一种基于水轮机模式的带异径正反导叶的液力透平流道的制作方法

本实用新型涉及水轮机，特别是用于高余压回收的一种基于水轮机模式的带异径正反导叶的液力透平流道。

背景技术：

目前，大多数用于余能回收的液力透平常采用多级泵反转，由于泵反转作透平运行时，进出口发生了逆转，因此，这些按泵工况设计的透平，其损失比泵工况运行时的大、效率低，高效工作范围窄，稳定性差。余能回收效率低，导致能源的二次浪费，因此提高液力透平的余能回收效率尤为重要。而水轮机是水能利用的常规原动机，其运行效率往往要比泵作液力透平的效率高很多，且高效工作范围宽，稳定性好，基于此点考虑，很有必要设计开发水轮机模式的液力透平。此外，液力透平的余能回收效率不仅取决于高效的转轮，还需要开发出与之相适应的流道，以提高液力透平整体余能回收效率。虽然常规低比转速水轮机的余能回收效率较高，但单级转轮利用水头不高。另外，由于受结构布局限制，液力透平流道还要求结构紧凑，运行稳定可靠。因此，为提高余能回收效率并提高单级转轮利用水头能力，需要设计开发出与超低比转速水轮机模式液力透平及其相适应的流道。

技术实现要素：

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本实用新型之目的是提供一种基于水轮机模式的带异径正反导叶的液力透平流道，可有效提高工业流体余能回收效率和单级转轮可利用水头，并解决反转泵型液力透平效率低、高效区窄、稳定性差的问题。

本实用新型解决的技术方案是，一种基于水轮机模式的带异径正反导叶的液力透平流道，包括涡室式进水室、首级径向式正导叶、首级转轮、至少一级次级级间异径正反导叶及相应级超低比转速转轮、出水室、主轴、轴承和机壳，所述的引水室为断面呈圆矩形的蜗壳式，主轴装在轴承的中心内，涡室式引水室出水口经首级导叶与首级转轮相连通，首级转轮与次级级间异径正反导叶相连通，级间异径正反导叶与对应级转轮相连通，水流在涡室式引水室的作用下顺畅轴向对称的引向首级导叶，由首级导叶形成首级转轮所需要的环量，再进入首级转轮，经和首级转轮通道串接在一起的次级级间异径正反导叶流向相应级转轮，以此类推，最好水流经末级导叶及相应末级转轮流至出水室，与机壳构成一体的透平流道。

本实用新型结构新颖独特，单级液力透平具有较高的余能回收效率和较高的级利用水头，可与发电机直联，设备装置效率高、运行稳定、安全可靠、高效工作范围宽，适用于中小流量、中高余压（水头）利用，节能环保，是水轮机上的创新，有巨大的经济和社会效益。

附图说明

图1为本实用新型的结构剖面主视图；

图2为本实用新型的进水室的结构剖面主视图；

图3为本实用新型的首级导叶的俯视图；

图4为本实用新型的超低比转速转轮结构图；

图5为本实用新型级间异径正反导叶的结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体使用情况对本实用新型的具体实施方式做详细说明。

如图1-5所示，本实用新型一种基于水轮机模式的带异径正反导叶的液力透平流道，包括涡室式进水室、首级径向式正导叶、首级转轮、至少一级次级级间异径正反导叶及相应级超低比转速转轮、出水室、主轴、轴承和机壳，所述的引水室1为断面呈圆矩形的蜗壳式，主轴7装在轴承8的中心内，涡室式引水室1出水口经首级导叶2与首级转轮3相连通，首级转轮3与次级级间异径正反导叶4相连通，级间异径正反导叶4与对应级转轮5相连通，水流在涡室式引水室1的作用下顺畅轴向对称的引向首级导叶2，由首级导叶2形成首级转轮3所需要的环量，再进入首级转轮3，经和首级转轮3通道串接在一起的次级级间异径正反导叶4流向相应级转轮5，以此类推，最好水流经末级导叶及相应末级转轮流至出水室6，与机壳9构成一体的透平流道。

为了保证使用效果和使用方便，

所述引水室1的进口到出口的口径逐渐缩小，即断面面积逐渐减小，构成水流量均匀减小结构。

所述的首级导叶2为异径径向式的正导叶。

所述的首级转轮3和次级转轮5结构相同，均为超低比转速转轮，转轮流道从进口到出口由径向变为轴向，其结构是由上冠、叶片和下环构成，转轮叶片进口安放角为110⁰～150⁰，单位流量为0.2~0.3m³/s，转速为45～55r/min，叶片弯曲度较大，流道较短，构成超低比转速混流式转轮。

所述的级间异径正反导叶4为异径径向式正反导叶，正导叶直径大于反导叶直径，正导叶的尾部开有三角形窗口，水流由首级转轮的出口流向级间导叶的反导叶，流过窗口转为轴向，到正导叶上部的环形空间相混合，再进入正导叶，经正导叶引导并形成次级转轮所需要的环量，进入次级转轮，正导叶出口直径为首级导叶内直径的加2-10mm，外直径为正导叶出口直径的1.3-1.5倍，反导叶的高度为首级转轮3进口高度的1.8倍，正导叶出口角与次级转轮5进口角相同，反导叶进口角与次级转轮5水流法向出口角相同，均为90°，反导叶的进口头部均呈圆钝的翼型，尾部逐渐变薄。

所述的出水室6为环形出水室，环形截面跟涡室式引水室截面断面面积相一致，出水室6出口面积与涡室式引水室1进口面积相一致，所述出水室6与末级转轮相连，使末级转轮出口处的水流能量降低，从而增加转轮前后的能量差，回收部分剩余水流能量。

所述的主轴7转速为1500-3000r/min，由首级转轮3、次级转轮5所产生的旋转机械能由主轴7输出，直接带动风机或泵运行，或与三相同步发电机直联发电，无需加装减速机，提高设备的可靠性、稳定性，降低设备的运行维护费用。

所述的液力透平流道可为立式或卧式。

所述的“水流”还可称为“液流”。

由上述可以看出，一种基于水轮机模式的带异径正反导叶的液力透平流道，包括涡室式引水室、首级转轮、至少一级级间异径正反导叶及相应级的超低比转速转轮、环形出水室、机壳、主轴和轴承。其透平流道按水轮机模式设计而成。水流环量的概念贯穿整个液力透平及其流道的水力设计过程，水流流过液力透平时，通过其环量的改变，把水流能量传递给转轮，变成转轮的旋转机械能，由水轮机主轴带动发电机发电或带动风机运行或泵运行；液力透平相应的进水部件、导叶和出水室均满足其转轮环量变化的需要，因此，转轮之外过流部件的设计也要按照环量的要求考虑，这是水轮机模式液力透平及其流道水力设计的关键，也是其与反转泵式液力透平的重要区别。

本实用新型的液力透平的流道始于引水室的进口。为减小径向尺寸，本实用新型采用变异多级泵涡室式引水室，引水室的外形选用圆矩形断面蜗壳。其设计原则为从进口到出口间流量均匀减少，断面面积逐渐减小，能形成必要的环量。水流经过引水室形成必要的环量后，流进首级导叶，为与涡室式进水室相匹配，首级导叶采用异径正反导叶的正导叶，其功能是引导流体均匀地进入液力透平的转轮，并形成首级转轮工作需要的水流环量。本实用新型所选用首级导叶为径向式异径导叶的正导叶，引导液流形成转轮进口环量，同时作为座环的支柱。液体经由首级导叶，形成首级转轮所需的环量后，流进首级转轮，水流带动首级转轮做功，经由首级转轮出口流向级间导叶。本实用新型所选级间导叶为径向式异径正反导叶，其特点是正导叶直径大于反导叶直径，为了减少径向尺寸，水流从上级转轮流出，进入反导叶，在反导叶出口处，通过正导叶头部的三角形窗口转为轴向，然后再转为径向，进入正导叶；其作用是传递前后级转轮之间的流体，即把前一级转轮出口的水流集中起来按照透平工作需要的环量和方向要求送入下一级转轮；为了保证水流在水轮机中的流态，正反导叶的进口均按圆钝的翼型头部设计，尾部逐渐变薄。本实用新型的首级转轮和次级转轮均为超低比转速混流式转轮，转轮流道从进口到出口由径向变为轴向，包括上冠、叶片、下环组成。转轮叶片进口安放角大于100⁰在110⁰～150⁰之间，其单位流量在0.2~0.3m³/s，其单位转速n11小于60r/min，在45～55r/min之间，其叶片弯曲度较大，流道较短，属于超低比转速混流式转轮。同样尺寸和工作条件下，本实用新型的单级转轮能够担负的级水头H比常规低比转速转轮高，适用于高余压的回收利用或相应能级的水能利用，可以减少液力透平的级数，从而简化设备结构，减少设备成本，提高透平整体效率。其转轮水力效率高，可达94%以上。水流最后经末级转轮出口，流向出水室，最后经由出水室流出。本实用新型的出水室为环形出水室，按其环形截面跟引水室截面断面面积保持一致，出口面积与引水室进口面积保持一致，出水室在末级转轮之后并与末级转轮相连，其作用是引导水流离开液力透平并回收末级转轮出口处的部分水流能量，提高液力透平的余能回收效率。

本实用新型的工作过程为：从引水室进口流入引水室的高压液体，形成一定的水流环量后，再流经首级导叶形成必要的水流环量后，流入首级转轮做功，对首级转轮做功后的水流经由首级转轮出口轴向流入级间异径正反导叶的反导叶，流经反导叶的水流以合适的方向进入正导叶，引导水流形成必要的环量后，流入次级转轮做功，经由次级转轮出口轴向流出转轮，如此顺次，只到最后轴向流出末级转轮出口的水流经由出水室流出液力透平。本实用新型的各级转轮所产生的旋转机械能由主轴输出，主轴的转速为1500-3000r/min，可以直接带动风机或泵运行，也可以与发电机直联发电而无需加装减速机，提高了设备的可靠性、稳定性，降低了设备的运行维护费用。

本实用新型在结构上采用主轴上依次装有首级液力透平、至少一级次级液力透平以及相应级液力透转轮与末级液力透平相连的出水室；首级液力透平包括首级液力透平转轮及与之相适应的用于引导水流并形成首级转轮所需环量的蜗壳和首级导叶；次级液力透平包括与首级转轮结构相同的次级转轮及与之相配套的级间导叶；与末级液力透平相连的出水室将水流引出液力透平；整个液力透平与机壳形成完整的液力透平流道。

本实用新型的能量转换过程为：高压水流从引水室进口流入，在引水室的作用下形成一定的水流环量后，再流经首级导叶，形成必要的水流环量后，流入首级转轮做功，高压水流的压力能对首级转轮做功，转换为转轮的旋转机械能，然后水流经由首级转轮出口轴向流入反导叶，流经反导叶的液体改变方向后进入正导叶，水流形成次级转轮所需要的环量后，流入次级转轮做功，继续把液流的压力能转换成转轮的旋转机械能，经由次级转轮出口轴向流出转轮，如此顺次类推，只到最后轴向流出末级转轮出口的液流经由出水室流出液力透平。转轮的旋转机械能经由主轴输出，主轴的转速为1500-3000r/min，可直接驱动风机或泵运行，或者与发电机直联而无需加装减速器，提高了装置效率，减少了设备维护费用，也提高了设备的可靠性。

本实用新型过流部件的作用和特点为：所述的涡室式引水室的外形为等高和不等高的圆矩形断面蜗壳。引水室的设计原则为从进口到出口间流量均匀减少，断面面积逐渐减小。所述首级导叶为异径径向式正导叶，其作为座环的支柱，引导液流进入首级转轮的同时，也起着形成首级转轮所需进口环量的作用。所述级间导叶为异径径向式正反导叶，其特征是正导叶直径大于反导叶直径，为了减少径向尺寸，在正导叶的尾部开有三角形窗口；水流由首级转轮的出口流向级间导叶的反导叶，流过窗口转为轴向，到正导叶上部的环形空间相混合，然后进入正导叶，经过正导叶引导并形成次级转轮所需要的环量后，进入次级转轮。其特征还在于，为了保证水轮机的流态，正反导叶的进口均按圆钝的翼型头部设计，尾部逐渐变薄。异径正反导叶的结构参数为：正导叶出口直径D3=D1+(2～10mm)，导叶外径近似取D4=(1.3～1.5)D3，反导叶高度b5=(1.5～1.8)b1 ，b1为次级转轮进口高度，取正导叶出口角与转轮进口角相同，反导叶进口角取值与转轮水流法向出口角相同，取90⁰。

所述首级转轮和次级转轮均为超低比转速混流式转轮，转轮流道从进口到出口由径向变为轴向，包括上冠、叶片、下环组成。转轮叶片进口安放角 大于100⁰在110⁰～150⁰之间，其单位转速n11小于60r/min，在45～55r/min之间，其叶片弯曲度较大，流道较短，属于低比转速混流式转轮。同样尺寸和工作条件下，本实用新型的单级转轮能够担负的级水头H比常规低比转速转轮和水泵水轮机的都高，适用于高余压的回收利用或相应能级的水能利用，可以减少液力透平的级数，从而简化设备结构，减少设备成本，提高透平整体效率。其转轮水力效率高，可达94%以上。所述出水室为环形出水室，按其环形截面跟涡室式引水室截面断面面积对应一致，出口面积与涡室式引水室进口面积对应一致进行设计，环形出水室6与末级转轮相连，其作用是使末级转轮出口处的水流能量有所降低，从而增加转轮前后的能量差，回收一部分水流剩余能量。各级转轮所产生的旋转机械能由主轴输出，主轴的转速为1500-3000r/min，可以直接带动风机或泵运行，也可以与三相同步发电机直联发电而无需加装减速机，提高了设备的可靠性、稳定性，降低了设备的运行维护费用。