一種低水頭水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】一種低水頭水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，包括若干SX形葉片、上冠、下環(huán)；若干SX形葉片1均勻焊接固定在上冠2和下環(huán)3之間；SX葉片的結(jié)構(gòu)是，SX葉片在轉(zhuǎn)輪的進(jìn)水口處均有負(fù)傾角,負(fù)傾角為1.5°～10°，即SX型葉片的進(jìn)水邊近上冠部分向內(nèi)負(fù)傾斜；靠近上冠處翼形為負(fù)曲率；葉片進(jìn)水邊與出水邊外沿均成S形，SX葉片在進(jìn)水口看去，SX型葉片的進(jìn)水邊與出水邊亦成X型交叉；葉片曲面形成空間扭曲形狀；同時，為適應(yīng)能量轉(zhuǎn)換和出口條件的要求，葉片出水邊成一弧線。
【專利說明】一種低水頭水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及應(yīng)用
一、【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)及應(yīng)用，尤其是混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。
二、【背景技術(shù)】
[0002]CN200910028482涉及一種超低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)，是一種混流式水輪機(jī)。主軸設(shè)置在軸承座上，軸承座設(shè)置在蓋板的上側(cè)中部，蓋板的下側(cè)設(shè)置低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠，蓋板的端部固定連接座環(huán)，低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠的下方相對設(shè)置低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)，低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)的一端與座環(huán)連接，另一端與錐形尾水管連接；座環(huán)的外側(cè)連接金屬蝸殼，金屬蝸殼設(shè)置在支墩上；座環(huán)上設(shè)置16?22個單列環(huán)形正曲率導(dǎo)葉，低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠與低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)之間的空腔內(nèi)設(shè)置低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片。
[0003]轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)最重要的做功轉(zhuǎn)化部件，將水流的能量轉(zhuǎn)換為軸的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠與轉(zhuǎn)輪下環(huán)之間的空腔內(nèi)設(shè)置水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片。
[0004]圖1中水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在結(jié)構(gòu)圖中與現(xiàn)有技術(shù)仍極相似，這種從轉(zhuǎn)輪的外周均勻進(jìn)水口，從中軸部位向下出水，葉片又是轉(zhuǎn)輪中吸收水流能量的最重要部件。
[0005]現(xiàn)有的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪決定了水輪機(jī)的轉(zhuǎn)化效率，根據(jù)測量，現(xiàn)有的水輪機(jī)的效率不會超過84%，仍有待提高。如CN200910028482涉及一種超低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)，主要是應(yīng)用于冷卻塔吸收冷卻塔多余能量水的能量，并順帶驅(qū)動冷卻塔的風(fēng)機(jī)，其效率亦如上述，仍有大幅提聞的余地。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的是，提出一種低水頭水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，具有高效率和工作可靠性，應(yīng)用于
4一 12米的水頭。尤其是應(yīng)用于冷卻塔吸收冷卻塔多余能量的，并順帶驅(qū)動冷卻塔的風(fēng)機(jī)。
[0007]本發(fā)明技術(shù)方案是:一種低水頭水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，包括若干SX形葉片1、上冠2、下環(huán)3組成；若干SX形葉片I均勻焊接固定在上冠2和下環(huán)3之間；SX葉片的結(jié)構(gòu)是，SX葉片在轉(zhuǎn)輪的進(jìn)水口處均有負(fù)傾角Θ,負(fù)傾角Θ為1.5°?10° ;靠近上冠處翼形為負(fù)曲率；葉片進(jìn)水邊與出水邊外沿均成S形，SX葉片在進(jìn)水口看去，SX型葉片的進(jìn)水邊與出水邊亦成X型交叉；葉片曲面形成空間扭曲形狀；同時，為適應(yīng)能量轉(zhuǎn)換和出口條件的要求，葉片出水邊扭曲成一弧線(空間曲線，不在一平面上)。轉(zhuǎn)輪中均勻分布的SX型葉片數(shù)為14?22。葉片翼形最小厚度與最大厚度之比為0.1?0.3。
[0008]SX型葉片的進(jìn)水邊近上冠部分向內(nèi)傾斜形成負(fù)傾角Θ ；
[0009]進(jìn)一步的，葉片在出水處的寬度尺寸是進(jìn)水處寬度尺寸的2倍以上。
[0010]水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪部件的有關(guān)尺寸的參數(shù)比值如下:
[0011]葉片與下環(huán)接觸圓直徑和轉(zhuǎn)輪直徑比值0.52-0.60
[0012]葉片與上環(huán)接觸圓直徑和轉(zhuǎn)輪直徑比值0.2-0.26
[0013]葉片進(jìn)水口與下環(huán)接觸圓直徑和轉(zhuǎn)輪直徑比值0.95-0.99[0014]轉(zhuǎn)輪邊高與轉(zhuǎn)輪直徑比值0.1-0.16
[0015]轉(zhuǎn)輪進(jìn)水口高與轉(zhuǎn)輪直徑比值0.05-0.08
[0016]轉(zhuǎn)輪總高與轉(zhuǎn)輪直徑比值0.2-0.35。
[0017]本發(fā)明應(yīng)用于4 — 12米的水頭、混流低比轉(zhuǎn)速補償式水輪機(jī)；采用SX型葉片作為低比轉(zhuǎn)速補償式混流水輪機(jī)設(shè)備的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)和水力特性是混流式水輪機(jī)優(yōu)質(zhì)性能的代表標(biāo)志。SX型葉片充分利用流道空間，使葉片表面的壓力分布盡量均衡。傳統(tǒng)葉片由于葉片加工方法和葉片設(shè)計思想的約束，往往出現(xiàn)葉片近上冠和近下環(huán)的流道內(nèi)流量和壓力分布不均:一般近上冠處葉片的負(fù)荷較小，而在近下環(huán)處負(fù)荷很大，這不僅使葉片的受力特性變差，還使轉(zhuǎn)輪的過流量不易提高，同時，在轉(zhuǎn)輪葉片背面近下環(huán)處容易發(fā)生空化現(xiàn)象。由于SX型葉片的以上結(jié)構(gòu)特點，使葉片間流道內(nèi)液體的流動趨于順暢均勻，消除了常規(guī)葉片正面常見的“橫流”現(xiàn)象，減輕了葉片近下環(huán)處的負(fù)荷集中，在提高水輪機(jī)的運行效率、增加過流量和改善轉(zhuǎn)輪空化性能，及轉(zhuǎn)輪受力狀況等方面都有較大潛力。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:SX型葉片其表現(xiàn)出良好的水力性能，主要體現(xiàn)在以下幾方面:1)葉片間流道內(nèi)的流動趨于順暢，消除了常規(guī)葉片正面常見的“橫流”現(xiàn)象，有利于提高水輪機(jī)的運行效率。2)轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流動更加均勻，負(fù)荷分布趨于均勻，減輕了葉片近下環(huán)處的負(fù)荷集中，有利于提高轉(zhuǎn)輪的過流量和改善轉(zhuǎn)輪的空化性能。3)由于葉片上的受力更加均勻以及葉片上冠的特殊形狀，使得這種葉片的受力趨于合理，減少了葉片根部的應(yīng)力集中。使轉(zhuǎn)輪具有較好的受力特性。
[0019]通過對SX型葉片進(jìn)出口幾何參數(shù)對轉(zhuǎn)輪出口流態(tài)以及運行穩(wěn)定性等方面的影響的研究分析和模擬測試，本發(fā)明的SX型葉片轉(zhuǎn)輪制造的混流低比轉(zhuǎn)速補償式水輪機(jī)效率提高到93%以上。
[0020]本發(fā)明SX轉(zhuǎn)輪的SX型葉片由于采用了“負(fù)傾角”，同時葉片上冠型線更加合理，在上冠進(jìn)口處(葉片橫向)的無局部漩渦。上、下環(huán)區(qū)的流速均勻，負(fù)荷一致；流過轉(zhuǎn)輪內(nèi)的水流能量消耗小，葉片間的流動順暢，速度和負(fù)荷分布趨于均勻。
[0021]SX型葉片從上冠到下環(huán)，從進(jìn)口到出口，正背面的壓力分布很均勻，不易形成空化破壞，水流對葉片不發(fā)生正面脫流，葉片背面無負(fù)撞擊水力損失極小。
[0022]由于SX型葉片壓力分布特點，使其受力趨于合理，SX型葉片從上冠到下環(huán)負(fù)荷分布均勻，合力作用點到葉片上冠根部的力臂較小，從而使得葉片根部應(yīng)力值相對減小。SX型葉片具有外凸的上冠翼形，相對常規(guī)葉片內(nèi)凹的上冠翼形而言，葉片根部(上冠處)的受力方式發(fā)生了改變，這也使葉片根部應(yīng)力從進(jìn)口到出口分布更加趨于均勻。
四、【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明轉(zhuǎn)輪剖面圖；
[0024]圖2為本發(fā)明厚度比值S型曲面圖；
[0025]圖3為本發(fā)明葉片的下邊X型曲線圖；
[0026]圖4為本發(fā)明葉片上邊與上冠接觸S曲面圖；
[0027]圖5為本發(fā)明葉片下邊與下環(huán)接觸S曲面圖。
五、【具體實施方式】[0028]參見附圖，圖中符號與表I列出的一致。轉(zhuǎn)輪的SX形葉片I經(jīng)精密鑄造成型后，(可采用耐高溫金屬整形模熱壓整形后)均勻焊接固定在上冠2和下環(huán)3之間；上冠與下環(huán)與葉片接觸裝配面經(jīng)精密加工，保證了葉片與上冠與下環(huán)的裝配精度。葉片焊接時采用分度圓定位模具進(jìn)行與上冠固定焊接，然后再與下環(huán)焊接，經(jīng)熱處理消除應(yīng)力，經(jīng)表面處理，涂防腐涂料后裝配。轉(zhuǎn)輪的SX形葉片I總共有14-22片。
[0029]本發(fā)明是是應(yīng)用于4 - 12米的水頭、混流低比轉(zhuǎn)速補償式水輪機(jī)。
[0030]本發(fā)明葉片翼形最小厚度與最大厚度之比即hl/h2為0.1?0.3。
[0031]水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的葉片設(shè)計中，使壓力分布均衡化的技術(shù)文獻(xiàn)最早集中于如何合理設(shè)計翼形形狀。主要體現(xiàn)在，采用二元理論設(shè)計方法時，如何合理選擇葉片上的環(huán)量分布，以及在進(jìn)行葉片骨線加厚的過程中，如何選取葉片的厚度分布等方面。從均衡化的角度而言，以上技術(shù)僅解決了從葉片進(jìn)口到出口這一方向上壓力的均衡問題?，F(xiàn)有技術(shù)中葉片的上下邊即進(jìn)水邊與出水邊有S弧線，但無X形的交叉弧線。如果將葉片上的壓力分布看做一個空間問題，那么，均衡化應(yīng)該不只體現(xiàn)在從葉片進(jìn)口到出口這一方向上，還應(yīng)同時體現(xiàn)在從上冠到下環(huán)的方向上。在本發(fā)明SX型葉片設(shè)計中，“葉片傾角”也是一個十分關(guān)鍵的參數(shù)。“葉片傾角”的正負(fù)和大小與葉片上從上冠到下環(huán)方向上的負(fù)荷分布密切相關(guān)。由于SX型葉片采用了所謂“負(fù)傾角”，使其結(jié)構(gòu)與常規(guī)葉片有較大差別。
[0032]I)葉片傾角:SX型葉片采用“負(fù)傾角”。此外，從進(jìn)口(圖的上方)看去，SX型葉片的進(jìn)水邊與出水邊成X型交叉。
[0033]2)葉片上冠。SX型葉片的近上冠部分向內(nèi)傾斜，而常規(guī)葉片在整個葉片區(qū)域，葉片形狀為內(nèi)凹形狀。正是這種看似扭曲的S型葉片形狀，消除了葉片正面的橫流，從而使葉片上的壓力分布更加均勻。
[0034]3)葉片出水邊。常規(guī)葉片為了滿足傳統(tǒng)加工技術(shù)的要求，一般將葉片出水邊放在同一個軸面上形成加工基準(zhǔn)。這種約束在較大程度上制約了設(shè)計者對出口邊形狀和出口流態(tài)的調(diào)整，從而限制了轉(zhuǎn)輪的形狀和性能。SX型葉片出水邊為一空間曲線，可以根據(jù)設(shè)計要求對出水邊進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使葉片上壓力均布，出口流態(tài)更合理。SX型轉(zhuǎn)輪葉片的主要結(jié)構(gòu)特點為:葉片進(jìn)口具有“負(fù)傾角”，葉片長邊(上邊)設(shè)計成S形，出水邊(下邊)設(shè)計成X形，形成多維空間扭曲形狀。同時，靠近上冠處翼形為負(fù)曲率。為適應(yīng)能量轉(zhuǎn)換和出口條件的要求，葉片出水邊不在軸面上，而是一空間曲線(弧線)。
[0035]有關(guān)參數(shù)的典型的值如下，本發(fā)明可以適用于多個規(guī)格，每小時水量300-4000T的水輪機(jī)均可以適用。
[0036]表I
[0037]
項目 結(jié)果備注
D2/D1 0.56-0.59水輪機(jī)下環(huán)出水直徑和轉(zhuǎn)輪直徑比值
D4/D1 0.52-0.60葉片與下環(huán)接觸圓直徑和轉(zhuǎn)輪直徑比值
D5/D1 0.20-0.26葉片與上環(huán)接觸圓直徑和轉(zhuǎn)輪直徑比值
【權(quán)利要求】
1.一種低水頭水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，其特征是包括若干SX形葉片、上冠、下環(huán)；若干SX形葉片均勻焊接固定在上冠2和下環(huán)3之間；SX葉片的結(jié)構(gòu)是，SX葉片在轉(zhuǎn)輪的進(jìn)水口處均有負(fù)傾角，負(fù)傾角為1.5°?10°，即SX型葉片的進(jìn)水邊近上冠部分向內(nèi)負(fù)傾斜；靠近上冠處翼形為負(fù)曲率；葉片進(jìn)水邊與出水邊外沿均成S形，SX葉片在進(jìn)水口看去，SX型葉片的進(jìn)水邊與出水邊亦成X型交叉；葉片曲面形成空間扭曲形狀；同時，為適應(yīng)能量轉(zhuǎn)換和出口條件的要求，葉片出水邊成一弧線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低水頭水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，其特征是，葉片在出水處的寬度尺寸是進(jìn)水處寬度尺寸的2倍以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低水頭水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，其特征是轉(zhuǎn)輪中均勻分布的SX型轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為14?22。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低水頭水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，其特征是葉片翼形最小厚度與最大厚度之比即hl/h2為0.1?0.3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低水頭水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，其特征是: 葉片與下環(huán)接觸圓直徑和轉(zhuǎn)輪直徑比值0.52-0.60 ； 葉片與上環(huán)接觸圓直徑和轉(zhuǎn)輪直徑比值0.2-0.26 ； 葉片進(jìn)水口與下環(huán)接觸圓直徑和轉(zhuǎn)輪直徑比值0.95-0.99 ； 轉(zhuǎn)輪邊高與轉(zhuǎn)輪直徑比值0.1-0.16 ； 轉(zhuǎn)輪進(jìn)水口與轉(zhuǎn)輪直徑比值0.05-0.08 ； 轉(zhuǎn)輪總高與轉(zhuǎn)輪直徑比值0.2-0.35。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低水頭水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，其特征是應(yīng)用于4- 12米的水頭、混流低比轉(zhuǎn)速補償式水輪機(jī)。
【文檔編號】F03B3/12GK103485958SQ201310475506
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】王偉, 夏和林, 何勝清, 陳歡, 田甜, 王正山 申請人:南京泉騰冷卻設(shè)備有限公司