CN201588723U - 一种灯泡斜流式水轮机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种灯泡斜流式水轮机，特别适用于做中小型水电站(水头范围15～300m)；它取消了常规水轮机的蜗壳式引水，采用球形导流室，其固定导叶设计成扭曲型，承担转轮所需要的环量，活动导叶设计成平板型，分布在球形体内，起着调节流量的作用；同时它的流道直、流程短、水力损失小、过流量大，机组体积小、重量轻，卧式布置、电站建设投资省，在相同条件下比混流式水轮机的尺寸小，所占空间和一般混流式相比，大约为其七分之一，重量仅为三分之一，零件数几乎少了一半，制造成本也只有一般斜流式和混流式的一半左右。在电站布置方面，机组间距也只有现代一般斜流式和混流式的50～60％，因而电站建设总投资可大幅度减小。

Description

一种灯泡斜流式水轮机

技术领域

本实用新型涉及流体机械领域，尤其涉及一种主要由导流室、固定导叶、活动导叶、转轮、尾水管、发电机构成的水轮机。

背景技术

常规的反击式水轮机有混流式、轴流式、斜流式以及贯流式等。混流式水轮机水流径向进入转轮，然后沿轴向流出，也被称为幅向轴流式水轮机，具有结构紧凑，运行可靠，效率高，能适应很宽的水头范围，是目前应用最广泛的水轮机。但机组结构复杂，电站厂房高度要求较高，电站建设投资较大。对于中低水头大容量的水轮机，转速低，尺寸大，大部件的加工、运输、刚度强度要求较高，高水头水轮机的空化、磨蚀、振动等问题比较突出。

轴流式水轮机，常有ZZ、ZD两种，ZZ型为轴流转浆式，即叶片可绕其轮毂转动，以配合导叶水流流动，获得良好的绕流条件，提高水轮机的效率范围；ZD型为轴流定桨，即叶片与轮毂之间是固定的，平均效率低，适用于低水头及水头与负荷变化不大的电站。轴流式水轮机的特点是，水流轴向流入转轮又轴向流出，从引水室来的水流在导叶与转轮之间的空间内已由径向转为轴向。这种型式水轮机转轮叶片数较少，一般为3～8片，叶片悬臂固定在转轮体上，其强度将限制它的应用水头范围，所以它应用在3～80m的较低水头范围。

斜流式水轮机也称对角式水轮机，其特点是水流斜向进入转轮并斜向流出，转轮叶片的轴线与主轴中心线成一夹角。这种水轮机分为转桨式和定桨式两种，由于其叶片是倾斜布置，增大了转轮体内部的空间，允许布置比轴流式水轮机更多的转轮叶片，通常8～12片。因此它的强度比轴流式的要高，使用水头范围也要比轴流式的高，为40～200m范围，但是转轮结构复杂，给制造、维护和检修带来不便。

贯流式水轮机适合于开发低水头水力资源。水轮机与发电机同轴连接，由于水轮机转速较低，发电机尺寸较大，一般有全贯流式和灯泡式两种形式。水轮发电机组安装在密封的、外形酷似白炽灯灯泡体壳体内，因此称为灯泡贯流式水轮机。水流基本上轴向通过流道，对称流过转轮叶片，然后直线流出直锥形尾水管。由于贯流式机组水流畅直，水力效率比较高，有较大的单位流量和较高的单位转速，结构紧凑，厂房尺寸小，减少了土建工程量，转动惯量大，运行稳定。

发明内容

本发明的目的：在于克服上述各种型式水轮机的缺点，保留和发展上述水轮机的水力性能的优点，设计出新型的灯泡斜流式水轮机。

本发明的技术方案是：水轮机包括导流室、与导流室尾端连接的尾水管、安装在导流室内的转轮、固定导叶、活动导叶、通过主轴与转轮连接并安装在灯泡体内的发电机，其中：导流室是球形导流室；活动导叶是平板型导叶；固定导叶是空间扭曲型的导叶。

进一步球形导流室流道采用导叶分布球面的球心落在主轴线上或球形导流室流道采用导叶分布球面的球心不落在主轴线上，其导叶分布球面的球心落在与主轴线垂直的直线上。

本发明所述转轮具有12至21个叶片。

在灯泡斜流式水轮机中，由于取消常规的蜗壳引水，采用球形导流室引水，水流几乎是平直地流过各过流部件。因而分布在球形导流室中的固定导叶，在水力上就要承担蜗壳的作用。转轮进口所需要的水流环量就要由固定导叶以及活动导叶来形成。固定导叶的作用是：形成转轮进口所需要的环量，并起结构支承作用。由于灯泡斜流式水轮机采用了真正的斜流式水轮机的转轮，转轮强度大大提高，使用水头较高，完全覆盖了斜流式水轮机的应用水头。这样一来，转轮叶片进口所需要的环量值就较大，如过多地依靠活动导叶来形成，必将造成活动导叶的负荷过重，活动导叶扭曲严重，以致于产生脱流，诱发严重的汽蚀，造成水力振动而影响到活动导叶的寿命；同时，过分扭曲的活动导叶在锥形布置时，又给导叶的密合封水及加工带来不方便。所以，灯泡斜流式水轮机只让活动导叶形成很少部分环量或不形成环量，使活动导叶只起调节作用，全部环量或绝大部分的水流环量由导流室中的固定导叶来形成。即活动导叶设计遵循V_mR＝const及V_ur＝const规律，设计成平板型导叶，固定导叶的形状设计成空间扭曲的。

这种水轮机是将现代混流式水轮机转轮设计的思想和结构形式与现代灯泡贯流式水轮机良好的流道形式相结合，构成一种既可以应用于现代灯泡贯流式水轮机的使用水头，又可以应用于现代混流式水轮机的使用水头范围的新型水轮机。在水轮机的结构上采用了类似于斜流式水轮机的转轮以及灯泡贯流式水轮机的导水机构和流道形式，取消了常规的蜗壳引水，采用了球形导流室。

由于灯泡斜流式水轮机采用了类似于斜流式水轮机的转轮，因此应用的水头及转轮强度大大高于普通灯泡贯流式水轮机，其水头应用范围为15～300m。但是转轮对进口水流环量要求也相应提高，如果单采用活动导叶来承担大部分环量的方法的话势必会造成活动导叶负荷过重，进而会导致活动导叶扭曲，严重的还将会导致脱流的产生，诱发严重的空蚀，造成水力振动。因此本发明水轮机在活动导叶和固定导叶的设计理论和方法上将具有重大变化，水轮机转轮进口所需的水流环量可以只让活动导叶来形成部分环量，活动导叶主要起流量调节作用，而大部分的水流速度环量则由导流室中的固定导叶来承担。

活动导叶按锥形布置，导叶所在流道根据使用水头的不同，将具有同心和偏心两种球形流道型式，导叶流道中水流运动规律遵循V_mR＝const及V_ur＝const，根据这一新的理论，其固定导叶将被设计成扭曲型，活动导叶设计成弯曲型。

灯泡式机组本身具有平直的流道形式，水流转弯少，水力损失小，但是灯泡式机组的转轮采用的是具有4～5个叶片的轴流式转轮形式，转轮叶片的强度低，空蚀系数大，因而不能应用于较高或中高水头范围内。如何应用良好水力性能的灯泡式机组流道，又能应用于较高或中高水头范围内水轮机，则是本发明专利所要解决的技术问题。

灯泡斜流式水轮机的转轮采用的是类似于斜流式水轮机的转轮，具有12～21个叶片，转轮叶片的强度将大大提高，因而能应用于较高或中高水头范围内。同时这种水轮机的水力性能又同时具有各种机型的优点，其水力效率和高效率区都将比常规水轮机的为好，将具有重要的经济效益和社会效益

灯泡斜流式水轮机是一种采用类似于斜流式水轮机转轮以及灯泡贯流式水轮机导水机构及流道形式的一种新型水轮机，它取消了常规水轮机的蜗壳式引水，采用球形导流室，其固定导叶设计成扭曲型，承担转轮所需要的环量，活动导叶设计成平板型，分布在球形体内，起着调节流量的作用。该型水轮机避免了一般斜流式和混流式水轮机的一些水力方面的缺点，并具备一般斜流式和混流式水轮机空蚀性能好，转轮强度高，适用于高水头(斜流式和混流式水轮机的使用水头范围)的优点，同时它的流道直、流程短、水力损失小、过流量大，机组体积小、重量轻，卧式布置、电站建设投资省，在相同条件下比一般斜流式和混流式水轮机的尺寸小，所占空间和一般斜流式相比，大约为其七分之一至七分之二，重量仅为三分之一，零件数几乎少了一半，制造成本也只有斜流式的一半左右。在电站布置方面，机组间距也只有现代斜流式的50～60％，因而电站建设总投资可大幅度减小。因此这种水轮机是一种很有发展前途的水轮机。

附图说明

以下结合附图对本实用新型做进一步说明。

图1，灯泡斜流式水轮机结构示意图；

图2，固定导叶设计示意图；

图3，导叶出口角α₀示意图；

图4，同心流道尺寸示意图；

图5，偏心流道尺寸示意图。

图中零部件、部位及编号：1、竖井，2、灯泡体，3、球形导流室，4、固定导叶，5、活动导叶，6、灯泡斜流式转轮，7、尾水管，8、轴承系统，9、主轴，10、发电机，11、进水边，12、出水边。

具体实施方式

对固定导叶、活动导叶、水轮机过流通道几何尺寸的设计如下：

1、固定导叶设计

水流平直流入水轮机，在固定导叶的进口处，水流没有旋转V_u0＝0，且在轴面内，可以近似认为轴面流速V_m0均匀分布，

V_m0＝Q/F₀  (F₀为固定导叶进口段面面积)    (1)

这样，固定导叶的进口角α₀就应该等于90°。固定导叶的出水边位于同一轴截面内，当固定导叶叶片数较多时，水流出流角近似为固定导叶的出口安放角，而水流出流角大小是由水轮机转轮要求的环量大小以及与活动导叶间的环量分配来确定的。由于活动导叶出水边与转轮叶片进口边，固定导叶出口边到活动导叶进口边间没有能量的交换，水流遵循速度矩守恒定律，即有，

V_ur|_{活动导叶出水边}＝V_ur|_{活动导叶进口边}    (2)

V_ur|_{固定导叶出水边}＝V_ur|_{固定导叶进口边}    (3)

通常，导流室设计成内、外同心的球形流道，固定导叶的出水边处于这一流道中，如图2所示。在这种流道中，轴面流速V_m的分布规律是遵循V_mR＝const规律，且，

$V_{m}R=\frac{Q}{2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\θ}(R_{\mathrm{out}}-R_{\mathrm{in}})}---\left(4\right)$

式中，  R为设计点到球心的半径；

θ为设计点与球心连线和主轴的夹角；

R_in，R_out分别为同心球的内、外球半径。

只要求得了固定导叶出水边上各点的轴面速度V_m1的大小，即可计算其水流角α₁，

tgα₁＝V_m1/V_u1                           (5)

在已知固定导叶的进、出口角后，就可按保角变换法或二元理论设计出导叶的形状。

2、活动导叶设计

$v_M\·R=\frac{Q}{2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\θ}(R_{\mathrm{out}}-R_{\mathrm{in}})}={\mathrm{const}}_1---\left(6\right)$

v_M rsinθ＝V_U1r₁＝г₁＝const₂    (7)

所以，导叶出口角α₀如图3所示。

$\tan {\mathrm{\α}}_0=\frac{v_m}{v_u}=\frac{Q}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\Γ}}_1(R_{\mathrm{out}}-R_{\mathrm{in}})}=\mathrm{const}---\left(8\right)$

即导叶出口角α₀在各断面上是相等的，且导叶进口角各断面也相同，故导叶应设计成平板型导叶，也就是说，活动导叶虽然锥形布置，是弯曲的，但不是扭曲的。

这与一般的贯流式水轮机导叶设计理论不一样，一般的贯流式水轮机导叶是按V_m＝const规律进行设计的。在导叶的进口边v_M＝Q/F₀，F₀为锥形导水机构圆台形面积，所以导叶出口角，

$\tan {\mathrm{\α}}_0=\frac{Q_1^{\′}{n}_1^{\′}{D}_1\mathrm{\π}}{30{\mathrm{\η}}_{0}g{F}_0}r---\left(9\right)$

显然上式导叶出口角α₀与断面所在位置(r)有关，导叶的形状为空间扭曲的。

对灯泡斜流式水轮机的导叶按V_mrsinθ＝const(即V_mR＝const)和V_ur＝const规律设计成平板型导叶。

3、灯泡斜流式水轮机过流通道的几何尺寸

灯泡斜流式水轮机设计的水头比较高，过流量也比较大，则在流道部分产生的水力损失所占的比重比其它形式水轮机要大得多，为了降低流道的水力损失，除了合理地设计流道几何形状和尺寸，满足水力损失较小的要求外，还要满足工程造价较低的要求。在借鉴灯泡贯流式水轮机的流道尺寸以及斜流式水轮机的过流通道的几何尺寸的情况下，设计灯泡斜流式水轮机的整体流道结构。其整体结构布置如图1所示。

(1)灯泡比：    D_j/D₁＝0.8～1.2    (10)

灯泡比是定子机座外径D_j和水轮机转轮外径D₁的比值，它是灯泡式水轮发电机组的一个特征参数。灯泡比的选择涉及到转轮模型和流道尺寸，也影响发电机转速和效率；灯泡比选择过大，使水轮机的水力性能受影响，使机组的效率值降低；灯泡比选择过小，使机组的飞轮力矩减小，甩负荷时的速度上升率增大，通风冷却效果差。

因此合理的灯泡比为0.8～1.2。

(2)导叶相对高度：    b_{0灯泡混流}＝b_0混流    (11)

导叶相对高度b₀直接决定了转轮流道进口断面面积，b₀增加，在转轮直径不变的情况下，将使转轮进口过流面积A₀增加，过流量增加，机组出力增加，同时导叶高度增加，强度受到限制，流道高度加长，会使转轮叶片进口加长，叶片本身的强度和刚度受到影响。一般按水头段划分导叶相对高度，在刚度和强度允许的条件下，应尽可能提高导叶高度，可以提高水轮机比转速，改善其水力性能。

(3)导叶轴心线与水轮机主轴中心线夹角为45°～65°。

(4)导叶数目：大型机组Z₀＝16～24；中型机组Z₀＝12；小型机组Z₀≤8；

(5)导叶轴线与水轮机轴线交点到转轮叶片转动轴线的距离

L＝(0.65～0.84)D₁                       (12)

(6)引水管进口断面平均流速： $V=(1.0~1.2)\sqrt{H_p}---\left(13\right)$

(7)进口管宽度： B₁＝(1.7～2.1)D₁        (14)

(8)机组间距：    B＝(2.2～2.8)D₁        (15)

(9)转轮室喉管直径：    d＝0.973 D₁      (16)

(10)转轮室出口短锥管半角：β≤6°30’，一般取5°；

(11)尾水管长度：L₂＝(4.5～2.8)D₁        (17)

锥角＝θ＝11°-12°；                   (18)

(12)当采用圆形断面过度到方形断面出口时，其当量锥角：

$\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\θ}}{2}=\frac{\frac{1}{\sqrt{n}}-1}{2\frac{L_2}{D_3}}---\left(19\right)$

式中：n为尾水管的扩散度n＝F₃/F₅，其中F₃、F₅分别为尾水管进口和出口的面积；D₃为尾水管的进口直径。

4、同心结构和偏心结构的导叶流道

本发明设计采用了导叶分布球面的球心落在主轴线上(同心结构)与导叶分布球面的球心不落在主轴线上(偏心结构)两种设计方式，其中偏心结构导叶分布球面的球心落在与主轴线垂直的直线上，分布形状示意图如图4、图5所示。

灯泡斜流式水轮机是一种采用类似于斜流式水轮机转轮以及灯泡贯流式水轮机导水机构及流道形式的一种新型水轮机，它取消了常规水轮机的蜗壳式引水，采用球形导流室，其固定导叶设计成扭曲型，承担转轮所需要的环量，活动导叶设计成平板型，分布在球形体内，起着调节流量的作用。该型水轮机避免了一般斜流式和混流式水轮机的一些水力方面的缺点，并具备一般斜流式和混流式水轮机空蚀性能好，转轮强度高，适用于高水头(斜流式和混流式水轮机的使用水头范围)的优点，同时它的流道直、流程短、水力损失小、过流量大，机组体积小、重量轻，卧式布置、电站建设投资省，在相同条件下比一般斜流式和混流式水轮机的尺寸小，所占空间和一般斜流式相比，大约为其七分之一至七分之二，重量仅为三分之一，零件数几乎少了一半，制造成本也只有斜流式的一半左右。在电站布置方面，机组间距也只有现代斜流式的50～60％，因而电站建设总投资可大幅度减小。因此这种水轮机是一种很有发展前途的水轮机。

Claims (4)

1.一种灯泡斜流式水轮机，主要包括导流室、与导流室尾端连接的尾水管、安装在导流室内的转轮、固定导叶、活动导叶、通过主轴与转轮连接并安装在灯泡体内的发电机，其特征是：导流室是球形导流室；活动导叶是平板型导叶；固定导叶是空间扭曲型的导叶。

2.根据权利要求1所述的灯泡斜流式水轮机，其特征是：所述球形导流室流道采用导叶分布球面的球心落在主轴线上。

3.根据权利要求1所述的灯泡斜流式水轮机，其特征是：所述球形导流室流道采用导叶分布球面的球心不落在主轴线上，其导叶分布球面的球心落在与主轴线垂直的直线上。

4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的灯泡斜流式水轮机，其特征是：所述转轮具有12至21个叶片。

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