一种混流式长短叶片水轮机

摘要

本发明公开了一种混流式长短叶片水轮机，该水轮机的过流域包括依次连接的蜗壳、导叶域、转轮和尾水管；其中，转轮叶片由若干长叶片和短叶片间隔组成，蜗壳椭圆截面长短比为黄金分割比，导叶型线为负曲率月牙形，转轮叶片由长、短叶片共同组成，且短叶片与长叶片进出口直径差比为0.859，锥形尾水管内设有整流板。本发明旨在实现高效利用水流能，提高水轮机工作效率的同时提升机组运行稳定性，有广阔的应用前景和推广价值，对我国时下小水电改造及各电站机组运行稳定性提高意义重大。

说明书

技术领域

本发明属于水力机械技术领域，特别是涉及一种混流式长短叶片水轮机。

背景技术

环境是人类社会生存和发展的基本前提，随着人类环保意识的增强及可持续发展战略的实施，火力发电逐渐受到制约，另一方面新能源技术不成熟阻碍了诸如风力、太阳能及核电的发展。相对而言，技术成熟的水力发电备受青睐，且水资源是可再生绿色能源。水利发电的关键在于机组性能，主要指标包括对水流能的利用效率，关系到机组安全运行及寿命的稳定性能和空化性能，归根结底影响上述指标的原因在于水轮机内部流场特性。具有良好运行性能的水轮机不仅能够满足当下小水电改造的需求，亦是国内外各水电站发展的必然趋势。

现有混流式水轮机转轮多为长度一致的叶片，叶片个数较多致使转轮出口叶间距较窄容易产生空化现象，而叶片偏少导致转轮进口叶间距过大，极易产生涡旋引起流场不稳定。水轮机中长短叶片的设置，使得叶片总数量增多，从而单叶片应力负荷减小，增强了转轮的整体强度性能。中国专利申请201710822929.6公开了一种长短叶片的双击式水轮机转轮，其叶片结构简单、运行维护方便，但存在明显的结构设计不合理问题，诸如水流作用面积小，作功能力弱等。中国专利申请201310704054.1公开了一种混流式水泵水轮机，其采用了三种不同长度的叶片减小了二次流损失，但该方式叶片组成结构复杂，加工安装成本高，且过窄的叶间距影响转轮过流能力，会进一步影响出力效果。

综上所述，为提高混流式水轮机运行效率、稳定性及空化性能，改良机组转轮特性是时下国内外学者研究的热点方向，如何克服现有技术的不足，进一步改善或者消除流道内不稳定流态及其二次效应，同时所采用改良方式满足容易加工制造的要求，且能够进一步降低水轮机整体造价已成为当今水电站水轮机领域亟待解决的重点问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术所存在的不足而提供一种混流式长短叶片水轮机，其能够在实现水流能高效转换的基础上，解决水轮机内流场涡旋难题以提高机组运行稳定性。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种混流式长短叶片水轮机，该水轮机的过流域包括依次连接的蜗壳、导叶域、转轮和尾水管；其中，转轮叶片由若干长叶片和短叶片间隔组成，转轮叶片为空间三维扭曲曲面，在转轮的长叶片高度方向位置上均分截取四个叶型曲面，该四个叶型曲面八条曲线拟合后方程如下：

曲面Ⅰ：

A：z＝4597+81.21x+145.7y+0.3266x²+0.3919xy-0.2027y²

+3.783e-04x³-1.517e-05x²y+4.088e-04xy²-1.088e-03y³

B：z＝5736+103.5x+162.4y+0.4433x²+0.4431xy-0.4343y²-5.514e-04x³

-6.234e-05x²y+4.228e-05xy²-9.456e-04y³

曲面Ⅱ：

C：z＝-4661-41.54x-41.52y-0.1215x²-0.1008xy-0.0368y²

-1.162e-04x³+6.523e-07x²y-2.538e-04xy²+2.794e-04y³

D：z＝47360+492.7x+377.6y+1.633x²+0.8231xy-0.2759y²

-1.75e-03x³-5.929e-04x²y+1.862e-03xy²-2.808e-03y³

曲面Ⅲ：

E：z＝-28730-222.2x-141y-0.585x²-0.354xy-0.0439y²-5.212e-04x³

+1.347e-05x²y-8.291e-04xy²+1.099e-03y³

F：z＝7320+71.38x+9.083y+0.2279x²-0.02838xy-0.1483y²

+2.428e-04x³-2.11e-04x²y+3.844e-05xy²-3.038e-04y³

曲面Ⅳ：

G：z＝-71920-506.7x-167.6y-1.224x²-0.3355xy-0.1463y²

-1.015e-03x³+2.697e-04x³y-1.57e-03xy²+1.912e-03y³

H：z＝28350+246.8x-48.92y+0.7256x²-0.4906xy+0.143y²

+7.282e-04x³-1.147e-04x³y+1.52e-03xy²-1.471e-03y³。

本发明进一步的改进在于，其特征在于，尾水管呈锥形，其内设有整流板。

本发明进一步的改进在于，各截取曲面型线中原点在转轮轴线与导叶域上端面的交点处，导叶域上端面为xy平面，水轮机轴线出流相反方向为z方向。

本发明进一步的改进在于，转轮的短叶片出口骨线直径D_S与长叶片出口骨线直径D_L比值为0.859，且转轮短叶片与长叶片个数相等，短叶片与长叶片个数分别为7～9个，长叶片包角α＝65°～85°。

本发明进一步的改进在于，转轮进口高度B3与转轮进口直径D_I比值为0.096，转轮出口直径D_P与转轮进口直径D_I比值为0.513。

本发明进一步的改进在于，蜗壳曲面面积绕圆周方向变化趋势方程为：y＝-0.041x+0.239，蜗壳包角为315°～335°。

本发明进一步的改进在于，导叶域的导叶以单列环形方式均布，导叶分布圆直径D_V与转轮进口直径D_I比值为2.1916，导叶喉部直径D_T与转轮进口直径D_I比值为0.0825，导叶个数为16个，导叶的型线方程为：I:y＝-0.053x²+64.22x+19191；J:y＝-0.002x²-0.455x+530。

与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

第一，本发明提出的长短叶片间隔分布式转轮，改善了转轮流场特性，提高了水轮机效率及运行稳定性；转轮直径和叶片角度减小使得叶片进口液流角变化减小，转轮进口的空化性能得到提高；该月牙形叶片结构简单，方便制作；且短叶片为长叶片的一部分，可用相同模具在对应长度位置加工，降低了造价。

第二，本发明提出的长短叶片间隔分布式转轮，在保证相同出力的基础上可减小转轮整体直径，进而减小水轮机制造成本；另一方面，转轮直径的减小有益于圆盘损失的降低，从而进一步提高了水轮机运行效率。

附图说明

图1为本发明提出的一种混流式长短叶片水轮机结构示意图。

图2为转轮长、短叶片分布俯视图。

图3为转轮长叶片截面图。

图4为转轮长、短叶片前视图。

图5为负曲率导叶型线示意图。

附图标记说明：1-蜗壳，2-导叶域，3-导叶，4-转轮，5-短叶片，6-长叶片，7-尾水管，8-整流板。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的详细说明。

如图1-5所示，是本发明提出的一种混流式长短叶片水轮机，包括依次连接的蜗壳1，导叶2，带长叶片6和短叶片5的转轮4，以及尾水管7，其中蜗壳1截面为椭圆形，且其长短比为黄金分割比，蜗壳1包角为315°～335°。导叶2以单列环形方式均布，导叶分布圆直径D_V与转轮进口直径D_I比值为2.1916，导叶喉部直径D_T与转轮进口直径D_I比值为0.0825，导叶个数为16个。转轮叶片包含数量相等的长叶片6、短叶片5，叶片曲面为空间三维扭曲曲面，短叶片出口骨线直径D_S与长叶片出口骨线直径D_L比值为0.859，长叶片包角α＝65°～85°，转轮进口高度B3与转轮进口直径D_I比值为0.096，转轮出口直径D_P与转轮进口直径D_I比值为0.513，锥形尾水管7内设有整流板8。

如图3所示，所述长叶片四个曲面型线方程如下：

曲面Ⅰ：

A：z＝4597+81.21x+145.7y+0.3266x²+0.3919xy-0.2027y²

+3.783e-04x³-1.517e-05x²y+4.088e-04xy²-1.088e-03y³

B：z＝5736+103.5x+162.4y+0.4433x²+0.4431xy-0.4343y²-5.514e-04x³

-6.234e-05x²y+4.228e-05xy²-9.456e-04y³

曲面Ⅱ：

C：z＝-4661-41.54x-41.52y-0.1215x²-0.1008xy-0.0368y²

-1.162e-04x³+6.523e-07x²y-2.538e-04xy²+2.794e-04y³

D：z＝47360+492.7x+377.6y+1.633x²+0.8231xy-0.2759y²

-1.75e-03x³-5.929e-04x²y+1.862e-03xy²-2.808e-03y³

曲面Ⅲ：

E：z＝-28730-222.2x-141y-0.585x²-0.354xy-0.0439y²-5.212e-04x³

+1.347e-05x²y-8.291e-04xy²+1.099e-03y³

F：z＝7320+71.38x+9.083y+0.2279x²-0.02838xy-0.1483y²

+2.428e-04x³-2.11e-04x²y+3.844e-05xy²-3.038e-04y³

曲面Ⅳ：

G：z＝-71920-506.7x-167.6y-1.224x²-0.3355xy-0.1463y²

-1.015e-03x³+2.697e-04x³y-1.57e-03xy²+1.912e-03y³

H：z＝28350+246.8x-48.92y+0.7256x²-0.4906xy+0.143y²

+7.282e-04x³-1.147e-04x³y+1.52e-03xy²-1.471e-03y³。

本发明的实现原理是：

本发明提出的一种混流式长短叶片水轮机，是将水流的能量转换为机械能的装置。其蜗壳1采用椭圆截面，这种结构可降低非设计工况下运行时蜗壳内压力脉动，水流经蜗壳1进入导叶3；导叶3采用负曲率叶型，导叶3出流沿着转轮4外缘进入转轮室；转轮4由在圆周方向上分布的长叶片6、短叶片5间隔组成，这样能保证各工况下转轮旋转产生力矩的同时，转轮4内流场涡旋结构得到改善，降低水力损失，从而提高效率及水轮机运行稳定性，叶片3经由焊接方式将其固定在转轮上冠下环之间，水流从转轮4进口至出口压力逐渐减小，最终经由尾水管7流出。

实施例

转轮包含短叶片5和长叶片6各9个，且长短叶片出流直径比为0.336，长叶片包角α＝70°。转轮长叶片6为三维扭曲曲面，以叶片高度方向按照骨线均分四个截面，虚线所示为各截面叶片所在型线。

包角式蜗壳截面为椭圆型，且各椭圆长短比等于1.618，蜗壳椭圆截面积绕圆周方向变化趋势方程为：y＝-0.041x+0.239，其包角为318°。

单列负曲率导叶按圆周方向均布16个，导叶3分布圆直径D_V与转轮进口直径D_I比值为2.1916，导叶3喉部直径D_T与转轮进口直径D_I比值为0.0825。

尾水管直锥段扩散角为β₁＝6°，尾水管内设有带圆弧侧的梯形截面整流板，各整流板围绕水轮机轴线内贴尾水管壁面周向布置，整流板靠近轴端锥角β₂＝9°，整流板厚度控制方向为β₃＝10°，整流板个数为4个。

经过水力计算，根据计算结果可知，本发明长短叶片布置不仅提高了水轮机运行效率，且减轻各运行工况下水轮机转轮内流动涡旋现象。尾水管内梯形整流板设置阻止了转轮出口涡带的进一步扩散，使得尾水管能量恢复系数得以提升的同时，增强了整个水轮机运行稳定性。

本发明的具体实施中未涉及的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种混流式长短叶片水轮机的技术思想的具体支持，不能以此来限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均属于本发明技术方案保护的范围。