一種小水電軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種小水電軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，包括輪轂、泄水錐及3個(gè)安裝固定在輪轂上的葉片，輪轂比小，過(guò)流量大，輪轂?zāi)妇€可用一段圓弧擬合，易于制造，泄水錐和輪轂型線光滑連接，有效完成水流引導(dǎo)，葉片安裝在偏輪轂下側(cè)，采用3個(gè)葉片，輪轂側(cè)翼型和外緣翼型的進(jìn)、出口水流角和弦長(zhǎng)相差較大，翼型厚度小，經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，葉輪效率能夠達(dá)到95%。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，加工方便，經(jīng)濟(jì)成本低，效率高，能夠用于低水頭大流量電站發(fā)電，也可供早期小水電增效擴(kuò)容改造使用。
【專利說(shuō)明】一種小水電軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于流體機(jī)械【技術(shù)領(lǐng)域】，具體而言，涉及一種適用于低水頭大流量小型電站的軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]為發(fā)展小水電，繁榮農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，早期，我國(guó)建造了大批小型電站，其中，2飛m的低水頭水能資源開(kāi)發(fā)主要選用軸流式水輪機(jī)，但其運(yùn)行的平均效率較低，而且其過(guò)流部件易空蝕破壞，并產(chǎn)生振動(dòng)。運(yùn)行至今，期間雖經(jīng)修補(bǔ)，但槳葉變形較大，振動(dòng)和空化空蝕很嚴(yán)重，出力和效率很不理想，需要更換轉(zhuǎn)輪，進(jìn)行增效擴(kuò)容改造工作。
[0004]為降低改造成本，大部分電站選擇保留原水輪機(jī)預(yù)埋部分，不改變?cè)瓩C(jī)組蝸殼、進(jìn)水廊道、尾水管等砼和預(yù)埋結(jié)構(gòu)，在原有流道不改變的基礎(chǔ)上，通過(guò)更換轉(zhuǎn)輪等措施來(lái)提高機(jī)組容量。
[0005] 但現(xiàn)有軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，在5m以下的水頭運(yùn)行時(shí)均效率不高，難以達(dá)到低水頭電站增效擴(kuò)容改造目標(biāo)，此時(shí)，需要開(kāi)發(fā)高效的低水頭軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪來(lái)滿足需求。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的則是克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，加工方便，經(jīng)濟(jì)成本低，效率高，能夠用于低水頭大流量電站的軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，也可供早期小水電增效擴(kuò)容改造使用。
[0008]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
提供一種小水電軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，包括輪轂、泄水錐和3片安裝固定在所述輪轂上的葉片:
所述輪轂最大直徑為dh，其上端直徑為dl，其高度為h2，其母線為半徑為Rl的圓弧，所述轉(zhuǎn)輪所在的轉(zhuǎn)輪室直徑為D1，所述葉片在所述輪轂上的安裝位置的中心的高度為h4，其中，dh與Dl的比值為0.298~0.302，dl與Dl比值為0.258~0.262，Rl與Dl的比值為
0.658~0.662，h2 與 Dl 的比值為 0.318~0.322，h4 與 h2 的比值為 0.555~0.559 ；
所述泄水錐連接在所述輪轂的下方，所述輪轂和泄水錐的邊緣光滑過(guò)渡，所述泄水錐的上端直徑為d3，其下端直徑為d2，高度為h3，其母線由不同半徑的兩段圓弧連接而成，圓弧半徑自上而下分別為R2和R3，其中，d3與Dl的比值為0.258~0.262，d2與Dl的比值為
0.048~0.052，R2與Dl的比值為1.405~1.409，R3與Dl的比值為0.312~0.316，h3與h2的比值為0.857~0.861。
[0009]進(jìn)一步地，所述葉片位于輪轂側(cè)的葉柵翼型A弦長(zhǎng)LI與柵距tl的比值為葉柵稠密度A，其中，所述葉柵稠密度A為0.931~0.935，所述葉柵翼型A弦長(zhǎng)LI與轉(zhuǎn)輪室直徑Dl的比值為0.269^0.273，所述葉柵翼型A最大厚度點(diǎn)的厚度Clmaxl與弦長(zhǎng)L1的比值為0.113~0.117，其最大厚度點(diǎn)到前緣的距離Xdl與弦長(zhǎng)L1的比值為0.447~0.451，所述葉柵翼型A的最大翼型彎度f(wàn)maxl與弦長(zhǎng)L1的比值為0.082~0.086，所述葉柵翼型A的最大翼型彎度點(diǎn)至前緣的距離Xfl與弦長(zhǎng)L1的比值為0.620~0.624。
[0010]進(jìn)一步地，所述葉片由輪轂側(cè)到輪緣的中間層翼型，即位于直徑為0.6倍轉(zhuǎn)輪室直徑D1的圓柱層的葉柵翼型B，弦長(zhǎng)L2與柵距t2的比值為葉柵稠密度B，所述葉柵稠密度B為0.711~0.716，弦長(zhǎng)L2與轉(zhuǎn)輪室直徑Dl的比值為0.476~0.480，所述葉柵翼型B最大厚度點(diǎn)的厚度Clmax2與弦長(zhǎng)L2的比值為0.053~0.057，其最大厚度點(diǎn)到前緣的距離xd2與弦長(zhǎng)L2的比值為0.344~0.348，所述葉柵翼型B的最大翼型彎度f(wàn)max2與弦長(zhǎng)L2的比值為0.031~0.035，所述葉柵翼型B的最大翼型彎度點(diǎn)至前緣的距離Xf2與弦長(zhǎng)L2的比值為
0.527~0.531。
[0011]進(jìn)一步地，所述葉片位于輪緣側(cè)的葉柵翼型C弦長(zhǎng)L3與柵距t3的比值為葉柵稠密度C，其中，所述葉柵稠密度C為0.600.608，弦長(zhǎng)L3與轉(zhuǎn)輪室直徑Dl的比值為
0.635、.639，所述葉柵翼型C的最大厚度點(diǎn)的厚度Clmax3與弦長(zhǎng)L3的比值為0.028、.032，所述葉柵翼型C的最大厚度點(diǎn)到前緣的距離Xd3與弦長(zhǎng)L3的比值為0.499^0.503，所述葉柵翼型C最大翼型彎度f(wàn)max3與弦長(zhǎng)L3的比值為0.012、.016，所述葉柵翼型C的最大翼型彎度點(diǎn)至前緣的距離xf2與弦長(zhǎng)L2的比值為0.552、.556。
[0012]進(jìn)一步地，所述葉片上下兩端分別為進(jìn)水側(cè)4和出水側(cè)5，水流順著所述葉片的進(jìn)水側(cè)4流向出水側(cè)5。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
1.本發(fā)明的一種小水電軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在:T5m低水頭段，葉輪效率能夠達(dá)到95%，能夠用于低水頭大流量電站發(fā)電，也可供早期小水電增效擴(kuò)容改造使用。
[0014]2.輪轂比小，過(guò)流量大，輪轂?zāi)妇€可用一段圓弧擬合，易于制造，泄水錐和輪轂型線光滑連接，有效完成水流引導(dǎo)。
[0015]3.葉片輪轂側(cè)翼型和外緣翼型的進(jìn)、出口水流角和弦長(zhǎng)相差較大,翼型厚度小，低水頭時(shí)，做工能力好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，加工方便，經(jīng)濟(jì)成本低。
[0016]
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本發(fā)明的葉輪整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2和圖3是本發(fā)明的葉輪各部分尺寸示意圖。
[0019]圖4是本發(fā)明的轉(zhuǎn)輪葉片在輪轂側(cè)翼型分布及形狀示意圖。
[0020]圖5是本發(fā)明的轉(zhuǎn)輪葉片在直徑為0.BD1的圓柱層的翼型分布及形狀示意圖。
[0021]圖6是本發(fā)明的葉輪葉片在葉輪外緣處的翼型分布及形狀示意圖。
[0022]圖7是本發(fā)明的葉片立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]
【具體實(shí)施方式】
[0024] 為使本發(fā)明實(shí)施例的目的和技術(shù)方案更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于所描述的本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在無(wú)需創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0025]本【技術(shù)領(lǐng)域】技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語(yǔ)應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過(guò)于正式的含義來(lái)解釋。
[0026]本發(fā)明中所述的“和/或”的含義指的是各自單獨(dú)存在或兩者同時(shí)存在的情況均包括在內(nèi)。
[0027]本發(fā)明中所述的“內(nèi)、外”的含義指的是相對(duì)于設(shè)備本身而言，指向設(shè)備內(nèi)部的方向?yàn)閮?nèi)，反之為外。
[0028]本發(fā)明中所述的“左、右”的含義指的是閱讀者正對(duì)附圖時(shí)，閱讀者的左邊即為左，閱讀者的右邊即為右。
[0029]本發(fā)明中所述的“連接”的含義可以是部件之間的直接連接也可以是部件間通過(guò)其它部件的間接連接。
[0030]本發(fā)明所述的“前緣”是指葉柵翼型的前緣，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片是由不同翼型組成的，翼型前緣是本領(lǐng)域技術(shù)人員慣用的技術(shù)術(shù)語(yǔ)，本領(lǐng)域技術(shù)人員均能清楚知道其所表述的具體位置。
[0031 ] 本發(fā)明所述的“翼型彎度”是指翼型中線到翼弦的的高度。
[0032]如圖1所示，本發(fā)明的一種小水電軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，包括輪轂2、泄水錐3及3個(gè)安裝固定在輪轂上的葉片I。所述輪轂2為鼓型。如圖2和圖3所示，輪轂最大直徑為dh，轉(zhuǎn)輪室直徑為D1，輪轂上端直徑為dl，母線為圓弧形(可用一段圓弧擬合)，圓弧半徑為R1，輪轂高度為h2，葉片安裝位置中心高度為h4，葉片上下兩端分別為進(jìn)水側(cè)4和出水側(cè)5，水流順著葉片進(jìn)水側(cè)4流向出水側(cè)5，輪轂比dh/Dl為0.298~0.302，dl與Dl比值為
0.258~0.262，Rl與Dl的比值為0.658~0.662，h2與Dl的比值約為0.318~0.322，h4與h2的比值為0.555、.559。泄水錐光滑聯(lián)接在輪轂下方，上端直徑為d3，下端直徑為d2，泄水錐母線由不同半徑的兩端圓弧連接而成(可用兩段圓弧擬合)，圓弧半徑分別為R2、R3，高度為h3。d3與Dl的比值為0.258~0.262，d2與Dl的比值為0.048~0.052，R2與Dl的比值為
1.405~1.409，R3 與 Dl 的比值為 0.312~0.316，h3 與 h2 的比值為 0.857~0.861。
[0033]如圖3所示，葉片從輪轂側(cè)到輪緣由不等厚度、不等弦長(zhǎng)的翼型組成，如圖4所示，輪轂側(cè)葉柵翼型弦長(zhǎng)為L(zhǎng)I，柵距為tl，葉柵稠密度為0.931-0.935，LI與轉(zhuǎn)輪直徑Dl的比值為0.269^0.273，該翼型最大厚度dmaxl與其弦長(zhǎng)L1的比值約為0.113、.117，翼型最大厚度點(diǎn)到前緣的距離Xdl與其弦長(zhǎng)L1的比值約為0.447、.451，該翼型最大翼型彎度f(wàn)maxl與其弦長(zhǎng)L1的比值約為0.082、.086，翼型最大翼型彎度點(diǎn)至前緣的距離Xfl與其弦長(zhǎng)L1的比值約為0.620~0.624。
[0034]如圖5所示，葉片由輪轂側(cè)到輪緣的中間層翼型，即直徑為0.6倍葉輪直徑D1的圓柱層葉柵翼型，弦長(zhǎng)為L(zhǎng)2，柵距為t2，葉柵稠密度為0.711-0.716，L2與轉(zhuǎn)輪直徑Dl的比值為0.476、.480，該翼型最大厚度dmax2與其弦長(zhǎng)L2的比值約為0.053、.057，翼型最大厚度點(diǎn)到前緣的距離Xd2與其弦長(zhǎng)L2的比值約為0.344^0.348，該翼型最大翼型彎度f(wàn)max2與其弦長(zhǎng)L2的比值約為0.031~0.035，翼型最大翼型彎度點(diǎn)至前緣的距離Xf2與其弦長(zhǎng)L2的比值約為0.527~0.531。直徑為0.6倍轉(zhuǎn)輪室直徑Dl的圓柱層指的是該圓柱層的直徑是0.6D1，圓柱層的中心軸與轉(zhuǎn)輪的中心軸重合，即該圓柱層的半徑為0.3D1，位于轉(zhuǎn)輪室內(nèi)。即直徑為0.6倍葉輪直徑D1的圓柱層的位置即為距離轉(zhuǎn)輪的中心軸0.3D1的位置。
[0035]如圖6所示，輪緣側(cè)葉柵翼型弦長(zhǎng)為L(zhǎng)3，柵距為t3，葉柵稠密度為0.604^0.608，L3與轉(zhuǎn)輪直徑Dl的比值為0.635、.639，該翼型最大厚度dmax3與其弦長(zhǎng)L3的比值約為
0.028~0.032，翼型最大厚度點(diǎn)到前緣的距離Xd3與其弦長(zhǎng)L3的比值約為0.499~0.503，該翼型最大翼型彎度f(wàn)max3與其弦長(zhǎng)L3的比值約為0.012、.016，翼型最大翼型彎度點(diǎn)至前緣的距離xf2與其弦長(zhǎng)L2的比值約為0.552~0.556。
[0036]以下是幾個(gè)具體算例:
例1，設(shè)葉輪直徑D1為1.2m，工作水頭為3m，轉(zhuǎn)輪額定轉(zhuǎn)速為260r/min，機(jī)組實(shí)測(cè)流量
5.464m3/s，軸功率 136.8kff,葉輪效率 94.56%。
[0037]例2，設(shè)葉輪直徑D1為1.2m,工作水頭為4m，轉(zhuǎn)輪額定轉(zhuǎn)速為300r/min，機(jī)組實(shí)測(cè)流量6.307m3/s，軸功率210.4kff,葉輪效率94.68%。[0038]例3，設(shè)葉輪直徑D1為1.2m,工作水頭為4m，轉(zhuǎn)輪額定轉(zhuǎn)速為335r/min，機(jī)組實(shí)測(cè)流量7.048m3/s，軸功率300.8kff,葉輪效率95.60%。
[0039]例4，設(shè)葉輪直徑D1為1.6m,工作水頭為3m，轉(zhuǎn)輪額定轉(zhuǎn)速為203r/min，機(jī)組實(shí)測(cè)流量9.904m3/s，軸功率235.6kff,葉輪效率92.27%。
[0040]例5，設(shè)葉輪直徑D1為2m，工作水頭為3m，轉(zhuǎn)輪額定轉(zhuǎn)速為162r/min，機(jī)組實(shí)測(cè)流量 15.281m3/s，軸功率 367.9kff,葉輪效率 93.31%。
[0041]以上僅為本發(fā)明的實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種小水電軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，包括輪轂、泄水錐和3片安裝固定在所述輪轂上的葉片，其特征在于， 所述輪轂最大直徑為dh，其上端直徑為dl，其高度為h2，其母線為半徑為Rl的圓弧，所述轉(zhuǎn)輪所在的轉(zhuǎn)輪室直徑為D1，所述葉片在所述輪轂上的安裝位置的中心的高度為h4，其中，dh與Dl的比值為0.298~0.302，dl與Dl比值為0.258~0.262，Rl與Dl的比值為0.658~0.662，h2 與 Dl 的比值為 0.318~0.322，h4 與 h2 的比值為 0.555~0.559 ； 所述泄水錐連接在所述輪轂的下方，所述輪轂和泄水錐的邊緣光滑過(guò)渡，所述泄水錐的上端直徑為d3，其下端直徑為d2，高度為h3，其母線由不同半徑的兩段圓弧連接而成，圓弧半徑自上而下分別為R2和R3，其中，d3與Dl的比值為0.258~0.262，d2與Dl的比值為0.048~0.052，R2與Dl的比值為1.405~1.409，R3與Dl的比值為0.312~0.316，h3與h2的比值為0.857~0.861。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小水電軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，其特征在于，所述葉片位于輪轂側(cè)的葉柵翼型A弦長(zhǎng)LI與柵距tl的比值為葉柵稠密度A，其中，所述葉柵稠密度A為0.931~0.935，所述葉柵翼型A弦長(zhǎng)LI與轉(zhuǎn)輪室直徑Dl的比值為0.269~0.273，所述葉柵翼型A最大厚度點(diǎn)的厚度dmaxl與弦長(zhǎng)L1的比值為0.113、.117，其最大厚度點(diǎn)到前緣的距離Xdl與弦長(zhǎng)L1的比值為0.447、.451，所述葉柵翼型A的最大翼型彎度f(wàn)maxl與弦長(zhǎng)L1的比值為0.082、.086，所述葉柵翼型A的最大翼型彎度點(diǎn)至前緣的距離Xfl與弦長(zhǎng)L1的比值為 0.620~0.624。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小水電軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，其特征在于，所述葉片由輪轂側(cè)到輪緣的中間層翼型，即位于直徑為0.6倍轉(zhuǎn)輪室直徑D1的圓柱層的葉柵翼型B，弦長(zhǎng)L2與柵距t2的比值為 葉柵稠密度B，所述葉柵稠密度B為0.711~0.716，弦長(zhǎng)L2與轉(zhuǎn)輪室直徑Dl的比值為0.476、.480，所述葉柵翼型B最大厚度點(diǎn)的厚度dmax2與弦長(zhǎng)L2的比值為0.053、.057，其最大厚度點(diǎn)到前緣的距離Xd2與弦長(zhǎng)L2的比值為0.344、.348，所述葉柵翼型B的最大翼型彎度f(wàn)max2與弦長(zhǎng)L2的比值為0.031~0.035，所述葉柵翼型B的最大翼型彎度點(diǎn)至前緣的距離xf2與弦長(zhǎng)L2的比值為0.527~0.531。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小水電軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，其特征在于，所述葉片位于輪緣側(cè)的葉柵翼型C弦長(zhǎng)L3與柵距t3的比值為葉柵稠密度C，其中，所述葉柵稠密度C為0.600.608，弦長(zhǎng)L3與轉(zhuǎn)輪室直徑Dl的比值為0.635、.639，所述葉柵翼型C的最大厚度點(diǎn)的厚度dmax3與弦長(zhǎng)L3的比值為0.028、.032，所述葉柵翼型C的最大厚度點(diǎn)到前緣的距離xd3與弦長(zhǎng)L3的比值為0.499^0.503，所述葉柵翼型C最大翼型彎度f(wàn)max3與弦長(zhǎng)L3的比值為0.012、.016，所述葉柵翼型C的最大翼型彎度點(diǎn)至前緣的距離Xf2與弦長(zhǎng)L2的比值為 0.552~0.556。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3中所述的一種小水電軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，其特征在于，所述葉片上下兩端分別為進(jìn)水側(cè)4和出水側(cè)5，水流順著所述葉片的進(jìn)水側(cè)4流向出水側(cè)5。
【文檔編號(hào)】F03B3/12GK103912435SQ201410118293
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月27日
【發(fā)明者】周大慶, 王惠芝, 鐘淋涓, 鄭源, 屈波, 楊坤 申請(qǐng)人:河海大學(xué)