CN202165202U

CN202165202U - 一种亲鱼型轴流转桨式水轮机

Info

Publication number: CN202165202U
Application number: CN2011202483662U
Authority: CN
Inventors: 徐洪泉; 廖翠林; 陆力; 李铁友; 王万鹏; 瞿军; 王武昌; 穆恩良; 赵立策; 薛鹏
Original assignee: BEIJING IWHR TECHNOLOGY Co Ltd; China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Current assignee: BEIJING IWHR TECHNOLOGY Co Ltd; China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2021-07-14

Abstract

本实用新型涉及一种亲鱼型轴流转桨式水轮机，它包括转轮室、设置在所述转轮室内的转轮体，连接在所述转轮体周向的叶片和连接在所述转轮室顶部的导叶；所述转轮体包括依次设置的上圆柱段、球形段、下圆柱段和两个锥台段；所述转轮室内壁依次包括上部的圆柱段、中部的球形段和下部的喉管段；其特征在于：所述转轮体的球形段由若干凸出的偏心球冠组成，所述偏心球冠的数量与所述叶片的数量相同，每个叶片分别固定连接在所述转轮体相应的一偏心球冠上；所述转轮室的圆柱段直径低于球形段直径的0.98倍，所述转轮室的喉管段直径低于球形段直径的0.96倍，且所述喉管段外圆弧半径为0.02D₁～0.1D₁，D₁表示所述转轮室的直径，所述转轮室的球形段呈全球段。本实用新型可以广泛应用于水力发电装置中。

Description

一种亲鱼型轴流转桨式水轮机

技术领域

本实用新型涉及一种水力发电装置，特别是关于一种亲鱼型轴流转桨式水轮机。

背景技术

水力发电装置通常会截断鱼类的上下游通道，对依靠向上洄游完成生命循环的洄游鱼影响很大，且对非洄游鱼也会产生影响。鱼类穿过普通水轮机下行时将遭受严重伤害。国外的一些研究机构的研究表明：鱼类通过普通水轮机的伤亡率约为30%；水轮机的不同设计导致过机鱼的伤亡率在5%至30%的范围内。国外的一些绿色环保组织和渔业者从1980年就开始反对筑坝，要求拆毁一些水电站。近年来，我国人民的环保意识也在不断增强，中国的水电人也已开始关注这一焦点问题。

常规技术中的轴流式水轮机（如图１所示），包括一转轮体1,转轮体1周向连接有若干叶片2，转轮体1和叶片2设置在一转轮室3内，转轮室3的顶部设置有若干用于调节水体流量和水流角度的活动导叶4。其中转轮体1包括依次设置的上圆柱段11、球形段12、下圆柱段13和两个锥台段14、15（又称泄水锥）。如图2所示，转轮室3上部为圆柱段31，中部为球形段32，下部为喉管段33，一般转轮室3的直径D₁为球形段31的最大直径，圆柱段31直径表示为D_th1（对于常规半球形转轮室，D_th1=D₁），喉管段33直径表示为D_th2。常规技术存在以下问题：

1）由于转轮室3上部为圆柱段31，而叶片2外缘是按球面进行加工的，叶片2外端面与转轮室3的圆柱段31之间会形成一“楔形”间隙A（如图1、图3所示），这是运动的叶片2与静止的转轮室3之间形成的运动间隙，且其开口朝上，对着水流方向，因此无论是重力还是水流的作用力都会使进入间隙的鱼类向小间隙处运动，越夹越紧。

2）尽管转轮室3中部采用的是球形段32，但是由于转轮室下部的喉管段33的外圆弧半径较大，在两段圆弧的切点后面还是会形成一间隙小于进水边、平平长长的下部“楔形”间隙B，这一间隙B没有上部间隙A“越夹越紧”的特性，但是由于离心力的作用，过机鱼类往该区域集中的概率较高，同样也会因拥挤和鱼自身的“挣扎”而造成伤害。

3）在导叶4出口边下端面与转轮室3圆弧之间也会出现一“楔形”间隙C（如图1、图4所示），其不仅会直接伤害鱼类，更可能因为“楔形”间隙后的涡流而对鱼类形成附加伤害。

4）一般当叶片2旋转到最大转角时，叶片2进水边和出水边的根部会碰到转轮体1的圆柱部分，无法旋转到位，因此需要根据转轮体1形状切割叶片2，但是当叶片2需根据发电需要旋转叶片2到小转角工作时，叶片2根部的进水边和出水边与转轮体1之间均会存在一“楔形”间隙E、F（如图5、图6所示）。

5）如果为了消除楔形间隙A、B、C、E、F对过机鱼的伤害，仅简单地减短常规技术的叶片2（如图7中虚线所示），势必会使叶片2短了许多，叶片2进水边外缘甚至需切除１/3以上的叶片，叶栅稠密度大大降低，使效率下降，叶片2的出水边压力降低比较多，甚至会产生空化，叶片2间产生“叶道涡”，形成非常大的剪切应力，进而造成效率低、空蚀严重、稳定性差等问题，还会因负压、涡旋流、剪切力大等而危及过机鱼类的生命。

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种在避免楔形间隙对过机鱼类伤害的基础上，提高效率和叶片出水边压力，避免空化和过大压力梯度的亲鱼型轴流转桨式水轮机。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种亲鱼型轴流转桨式水轮机，它包括转轮室、设置在所述转轮室内的转轮体，连接在所述转轮体周向的叶片和连接在所述转轮室顶部的导叶；所述转轮体包括依次设置的上圆柱段、球形段、下圆柱段和两个锥台段；所述转轮室内表面依次包括上部的圆柱段、中部的球形段和下部的喉管段；其特征在于：所述转轮体的球形段由若干凸出的偏心球冠组成，所述偏心球冠的数量与所述叶片的数量相同，且每个叶片都分别固定连接在所述转轮体相应的一偏心球冠上；所述转轮室的上部圆柱段直径低于所述转轮室球形段直径的0.98倍，所述转轮室下部的喉管段直径低于所述转轮室球形段直径的0.96倍，且所述喉管段外圆弧半径为0.02D₁～0.1 D₁，D₁表示所述转轮室的直径，所述转轮室的球形段呈全球段。

所述偏心球冠是指球冠的球心在转轮旋转轴线沿叶片轴线往外侧偏移0.01 D₁～0.1 D₁。

所述叶片及与其相应偏心球冠的数量为3～8。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型由于在转轮体的球形段设置了若干偏心球冠，并将叶片分别连接在相应的偏心球冠上，因此与常规技术的转轮体相比，本实用新型的偏心球冠与圆柱段相交线的最高点变得更高，最低点变得更低，从而增加了叶片对转轮体的包角，减小了叶片与转轮体进、出水边的楔形间隙，减轻了对鱼类的伤害。2、本实用新型由于将转轮室内表面上部圆柱段直径降低，使圆柱段与球形段的连接形成一球形光滑连接，使转轮室将叶片的进水边完全包裹起来，因此叶片与转轮室内表面之间不会形成较大的“楔形”间隙，也没有必要为避免该间隙而大面积减短叶片，从而可以保证叶片有足够的做功长度和做功面积，较高的效率，以及较好的空化性能。3、本实用新型由于将转轮室的圆柱段直径减小，导叶的底端也就不会伸至转轮室，从而避免了导叶底端面与转轮室之间形成的“楔形”间隙，以及由此而引起的涡旋流，从而可以降低鱼类的伤亡率。4、本实用新型由于将转轮室下部喉管段直径减小，且将喉管段外圆弧半径降低，因此极大地增加了转轮室对叶片出水边的包裹角度，减小了二者之间的“楔形”间隙，从而可以在亲鱼条件下不减短或者少减短叶片，进而增加了叶片的做功面积。5、本实用新型由于减小了转轮室上部圆柱段和下部喉管段的直径，同时降低了喉管段外圆弧半径，因此使转轮室的球形段从常规技术的半球形段，变成了一全球段，从而使转轮室能够更好地包裹叶片的球形外缘。本实用新型与常规技术相比，叶片做功面积增加了近50%～60%，有效地增加了导叶与转轮室的包角，减小“楔形”间隙，有效地提高了效率、空化性能和稳定性，大大降低了鱼类通过水轮机的伤亡率，它可以广泛应用于水力发电装置中。

附图说明

图1是常规技术结构示意图

图2是常规技术转轮室结构示意图

图3是常规技术中叶片与转轮室之间楔形间隙局部放大示意图

图4是常规技术中导叶与转轮室之间楔形间隙局部放大示意图

图5是常规技术中叶片进水边楔形间隙示意图

图6是常规技术中叶片出水边楔形间隙示意图

图7是常规技术中叶片切割叶片以消除楔形间隙示意图

图8是本实用新型结构示意图

图9是本实用新型转轮体结构示意图

图10是本实用新型转轮体中球形段俯视示意图

图11是本实用新型转轮室与常规转轮室局部结构比较示意图

图12是本实用新型转轮室与叶片配合示意图

图13是本实用新型转轮室与导叶配合示意图

图14是本实用新型与常规技术的比较示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行进一步的描述。

本实用新型对常规技术的改进包含两项主要内容，其一是对转轮体1进行改进，增加了叶片2对转轮体1的包角，同时在避免“楔形间隙”的基础上增加了叶片2的根部长度；其二是对转轮室3进行改进，增加了转轮室3对叶片2的包角，在避免“楔形间隙”的基础上增加了叶片2的外缘长度。

如图8～10所示，本实用新型的转轮体1与常规技术相同也包括依次设置的上圆柱段11、球形段12、下圆柱段13和两个锥台段14、15。但是本实用新型的球形段12采用若干偏心球冠16（本实施例为四个偏心球冠，但不限于此）来代替常规转轮体1的一个球体，所谓偏心球冠16是指球冠的球心在转轮旋转轴线沿叶片轴线往外侧偏移一段距离，该距离约为0.01D₁～0.1 D₁。本实用新型偏心球冠16的数量与叶片2的数量一致，每一叶片2固定连接在一个相应的偏心球冠16上。具体的叶片2和相应的偏心球冠16的数量是可以在3～8范围内有所变化的。本实用新型转轮体1的球形段由于设置了偏心球冠，与常规转轮体相比，球形段12与圆柱段11相交线的最高点（圆柱方向）变得更高，球形段12与圆柱段11相交线的最低点变得更低，因此本实用新型可以增加叶片2对转轮体1的包角，减小叶片2与转轮体1进、出水边的“楔形”间隙A和间隙B，减轻对鱼类的伤害。

如图2、图11所示，本实用新型的转轮室3内表面与常规技术相同也包括上部的圆柱段31、中部的球形段32和下部的喉管段33。但是，常规技术转轮室3上部圆柱段31直径D_th1为1.0 D₁（如图11中虚线所示），本实用新型上部圆柱段31直径D_th1低于0.98 D₁（如图11中实线所示）。本实用新型与常规转轮室相比，由于转轮室由半球形改为球形，且将圆柱段31直径D_th1减小，因此转轮室3可以将叶片2的进水边完全包裹起来，叶片2与转轮室3内表面之间不会形成较大的“楔形”间隙A（如图12上部所示），也没有必要为避免该间隙而大面积减短叶片，从而可以保证叶片有足够的做功长度和做功面积，较高的效率，以及较好的空化性能。同时由于将圆柱段31直径D_th1减小，导叶4的底端也就不会伸至转轮室3，从而避免了导叶4底端面与转轮室3之间形成的“楔形”间隙C （如图13中实线所示，虚线为常规技术），以及由此而引起的涡旋流，从而可以降低鱼类的伤亡率。

如图11所示，常规技术中转轮室3下部喉管段33直径D_th2在0.973 D₁～0.983 D₁（如图11中虚线所示），喉管段33外圆弧半径R约为0.38 D₁，而本实用新型转轮室3下部喉管段33直径D_th2低于0.96 D₁（如图11中实线所示），喉管段33外圆弧半径R降低到0.02 D₁～0.1 D₁。本实用新型与常规转轮室相比，由于将喉管段33直径减小，且喉管段33外圆弧半径R降低，因此极大地增加了转轮室3对叶片2出水边的包裹角度，减小了二者之间的“楔形”间隙B（如图12下部实线所示，虚线为常规技术），从而可以在亲鱼条件下不减短或者少减短叶片2，进而增加了叶片2的做功面积。

如图14所示，本实用新型的转轮体1和转轮室3均采用了亲鱼型设计，增加了叶片2对转轮体1的包角，增加了转轮室3对叶片2的包角，增加了导叶4与转轮室3的包角，有效地减小了“楔形”间隙。本实用新型（如图14中双点划线所示）与常规技术（如图14中虚线所示）相比，叶片2做功面积增加了近50%～60%，有效地提高了效率，改善了空化性能和稳定性。

上述各实施例仅用于说明本实用新型，其中各部件的结构和连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims

1.一种亲鱼型轴流转桨式水轮机，它包括转轮室、设置在所述转轮室内的转轮体，连接在所述转轮体周向的叶片和连接在所述转轮室顶部的导叶；所述转轮体包括依次设置的上圆柱段、球形段、下圆柱段和两个锥台段；所述转轮室内表面依次包括上部的圆柱段、中部的球形段和下部的喉管段；其特征在于：

所述转轮体的球形段由若干凸出的偏心球冠组成，所述偏心球冠的数量与所述叶片的数量相同，且每个叶片都分别固定连接在所述转轮体相应的一偏心球冠上；

所述转轮室的上部圆柱段直径低于所述转轮室球形段直径的0.98倍，所述转轮室下部的喉管段直径低于所述转轮室球形段直径的0.96倍，且所述喉管段外圆弧半径为0.02D₁～0.1 D₁，D₁表示所述转轮室的直径，所述转轮室的球形段呈全球段。

2.如权利要求1所述的一种亲鱼型轴流转桨式水轮机，其特征在于：所述偏心球冠是指球冠的球心在转轮旋转轴线沿叶片轴线往外侧偏移0.01 D₁～0.1 D₁。

3.如权利要求1或2所述的一种亲鱼型轴流转桨式水轮机，其特征在于：所述叶片及与其相应偏心球冠的数量为3～8。