專利名稱：一種親魚型軸流轉槳式水輪機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種水力發電裝置，特別是關于一種親魚型軸流轉槳式水輪機。
背景技術：
水力發電裝置通常會截斷魚類的上下游通道，對依靠向上洄游完成生命循環的洄游魚影響很大，且對非洄游魚也會產生影響。魚類穿過普通水輪機下行時將遭受嚴重傷害。 國外的一些研究機構的研究表明魚類通過普通水輪機的傷亡率約為30% ；水輪機的不同設計導致過機魚的傷亡率在5%至30%的范圍內。國外的一些綠色環保組織和漁業者從1980 年就開始反對筑壩，要求拆毀一些水電站。近年來，我國人民的環保意識也在不斷增強，中國的水電人也已開始關注這一焦點問題。常規技術中的軸流式水輪機(如圖1所示)，包括一轉輪體1，轉輪體1周向連接有若干葉片2，轉輪體1和葉片2設置在一轉輪室3內，轉輪室3的頂部設置有若干用于調節水體流量和水流角度的活動導葉4。其中轉輪體1包括依次設置的上圓柱段11、球形段12、 下圓柱段13和兩個錐臺段14、15 (又稱泄水錐)。如圖2所示，轉輪室3上部為圓柱段31， 中部為球形段32，下部為喉管段33，一般轉輪室3的直徑D1為球形段31的最大直徑，圓柱段31直徑表示為Dthl (對于常規半球形轉輪室，Dthl=D1),喉管段33直徑表示為Dth2。常規技術存在以下問題1)由于轉輪室3上部為圓柱段31，而葉片2外緣是按球面進行加工的，葉片2外端面與轉輪室3的圓柱段31之間會形成一“楔形”間隙A (如圖1、圖3所示)，這是運動的葉片2與靜止的轉輪室3之間形成的運動間隙，且其開口朝上，對著水流方向，因此無論是重力還是水流的作用力都會使進入間隙的魚類向小間隙處運動，越夾越緊。2)盡管轉輪室3中部采用的是球形段32，但是由于轉輪室下部的喉管段33的外圓弧半徑較大，在兩段圓弧的切點后面還是會形成一間隙小于進水邊、平平長長的下部“楔形”間隙B，這一間隙B沒有上部間隙A “越夾越緊”的特性，但是由于離心力的作用，過機魚類往該區域集中的概率較高，同樣也會因擁擠和魚自身的“掙扎”而造成傷害。3)在導葉4出口邊下端面與轉輪室3圓弧之間也會出現一“楔形”間隙C (如圖 1、圖4所示)，其不僅會直接傷害魚類，更可能因為“楔形”間隙后的渦流而對魚類形成附加傷害。4) 一般當葉片2旋轉到最大轉角時，葉片2進水邊和出水邊的根部會碰到轉輪體 1的圓柱部分，無法旋轉到位，因此需要根據轉輪體1形狀切割葉片2，但是當葉片2需根據發電需要旋轉葉片2到小轉角工作時，葉片2根部的進水邊和出水邊與轉輪體1之間均會存在一 “楔形”間隙E、F (如圖5、圖6所示)。5)如果為了消除楔形間隙A、B、C、E、F對過機魚的傷害，僅簡單地減短常規技術的葉片2 (如圖7中虛線所示)，勢必會使葉片2短了許多，葉片2進水邊外緣甚至需切除1 /3以上的葉片，葉柵稠密度大大降低，使效率下降，葉片2的出水邊壓力降低比較多，甚至會產生空化，葉片2間產生“葉道渦”，形成非常大的剪切應力，進而造成效率低、空蝕嚴重、
3穩定性差等問題，還會因負壓、渦旋流、剪切力大等而危及過機魚類的生命。 發明內容針對上述問題，本實用新型的目的是提供一種在避免楔形間隙對過機魚類傷害的基礎上，提高效率和葉片出水邊壓力，避免空化和過大壓力梯度的親魚型軸流轉槳式水輪機。為實現上述目的，本實用新型采取以下技術方案一種親魚型軸流轉槳式水輪機， 它包括轉輪室、設置在所述轉輪室內的轉輪體，連接在所述轉輪體周向的葉片和連接在所述轉輪室頂部的導葉；所述轉輪體包括依次設置的上圓柱段、球形段、下圓柱段和兩個錐臺段；所述轉輪室內表面依次包括上部的圓柱段、中部的球形段和下部的喉管段；其特征在于所述轉輪體的球形段由若干凸出的偏心球冠組成，所述偏心球冠的數量與所述葉片的數量相同，且每個葉片都分別固定連接在所述轉輪體相應的一偏心球冠上；所述轉輪室的上部圓柱段直徑低于所述轉輪室球形段直徑的0. 98倍，所述轉輪室下部的喉管段直徑低于所述轉輪室球形段直徑的0. 96倍，且所述喉管段外圓弧半徑為0. 02 , 0. 1 DijD1表示所述轉輪室的直徑，所述轉輪室的球形段呈全球段。所述偏心球冠是指球冠的球心在轉輪旋轉軸線沿葉片軸線往外側偏移0. 01 D1
0. 1 D1O所述葉片及與其相應偏心球冠的數量為3 8。本實用新型由于采取以上技術方案，其具有以下優點1、本實用新型由于在轉輪體的球形段設置了若干偏心球冠，并將葉片分別連接在相應的偏心球冠上，因此與常規技術的轉輪體相比，本實用新型的偏心球冠與圓柱段相交線的最高點變得更高，最低點變得更低，從而增加了葉片對轉輪體的包角，減小了葉片與轉輪體進、出水邊的楔形間隙，減輕了對魚類的傷害。2、本實用新型由于將轉輪室內表面上部圓柱段直徑降低，使圓柱段與球形段的連接形成一球形光滑連接，使轉輪室將葉片的進水邊完全包裹起來，因此葉片與轉輪室內表面之間不會形成較大的“楔形”間隙，也沒有必要為避免該間隙而大面積減短葉片，從而可以保證葉片有足夠的做功長度和做功面積，較高的效率，以及較好的空化性能。 3、本實用新型由于將轉輪室的圓柱段直徑減小，導葉的底端也就不會伸至轉輪室，從而避免了導葉底端面與轉輪室之間形成的“楔形”間隙，以及由此而引起的渦旋流，從而可以降低魚類的傷亡率。4、本實用新型由于將轉輪室下部喉管段直徑減小，且將喉管段外圓弧半徑降低，因此極大地增加了轉輪室對葉片出水邊的包裹角度，減小了二者之間的“楔形”間隙，從而可以在親魚條件下不減短或者少減短葉片，進而增加了葉片的做功面積。5、本實用新型由于減小了轉輪室上部圓柱段和下部喉管段的直徑，同時降低了喉管段外圓弧半徑， 因此使轉輪室的球形段從常規技術的半球形段，變成了一全球段，從而使轉輪室能夠更好地包裹葉片的球形外緣。本實用新型與常規技術相比，葉片做功面積增加了近50% 60%， 有效地增加了導葉與轉輪室的包角，減小“楔形”間隙，有效地提高了效率、空化性能和穩定性，大大降低了魚類通過水輪機的傷亡率，它可以廣泛應用于水力發電裝置中。
圖1是常規技術結構示意圖[0015]圖2是常規技術轉輪室結構示意圖圖3是常規技術中葉片與轉輪室之間楔形間隙局部放大示意圖圖4是常規技術中導葉與轉輪室之間楔形間隙局部放大示意圖圖5是常規技術中葉片進水邊楔形間隙示意圖圖6是常規技術中葉片出水邊楔形間隙示意圖圖7是常規技術中葉片切割葉片以消除楔形間隙示意圖圖8是本實用新型結構示意圖圖9是本實用新型轉輪體結構示意圖圖10是本實用新型轉輪體中球形段俯視示意圖圖11是本實用新型轉輪室與常規轉輪室局部結構比較示意圖圖12是本實用新型轉輪室與葉片配合示意圖圖13是本實用新型轉輪室與導葉配合示意圖圖14是本實用新型與常規技術的比較示意圖
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進行進一步的描述。本實用新型對常規技術的改進包含兩項主要內容，其一是對轉輪體1進行改進， 增加了葉片2對轉輪體1的包角，同時在避免“楔形間隙”的基礎上增加了葉片2的根部長度；其二是對轉輪室3進行改進，增加了轉輪室3對葉片2的包角，在避免“楔形間隙”的基礎上增加了葉片2的外緣長度。如圖8 10所示，本實用新型的轉輪體1與常規技術相同也包括依次設置的上圓柱段11、球形段12、下圓柱段13和兩個錐臺段14、15。但是本實用新型的球形段12采用若干偏心球冠16 (本實施例為四個偏心球冠，但不限于此)來代替常規轉輪體1的一個球體，所謂偏心球冠16是指球冠的球心在轉輪旋轉軸線沿葉片軸線往外側偏移一段距離，該距離約為(XOlD1-O. 1 D10本實用新型偏心球冠16的數量與葉片2的數量一致，每一葉片 2固定連接在一個相應的偏心球冠16上。具體的葉片2和相應的偏心球冠16的數量是可以在3 8范圍內有所變化的。本實用新型轉輪體1的球形段由于設置了偏心球冠，與常規轉輪體相比，球形段12與圓柱段11相交線的最高點(圓柱方向)變得更高，球形段12與圓柱段11相交線的最低點變得更低，因此本實用新型可以增加葉片2對轉輪體1的包角， 減小葉片2與轉輪體1進、出水邊的“楔形”間隙A和間隙B，減輕對魚類的傷害。如圖2、圖11所示，本實用新型的轉輪室3內表面與常規技術相同也包括上部的圓柱段31、中部的球形段32和下部的喉管段33。但是，常規技術轉輪室3上部圓柱段31直徑 Dthl為1.0 D1 (如圖11中虛線所示)，本實用新型上部圓柱段31直徑Dthl低于0.98 D1 (如圖11中實線所示)。本實用新型與常規轉輪室相比，由于轉輪室由半球形改為球形，且將圓柱段31直徑Dthl減小，因此轉輪室3可以將葉片2的進水邊完全包裹起來，葉片2與轉輪室3內表面之間不會形成較大的“楔形”間隙A (如圖12上部所示)，也沒有必要為避免該間隙而大面積減短葉片，從而可以保證葉片有足夠的做功長度和做功面積，較高的效率，以及較好的空化性能。同時由于將圓柱段31直徑Dthl減小，導葉4的底端也就不會伸至轉輪室3，從而避免了導葉4底端面與轉輪室3之間形成的“楔形”間隙C (如圖13中實線所示，虛線為常規技術)，以及由此而引起的渦旋流，從而可以降低魚類的傷亡率。如圖11所示，常規技術中轉輪室3下部喉管段33直徑Dth2在0.973 Di-O.QSS D1 (如圖11中虛線所示)，喉管段33外圓弧半徑R約為0.38 D1,而本實用新型轉輪室3下部喉管段33直徑Dth2低于0.96 D1 (如圖11中實線所示)，喉管段33外圓弧半徑R降低到 0. 02 D1-CXl D1。本實用新型與常規轉輪室相比，由于將喉管段33直徑減小，且喉管段33 外圓弧半徑R降低，因此極大地增加了轉輪室3對葉片2出水邊的包裹角度，減小了二者之間的“楔形”間隙B (如圖12下部實線所示，虛線為常規技術)，從而可以在親魚條件下不減短或者少減短葉片2，進而增加了葉片2的做功面積。如圖14所示，本實用新型的轉輪體1和轉輪室3均采用了親魚型設計，增加了葉片2對轉輪體1的包角，增加了轉輪室3對葉片2的包角，增加了導葉4與轉輪室3的包角， 有效地減小了“楔形”間隙。本實用新型(如圖14中雙點劃線所示)與常規技術(如圖14中虛線所示)相比，葉片2做功面積增加了近50% 60%，有效地提高了效率，改善了空化性能和穩定性。上述各實施例僅用于說明本實用新型，其中各部件的結構和連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本實用新型技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本實用新型的保護范圍之外。
權利要求1.一種親魚型軸流轉槳式水輪機，它包括轉輪室、設置在所述轉輪室內的轉輪體，連接在所述轉輪體周向的葉片和連接在所述轉輪室頂部的導葉；所述轉輪體包括依次設置的上圓柱段、球形段、下圓柱段和兩個錐臺段；所述轉輪室內表面依次包括上部的圓柱段、中部的球形段和下部的喉管段；其特征在于所述轉輪體的球形段由若干凸出的偏心球冠組成，所述偏心球冠的數量與所述葉片的數量相同，且每個葉片都分別固定連接在所述轉輪體相應的一偏心球冠上；所述轉輪室的上部圓柱段直徑低于所述轉輪室球形段直徑的0. 98倍，所述轉輪室下部的喉管段直徑低于所述轉輪室球形段直徑的0. 96倍，且所述喉管段外圓弧半徑為 0. 02 , 0. 1 D1, D1表示所述轉輪室的直徑，所述轉輪室的球形段呈全球段。
2.如權利要求1所述的一種親魚型軸流轉槳式水輪機，其特征在于所述偏心球冠是指球冠的球心在轉輪旋轉軸線沿葉片軸線往外側偏移0.01 D1-CXl D10
3.如權利要求1或2所述的一種親魚型軸流轉槳式水輪機，其特征在于所述葉片及與其相應偏心球冠的數量為3 8。
專利摘要本實用新型涉及一種親魚型軸流轉槳式水輪機，它包括轉輪室、設置在所述轉輪室內的轉輪體，連接在所述轉輪體周向的葉片和連接在所述轉輪室頂部的導葉；所述轉輪體包括依次設置的上圓柱段、球形段、下圓柱段和兩個錐臺段；所述轉輪室內壁依次包括上部的圓柱段、中部的球形段和下部的喉管段；其特征在于所述轉輪體的球形段由若干凸出的偏心球冠組成，所述偏心球冠的數量與所述葉片的數量相同，每個葉片分別固定連接在所述轉輪體相應的一偏心球冠上；所述轉輪室的圓柱段直徑低于球形段直徑的0.98倍，所述轉輪室的喉管段直徑低于球形段直徑的0.96倍，且所述喉管段外圓弧半徑為0.02D1～0.1D1，D1表示所述轉輪室的直徑，所述轉輪室的球形段呈全球段。本實用新型可以廣泛應用于水力發電裝置中。
文檔編號F03B3/12GK202165202SQ20112024836
公開日2012年3月14日 申請日期2011年7月14日 優先權日2011年7月14日
發明者廖翠林, 徐洪泉, 李鐵友, 王萬鵬, 王武昌, 瞿軍, 穆恩良, 薛鵬, 趙立策, 陸力 申請人:中國水利水電科學研究院, 北京中水科水電科技開發有限公司