专利名称：一种用于微水头电站的灯泡贯流式水轮机的制作方法
技术领域：
本发明属于流体机械的水力发电设备技术领域，特别是涉及一种用于微水头电站的灯泡贯流式水轮机。
背景技术：
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随着世界各国的高水头水力资源逐渐开发罄尽，各国都不约而同地把目光转向了低水头水力资源。目前我国已开发或正在开发的低水头水电站的应用水头都在2.5m以上，同时我国2.5m以下的微水头水力资源也极其丰富，有千万kW数量级的资源量可供开发利用，且微水头水力资源大多处于经济发达地区，对其形成的电力输送具有不可比拟的优越性。目前为止，采用筑坝集能发电的传统水电开发方式和技术已非常成熟，对这种开发方式及所对应的发电设备来说，水头越高经济性越好而越有开发价值，反之则水头越低经济性越差以致从经济角度导致无开发价值。学界通常认为微水头水力资源开发的经济性很差，基本上无开发价值。其主要原因在于，传统开发方式所需建造的大坝、水道及发电厂房的费用及传统开发方式所造成较大的土地淹没和人口的迁移的费用会占到整个工程的很大一部分。对微水头水力资源来说，由于其能量密度较低、单点发电(装机)规模较小，若采用传统开发方式与装备，则难以承受造价昂贵的土建、淹没赔偿及装备等费用。中国专利申请88218302.8提出了 “一种微小型水轮机”，由金属机壳的上盖板、进水管、机壳、尾水管共同组成封闭式连通体结构，只要流量足够大，进水管进口处的水头压力几乎全部可作用于叶轮上，效率可比敞开式机壳的水轮机提高10%左右，且无需构筑拦坝、水槽等水工建筑，只要0.7米以上水头将地脚固定便可使用，造价较低、安装方便。该方案存在的主要不足是，该水轮机结构接近于混流式水轮机，但没有混流式水轮机的蜗壳，因此水流流态比较紊乱，通过导流盘即类似于混流式水轮机的导叶机构流入叶轮区，整个流动过程中水流流向一直在改变，从而导致过流量较小，且流动过程中产生的摩擦、撞击、涡流、脱流等水头损失均会对做功能力产生影响，使其输出功率较小。中国专利申请95103906.7提出了“一种低微水头下高效灌流式水轮机”，采用水轮体分轮段而统一补换气却相对独立闭合使得水头重力流过半墙“巷”而获重力能并通过系统有机补换气行为又使空腔回复的轮叶获生浮势能，以此提高作为低微水头水轮机无功出力的水能转换效率达到95%。该方案存在的主要不足是，因获重力能以及获浮势能的方式为补换气，不能使水流连续并顺畅的通过并对叶轮做功，使其过流能力较弱，导致输出功率较小；且其结构复杂，制造成本较高；同时，其输出的是水轮机无功出力(无功功率)，仅适用于在电气设备中建立和维持磁场，无法用于以一般建设运行的以有功功率、无功功率一起输出，并以有功功率输出为主的水电站。目前，微水头水力资源基本上处于未开发状态，也未引起人们的重视。在我国能源资源相对紧缺的情况下，想方设法降低部分工程造价，以提高这部分水利资源的经济开发价值，在尽量减少对环境的影响下增加清洁能源供应，从而实现高效和环保开发水力资源的目的是本流体机械的水力发电设备技术领域中亟待解决的重大难题之一。发明内容: 本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种用于微水头电站的灯泡贯流式水轮机，它能够高效利用0.6m-2.5m的微水头水力资源，具有水能转换效率高、工程造价及装备成本低的优点，适用于对各种自然环境下的微水头水力资源的开发利用。根据本发明提出的一种用于微水头电站的灯泡贯流式水轮机，包括进水管、灯泡段、转轮室和尾水管，其中，灯泡段中设有灯泡体，灯泡体由固定支撑撑起，灯泡体连接转轮室中水轮机的主轴，主轴连接转轮，转轮由轮毂、泄水锥及轮毂上沿圆周方向平均分布叶片组成，其特征在于所述的进水管的进口呈三面扩张型，灯泡体直径Dtl与转轮直径D1的比值即灯泡比为0.58 0.65，固定支撑为对称型支撑或非对称型支撑，所述的对称型支撑为设置于竖直方向上的随水流方向由圆弧形收缩至尖角的对称分布支撑，非对称型支撑为设置于竖直方向上的由圆弧形收缩至尖角的正曲度支撑与水平方向上的正曲度翼型支撑的结
口 ο本发明进一步的优选方案为:所述的进水管的底部为平面，进水管长度L1与转轮直径D1的比值为1.30 1.50，进水管进口宽度B1与转轮直径的比值为2.40 2.55，进水管进口高度H1与转轮直径D1的比值为1.70 1.85 ;所述的灯泡段的长度L2与转轮直径D1的比值为1.80 2.40，灯泡段进口宽度B2与转轮直径D1的比值为1.40 1.60，灯泡段进口高度H2与转轮直径D1的比值为1.20 1.40 ;所述的对称分布支撑贯穿灯泡体，对称分布支撑的长度L5与转轮直径D1的比值为0.70 0.85，对应的转轮的叶片安放角为26°，单位转速为160 215r/min ;所述的正曲度支撑的长度L6与转轮直径D1的比值为0.80
0.90，正曲度翼型支撑长度L7与转轮直径D1的比值为0.35 0.45，对应的转轮的叶片安放角为28°，单位转速为160 215r/min ;所述的转轮室长度L3与转轮直径D1的比值为
0.35 0.40，轮毂直径Dh与转轮直径D1的比值即轮毂比为0.28 0.35，转轮的叶片为不对称扭曲叶片，叶片数量为3片；所述的尾水管进口直径D2为直径的圆柱面所截圆柱面上
,1、
轮缘侧叶片的叶栅稠密度(;)2
为0.60 0.70，以轮毂直径Dh为直径的圆柱面所截圆柱面上轮毂侧叶片的叶栅稠密度
为1.40 1.50 ;所述的尾水管长度L4与转轮直径D1的比值为2.30 2.80，尾水管
进口直径D2与转轮直径D1的比值为0.95 0.99，尾水管直锥段出口直径D3与转轮直径D1的比值为1.05 1.15，尾水管出口宽度B3与转轮直径D1的比值为1.30 1.35，尾水管出口高度H3与转轮直径D1的比值为1.15 1.30。本发明与现有技术相比其显著优点为:一是本发明水轮机以管道集能开发方式取代了传统的拦河筑坝集能的开发方式，大大降低了工程造价，高效利用了我国资源极其丰富、且被认为无开发价值的微水头水力资源；二是本发明采用进口呈三面扩张型的进水管，产生进口涌浪，以提高水轮机的工作水头，可将0.6m-2.5m的微水头水流水能转化为动能，在单位流量(即换算到转轮直径为lm，有效水头为Im时的水轮机的实际有效流量)不低于3m3/s的情况下，水能转换效率可达75%以上，实现了对微水头水利资源的高效利用；三是本发明采用为定桨型转轮叶片，彻底革除了传统灯泡贯流式水轮机的活动导叶，从而减少了机组制造成本及后期的辅助设备的建设、运行成本；四是本发明既可通过设置竖直方向上的固定支撑，以尽可能的简化构造，降低成本；还可通过将革除活动导叶部分与固定支撑结合，采用正曲度形式，使其不仅有支撑灯泡体的功能，同时还能产生环量，发挥了提高水轮机叶片做功能力的作用；采用过流量较大的灯泡比和轮毂比，以增强水轮机过流量；采用直锥形及由圆至方的变化段结合的尾水管，回收水能并将水流导向下游。本发明适用于对各种自然环境下的0.6m-2.5m微水头水力资源的开发利用。
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图1是本发明提出的对称型支撑灯泡贯流式水轮机的正视剖视示意图。图2是本发明提出的对称型支撑灯泡贯流式水轮机的俯视剖视示意图。图3是本发明提出的非对称型支撑灯泡贯流式水轮机的正视剖视示意图。图4是本发明提出的非对称型支撑灯泡贯流式水轮机的俯视剖视示意图。图5是本发明转轮结构示意图。图6是本发明转轮叶片组成平面叶栅图。图7是本发明非对称型支撑的正曲度支撑及正曲度翼型支撑结构示意图。图8是本发明非对称型支撑的正曲度支撑及正曲度翼型支撑截面尺寸示意图。
具体实施方式
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下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明。结合图1至图5，本发明提出的一种用于微水头电站的灯泡贯流式水轮机，包括进水管(I)、灯泡段(2)、灯泡体(3)、转轮室(4)、转轮(5)、尾水管(6)、主轴(7)、对称分布支撑(8)、正曲度支撑(9)和正曲度翼型支撑(10)、叶片(11)、轮毂(12)、泄水锥(13)，在灯泡段(2 )中设有灯泡体(3 )，灯泡体(3 )由固定支撑撑起，灯泡体(3 )连接转轮室(4 )中水轮机的主轴(7)，主轴(7)连接转轮(5)，转轮(5)由轮毂(12)、泄水锥(13)及轮毂(12)上沿圆周方向平均分布叶片(11)组成，进水管(I)的进口呈三面扩张型，灯泡体(3)的直径Dtl与转轮(5)直径D1的比值即灯泡比为0.58 0.65，固定支撑为对称型支撑或非对称型支撑，对称型支撑为设置于竖直方向上的随水流方向由圆弧形收缩至尖角的对称分布支撑(8)，非对称型支撑为设置于竖直方向上的由圆弧形收缩至尖角的正曲度支撑(9)与水平方向上的正曲度翼型支撑(10)的结合。结合图1至图4，在本发明的技术方案中，所述的进水管(I)的底部为平面，进水管
(I)长度L1与转轮(5)直径D1的比值为1.30 1.50，进水管(I)进口宽度B1与转轮(5)直径的比值为2.40 2.55，进水管(I)进口高度H1与转轮(5)直径D1的比值为1.70
1.85。结合图1至图5以及图7、图8，在本发明的技术方案中，所述的灯泡段(2)的长度L2与转轮(5)直径D1的比值为1.80 2.40，灯泡段(2)进口宽度B2与转轮(5)直径D1的比值为1.40 1.60，灯泡段(2)进口高度H2与转轮(5)直径D1的比值为L 20 1.40 ;所述的对称分布支撑(8)贯穿灯泡体(3)，对称分布支撑(8)的长度L5与转轮(5)直径D1的比值为0.70 0.85，对应的转轮(5)的叶片(11)安放角为26°，单位转速为160 215r/min ;所述的正曲度支撑(9)的长度L6与转轮(5)直径D1的比值为0.80 0.90，正曲度翼型支撑(10 )长度L7与转轮(5 )直径D1的比值为0.35 0.45，对应的转轮(5 )的叶片(11)安放角为28°，单位转速为160 215r/min。结合图1至图6，在本发明的技术方案中，所述的转轮室(4 )长度L3与转轮(5 )直径D1的比值为0.35 0.40，轮毂(12)直径Dh与转轮(5)直径D1的比值即轮毂比为0.28
0.35，转轮(5 )的叶片(11)为不对称扭曲叶片，叶片(11)数量为3片；所述的尾水管(6 )进
口直径D2为直径的圆柱面所截圆柱面上轮缘侧叶片(11)的叶栅稠密度(色)2为0.60
0.70，轮毂(12)直径Dh为直径的圆柱面所截圆柱面上轮毂(12)侧叶片(11)的叶栅稠密度
(I)h 为 1.40- 1.50。结合图1至图4，在本发明的技术方案中，所述的尾水管(6 )长度L4与转轮(5 )直SD1的比值为2.30 2.80，尾水管(6)进口直径D2与转轮(5)直径D1的比值为0.95
0.99，尾水管(6)直锥段出口直径D3与转轮(5)直径D1的比值为1.05 1.15，尾水管(6)出口宽度B3与转轮(5)直径D1的比值为1.30 1.35，尾水管(6)出口高度H3与转轮(5)直径D1的比值为1.15 1.30。本发明的具体实施例如下:
实施例1，按照本发明上述的设计方案，以运行水头为0.6m的微水头电站的灯泡贯流式水轮机为例:采用固定支撑为对称型支撑时，灯泡贯流式水轮机的转轮(5)的叶片(11)安放角为26°，转速为45r/min 55r/min，流量为23m3/s 25 m3/s，水能转换效率达到75%以上；采用固定支撑为非对称型支撑时，灯泡贯流式水轮机的的转轮(5)的叶片(11)安放角为28°，流量为22m3/s 24m3/s，转速为45 r/min 55r/min，水能转换效率达到82%以上。实施例2，按照本发明上述的设计方案，以运行水头为1.2m的微水头电站的灯泡贯流式水轮机为例:采用固定支撑为对称型支撑时，灯泡贯流式水轮机的转轮(5)的叶片(11)安放角为26°，转速为60r/min 72r/min，流量为32m3/s 35 m3/s，水能转换效率达到76%以上；采用固定支撑为非对称型支撑时，灯泡贯流式水轮机的的转轮(5)的叶片(11))安放角为28° ,转速为60r/min 75r/min,流量为30m3/s 32 m3/s，水能转换效率达到83%以上。实施例3，按照本发明上述的设计方案，以运行水头为2.5m的微水头电站的灯泡贯流式水轮机为例:采用固定支撑为对称型支撑时，灯泡贯流式水轮机的转轮(5)的叶片
(11)安放角为26° ,转速为85r/min 100r/min,流量为43m3/s 46 m3/s，水能转换效率达到76%以上；采用固定支撑为非对称型支撑时，灯泡贯流式水轮机的的转轮(5)的叶片
(11)安放角为28。，转速为85r/min 100r/min，流量为42m3/s 44 m3/s，水能转换效率达到83%以上。本发明经反复试验验证，取得了满意的应用效果。
权利要求
1.一种用于微水头电站的灯泡贯流式水轮机，包括进水管(I)、灯泡段(2)、转轮室(4)和尾水管(6 )，其中，灯泡段(2 )中设有灯泡体(3 )，灯泡体(3 )由固定支撑撑起，灯泡体(3 )连接转轮室(4)中水轮机的主轴(7)，主轴(7)连接转轮(5)，转轮(5)由轮毂(12)、泄水锥(13)及轮毂(12)上沿圆周方向平均分布叶片(11)组成，其特征在于所述的进水管(I)的进口呈三面扩张型，灯泡体(3)直径Dtl与转轮(5)直径D1的比值即灯泡比为0.58 0.65，固定支撑为对称型支撑或非对称型支撑，所述的对称型支撑为设置于竖直方向上的随水流方向由圆弧形收缩至尖角的对称分布支撑(8)，非对称型支撑为设置于竖直方向上的由圆弧形收缩至尖角的正曲度支撑(9)与水平方向上的正曲度翼型支撑(10)的结合。
2.根据权利要求1所述的一种用于微水头电站的灯泡贯流式水轮机，其特征在于进水管(I)的底部为平面，进水管(I)长度L1与转轮(5)直径D1的比值为1.30 1.50，进水管(I)进口宽度B1与转轮(5)直径的比值为2.40 2.55，进水管(I)进口高度H1与转轮(5)直径D1的比值为L 70 1.85。
3.根据权利要求1所述的一种用于微水头电站的灯泡贯流式水轮机，其特征在于灯泡段(2)的长度L2与转轮(5)直径D1的比值为1.80 2.40，灯泡段(2)进口宽度B2与转轮(5)直径D1的比值为1.40 1.60，灯泡段(2)进口高度H2与转轮(5)直径D1的比值为.1.20 1.40。
4.根据权利要求1所述的一种用于微水头电站的灯泡贯流式水轮机，其特征在于对称分布支撑(8)贯穿灯泡体(3)，对称分布支撑(8)的长度L5与转轮(5)直径D1的比值为.0.70 0.85，对应的转轮(5)的叶片(11)安放角为26°，单位转速为160 215r/min。
5.根据权利要求1所述的一种用于微水头电站的灯泡贯流式水轮机，其特征在于正曲度支撑(9 )的长度L6与转轮(5 )直径D1的比值为0.80 0.90，正曲度翼型支撑(10 )长度L7与转轮(5)直径D1的比值为0.35 0.45，对应的转轮(5)的叶片(11)安放角为28。，单位转速为160 215r/min。
6.根据权利要求1所述的一种用于微水头电站的灯泡贯流式水轮机，其特征在于转轮室(4 )长度L3与转轮(5 )直径D1的比值为0.35 0.40，轮毂(12 )直径Dh与转轮(5 )直径D1的比值即轮毂比为0.28 0.35，转轮(5)的叶片(11)为不对称扭曲叶片，叶片(11)数量为3片。
7.根据权利要求1所述的一种用于微水头电站的灯泡贯流式水轮机，其特征在于尾水管(6)进口直径队为直径的圆柱面所截圆柱面上轮缘侧叶片(11)的叶栅稠密度
8.根据权利要求1所述的一种用于微水头电站的灯泡贯流式水轮机，其特征在于尾水管(6)长度L4与转轮(5)直径D1的比值为2.30 2.80，尾水管(6)进口直径D2与转轮(5)直径D1的比值为0.95 0.99，尾水管(6 )直锥段出口直径D3与转轮(5 )直径D1的比值为.1.05 1.15，尾水管(6)出口宽度B3与转轮(5)直径D1的比值为1.30 1.35，尾水管(6)出口高度H3与转轮(5)直径D1的比值为1.15 1.30。
全文摘要
本发明涉及一种用于微水头电站的灯泡贯流式水轮机，它包括进水管、灯泡段、转轮室和尾水管，其中，灯泡段中设有灯泡体，灯泡体由固定支撑撑起，灯泡体连接转轮室中水轮机的主轴，主轴连接转轮，转轮由轮毂、泄水锥及轮毂上沿圆周方向平均分布叶片组成，其特征在于所述的进水管的进口呈三面扩张型，灯泡体直径D0与转轮直径D1的比值即灯泡比为0.58～0.65，固定支撑为对称型支撑或非对称型支撑。本发明能够高效利用0.6m-2.5m的微水头水力资源，具有水能转换效率高、工程造价及装备成本低的优点，适用于对各种自然环境下的微水头水力资源的开发利用。
文档编号F03B3/18GK103216375SQ201310124289
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月10日 优先权日2013年4月10日
发明者郑源, 李玲玉, 周大庆, 游赞培, 葛新峰, 陈会向 申请人:河海大学