮机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适应直流道的微水头水轮机，属于水力发电技术领域。微水头水轮机设置在直流道中，包括轮毂、支柱、导叶及叶片；支柱固定设置在轮毂上，微水头水轮机通过所述支柱固定在直流道内；轮毂内设置有发电机，发电机的转轮外侧均匀分布有叶片；支柱和所述叶片之间还设置有导叶，导叶均匀分布在轮毂的外侧。导叶和叶片均为非对称NACA系列低速翼型。本发明具有效率高，适用微水头条件，且结构简单，安装方便的特点，特别适合应用于微水头的直流道发电。
Description
技术领域
本发明涉及一种水轮机，特别是一种适应直流道的微水头水轮机，属于水力发电技术领域。
背景技术
随着全球能源紧缺、气候变化加剧和人们对生态环境重视程度的提高，加快发展可再生能源、保障生态环境安全、支撑社会经济可持续发展，已成为世界各国关注的重点。水力发电因其清洁可持续、容量可控、发电稳定、经济性好等优势，在可再生能源利用中占据了不可争辩的领先地位。然而，随着水电站的快速发展建设，中高水头优势资源的持续性问题、电站建设引发的环境问题、水生物回游栖息的生态问题、土地淹没居民迁徙的社会问题等，都成为制约水电产业进一步发展的障碍。世界各国的研究人员开始将目光转向低水头或超低水头的开发利用。
超低水头，也称微水头(Ultra-low–head，ULH)，通常指水头在3m以下的水力资源，有发电潜力，且分布广泛，具有独特的应用需求和开发优势。主要蕴藏于河流/运河的中下游、水库、城市供回水管道、电厂尾水管道、海洋能源等水体当中。水库、城市管网、电厂尾水、工业及生活废水管道等均具有有利于进行水力发电的长直流道，其中蕴含着大量的微水头水力资源。
如此丰富的微水头资源一直未能得到足够重视，是因为常规水力发电水轮机的设计以水的势能为核心参数，电站成本主要取决于水头，水头越低，经济性越差。而电站投资的很大一部分是拦河筑坝的水工建筑费用，由此带来的环境问题、生态问题和社会问题也需要大量的资金投入处理善后。实际运行数据表明，适应中低水头的全贯流水轮发电机组和整装式灯泡贯流机组在微水头段运行会带来运行效率低、噪音大、易气蚀、寿命短等问题。适合海洋潮流的零水头水轮机结构简单，适合开阔水域，对环境影响小，但理论极限效率只能达到59.3％，与同等装机容量的传统水轮机相比，尺寸大，维护困难。
此外，在空气动力学中，翼型通常理解为二维机翼，即剖面形状不变的无限翼展机翼。低速和亚声速翼型的典型外形前端圆滑，后端成尖角形；后尖点称为后缘；翼型上距后缘最远的点称为前缘；连接前后缘的直线称为翼弦，其长度称为弦长。在翼型内部作一系列与上下翼面相切的内切圆，诸圆心的连线称为翼型的中弧线，其中最大内切圆的直径称为翼型的厚度，中弧线和翼弦之间的最大距离称为弯度；前缘的曲率半径称为前缘半径。超声速翼型的前缘也可能是尖的。翼型的相对厚度和相对弯度分别定义为厚度和弯度对弦长之比，弯度为零的翼型称为对称翼型，其中弧线与翼弦重合。在现有的翼型资料中，NACA翼型系列的资料比较丰富，飞行器上采用这一系列的翼型也比较多。NACA翼型是美国国家航空咨询委员会开发的一系列翼型。每个翼型的代号由“NACA”这四个字母与一串数字组成，将这串数字所描述的几何参数代入特定方程中即可得到翼型的精确形状。
因此，研发适应直流道的微水头水电装置的可靠机型，是水能资源持续性发展需要共同面对的关键技术问题，也是解决能源紧缺问题的有效手段。
发明内容
基于现有技术的上述问题和缺陷，本发明提出了一种适应直流道的微水头水轮机，用以解决现有微水头能量转化率低的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术手段：
一种适应直流道的微水头水轮机，所述微水头水轮机设置在直流道中，所述微水头水轮机包括轮毂、支柱、导叶及叶片；所述支柱固定设置在轮毂上，所述微水头水轮机通过所述支柱固定在直流道内；所述轮毂内设置有发电机，所述发电机的转轮外侧均匀分布有所述叶片；所述支柱和所述叶片之间还设置有所述导叶，所述导叶均匀分布在轮毂的外侧；
其中，所述导叶为固定在轮毂上使水流流向发生偏转从而获得负环量的结构，所述导叶环绕轮毂一周设置，六个导叶均匀分布；所述导叶的截面形状为非对称翼型，翼型为NACA系列低速翼型；所述导叶的截面翼型弦长大于等于280mm；
所述叶片为以一定角度固定在轮毂上用以直接吸收水流动能的结构，其环绕转轮一周设置，四个叶片均匀分布；所述叶片为由升力法设计的结构，其截面形状为非对称翼型，翼型也为NACA系列低速翼型，水流经过叶片上、下表面时，上、下表面具有压力差，叶片即可获得升力；
所述叶片各截面的翼型安放角随截面半径变化，且靠近轮毂的翼型安放角大于叶片外缘处的安放角。
进一步地，所述轮毂的前端为对水流阻力较小的曲面，使其在前端的水流损失减到最小，所述轮毂的中段为圆柱结构，所述支柱、导叶设置在所述圆柱结构上。
进一步地，所述转轮的尾部设置有圆锥型泄水锥，用以改善尾水流态，圆锥型泄水锥与发电机的转轮连接，随转轮一起转动。
进一步地，所述支柱的截面采用对水流能量损失小的对称翼型。
进一步地，所述支柱为上、下对称设置的两个，其直接将微水头水轮机固定在直流道内。
进一步地，所述导叶的截面翼型弦长大于等于300mm。
进一步地，所述叶片为NACA4406系列低速翼型，即其第一位数值4表示最大相对弯度为2％；第二位数4表示最大弯度位于翼弦前缘的40％处；末两位数06表示相对厚度为6％。
进一步地，所述微水头水轮机主要设计参数如下表1所示：
表1
进一步地，所述叶片的设计参数如下表2所示：
表2
效率提高的原理在于：所述翼型安放角为水轮机叶片翼型与轴向形成的一定角度，由于叶片翼型上、下表面具有压力差，使得叶片翼型获得一个垂直于翼型弦线升力；该升力可分解为转轮轴向与周向的力，该升力的周向分力推动了水轮机转轮的转动，即水流直接冲击到叶片上时，由于叶片与水轮机轴向具有一定角度，水流对叶片推力的周向分力推动转轮转动，因此，微水头水轮机叶片由水流直接对叶片推力的周向分力与叶片表面在水流流过时所获升力的周向分力共同推动，从而提高了水轮机的效率。
与现有技术相比，本发明取得了以下技术效果：
本发明的适应直流道的微水头水轮机，可以有效地利用微水头发电，适用于各种直流道的环境，环境适应性强且能量转化率高。叶片采用了升力法设计，这样设计的叶片由水推力和升力共同作用而转动，使其获得更高的能量转化率。该水轮机结构简单，安装简便，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的左视图；
图4为导叶的结构图；
图5为叶片的结构图。
具体实施方式
下结合图1-5对本发明具体实施方式做详细说明。
如图1-3所示，本发明的一种适应直流道的微水头水轮机，微水头水轮机设置在直流道中，微水头水轮机包括轮毂1、支柱2、导叶3及叶片4。支柱2固定设置在轮毂1上，微水头水轮机通过支柱2固定在直流道内。轮毂1内设置有发电机，发电机的转轮5外侧均匀分布有叶片4。支柱2和叶片4之间还设置有导叶3，导叶3均匀分布在轮毂1的外侧。图3视图中，支柱2挡住了部分导叶3的显示。
其中，如图1，图2和图4所示，导叶3为固定在轮毂1上使水流流向发生偏转从而获得负环量的结构，导叶3环绕轮毂1一周设置，六个导叶3均匀分布，导叶3数量比普通的贯流式水轮机更少，更少的导叶使得水流流经导叶时的能量损失减少。导叶3的截面形状为非对称翼型，翼型为NACA系列低速翼型。导叶3采用非对称翼型与采用对称翼型相比，在导叶出流角相同时具有更小入流角，减小了水流入流时的能量损失。本实施例中，导叶3的截面翼型弦长为300mm，其比普通的贯流式水轮机更长，更长的导叶使得水流偏转更平缓。
如图1、图2以及图5所示，叶片4为以一定角度固定在轮毂1上用以直接吸收水流动能的结构，其环绕转轮5一周设置，四个叶片4均匀分布。叶片4为由升力法设计的结构，其截面形状为非对称翼型，翼型也为NACA系列低速翼型，水流经过叶片上、下表面时，上、下表面具有压力差，叶片4即可获得很大的升力。叶片4在水流压力的作用下将获得周向的分力，使其带动水轮机转动。其中，叶片4的形状实际由各截面翼型确定，其各截面弦长及翼型种类由截面半径确定。此外，叶片4各截面的翼型安放角随截面半径变化，靠近轮毂1的翼型安放角大于叶片外缘处的安放角。本实施例中，靠近轮毂的翼型安放角更大，叶片轮缘处的安放角更小，这样有利于水流从转轮叶片上通过且增大接触面积，提高水轮机效率。其中，翼型安放角为水轮机叶片翼型与轴向形成的一定角度，由于叶片翼型上、下表面具有压力差，使得叶片翼型获得一个垂直于翼型弦线升力。该升力可分解为转轮轴向与周向的力，该升力的周向分力推动了水轮机转轮5的转动，即水流直接冲击到叶片4上时，由于叶片4与水轮机轴向具有一定角度，水流对叶片4推力的周向分力推动转轮5转动，因此，微水头水轮机叶片4由水流直接对叶片4推力的周向分力与叶片4表面在水流流过时所获升力的周向分力共同推动，从而提高了水轮机的效率。
如图1-3所示，轮毂1的前端为对水流阻力较小的曲面，使其在前端的水流损失减到最小，轮毂1的中段为圆柱结构，支柱2、导叶3设置在圆柱结构上。转轮5的尾部设置有圆锥型泄水锥6，用以改善尾水流态，圆锥型泄水锥6与发电机的转轮5连接，随转轮5一起转动。支柱2的截面采用对水流能量损失小的对称翼型。本实施例中，支柱2为上、下对称设置的两个，其直接将微水头水轮机固定在直流道内。
本实施例中，叶片4为NACA4406系列低速翼型，即其第一位数值4表示最大相对弯度为2％。第二位数4表示最大弯度位于翼弦前缘的40％处。末两位数06表示相对厚度为6％。微水头水轮机主要设计参数如下表1所示：
表1
叶片的设计参数如下表2所示：
表2
经数值模拟，在设计工况下，水轮机采用上述参数其效率可达82.9％。
本实施例设计方案结构简单，适用各种微水头直流道，使用非对称导叶减少了能量损失，转轮叶片为升力型，提高能量利用率，提升其整体效能，有效提高能源资源的利用效率，是水轮机应用领域上的创新，有显著的环保和经济效益。
上述实施例只是为了更清楚说明本发明的技术方案做出的列举，并非对本发明的限定，本领域的普通技术人员根据本领域的公知常识对本申请技术方案的变通亦均在本申请保护范围之内，总之，上述实施例仅为列举，本申请的保护范围以所附权利要求书范围为准。
Claims (6)
1.一种适应直流道的微水头水轮机，所述微水头水轮机设置在直流道中，其特征在于：
所述微水头水轮机包括轮毂（1）、支柱（2）、导叶（3）及叶片（4）；
所述支柱（2）固定设置在轮毂（1）上，所述微水头水轮机通过所述支柱（2）固定在直流道内；所述轮毂（1）内设置有发电机，所述发电机的转轮（5）外侧均匀分布有所述叶片（4）；
所述支柱（2）和所述叶片（4）之间还设置有所述导叶（3），所述导叶（3）均匀分布在轮毂（1）的外侧；
其中，所述导叶（3）为固定在轮毂（1）上使水流流向发生偏转从而获得负环量的结构，所述导叶（3）环绕轮毂（1）一周设置，六个导叶（3）均匀分布；所述导叶（3）的截面形状为非对称翼型，翼型为NACA系列低速翼型；
所述叶片（4）为以一定角度固定在轮毂（1）上用以直接吸收水流动能的结构，其环绕转轮（5）一周设置，四个叶片（4）均匀分布；
所述叶片（4）为由升力法设计的结构，其截面形状为非对称翼型，水流经过叶片上、下表面时，上、下表面具有压力差，叶片（4）即可获得升力；
所述叶片（4）各截面的翼型安放角随截面半径变化，且靠近轮毂（1）的翼型安放角大于叶片外缘处的安放角；
其中，所述导叶（3）的截面翼型弦长大于等于300mm；
所述叶片（4）为NACA4406系列低速翼型，即其第一位数值4表示最大相对弯度为2%；第二位数4表示最大弯度位于翼弦前缘的40%处；末两位数06表示相对厚度为6%；
所述微水头水轮机设计参数如下表1所示：
表1
；
所述叶片的设计参数如下表2所示：
表2
。
2.根据权利要求1所述的一种适应直流道的微水头水轮机，其特征在于：所述轮毂（1）的前端为对水流阻力较小的曲面，使其在前端的水流损失减到最小，所述轮毂（1）的中段为圆柱结构，所述支柱（2）、导叶（3）设置在所述圆柱结构上。
3.根据权利要求1所述的一种适应直流道的微水头水轮机，其特征在于：所述转轮（5）的尾部设置有圆锥型泄水锥（6），用以改善尾水流态，圆锥型泄水锥（6）与发电机的转轮（5）连接，随转轮（5）一起转动。
4.根据权利要求1所述的一种适应直流道的微水头水轮机，其特征在于：所述支柱（2）的截面采用对水流能量损失小的对称翼型。
5.根据权利要求4所述的一种适应直流道的微水头水轮机，其特征在于：所述支柱（2）为上、下对称设置的两个，其直接将微水头水轮机固定在直流道内。
6.根据权利要求1所述的一种适应直流道的微水头水轮机，其特征在于：
所述翼型安放角为水轮机叶片翼型与轴向形成的一定角度，由于叶片翼型上、下表面具有压力差，使得叶片翼型获得一个垂直于翼型弦线升力；该升力可分解为转轮轴向与周向的力，该升力的周向分力推动了水轮机转轮（5）的转动，即水流直接冲击到叶片（4）上时，由于叶片（4）与水轮机轴向具有一定角度，水流对叶片（4）推力的周向分力推动转轮（5）转动，因此，微水头水轮机叶片（4）由水流直接对叶片（4）推力的周向分力与叶片（4）表面在水流流过时所获升力的周向分力共同推动，从而提高了水轮机的效率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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