采用溝槽減阻的混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種混流式水輪機轉(zhuǎn)輪，尤其涉及過流表面減阻的混流式水輪機轉(zhuǎn) 輪。
【背景技術(shù)】：
[0002] 混流式水輪機是把水流的勢能和動能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機械能的水力發(fā)電設(shè)備，是目前 應用最廣泛的水輪機，轉(zhuǎn)輪是混流式水輪機的核心部件，是把水能轉(zhuǎn)換為機械能的關(guān)鍵部 件，主要由上冠、下環(huán)和葉片組成，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動為高雷諾數(shù)的湍流流動，水流與轉(zhuǎn)輪過流 面的表面阻力是造成能量損失的原因之一。要提高轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)化能量的效率，就要盡可能降低 水輪機轉(zhuǎn)輪表面阻力;傳統(tǒng)的設(shè)計制造理念中，為了減少水輪機轉(zhuǎn)輪的表面阻力，要求轉(zhuǎn)輪 過流表面越光滑越好，通常的表面粗糙度要求在Ral. 6以下，加工成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0003] 本發(fā)明的目的是提出一種表面粗糙度要求不高，加工成本低，可以有效的降低表 面阻力，能量轉(zhuǎn)換效率高的采用溝槽減阻的混流式水輪機轉(zhuǎn)輪。
[0004] 本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的：
[0005] 采用溝槽減阻的混流式水輪機轉(zhuǎn)輪，由上冠1，若干在轉(zhuǎn)輪圓周方向間隔分布的葉 片2和下環(huán)4組成，葉片的上端與上冠連接，下端與下環(huán)連接，上冠上的過流表面由并列的第 一溝槽5構(gòu)成，葉片上的過流表面由并列的第二溝槽3構(gòu)成，下環(huán)上的過流表面由并列的第 三溝槽6構(gòu)成，第一、二、三溝槽的方向為設(shè)計工況時的流線方向，第一、二、三溝槽的的橫截 面為相同的對稱V型結(jié)構(gòu)7，溝槽的高度h為0.1-0.3mm，溝槽的寬度s為0.1 mm-0.3mm。
[0006] 溝槽的高度h和寬度s尺寸按下列公式計算：
[0007] 水輪機設(shè)計水頭小于IOOm時:h = s = 0.3mm，
[0008] 水輪機設(shè)計水頭在IOOm~200m時:h = s = 0.2mm,
[0009] 水輪機設(shè)計水頭大于200m時:h = s = 0.1mm。
[0010] 上冠1、葉片2、下環(huán)4的過流表面的橫截面為鋸齒形。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及突出性效果:本發(fā)明在混流式水輪機轉(zhuǎn) 輪的過流表面上設(shè)置了順流向的溝槽，溝槽截面為對稱V型結(jié)構(gòu)，溝槽的高度h范圍為0. ΙΟ · 3mm， 寬度 s 為0 · Imm-O · 3mm， 可以有效的 降低水輪機轉(zhuǎn)輪的表面阻力 ，提高水輪機效率; 溝 槽的高度、寬度尺度很小，不會改變轉(zhuǎn)輪表面的整體形狀，能保持原有的水力性能;在表面 加工微小溝槽，加工簡單，可以降低對轉(zhuǎn)輪表面粗糙度的要求，減小表面加工時間和難度， 具有加工成本低，適用范圍廣的特點，可以滿足各種類型的混流式水輪機。
【附圖說明】：
[0012] 圖1為本發(fā)明的混流式轉(zhuǎn)輪整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013] 圖2為本發(fā)明的混流式轉(zhuǎn)輪上冠示意圖。
[0014] 圖3為本發(fā)明的混流式轉(zhuǎn)輪下環(huán)示意圖。
[0015] 圖4為本發(fā)明的過流表面上設(shè)置的順流向的溝槽結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖5為本發(fā)明的過流表面橫截面圖。
[0017]圖6為-次禍不意圖。
[0018] 由上冠1，葉片2,下環(huán)4組成，上冠上的過流表面由并列的第一溝槽5構(gòu)成，葉片上 的過流表面由并列的第二溝槽2構(gòu)成，下環(huán)上的過流表面由并列的第三溝槽6構(gòu)成，第一、 二、三溝槽的方向為設(shè)計工況時的流線方向，第一、二、三溝槽的的結(jié)構(gòu)為相同的對稱V型結(jié) 構(gòu)7 〇
[0019] 科學研究表明，當流體沿固體表面流動時，不是固體表面越光滑，表面阻力就越 小。比如在動物界中，游動速度最快的鯊魚的皮膚表面就是布滿了溝槽結(jié)構(gòu)，以便于它能盡 可能的減小表面阻力，獲得更高的游速。
[0020] 通過實驗研究和理論分析，科學家發(fā)現(xiàn):湍流流動中，在固體表面與流體接觸面設(shè) 置溝槽，可以改變近表面的湍流擬序結(jié)構(gòu)，如圖6所示，在底層流向渦的作用下，在溝槽鋒尖 附近誘導產(chǎn)生二次渦，二次渦減弱了與低速條帶相聯(lián)系的反向旋轉(zhuǎn)流向渦對，并在溝槽內(nèi) 保留低速流體，限制了流向渦的展向運動，減弱了邊界層中的猝發(fā)過程，不僅減少了猝發(fā)的 頻率，而且減弱了猝發(fā)的強度，使流體在近壁流動中能耗大大降低，有效的減少了表面阻 力。研究還表明，溝槽的形狀對減阻效果有較大影響，同時溝槽的高度和寬度尺寸必須滿足 一定的條件才能達到理想的減阻效果。
[0021] 目前，利用溝槽結(jié)構(gòu)進行減阻已經(jīng)開始應用在快速泳衣、長距離管道輸送等方面， 但是在水輪機的設(shè)計制造中還沒有應用?；炝魇剿啓C應用水頭范圍大致為30m~300m，轉(zhuǎn) 輪的直徑范圍大致為Im~8m，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流道較為狹窄，流速較快，轉(zhuǎn)輪內(nèi)流動的Re數(shù)為IO 9 量級，是高Re數(shù)的湍流流動，表面阻力的影響較為明顯。本發(fā)明通過研究混流式水輪機結(jié) 構(gòu)、內(nèi)部流動特點，提出可以在混流式水輪機的轉(zhuǎn)輪過流表面設(shè)置溝槽進行減阻，以提高水 輪機效率。
[0022] 科學研究表明，溝槽的形狀和尺寸必須滿足一定的條件，才能達到良好的減阻性 能。根據(jù)實驗研究和模擬計算，對稱的V型結(jié)構(gòu)溝槽有良好的減阻性能，而且無量綱尺寸h + < 25和s+ < 30時具有良好的減阻特性，當h+= S+= 15時，減阻效果最佳，可以減小表面阻力 8%。因此，綜合考慮混流式水輪機的結(jié)構(gòu)和運行特點，溝槽的無量綱尺寸可以用下面的公 式表示：
[0025]其中，h+為溝槽高度無量綱尺寸，S+為寬度的無量綱尺寸;h為溝槽的高度，s為溝槽 的寬度，Re為雷諾數(shù)，γ為水的運動粘性系數(shù);Ut為轉(zhuǎn)輪進口平均相對流速，與混流式水輪 機的設(shè)計水頭尚度相關(guān)。
[0026]水的運動粘性系數(shù)γ =1.01 X 1016m2/s，水輪機內(nèi)部流動為高Re數(shù)的湍流流動，Re =1 X 109,令 h+ = s+ = 15，
[0027] 通過對混流式水輪機的統(tǒng)計分析，可以得出當混流式水輪機的設(shè)計水頭小于100m 時，典型的轉(zhuǎn)輪進口平均流速Ut= 15m/s，
[0028] 計算可得:h = s = 0.3mm，
[0029]當混流式水輪機的設(shè)計水頭為IOOm~200m時，典型的轉(zhuǎn)輪進口平均流速Ut = 25m/ s，計算可得:h = s = 0.2mm，
[0030]當混流式水輪機的設(shè)計水頭大于200m時，典型的轉(zhuǎn)輪進口平均流速Ut = 35m/s，計 算可得:h = S = O. 1mm,
[0031 ]綜合考慮加工精度和混流式水輪機應用范圍，本發(fā)明提出了溝槽的加工尺寸： [0032] 水輪機設(shè)計水頭小于IOOm時:h = s = 0 · 3mm,
[0033] 水輪機設(shè)計水頭在IOOm~200m時:h = s = 0.2mm，
[0034] 水輪機設(shè)計水頭大于200m時:h = s = 0.1mm。
【主權(quán)項】
1. 采用溝槽減阻的混流式水輪機轉(zhuǎn)輪，由上冠（1)，葉片(2)，下環(huán)(4)組成，其特征在于 上冠上的過流表面由并列的第一溝槽(5)構(gòu)成，葉片上的過流表面由并列的第二溝槽(3)構(gòu) 成，下環(huán)上的過流表面由并列的第三溝槽(6)構(gòu)成，第一、二、三溝槽的方向為順設(shè)計工況時 的流線方向，第一、二、三溝槽的的結(jié)構(gòu)為相同的對稱V型結(jié)構(gòu)（7)，溝槽的高度h為0 . ΙΟ.3mm，溝槽的寬度 s 為0. lmm-0.3mm。2. 按照權(quán)利要求1所述的采用溝槽減阻的混流式水輪機轉(zhuǎn)輪，其特征在于溝槽的高度h 和寬度s尺寸按下列公式計算： 水輪機設(shè)計水頭小于l〇〇m時:h = s = 0.3mm， 水輪機設(shè)計水頭在l〇〇m-200m時:h = s = 0.2mm， 水輪機設(shè)計水頭大于200m時:h = s = 0.1mm。3. 按照權(quán)利要求1所述的采用溝槽減阻的混流式水輪機轉(zhuǎn)輪，其特征在于上冠（1)、葉 片(2 )、下環(huán)(4)的過流表面的橫截面為鋸齒形。
【專利摘要】本發(fā)明為采用溝槽減阻的混流式水輪機轉(zhuǎn)輪，解決已有混流式水輪機轉(zhuǎn)輪表面粗糙度要求在Ra1.6以下，加工成本高，能量轉(zhuǎn)換效率低的問題。上冠上的過流表面由并列的第一溝槽（5）構(gòu)成，葉片上的過流表面由并列的第二溝槽（3）構(gòu)成，下環(huán)上的過流表面由并列的第三溝槽（6）構(gòu)成，第一、二、三溝槽的方向為順設(shè)計工況時的流線方向，第一、二、三溝槽的結(jié)構(gòu)為相同的對稱V型結(jié)構(gòu)（7），溝槽的高度h為0.1-0.3mm，溝槽的寬度s為0.1mm-0.3mm。本發(fā)明可以有效的降低水輪機轉(zhuǎn)輪的表面阻力，提高水輪機效率，溝槽的高度、寬度尺度很小，可以降低對轉(zhuǎn)輪表面粗糙度的要求，減小表面加工時間和難度。
【IPC分類】F03B3/12
【公開號】CN105626350
【申請?zhí)枴緾N201610102613
【發(fā)明人】張梁, 李民希, 張宇寧
【申請人】雅礱江流域水電開發(fā)有限公司
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2016年2月25日