力的方向改變率較高的葉片的制作方法

本發明屬于水輪機領域，涉及一種力的方向改變率較高的葉片。

背景技術：

專利號為zl97213812.9，專利名稱為一種新型氣輪機葉輪組；專利號為zl201110141839.3，專利名稱為一種應用流體動力做功的同徑葉輪組；專利號為zl201210490666.0，專利名稱為同徑葉輪組的差距線凸出面輪轂。

逆風中行駛的帆船[參見《物理基礎知識》一書第32頁]，通過這一實例看到，古代人們對力的應用已非常科學，風吹帆面，帆面不是平直而是有一定弧度，風的力經過帆面改變了力的方向，船方能逆向行駛。

現有水輪機的葉片弧度不夠合理，速度不平穩，沿程損失大，工作狀態欠佳，機械效率低，無法滿足使用需求。

技術實現要素：

本發明為了彌補現有技術的不足，提供了一種結構簡單、使用方便的力的方向改變率較高的葉片。

本發明是通過如下技術方案實現的：

本發明的力的方向改變率較高的葉片，其特征在于：葉片垂直于水輪機的軸心線安裝于轉軸上，葉片為中央內凹結構，葉片迎水面為內凹的弧形面，背水面為外凸的弧形面，弧形面的弧度為45°圓弧。

本發明的力的方向改變率較高的葉片的設計方法，其特征在于：包括以下步驟：

（1）找出動態最佳受力角度157.5度：

找出一條鉛直線；在設計水輪機時，要想使葉輪轉動，葉片就得有一定斜度，把葉片設計在45度上最佳，實際上與鉛直線構成的角度是135度，當水輪機轉動起來后，水流速度和葉輪轉動線速度還有一個二比一最佳比例，所以水流的轉角就不是135度，而是157.5度；

(2)計算力的方向改變率：

157.5度角與45度圓弧相比較,它們很接近,因此用45度圓弧代替157.5度的角,軸流式中的葉片實際應用角度接近半個45度圓弧,它的離心力是沿著半徑方向向外的,也就是247.5度,占180度到270度之間的四分之三,它的力的方向改變率為75%,因此軸流式水輪機的效率在75%；

(3)45度圓弧的轉角

45度圓弧包含兩個22.5度的轉角,水流經22.5度的下轉角,力的方向改變率為75%,經22.5度的上轉角力的方向改變率為75%,由此可知,經45度圓弧力的方向改變率為150%；

(4)45度圓弧葉片的效率

45度圓弧由157.5度的角(半個45度圓弧)延伸而成,水流經45度圓弧下轉角接近11.25度,離心力沿半徑方向,力的方向改變為258.75度,占180度到270度之間的87.5%,45度圓弧下轉角的實際方向改變率為87.5%;水流經45度圓弧上轉角接近11.25度,離心力沿半徑方向,力的方向改變為281.25度,占0度到270度之間的87.5%,45度圓弧上轉角的實際方向改變率為87.5%,由此可見,45度圓弧的整體方向改變率為175%；由步驟（2）可知,軸流式葉片力的方向改變率為75%,軸流式葉輪的效率在75%,那么45度圓弧葉片力的方向改變率為175%,45度圓弧葉輪的效率也在175%。

本發明的有益效果是，采用45度圓弧葉片，結構簡單、使用方便，工作效率高，損耗小。采用該葉片的水輪機，速度平穩，只有極小的沿程損失，運轉過程中水流速度與葉中轉動線速度達到二比一最佳比例關系，工作在較佳工作狀態，多級、單級應用都可達到較高的機械效率。

附圖說明

圖1為角度比較示意圖，圖2為157.5度方向改變率示意圖，圖3為45度圓弧兩個轉角示意圖，圖4為45度圓弧方向改變率示意圖，圖5為流道示意圖，圖6為水輪機剖視示意圖。

圖中，1外殼，2軸，3導流彎管，4導向葉片，5導葉片輪轂,6動葉片輪轂，7多比例線葉片,8水流,10泄水管，11緩波浪狀流道，12圓孔。

具體實施方式

附圖為本發明的一種具體實施例。

本發明的力的方向改變率較高的葉片，葉片垂直于水輪機的軸心線安裝于轉軸上，葉片為中央內凹結構，葉片迎水面為內凹的弧形面，背水面為外凸的弧形面，弧形面的弧度為45°圓弧。

本發明的力的方向改變率較高的葉片的設計方法，包括以下步驟：

（1）找出動態最佳受力角度157.5度：

圖1中，取一個鉛垂可以找出一條鉛直線，也就是一頭對著地球中心的直線，一切物體自由下落都是沿著這條鉛直線下落。在設計水輪機時，如果把葉片設計成與這條鉛直線重合，這種葉輪它不會轉動；如果把葉片設計成水平，與鉛直線構成90度直角，這種葉輪它也不會轉動。要想使葉輪轉動，葉片就得有一定斜度，也就是把葉片設計在45度上最佳，實際上與鉛直線構成的角度是135度，當水輪機轉動起來后，水流速度和葉輪轉動線速度還有一個二比一最佳比例[參見《火力發電機設備》一書第61頁]，所以水流的轉角就不是135度，而是157.5度。

(2)力的方向改變率

圖2中157.5度角與45度圓弧相比較,它們很接近,因此用45度圓弧代替157.5度的角,軸流式中的葉片實際應用角度接近半個45度圓弧,它的離心力是沿著半徑方向向外的,也就是247.5度,占180度到270度之間的四分之三,它的力的方向改變率為75%,因此軸流式水輪機的效率大約在75%左右。

(3)45度圓弧的轉角

圖3中,45度圓弧包含兩個22.5度的轉角,由圖2可知,水流經22.5度的下轉角,力的方向改變率為75%,經22.5度的上轉角力的方向改變率為75%,由此可知,經45度圓弧力的方向改變率為150%。

(4)45度圓弧葉片的效率

圖4中的45度圓弧由圖2中157.5度的角(半個45度圓弧)延伸而成,水流經45度圓弧下轉角接近11.25度,離心力沿半徑方向,力的方向改變為258.75度,占180度到270度之間的87.5%,45度圓弧下轉角的實際方向改變率為87.5%;水流經45度圓弧上轉角接近11.25度,離心力沿半徑方向,力的方向改變為281.25度,占0度到270度之間的87.5%,45度圓弧上轉角的實際方向改變率為87.5%,由此可見,45度圓弧的整體方向改變率為175%,由圖2可知,軸流式葉片力的方向改變率為75%,軸流式葉輪的效率在75%左右,那么45度圓弧葉片力的方向改變率為175%,45度圓弧葉輪的效率也在175%左右。

以三峽水利工程的現有水利條件為例,給出一最佳實施例,由于考慮到葉輪組在水利工程中應用的繁瑣性,為了便于操作,現給出單級45度圓弧水輪機。

45度圓弧葉片的單級水輪機由外殼1,軸2,輪轂,多比例線動葉片7,導向葉片4，導流彎管3,泄水管10構成。

水輪機中，外殼1上側設有導流彎管3，導流彎管為兩半圓形彎桶配合螺栓固定，導流彎管上部設有圓孔12，外殼下側設有泄水管10，外殼內壁安裝有導向葉片4，外殼內部設有導葉片輪轂5和動葉片輪轂6，動葉片輪轂外壁安裝有多比例線葉片7，導葉片輪轂和動葉片輪轂內安裝有軸2，軸穿過圓孔12與發電機相連接。導向葉片4與導葉片輪轂5間隙配合，多比例線葉片7與外殼1間隙配合，導向葉片與多比例線葉片一端相切配合構成緩波浪狀流道11。

以水位落差為135米為例,葉輪直徑設計為4.25米,輪轂直徑為1.75米,高1米,葉片厚度平均為4厘米最厚處為7厘米,整體重量大約在7噸左右,轉速為150轉/分鐘,流量為500立方/秒

落差135米減去10米作為損失,還剩125米,v=根下20h，速度為50米/秒，最低落差80米，速度為40米/秒，平均速度為45米/秒

葉中直徑3米，周長9米（約數），9×（150÷60）=22.5米/秒，水流速度為45米/秒，葉中線速度為22.5米/秒，根據水流速度與葉輪轉動線速度二比一最佳比例，45比22.5=2比1，水流經過45度圓弧時的損失可以說很小只有0.1一0.15，這種水輪機速度平穩，只有極小的沿程損失，運轉過程中水流速度與葉中轉動線速度達到二比一最佳比例關系，工作在較佳工作狀態，單級應用也可達到較高的機械效率。