轴贯流式流体机械非能动防空化结构的制作方法

本发明涉及水轮发电机技术领域，具体涉及一种轴贯流式流体机械非能动防空化结构。

背景技术：

随着人们节能环保意识的增强，清洁高效发电装备正在大力发展，其中的轴贯流式流体机械在我国清洁能源行业中占有重要的地位，被广泛应用到了各种清洁高效能源开发项目中。由于轴贯流式流体机械的转轮叶片的叶尖与转轮室之间存在一定的转动间隙。在叶片正面和背面压力差的作用下，当流体通过细小的转动间隙时会形成高速流体。当高速流体通过转动间隙后气空间急剧膨胀，相应地，局部压力急剧降低，从而形成及强大的涡流并产生气泡，进而在叶片的叶尖背面形成空化。当装备长期运行后，叶片的叶尖背面会因长时间的空化现象导致表面的空蚀而凹凸不平，进而降低转轮的出力和效率，影响装备的经济效益。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的以水轮机为代表的轴贯流式流体机械所存在的转轮叶尖容易出现空化和空蚀的问题，提供一种轴贯流式流体机械非能动防空化结构，既可显著地减少转轮叶尖的空化和空蚀现象，同时不会影响流体机械的工作效率。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种轴贯流式流体机械非能动防空化结构，包括可转动地设置在转轮室内的转轮，转轮的叶片外端边缘与转轮室内壁之间具有转动间隙，在转轮叶片背面靠近外端边缘处设有若干沿转轮轴向延伸的抗紊流叶片，所述抗紊流叶片通过偏心设置在抗紊流叶片边缘的竖直转动轴转动连接在叶片上，各抗紊流叶片沿叶片外端边缘均匀排列，转动轴上设有盘簧，所述盘簧对抗紊流叶片形成与转轮转动方向一致的扭矩，从而使抗紊流叶片具有一个待机位置和一个工作位置，当抗紊流叶片处于待机位置时，前后相邻的抗紊流叶片之间分离，当转轮转动时，抗紊流叶片转动至工作位置，在转轮转动方向上位于前面的抗紊流叶片后部搭接在后面的抗紊流叶片前部的外侧，在转轮叶片靠近外端内部设有球形转动腔，在转轮叶片背面设有圆形的连接过孔和长方形的安装孔，所述连接过孔贯通叶片正面，安装孔宽度上的一组对边与转动腔相切，并且转动腔的球心位于安装孔的中心线上，在转动腔内设有圆形的转动环，所述转动环的圆周面为与转动腔适配的球面，所述转动轴的上端穿过连接过孔后与转动环的内孔螺纹连接，转动轴的下端与抗紊流叶片上边缘相连接，所述转动环的厚度不大于安装孔的宽度，所述盘簧设置在叶片正面的连接过孔内，转动轴伸出转动环的上端卡接在盘簧内，盘簧的外端卡接在连接过孔。

当发电机组开始运行时，水流进入转轮室内冲击转轮的叶片从而带动转轮转动以发电。可以理解的是，此时叶片正面的水压极大，而叶片背面的水压相对正面的压力小很多，从而在叶片正面和背面之间具有极大的压差。在现有的轴贯流水轮机中，当水流通过叶片外端边缘与转轮室内壁之间的转动间隙向下流动时，由于其横截面迅速变小，因而水压会进一步升高，转动间隙内会形成流速快、压力高的水流；当水流通过转动间隙时，其空间瞬间扩张，而且叶片背面的水压瞬间降低，此时的水流会向着叶片背面一侧旋转形成极强的涡流，与此同时，一旦该涡流的水压下降至水流的汽化压力以下时，部分水流会汽化而形成气泡（或称空泡）。当涡流中的空泡爆裂、溃灭时，叶片背面就会遭受巨大水压力的反复冲击，从而引起材料的疲劳破损甚至表面剥蚀而形成空蚀。

本发明创造性地在转轮叶片背面靠近外端边缘处通过竖直的转动轴设有若干可转动的抗紊流叶片，转动轴上设有对抗紊流叶片形成与转轮转动方向一致扭矩的盘簧。例如，当转轮转动方向为逆时针方向时，盘簧对抗紊流叶片形成逆时针方向的扭矩，从而使对抗紊流叶片逆时针转动，这样，在转轮转动方向上相邻的抗紊流叶片之间相互分离成类似百叶窗结构。当转轮转动时，抗紊流叶片即受到从叶片正面流至背面的水流的阻力，由于转动轴偏心设置在抗紊流叶片边缘，因此，受到水流阻力的抗紊流叶片会自动产生转动，此时的抗紊流叶片方向基本与转轮的转动方向一致，从而使前面的抗紊流叶片搭接在后面的抗紊流叶片外侧。这样，从转动间隙向下流动的高速高压水流会受到抗紊流叶片的遮挡和引导，一方面避免水流在经过转动间隙后的瞬间泄压，另一方面，抗紊流叶片引导水流形成的涡流远离叶片背面，从而极大地降低对叶片背面的空蚀作用，确保水轮机的工作效率。

可以理解的是，前后相互搭接的抗紊流叶片之间会有缝隙存在，因此，当水流经过转动间隙时，会有部分的水流在压差的作用下通过缝隙进入到叶片端部背面的区域，而该部分水流并不会形成涡流，并且其压力会介于正面的高压和背面的低压之间，从而有利于显著地减少空泡的产生，降低对叶片背面的空蚀作用。

特别是，由于转动环的圆周面为与转动腔适配的球面，因此，连接在转动环上的转动轴能够以转动腔的球心为中心做360度的摆动，确保叶片转动时所有的抗紊流叶片能转动至同一方向并相互搭接在一起，避免因制造、安装误差造成的抗紊流叶片转动角度不一致。

由于安装孔宽度上的一组对边与转动腔相切，转动环的厚度不大于安装孔的宽度，因此，需要组装时，我们可先使转动环的轴线与连接过孔的轴向大致垂直，将转动环的厚度方便地放进安装孔内，直至转动环的圆周面贴靠转动腔，此时将转动环转动90度，使转动环的轴线与连接过孔的轴向大致重合，即可方便地将转动轴螺纹连接到转动环的内孔中，直至转动轴的上端伸出转动环。特别地，本发明使转动轴伸出转动环的上端卡接在盘簧内，盘簧的外端卡接在连接过孔内。这样，一方面盘簧可使转动轴在周向上弹性定位，确保相邻的抗紊流叶片之间可靠地搭接在一起，另一方面，盘簧对转动轴的上端形成弹性支撑，使转动轴可弹性定位在竖直状态。

我们知道，当水轮机发电时水头的高度、水量以及负载等发生变化时，作为转桨式的水轮机，其叶片自身的角度会产生变化，以便使水轮机的输出功率与负载相匹配，并且使水轮的转速保持稳定。当负载下降时，叶片转动从而使正面的承压面变小；水流作用在叶片上的能量相应地变小；当负载增大时，叶片转动从而使正面的承压面变大；水流作用在叶片上的能量相应地变大。可以理解的是，当叶片自身有微量的转动时，由于转动轴是弹性定位在叶片端部的，因此，当叶片转动、抗紊流叶片受到水流的阻力时，转动轴可自动摆动一个角度，从而使转动轴始终弹性定位在竖直状态。

作为优选，所述转动轴的上端面以及叶片正面的连接过孔内侧壁分别设有沿轴向向下延伸的径向卡槽，所述盘簧的内端向中心弯折形成卡接在转动轴的径向卡槽内的内卡接端，所述盘簧的外端向外径向弯折形成卡接在连接过孔的径向卡槽内的外卡接端。

由于转动轴的上端面以及叶片正面的连接过孔内侧壁分别设有沿轴向向下延伸的径向卡槽，因此，当转动轴的上端伸出转动环时，我们可将盘簧放进连接过孔上端，并使盘簧内端的内卡接端卡接在转动轴的径向卡槽内，使盘簧外端的外卡接端卡接在连接过孔的径向卡槽内，即可方便地使转动轴和连接过孔之间形成弹性定位，从而方便加工和组装。

作为优选，所述转轮叶片背面外端边缘设有向下延伸的围边。

可以理解的是，在抗紊流叶片上边缘与叶片背面之间会有一定的间隙存在。本发明转轮叶片背面边缘设有向下延伸的围边，这样，经过转动间隙的水流不会直接通过抗紊流叶片上边缘与叶片背面之间的间隙进入叶片背面，避免在叶片背面形成空泡。尤其是，围边和搭接成一排的抗紊流叶片之间会形成一个台阶，因此，经过转动间隙的水流会逐级释放、泄压，有效地避免因瞬间的释放、泄压形成的压力突变造成的空泡现象。

因此，本发明具有如下有益效果：既可显著地减少转轮叶尖的空化和空蚀现象，同时不会影响水轮机的工作效率。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是叶片背面靠近外边缘处的一种局部结构示意图。

图3是转动轴和叶片的一种连接结构示意图。

图4是叶片和转轮室在转动间隙处的另一种结构示意图。

图中：1、转轮室11、转动间隙12、泄压腔13、上导流孔14、下导流孔2、转轮21、叶片211、转动腔212、连接过孔213、安装孔214、围边215、引流孔3、抗紊流叶片4、转动轴41、径向卡槽5、盘簧51、内卡接端52、外卡接端6、转动环。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例1：如图1所示，一种轴贯流式流体机械非能动防空化结构，包括可转动地设置在转轮室1内的转轮2，在转轮的叶片21外端边缘与转轮室内壁之间具有转动间隙11。当发电机组开始运行时，水流进入转轮室内冲击转轮叶片的正面从而带动转轮转动以发电。可以理解的是，此时叶片正面的水压极大，而叶片背面的水压相对正面的压力小很多，从而在叶片正面和背面之间具有极大的压差。在现有的轴贯流水轮机中，当水流通过叶片外端边缘与转轮室内壁之间的转动间隙向下流动时，由于水流的横截面迅速变小，因而水压会进一步升高，转动间隙内会形成流速快、压力高的水流；当水流通过转动间隙时，其空间瞬间扩张，而且叶片背面的水压瞬间降低，由于外侧受到转轮室内壁的阻挡，此时的水流会向着叶片背面一侧旋转形成极强的涡流，与此同时，一旦该涡流的水压下降至水流的汽化压力以下时，部分水流会汽化而形成气泡（或称空泡）。当涡流中的空泡爆裂、溃灭时，叶片背面就会遭受巨大水压力的反复冲击，从而引起材料的疲劳破损甚至表面剥蚀而形成空蚀，进而降低水轮机的工作效率。

为了尽量减轻空蚀现象，如图1、图2所示，我们可在转轮叶片背面靠近外端边缘处设置若干沿转轮轴向延伸的抗紊流叶片3，并且各抗紊流叶片沿叶片的外端边缘均匀排列。此外，抗紊流叶片上边缘通过竖直的转动轴4转动连接在叶片背面上，并在转动轴上套设盘簧，盘簧对转动轴以及抗紊流叶片形成与转轮转动方向一致的扭矩。例如，当转轮转动方向为逆时针方向时，盘簧对抗紊流叶片形成逆时针方向的扭矩，从而使抗紊流叶片可由工作位置逆时针转动至待机位置。当然，我们需要设置可限制抗紊流叶片转动角度的轴向限位结构，以便使抗紊流叶片可停留在待机位置或工作位置。

当水轮机停机时，盘簧驱动抗紊流叶片逆时针转动置待机位置，此时相邻的两个抗紊流叶片之间相互分开而具有径向的间隙。当转轮转动时，抗紊流叶片受到水流的阻力，从而客户盘簧的阻力矩而顺时针转动至工作位置，此时在转轮转动方向上位于前面的抗紊流叶片的后部搭接在后面的抗紊流叶片前部的外侧，从而在叶片外端背面靠近边缘处形成一排弹性的抗紊流叶片。从转动间隙向下流动的高速高压水流在经过叶片外端后会受到抗紊流叶片的遮挡和引导，一方面避免水流在经过转动间隙后的瞬间泄压，另一方面，抗紊流叶片引导水流形成的涡流尽量远离叶片背面，从而极大地降低对叶片背面的空蚀作用，确保水轮机的工作效率。特别是，前后相互搭接的抗紊流叶片之间会有一定的缝隙存在，因此，当水流经过转动间隙时，在抗紊流叶片两侧水流压差的作用下，会有部分的水流通过缝隙进入到叶片端部背面的区域，而该部分水流的压力显著降低而介于叶片正面的高压和背面的低压之间，从而有利于减少空泡的产生，降低对叶片背面的空蚀作用。

需要说明的是，当抗紊流叶片出现损坏时，可方便地进行更换维护，从而极大地降低水轮机的实用维护成本。此外，所谓非能动式，是指本发明的防空化结构无需额外提供动力，可根据工况需要自动实现。也就是说，其无需额外消耗能量。

为了确保转轮转动时抗紊流叶片可自动地由待机位置转动至工作位置，抗紊流叶片大致呈长方形，我们应使转动轴偏心设置在抗紊流叶片的宽度方向的上边缘上，具体地，可使转动轴靠近抗紊流叶片的前部设置，从而使位于转动轴后面的抗紊流叶片面积大于位于转动轴前面的抗紊流叶片面积。当转轮转动时，抗紊流叶片后部受到的水流阻力会大于抗紊流叶片前部受到的水流阻力，从而形成一个转动的扭矩。优选地，转动轴前部的抗紊流叶片宽度与转动轴后部的抗紊流叶片宽度之比可控制在0.6-0.8之间。

为了方便转动轴与叶片的连接，作为一种优选方案，如图3所示，我们可针对每一根转动轴在转轮叶片靠近外端内部设置球形转动腔211，在转轮叶片背面设置圆形的连接过孔212和长方形的安装孔213，连接过孔和安装孔的中心线同轴并穿过转动腔的球心。需要说明的是，长方形的安装孔的中心线是指经过横截面中两条对角线交点、并垂直于横截面的线。

此外，连接过孔向上延伸，先贯通转动腔，再贯通叶片正面，而安装孔向上延伸至宽度上的一组对边与转动腔相切。也就是说，安装孔的长度与转动腔的直径相适配，而安装孔的深度直达转动腔的球心。另外，在转动腔内设置圆形的转动环6，转动环的圆周面为与转动腔适配的球面，从而使转动环的外形呈球台状。盘簧5设置在叶片正面的连接过孔内，盘簧的外端卡接在连接过孔内，转动轴的下端与抗紊流叶片上边缘相连接，转动轴的上端穿过连接过孔后与转动环的内孔螺纹连接，转动轴伸出转动环的上端卡接在盘簧内，转动环的厚度不大于安装孔的宽度。

由于转动环的圆周面为与转动腔适配的球面，因此连接在转动环上的转动轴可以转动腔的球心为中心做360度的摆动，确保叶片转动时所有的抗紊流叶片能转动至同一方向并相互搭接在一起，避免因制造、安装误差造成的抗紊流叶片转动角度不一致。

需要组装时，我们可先使转动环的轴线与连接过孔的轴向大致垂直，将转动环的厚度方便地放进安装孔内，直至转动环的圆周面贴靠转动腔，此时将转动环转动90度，使转动环的轴线与连接过孔的轴向大致重合，即可方便地将转动轴螺纹连接到转动环的内孔中，直至转动轴的上端伸出转动环。由于转动轴伸出转动环的上端卡接在盘簧内，盘簧的外端卡接在连接过孔内。这样，一方面盘簧可使转动轴在周向上弹性定位，确保相邻的抗紊流叶片之间可靠地搭接在一起，另一方面，盘簧对转动轴的上端形成弹性支撑，使转动轴弹性定位在竖直状态，而抗紊流叶片可围绕转动环的中心做360度的弹性摆动。

作为现有技术，转桨式水轮机的叶片可自行转动以调整角度。当水轮机发电时，如果遇到水头的高度、水量以及负载等发生变化的情况时，作为转桨式的水轮机，其叶片自身的角度会产生变化，以便使水轮机的输出功率与负载相匹配，并且使水轮的转速保持稳定。当负载下降时，叶片转动从而使正面的承压面变小，水流作用在叶片上的扭矩相应地变小；当负载增大时，叶片转动从而使正面的承压面变大；水流作用在叶片上的扭矩相应地变大。可以理解的是，由于转动轴是弹性定位在叶片端部的，因此，当叶片自身转动时，抗紊流叶片在受到水流的阻力时，转动轴可自动摆动一个角度，从而使转动轴始终弹性定位在大致竖直状态。

为方便盘簧的安装，我们可在转动轴的上端面设置沿轴向向下延伸的径向卡槽41，在叶片正面的连接过孔内侧壁设置沿轴向向下延伸的径向卡槽，转动轴的上端位于盘簧内，并且盘簧的内端向中心弯折形成卡接在转动轴的径向卡槽内的内卡接端51，盘簧的外端向外径向弯折形成卡接在连接过孔的径向卡槽内的外卡接端52，当转动轴的上端伸出转动环时，我们可将盘簧放进连接过孔上端，使盘簧的内卡接端卡接在转动轴的径向卡槽内，使盘簧的外卡接端卡接在连接过孔的径向卡槽内，即可方便地使转动轴和连接过孔之间形成弹性定位，从而方便加工和组装。

优选地，盘簧可有扁平的弹簧钢带卷绕制成，我们可通过合理地控制弹簧钢带的厚度、宽度，方便地控制盘簧的弹性，进而确保抗紊流叶片的弹性定位。

由于抗紊流叶片是通过转动轴转动连接在叶片背面的，因此，在抗紊流叶片上边缘与叶片背面之间会有一定的间隙存在。进一步地，我们还可在叶片背面外端边缘设置向下延伸的围边214，从而在围边和搭接成一排的抗紊流叶片之间形成一个台阶。也就是说，此时的转动间隙呈台阶状。这样，一方面，围边可有效地阻止经过转动间隙的水流直接通过抗紊流叶片上边缘与叶片背面之间的间隙进入叶片背面，另一方面，水流在经过台阶状的转动间隙后，其压力会逐级释放而泄压，从而有效地避免因瞬间的释放、泄压形成的压力突变造成的空泡现象。

进一步地，如图4所示，我们还可在转轮室内壁内部设置圆环形的泄压腔12，并且泄压腔与转轮室同轴设置。在转轮室内壁上设置若干上导流孔13和若干下导流孔14，各上导流孔和各下导流孔均沿转轮室周向均匀分布，上导流孔设置在转轮室内壁的输入口在高度上与叶片外端对应，上导流孔另一端的输出口与泄压腔上部相连接，下导流孔设置在转轮室内壁的输出口低于抗紊流叶片下端，下导流孔另一端的输入口与泄压腔下部相连接。

这样，进入转动间隙内的高速高压水流可部分地通过上导流孔进入泄压腔内释放并泄压，然后再通过下导流孔向下流出，从而极大降低转动间隙内水流的流速和压力，有利于进一步减轻对叶片背面的空蚀。

需要说明的是，我们可先在转轮室内壁加工出阶梯形的环形凹槽，然后在环形凹槽开口的阶梯处设置若干弧形的封堵块，从而形成大致密封的圆环形泄压腔，而上导流孔和若干下导流孔则设置在封堵块上，从而方便加工制造和装配。

最后，我们可使上导流孔的输出口高于输入口，从而使上导流孔由输入口至输出口向上倾斜；而下导流孔的输入口高于输出口，使下导流孔由输入口至输出口向下倾斜。

这样，转轮室内的水流在通过相邻叶片之间的空隙时，水流不会通过上导流孔进入泄压腔内，从而减少转轮室内水流的紊流，有利于水头的能量的充分做功，并提升水轮机的效率。而进入转动间隙内的高速高压水流由于和泄压腔之间会有较大的压力差，因此，可确保有部分水流通过上导流孔进入泄压腔内释放、泄压，并通过向下倾斜的下导流孔顺畅地向外排出。

优选地，上导流孔相对水平面的倾斜角度可控制在10度至30度之间。

实施例2：一种轴贯流式流体机械非能动防空化结构，如图4所示，包括可转动地设置在转轮室内的转轮，在转轮的叶片外端边缘与转轮室内壁之间具有转动间隙，在叶片外端靠近边缘处设有若干引流孔215，所述引流孔贯通叶片正面和背面，并且引流孔沿叶片的外端边缘均匀分布。当发电机组开始运行时，水流进入转轮室内冲击转轮叶片的正面从而带动转轮转动以发电。此时，部分叶片正面的水流通过引流孔从叶片的背面冲出，从而将通过转动间隙后旋转到达叶片背面的涡流冲散，避免在叶片背面形成空泡。

需要说明的是，引流孔和实施例1的抗紊流叶片可同步实施，也就是说，引流孔可设置在叶片上相邻的转动轴之间的空隙处，此时从引流孔冲出的水流在抗紊流叶片的内侧。