專利名稱：一種親魚(yú)型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種水力發(fā)電裝置，特別是關(guān)于一種親魚(yú)型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)。
背景技術(shù)：
水力發(fā)電裝置通常會(huì)截?cái)圄~(yú)類的上下游通道，對(duì)依靠向上洄游完成生命循環(huán)的洄游魚(yú)影響很大，且對(duì)非洄游魚(yú)也會(huì)產(chǎn)生影響。魚(yú)類穿過(guò)普通水輪機(jī)下行時(shí)將遭受嚴(yán)重傷害。 國(guó)外的一些研究機(jī)構(gòu)的研究表明魚(yú)類通過(guò)普通水輪機(jī)的傷亡率約為30% ；水輪機(jī)的不同設(shè)計(jì)導(dǎo)致過(guò)機(jī)魚(yú)的傷亡率在5%至30%的范圍內(nèi)。國(guó)外的一些綠色環(huán)保組織和漁業(yè)者從1980 年就開(kāi)始反對(duì)筑壩，要求拆毀一些水電站。近年來(lái)，我國(guó)人民的環(huán)保意識(shí)也在不斷增強(qiáng)，中國(guó)的水電人也已開(kāi)始關(guān)注這一焦點(diǎn)問(wèn)題。常規(guī)技術(shù)中的軸流式水輪機(jī)(如圖1所示)，包括一轉(zhuǎn)輪體1，轉(zhuǎn)輪體1周向連接有若干葉片2，轉(zhuǎn)輪體1和葉片2設(shè)置在一轉(zhuǎn)輪室3內(nèi)，轉(zhuǎn)輪室3的頂部設(shè)置有若干用于調(diào)節(jié)水體流量和水流角度的活動(dòng)導(dǎo)葉4。其中轉(zhuǎn)輪體1包括依次設(shè)置的上圓柱段11、球形段12、 下圓柱段13和兩個(gè)錐臺(tái)段14、15 (又稱泄水錐)。如圖2所示，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(duì)于常規(guī)半球形轉(zhuǎn)輪室，Dthl=D1),喉管段33直徑表示為Dth2。常規(guī)技術(shù)存在以下問(wèn)題1)由于轉(zhuǎn)輪室3上部為圓柱段31，而葉片2外緣是按球面進(jìn)行加工的，葉片2外端面與轉(zhuǎn)輪室3的圓柱段31之間會(huì)形成一“楔形”間隙A (如圖1、圖3所示)，這是運(yùn)動(dòng)的葉片2與靜止的轉(zhuǎn)輪室3之間形成的運(yùn)動(dòng)間隙，且其開(kāi)口朝上，對(duì)著水流方向，因此無(wú)論是重力還是水流的作用力都會(huì)使進(jìn)入間隙的魚(yú)類向小間隙處運(yùn)動(dòng)，越夾越緊。2)盡管轉(zhuǎn)輪室3中部采用的是球形段32，但是由于轉(zhuǎn)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(diǎn)后面還是會(huì)形成一間隙小于進(jìn)水邊、平平長(zhǎng)長(zhǎng)的下部“楔形”間隙B，這一間隙B沒(méi)有上部間隙A “越夾越緊”的特性，但是由于離心力的作用，過(guò)機(jī)魚(yú)類往該區(qū)域集中的概率較高，同樣也會(huì)因擁擠和魚(yú)自身的“掙扎”而造成傷害。3)在導(dǎo)葉4出口邊下端面與轉(zhuǎn)輪室3圓弧之間也會(huì)出現(xiàn)一“楔形”間隙C (如圖 1、圖4所示)，其不僅會(huì)直接傷害魚(yú)類，更可能因?yàn)椤靶ㄐ巍遍g隙后的渦流而對(duì)魚(yú)類形成附加傷害。4) 一般當(dāng)葉片2旋轉(zhuǎn)到最大轉(zhuǎn)角時(shí)，葉片2進(jìn)水邊和出水邊的根部會(huì)碰到轉(zhuǎn)輪體 1的圓柱部分，無(wú)法旋轉(zhuǎn)到位，因此需要根據(jù)轉(zhuǎn)輪體1形狀切割葉片2，但是當(dāng)葉片2需根據(jù)發(fā)電需要旋轉(zhuǎn)葉片2到小轉(zhuǎn)角工作時(shí)，葉片2根部的進(jìn)水邊和出水邊與轉(zhuǎn)輪體1之間均會(huì)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(duì)過(guò)機(jī)魚(yú)的傷害，僅簡(jiǎn)單地減短常規(guī)技術(shù)的葉片2 (如圖7中虛線所示)，勢(shì)必會(huì)使葉片2短了許多，葉片2進(jìn)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?xí)a(chǎn)生空化，葉片2間產(chǎn)生“葉道渦”，形成非常大的剪切應(yīng)力，進(jìn)而造成效率低、空蝕嚴(yán)重、
3穩(wěn)定性差等問(wèn)題，還會(huì)因負(fù)壓、渦旋流、剪切力大等而危及過(guò)機(jī)魚(yú)類的生命。 發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的是提供一種在避免楔形間隙對(duì)過(guò)機(jī)魚(yú)類傷害的基礎(chǔ)上，提高效率和葉片出水邊壓力，避免空化和過(guò)大壓力梯度的親魚(yú)型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案一種親魚(yú)型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)， 它包括轉(zhuǎn)輪室、設(shè)置在所述轉(zhuǎn)輪室內(nèi)的轉(zhuǎn)輪體，連接在所述轉(zhuǎn)輪體周向的葉片和連接在所述轉(zhuǎn)輪室頂部的導(dǎo)葉；所述轉(zhuǎn)輪體包括依次設(shè)置的上圓柱段、球形段、下圓柱段和兩個(gè)錐臺(tái)段；所述轉(zhuǎn)輪室內(nèi)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(zhuǎn)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(shù)量與所述葉片的數(shù)量相同，且每個(gè)葉片都分別固定連接在所述轉(zhuǎn)輪體相應(yīng)的一偏心球冠上；所述轉(zhuǎn)輪室的上部圓柱段直徑低于所述轉(zhuǎn)輪室球形段直徑的0. 98倍，所述轉(zhuǎn)輪室下部的喉管段直徑低于所述轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪室的直徑，所述轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)軸線沿葉片軸線往外側(cè)偏移0. 01 D1
0. 1 D1O所述葉片及與其相應(yīng)偏心球冠的數(shù)量為3 8。本實(shí)用新型由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本實(shí)用新型由于在轉(zhuǎn)輪體的球形段設(shè)置了若干偏心球冠，并將葉片分別連接在相應(yīng)的偏心球冠上，因此與常規(guī)技術(shù)的轉(zhuǎn)輪體相比，本實(shí)用新型的偏心球冠與圓柱段相交線的最高點(diǎn)變得更高，最低點(diǎn)變得更低，從而增加了葉片對(duì)轉(zhuǎn)輪體的包角，減小了葉片與轉(zhuǎn)輪體進(jìn)、出水邊的楔形間隙，減輕了對(duì)魚(yú)類的傷害。2、本實(shí)用新型由于將轉(zhuǎn)輪室內(nèi)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(zhuǎn)輪室將葉片的進(jìn)水邊完全包裹起來(lái)，因此葉片與轉(zhuǎn)輪室內(nèi)表面之間不會(huì)形成較大的“楔形”間隙，也沒(méi)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(zhǎng)度和做功面積，較高的效率，以及較好的空化性能。 3、本實(shí)用新型由于將轉(zhuǎn)輪室的圓柱段直徑減小，導(dǎo)葉的底端也就不會(huì)伸至轉(zhuǎn)輪室，從而避免了導(dǎo)葉底端面與轉(zhuǎn)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(yú)類的傷亡率。4、本實(shí)用新型由于將轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪室對(duì)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(yú)條件下不減短或者少減短葉片，進(jìn)而增加了葉片的做功面積。5、本實(shí)用新型由于減小了轉(zhuǎn)輪室上部圓柱段和下部喉管段的直徑，同時(shí)降低了喉管段外圓弧半徑， 因此使轉(zhuǎn)輪室的球形段從常規(guī)技術(shù)的半球形段，變成了一全球段，從而使轉(zhuǎn)輪室能夠更好地包裹葉片的球形外緣。本實(shí)用新型與常規(guī)技術(shù)相比，葉片做功面積增加了近50% 60%， 有效地增加了導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)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(wěn)定性，大大降低了魚(yú)類通過(guò)水輪機(jī)的傷亡率，它可以廣泛應(yīng)用于水力發(fā)電裝置中。

圖1是常規(guī)技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖[0015]圖2是常規(guī)技術(shù)轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)示意圖圖3是常規(guī)技術(shù)中葉片與轉(zhuǎn)輪室之間楔形間隙局部放大示意圖圖4是常規(guī)技術(shù)中導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪室之間楔形間隙局部放大示意圖圖5是常規(guī)技術(shù)中葉片進(jìn)水邊楔形間隙示意圖圖6是常規(guī)技術(shù)中葉片出水邊楔形間隙示意圖圖7是常規(guī)技術(shù)中葉片切割葉片以消除楔形間隙示意圖圖8是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖圖9是本實(shí)用新型轉(zhuǎn)輪體結(jié)構(gòu)示意圖圖10是本實(shí)用新型轉(zhuǎn)輪體中球形段俯視示意圖圖11是本實(shí)用新型轉(zhuǎn)輪室與常規(guī)轉(zhuǎn)輪室局部結(jié)構(gòu)比較示意圖圖12是本實(shí)用新型轉(zhuǎn)輪室與葉片配合示意圖圖13是本實(shí)用新型轉(zhuǎn)輪室與導(dǎo)葉配合示意圖圖14是本實(shí)用新型與常規(guī)技術(shù)的比較示意圖
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步的描述。本實(shí)用新型對(duì)常規(guī)技術(shù)的改進(jìn)包含兩項(xiàng)主要內(nèi)容，其一是對(duì)轉(zhuǎn)輪體1進(jìn)行改進(jìn)， 增加了葉片2對(duì)轉(zhuǎn)輪體1的包角，同時(shí)在避免“楔形間隙”的基礎(chǔ)上增加了葉片2的根部長(zhǎng)度；其二是對(duì)轉(zhuǎn)輪室3進(jìn)行改進(jìn)，增加了轉(zhuǎn)輪室3對(duì)葉片2的包角，在避免“楔形間隙”的基礎(chǔ)上增加了葉片2的外緣長(zhǎng)度。如圖8 10所示，本實(shí)用新型的轉(zhuǎn)輪體1與常規(guī)技術(shù)相同也包括依次設(shè)置的上圓柱段11、球形段12、下圓柱段13和兩個(gè)錐臺(tái)段14、15。但是本實(shí)用新型的球形段12采用若干偏心球冠16 (本實(shí)施例為四個(gè)偏心球冠，但不限于此)來(lái)代替常規(guī)轉(zhuǎn)輪體1的一個(gè)球體，所謂偏心球冠16是指球冠的球心在轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)軸線沿葉片軸線往外側(cè)偏移一段距離，該距離約為(XOlD1-O. 1 D10本實(shí)用新型偏心球冠16的數(shù)量與葉片2的數(shù)量一致，每一葉片 2固定連接在一個(gè)相應(yīng)的偏心球冠16上。具體的葉片2和相應(yīng)的偏心球冠16的數(shù)量是可以在3 8范圍內(nèi)有所變化的。本實(shí)用新型轉(zhuǎn)輪體1的球形段由于設(shè)置了偏心球冠，與常規(guī)轉(zhuǎn)輪體相比，球形段12與圓柱段11相交線的最高點(diǎn)(圓柱方向)變得更高，球形段12與圓柱段11相交線的最低點(diǎn)變得更低，因此本實(shí)用新型可以增加葉片2對(duì)轉(zhuǎn)輪體1的包角， 減小葉片2與轉(zhuǎn)輪體1進(jìn)、出水邊的“楔形”間隙A和間隙B，減輕對(duì)魚(yú)類的傷害。如圖2、圖11所示，本實(shí)用新型的轉(zhuǎn)輪室3內(nèi)表面與常規(guī)技術(shù)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(guī)技術(shù)轉(zhuǎn)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(shí)用新型上部圓柱段31直徑Dthl低于0.98 D1 (如圖11中實(shí)線所示)。本實(shí)用新型與常規(guī)轉(zhuǎn)輪室相比，由于轉(zhuǎn)輪室由半球形改為球形，且將圓柱段31直徑Dthl減小，因此轉(zhuǎn)輪室3可以將葉片2的進(jìn)水邊完全包裹起來(lái)，葉片2與轉(zhuǎn)輪室3內(nèi)表面之間不會(huì)形成較大的“楔形”間隙A (如圖12上部所示)，也沒(méi)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(zhǎng)度和做功面積，較高的效率，以及較好的空化性能。同時(shí)由于將圓柱段31直徑Dthl減小，導(dǎo)葉4的底端也就不會(huì)伸至轉(zhuǎn)輪室3，從而避免了導(dǎo)葉4底端面與轉(zhuǎn)輪室3之間形成的“楔形”間隙C (如圖13中實(shí)線所示，虛線為常規(guī)技術(shù))，以及由此而引起的渦旋流，從而可以降低魚(yú)類的傷亡率。如圖11所示，常規(guī)技術(shù)中轉(zhuǎn)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(shí)用新型轉(zhuǎn)輪室3下部喉管段33直徑Dth2低于0.96 D1 (如圖11中實(shí)線所示)，喉管段33外圓弧半徑R降低到 0. 02 D1-CXl D1。本實(shí)用新型與常規(guī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪室3對(duì)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(shí)線所示，虛線為常規(guī)技術(shù))，從而可以在親魚(yú)條件下不減短或者少減短葉片2，進(jìn)而增加了葉片2的做功面積。如圖14所示，本實(shí)用新型的轉(zhuǎn)輪體1和轉(zhuǎn)輪室3均采用了親魚(yú)型設(shè)計(jì)，增加了葉片2對(duì)轉(zhuǎn)輪體1的包角，增加了轉(zhuǎn)輪室3對(duì)葉片2的包角，增加了導(dǎo)葉4與轉(zhuǎn)輪室3的包角， 有效地減小了“楔形”間隙。本實(shí)用新型(如圖14中雙點(diǎn)劃線所示)與常規(guī)技術(shù)(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(wěn)定性。上述各實(shí)施例僅用于說(shuō)明本實(shí)用新型，其中各部件的結(jié)構(gòu)和連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本實(shí)用新型技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求1.一種親魚(yú)型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，它包括轉(zhuǎn)輪室、設(shè)置在所述轉(zhuǎn)輪室內(nèi)的轉(zhuǎn)輪體，連接在所述轉(zhuǎn)輪體周向的葉片和連接在所述轉(zhuǎn)輪室頂部的導(dǎo)葉；所述轉(zhuǎn)輪體包括依次設(shè)置的上圓柱段、球形段、下圓柱段和兩個(gè)錐臺(tái)段；所述轉(zhuǎn)輪室內(nèi)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(zhuǎn)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(shù)量與所述葉片的數(shù)量相同，且每個(gè)葉片都分別固定連接在所述轉(zhuǎn)輪體相應(yīng)的一偏心球冠上；所述轉(zhuǎn)輪室的上部圓柱段直徑低于所述轉(zhuǎn)輪室球形段直徑的0. 98倍，所述轉(zhuǎn)輪室下部的喉管段直徑低于所述轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪室的直徑，所述轉(zhuǎn)輪室的球形段呈全球段。
2.如權(quán)利要求1所述的一種親魚(yú)型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，其特征在于所述偏心球冠是指球冠的球心在轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)軸線沿葉片軸線往外側(cè)偏移0.01 D1-CXl D10
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種親魚(yú)型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，其特征在于所述葉片及與其相應(yīng)偏心球冠的數(shù)量為3 8。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種親魚(yú)型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，它包括轉(zhuǎn)輪室、設(shè)置在所述轉(zhuǎn)輪室內(nèi)的轉(zhuǎn)輪體，連接在所述轉(zhuǎn)輪體周向的葉片和連接在所述轉(zhuǎn)輪室頂部的導(dǎo)葉；所述轉(zhuǎn)輪體包括依次設(shè)置的上圓柱段、球形段、下圓柱段和兩個(gè)錐臺(tái)段；所述轉(zhuǎn)輪室內(nèi)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(zhuǎn)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(shù)量與所述葉片的數(shù)量相同，每個(gè)葉片分別固定連接在所述轉(zhuǎn)輪體相應(yīng)的一偏心球冠上；所述轉(zhuǎn)輪室的圓柱段直徑低于球形段直徑的0.98倍，所述轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪室的直徑，所述轉(zhuǎn)輪室的球形段呈全球段。本實(shí)用新型可以廣泛應(yīng)用于水力發(fā)電裝置中。
文檔編號(hào)F03B3/12GK202165202SQ20112024836
公開(kāi)日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2011年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月14日
發(fā)明者廖翠林, 徐洪泉, 李鐵友, 王萬(wàn)鵬, 王武昌, 瞿軍, 穆恩良, 薛鵬, 趙立策, 陸力 申請(qǐng)人:中國(guó)水利水電科學(xué)研究院, 北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司