CN1026515C - 螺旋桨式叶轮 - Google Patents

Abstract

一种在低水头水力发电应用中使用的螺旋桨式叶轮，其包括有二到五片匀称地安装在一轮毂上的叶片，其中，螺旋桨叶轮的每一叶片具有一入水边，入水边沿所述叶轮的旋转方向具有一大致的、用于通过降低经过叶片表面出现的局部压力比而减小叶轮的汽蚀影响的前弯斜；这样，从螺旋桨的轴线所引出的、经过每一叶片的入水边与轮毂相连的点的径向线与每一叶片的周边相交在叶片周边上前叶片端部后面的点处。

Description

本发明涉及一种用于水轮机的叶轮，此种叶轮通常划分为螺旋桨式涡轮叶轮。

螺旋桨式涡轮叶轮一般是在低水头高流量条件下发电的地方得到应用。本发明的这种叶轮将会发现很适合在大型的水力发电装置中应用，并且这种叶轮将会以匀速旋转（最佳设计），另外它也适合于那些恒速不是运转的一项条件的各种环境。

当设计一个这种类型的叶轮时，设计者会面临要使若干条件均为最佳的情况。

从水资源中获取动力需要用叶轮的叶片使流动的水偏流，以这种方法来产生可形成驱动转矩的力。但同时一个趋向于减小上述驱动转矩的阻力也会产生。进行叶片形状和节距等的最佳设计似乎是一种实践，在此种实践中要尽可能完善地把可产生驱动转矩的力增到最大，而使产生阻力的力减到最小，但实际情况并不是这样。叶轮的设计者还必须对付一种被称为“汽蚀”的现象，因为可产生最大输出功率的设计有可能因汽蚀现象对叶轮的叶片浸蚀而很快予以否定。汽蚀现象是这样产生的，即当叶片的翼形使流动的水偏流从而产生了速度差，这种速度差可使水中产生压力差，而这种压力差足以产生相当低的压力面，以致于在低压区形成水气泡（一般在叶片的负压面）。当低压水流经过叶轮时，压力将会增大而水气泡就会破碎。如果 水气泡的破碎或被压破是在与叶轮叶片的表面稍微隔开一些距离的区域内，或许没有什么损坏产生，可以如果水气泡的爆破发生在叶轮叶片的表面，则将必然导致其叶片表面的严重浸蚀。

设计人员还要正视另一个设计准则，即在产生最大的输出转矩的同时，要使汽蚀现象对叶轮叶片表面的浸蚀最小。

本申请人已能够制造一种具有很高效率的螺旋桨式叶轮。这种叶轮通过改变叶片的外形而使汽蚀现象造成的浸蚀减至最小，这种改变了形状的叶片的前边或导边沿旋转方向从轮毂处向前“倾斜”。

本发明的目的是提供一种使汽蚀现象造成的浸蚀减至最小的改进的螺旋桨式叶轮。

本发明提供一种在低水头水力发电应用中使用的螺旋桨式叶轮，其包括有二到五片匀称地安装在一轮毂上的叶片，其中，螺旋桨叶轮的每一叶片具有一入水边，该入水边沿叶轮的旋转方向具有一大致的、用于通过降低经过叶片表面出现的局部压力比而减小叶轮的汽蚀影响的前弯斜;本发明进一步提供一种在低水头水力发电应用中使用的螺旋桨式叶轮，其包括有二到五片匀称地安装在一轮毂上的叶片，其中，螺旋桨式叶轮的每一叶片具有一入水边和一出水边，入水边沿叶轮的旋转方向具有一大致的前弯曲斜，这样，从螺旋桨的轴线所引出的、经过每一叶片的入水边与轮毂相连的点的径向线与每一叶片的周边相交在叶片周边上前叶片端部后面的点处;径向线与周边相交点和前叶片周边端部之间的周向距离大体上等于叶

片周向尺寸的15%;当从该螺旋桨叶轮的逆流侧的轴线方向看时，每个叶片的出水边遮挡前一叶片的出水边的大约60%。

下面将参照附图对本发明的特点及结构进行详细描述。

图1是先有技术应用中所使用的一种螺旋桨叶轮;

图2是用在本发明中的一种螺旋桨叶轮;

图3A是一个单独的先有技术叶片的平面视图;

图3B-3C是图3A的各段剖视图;

图4A是一个本发明叶片的平面视图;

图4B-4C是图4A的各段剖视图;

图5是沿叶片轴线朝轮毂向里看的先有技术叶片的视图;

图6是沿叶片轴线朝轮毂径向内侧看的本发明叶片的视图。

现参见各图，特别是在图1中可以看出用于从水流中获取能量的先有技术螺旋桨涡轮的叶轮10的平面视图。

叶轮10由被若干叶片14所环绕的轮毂12构成，一条轴线16表示在其中一个叶片14上。一条叶片轴线大约定位在几何中心线上，叶片的翼形设计成环绕此轴线，设计者还可以此轴线作用较佳的扭转轴线，以便在设计阶段，为改变叶片的扭转角度提供一条参考轴线。

叶片14上示出的辅助线18穿过叶片14的入水边端部的外周边20。值得注意的是辅助线18还穿过安装在轮毂上的叶片14（出水边）的一个点22。

现参见图2，图2示出了本发明一种改进的叶轮30。显而易见，这种叶片结构与先有技术有着本质的不同。

叶轮30包括由叶片34所环绕的轮毂32。所示叶片34上有一叶片轴线36，此图中还示出了与图1的线18相对应的线38，线38分别与轮毂和叶片周边相交于点40和42处。可以看出叶片34的实质部分向前延伸超出线38，以此方式可遮蔽前一叶片的出水边的大部分。该叶片前沿的导前角大约是叶片（指周边）的1/7向前偏斜出线38，这就意味着在先有技术设计中所没有的叶片的这部分，所说这部分现在对从流动的水流中获取能量更有帮助。人们还无法完全了解叶轮的整个设计中，叶轮叶片的形状和扭转是如何影响效率或产生汽蚀现象的，但是图2的叶轮可产生更大的转矩和最少的汽蚀现象。而且很明显从流动的水柱中所获取的能量是非常均匀地分布在这种叶片上的，因此，在先有技术的设计中出现的广泛水压差不会出现在这种结构的叶片上。

先有技术的叶片和此种新改进的叶片其更具体的图示在图3和图4中给出。值得注意的是，尽管其弯曲略有不同，此两种设计中主要的区别在于经改进的叶片呈现出过度的“倾斜”。且这种“倾斜”使叶片沿旋转方向朝前延伸。

改进的叶片和先有技术叶片的扭转和径向弯曲不是完全相同的，不同之处在于，先有技术的叶片在入水边处比改进的叶片有稍微大此的径向弯曲，而改进的叶片其入水边和出水边更接近于呈直线。

基于这个原因，当沿着图6的叶片轴线径向向内侧看时，可看到紧挨着入水边的整个高压面，这在先有技术的设计中是不存在的。可是如果沿图5和图6的叶片轴线向内侧看叶片的出水边时，这两种叶片则呈现出相同的形状，也即可看到紧挨着叶片出水边的整个负压面。

本设计的叶轮是一种5个叶片式设计。但是本发明对于在一个轮毂上安置多于或少于5个叶片的各种叶片结构均是等效可行的。

为什么这种装置的叶片可显示也所希望的高性能特性，且很少或没有汽蚀现象，除了由于这种改进的叶片向前倾斜形成了超出的叶片区域，以及与先有技术的叶片相比，这种叶片从运动的水流中获取能量或许是较为平缓的之外，似乎还不完全清楚。然而可以看出，这种改进叶片的“超出”区域倾向于处在可迭盖住在轮毂上紧靠其前一叶片的出水边处，这就可以在前一叶片的出水边和其随后叶片的入水边之间形成一种更均匀分布的水压面。

本设计的叶轮为5个叶片设计，但是显而易见对本领域技术人员而言，在每个设计中对叶片数量的要求是由每一种实际使用时具体的水头和水容量决定的，而后者正是叶片设计时要用到的条件。

可显而易见，如果在某一利用本发明的特定设计中，叶片的数目大于5个，则这些叶片的重叠部分将比本申请附图中所示的要大一些。

与此类似，如果实际的水头和水容量要求使用的叶片少于5个，使得叶片间的叠盖较少或根本不重叠，即便如此，这种叶片入水边处的“倾斜”程度也要保持在与本发明中5叶片所说明的数值相同。

Claims (4)

1、一种在低水头水力发电应用中使用的螺旋桨式叶轮，其包括有二到五片匀称地安装在一轮毂上的叶片，其特征在于，所述螺旋桨叶轮的每一叶片具有一入水边，所述入水边沿所述叶轮的旋转方向具有一大致的、用于通过降低经过所述叶片表面出现的局部压力比而减小叶轮的汽蚀影响的前弯斜。

2、一种在低水头水力发电应用中使用的螺旋桨式叶轮，其包括有二到五片匀称地安装在一轮毂上的叶片，其中，所述螺旋桨式叶轮的每一叶片具有一入水边和一出水边，其特征在于，所述入水边沿所述叶轮的旋转方向具有一大致的前弯曲斜，这样，从螺旋桨的轴线所引出的、经过每一叶片的入水边与轮毂相连的点的径向线与每一叶片的周边相交在所述叶片周边上前叶片端部后面的点处。

3、如权利要求2所述的螺旋桨式叶轮，其特征在于，所述径向线与周边相交点和前叶片周边端部之间的周向距离大体上等于所述叶片周向尺寸的15%。

4、如权利要求1或2所述的螺旋桨式叶轮，其特征在于，当从该螺旋桨叶轮的逆流侧的轴线方向看时，每个叶片的出水边遮挡前一叶片的出水边的大约60%。

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