本發(fā)明涉及水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及水生態(tài)交叉技術(shù)領(lǐng)域，具體地指一種親魚型軸流式水輪機(jī)。

背景技術(shù)：

為緩解大壩對(duì)洄游魚類的阻隔效應(yīng)，保護(hù)魚類生物的多樣性，大型水利工程在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工及其運(yùn)行過(guò)程中均采取了相應(yīng)的補(bǔ)償措施。比如，美國(guó)哥倫比亞河流域的邦納維爾、約翰代等10多座水電站新建的魚道，成功地解決了鮭科魚類通過(guò)20～34m較高水頭樞紐的洄游問(wèn)題。我國(guó)于1960年建成了第一座魚道，至20世紀(jì)末已建成有30余座。同時(shí)建設(shè)仿自然魚道、升魚機(jī)和魚閘等，幫助洄游魚類上行過(guò)壩。對(duì)于幫助魚類下行過(guò)壩的措施，國(guó)內(nèi)外通常采用表面魚道、溢流壩、旁通魚道等幫助魚類下行過(guò)壩，同時(shí)在水輪機(jī)進(jìn)口前端設(shè)置物理阻隔設(shè)施及行為阻隔設(shè)施以防止魚體進(jìn)入水輪機(jī)流道。

上述措施雖然具有一定的成效，但是建設(shè)費(fèi)用高、效率低，而且仍然會(huì)有大量的魚通過(guò)水輪機(jī)時(shí)受到傷害，達(dá)不到預(yù)期的效果，同時(shí)還會(huì)造成水流能量的消耗。水輪機(jī)流道作為大壩最經(jīng)濟(jì)的泄水通道不但保持大壩上下游水體的連續(xù)性又帶來(lái)了巨大的發(fā)電效益，然而由于傳統(tǒng)水輪機(jī)流道及其水力特性的復(fù)雜性，魚類借助水輪機(jī)流道下行過(guò)壩將遭受機(jī)械、壓力、剪切、空蝕等多重?fù)p傷，導(dǎo)致水輪機(jī)流道過(guò)魚效率較低。為提高水輪機(jī)流道過(guò)魚效率，減小魚體通過(guò)水輪機(jī)下行的損傷概率，有必要在保證水輪機(jī)發(fā)電效益的同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)水輪機(jī)流道結(jié)構(gòu)及水力特性進(jìn)行優(yōu)化，提高水利工程生態(tài)效益，實(shí)現(xiàn)水電能源與魚類資源的協(xié)調(diào)發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種親魚型軸流式水輪機(jī)，對(duì)傳統(tǒng)軸流式水輪機(jī)易對(duì)魚體造成擠壓或剪切力傷害的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和易對(duì)魚體造成機(jī)械、壓力、剪切、空蝕等多重?fù)p傷的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高水利工程生態(tài)效益，實(shí)現(xiàn)水電能源與魚類資源的協(xié)調(diào)發(fā)展。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題，所采用的技術(shù)方案是：一種親魚型軸流式水輪機(jī)，包括蝸殼、親魚型導(dǎo)水系統(tǒng)、親魚型轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)和尾水管；

所述親魚型導(dǎo)水系統(tǒng)包括與蝸殼內(nèi)緣出水口連接的承壓外殼、與承壓外殼相嵌套的翼型導(dǎo)流板、及控制翼型導(dǎo)流板轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；

所述親魚型轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)包括螺旋葉片及與螺旋葉片無(wú)縫隙連接的輪轂。

優(yōu)選地，所述翼型導(dǎo)流板的數(shù)量為多個(gè)，且沿著蝸殼內(nèi)緣出水口環(huán)向均勻布置。

優(yōu)選地，所述翼型導(dǎo)流板的數(shù)量為8-24個(gè)。

優(yōu)選地，所述翼型導(dǎo)流板的數(shù)量為12個(gè)。

優(yōu)選地，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括傳動(dòng)軸，所述傳動(dòng)軸輸出端與翼型導(dǎo)流板的輸入端固定連接，所述傳動(dòng)軸下端設(shè)于底環(huán)上，上端與接力器連接。

優(yōu)選地，所述承壓外殼為弧形柱狀結(jié)構(gòu)，其開口面為弧面且包絡(luò)翼型導(dǎo)流板的轉(zhuǎn)軸區(qū)域。

優(yōu)選地，所述蝸殼內(nèi)緣出水口下側(cè)與上側(cè)分別與底環(huán)和頂環(huán)焊接，所述承壓外殼安裝于底環(huán)和頂環(huán)之間并且環(huán)向均勻布置。

優(yōu)選地，所述輪轂為上寬下窄的圓臺(tái)形結(jié)構(gòu)，所述螺旋葉片為空間螺旋結(jié)構(gòu)，由上至下沿著輪轂表面環(huán)繞。

優(yōu)選地，所述螺旋葉片的葉片進(jìn)口安放角度為49-69°，其中葉片進(jìn)口安放角度指葉片進(jìn)口端的葉片骨線與水平線的夾角。

優(yōu)選地，所述螺旋葉片的數(shù)量為三個(gè)，每個(gè)螺旋葉片的葉片進(jìn)口安放角度為54°。

本發(fā)明的有益效果：

1、對(duì)傳統(tǒng)軸流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，消除傳統(tǒng)軸流式水輪機(jī)槳葉與輪轂間隙，改變轉(zhuǎn)輪葉片結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)化轉(zhuǎn)輪葉片壓力分布狀態(tài)，減小了過(guò)機(jī)魚體在轉(zhuǎn)輪區(qū)域遭受的機(jī)械、壓力、剪切、空蝕等多重?fù)p傷。

2、改進(jìn)傳統(tǒng)軸流式水輪機(jī)的座環(huán)及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，消除傳統(tǒng)水輪機(jī)座環(huán)與活動(dòng)導(dǎo)葉間隙對(duì)過(guò)機(jī)魚體的擠壓及摩擦。

3、優(yōu)化傳統(tǒng)軸流式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，采用既能支撐蝸殼內(nèi)緣又能控制水輪機(jī)流量的親魚型導(dǎo)水系統(tǒng)，消除原結(jié)構(gòu)中固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉間間隙對(duì)過(guò)機(jī)魚體造成的機(jī)械、剪切損傷，同時(shí)優(yōu)化了蝸殼進(jìn)水室壓力分布狀態(tài)。

4、過(guò)機(jī)魚體順具有一定曲率的導(dǎo)流板流向進(jìn)入具有相近傾斜角度螺旋式轉(zhuǎn)輪葉片，并順螺旋葉片“滑”下去，減小過(guò)機(jī)魚體遭受撞擊、剪切力、壓力、空蝕損傷等傷害。

5、減小轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁與葉片邊緣間隙，消除了通常出現(xiàn)在葉片外緣附近的低壓渦流阻力，減少對(duì)過(guò)機(jī)魚體的傷害。

6、螺旋葉片與輪轂為無(wú)縫隙連接，減小水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生紊流和氣泡等不利水力條件的概率。

7、使得水輪機(jī)在滿足發(fā)電效率的同時(shí)成為魚體下行過(guò)壩的過(guò)魚設(shè)施，既滿足了傳統(tǒng)水利水電的工程要求，又能滿足現(xiàn)如今水生態(tài)水利設(shè)施過(guò)魚要求。實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)水輪機(jī)組向“環(huán)境友好型”、“資源節(jié)約型”方向發(fā)展的革新。

8、嵌套導(dǎo)水系統(tǒng)及親魚型轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相較于傳統(tǒng)固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉，尤其是軸流轉(zhuǎn)槳式葉片的設(shè)計(jì)具有施工操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行后維護(hù)方便、技術(shù)實(shí)現(xiàn)更輕松等優(yōu)點(diǎn)。

9、親魚型的轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)為過(guò)機(jī)魚體創(chuàng)造出順?biāo)鞣较颉奥菪禄钡捻槙惩ǖ?，從而?shí)現(xiàn)幫助魚類通過(guò)水輪機(jī)流道安全下行過(guò)壩的目的。

附圖說(shuō)明

圖1為一種親魚型軸流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中親魚型導(dǎo)水系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2中翼型導(dǎo)流板及承壓外殼在底環(huán)上的布置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圖3中翼型導(dǎo)流板與承壓外殼之間的安裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為圖4中承壓外殼的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為承壓外殼與底環(huán)和頂環(huán)之間的安裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為親魚型轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為翼型導(dǎo)流板個(gè)數(shù)為8個(gè)時(shí)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)壓力云圖和轉(zhuǎn)輪體壓力云圖；

圖9為翼型導(dǎo)流板個(gè)數(shù)為12個(gè)時(shí)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)壓力云圖和轉(zhuǎn)輪體壓力云圖；

圖10為翼型導(dǎo)流板個(gè)數(shù)為18個(gè)時(shí)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)壓力云圖和轉(zhuǎn)輪體壓力云圖；

圖11為翼型導(dǎo)流板個(gè)數(shù)為24個(gè)時(shí)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)壓力云圖和轉(zhuǎn)輪體壓力云圖；

圖12為葉片進(jìn)口安放角度為69°和68°時(shí)的轉(zhuǎn)輪體壓力云圖；

圖13為葉片進(jìn)口安放角度為64°和59°時(shí)的轉(zhuǎn)輪體壓力云圖；

圖14為葉片進(jìn)口安放角度為54°和49°時(shí)的轉(zhuǎn)輪體壓力云圖；

圖中，蝸殼1、親魚型導(dǎo)水系統(tǒng)2、承壓外殼2.1、翼型導(dǎo)流板2.2、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2.3、傳動(dòng)軸2.3.1、底環(huán)2.4、頂環(huán)2.5、親魚型轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)3、螺旋葉片3.1、輪轂3.2、尾水管4。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

如圖1至7所示，一種親魚型軸流式水輪機(jī)，包括蝸殼1、親魚型導(dǎo)水系統(tǒng)2、親魚型轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)3和尾水管4；

所述親魚型導(dǎo)水系統(tǒng)2包括與蝸殼1內(nèi)緣出水口連接的承壓外殼2.1、與承壓外殼2.1相嵌套的翼型導(dǎo)流板2.2、及控制翼型導(dǎo)流板2.2轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2.3；

所述親魚型轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)3包括螺旋葉片3.1及與螺旋葉片3.1無(wú)縫隙連接的輪轂3.2。

優(yōu)選地，所述翼型導(dǎo)流板2.2的數(shù)量為多個(gè)，且沿著蝸殼1內(nèi)緣出水口環(huán)向均勻布置。

優(yōu)選地，所述翼型導(dǎo)流板2.2的數(shù)量為8-24個(gè)。翼型導(dǎo)流板2.2的數(shù)量選擇過(guò)程見下述試驗(yàn)表格及圖。

優(yōu)選地，所述翼型導(dǎo)流板2.2的數(shù)量為12個(gè)。

優(yōu)選地，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2.3包括傳動(dòng)軸2.3.1，所述傳動(dòng)軸2.3.1輸出端與翼型導(dǎo)流板2.2的輸入端固定連接，所述傳動(dòng)軸2.3.1下端設(shè)于底環(huán)2.4上，上端與接力器連接。優(yōu)選地，傳動(dòng)軸2.3.1下端與底環(huán)2.4鉸接連接，翼型導(dǎo)流板2.2端部和傳動(dòng)軸2.3.1固定，這樣翼型導(dǎo)流板2.2可以隨傳動(dòng)軸2.3.1轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)軸2.3.1轉(zhuǎn)動(dòng)角度由安放于水輪機(jī)頂蓋上的拐臂、控制環(huán)及接力器控制，完成根據(jù)水輪機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)水輪機(jī)流量的作用，這是一個(gè)反饋調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)輸出的功率的大小指導(dǎo)接力器去控制傳動(dòng)軸2.3.1進(jìn)而改變翼型導(dǎo)流板2.2的開度，發(fā)電機(jī)如果需要輸出功率變小，則通過(guò)這套操作使得翼型導(dǎo)流板2.2開度減小，從而減小進(jìn)入轉(zhuǎn)輪室的流量，反之，亦然。

優(yōu)選地，所述承壓外殼2.1為弧形柱狀結(jié)構(gòu)，其開口面為弧面且包絡(luò)翼型導(dǎo)流板2.2的轉(zhuǎn)軸區(qū)域。優(yōu)選地，本實(shí)施例中承壓外殼2.1端面為150°開口扇形，起到支撐蝸殼1內(nèi)緣和傳遞軸向荷載作用。另外由于承壓外殼2.1包絡(luò)翼型導(dǎo)流板2.2的轉(zhuǎn)軸區(qū)域，因此可以避免水流從蝸殼1內(nèi)緣出水口出來(lái)后直接沖擊翼型導(dǎo)流板2.2的轉(zhuǎn)軸區(qū)域，導(dǎo)致傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2.3發(fā)生故障，同時(shí)承壓外殼2.1也可以幫助翼型導(dǎo)流板2.2和傳動(dòng)軸2.3.1承受來(lái)自蝸殼1內(nèi)緣的軸向擠壓。

優(yōu)選地，所述蝸殼1內(nèi)緣出水口下側(cè)與上側(cè)分別與底環(huán)2.4和頂環(huán)2.5焊接，所述承壓外殼2.1安裝于底環(huán)2.4和頂環(huán)2.5之間并且環(huán)向均勻布置。這樣設(shè)計(jì)后，承壓外殼2.1支撐底環(huán)2.4和頂環(huán)2.5，而蝸殼1內(nèi)緣出水口下側(cè)與上側(cè)分別與底環(huán)2.4和頂環(huán)2.5焊接，因此也就間接地支撐了蝸殼1內(nèi)緣。

優(yōu)選地，所述輪轂3.2為上寬下窄的圓臺(tái)形結(jié)構(gòu)，所述螺旋葉片3.1為空間螺旋結(jié)構(gòu)，由上至下沿著輪轂3.2表面環(huán)繞。輪轂3.2設(shè)計(jì)采用圓臺(tái)體進(jìn)行結(jié)構(gòu)改良，相較于傳統(tǒng)輪轂3.2，其目的在于牽引蝸殼輻向水流順暢通過(guò)轉(zhuǎn)輪室，降低轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部因產(chǎn)生較大空蝕負(fù)壓對(duì)過(guò)機(jī)魚體造成致命損傷的可能。

優(yōu)選地，所述螺旋葉片3.1的葉片進(jìn)口安放角度為49-69°，其中葉片進(jìn)口安放角度指葉片進(jìn)口端的葉片骨線與水平線的夾角。葉片進(jìn)口安放角度的選擇過(guò)程見下述試驗(yàn)表格及圖。

優(yōu)選地，所述螺旋葉片3.1的數(shù)量為三個(gè)，每個(gè)螺旋葉片3.1的葉片進(jìn)口安放角度為54°。因?yàn)槿~片數(shù)量和葉片大小是成反比的，葉片數(shù)量越多，單片葉片的表面積相應(yīng)越小，三個(gè)螺旋葉片3.1在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)創(chuàng)造出3條可供魚“下滑”通過(guò)的“滑梯”通道。

優(yōu)選地，螺旋葉片3.1旋轉(zhuǎn)周數(shù)為輪轂3.2頂部端面圓周的3/5。螺旋葉片3.1葉片外緣處與轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁間隙為葉片寬度的1/10，目的在于減小過(guò)機(jī)魚體受結(jié)構(gòu)間隙造成的剪切力及壓力梯度變化等帶來(lái)的損傷。另外，為保證水輪機(jī)流道流速、壓力的平穩(wěn)過(guò)度，減小過(guò)機(jī)魚體受到的傷害，翼型導(dǎo)流板2.2曲率應(yīng)保證與螺旋葉片3.1曲率相同。

本實(shí)施例工作原理如下：

親魚型導(dǎo)水系統(tǒng)中的承壓外殼2.1實(shí)現(xiàn)了支撐蝸殼1內(nèi)緣，傳遞軸向荷載的作用；翼型導(dǎo)流板2.2則發(fā)揮引導(dǎo)水流、調(diào)節(jié)水輪機(jī)流量等功能。兩者的結(jié)合又消除了結(jié)構(gòu)間隙給過(guò)機(jī)魚體帶來(lái)的機(jī)械、壓力梯度、渦流空蝕等損傷。而親魚型轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)獨(dú)有的螺旋葉片3.1實(shí)現(xiàn)了魚體沿螺旋“滑梯”通過(guò)轉(zhuǎn)輪室時(shí)可以低碰撞，小阻力，低剪切，更安全。通過(guò)親魚型導(dǎo)水系統(tǒng)與親魚型轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的配合運(yùn)行，既保證了水輪機(jī)組的高效有序運(yùn)行，又實(shí)現(xiàn)了魚體高效安全過(guò)壩的水生態(tài)保護(hù)的目的。

有研究表明幼魚通過(guò)傳統(tǒng)水輪機(jī)下行時(shí)，水輪機(jī)座環(huán)與導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)是造成過(guò)機(jī)魚體受到切割、擠壓等機(jī)械傷害及剪切應(yīng)力損傷的主要部位，為此，本“親魚型”水輪機(jī)對(duì)傳統(tǒng)水輪機(jī)座環(huán)及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為避免過(guò)機(jī)魚體受座環(huán)與活動(dòng)導(dǎo)葉間隙的切割和擠壓，本“親魚型”水輪機(jī)去除傳統(tǒng)水輪機(jī)座環(huán)結(jié)構(gòu)，僅設(shè)置可以控制流量的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，且優(yōu)化活動(dòng)導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)，采用導(dǎo)流板及傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)水輪機(jī)座環(huán)和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的作用。為確定導(dǎo)流板的最優(yōu)數(shù)目以使水輪機(jī)流道獲得利于魚類下行的水動(dòng)力環(huán)境，本設(shè)計(jì)對(duì)翼型導(dǎo)流板個(gè)數(shù)分別為8個(gè)、12個(gè)、18個(gè)、24個(gè)時(shí)水輪機(jī)流道進(jìn)行水動(dòng)力數(shù)值模擬，針對(duì)水輪機(jī)流道水動(dòng)力特性對(duì)過(guò)機(jī)魚體的影響可知，過(guò)大的壓力梯度及流道內(nèi)過(guò)大的負(fù)壓是造成魚體損傷的機(jī)理之一，以此為數(shù)值模擬優(yōu)化目標(biāo)得出“親魚型”水輪機(jī)翼型導(dǎo)流板數(shù)目為12個(gè)時(shí)其轉(zhuǎn)輪區(qū)域壓力梯度最小，轉(zhuǎn)輪的螺旋葉片上壓力分布情況見下表。另外，本試驗(yàn)不同翼型導(dǎo)流板個(gè)數(shù)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)壓力云圖和轉(zhuǎn)輪體壓力云圖見圖8、9、10、11。

傳統(tǒng)軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪槳葉及槳葉與輪轂的間隙是造成魚體在轉(zhuǎn)輪室受撞擊及摩擦損傷的主要原因，同時(shí)轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口急劇的壓力突降和轉(zhuǎn)輪出口的負(fù)壓是致使魚體遭受壓力損傷關(guān)鍵因子。為減小過(guò)機(jī)魚體通過(guò)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪區(qū)域遭受的機(jī)械損傷及壓力損傷，“親魚型”水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪采用螺旋形轉(zhuǎn)輪葉片無(wú)縫連接輪轂，同時(shí)葉片傾斜角度與其上導(dǎo)流板曲率一致，以減小過(guò)機(jī)魚體遭受槳葉撞擊及槳葉與輪轂間隙摩擦損傷，讓魚體順葉片螺旋而下。為優(yōu)化轉(zhuǎn)輪的螺旋葉片的數(shù)目及傾斜角度，本設(shè)計(jì)采用數(shù)值模擬方法對(duì)6種不同螺旋葉片安放角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果得出螺旋葉片進(jìn)口安放角為54°時(shí)葉片壓力梯度最小，壓力分布均勻，負(fù)壓值最小，同時(shí)水輪機(jī)工作力矩最大即水輪機(jī)獲得最大出力。其各種葉片布置形式下壓力分布情況見下表。另外，本試驗(yàn)中不同葉片進(jìn)口安放角度的轉(zhuǎn)輪體壓力云圖見圖12、13、14。

上述的實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，而不應(yīng)視為對(duì)于本發(fā)明的限制，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征在不沖突的情況下，可以相互任意組合。本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求記載的技術(shù)方案，包括權(quán)利要求記載的技術(shù)方案中技術(shù)特征的等同替換方案為保護(hù)范圍。即在此范圍內(nèi)的等同替換改進(jìn)，也在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。