CN116292026B - 一种冲击式连续入流水轮机转轮 - Google Patents

Abstract

本发明属于冲击式水轮机领域，公开一种冲击式连续入流水轮机转轮，由水斗和轮毂组成，若干个相同尺寸的水斗以轮毂的旋转中心为圆心均布；水斗由环形面、工作面、背面组成，两个环形面相交形成环形分水刃，工作面与背面在水斗头部相交形成切水边和前出水边，在水斗侧面衔接形成侧出水边。本发明环形面将相邻水斗的工作面和背面连成一个整体，实现转轮连续入流，使流动状态和受力状态得到改善。转轮强度提高，使用安全性好；水斗加工工艺简单，生产成本较低；转轮飞逸转速降低。

Description

一种冲击式连续入流水轮机转轮

技术领域

本发明属于冲击式水轮机领域，特别涉及一种冲击式连续入流水轮机转轮。

背景技术

冲击转轮作为水轮机能量转换的核心部件，通常由18至25个形状相同的水斗组成。冲击式水轮机是利用高速射流冲击转轮水斗使其旋转做功，从而完成水能到机械能的转换。在能量转换时每个独立的悬臂式水斗间断地受到水流的冲击，水斗根部受到交变载荷的作用极易疲劳破坏，产生裂纹甚至断斗的现象。

常规冲击转轮通常采用整体加工方式，在一整块毛坯料上加工出若干个水斗。如图1所示，常规水斗头部的出水边是向内回弯结构，且相邻水斗在空间上存在遮挡，故此部分极难数控加工，常采用人工打磨成型方法制造，这样极易产生尺寸偏差，影响转轮水力性能。

射流从喷嘴流出后，由于惯性作用会沿着原有的轨迹运动，只有当射流与转轮接触后其运动轨迹才发生变化。如图2、图3所示为常规冲击转轮第一阶段射流图示，转轮节圆直径为D1，转轮逆时针转动，射流距离转动中心为节圆半径D1/2的位置冲击水斗，当水斗与射流接触位置位于+Y区域时，射流速度为V，接触点圆周速度为U1，水流在水斗内的相对速度W1偏向水斗根部，水流会在水斗根部位置a附近沿W2方向流出。如图4、图5所示常规冲击转轮第二阶段射流图示，当水斗继续转动到-Y区域时，射流与水斗接触，射流速度为V，接触点圆周速度为U1’，水流在水斗内的相对速度W1’偏向水斗头部，水流会在水斗头部向内回弯结构位置b附近沿W2’方向流出。所有水斗均会交替的重复上述流动过程，第一阶段射流流过水斗工作面大部分区域，对水斗做功力矩较大，第二阶段射流仅流过水斗工作面头部区域，对水斗做功力矩较小。冲击式水轮机在追求高效率的同时希望获得较低的飞逸转速，以降低发电机设计难度保证机组安全。传统的冲击式转轮的水斗力矩与飞逸转速正相关，力矩大、效率高、飞逸转速也高，很难在不降低最优效率的同时实现飞逸转速的降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水斗根部强度高，同时具备较低飞逸转速的冲击式连续入流水轮机转轮。本发明的技术方案具体描述如下：一种冲击式连续入流水轮机转轮由水斗和轮毂组成，若干个相同尺寸的水斗以轮毂的旋转中心为圆心均布，水斗的根部与轮毂连成一体；每个水斗由环形面、工作面和背面组成；工作面与背面在水斗头部中间区域相交形成尖锐的切水边，工作面与背面在水斗头部两侧衔接形成前出水边，工作面与背面在水斗侧面衔接形成侧出水边；所述环形面与工作面保持相切连接，环形面连接相邻水斗的工作面和背面使转轮形成一个整体。

在上述冲击式连续入流水轮机转轮中，所述工作面的轴向截面形状为U形。

在上述冲击式连续入流水轮机转轮中，所述工作面的轴向U形截面在水斗节圆位置宽度不小于射流半径的2倍。

在上述冲击式连续入流水轮机转轮中，所述切水边轴向长度不小于射流半径的1.1倍数。

在上述冲击式连续入流水轮机转轮中，所述环形面为两个，以两个环形面对称面为基准面，在基准面两侧的水斗相互对称。

在上述冲击式连续入流水轮机转轮中，两个所述环形面相交形成环形分水刃。

在上述冲击式连续入流水轮机转轮中，所述环形分水刃为圆形。

在上述冲击式连续入流水轮机转轮中，所述环形分水刃圆心与轮毂旋转中心重合。

在上述冲击式连续入流水轮机转轮中，所述环形面以环形分水刃为起点夹角范围10°至20°向转轮中心延伸。

本发明的有益技术效果是：

1.增加了水斗根部的强度，提升转轮使用安全性。利用对称的环形面将相邻水斗的工作面与背面连接，使若干个独立的水斗成为一个整体，将常规的悬臂式水斗结构变成整体结构，水斗根部不存在高应力区。转轮入流条件由间断地入流变为连续入流，流动状态、受力状态均得到改善，水斗强度水平提高。

2.水斗加工难度降低，加工工艺简单，生产成本较低。水斗轴向工作面的截面形状始终保持U形，取消了常规水斗的出水边向内回弯结构，大大简化了转轮的加工工艺，且刀具可以从水斗头部进入直接加工水斗根部，解决了相邻水斗的加工干涉问题。

3.转轮飞逸转速相较于传统冲击式转轮得以降低。水斗轴向工作面截面形状为U形，且水斗根部U形截面宽度大于常规水斗根部宽度。射流进入转轮旋转空间后，连续地被水斗环形分水刃切割，增加射流向水斗根部的导流作用，根部截面加宽更利于做功。使第一阶段进入水斗水流增加，水斗力矩提高；第二阶段进入水斗水流减少，水斗力矩下降，但转轮整体力矩不变、效率不变。当水轮机负载消失，转轮旋转速度逐渐增加时。对应水斗第二阶段中，圆周速度U1”’增加，射流速度V不变，相对速度W1”’方向更倾向于水斗头部，由于没有常规水斗头部的向内回弯结构，部分水流流动不受阻碍的从水斗头部前出水边流出。因此转速升高一旦达到临界值，水流将从水斗头部前出水边流出，转速越高流出水流越多，转轮力矩下降越快，转轮飞逸状态即力矩为零时，相较于传统冲击式转轮飞逸转速得以降低。

附图说明

图1为常规水斗图示；

图2为常规冲击转轮第一阶段射流图示；

图3为常规冲击转轮第一阶段射流局部放大图示；

图4为常规冲击转轮第二阶段射流图示；

图5为常规冲击转轮第二阶段射流局部放大图示；

图6为本发明转轮图示；

图7为本发明转轮水斗局部放大图示；

图8为本发明转轮第一阶段射流图示；

图9为本发明转轮第一阶段射流局部放大图示；

图10为本发明转轮飞逸工况射流图示；

图11为本发明转轮飞逸工况射流局部放大图示。

图中部件标记说明：1-轮毂、2-环形面、3-工作面、4-背面、5-环形分水刃、6-切水边、7-侧出水边、8-前出水边、9-水斗。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图6所示，一种冲击式连续入流水轮机转轮由水斗9和轮毂1组成，若干个相同尺寸的水斗9以轮毂1的旋转中心为圆心均布，水斗9的根部与轮毂1连成一体。

如图7所示，每个水斗9由环形面2、工作面3、背面4组成。所述的两个环形面2相交形成环形分水刃5，环形面2与工作面3在图中虚线位置保持相切连接；工作面3与背面4在水斗9头部中间区域相交形成尖锐的切水边6，工作面3与背面4在水斗9头部两侧衔接形成前出水边8；工作面3与背面4在水斗9侧面衔接形成侧出水边7。以两个环形面2的对称面为基准面，在基准面两侧的水斗9相互对称。

本实施方式中利用环形面将相邻水斗的工作面与背面连接，使若干个独立的水斗成为一个整体，将常规的悬臂式水斗结构变成整体结构，水斗根部高应力区不再存在，提高水斗应力水平。

两个环形面2相交于基准面上，环形分水刃5为圆形，环形分水刃5圆心与轮毂1旋转中心重合；两环形面2以环形分水刃5为起点夹角范围10°至20°向转轮中心延伸，本发明取最佳角度14°。工作面3的轴向截面形状始终为U形，水斗9节圆位置宽度不小于射流半径的2倍，水斗9根部U形截面宽度大于常规水斗根部宽度。切水边6轴向长度不小于射流半径的1.1倍数。

本实施方式中取消常规水斗头部出水边向内回弯结构，不需要对该部分加工且刀具可以从水斗头部进入直接加工水斗根部，解决了相邻水斗的加工干涉问题。

如图8、图9所示，转轮的环形分水刃将间断地入流变为连续入流，流动状态得到改善。环形分水刃使水斗提前切割射流，当水斗与射流接触位置位于+Y区域时，射流速度为V，接触点圆周速度为U1”，水流在水斗内的相对速度W1”偏向水斗根部，水流会在水斗根部位置c附近沿W2”方向流出，位置c相较于位置a更靠近水斗根部，即增加射流向水斗根部的导流作用，使第一阶段水斗力矩增加。由于水斗数不变，每个水斗接受的射流总量一定，第二阶段水斗接受的射流减少、力矩下降，总体力矩保持不变，可保证转轮效率不变。

如图10、图11所示，当转轮旋转速度逐渐增加直至飞逸时，圆周速度U1”’增加，射流速度V不变，相对速度W1”’方向更倾向于水斗头部，由于取消常规水斗头部的向内回弯结构，水流流动不受阻碍的从水斗头部前出水边流出。转速越高水斗头部前出水边流出水流越多，转轮力矩将快速下降，转轮飞逸转速得以降低。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种冲击式连续入流水轮机转轮，其特征在于：由水斗(9)和轮毂(1)组成，若干个相同尺寸的水斗(9)以轮毂(1)的旋转中心为圆心均布，水斗(9)的根部与轮毂(1)连成一体；每个水斗(9)由环形面(2)、工作面(3)和背面(4)组成；工作面(3)与背面(4)在水斗(9)头部中间区域相交形成尖锐的切水边(6)，工作面(3)与背面(4)在水斗(9)头部两侧衔接形成前出水边(8)，工作面(3)与背面(4)在水斗(9)侧面衔接形成侧出水边(7)；所述环形面(2)与工作面(3)保持相切连接，环形面(2)连接相邻水斗(9)的工作面(3)和背面(4)使转轮形成一个整体，两个环形面(2)相交形成环形分水刃(5)。

2.根据权利要求1所述的一种冲击式连续入流水轮机转轮，其特征是：所述工作面(3)的轴向截面形状为U形。

3.根据权利要求2所述的一种冲击式连续入流水轮机转轮，其特征是：所述工作面(3)的轴向U形截面在水斗(9)节圆位置宽度不小于射流半径的2倍。

4.根据权利要求1所述的一种冲击式连续入流水轮机转轮，其特征是：所述切水边(6)轴向长度不小于射流半径的1.1倍数。

5.根据权利要求1所述的一种冲击式连续入流水轮机转轮，其特征是：所述环形面(2)为两个，以两个环形面(2)对称面为基准面，在基准面两侧的水斗(9)相互对称。

6.根据权利要求1所述的一种冲击式连续入流水轮机转轮，其特征是：所述环形分水刃(5)为圆形。

7.根据权利要求6所述的一种冲击式连续入流水轮机转轮，其特征是：所述环形分水刃(5)圆心与轮毂(1)旋转中心重合。

8.根据权利要求5所述的一种冲击式连续入流水轮机转轮，其特征是：所述环形面(2)以环形分水刃(5)为起点夹角范围10°至20°向转轮中心延伸。