一种轴流式水轮机

1.本发明涉及流体机械技术领域，特别是涉及一种轴流式水轮机。


背景技术：

2.水利工程中，大坝和结构复杂的水轮机阻碍了鱼类的洄游通道，这种人为工程严重影响了洄游性产卵繁衍的鱼类的正常生命延续。部分鱼类因洄游习性去上游产卵，受大坝工程的阻拦，种群之间无法完成基因交流和种族延续，鱼类极有可能濒临灭绝，严重影响当地生态环境可持续发展和全球物种多样性。
3.目前，对鱼类上行过坝研究比较多，主要会使用鱼梯、鱼闸、升鱼机等方法；鱼类下行过坝也有溢洪道、水轮机流道等方法，但研究成果没有上行过坝多，事实表明溢洪道的效果差强人意，经济成本也比较高，所以主要还是通过设计水轮机进行下行过坝。而且一些体积较小的鱼类通过溢洪道下行过坝时，也总是会因为装置等问题不可避免的进入水轮机流道。而水轮机的复杂的非天然的结构和不确定的水力环境会对鱼体造成致命的伤害，导致鱼体下行过坝的死亡率非常高，严重影响生态平衡和生物多样性。
4.水轮机内部复杂的导叶和叶片结构，以及水流速度和方向快速变化的流动特性都会对鱼体产生损伤，鱼类下行的存活率很大程度上取决于通过水轮机的路径。鱼类通过水轮机时，可能受到的损伤包括撞击和刮蹭造成的机械损伤，高压或低压造成的压力损伤，剪切力损伤和空化空蚀损伤。
5.轴流式水轮机的应用广泛，相对于其他水轮机具有更高的鱼类通过率，对轴流式水轮机进行鱼友好优化设计，使其更多的运用到鱼类下行过坝中，这对环境保护具有更实际的意义。
6.虽然研究人员对提高轴流式水轮机的水力性能进行了深入研究，对于鱼友型水轮机的研究也开展了一定工作，设计了溢洪道、水轮机流道等方法，但事实表明溢洪道的效果差强人意，经济成本也比较高，而且一些体积较小的鱼类通过溢洪道下行过坝时，也总是会因为装置等问题不可避免的进入水轮机流道。而水轮机的复杂的非天然的结构和不确定的水力环境会对鱼体造成致命的伤害，导致鱼体下行过坝的死亡率非常高，严重影响生态平衡和生物多样性。


技术实现要素：

7.本发明实施例提供了一种轴流式水轮机，可以解决现有技术中存在的问题。
8.本发明提供一种轴流式水轮机，包括：
9.引水蜗壳；
10.座环，包括座环上环和座环下环，所述座环上环和座环下环分别固定设置在引水蜗壳内缘出水口上侧与下侧，所述座环上环和座环下环之间沿周向设有多个固定导叶；
11.底环，设置在所述座环下环内侧，所述底环顶部沿周向设有多个活动导叶；
12.主轴，转动设置在所述座环中间，顶部与发电装置连接；
13.轮毂，设置在所述主轴底部，所述轮毂外侧设有螺旋叶片；
14.尾水管，设置在所述底环底部，对水轮机进行支撑；
15.上水箱，通过上水箱进水管和引水蜗壳侧壁连通；
16.下水箱，设置在上水箱下方，通过下水箱进水管和尾水管连通，通过两个出水管分别与上水箱和尾水管连接；
17.两个拦鱼网，分别设置在引水蜗壳与上水箱进水管连接处以及尾水管与下水箱进水管连接处，对鱼类进行拦截。
18.优选的，所述螺旋叶片的数量为两个。
19.优选的，所述螺旋叶片的轮缘侧螺距为2400mm，包角为720
°
，轮毂侧螺距为渐变螺距，变化范围为1920mm到2880mm。
20.优选的，所述螺旋叶片的进水侧设有卡槽，所述卡槽内部安装有橡胶防护条。
21.优选的，所述螺旋叶片的截面形状为对称机翼型或非对称机翼型。
22.优选的，所述固定导叶的数量为12个，安装角度为30
°
，所述活动导叶的数量为24个，活动角度为0
°
到90
°
。
23.优选的，所述固定导叶和活动导叶均选择两端流线尖翼型。
24.优选的，所述尾水管为弯肘型尾水管，直锥段锥管单边扩散角为10
°
，弯肘段进口为圆形断面，出口为矩形断面，变断面角度90
°
。
25.优选的，上水箱进水管模拟轴流式水轮机的过鱼装置，方向与引水蜗壳内水流方向一致。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
27.(1)本发明的螺旋叶片是将螺旋线进行轴向展开，沿轮毂拉伸形成空间扭曲形状分布在轮毂外周上，优化了水流通过水轮机的流态，提高了轴流式水轮机在额定工况下的运行效率，同时扩大了高效率区的水头范围。
28.(2)本发明的实验装置分为上下两个水箱，上水箱收集能够通过过鱼装置的鱼，下水箱收集通过水轮机流道的鱼，通过上下水箱鱼的数量的对比可以测试过鱼装置的效果，通过对下水箱鱼损伤情况的观察可以测试轴流式水轮机叶片的过鱼性能。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明的一种轴流式水轮机的整体结构剖视示意图；
31.图2为本发明的一种轴流式水轮机的整体正视示意图；
32.图3为本发明的一种轴流式水轮机的整体俯视示意图；
33.图4为本发明的转轮结构示意图；
34.图5为本发明的叶片进水侧边沿放大局部结构示意图；
35.图6为本发明的螺旋叶片的结构示意图；
36.图7为本发明的双螺旋叶片组合的结构示意图；
37.图8为本发明的螺旋叶片的不同位置的截面示意图；
38.图9为本发明在距离轮毂前缘轴向100cm处螺旋叶片截面型线示意图；
39.图10为本发明在距离轮毂前缘轴向200cm处螺旋叶片截面型线示意图；
40.图11为本发明在距离轮毂前缘轴向300cm处螺旋叶片截面型线示意图；
41.图12为本发明在距离轮毂前缘轴向400cm处螺旋叶片截面型线示意图。
42.图中：1-螺旋叶片、2-轮毂、3-主轴、4-引水蜗壳、5-固定导叶、6-活动导叶、7-座环、8-底环、9-橡胶防护条、10-尾水管、11-上水箱进水管、12-上水箱、13-下水箱进水管、14-下水箱、15-出水管、16-拦鱼网、17-卡槽。
具体实施方式
43.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.参照图1-5，本发明提供了一种轴流式水轮机，包括主轴3、引水蜗壳4、固定导叶5、活动导叶6、座环7、底环8、尾水管10、上水箱12和下水箱14，还包括螺旋叶片1和连接主轴3的轮毂2，主轴3顶部与发电装置连接。螺旋叶片1数量为2个，2个螺旋叶片1沿轮毂2方向布置，螺旋叶片1的截面形状选择对称机翼形，螺旋叶片1轮缘侧螺距恒定，螺旋叶片1轮毂侧螺距为渐变螺距，变化范围为螺旋叶片1轮缘处螺距的0.8到1.2倍，螺旋叶片1的进水侧设有卡槽17，卡槽17内部安装有橡胶防护条9。座环7包括座环上环和座环下环，座环上环和座环下环分别固定设置在引水蜗壳4内缘出水口上侧与下侧，座环上环和座环下环之间沿周向设有多个固定导叶5。底环8设置在座环下环内侧，底环8顶部沿周向设有多个活动导叶6。固定导叶5安装在引水蜗壳4后，固定导叶5安装角度为30
°
。活动导叶6的数量为24个，活动导叶6安装在固定导叶5后，活动导叶6活动角度为0
°
到90
°
，根据水电站实际运行情况调整到最佳开度以保证水轮机在高效率区运行，固定导叶5和活动导叶6等宽固定在座环7和底环8之间。尾水管10安装在轮毂2下方作为水轮机的支撑。上水箱12通过上水箱进水管11和引水蜗壳4连接，通过出水管15与下水箱14连接。下水箱14通过下水箱进水管13和尾水管10在拦鱼网16前连接，通过出水管15与尾水管10在拦鱼网16后连接。拦鱼网16设置在引水蜗壳4与上水箱进水管11连接处后侧，以及尾水管10与下水箱进水管13连接处后侧。
45.在本实施例中，尾水管10直锥段截面为圆形，锥管单边扩散角为10
°
，尾水管10弯肘段进口为圆形断面，出口为矩形断面，变断面角度90
°
，尾水管10扩散段截面为矩形，截面积逐渐增大。上水箱进水管模拟轴流式水轮机的过鱼装置，方向与引水蜗壳内水流方向一致。
46.参照图6-12，本发明的螺旋叶片1在轮毂2外周上的不同轴向距离下的截面翼型曲线上的关键点的坐标以如下方式表示，x和y分别代表螺旋叶片1截面翼型曲线上关键点的空间坐标值，距离轮毂2的前缘轴向100cm的参数参见表1：
47.表1
[0048][0049][0050]
拟合后的两条曲线方程分别为：
[0051]
螺旋叶片1的左弦:y＝-2e-05x
3-0.0049x
2-0.7919x+49.196螺旋叶片1的右弦:y＝3e-05x3+0.0081x2+0.4373x+68.708距离轮毂2前缘轴向200cm处的参数参见表2：
[0052]
表2
[0053]
序号xy序号xy150.9878-156.92431182.5-142.8942240.7069-150.83921263.4907-135.9004330.0683-143.28081350.3986-129.222420.5774-135.17561439.9628-122.5375512.0745-126.47211530.5895-115.231464.1718-116.07021621.9921-107.11327-3.1817-105.26481714.7942-98.88818-9.0239-93.4269188.7703-90.55959-13.0223-82.3464193.9459-82.444710-15.4374-72.6275200-74.25
[0054]
拟合后的两条曲线方程分别为：
[0055]
螺旋叶片1的左弦:y＝-0.0003x3+0.0311x
2-1.7547x-110.24
[0056]
螺旋叶片1的右弦:y＝-1e-04x3+0.0207x
2-1.8726x-75.018
[0057]
距离轮毂2前缘轴向300cm处的参数参见表3：
[0058]
表3
[0059]
序号xy序号xy1161.394434.30541116502150.456440.436712153.99284.1093138.55845.82813141.70258.05654126.388750.058914129.932412.25595114.285553.038715118.616516.37166102.21454.815416107.31319.5574789.860455.38971794.618823.344877.784154.6911882.889628.145965.977752.71941973.11432.2517
1055.178549.68292060.302438.425
[0060]
拟合后的两条曲线方程分别为：
[0061]
螺旋叶片1的左弦:y＝1e-06x
3-0.0046x2+0.8171x+18.574
[0062]
螺旋叶片1的右弦:y＝-2e-05x3+0.0065x
2-1.1092x+85.508
[0063]
距离轮毂2前缘轴向400cm处的参数参见表4：
[0064]
表4
[0065]
序号xy序号xy1-122.6189-110.406511-142.8942-82.52-108.7519-109.662112-130.3668-84.23513-93.4629-107.507613-118.51-85.06124-77.921-103.702414-107.2502-85.07415-64.3072-98.804215-95.2652-84.20756-52.2364-92.97916-83.5049-82.39867-42.8194-87.234617-71.9571-79.59468-35.2308-81.641518-60.5476-75.68049-27.9713-75.257419-48.9357-70.307710-23.3268-70.490620-38.1117-63.7225
[0066]
拟合后的两条曲线方程分别为：
[0067]
螺旋叶片(1)的左弦:y＝3e-05x3+0.0104x2+1.4424x-42.407
[0068]
螺旋叶片(1)的右弦:y＝1e-05x3+0.0073x2+1.151x-29.858。
[0069]
本发明的轴流式水轮机叶片相比于目前常用的轴流式水轮机叶片形状，大大降低了转轮室内的低压区和高剪切力区体积以及最低压力和最高剪切力，降低了鱼类在经过螺旋叶片时受到的压强损伤和剪切力损伤。
[0070]
本发明的轴流式水轮机叶片为大包角叶片，同时在进水边安装橡胶条，减小了鱼类通过水轮机流道受到的撞击概率和受到撞击后的损伤程度，保证了鱼类能够顺利通过水轮机，有效地解决了现有技术所存在的鱼类下行过坝方法较少，水轮机过鱼性能和水力性能难以兼顾的问题。
[0071]
本发明的一种轴流式水轮机在使用时，水流从引水蜗壳4流入，在上水箱进水管11处分流，被拦鱼网16阻拦的鱼通过上水箱进水管11进入上水箱12，上水箱12收集被过鱼装置有效阻拦的鱼，多余的水通过出水管15流出，水轮机内水流依次通过固定导叶5和活动导叶6，获得圆周分速度，然后冲击螺旋叶片1，由转轮的螺旋叶片1将水的重力势能和动能转换为轮毂的旋转机械能，进而带动主轴3旋转，进一步带动发电装置发电，水流经过螺旋叶片1后通过尾水管10流出水轮机，水流在下水箱进水管13处分流，尾水管10中的拦鱼网16阻拦未在引水蜗壳4被阻拦而是经过水轮机流道的鱼，通过下水箱进水管13进入下水箱14，下水箱14收集经过水轮机流道后的鱼，多余的水通过下水箱出水管15流出。
[0072]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0073]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精
神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。