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CN102369352A - 水电式涡轮机喷嘴和它们的关系 - Google Patents

水电式涡轮机喷嘴和它们的关系 Download PDF

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CN102369352A CN201080023417XA CN201080023417A CN102369352A CN 102369352 A CN102369352 A CN 102369352A CN 201080023417X A CN201080023417X A CN 201080023417XA CN 201080023417 A CN201080023417 A CN 201080023417A CN 102369352 A CN102369352 A CN 102369352A
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water power
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阿夫纳·法卡什
迦底·哈尔利
乔·范茨沃仁
肯·科尔曼
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Leviathan Energy Hydroelectric Ltd
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Abstract

在受限制的空间内的水电式涡轮机在很大程度上依赖于喷嘴和涉及喷嘴与相关的涡轮机组件的关系，以便获得对于较宽范围的流体条件的最大效率。

Description

水电式涡轮机喷嘴和它们的关系
技术领域
技术领域与背景技术
本发明涉及在受限制的空间内的水电式涡轮机的喷嘴部件。从这样的涡轮机中获得最大效率的问题是一个难题，它已经被忽视，因为来自排放到空气的开放系统的水电式电能的集中。在这样的系统中，喷嘴的选择是非常简单的。在受限制的空间和封闭的系统中，具有将水经过水来喷射的问题，以及产生来自水或其它流体的背压的问题。因此，不同的喷嘴尺寸和装置具有按比例的对在受限制空间的效率的更大影响。
发明内容
本发明成功地通过提供一组喷嘴和特别对于管内涡轮机的关系来克服目前已知的构造的缺陷。
本发明首次揭示了一种制造用于水电式涡轮机的喷嘴的方法，包括以下步骤：
a. 提供基于至少以下输入数据的计算机流体动力学（CFD）模拟：喷嘴形状、喷嘴尺寸、喷嘴位置、叶片和涡轮机的形状和尺寸、流体的流速、叶片的每分钟转速，以及管的尺寸；
b. 提供根据步骤a的结果构建的系统。
本发明首次揭示了一种在管内的水电式涡轮机，包括：喷嘴，带有至少一个导向翼片形状的弯曲部分。
在一个实施例中，所述系统还包括：杯状叶片。
在一个实施例中，所述系统还包括：推进器叶片。
本发明首次揭示了一种在管内的水电式轴涡轮机，包括喷嘴。
根据另一个实施例，所述喷嘴的尺寸是所述管的横截面面积的45-55%。
本发明首次揭示了一种在管内的水电式涡轮机，包括：
a．喷嘴，其横截面直径是所述管的横截面直径的45-55%。
在一个实施例中，所述系统还包括：
b．叶片系统，在叶片的尾端是小于所述管的横截面直径的55%。
本发明首次揭示了一种在管内的水电式涡轮机，包括：
a. 杯状的叶片；
b.直径尺寸为100 mm的管；
c. 尺寸为所述管的横截面面积的40-60%的喷嘴；
d. 所述涡轮机的的每分钟转速为90-150；
e. 输入压力为5巴或更低。
根据另一个实施例，对于其他情形的比例关系如下：对于所述管尺寸的每个双倍设计，所述每分钟转速是上述比例的一半，而对于所述管尺寸的每减半设计，所述每分钟转速是上述比例的双倍。
本发明首次揭示了一种在管内的水电式涡轮机，包括：
a. 喷嘴，尺寸为所述管的横截面面积的45-55%；
b. 高度流线型的叶片形状。
高度流线型的叶片具有从中心点到侧面的角度，该角度小于从前点起的中心线或曲线的45度。
本发明首次揭示了一种在管内的水电式涡轮机，包括：
a. 喷嘴，其直径为每50毫米有15个杯的比率，该比率有正负3个杯的范围。
根据另一个实施例，所述比率有正负6个杯的范围。
本发明首次揭示了一种在管内的水电式涡轮机，包括喷嘴和子喷嘴。
本发明首次揭示了一种在管内的水电式涡轮机，包括：
a. 弯曲的和锥形末端的结构，该结构支持住喷嘴，并面向所述涡轮机；
b. 叶片，其横截面面积是小于所述管的横截面面积的50%。
本发明首次揭示了一种在管内的水电式涡轮机，包括：
a. 定位中心的喷嘴；
b. 偏离中心的涡轮机，带有的叶片的横截面面积是小于所述管的横截面面积的50%。
根据另一个实施例，所述涡轮机的不使用的偏离中心的部分是被隔开的。
本发明首次揭示了一种在管内的水电式涡轮机，其特征在于：喷嘴的方向性是与叶片的尾缘的横截面的方向相关联的，两者的方向之间的角度是大于45度。
根据另一个实施例，所述方向之间的角度是大于60度。
本发明首次揭示了一种在管内的水电式涡轮机系统，包括：
a. 喷嘴；
b. 围绕在所述喷嘴后面的区域的偏转；在所述喷嘴导致流体变慢之前，从所述管的一个位置发生所述偏转。
本发明首次揭示了一种喷嘴置换系统，包括：
a. 在管内的水电式涡轮机；
b. 喷嘴；
c. 在壳体上的一个上游位置的插销，用于打开和关闭所述壳体，并插入和去除所述喷嘴；
d. 用于将所述喷嘴锁紧到所述涡轮机以及将所述喷嘴从所述涡轮机上移除的装置。
本发明首次揭示了一种置换不同特征的喷嘴的方法，根据管内涡轮机的不同流量和压力输入数据来置换喷嘴。
本发明首次揭示了一种提供精确降低压力精确降低的方法，在管内涡轮机通过进入微处理器的至少以下输入数据之前和之后：喷嘴尺寸、喷嘴形状、喷嘴方向、喷嘴结构的形状、进入压力、出去压力、管的角度、管的尺寸、头的量、流速、流体的密度、发电机的每分钟转速、在叶片上的杯的数量、叶片的类型。
附图说明
    本发明在这里将仅通过实施例以及参照附图的方式进行描述，在这些附图中：
图1是喷嘴和叶片的一种CFD模拟的示意图。
图2是带有不规则喷嘴的一种CFD模拟的示意图。
图3是喷嘴定位的一种变化的示意图。
图4是带有导向翼片的喷嘴的示意图。
图5是带有偏离中心的涡轮机圆周的定位中心的喷嘴的示意图。
图6是用于轴涡轮机的喷嘴的示意图。
图7是一种喷嘴置换系统的示意图。
具体实施方式
本发明通过喷嘴的几何构型和在喷嘴与其他涡轮机组件之间的关系来解决在水电式涡轮机中增加效率的问题，特别是关注在诸如管内等受限制的空间内的涡轮机效率提升的问题。
定义：任何物质，例如水、油或气体都可被视为流体。
根据本发明所述的水电式喷嘴的原理和操作将参考附图和相关的说明而得以更清楚的理解。
现在参考附图，图1显示了在管（1）内的水通过喷嘴（2）进入涡轮机的一种计算机化流体动力学（CFD）模拟。由所述喷嘴的效应产生的最高速的区域（3）是快速消耗为在所述叶片或杯（4）的区域内的较低速的流。这个图表示将水电式涡轮机处理不同环境的特殊挑战，在该涡轮机中，水经由水喷射到叶片上。不够量的水会快速损失它的能量，但受限制的流动是必须的，以增加流体撞击叶片的速度。
当采用类似水戽式涡轮机的装置的杯吸收来自喷嘴的流时，正如在图1所示，一个微小的喷嘴，正如在传统水电式的经由空气喷射水的喷嘴，不需要能量来将水快速输送到杯，而较大的喷嘴则需要。因此，较大的喷嘴是必需的。
我们的模拟显示，对于100 mm直径的管，50 mm直径的喷嘴是基本上最好的比例，特别是在低压环境下，例如低于5个大气压的环境下，这样的喷嘴是与管相关联的，当管的直径变化5、10 mm时，喷嘴的直径也变化15 mm，对于较大的管尺寸，这些量的比例（喷嘴直径是管直径的50%、 45-55%、40-60%和 35-65%）表示了一种创新的关系。
我们已经进行了大量的不同喷嘴和输入条件的模拟实验。对于100 mm的管直径，与90-150 rpm 转速相关联，观察到更高效率，而最大功率输出是与杯形叶片以及低压输出相关联。此外，当杯的横截面是管尺寸的约50%时，性能最好。因此，叶片的横截面面积是管的横截面面积的45-55% 和 40-60%的范围，相关联的喷嘴直径是管直径的约50%，是创新的概念，特别是在封闭的系统内。在其他实施例中，与诸如锥形或高度流线型等形状相关联的特定的叶片形状是特别有用的。这些图是适用于低压差，直至约5个大气压。
在大多数流体模拟中，叶片数量与喷嘴直径（mm）的理想比率是15个叶片/50 mm，正负3个叶片的范围，更广的范围是正负6个叶片，相关联的喷嘴是管的直径的约50%。
图2是另一种CFD模拟的示意图，显示了一个具有高速区域（6）的不规则喷嘴（5），该喷嘴是比图1所示的对称的喷嘴更小的。
图3显示了一些方法和装置，以减少从流体经过流体喷射中的能量损失，在本实施例中，该流体是水。一条管（9）将水运送进入涡轮机。一个概念是使所述喷嘴变得尽可能接近于所述叶片，以最好的矢量方式。该结构的一个弯曲的下游端支持所述喷嘴，正如在（10）中，使能够靠近喷射的并列。所述喷嘴也可从不同形状的结构来支持；重要的部分是该喷嘴自身的位置。这使得诸如（12）等传统的喷嘴装置变得更接近。这也可能使喷射撞击叶片的角度在超过45度的角度，甚至超过60度，通过将该喷嘴的位置与叶片的方向画在坐标上来确定角度。这导致沿着更直接的矢量的力，正如在（11）和（13）。 
为了获得在安装管内涡轮机之前和之后的压力的精确降低，以下因素是相关的：喷嘴尺寸、喷嘴形状、喷嘴结构的形状、内压、外压、管的角度、管的尺寸、头部的量、流速、流体的密度、发电机的每分钟转速、在所述叶片上的杯的数量、叶片的类型。
因为任意喷嘴导致一些阻塞的程度，用于发电的系统的构建，从水流到特定目的地，在那里从没有阻塞的点分离和经平行的旁路流动，是理想的方式以构建这里所表示的涡轮机。所述系统的独特性是从这样的点来转移的。
图4是带有导向翼片的喷嘴的示意图。这种类型的喷嘴可被用于杯型或推进器型的叶片。在一个实施例中，该喷嘴（14）可被分为至少两个子喷嘴。接着，所述喷嘴或子喷嘴可形成出口（15）与直的向前方向的一个角度。在杯的例子中，所述喷嘴可被定向为直线，直到叶片的后部（16）。所述喷嘴结构的下游边缘可以是围绕所述杯的周长的锥形或者一些其他形状。
图5是带有偏离中心的涡轮机圆周的定位中心的喷嘴的示意图。虽然从上游区域在中部是对称的，该喷嘴（18）是被引导到涡轮机空间的外部圆周，因为在该涡轮机（19）的外周的管的较低部分是填充的。这使得速度增加以在外周撞击所述叶片。在一个实施例中，在涡轮机的室内的管的较低部分是隔开的。
图6是用于轴涡轮机（21）的喷嘴（20）的示意图。这里的优势是通过旋转的杯使更高流速的区域缺乏耗散。这是区别于现有技术所采用的轴流涡轮机，这样可与外部管的变窄相关联，但不与喷嘴结构相关联，该喷嘴结构会导致在管内变窄。
图7是一种喷嘴置换系统的示意图。这里从本质上涉及其他发明，因为在管内涡轮机组件之间的复杂相互作用可能需要将喷嘴容易地置换，以适合改变流动状态，例如春天时在融化雪的区域的更高流速的情形，特别因为喷嘴是适应于流动状况的一个至关重要的部分。一个插销（22）设在涡轮机的外壳内，在该涡轮机的上游位置，该插销用作从处置换喷嘴的点。所述插销可以任意不同的多种方式锁进合适的位置。
虽然本发明已经根据有限数量的实施例进行了说明，但应当明确的是，本发明的许多变化、修饰和其他应用都是可实现的。

Claims (23)

1.一种制造用于水电式涡轮机的喷嘴的方法，包括以下步骤：
a. 提供基于至少以下输入数据的计算机流体动力学模拟：喷嘴形状、喷嘴尺寸、喷嘴位置、叶片和涡轮机的形状和尺寸、流体的流速、叶片的每分钟转速，以及管的尺寸；
b. 提供根据步骤a的结果构建的系统。
2.一种在管内的水电式涡轮机，包括：
a．喷嘴，带有至少一个导向翼片形状的弯曲部分。
3.根据权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，还包括：
b．杯状叶片。
4.根据权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，还包括：
b．推进器叶片。
5.一种在管内的水电式轴涡轮机，包括喷嘴。
6.根据权利要求5所述的涡轮机，其特征在于：所述喷嘴的尺寸是所述管的横截面面积的45-55%。
7.一种在管内的水电式涡轮机，包括：
a．喷嘴，其横截面直径是所述管的横截面直径的45-55%。
8.根据权利要求7所述的涡轮机，其特征在于，还包括：
b．叶片系统，在叶片的尾端是小于所述管的横截面直径的55%。
9.一种在管内的水电式涡轮机，包括：
a. 杯状的叶片；
b.直径尺寸为100 mm的管；
c. 尺寸为所述管的横截面面积的40-60%的喷嘴；
d. 所述涡轮机的的每分钟转速为90-150；
e. 输入压力为5巴或更低。
10.根据权利要求9所述的涡轮机，其特征在于，对于其他情形的比例关系如下：对于所述管尺寸的每个双倍设计，所述每分钟转速是上述比例的一半，而对于所述管尺寸的每减半设计，所述每分钟转速是上述比例的双倍。
11.一种在管内的水电式涡轮机，包括：
a. 喷嘴，尺寸为所述管的横截面面积的45-55%；
b. 高度流线型的叶片形状。
12.一种在管内的水电式涡轮机，包括：
a. 喷嘴，其直径为每50毫米有15个杯的比率，该比率有正负3个杯的范围。
13.根据权利要求12所述的涡轮机，其特征在于：所述比率有正负6个杯的范围。
14.一种在管内的水电式涡轮机，包括喷嘴和子喷嘴。
15.一种在管内的水电式涡轮机，包括：
a. 弯曲的和锥形末端的结构，该结构支持住喷嘴，并面向所述涡轮机；
b. 叶片，其横截面面积是小于所述管的横截面面积的50%。
16.一种在管内的水电式涡轮机，包括：
a. 定位中心的喷嘴；
b. 偏离中心的涡轮机，带有的叶片的横截面面积是小于所述管的横截面面积的50%。
17.根据权利要求16所述的涡轮机，其特征在于：所述涡轮机的不使用的偏离中心的部分是被隔开的。
18.一种在管内的水电式涡轮机，其特征在于：喷嘴的方向性是与叶片的尾缘的横截面的方向相关联的，两者的方向之间的角度是大于45度。
19.根据权利要求18所述的涡轮机，其特征在于：所述方向之间的角度是大于60度。
20.一种在管内的水电式涡轮机系统，包括：
a. 喷嘴；
b. 围绕在所述喷嘴后面的区域的偏转；在所述喷嘴导致流体变慢之前，从所述管的一个位置发生所述偏转。
21.一种喷嘴置换系统，包括：
a. 在管内的水电式涡轮机；
b. 喷嘴；
c. 在壳体上的一个上游位置的插销，用于打开和关闭所述壳体，并插入和去除所述喷嘴；
d. 用于将所述喷嘴锁紧到所述涡轮机以及将所述喷嘴从所述涡轮机上移除的装置。
22.一种置换不同特征的喷嘴的方法，根据管内涡轮机的不同流量和压力输入数据来置换喷嘴。
23.一种提供精确降低压力精确降低的方法，在管内涡轮机通过进入微处理器的至少以下输入数据之前和之后：喷嘴尺寸、喷嘴形状、喷嘴方向、喷嘴结构的形状、进入压力、出去压力、管的角度、管的尺寸、头的量、流速、流体的密度、发电机的每分钟转速、在叶片上的杯的数量、叶片的类型。
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