专利名称：高比速整装轴流定桨式水轮发电机组的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种水轮发电机组，特别是涉及一种高比速整装轴流定 桨式水轮发电机组。
背景技术：
目前轴流式水轮机有转桨式和定桨时两种，转桨式水轮机常常需要设置 双重调速、受油器、操作油管及液压传动系统、协联机构、回复结构、发电 机轴和水轮机轴都必须做成空心的，以便在其中布置操作机构，这样转桨式 轴流水轮机结构复杂、造价高、只能在大型机组中采用。定桨式轴流水轮机 克服以上缺点，简化结构、降低造价。 一般目前安装有轴流定桨式水轮机的 高比速整装轴流定桨式水轮发电机组包括轴流定桨式水轮机、发电机和调速 器，发电机与水轮机连接，水轮机带动发电机发电，调速器与水轮机连接控 制水轮机变更转速和流量。轴流定桨式水轮机包括蜗壳、转轮、座环、活动 导叶、底座和尾水管，而转轮、座环、活动导叶、底座和尾水管位于蜗壳内 部，蜗壳有进水口和出水口，出水口与尾水管连接，座环内部沿环一周固定 有多个固定导叶，各固定导叶倾斜一定角度且各固定导叶之间留有间隙，保 证水流可以流过固定导叶，在座环内部与固定导叶位置对应处设有多个活动 导叶，活动导叶的一部分位于底环内，底环为带拐角的环状管，由拐角导管 连接的上部环形导管和下部环形导管构成。活动导叶处于底环上部环状导管 位置处，该上部环形导管中水流方向为水平方向，水流通过拐角导管后在底 环的下部环形导管中流向为铅垂方向，活动导叶中心固定，活动导叶可以绕 中心自转，转轮包括转轮体和叶片，多个叶片环绕转轮体设置并固定， 一般 叶片是通过焊接方式固设于转轮体之上。转轮体与发电机的主轴固定连接， 转轮体旋转带动主轴旋转，进而带动发电机发电。使用时，将轴流定桨式水
轮才几固定在岸边，水流/人水轮才几进7JC口流入后，通过座环，穿过环绕固定在
座环一周的固定导叶后，流经活动导叶，活动导叶在水流的带动下有一定角 度的偏移，后流入底环，并经过底环拐角导管后进入底环的下部环形导管中 并流过位于其正下方的转轮的叶片上，水流带动叶片顺时针或逆时针运动， 同时带动转轮体旋转，进而带动发电机的主轴旋转，完成发电工作。同时水
流通过水轮机出水口位置处设有的尾水管排出水轮机，方便后面的水流流入 水轮机进行发电。调速器与水轮机连接调节水轮机的转速。但是这样的水轮
机发电组的缺点在于，由于其蜗壳采用"T"型或'T"型混凝土蜗壳，浇注 技术难度比较大，建设成本比较大。同时，由于叶片本身设计为叶片的橫截 面形状靠近转轮体内侧至远离转轮体的外侧 一弧度逐步减小的弧形梯台形 状，使得水轮机本身的过流能力不强，在大流量的情况下效率不高，转轮比 转速不高。
发明内容
本实用新型是为了解决现有技术中的不足而完成的，本实用新型的目的是 提供一种结构简单、高比速、高大流量工况效率、有效提高最优工况单位流量 的高比速整装轴流定桨式水轮发电机组。
本实用新型的高比速整装轴流定桨式水轮发电机组，包括水轮机、发电 机和调速器，所述调速器与所述水轮机连接，所述发电机与所述水轮机连接，所 述水轮机包括蜗壳及位于蜗壳内部的转轮、座环、活动导叶、底环和尾水管，所 述转轮包括转轮体和环绕设于所述转轮体上的叶片，所述蜗壳设有进水口，所述 水流依次通过蜗壳进水口、座环、活动导叶、底环和转轮，并通过尾水管排出， 所述转轮体与所述发电机主轴固定连接，其特征在于所述叶片横截面前部和后 部形状为所述叶片远离转轮体的外侧至所述叶片靠近转轮体的内侧逐步下沉的弧 形，所述叶片内侧厚度大于所述外侧厚度，所述叶片前部弧形半径由所述叶片内 侧至所述叶片外侧逐步增加，所述叶片前部靠近转轮体的内侧正面型线低于所述 叶片外侧正面型线。
本实用新型的高比速整装轴流定桨式水轮发电机组还可以是
所述叶片扭角角度值为25°至45°之间任意数值。
进一步优选的方案为所述叶片扭角角度值为25°至30°之间任意数值。
所述活动导叶位于所述底环上部水平环形导管内，所述底环下部铅垂环形导 管通过拐角导管与所述上述水平环形导管连通，所述下部铅垂环形导管位于所述 叶片的上方，所述拐角导管拐点直径为转轮直径的1. 101倍至1. 11倍之间，拐角 导管曲率半径逐渐增大。
所述拐角导管拐点直径为转轮直径的1. 107倍。
所述蜗壳为圆形金属蜗壳。
所述发电机通过连接座可拆卸安装于所述蜗壳上，所述调速器安装于蜗壳上。
所述发电机通过连接座与所述水轮机可拆卸连接。 所述叶片扭曲为"X"形。
本实用新型的高比速整装轴流定桨式水轮发电机组，相对于现有技术具 有以下优点由于叶片横截面前部和后部形状为叶片外侧至所述叶片内侧逐步下 沉的弧形，叶片内侧厚度大于外侧厚度，叶片前部弧形半径由叶片内侧至叶片外 侧逐步增加，叶片前部靠近转轮体的内侧正面型线低于叶片外侧正面型线。整体 叶片下沉式形状，可以增强过流能力，在大流量工况下提高效率，提高转轮比 转速，并提高单位时间的发电量，提高发电效率。
图1为本实用新型高比速整装轴流定桨式水轮发电机组实施例示意图。
图2为本实用新型高比速整装轴流定桨式水轮发电机组转轮示意图。
图3a为现有高比速整装轴流定桨式水轮发电机组叶片横截面图。
图3b为本实用新型轴流定桨式水轮发电机叶片横截面图。
图4本实用新型高比速整装轴流定桨式水轮发电机组叶片扭角示意图。
图5为本实用新型高比速整装轴流定桨式水轮发电机组底环示意图。
图号说明
1…发电机 2…连接座 3…调速器 41…蜗壳
42…转轮体 43…活动导叶44…固定导叶 45…叶片
46…尾水管 47…底环 471…上部环形导管
472…拐角导管 473…下部环形导管
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
本实用新型的高比速整装轴流定桨式水轮发电机组，请参考图l至图5， 包括轴流定桨式水轮机、发电机1和调速器3，发电机1与水轮机连接，水 轮机带动发电机1发电，调速器3与水轮机连接控制水轮机变更转速。水轮 机包括蜗壳41、转轮、座环、活动导叶43、底座和尾水管46，而转轮、座 环、活动导叶43、底座和尾水管46位于蜗壳41内部，蜗壳41有进水口和 出水口，出水口与尾水管46连接，座环内部沿环一周固定有多个固定导叶 44，各固定导叶44倾斜一定角度且各固定导叶44之间留有间隙，保证水流 可以流过固定导叶44,在座环内部与固定导叶44位置对应处设有多个活动 导叶43,底环47为带拐角的环状导管，其由通过拐角管连接的上部环形导 管471和下部环形导管47构成，底环47的作用是转换水流的流向，活动导 叶43的一部分位于底环47内，活动导叶43 —部分处于底环47上部环位置 处，该上部环导管中水流流向为为水平方向，经过拐角后底环47的下部环 导管中水流方向为铅垂方向，活动导叶43中心固定，活动导叶43可以绕中 心自转，转轮包括转轮体42和叶片45，多个叶片45环绕转轮体42设置并 固定， 一般叶片45是通过焊接方式固设于转轮体42之上。转轮体42与发 电机1的主轴固定连接，转轮体42旋转带动主轴旋转，进而带动发电机1 发电。使用时，将轴流定桨式水轮机固定在岸边，水流从水轮机进水口流入 后，通过座环，穿过环绕固定在座环一周的固定导叶44后，流经活动导叶 43,活动导叶43在水流的带动下有一定角度的偏移，后流入底环47,并经 过底环47拐角导管472后进入底环47的下部环形导管47中并流过位于其 正下方的转轮的叶片45上，水流带动叶片45顺时针或逆时针运动，同时带 动转轮体42旋转，进而带动发电机1的主轴旋转，完成发电工作。同时水
流通过水轮机出水口位置处设有的尾水管46排出水轮机，方便后面的水流 流入水轮机进行发电。调速器3与水轮机连接调节水轮机的转速。请请参考 图2,水轮机叶片45直接与水流接触的表面为叶片45的前面，水流从底环 47中流出后流到叶片45的前面，由于叶片45有扭角，使得叶片45在流水 的作用下向后运动，流水从叶片45前表面上流过后从尾水管46中排出多个 叶片45环设于转轮体42圓周上，且各叶片45间隔设置，叶片45与转，轮 体42连接的位置处为叶片45的内侧，而叶片45远离转轮体42的位置处为 外侧。请参考图3b,叶片45橫截面形状前部和后部形状均为叶轮由外側向 叶轮内侧下沉的弧形，叶片45横截面形状整体为内侧至外侧逐步升高，逐 步鼓起的形状，叶片45横截面前部弧形半径由叶片45内侧至外侧逐步增加， 叶片45橫截面前面线为正面型线45A,叶片45前部靠近转轮体42内側正 面型线低于叶片45外侧正面型线。叶片45内侧厚度大于叶片45外側厚度， 保证叶片45不会断裂。安装有该结构叶片45的转轮，过流能力增强，大流 量工况效率大大增强，最优工况单位流量加大，转轮比转速提高。现有的叶 片45的橫截面形状为图3a所示，叶片45橫截面前面线为正面型线45A, 现有叶轮的叶片45内侧至外侧厚度逐步减小，且叶片45内侧正面型线高于 叶片外侧正面型线。经过试验测试，安装有该叶片45的高比速整装轴流定 桨式水轮发电机组相对于现有的水轮发电机各1组，转轮最优工况单位流量 大0. 338 ~ 0. 4212mVs、大流量效率提高3%~8%，最优工况比转速提高 100m'kW。请参考图3b，叶片45内侧与转轮体42焊接部位为凸起弧形45C, 增大叶片45与转轮体42焊接面积，叶片45与转轮体42结合更加牢固，转 轮不易损坏。
本实用新型的高比速整装轴流定桨式水轮发电机组，还可以是在前述实 施例的基础上，进一步设计为叶片45扭角角度为25°至45°之间。叶片 45扭角是转轮内侧与转轮外侧安放角之差，而安放角为叶片45弦线与水平 面的夹角，叶片45内侧安放角大，叶片45外侧安放角小，目前叶轮扭角通 常不超过20。。叶片45扭角角度加大至25°至45。之间时，叶片45内侧 和外侧叶片45安放角差别大，叶片45进水边安放角内外侧差业比较大，分
别适用于不同的来流角，保证在较大的范围内总有一段冲角较小或接近于0, 从而保证了较大的适用范围和高效率范围。叶片45扭角角度为25°至45 °时，在叶片45外缘不变的条件下，叶片45内侧开口比较大，过流大，使 转轮最优区向大流量偏移，在大流量工作区，同样条件下，可保证叶片45 外缘安放角较小，高单位转速下的效率较高。进一步优选的方案为叶片45 扭角角度为25。至30°之间。对扭角角度分别为20。 、 25° 、 28。 、 30° 、 38°和45°的转轮在相同条件下进行试验测试，扭角为25° 、 28° 、 30° 、 38°和45°的转轮相对于扭角为20。的转轮过流量分别增加8% 、 11%、 9 %、 7%和6%，单位转速下的效率分别提高15%、 22%、 17%、 14 %和10 %。还可以是叶片45扭曲为"X"形，可以加大过流量，提高大流量区效率， 完善空化及稳定性能。
本实用新型的高比速整装轴流定桨式水轮发电机组，还也是在前述各实 施例的基础上，进一步改进。可以是上述的活动导叶43位于底环47水平设 置的上部环形导管471(也称为水平环形导管)内，水流在上部环形导管471 内水平方向流动，水流通过拐角导管472后转向在下部环形导管47 (也称 为铅垂环形导管)中铅垂向下运动，铅垂环形导管位于叶片45上方，拐角 导管472拐点直径为转轮直径的1. 101倍至1. 11倍，优选的为1. 107倍， 拐角导管472曲率半径逐渐增大。这样结构的底环47不仅减轻了该处因脱 流旋涡而产生的损失，而且减少了导叶出口处楔型区的水流损失。经过对安 装有拐角导管472拐点直径分别为转轮直径的1. 101倍、1.107倍、l.ll倍 和1. 121倍的底环47的水轮机的试验测试，拐角导管472拐点直径分别为 转轮直径的l. IOI倍、1.107倍、1. 11倍的底环47相对于拐角导管472直 径为转轮直径的1.121倍流水损失少7%、 11%和8%。
本实用新型的高比速整装轴流定桨式水轮发电机组，在前述实施例的基 础上，还可以是水轮机的蜗壳41为圓形金属蜗壳41,使用圓形金属蜗壳41 的优点在于，圆形蜗壳41使得水流遇到阻力减小，水流损失比较少，而金 属蜗壳41的优点在于，拆装比混凝土蜗壳41更方便，重量轻、安装和运输 更方便、维修也比较方便，如需要更换壳体内部的转轮等部件时，比较方便，而且节省成本。发电才几1通过连接座2可拆卸安装于蜗壳41上，调速器3 安装于蜗壳41上，这样不需要另设发电机1层，结构紧凑。发电机l通过 连接座2于水轮机可拆卸连接，连接座2可以是安装在壳体上部，这样发电 机1和壳体可以拆卸，方便更换或维修转轮和水轮机中的其他部件。
上述仅对本实用新型中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本实 用新型的保护范围，凡是依据本实用新型中的设计精神所作出的等效变化或 修饰，均应认为落入本实用新型的保护范围。
权利要求1、高比速整装轴流定桨式水轮发电机组，包括水轮机、发电机(1)和调速器(3)，所述调速器(3)与所述水轮机连接，所述发电机(1)与所述水轮机连接，所述水轮机包括蜗壳(41)及位于蜗壳(41)内部的转轮、座环、活动导叶(43)、底环(47)和尾水管(46)，所述转轮包括转轮体(42)和环绕设于所述转轮体(42)上的叶片(45)，所述蜗壳(41)设有进水口，所述水流依次通过蜗壳(41)进水口、座环、活动导叶(43)、底环(47)和转轮，并通过尾水管(46)排出，所述转轮体(42)与所述发电机(1)主轴固定连接，其特征在于所述叶片(45)横截面前部和后部形状为所述叶片(45)远离转轮体(42)的外侧至所述叶片(45)靠近转轮体(42)的内侧逐步下沉的弧形，所述叶片(45)内侧厚度大于所述外侧厚度，所述叶片(45)前部弧形半径由所述叶片(45)内侧至所述叶片(45)外侧逐步增加，所述叶片(45)前部靠近转轮体(42)的内侧正面型线低于所述叶片(45)外侧正面型线。
2、 根据权利要求1所述的高比速整装轴流定桨式水轮发电机组，其特征在 于所述叶片(45)扭角角度值为25°至45°之间任意数值。
3、 根据权利要求2所述的高比速整装轴流定桨式水轮发电机组，其特征在于 所述叶片(45)扭角角度值为25°至30°之间任意数值。
4、 根据权利要求1所述的高比速整装轴流定桨式水轮发电机组，其特征在 于所述活动导叶(43 )位于所述底环(47 )上部水平环形导管(471 )内，所述 底环(47)下部铅垂环形导管(473 )通过拐角导管(472 )与所述上部水平环形 导管(471)连通，所述下部铅垂环形导管(473 )位于所述叶片(")的上方， 所述拐角导管(472 )拐点直径为转轮直径的1. 101倍至1. 11倍之间，拐角导管(472 )曲率半径逐渐增大。
5、 根据权利要求4所述的高比速整装轴流定桨式水轮发电机组，其特征在 于所述拐角导管(472 )拐点直径为转轮直径的1.107倍。
6、 根据权利要求1至3任意一权利要求所述的高比速整装轴流定桨式水轮发 电机组，其特征在于所述活动导叶(43)位于所述底环(47)上部水平环形导管(471 )内，所述底环(47 )下部铅垂环形导管(47 3 )通过拐角导管(472 )与 所述上部水平环形导管(471)连通，所述下部铅垂环形导管(473 )位于所述叶 片(45)的上方，所述拐角导管(472 )拐点直径为转轮直径的1.101倍至1.11 倍之间，拐角导管(472 )曲率半径逐渐增大。
7、 根据权利要求1至5任意一权利要求所述的高比速整装轴流定桨式水轮 发电机组，其特征在于所述蜗壳(41)为圆形金属蜗壳(41)。
8、 根据权利要求7所述的高比速整装轴流定桨式水轮发电机组，其特征在 于所述发电机(1 )通过连接座(2 )可拆卸安装于所述蜗壳(41 )上，所述调 速器(3)安装于蜗壳(41)上。
9、 根据权利要求1至5中任意一权利要求所述的高比速整装轴流定桨式水轮 发电机组，其特征在于所述发电机(1)通过连接座(2)与所述水轮机可拆卸 连接。
10、 根据权利要求1至5中任一权利要求所述的高比速整装轴流定桨式水轮 发电机组，其特征在于所述叶片(45)扭曲为"X"形。
专利摘要高比速整装轴流定桨式水轮发电机组，包括水轮机、发电机和调速器，调速器与水轮机连接，发电机与水轮机连接，水轮机包括蜗壳及转轮、座环、活动导叶、底环和尾水管，转轮包括转轮体和叶片，蜗壳设有进水口，水流依次通过蜗壳进水口、座环、活动导叶、底环和转轮，并通过尾水管排出，转轮体与发电机主轴固定连接，叶片横截面前部和后部形状为叶片外侧至内侧逐步下沉的弧形，叶片内侧厚度大于外侧厚度，叶片前部弧形半径由叶片内侧至叶片外侧逐步增加，叶片前部靠近转轮体的内侧正面型线低于叶片外侧正面型线。本实用新型的高比速整装轴流定桨式水轮发电机组，结构简单、高比速、大流量工况效率高、可以有效提高最优工况单位流量。
文档编号F03B13/00GK201065807SQ200720169290
公开日2008年5月28日 申请日期2007年7月10日 优先权日2007年7月10日
发明者徐洪泉, 王万鹏, 力 陆 申请人:中国水利水电科学研究院