本發(fā)明屬于流體機械領(lǐng)域，具體涉及一種殼體出口方向與葉輪出口方向相互垂直的液力透平。

背景技術(shù)：

液力透平是將液體流體工質(zhì)中的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能的機械設(shè)備，利用液力透平可以將工藝流程中的液體余壓回收再利用，轉(zhuǎn)換為機械能驅(qū)動機械設(shè)備，以達到節(jié)能。常規(guī)的液力透平主要包括殼體、葉輪以及主軸，其中葉輪位于殼體內(nèi)部，并與主軸連接。流體所具有的能量在流動中，經(jīng)過噴管時轉(zhuǎn)換為動能，接著通過殼體的入口進入殼體并對葉輪內(nèi)的葉片進行做功，推動葉輪轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換為機械能，完成做功的流體再通過殼體出口流出。

目前，根據(jù)液力透平的使用工況的不同，殼體出口的位置主要有兩種設(shè)置形式，一種是沿水平方向設(shè)置，與葉輪出口方向相同，這樣通過葉輪的流體從葉輪出口流出后，可以沿水平方向直接進入殼體出口，最終流出液力透平；另一種是沿豎直方向設(shè)置，與葉輪出口方向相互垂直，此時通過葉輪的流體從葉輪出口流出后，首先進行一個90度的轉(zhuǎn)向，然后再進入殼體出口段，最終流出液力透平。由于流體在葉輪出口流出時，除了具有沿葉輪軸線方向的速度分量之外，還具有沿圓周方向的旋轉(zhuǎn)分量。該圓周方向的旋轉(zhuǎn)分量，不僅在流動過程中與殼體的內(nèi)壁之間存在沿圓周方向的摩擦，進而產(chǎn)生附加水力損失，使液力透平水力效率降低，而且針對殼體出口與葉輪出口相互垂直的液力透平來說，在90度的拐角位置，該圓周方向的旋轉(zhuǎn)分量與沿直線方向的速度分量對流體相互作用，使流體出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象，進一步增加葉輪出口與殼體出口之間流體的阻力損失，使液力透平的水力效率降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決在殼體出口與葉輪出口相互垂直的液力透平中，流體流經(jīng)葉輪出口與殼體出口之間部分時存在著水力效率損失嚴重的問題，本發(fā)明提出了一種采用全新結(jié)構(gòu)的液力透平。該液力透平，包括殼體、葉輪以及導流器，所述導流器與所述殼體固定連接，并且所述導流器的工作面與所述葉輪的出口端沿水平方向相向?qū)?yīng)；在所述導流器的工作面上沿圓周方向均布有多個導流葉片，并且形成位于所述導流器中心位置的導流進口和位于所述導流器邊緣位置的導流出口。

優(yōu)選的，所述導流葉片為彎曲型葉片，并且所述導流葉片的彎曲方向與所述葉輪的旋轉(zhuǎn)方向相同。

進一步優(yōu)選的，所述導流葉片的葉片進口安放角和出口安放角相等，并且與所述葉輪中葉片出口安放角相同。

進一步優(yōu)選的，所述導流進口與所述葉輪出口位于同一水平直線上。

進一步優(yōu)選的，所述導流器的導流進口直徑尺寸不大于所述葉輪的出口直徑尺寸。

優(yōu)選的，所述導流器中的導流葉片數(shù)量與所述葉輪中葉片的數(shù)量相差一個。

優(yōu)選的，所述導流葉片的寬度與所述葉輪進口寬度相等。

優(yōu)選的，所述導流器與所述殼體采用螺栓連接。

本發(fā)明的液力透平與常規(guī)未設(shè)置導流器的液力透平相比較，具有以下有益效果：

1、本發(fā)明的液力透平，通過在殼體上設(shè)置導流器，并且將導流器中設(shè)有導流葉片的工作面與葉輪出口沿水平方向相向?qū)?yīng)，使得從葉輪出口流出的流體在通過轉(zhuǎn)向進入殼體出口位置前，首先進入導流器，并且在導流器中導流葉片的導流作用下進行流動轉(zhuǎn)向。這樣，在導流葉片的導流作用下，可以避免流體在沿直線速度和沿圓周分速度的共同作用下進行轉(zhuǎn)向時出現(xiàn)的流體紊亂現(xiàn)象，從而降低由此引起的湍流阻力損失，提高液力透平的水力效率。

2、在本發(fā)明中，導流葉片采用彎曲型葉片并且彎曲方向與葉輪的旋轉(zhuǎn)方向相同，以及導流葉片的葉片進口安放角和出口安放角相等，并且與所述葉輪中葉片出口安放角相同。這樣，不僅可以最大限度的降低流體進入導流器時，導流器對流體沿圓周方向分速度的干擾，降低流體進入導流器的阻力損失，而且在導流葉片的導流作用下，流出導流器的流體仍然保持一定的沿圓周方向分速度，進而借助該沿圓周方向的分速度使遠離殼體出口的流體可以快速的沿殼體內(nèi)壁流至殼體出口位置，從而避免在葉輪出口與殼體出口之間出現(xiàn)流體的流動停滯現(xiàn)象，保證流體可以快速進入殼體出口位置，降低葉輪出口與殼體出口之間的阻力損失，提高液力透平的水力效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明液力透平的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中的導流器沿f方向的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為對本發(fā)明液力透平進行cfd數(shù)值模擬試驗時，獲得的位于殼體出口側(cè)流體的速度云圖；

圖4為對常規(guī)未設(shè)置導流器的液力透平進行cfd數(shù)值模擬試驗時，獲得的位于殼體出口側(cè)流體的速度云圖；

圖5為對本發(fā)明液力透平和常規(guī)未設(shè)置導流器的液力透平進行cfd數(shù)值模擬對比試驗時，獲得的水力效率曲線對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明中的技術(shù)方案進行詳細介紹。

結(jié)合圖1和圖2所示，本發(fā)明的液力透平，包括殼體1、葉輪2以及導流器3。其中，葉輪2位于殼體1的內(nèi)部，并且葉輪出口21的方向與殼體出口11的方向相互垂直。

導流器3與殼體1固定連接，并且位于殼體1中遠離葉輪2的一側(cè)。其中，在本發(fā)明中，導流器3與殼體1之間采用螺栓4進行固定連接，以便于實現(xiàn)導流器3的拆裝。導流器3與殼體1固定連接后，導流器3的工作面31位于殼體1的內(nèi)部，并且沿水平方向與葉輪2的葉輪出口21相向?qū)?yīng)。此外，沿葉輪2的圓周方向，在工作面31上均勻設(shè)置有多個導流葉片32，并且在相鄰兩個導流葉片32之間形成由導流器3中心位置指向?qū)Я髌?邊緣位置的流道。其中，流道中靠近導流器3中心位置的一端為導流進口33，用于流體進入導流器3；流動中靠近導流器3邊緣位置的一端為導流出口34，用于流體流出導流器3。

此時，當流體從葉輪出口21流出并沿水平方向流至導流器3處時，通過導流進口33進入導流器3，在導流葉片32的導流作用下，沿導流器3內(nèi)部的流道流至導流出口34，進而到達殼體出口11位置。這樣，通過在殼體1中與葉輪出口21相向的位置設(shè)有具有導流葉片32的導流器3，可以對流體的轉(zhuǎn)向過程進行導流作用，并將沿圓周方向的分速度和沿直線方向的分速度進行隔離，避免流體在進行直角轉(zhuǎn)向時，出現(xiàn)嚴重的流體紊亂現(xiàn)象以及由此引發(fā)的湍流阻力損失，從而降低水力損失，提高水力效率。

優(yōu)選的，在本發(fā)明中，導流葉片32采用彎曲型葉片，并且導流葉片32的彎曲方向與葉輪2的旋轉(zhuǎn)方向相同。進一步優(yōu)選的，導流葉片32的葉片進口安放角和出口安放角相等，并且與葉輪2中葉片出口安放角相同。這樣，流體在葉輪2的葉片作用下，具有圓周方向分速度流出葉輪2并沿水平方向流至導流器3的導流進口33時，由于導流葉片32的葉片安放角與葉輪2的葉片出口安放角相同，即兩者的葉片型線相同，所以在流體流至導流器3處時，可以在不改變其流動狀態(tài)和速度的情況下，快速通過導流進口33并進入導流器3。從而保證在流體質(zhì)點由葉輪出口21流至導流進口33并進入導流器3的過程中，流體質(zhì)點運動軌跡的穩(wěn)定性，避免了流體速度的突變，進而降低速度梯度，減少水力損失。

此外，由于導流葉片32的葉片進口安放角與出口安放角相等，并且葉片型線與流體的圓周方向分速度螺旋線相匹配，這樣流體進入導流器3后，導流器3并不對其圓周方向的分速度產(chǎn)生較大的改變，并且流體在導流葉片32的導流作用下，再次流出導流器3時仍然保持一定的沿圓周方向分速度。因此，對于從遠離殼體出口11一側(cè)導流出口34流出的流體來說，即從圖1中開口向下的導流出口34流出的流體來說，流體在沿圓周方向分速度的作用下，可以沿殼體1的內(nèi)壁快速流至殼體出口11位置，從而避免在遠離殼體出口11一側(cè)出現(xiàn)流體的流動停滯現(xiàn)象，提高流體通過導流器3進入殼體出口11的速度。

另外，在本發(fā)明中，將導流進口33與葉輪出口21設(shè)置在同一水平直線上，以及將導流器3中導流進口33的直徑尺寸設(shè)置為不大于葉輪出口21的直徑尺寸。這樣，不僅可以使葉輪出口21流出的流體，在沿水平移動方向與導流進口33的高度位置相匹配，而且使所有具有沿圓周方向分速度的流體都可以快速進入導流器3并獲得導流葉片32的導流作用，從而保證流體進入導流器3過程的穩(wěn)定性，降低水力損失。

優(yōu)選的，導流葉片32的數(shù)量與葉輪2中葉片的數(shù)量相差一個。例如，當葉輪2中葉片的數(shù)量為6時，導流器3中的導流葉片32的數(shù)量為5或7。這樣可以避免在葉輪2和導流器3之間出現(xiàn)水力激振現(xiàn)象，防止葉輪2中的葉片和導流葉片32出現(xiàn)疲勞損失以及裂紋和斷裂的情況，從而提高葉輪2和導流器3的使用壽命，保證液力透平工作的穩(wěn)定性和效率。

另外，在本發(fā)明中，將導流葉片32的寬度設(shè)計為與葉輪進口22的寬度相等。這樣，可以使通過導流器3的流量與通過葉輪2的流量保持相等，實現(xiàn)導流器3對流體的最大導流效率，從而避免由于導流器3無法快速完成對流體的導流工作，而在葉輪2與導流器3之間出現(xiàn)流體的流動停滯現(xiàn)象，以及由此引起的流體阻力損失。

接下來，通過cfd數(shù)值模擬對本發(fā)明液力透平與常規(guī)未設(shè)置導流器的液力透平的水力性能進行對比測試。其中，

液力透平的主要參數(shù)為：殼體進口直徑為125mm，殼體出口直徑為125mm，葉輪進口寬度為16mm，葉輪進口直徑為308mm，葉輪出口直徑為112mm，葉輪中葉片的數(shù)量為6，葉片的進出口角分別為：28°和36°，葉片的包角為172°。

導流器的主要參數(shù)為：導流進口直徑為112mm，導流出口直徑為308mm，導流葉片數(shù)量為7，導流葉片寬度為16mm，導流葉片的進出口安放角均為36°。

首先，對位于本發(fā)明液力透平的殼體出口側(cè)以及常規(guī)未設(shè)置導流器的液力透平的殼體出口側(cè)的流體分別進行三維建模。接著，采用icem劃分四面體網(wǎng)格，并且cfd數(shù)值模擬采用rngk-ε湍流模型，邊界條件為速度進口和壓力出口。然后，應(yīng)用ansys17.0進行數(shù)值模擬。

其中，對本發(fā)明液力透平中殼體出口側(cè)內(nèi)的流場進行數(shù)值模擬，獲得如圖3所示的流體速度云圖；對常規(guī)未設(shè)置導流器的液力透平中殼體出口側(cè)內(nèi)的流場進行數(shù)值模擬，獲得如圖4所示的流體速度云圖。

通過圖3和圖4的對比分析可知，由于本發(fā)明的液力透平中設(shè)有導流器3，使流體速度在殼體出口側(cè)內(nèi)部的整個區(qū)域內(nèi)均勻分布。此外，與位于導流進口33位置的流體的流速相比較，在導流葉片32的作用下，位于導流葉片32之間以及殼體出口側(cè)區(qū)域的流體的流速均有所提升，并且流速的提升幅度穩(wěn)定。這樣，在保持流體流動穩(wěn)定的情況下，可以進一步提高流體通過導流器3并進入殼體出口11的速度，避免了出現(xiàn)流體流動停滯的現(xiàn)象，從而降低了發(fā)生在葉輪出口和殼體出口之間的水力損失。

然而，與本發(fā)明的液力透平相比較，在常規(guī)未設(shè)置導流器的液力透平中，流體速度在殼體出口側(cè)內(nèi)部的整個區(qū)域內(nèi)分布存在明顯的差異。其中，在遠離殼體出口11的位置，流體處于低流速狀態(tài)，甚至低于導流進口32所在區(qū)域的流體流速；在靠近殼體出口11的位置，流體處于高流速狀態(tài)，并且在局部的小區(qū)域內(nèi)流速快速提升至峰值。這樣，不僅流體速度在殼體出口側(cè)的分布非常紊亂，存在著極大的速度梯度以及由此產(chǎn)生的嚴重水力損失，而且由于位于遠離殼體出口11位置的流體流速很慢，出現(xiàn)流體流動停滯的現(xiàn)象，而由此又進一步阻礙了流體進入殼體出口11的速度，增大了流體的流動阻力和水力損失，降低了水力效率。

進一步試驗驗證，調(diào)整cfd數(shù)值模擬中的相關(guān)參數(shù)，對本發(fā)明液力透平與常規(guī)未設(shè)置導流器的液力透平進行全工況范圍內(nèi)的水力效率試驗，并獲得如圖5所示的曲線對比圖。從圖5可以進一步驗證上述對圖3和圖4的對比分析，由于導流器3的存在，使本發(fā)明液力透平在不同流量工況時的水力效率都比常規(guī)液力透平的水力效率高，并且水力效率平均提高5％左右。其中，在小流量的工況下，本發(fā)明液力透平的水力效率提高最為明顯，比常規(guī)未設(shè)置導流器的液力透平的水力效率提高將近7％。