本發(fā)明涉及一種沖擊式水輪機轉輪，屬于流體機械及工程設備技術領域。

背景技術：

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的不斷提高，能源危機日趨加重，城市建筑的日漸增多。利用城市高樓對生活污水和雨水進行能量回收，對發(fā)展新能源和減少碳排量顯得尤為重要。同時對山區(qū)的一些高水頭小流量的水能利用，小水電微水電的利用也在逐步開展，這些水能利用有一個共同的特點：水頭具有一定的落差，一般為超過30米水頭，水流為間歇流動或者小流量。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的缺陷，提供了一種沖擊式水輪機轉輪，當水射流沖擊水斗時，水斗帶動轉輪和軸一起旋轉，通過發(fā)電機將水能轉換為電能。

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種沖擊式水輪機轉輪，包括圓盤，在圓盤一周均勻布置12個水斗，在圓盤中心固定有軸，軸與發(fā)電機相連；所述水斗通過螺栓穿過水斗固定孔將水斗根部固定在圓盤一周；所述水斗由兩個形狀相同的半球面對稱鑄造而成，該兩個半球面并未閉合，中間留有間隙，在固定水斗時，該間隙朝外；所述半球面遠離水斗根部的一側有缺口；

每個水斗內(nèi)表面是空間三維扭曲曲面，以兩個半球面中間對稱軸的根部為原點建立坐標系，水斗的半球面由下述特征點擬合而成：

其中，line1—line8表示特征點所在的特征曲線，x、y、z為特征點的三維坐標。

前述的圓盤包括圓盤本體，水斗固定孔和軸孔，所述圓盤本體具有一定的厚度，在圓盤本體的邊緣均勻布置有12對水斗固定孔；所述水斗固定孔貫穿圓盤本體，每對水斗固定孔都與圓盤本體的圓心處于一條直線上，每對水斗固定孔用于固定一個水斗；所述圓盤本體的中心位置開設軸孔；所述軸孔兩側各有一個方形凹槽。

前述的軸包括軸的上部，軸的下部，所述軸的上部與發(fā)電機相連，軸的下部與水輪機相連，所述軸的下部兩側各有一個凸起方塊；所述凸起方塊與軸孔兩側的方形凹槽相配合，使軸固定在軸孔內(nèi)；所述軸的上部和軸的下部通過法蘭相連。

前述的特征點擬合的8條特征曲線為：

line1：z＝-7e-05x³+0.0352x²-5.8401x+297.11

line2：z＝8e-07x⁴-0.0004x³+0.0856x²-7.1867x+177.66

line3：z＝4e-07x⁴-0.0002x³+0.0385x²-3.5024x+57.605

line4：z＝2e-07x⁴-0.0001x³+0.0242x²-2.5185x-3.8722

line5：z＝2e-07x⁴-0.0001x³+0.0242x²-2.5185x-3.8722

line6：z＝-3e-10x⁵+4e-07x⁴-0.0002x³+0.0304x²-2.6152x-12.247

line7：z＝-9e-10x⁵+8e-07x⁴-0.0002x³+0.0392x²-2.8755x+4.0202

line8：z＝-3e-08x⁴+1e-05x³+0.0026x²-0.8703x+6.3994。

前述的缺口的寬度b、深度d，水斗的寬度b、深度d滿足：b:b＝0.56:1；d:d＝0.65:1；所述缺口為弧形，缺口的寬度定義為弧形的兩個端點之間的距離；缺口的深度定義為弧形的最低點到半球面的上表面的垂直距離；水斗的寬度定義為半球面的外邊緣上一點與對稱軸的最大垂直距離；水斗的深度定義為半球面的最低點到半球面的上表面之間的垂直距離。

前述的軸半徑r1，圓盤半徑r2，水斗外緣半徑r3，滿足如下關系：r1：r2：r3＝0.095：0.542：1；所述水斗外緣半徑定義為水斗外邊緣上一點到圓盤圓心的最大距離。

前述的轉輪在制造過程中，根據(jù)所確定的轉輪尺寸，依據(jù)軸半徑r1、圓盤半徑r2、水斗外緣半徑r3三者的比值，根據(jù)水斗缺口的寬度b和水斗的寬度b比值，水斗缺口的深度d和水斗的深度d比值，水斗內(nèi)表面特征點或特征點擬合曲線的比例關系，對轉輪整體幾何機構按照相應的尺寸進行縮放。

本發(fā)明的有益效果為：

將本發(fā)明的轉輪應用于沖擊式水輪機，能夠使用在高水頭小流量的水能轉換發(fā)電系統(tǒng)中，在運行時水能轉換發(fā)電的效率比較高，而且高效率區(qū)域比較寬，即在額定流量的10％～100％范圍內(nèi)都能保證90％以上的高效率區(qū)。

附圖說明

圖1為沖擊式水輪機轉輪三維整體結構圖；

圖2為沖擊式水輪機轉輪平面俯視圖；

圖3為圓盤三維示意圖；

圖4為圓盤平面俯視圖；

圖5為軸；

圖6為單個水斗內(nèi)表面示意圖；

圖7為單個半球面的空間截線；

圖8為水斗的外緣缺口示意圖；

圖9為水斗的外緣缺口深度、高度，水斗的深度、高度示意圖；

圖10為水斗、圓盤、軸半徑示意圖。

具體實施方式

下面對本發(fā)明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。

如圖1為沖擊式水輪機轉輪三維整體結構圖，由圓盤2和布置于圓盤2邊緣的水斗1組成，并通過圓盤中心的軸3與發(fā)電機相連，水斗1通過螺栓穿過水斗固定孔2-2將水斗根部1-2固定在圓盤2一周。水斗是由兩個形狀相同的半球面1-1對稱鑄造而成，該兩個半球面并未閉合，中間留有間隙，在固定水斗時，該間隙朝外。半球面1-1遠離水斗根部1-2的一側有缺口1-3。圓盤1一周均勻布置的12個水斗1，圖1的三維圖中只畫了一個水斗，其余未畫出。

如圖2所示，為沖擊式水輪機轉輪俯視圖，從圖中可以看出在圓盤2邊緣均勻布置的12個水斗1。

如圖3和圖4所示的圓盤，包括圓盤本體2-1，水斗固定孔2-2，軸孔。

圓盤本體2-1具有一定的厚度，在圓盤本體2-1的邊緣均勻布置有12對水斗固定孔2-2。

水斗固定孔2-2貫穿圓盤本體2-1，每對水斗固定孔2-2都與圓盤本體的圓心處于一條直線上，每對水斗固定孔2-2用于固定一個水斗1。

在圓盤本體2-1的中心位置開設軸孔，軸3貫穿軸孔。在軸孔兩側有兩個方形凹槽2-3，該凹槽通過軸鍵將軸和轉輪固定成一體。沖擊式水輪機通過軸與發(fā)電機相連，當水射流沖擊水斗時，水斗帶動轉輪和軸一起旋轉，通過發(fā)電機將水能轉換為電能。圖5為軸的結構示意圖。

圖5為軸的結構示意圖，軸的上部3-3與發(fā)電機相連，軸的下部3-1與水輪機相連，軸的下部兩側各有一個凸起方塊3-2與軸孔兩側的方形凹槽2-3一致，通過凸起方塊3-2與方形凹槽2-3相配合，使軸固定在軸孔內(nèi)。軸的上部3-3和軸的下部3-1通過法蘭3-4相連。通過軸3將轉輪和發(fā)電機連接起來，將水輪機的旋轉機械能通過發(fā)電機轉換為電能，軸的下部的直徑根據(jù)水輪機的中心孔決定，軸的上部的直徑由發(fā)電機決定。

如圖6所示，水斗內(nèi)表面三維示意圖。每個水斗是一個整體部件，是由兩個形狀相同且對稱的半球面鑄造而成的，每個水斗內(nèi)表面是空間三維扭曲曲面。

如圖7為圖6中8條特征曲線，水斗內(nèi)表面為空間三維扭曲曲面，每個水斗內(nèi)表面是空間三維扭曲曲面，以兩個半球面中間對稱軸的根部為原點建立坐標系，如圖7，對三維曲面進行平行于x、y平面進行切割，獲取水斗一個半球面的8條特征曲線的三維坐標如下表1。

表1半球面的8條特征曲線的三維坐標

根據(jù)特征曲線的三維坐標，為保證轉輪的水力性能和結構強度，從8條線性的提取特征點進行曲線擬合(每條y軸坐標都是相等的)，擬合后的曲線保證轉輪翼型曲線更加光滑，水力性能更佳。在x-z平面及平行平面，8條曲線的擬合曲線方程式如下：

line1：z＝-7e-05x³+0.0352x²-5.8401x+297.11

line2：z＝8e-07x⁴-0.0004x³+0.0856x²-7.1867x+177.66

line3：z＝4e-07x⁴-0.0002x³+0.0385x²-3.5024x+57.605

line4：z＝2e-07x⁴-0.0001x³+0.0242x²-2.5185x-3.8722

line5：z＝2e-07x⁴-0.0001x³+0.0242x²-2.5185x-3.8722

line6：z＝-3e-10x⁵+4e-07x⁴-0.0002x³+0.0304x²-2.6152x-12.247

line7：z＝-9e-10x⁵+8e-07x⁴-0.0002x³+0.0392x²-2.8755x+4.0202

line8：z＝-3e-08x⁴+1e-05x³+0.0026x²-0.8703x+6.3994

根據(jù)上述擬合曲線，可繪制出水斗的三維空間截線，進而擬合出水斗的三維空間曲面。如圖8為一個水斗的一個半球形的三維空間截線圖。

如圖8、圖9所示，在遠離水斗根部的一側有一個缺口，圖8為缺口示意圖，圖9為缺口的寬度、深度和水斗的寬度、深度定義示意圖；

如圖9所示，該缺口的寬度b、深度d和水斗的寬度b、深度d比值為b:b＝0.56:1；d:d＝0.65:1。因為缺口開在半球面上，則缺口為弧形，缺口的寬度定義為弧形的兩個端點之間的距離。缺口的深度定義為弧形的最低點到半球面的上表面的垂直距離。水斗的寬度定義為半球面的外邊緣上一點與對稱軸的最大垂直距離，水斗的深度定義為半球面的最低點到半球面的上表面之間的垂直距離。

如圖10所示，本申請的軸半徑r1，圓盤半徑r2，水斗外緣半徑r3，滿足如下關系：r1：r2：r3＝0.095：0.542：1。水斗外緣半徑定義為水斗外邊緣上一點到圓盤圓心的最大距離。

本發(fā)明的轉輪在制造時，按以下要求進行：

(1)根據(jù)適用水頭及流量，確定所應用轉輪的尺寸；

(2)根據(jù)所確定的轉輪尺寸，依據(jù)本申請所提供的軸半徑r1、圓盤半徑r2、水斗外緣半徑r3三者的比值，水斗缺口的寬度b和水斗的寬度b比值，水斗缺口的深度d和水斗的深度d比值，水斗內(nèi)表面特征曲線點坐標或擬合曲線的主要比例關系，對轉輪整體幾何機構按照相應的尺寸進行縮放；

(3)對于水斗內(nèi)表曲面根據(jù)本發(fā)明提供的特征點如表1進行整體擬合，也可以根據(jù)幾個特征曲線進行從線到面的擬合。

(4)將整體轉輪的模型三維建模后即可以進行工廠鑄造生產(chǎn)，對水斗及圓盤可以采用整體一起融鑄，也可以將水斗和圓盤分開鑄造后，再進行焊接。對于轉輪的最后成品還需要進行表面打磨，表面的平整、光滑程度對轉輪的運行效率也有重要的影響。

本申請可以根據(jù)不同的水頭和流量，對該轉輪進行幾何形狀上的縮放。本專利轉輪具有較高的寬效率曲，在額定流量的10％～100％范圍內(nèi)都能保證90％以上的高效率區(qū)。

通過上以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發(fā)明的保護范圍。