一种亲鱼型贯流式水轮机

本发明属于水力机械技术领域，特别是涉及一种亲鱼型贯流式水轮机。

背景技术：

能源问题已成为世界各国发展的主要瓶颈之一，利用新能源满足未来能源增量需求是各国切实可行的必然选择。我国海洋能蕴藏丰富，分布广，清洁无污染，开发利用的方式主要是发电，其中潮汐发电和小型波浪发电技术已经实用化。海洋能发电对缓解我国能源危机和减少地球环境污染做出了重大贡献，但利用海洋能发电的水力机械对生态环境存在一定的影响。针对潮汐能发电，研发出一款鱼类友好型水轮机，利用水位差来发电，旨在保证水轮机水力性能的前提下提高过机鱼存活率。

众所周知，随着水电能源大力发展，水利水电工程对水域的生态系统产生了一定的影响。比如，水库电站对原河道水生态环境的影响，水轮机等过流部件造成过机鱼类的额外死伤。大坝的修建将原有的生态系统划分成了不连续的生态区，严重阻碍了鱼类的洄游，可能会使洄游性鱼类的生殖繁衍受到毁灭性打击。美国哥伦比亚河流域的多所水力发电站通过新建过鱼竖井通道或者鱼梯成功解决了鲑鱼洄游问题，此外一些国外水电站中使用表面鱼道来辅助鱼类下行过机，上述方式原理在于利用鱼类在水体表层游动特性，在水轮机进水室进口表层设置辅助竖井通道，将鱼类引入辅道，以保证鱼类的过机安全。我国许多大型水利工程在设计规划建设过程中也采取了相应措施，通过建设鱼道、升鱼机和鱼闸等阻隔设施使鱼类下行时不经过水轮机组。以上措施虽然具有一定的成效，但是一方面建设费用高昂且效率低，并且仍有大量鱼类被不可避免地吸入水轮机而受伤；另一方面水轮机内流相当于带固体多相流，与理想状态流场相比水能利用率较低。

此外，现有亲鱼型水轮机多为轴流式机组，内流从导叶域到转轮域方向经历90度变化，该因素对鱼类的生理活动是不利的。传统型水轮机内部鱼体承受机械、压力、剪切力等影响较大。

技术实现要素：

本发明针对潮汐能和海流能发电，研发出一种亲鱼型贯流式水轮机，利用水位差或者洋流动能来发电，旨在保证水轮机水力性能的前提下提高过机鱼存活率，同时为保证水轮机较优的水力效率，并提高水轮机过鱼能力，以助力水电工程与生态工程携手绿色发展。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种亲鱼型贯流式水轮机，该水轮机过流域包括依次连通的进水室、导叶域、带有螺旋叶片的转轮、与主轴相连的泄水锥、出水管道扩散段和延伸段，其中，进水室截面为正方形，位于导叶域的导叶型线为正曲率月牙形，转轮的转轮叶片为螺旋叶片，且螺旋叶片起始螺距与截止螺距之比为1:5，转轮的内泄水锥为圆台型式，出水管道扩散段与出水管道延伸段长度之比为1:4。

本发明进一步的改进在于，进水室进口截面为边长1.95d1的正方形，进水室流道长2.618d1且出口直径为1.46d1。

本发明进一步的改进在于，距离进水室进口1.814d1处安放支柱以支撑灯泡体，灯泡体头部直径为0.892d1，最大直径为1.167d1，尾部直径为0.153d1；灯泡体头部距进水室进口距离为0.906d1，灯泡体壁厚为0.041d1；在距离进水室进口距离1.674d1处灯泡体上部设置有长0.211d1、宽0.067d1的进出灯泡体竖井通道。

本发明进一步的改进在于，导叶域的导叶以单列环形方式均布，导叶中心线与水轮机中轴线夹角α1为65°，导叶喉部直径dt与转轮进口直径d1比值为0.111，导叶数量为11～14个，导叶为正曲率叶型，导叶尾端自然闭合，其型线方程为：

a：

b：

本发明进一步的改进在于，转轮轴向长度与转轮直径之比为1:3.659。

本发明进一步的改进在于，转轮叶片为变螺距螺旋叶片，螺旋叶片起始螺距与截止螺距之比为1:5，叶片在径向方向等径，且叶片等厚,且转轮叶片骨线方程c为：

本发明进一步的改进在于，泄水锥的锥度为0.5～0.6。

本发明进一步的改进在于，出水管道扩散段扩散角为α2为10°～13°，出水管道扩散段与出水管道延伸段长度之比为1:4。

本发明与现有技术相比其显著优点在于：

第一，本发明提出的一种亲鱼型贯流式水轮机为贯流式结构，整个流道类似于电站辅助鱼道，与轴流式机组相比，不存在导叶到转轮间流向90度转弯对鱼类造成的额外损伤，相对轴流式水轮机过鱼性能好。

第二，本发明提出的一种亲鱼型贯流式水轮机转轮内叶片为螺旋叶片，螺旋形流道相对缝隙断面式流道，过鱼空间较优，有效地减少了对鱼类的机械损伤和剪切损伤，显著地提高了鱼类的过机生存率。

第三，本发明提出的一种亲鱼型贯流式水轮机即可用于建库式潮汐能利用，又可用于海流能利用，所设计结构部件均考虑了此两种能源利用特点，在保证水轮机水力效率的同时，具体做到了能源开发利用与生态环保建设的友好协调发展。

附图说明

图1为本发明提出的一种亲鱼型贯流式水轮机的结构示意图。

图2为导叶结构示意图。

图3为图2中导叶型线示意图。

图4为转轮结构示意图。

图5为图4中转轮叶片示意图。

图6为出水管道结构示意图。

图7为尾水管结构图。

附图标记说明：

1-进水室，2-灯泡体，3-支撑，4-灯泡体竖井通道，5-导叶域，6-导叶，7-转轮，8-转轮叶片，9-泄水锥，10-出水管道扩散段，11-出水管道延伸段。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的详细说明。

如图1-7所示，本发明提供的一种亲鱼型贯流式水轮机，具体包括进水室1、灯泡体2、支撑3、灯泡体竖井通道4、导叶域5、转轮7、泄水锥9、出水管道扩散段10和出水管道延伸段11。其中进水室进口截面为正方形，在进水室距离进水室进口78％处安放支柱。灯泡体2设置有进出灯泡体的竖井通道4。导叶6以单列环形方式分布，导叶6中心线与水轮机中轴线夹角α1为65°，导叶喉部直径dt与转轮进口直径d1比值为0.111，导叶数量为12个，导叶为正曲率叶型。转轮叶片8面为三维变螺距螺旋面，叶片在径向方向等径且等厚。出水管道扩散段10扩散角为11°，扩散段10与延伸段11长度之比为1：4。

水轮机运行时，水流由流入进水室1，绕过灯泡体2、支撑3，经由导叶6形成一定环量后进入转轮7，推动转轮叶片8旋转，做功后的水流经由出水管道扩散段10、出水管道延伸段11流出。如图3所示导叶型线方程为：

a：

b：

如图5所示叶片骨线方程为：

经过水力计算，根据计算结果可知，本发明变螺距螺旋型叶片不仅保证了水轮机运行效率，且因过鱼空间较优，有效地减少了对鱼类的机械损伤和剪切损伤，显著地提高了鱼类的过机生存率。该亲鱼型贯流式水轮机在建库式潮汐能利用、海底安置海流能利用两类模拟研究中均表现较优，有助于水电工程与生态系统的协同发展。

本发明的实现原理是：本发明提出的一种亲鱼型贯流式水轮机，是将水流的能量转换为机械能的装置。该亲鱼型水轮机不仅能够利用建库式潮汐能发电，亦能用于海流能做功，其进水室采用矩形截面到圆形截面逐渐过渡，这种结构方便利用海流能时安装机组。导水机构采用均布正曲率叶型，导叶出流沿着转轮外缘进入转轮。转轮叶片为变螺距螺旋叶片，较优的过流空间有效地减少了对鱼类的机械损伤和剪切损伤，显著地提高了鱼类的过机生存率。水流与鱼类一起从转轮进口至出口所承受压力逐渐减小，最终经由出水管道流出。

本发明的具体实施中未涉及的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种混流式长短叶片水轮机的技术思想的具体支持，不能以此来限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均属于本发明技术方案保护的范围。