CN1403702A - 阿基米德螺旋转轮及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于水力发电等领域的阿基米德螺旋转轮。包括进水口和出水口，位于转轮内的叶片，其特征是相邻叶片间的流道为阿基米德螺旋流道，流道中沿流道方向有一条在转轮横截面上的投影为阿基米德螺旋线的线。本发明还提供了阿基米德螺旋转轮的用途是用于水力发电，船舶、军舰、潜艇上。高效、节水、平稳运行，把水流的能量转换为旋转机械能带动发电机发电。

Description

阿基米德螺旋转轮及其用途

技术领域：

本发明涉及的是一种应用于水力发电等领域的换能设备，特别涉及的是一种水轮机阿基米德螺旋转轮及其用途。

背景技术：

水轮机分为两大类：冲击式水轮机和反击式水轮机。冲击式水轮机是高速水流冲击水轮机的水斗或轮叶将水流的动能转换为旋转机械能，反击式水轮机是水流以压力能和动能在转轮的流道内被转换为机械能。混流式水轮机是反击式水轮中的一个品种，大中型水电站大多采用混流式水轮机。

采用“X型叶片”(图9)的转轮如(图10)所示。(图8)为混流式水轮机的工作示意图，水流经蜗壳，经导水机构径向进入转轮，水流在“X型叶片”流道内做功后轴向流出转轮。

岩滩水电站的机组是我国自行设计制造的，1992年首台机组投运，发现在高水头的某些工况运行时流道内压力脉动幅值大，运行不稳定以及叶片裂纹等问题，引起国内对大型混流式水轮机运行稳定的特别关注。90年代后期，国内已投入运行的大型混流式水轮机均程度不同地出现运行不稳定的问题，其根本原因是水轮机的水力性能不稳定。三峡水电站水轮机模型试验也表明，在高水头小流量区，流道内水压脉动幅值大，预计原型机在正常运行范围内不能稳定运行。

“X型叶片”转轮，其压力和流场分布随水头、流量而变化，这是造成压力脉动和运行不稳定的重要原因之一。

发明内容：

本发明的目的是为了克服以上不足，提供一种高效、节水、平稳运行、把水流的能量转换为旋转机械能带动发电机发电的阿基米德螺旋转轮。本发明的另一个目的是提供阿基米德螺旋转轮的用途。

本发明的目的是这样来实现的：

本发明阿基米德螺旋转轮包括进水口和出水口，位于转轮内的叶片，其特征是相邻叶片间的流道为阿基米德螺旋流道，流道中沿流道方向有一条在转轮横截面上的投影为阿基米德螺旋线的线。

上述的阿基米德螺旋线为叶片内侧与流道底面交线在转轮横截面上的投影。

上述的阿基米德螺旋线为叶片外侧与流道底面交线在转轮横截面上的投影。

上述的阿基米德螺线线为阿基米德螺流道中心线在转轮横截面上的投影。

上述的叶片中有长叶片、短叶片，长叶片与短叶片相间均匀分布在转轮上。保证进水量和出水量平衡，运行平稳。

上述的转轮进水口处有与之配合的喇叭口座环。

本发明阿基米德螺旋转轮的用途是用于水力发电，船舶、军舰、潜艇上，本发明转轮与发电机配合，把水能变为旋转机械能带动发电机发电，用本发明转轮作阿基米德螺旋推进器，用机械能(发动机)带动阿基米德螺旋转轮旋转，则水流轴向喷射，靠水流喷射的反作用力可推动船舶、军舰、潜艇前进。

参见图1～图6，将本发明的喇叭口座环与进水管连接，转轮与发电机主轴连接，进水管在大坝的适当高度取水，进水管经大坝并且从坝底向上出口，水流由下向上轴向注入转轮，水流在阿基米德螺旋流道内以压力能和动能做功推动转轮旋转。

参见图7，引入一个数学公式和一段曲线参见，这个公式就是阿基米德螺线的极坐标方程，这段曲线就是阿基米德螺线。一个方程一条曲线奠定了这种阿基米德螺旋转轮的理论基础。

            r＝aθ

即极径r是极角θ(弧度值)的线性函数，螺线的弧长L $L=a{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_1}^{{\mathrm{\θ}}_2}\sqrt{1+{\mathrm{\θ}}^2}\mathrm{d\θ}$

(一)本发明阿基米德螺旋转轮平稳运行三要素

1、因为极径r是极角θ的线性函数，因此力F在流道内做功，推动转轮作匀速园周运动。改变流速，改变流量，改变力的大小可改变转轮的转速。

2、水流从轴向注入转轮的那一时刻起直至流出转轮为止的全过程，力F时时，处处以轴线对称，以力偶的方式表现。

3、阿基米德螺旋流道“规范”了水流的“行为”，水流只能在流道内出力，做功。有“轨”无“轨”是与其他转轮的显著区别之一。

压力和流场分布合理，削弱压力脉动产生的条件。因此无论水头高低，流量大小，阿基米德螺旋转轮都能稳定运行。

(二)阿基米德螺旋转轮的效率

1、先了解一个工程实例：

三峡水电站使用从挪威和加拿大进口的混流式水轮机(图8)其效率η_t＝94.51％，转轮直径D＝9.8m，转速n＝75转/分，在额定水头H＝80.6m，额定流量Q＝991.8m³/秒的条件下，其额定输出功率P：

        P＝9.81η_tη_gQ·H＝71万KW

式中η_g为发电机的效率，η_g＝96％，公式明确告诉我们，水轮机和发电机的效率非常高，离极限值1的空间很小，在水头一定的条件下，唯一只能夯流量增加功率，还有其它路可走吗？

2、按图5所示建设应用阿基米德螺旋转轮的水力发电站

转轮直径仍然采用D＝9.8m，保持n＝75转/分(1.25转/秒)，转轮入水口管径d＝6.6m，相应圆面积S＝34m²，在额定水头H＝80.6m的条件下，转轮入口处的压力F＝80.6m×34m²×1000Kg/m³＝2740400Kg

对于功率我们可以换一个算法      1KW＝102Kg米/秒

      P＝2740400Kg×9.8m×π×1.25转/秒÷102Kg米/秒

      ＝103万KW

扣除转矩损耗，摩擦损耗，和各种不可预见的损耗30％

则P＝103×70％＝72万KW。

(1)水流沿着阿基米德螺旋流道(弧线长L)做功W $W={\∫}_{L}p(x,y)\mathrm{dx}+Q(x,y)\mathrm{dy}$

每一滴水都参加做功，每一滴水又都遵循上述公式做功。不浪费一滴水，并让每一滴水的能量以最大的方式转换为机械能这就是阿基米德螺旋转轮高效节水的措施之一。

(2)阿基米德螺旋转轮的转矩M

M≈0.94FR

(3)根据水动力学伯努利方程

Z₁+P₁/γ+a₁V₁ ²/2g＝Z₂+P₂/γ+a₂V₂ ²/2g+h_w(1-2)

式中Z₁为位置水头；P₁/γ为压强水头；a₁V₁ ²/2g为流速水头；

适当提高流道内水的流速，增加“压力能和动能”中动能做功的比重。这是提高效率的措施之二。进水管内水的流速为6米/秒∽9米/秒。阿基米德转轮流道内水的流速为14米/秒∽28米/秒。

概括起来讲，水流在阿基米德流道内卖力地做功，对转轮形成的转矩最大，并适当提高流道内的流速。这三个因素是有别于其它转轮，效率大大高于其它转轮的根本所在。

(三)建设应用阿基米德螺旋转轮的混流式水力发电站见(图6)。

水流经蜗壳，经导水机构径向流入转轮，水流经阿基米德螺旋流道做功轴向流出转轮。其效率仍然高于“X型叶片”的混流式水轮机，而且能平稳运行。

从以上分析可知，本发明转轮克服已有转轮的不足，能高效，节水、平稳运行，将水流的能量转换为旋转的机械能带动发电机发电。

用机械能(发动机)带动阿基米德螺旋转轮旋转，则水流轴向喷出。利用水流喷射的反作用力可推动船舶、军舰、潜艇前进，在相同马力下可提高船速，或在相同船速的条件下，可节省动力。

附图说明：

图1为本发明转轮结构示意图。

图2为图1中的A-A剖面图。

图3为本发明转轮工作示意图。

图4为图3中的B-B剖面图。

图5为阿基米德螺旋转轮水力发电站示意图。

图6为阿基米德螺旋转轮混流式水轮机工作示意图。

图7为阿基米德螺线形成原理图。

图8为已有的混流式水轮机的工作示意图。

图9为“X型叶片”结构示意图。

图10为已有的混流式转轮结构示意图。

具体实施方式：

参见图1，阿基米德螺旋转轮包括固定不动的喇叭口座环1、饶轴旋转的转轮2，喇叭口座环1和转轮2之间保持适当的间隙。转轮上沿轴向方向有进水口3，沿径向方向对称分布有出水口4、5。

图2为图1的A-A剖面图。从剖面图上看共有16片阿基米德螺旋叶片，长、短叶片各半相间均匀分布，6代表短叶片，7代表长叶片。长、短叶片间形成阿基米德流道8，沿流道必有一条且仅有一条在横截面上的投影为阿基米德螺线，这条螺线可以是叶片的内侧线或叶片内侧或外侧与流道底面交线在转轴横截面上为阿基米德螺旋线的线所形成的投影或为阿基米德流道中心线在转轮横截面上的投影，或者是由叶片的内侧至相邻叶片外侧的整个流道设定一条在转轮横截面上的投影，作为设计和加工的依据。

图3、图4为阿基米德转轮工作示意图。进水管接喇叭口座环1，水流轴向注入转轮，水流由轴向变径向，并在由轴向变径向的同时沿阿基米德流道以压力能和动能推动转轮旋转。水流在流道的尾部(即最大半径R处)以近似切线的方向喷射。序号9、10分别为水流的喷射方向、转轮的旋转方向。转轮带动主轴11旋转。

图5阿基米德螺旋转轮水力发电站示意图。将本发明阿基米德螺旋转轮12的进水口通过装在大坝13中的进水管14与水库15连通。转轮通过连接轴16与发电机17连接。

图6为阿基米德螺旋转轮作混流式水轮机的工作示意图。水流经蜗壳18，座环19，经导水机构20径向注入转轮21，水流在阿基米德螺旋叶片22形成的阿基米德螺旋流道内做功，以压力能和动能推动转轮21并带动主轴23旋转。喇叭口环座24与尾水管连接，水流经喇叭口环座，经尾水管排出。

图7为阿基米德螺旋线形成原理图。

图8为已有的混流式水轮机工作示意图。水流经蜗壳25、座环26经导水机构27径向注入带X型叶片28的混流式水轮机转轮29、推动转轮29并带动主轴30旋转。

图9为已有的“X型叶片”结构示意图。包括上冠边31、下环边32、进水边33、出水边34。

图10为已有的具有副叶片的混流式转轮结构示意图。该转轮包括主叶片35，副叶片36。

本发明阿基米德螺旋转轮应用于水力发电领域。它实际上是一种换能设备；把水流的能量转换为旋转机械能带动发电机发电。高效，节水，平稳运行是它追求的目标。如果水电站采用这种转轮，则用80％的流量可足额发电，或者用相同的流量可多发20％的电力，并可大大改善在高水头小流量区运行不稳定的状况。各国都在花大力气研究这个课题，都想摘取这颗水力发电王冠上的明珠。

节水发电，多发电，将会大大改变水电在能源中的比重，对经济，社会，环境，生态都会产生不可做量的影响。

Claims (8)

1、阿基米德螺旋转轮，包括进水口和出水口，位于转轮内的叶片，其特征在于相邻叶片间的流道为阿基米德螺旋流道，流道中沿流道方向有一条在转轮横截面上的投影为阿基米德螺旋线的线。

2、根据权利要求1所述的阿基米德螺旋转轮，其特征在于阿基米德螺旋线为叶片内侧与流道底面交线在转轮横截面上的投影。

3、根据权利要求1所述的阿基米德螺旋转轮，其特征在于阿基米德螺旋线为叶片外侧与流道底面交线在转轮横截面上的投影。

4、根据权利要求1所述的阿基米德螺旋转轮，其特征在于阿基米德螺线线为阿基米德螺流道中心线在转轮横截面上的投影。

5、根据权利要求1所述的阿基米德螺旋转轮，其特征在于叶片中有长叶片、短叶片，长叶片与短叶片相间均匀分布在转轮上。

6、根据权利要求1～4之一所述的阿基米德螺旋转轮，其特征在于转轮进水口处有与之配合的喇叭口座环。

7、根据权利要求5所述的阿基米德螺旋转轮，其特征在于转轮进水口处有与之配合的喇叭口座环。

8、根据权利要求1所述的阿基米德螺旋转轮的用途，其特征在于用于水力发电，船舶、军舰、潜艇上。

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