CN202579008U

CN202579008U - 一种切击式水轮机转轮

Info

Publication number: CN202579008U
Application number: CN2012202413683U
Authority: CN
Inventors: 宋文武; 符杰; 骆晓晴
Original assignee: Xihua University
Current assignee: Xihua University
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2022-05-25

Abstract

本实用新型公开了一种切击式水轮机转轮结构。包括转轮轴和均匀设置在转轮轴圆周上的斗叶，斗叶数由文中所述公式计算得出，斗叶的径向长度L＝(2.2-2.5)d₀，比常规斗叶径向长度减少10%-15%；斗叶的宽度B＝(2.8-3.2)d₀；比常规斗叶宽度增加9%-11%；斗叶的深度T＝(0.95-1.15)d₀，比常规斗叶深度增加4%-6%；斗叶的根部厚度X＝(0.5-0.8)B。本实用新型改变斗叶的径向长度、宽度和深度参数，增加斗叶的根部厚度，根据研究得出的斗叶数确定公式计算斗叶数目，从而能有效保证喷嘴数、射流、转轮内部流动之间的流动不会发生干涉以及斗叶根部区域不会存在回流。水力损失大大降低，机组的出力将会大大提高；应用本实用新型斗叶结构的切击式水轮机转轮经检测其模型水力效率达到91.66%，为目前国内外同型转轮的最高效率值。

Description

一种切击式水轮机转轮

技术领域

本实用新型使用水利水电机械设计制造领域，尤其属于冲击式水轮机设计制造领域，特别涉及冲击式水轮机中切击式水轮机转轮的设计制造。

背景技术

冲击式水轮机中切击式水轮机具有结构简单、适用水头高、安装高程不受空蚀条件限制、对流量变化不敏感等优点，在河川上游、山区等水头高、流量小的水力资源开发中得到了广泛的应用，其单机出力、使用水头在不断地增大。

近几年，新的切击式水轮机的效率和出力不断提高，应用的水头也大大增加，水斗根部的工作应力明显增加，使其安全系数降低。与反击式水轮机转轮相比，冲击式水轮机的水斗是在变负荷下工作的，水斗每受到一次射流的冲击都相当于经受了一次应力循环，其水斗根部在各工况运转时受到一种非对称的交变脉动应力作用。另外水斗根部形状复杂、空间狭小，厚度变化大，容易产生应力集中和材料缺陷，且缺陷不易彻底清除，使得切击式水轮机的疲劳破坏主要发生在转轮水斗的根部，并迅速向内部扩展，造成重大破坏事故。

近年来已有学者进行了冲击式水轮机转轮整体锻造后数控加工，保证水斗的型线和尺寸公差，保证其水力性能，防止断斗现象，延长转轮的使用寿命；采用CFD法对多喷嘴冲击式水轮机转轮进行流场分析和射流干涉研究；采用Ansys软件对水斗应力和振形研究，获得了水斗的应力分布以及最高应力值点在刃口处的结论。

对切击式水轮机而言，转轮的主要破坏是空蚀和疲劳裂纹引起的。空蚀引起振动和噪声，迫使机组频繁大修，大大降低了转轮的效率和出力；疲劳裂纹往往出现在转轮斗叶根部，为弥补斗叶根部强度不足，新的设计技术、材料和工艺不断应用于冲击式转轮的设计和制造，如何在保障转轮性能指标的前提下，结合转轮斗叶根部的强度要求，准确预测转轮应力分布，有针对性地优化转轮斗叶根部型线和结构，建立准确的转轮三维模型，使水斗完全达到数控加工的目的，已经成为当前切击式水轮机转轮的设计、制造急需解决的问题。

通常的切击式水轮机转轮斗叶的结构参数为：斗叶的径向长度L＝(2.4-2.9)d₀，斗叶的宽度B＝(2.6-3.1)d₀，深度T＝(0.9-1.1)d₀，d₀为射流直径。1957年捷克斯洛伐克ARTIA Prague出版社出版的MIROSLAV NECHLEBA 博士的《水轮机设计及设备》等文献研究了水轮机转轮结构参数的关系，水轮机转轮各结构参数是与射流直径相关的。

在切击式水轮机转轮设计中，基于强度分析的结果，进一步优化转轮斗叶根部水力型线，改善部分射流射到斗叶根部的流态，解决喷嘴数、射流、转轮内部流动之间的流动干涉问题，完成转轮斗叶型线的优化设计，保证冲击式水轮机转轮的强度和水力性能，使得设计的机组运行更加稳定，效率得以提高也是转轮设计一直不断努力探索的问题。

发明内容

本实用新型根据现有技术的不足公开了一种切击式水轮机转轮结构。本实用新型要解决的问题是在综合水轮机转轮强度、效率、适应性等要求基础上提供一种根据不同射流情况设计的切击式水轮机转轮结构。

本实用新型通过以下技术方案实现：

一种切击式水轮机转轮，包括转轮轴和均匀设置在转轮轴圆周上的斗叶，其特征是：

所述转轮轴圆周上的斗叶数Z是：

其中，k_u为圆周速度系数，

为射流速度系数，为转轮名义半径，

为转轮缺口所在半径，d₀为射流直径；圆周速度系数在设计中通过公式计算或查阅有关曲线获得。

所述斗叶的径向长度L＝(2.2-2.5)d₀；

所述斗叶的宽度B＝(2.8-3.2)d₀；

所述斗叶的深度T＝(0.95-1.15)d₀；

所述斗叶的根部厚度X＝(0.5-0.8)B。

所述斗叶径向长度L与常规的切击式水轮机转轮的斗叶径向长度比较减少10%-15%；和，斗叶宽度B与常规的切击式水轮机转轮的斗叶宽度比较增加9%-11%；和，斗叶深度T与常规的切击式水轮机转轮的斗叶深度比较增加4%-6%。

优选所述斗叶宽度B与常规的切击式水轮机转轮的斗叶宽度比较增加10%；和，斗叶深度T与常规的切击式水轮机转轮的斗叶深度比较增加5%。

通常的切击式水轮机转轮斗叶的结构参数为：斗叶的径向长度L＝(2.4-2.9)d₀，斗叶的宽度B＝(2.6-3.1)d₀，斗叶的深度T＝(0.9-1.1)d₀。本实用新型专利在斗叶的径向长度上与常规的切击式转轮的径向长度减少10%—15%，斗叶的宽度增加10%左右，深度增加5%左右，同时在斗叶的根部处增加了厚度的具体要求，本实用新型结构可以保证该转轮在高水头条件下的强度要求。

本实用新型专利的转轮与常规切击式转轮相比，在斗叶的径向长度上与常规的切击式转轮的径向长度减少10%—15%，如常规设计斗叶的径向长度为L＝2.4d₀，本实用新型的转轮斗叶的径向长度则为L＝2.2d₀；斗叶的宽度增加10%左右，即常规设计转轮斗叶的宽度为B＝2.6d₀，本实用新型转轮斗叶的宽度则为B＝2.8d₀；同样，斗叶的深度增加5%左右，即常规设计转轮斗叶的深度为T＝0.9d₀，本实用新型转轮斗叶的宽度则为T＝0.95d₀；同时在斗叶的根部处要求厚度为X＝(0.5-0.8)B，这样一来，整个转轮的斗叶从径向上有所变短，宽度上有所增加，深度上有所加大，同时在斗叶的根部严格保证一定的厚度，可以保证该转轮在高水头条件下的强度要求。

本实用新型专利采用CFD技术进行转轮性能预测和转轮斗叶强度分析，基于强度分析的结果，进一步优化转轮斗叶根部水力型线，进一步改善部分射流射到斗叶根部的流态，解决喷嘴数、射流、转轮内部流动之间的流动干涉问题，完成转轮斗叶型线的优化设计，保证冲击式水轮机转轮的强度和水力性能，使得设计的机组运行更加稳定，效率得以提高。

斗叶根部结构对流体出流影响较大，当斗叶根部越宽大、背面结构崁入工作面越多，斗叶根部流动越差，在斗叶根部区域存在回流，并且随着斗叶接受射流的减小而逐步增大，甚至在上一个斗叶快要完全脱离射流的瞬时，斗叶工作面的流体对下一个接受射流的斗叶背面存在撞击，其撞击力的方向与转轮旋转方向相反，从而影响到机组的出力大小。

本实用新型有益性是：本实用新型基于强度条件下的CFD分析计算，改变斗叶的径向长度、宽度和深度参数，适当增加斗叶的根部厚度，设计斗叶形状，根据研究得出的斗叶数确定公式计算斗叶数目，从而能有效保证喷嘴数、射流、转轮内部流动之间的流动不会发生干涉以及斗叶根部区域不会存在回流。这样水力损失就大大降低，机组的出力将会大大提高；应用本实用新型斗叶结构的切击式水轮机转轮适用于水头600—1400米水头段，模型转轮经过国家哈尔滨电机股份有限公司水轮机模型实验台上进行的测试，其模型水力效率达到91.66%，为目前国内外同型转轮的最高效率值。

附图说明

图1是本实用新型斗叶平面结构示意图；

图2是本实用新型斗叶侧面结构示意图；

图3是本实用新型斗叶射流流向示意图；

图4是常规斗叶射流流向示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本实用新型进行具体的描述，本实施例只用于对本实用新型进行进一步的说明，但不能理解为对本实用新型保护范围的限制，本领域的技术人员可以根据上述本实用新型的内容作出一些非本质的改进和调整属于本实用新型保护的范围。

结合图1至图4。

本实用新型转轮轴圆周上的斗叶数Z是：

其中，k_u为圆周速度系数，

为射流速度系数，

为转轮名义半径，

为转轮缺口所在半径，d₀为射流直径；

所述斗叶的径向长度L＝(2.2-2.5)d₀；

所述斗叶的宽度B＝(2.8-3.2)d₀；

所述斗叶的深度T＝(0.95-1.15)d₀；

所述斗叶的根部厚度X＝(0.5-0.8)B。

图1是本实用新型斗叶平面结构示意图；图2是本实用新型斗叶侧面结构示意图。图中，d₀为射流直径，L为斗叶的径向长度，B为斗叶的宽度，T为斗叶的深度，X为斗叶的根部厚度，D为转轮的名义直径。

图3是本实用新型斗叶射流流向示意图，图4是常规斗叶射流流向示意图。图中的箭头方向是斗叶射流流向。如图3所示，根据CFD分析和平台实验证明，采用本实用新型参数的斗叶结构其转轮内部流动之间的流动不会发生干涉并且斗叶根部区域不会存在回流。如图4所示，常规斗叶根部区域存在回流，水力损失大于本实用新型斗叶结构，影响了机组出力，图4中L’为常规斗叶的径向长度，B’为常规斗叶的宽度， X’为常规斗叶的根部厚度。

本实用新型专利的转轮与常规切击式转轮相比，确定相同的射流直径d₀，在斗叶的径向长度上与常规的切击式转轮的径向长度减少10%—15%，如常规设计斗叶的径向长度为L＝2.4d₀，那么本实用新型的转轮斗叶的径向长度则为L^＇＝2.2d₀；斗叶的宽度增加10%左右，即常规设计转轮斗叶的宽度为B＝2.6d₀，那么本实用新型转轮斗叶的宽度则为B^＇＝2.8d₀；同时，斗叶的深度增加5%左右，即常规设计转轮斗叶的深度为T＝0.9d₀，那么本实用新型转轮斗叶的宽度则为T^＇＝0.9d₀；同时在斗叶的根部处增加了厚度为X＝(0.5-0.8)B的具体要求，这样一来，整个转轮的斗叶从径向上有所变短，宽度上有所增加，深度上有所加大，同事在斗叶的根部严格保证一定的厚度，可以保证该转轮在高水头条件下的强度要求。

本实用新型基于强度条件下的CFD分析计算，改变斗叶的径向长度、宽度和深度参数，适当增加斗叶的根部厚度，设计斗叶形状，根据研究得出的斗叶数确定公式计算斗叶数目，从而能有效保证喷嘴数、射流、转轮内部流动之间的流动不会发生干涉以及斗叶根部区域不会存在回流。这样水力损失就大大降低，机组的出力将会大大提高；应用本实用新型斗叶结构的切击式水轮机转轮适用于水头600—1400米水头段，模型转轮经过国家哈尔滨电机股份有限公司水轮机模型实验台上进行的测试，其模型水力效率达到91.66%，为目前国内外同型转轮的最高效率值。

Claims

1.一种切击式水轮机转轮，包括转轮轴和均匀设置在转轮轴圆周上的斗叶，其特征是：

所述转轮轴圆周上的斗叶数Z是：

其中，k_u为圆周速度系数，

为射流速度系数，

为转轮名义半径，

为转轮缺口所在半径，d₀为射流直径；

所述斗叶的径向长度L＝(2.2-2.5)d₀；

所述斗叶的宽度B＝(2.8-3.2)d₀；

所述斗叶的深度T＝(0.95-1.15)d₀；

所述斗叶的根部厚度X＝(0.5-0.8)B。

2.根据权利要求1所述的切击式水轮机转轮，其特征是：所述斗叶径向长度L与常规的切击式水轮机转轮的斗叶径向长度比较减少10%-15%；和，斗叶宽度B与常规的切击式水轮机转轮的斗叶宽度比较增加9%-11%；和，斗叶深度T与常规的切击式水轮机转轮的斗叶深度比较增加4%-6%。

3.根据权利要求2所述的切击式水轮机转轮，其特征是：优选所述斗叶宽度B与常规的切击式水轮机转轮的斗叶宽度比较增加10%；和，斗叶深度T与常规的切击式水轮机转轮的斗叶深度比较增加5%。