CN103485958B - 一种低水头水轮机转轮及应用 - Google Patents
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Abstract
一种低水头水轮机转轮，包括若干SX形叶片、上冠、下环；若干SX形叶片1均匀焊接固定在上冠2和下环3之间；SX叶片的结构是，SX叶片在转轮的进水口处均有负倾角,负倾角为1.5°～10°，即SX型叶片的进水边近上冠部分向内负倾斜；靠近上冠处翼形为负曲率；叶片进水边与出水边外沿均成S形，SX叶片在进水口看去，SX型叶片的进水边与出水边亦成X型交叉；叶片曲面形成空间扭曲形状；同时，为适应能量转换和出口条件的要求，叶片出水边成一弧线。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种低比转速混流式水轮机及应用，尤其是混流式水轮机转轮。
二、背景技术
CN200910028482涉及一种超低比转速混流式水轮机，是一种混流式水轮机。主轴设置在轴承座上,轴承座设置在盖板的上侧中部,盖板的下侧设置低比转速水轮机转轮上冠,盖板的端部固定连接座环,低比转速水轮机转轮上冠的下方相对设置低比转速水轮机转轮下环,低比转速水轮机转轮下环的一端与座环连接,另一端与锥形尾水管连接；座环的外侧连接金属蜗壳,金属蜗壳设置在支墩上；座环上设置16～22个单列环形正曲率导叶,低比转速水轮机转轮上冠与低比转速水轮机转轮下环之间的空腔内设置低比转速水轮机转轮叶片。
转轮是水轮机最重要的做功转化部件，将水流的能量转换为轴的旋转机械能。水轮机转轮上冠与转轮下环之间的空腔内设置水轮机转轮叶片。
图1中水轮机转轮在结构图中与现有技术仍极相似，这种从转轮的外周均匀进水口，从中轴部位向下出水，叶片又是转轮中吸收水流能量的最重要部件。
现有的水轮机转轮决定了水轮机的转化效率，根据测量，现有的水轮机的效率不会超过84％，仍有待提高。如CN200910028482涉及一种超低比转速混流式水轮机，主要是应用于冷却塔吸收冷却塔多余能量水的能量，并顺带驱动冷却塔的风机，其效率亦如上述，仍有大幅提高的余地。
三、发明内容
本发明目的是，提出一种低水头水轮机转轮，具有高效率和工作可靠性，应用于4－12米的水头。尤其是应用于冷却塔吸收冷却塔多余能量的，并顺带驱动冷却塔的风机。
本发明技术方案是：一种低水头水轮机转轮，包括若干SX型叶片、上冠、下环；若干SX型叶片均匀焊接固定在上冠(2)和下环(3)之间；SX型叶片的结构是，SX型叶片在转轮的进水口处均有负倾角,负倾角为1.5°～10°，即SX型叶片的进水边近上冠部分向内负倾斜；靠近上冠处翼形为负曲率；叶片上边与上冠接触部分成S形，叶片下边与下环接触部分成S形，SX型叶片在进水口看去，SX型叶片的进水边与出水边亦成X型交叉；叶片曲面形成空间扭曲形状；同时，为适应能量转换和出口条件的要求，叶片出水边成一弧线(空间曲线，不在一平面上)。
转轮中均匀分布的SX型叶片数为14～22。叶片翼形最小厚度与最大厚度之比为0.1～0.3。
SX型叶片的进水边近上冠部分向内倾斜形成负倾角θ；
进一步的，叶片在出水处的宽度尺寸是进水处宽度尺寸的2倍以上。
水轮机转轮部件的有关尺寸的参数比值如下：
叶片与下环接触圆直径和转轮直径比值0.52-0.60
叶片与上环接触圆直径和转轮直径比值0.2-0.26
叶片进水口与下环接触圆直径和转轮直径比值0.95-0.99
转轮边高与转轮直径比值0.1-0.16
转轮进水口高与转轮直径比值0.05-0.08
转轮总高与转轮直径比值0.2-0.35。
本发明应用于4－12米的水头、混流低比转速补偿式水轮机；采用SX型叶片作为低比转速补偿式混流水轮机设备的关键部件,其结构和水力特性是混流式水轮机优质性能的代表标志。SX型叶片充分利用流道空间,使叶片表面的压力分布尽量均衡。传统叶片由于叶片加工方法和叶片设计思想的约束,往往出现叶片近上冠和近下环的流道内流量和压力分布不均:一般近上冠处叶片的负荷较小,而在近下环处负荷很大,这不仅使叶片的受力特性变差,还使转轮的过流量不易提高,同时,在转轮叶片背面近下环处容易发生空化现象。由于SX型叶片的以上结构特点,使叶片间流道内液体的流动趋于顺畅均匀,消除了常规叶片正面常见的“横流”现象,减轻了叶片近下环处的负荷集中,在提高水轮机的运行效率、增加过流量和改善转轮空化性能,及转轮受力状况等方面都有较大潜力。
本发明的有益效果是：SX型叶片其表现出良好的水力性能,主要体现在以下几方面：1)叶片间流道内的流动趋于顺畅,消除了常规叶片正面常见的“横流”现象,有利于提高水轮机的运行效率。2)转轮内的流动更加均匀,负荷分布趋于均匀,减轻了叶片近下环处的负荷集中,有利于提高转轮的过流量和改善转轮的空化性能。3)由于叶片上的受力更加均匀以及叶片上冠的特殊形状,使得这种叶片的受力趋于合理,减少了叶片根部的应力集中。使转轮具有较好的受力特性。
通过对SX型叶片进出口几何参数对转轮出口流态以及运行稳定性等方面的影响的研究分析和模拟测试，本发明的SX型叶片转轮制造的混流低比转速补偿式水轮机效率提高到93％以上。
本发明SX转轮的SX型叶片由于采用了“负倾角”,同时叶片上冠型线更加合理,在上冠进口处(叶片横向)的无局部漩涡。上、下环区的流速均匀,负荷一致；流过转轮内的水流能量消耗小,叶片间的流动顺畅,速度和负荷分布趋于均匀。
SX型叶片从上冠到下环,从进口到出口,正背面的压力分布很均匀，不易形成空化破坏，水流对叶片不发生正面脱流，叶片背面无负撞击水力损失极小。
由于SX型叶片压力分布特点,使其受力趋于合理,SX型叶片从上冠到下环负荷分布均匀,合力作用点到叶片上冠根部的力臂较小,从而使得叶片根部应力值相对减小。SX型叶片具有外凸的上冠翼形,相对常规叶片内凹的上冠翼形而言,叶片根部(上冠处)的受力方式发生了改变,这也使叶片根部应力从进口到出口分布更加趋于均匀。
四、附图说明
图1为本发明转轮剖面图；
图2为本发明厚度比值S型曲面图；
图3为本发明叶片的下边X型曲线图；
图4为本发明叶片上边与上冠接触S曲面图；
图5为本发明叶片下边与下环接触S曲面图。
五、具体实施方式
参见附图，图中符号与表1列出的一致。转轮的SX形叶片1经精密铸造成型后，(可采用耐高温金属整形模热压整形后)均匀焊接固定在上冠2和下环3之间；上冠与下环与叶片接触装配面经精密加工，保证了叶片与上冠与下环的装配精度。叶片焊接时采用分度圆定位模具进行与上冠固定焊接，然后再与下环焊接，经热处理消除应力，经表面处理，涂防腐涂料后装配。转轮的SX形叶片1总共有14-22片。
本发明是是应用于4－12米的水头、混流低比转速补偿式水轮机。
本发明叶片翼形最小厚度与最大厚度之比即h1/h2为0.1～0.3。
水轮机转轮的叶片设计中,使压力分布均衡化的技术文献最早集中于如何合理设计翼形形状。主要体现在,采用二元理论设计方法时,如何合理选择叶片上的环量分布,以及在进行叶片骨线加厚的过程中,如何选取叶片的厚度分布等方面。从均衡化的角度而言,以上技术仅解决了从叶片进口到出口这一方向上压力的均衡问题。现有技术中叶片的上下边即进水边与出水边有S弧线，但无X形的交叉弧线。如果将叶片上的压力分布看做一个空间问题,那么,均衡化应该不只体现在从叶片进口到出口这一方向上,还应同时体现在从上冠到下环的方向上。在本发明SX型叶片设计中,“叶片倾角”也是一个十分关键的参数。“叶片倾角”的正负和大小与叶片上从上冠到下环方向上的负荷分布密切相关。由于SX型叶片采用了所谓“负倾角”,使其结构与常规叶片有较大差别。
1)叶片倾角：SX型叶片采用“负倾角”。此外，从进口(图的上方)看去，SX型叶片的进水边与出水边成X型交叉。
2)叶片上冠。SX型叶片的近上冠部分向内倾斜,而常规叶片在整个叶片区域,叶片形状为内凹形状。正是这种看似扭曲的S型叶片形状,消除了叶片正面的横流,从而使叶片上的压力分布更加均匀。
3)叶片出水边。常规叶片为了满足传统加工技术的要求,一般将叶片出水边放在同一个轴面上形成加工基准。这种约束在较大程度上制约了设计者对出口边形状和出口流态的调整,从而限制了转轮的形状和性能。SX型叶片出水边为一空间曲线,可以根据设计要求对出水边进行相应调整,使叶片上压力均布,出口流态更合理。SX型转轮叶片的主要结构特点为:叶片进口具有“负倾角”,叶片长边(上边)设计成S形，出水边(下边)设计成X形，形成多维空间扭曲形状。同时,靠近上冠处翼形为负曲率。为适应能量转换和出口条件的要求,叶片出水边不在轴面上,而是一空间曲线(弧线)。
有关参数的典型的值如下，本发明可以适用于多个规格，每小时水量300-4000T的水轮机均可以适用。
表1
| 项目 | 结果 | 备注 |
| D2/D1 | 0.56-0.59 | 水轮机下环出水直径和转轮直径比值 |
| D4/D1 | 0.52-0.60 | 叶片与下环接触圆直径和转轮直径比值 |
| D5/D1 | 0.20-0.26 | 叶片与上环接触圆直径和转轮直径比值 |
| D6/D1 | 0.95-0.99 | 叶片进水口与下环接触圆直径和转轮直径比值 |
| H1/D1 | 0.10-0.16 | 转轮边高与转轮直径比值 |
| H2/D1 | 0.05-0.08 | 转轮进水口高与转轮直径比值 |
| H/D1 | 0.20-0.35 | 转轮总高与转轮直径比值 |
| H3/D1 | 0.025-0.038 | 上、下边高与转轮直径比值 |
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (2)
1.一种低水头水轮机转轮，其特征是包括若干SX型叶片、上冠、下环；若干SX型叶片均匀焊接固定在上冠（2）和下环（3）之间；SX型叶片的结构是，SX型叶片在转轮的进水口处均有负倾角,负倾角为1.5°～10°，即SX型叶片的进水边近上冠部分向内负倾斜；靠近上冠处翼形为负曲率；叶片上边与上冠接触部分成S形，叶片下边与下环接触部分成S形，SX型叶片在进水口看去，SX型叶片的进水边与出水边亦成X型交叉；叶片曲面形成空间扭曲形状；同时，为适应能量转换和出口条件的要求，叶片出水边成一弧线；
SX型叶片在出水处的宽度尺寸是进水处宽度尺寸的2倍以上；
转轮中均匀分布的SX型叶片数为14~22；
SX型叶片翼形最小厚度与最大厚度之比：h1/h2为0.1～0.3；
叶片与下环接触圆直径和转轮直径比值0.52-0.60；
叶片与上环接触圆直径和转轮直径比值0.2-0.26；
叶片进水口与下环接触圆直径和转轮直径比值0.95-0.99；
转轮边高与转轮直径比值0.1-0.16；
转轮进水口与转轮直径比值0.05-0.08；
转轮总高与转轮直径比值0.2-0.35。
2.根据权利要求1所述的低水头水轮机转轮，其特征是应用于4－12米的水头、混流低比转速补偿式水轮机。
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Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: WANG WEI XIA HELIN HE SHENGQING CHEN HUAN TIAN TIAN WANG ZHENGSHAN TO: ZHAO DONGHUA DONG SHANCHUAN |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220311 Address after: 210000 room b21063, first floor, maker space B, building 18, No. 27, Yanling lane, Qinhuai District, Nanjing, Jiangsu Province Patentee after: Jiangsu Xinglong Environmental Protection Technology Co.,Ltd. Address before: No. 9, Bofu Road, Yanjiang Industrial Development Zone, Nanjing, Jiangsu 210048 Patentee before: Nanjing Quanteng Cooling Equipment Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |