專利名稱：一種多葉水輪機的制作方法
技術領域：
本發明屬于機械設計制造領域，尤其屬于水輪機設計制造領域，特別涉及水輪機的轉輪、流道設計技術。
背景技術：
現有反擊式水輪機由蝸殼、固定導葉、導水機構、轉輪、尾水管等過流部件組成，依靠轉輪轉換水流的勢能量。混流式轉輪葉片數一般13至17片，軸流式和貫流式轉輪葉片數一般3至5片，葉片均為雕塑曲面，加工工藝復雜。固定導葉、活動導葉均為曲面零部件。沖擊式水輪機轉輪的水斗的型面也為復雜的雕塑曲面。設計時，現有的水輪機的主要過流部件中蝸殼、導水機構、轉輪、尾水管要通過“水力設計一模型試驗一反復修改流道設計”來達到性能指標要求。制造時，這些過流部件的制造也非常復雜。作為流體動力轉換設備，對于一些應用，如微型發電裝置、管路中液體動力能量轉換等，無論從產品結構和制造工藝，還是從調節和控制特性等方面都不太適合。現有的水輪機其出力與流量和水頭間關系是非常復雜的非線性關系，運行過程中調節復雜。因此，對于小型發電和管路中液體動力能量轉換裝置，為了提高其常規的適用性，需要一種結構簡單，制造方便，調節和控制容易的水輪機。
發明內容
本發明根據現有技術的不足公開了一種多葉水輪機。本發明要解決的問題是提供一種結構緊致的多葉水輪機，本發明水輪機不需復雜的調節控制系統，適用于小型發電裝置、提高管路中液體動力能量轉換。本發明通過以下技術方案實現:多葉水輪機，包括組成水輪機的蝸殼、轉輪、支撐蓋、軸承、底環和泄流管，其特征是:在蝸殼螺旋形流道中、轉輪徑向外周設置有噴嘴環，噴嘴環有均勻間隔設置的噴射液流驅動轉輪的噴孔。所述轉輪圓周上有均勻間隔設置的葉片，葉片之間形成與噴孔噴射液流匹配的弧形流道。所述葉片由橫截面結構相同的弧面柱體和軸向設置的固定軸構成；所述弧面柱體由軸向設置的內弧面、外弧面和平面構成，固定軸位于內弧面底部和外弧面底部之間；內弧面和外弧面均為圓弧且弧面方向同向設置，內弧面圓弧兩端分別通過平面一和平面二與外弧面圓弧兩端連接，其中葉片弧面柱體一側的平面一與外弧面通過連接圓弧過度連接，平面一或平面二在外弧面圓弧端的延伸線與葉片橫截面徑向軸線的夾角為22 25度。葉片安放角α是15 20度。進一步所述噴孔橫截面的形狀 是兩端半圓與中間矩形構成的腰形孔，各噴孔軸向與噴嘴環切線的夾角為22 25度 。
上述噴孔數量為18 20個，轉輪葉片數量是噴孔數量的3倍，即54 60個。上述蝸殼螺旋形流道的橫截面由入口至尾端是面積逐漸變小的梯形。本發明多葉水輪機運行時，通過管道將一定壓力的液體引入蝸殼，螺旋型蝸殼流道使得液體的徑向流速分布更均勻，均勻的液體流向腰型孔噴嘴環并形成高速液流，噴嘴環上的各腰型孔出流混合后形成轉輪前的較為均勻的流場分布；高速液流通過轉輪不僅主要轉換液流的動能，還轉換液流的一部分勢能；然后從轉輪的葉片出流通過再通過底環的擴散流道流入泄水管。本發明噴嘴環有均勻間隔設置的噴孔，噴孔橫截面的形狀是兩端半圓與中間矩形構成的腰形孔，腰形孔具有類似反擊式水輪機的導水機構的部分功能，但結構簡單，便于加工；噴嘴環上均勻間隔設置的18 20個噴孔出流混合后較為均勻，形成轉輪前需要的高速入流流場分布；高速液流通過轉輪不僅主要轉換液流的動能，還轉換液流的一部分勢能，與現有的沖擊式水輪機轉輪只轉換液流的動能在原理上不同。本發明轉輪葉片采用橫截面結構相同的弧面柱體和軸向設置的固定軸構成。這種圓弧-直線橫截面的直紋面結構，相對于具有雕塑曲面，加工工藝復雜的現有葉片，其結構大為簡化、容易加工，使得設計制造更簡化，生產成本低。本發明的轉輪屬于葉片等高的徑流式轉輪，等高的直紋面葉片在轉輪分布圓按給定的葉片安放角沿周向均勻間隔設置。由于轉輪葉片進口處圓柱的直徑大于葉片出口處圓柱的直徑，而且在轉輪旋轉方向傾斜有15 20度的葉片安放角，葉片間進口面積明顯大于出口，所有每兩直葉片間為具有一定反動度的收縮流道，該流道具有轉換液流的一部分勢能的能力。所述安放角α是葉片安裝固定后，葉片內弧面圓弧兩端連線與轉輪徑向線的夾角，所述轉輪徑向線是通過轉輪圓心與葉片內弧面圓弧內側端的連線。經檢測，根據不同轉速下“流量-輸出軸功率”關系曲線、不同流量下“轉速-輸出軸功率”曲線，本發 明的多葉水輪機在一定的轉速范圍內，水輪機出力與流量基本上為線性關系。本發明有益性，本發明的多葉水輪機流道不僅轉換液流的動能，還轉換液流的一部分勢能；在一定的轉速范圍內，出力與流量基本上為線性關系，不需復雜的調節控制系統。水輪機結構大為簡化，制造工藝簡單，降低了成本。本發明的多葉水輪機結構緊致，適用于作為小(微)型水力發電、管路中液體動力能量轉換為旋轉的機械能等用途。
圖1是本發明水輪機縱截面結構示意圖；圖2是本發明水輪機蝸殼、轉輪、噴嘴環截面結構示意圖，即圖1AA面示意圖；圖3是圖1局部放大示意圖；圖4是噴嘴環軸向截面示意圖；圖5是噴嘴環徑向截面示意圖；圖6是噴嘴環立體示意圖；圖7是轉輪葉片布置示意圖；圖8是轉輪徑向截面示意圖；圖9是轉輪葉片橫截面示意圖10是轉輪葉片立體結構示意圖；圖11是轉輪葉片布置局部放大結構示意圖；圖12是蝸殼立體結構示意圖；圖13是不同轉速下“流量-輸出軸功率”關系曲線；圖14是不同流量下“轉速-輸出軸功率”關系曲線。圖中，I是蝸殼，2是噴嘴環，2a是噴孔，3是轉輪，3a是葉片，3b是葉片間流道，4是支撐蓋，5是底環，6是泄流管，7是軸承，A是平面一或平面二在外弧面圓弧端的延伸線與葉片橫截面徑向軸線的夾角，Al是平面二，A2是固定軸，A3是平面一，R是連接圓弧，Rl是內弧面，R2是外弧面，α是安放角，b是噴孔軸向與噴嘴環切線的夾角。
具體實施例方式下面通 過實施例對本發明進行進一步的描述，本實施例只用于對本發明進行進一步的說明，但不能理解為對本發明保護范圍的限制，本領域的技術人員可以根據上述本發明的內容作出一些非本質的改進和調整屬于本發明保護的范圍。結合圖1至圖12。多葉水輪機，包括組成水輪機的蝸殼1、轉輪3、支撐蓋4、軸承7、底環5和泄流管6，在蝸殼I螺旋形流道中、轉輪3徑向外周設置有噴嘴環2，噴嘴環2有均勻間隔設置的噴射液流驅動轉輪3的噴孔2a。轉輪3圓周上有均勻間隔設置的葉片3a，葉片3a之間形成與噴孔2a噴射液流匹配的弧形流道3b。葉片3a由橫截面結構相同的弧面柱體和軸向設置的固定軸A2構成；弧面柱體由軸向設置的內弧面R1、外弧面R2和平面構成，固定軸A2位于內弧面Rl底部和外弧面R2底部之間；內弧面Rl和外弧面R2均為圓弧且弧面方向同向設置，內弧面Rl圓弧兩端分別通過平面一 A3和平面二 Al與外弧面R2圓弧兩端連接，其中葉片3a弧面柱體一側的平面一A3與外弧面R2通過連接圓弧R過度連接，平面一 A3或平面二 Al在外弧面R2圓弧端的延伸線與葉片3a橫截面徑向軸線的夾角A為22 25度。葉片3a安放角α是15 20度。噴孔2a橫截面的形狀是兩端半圓與中間矩形構成的腰形孔，各噴孔2a軸向與噴嘴環2切線的夾角b為22 25度。噴孔2a數量為18 20個，葉片3a數量是噴孔2a數量的3倍，即54 60個。蝸殼I螺旋形流道的橫截面由入口至尾端是面積逐漸變小的梯形。結合圖1、圖2和圖3，圖1是本發明水輪機縱截面結構示意圖，圖中表示了水輪機截面各結構狀態；圖2是本發明水輪機蝸殼、轉輪、噴嘴環截面結構示意圖，即圖1AA面示意圖；圖3是圖1局部放大示意圖；如圖所示，水輪機包括蝸殼1、轉輪3、支撐蓋4、軸承7、底環5和泄流管6，水流按圖中箭頭方向流動，在蝸殼I螺旋形流道中、轉輪3徑向外周設置有噴嘴環2，噴嘴環2有均勻間隔設置的噴射液流驅動轉輪3的噴孔2a ;水流通過蝸殼I進入水輪機，水流引入蝸殼I并由螺旋型蝸殼I流道使得液體的徑向流速分布基本均勻，然后流向噴嘴環2并形成高速液流，噴嘴環2上的噴孔2a噴出流混合后形成轉輪3前的更為均勻的流場分布。高速液流通過葉片3a與轉輪3進行液流的動能和部分勢能轉換后，從轉輪3的葉片3a出流，通過底環5的擴散流道流入泄水管6 ;轉輪3在噴嘴環2中轉動，轉輪3的葉片3a由噴嘴環2噴射液流驅動。如圖1和圖3所示，噴嘴環2固定在支撐蓋4和底環5之間，水流進入蝸殼I后須經噴嘴環2再與轉輪3進行能量轉換，結合圖12，蝸殼I螺旋形流道的橫截面由入口至尾端是面積逐漸變小的梯形，該結構使液體的徑向流速分布基本均勻，在通過噴嘴環2后進一步形成轉輪3前的更為均勻的流場分布。結合圖4、圖5和圖6，如圖所示，圖4是噴嘴環軸向截面示意圖，圖5是噴嘴環徑向截面示意圖，圖6是噴嘴環立體示意圖；本發明噴嘴環2為具有一定厚度的環狀結構，安裝在支撐蓋4和底環5之間，驅動水流需經噴嘴環2后再與轉輪3進行能量轉換，噴嘴環2上噴孔2a橫截面的形狀是兩端半圓與中間矩形構成的腰形孔，各噴孔2a軸向與噴嘴環2切線的夾角b為22 25度，噴嘴環2與水輪機的固定通過環兩側分別與支撐蓋4或底環5固定實現。本例噴嘴環2上均勻設置有18個噴孔2a。結合圖7、圖8、圖9和圖10，如圖所示，圖7是轉輪葉片布置示意圖，圖8是轉輪徑向截面示意圖，圖9 是轉輪葉片橫截面示意圖，圖10是轉輪葉片立體結構示意圖；轉輪3及其葉片3a結構是本發明重要部分。圖7和圖8表示了本發明轉輪3及其葉片3a的布置結構，如圖7所示，本發明葉片3a均勻布置在轉輪3環上，本發明可以設置三倍于噴嘴環2上噴孔2a數量的葉片3a數量，葉片3a通過固定軸A2固定在轉輪3的蓋板上，葉片3a內弧面Rl與噴嘴環2噴孔2a噴射液流匹配實現能量的轉換。圖9是轉輪葉片橫截面示意圖，圖10是轉輪葉片立體結構示意圖；如圖所示，本發明葉片3a由橫截面結構相同的弧面柱體和軸向設置的固定軸A2構成；弧面柱體由軸向設置的內弧面R1、外弧面R2和兩側的平面構成，固定軸A2位于內弧面Rl底部和外弧面R2底部之間；內弧面Rl和外弧面R2均為圓弧且弧面方向同向設置，所謂同向設置指弧面凹陷方向相同形成異形的凹槽，內弧面Rl圓弧兩端分別通過平面一 A3和平面二 Al與外弧面R2圓弧兩端連接，其中葉片3a弧面柱體一側的平面一 A3與外弧面R2通過連接圓弧R過度連接，平面一 A3或平面二 Al在外弧面R2圓弧端的延伸線與葉片3a橫截面徑向軸線的夾角A為22 25度，即平面一 A3和平面二 Al相對于豎直的徑向軸線傾斜設置，且有相同的傾斜夾角A ;本例內弧面Rl和外弧面R2的橫截面是不同半徑圓弧上一段，固定半徑的弧面有利于簡化加工程序，較雕塑曲面葉片的加工大幅提高了效率，節約了加工成本，且使最終的水輪機調節控制性能更佳。葉片3a安裝固定后，有連接圓弧R的弧面柱體一側位于弧形流道3b進水口。結合圖11，如圖所示，圖11是轉輪葉片布置局部放大結構示意圖。圖中表示了葉片3a安裝后形成的弧形流道3b，安放角α是葉片安裝固定后，葉片內弧面Rl圓弧兩端連線與轉輪徑向線的夾角，所述轉輪徑向線是通過轉輪圓心與葉片內弧面圓弧內側端的連線。本例安放角α是15 20度。本發明的轉輪屬于葉片等高的徑流式轉輪，等高的直紋面葉片在轉輪分布圓按15 20度的葉片安放角α沿周向均勻間隔設置。由于轉輪葉片3a進口處圓柱的直徑大于葉片出口處圓柱的直徑，而且在轉輪3旋轉方向傾斜有15 20度的葉片安放角，葉片間進口面積明顯大于出口，所有每兩直葉片間為具有一定反動度的收縮流道，該流道具有轉換液流一部分勢能的能力。
經檢測試驗，得到不同轉速下“流量-輸出軸功率”關系曲線如圖13所示，不同流量下“轉速-輸出軸功率”關系曲線如圖14所示。圖13和圖14說明本發明的多葉水輪機在一定的轉速范圍內，水輪機·出力與流量基本上為線性關系。
權利要求
1.一種多葉水輪機，包括組成水輪機的蝸殼(I)、轉輪(3)、支撐蓋(4)、軸承(7)、底環(5)和泄流管(6)，其特征是:在蝸殼(I)螺旋形流道中、轉輪(3)徑向外周設置有噴嘴環(2 )，噴嘴環(2 )有均勻間隔設置的噴射液流驅動轉輪(3 )的噴孔(2a)。
2.根據權利要求1所述的多葉水輪機，其特征是:所述轉輪(3)圓周上有均勻間隔設置的葉片(3a)，葉片(3a)之間形成與噴孔(2a)噴射液流匹配的弧形流道(3b)。
3.根據權利要求2所述的多葉水輪機，其特征是:所述葉片(3a)由橫截面結構相同的弧面柱體和 軸向設置的固定軸(A2)構成；所述弧面柱體由軸向設置的內弧面(R1)、外弧面(R2)和平面構成，固定軸(A2)位于內弧面(Rl)底部和外弧面(R2)底部之間；內弧面(Rl)和外弧面(R2)均為圓弧且弧面方向同向設置，內弧面(Rl)圓弧兩端分別通過平面一(A3)和平面二(Al)與外弧面(R2)圓弧兩端連接，其中葉片(3a)弧面柱體一側的平面一(A3)與外弧面(R2)通過連接圓弧(R)過度連接，平面一(A3)或平面二(Al)在外弧面(R2)圓弧端的延伸線與葉片(3a)橫截面徑向軸線的夾角(A)為22 25度。
4.根據權利要求3所述的多葉水輪機，其特征是:葉片(3a)安放角(α)是15 20度。
5.根據權利要求1至4任一項所述的多葉水輪機，其特征是:所述噴孔(2a)橫截面的形狀是兩端半圓與中間矩形構成的腰形孔，各噴孔(2a)軸向與噴嘴環(2)切線的夾角(b)為22 25度。
6.根據權利要求5所述的多葉水輪機，其特征是:所述噴孔(2a)數量為18 20個，葉片(3a)數量是噴孔(2a)數量的3倍。
7.根據權利要求5所述的多葉水輪機，其特征是:所述蝸殼(I)螺旋形流道的橫截面由入口至尾端是面積逐漸變小的梯形。
全文摘要
本發明公開了一種多葉水輪機。包括組成水輪機的蝸殼、轉輪、支撐蓋、軸承、底環和泄流管，在蝸殼螺旋形流道中、轉輪徑向外周設置有噴嘴環，噴嘴環有均勻間隔設置的噴射液流驅動轉輪的噴孔；轉輪圓周上有均勻間隔設置的葉片，葉片之間形成與噴孔噴射液流匹配的弧形流道。本發明的多葉水輪機流道不僅轉換液流的動能，還轉換液流的一部分勢能；在一定的轉速范圍內，出力與流量基本上為線性關系，不需復雜的調節控制系統。水輪機結構大為簡化，制造工藝簡單，降低了成本。本發明的多葉水輪機結構緊致，適用于作為小(微)型水力發電、管路中液體動力能量轉換為旋轉的機械能等用途。
文檔編號F03B3/16GK103244335SQ20131016247
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月6日 優先權日2013年5月6日
發明者賴喜德, 張惟斌, 張翔, 茍秋琴 申請人:西華大學