轴流式水轮机及其转轮的制作方法

本实用新型涉及一种水轮机，特别是指一种轴流式水轮机及其转轮。

背景技术：

电力是现代化工业生产和生活不可或缺的动力能量，水力发电是电力工业的一个门类。目前我国的水电事业有了长足的发展，取得了令人瞩目的成绩。水电在我国的兴起是有其深刻的背景的。首先，我国有大规模利用水能资源的条件和必要性。我国水能资源丰富，不论是水能资源蕴藏量，还是可能开发的水能资源，在世界各国中均居第一位。其次我国水能的利用率仅为13％，水力发电前景广阔。最后，水力发电经过一个多世纪的发展，其工程建设技术、水轮发电机组制造技术和输电技术趋于完善，单机容量也不断增大。并且水力发电成本低廉，运行的可靠性高，故其发展极为迅速。

现有的水力发电方式主要是依靠水流的压能和势能来实现的，其实水流还有大量的动能，如江河水流等都具有一定的流速和流量，都是以动能的形式表现的。虽然水流的动能根源于势能，但是水流的动能一旦形成，就会在惯性的作用下具备较大的能量。如果能够充分利用江河水流动能这种自然属性来进行水力发电，那么无疑将大大拓展可再生能源利用的领域，推动我国循环经济的发展。

目前，已经公开的关于轴流式水轮机的专利中，申请公布号为 CN105240184A的发明专利申请公开了一种超低水头的轴流式水轮机，其在转轮前安装一个固定式导流叶片，通过导流叶片引导水流均匀并带有旋转地进入转轮。然后通过转轮把水能转化为机械能。申请公布号为CN103912435A的发明专利申请公开了一种小水电轴流式水轮机转轮，主要适用于低水头大流量电站发电或小水电增效扩容改造使用，该发明专利转轮解决在5m以下的水头运行时效率不高的问题。

根据水轮机设计手册，轴流式水轮机选型的最低水头值是2m，一般情况下低流速的动力水头远低于2m，上述水轮机主要为低水头设计，并不适用于低流速下的水力发电。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种能够利用低流速水流进行发电的轴流式水轮机及其转轮。

为实现上述目的，本实用新型所设计的轴流式水轮机转轮，包括转毂和叶片，所述转毂的出水端设置有泄水锥；所述泄水锥与转毂相连的一端位于叶片尾部叶梢之前；所述泄水锥为圆锥形，其锥度为1～1.2。该水轮机转轮在尾部采用锥度较大、长度较短的泄水锥，起到了很好的尾部导流的作用，能够让水流均匀过渡，不会产生较大的冲击力，减少了能量损耗。

优选地，所述叶片出水端的宽度是进水端宽度的1.1～1.3倍，所述叶片的进水端边线与转毂中轴线的夹角为15°～20°，所述叶片的出水端边线与转毂中轴线的夹角为130°～135°。该设计延长了叶片叶梢处的受力面积，为了在水流脱离叶片之前，通过泄水锥的引流作用增大水流的速度，使水流与叶片尾部叶梢相互作用，产生较大的力矩，达到提高水流能量利用效率的目的。

优选地，该水轮机转轮的外径为D1，所述转毂的直径为D2， D2/D1的比值为0.45～0.55。

优选地，该水轮机转轮的外径为D1，所述叶片与转毂的两个交点在转毂中轴线上的投影距离为L1，L1＝0.32D1～0.38D1；叶片叶梢的两点在转毂中轴线上的投影距离为L2＝0.55D1～0.65D1。

优选地，该水轮机转轮的外径为D1，所述叶片与转毂进口处的交点到转轮进口(进水端)在转毂中轴线上的投影距离为 L3＝0.14D1～0.16D1；叶片与转毂出口处(出水端)的交点到转轮进口在转毂中轴线上的投影距离为L4＝0.45D1～0.55D1。

优选地，该水轮机转轮的外径为D1，所述泄水锥的轴向投影长度为L5＝0.18D1～0.22D1。

优选地，所述叶片为等厚叶片，其厚度为0.01D1～0.02D1。常规的轴流式水轮机的4种翼型即RAF翼型，NACA翼型，GOT翼型， BHFM翼型的翼型厚度沿长度方向存在变化，且最大厚度为0.04D 左右，采用比常规翼型更薄的叶片设计，在满足低速水流的强度要求的前提下，减小了叶片自重，有利于提高发电效率，同时简化了制造工艺，提高了制造的效率，方便普及应用。。

本发明同时提供了一种轴流式水轮机，包括流道和设置在流道内的转轮，所述转轮为前述轴流式水轮机转轮。该水轮机通过相应的导流装置把水流导向转轮，水流通过转轮时与转轮上的叶片产生相互作用力，从而带动转轮旋转，进一步带动转毂上的轴承转动，通过轴承上的减速器适当增大轴承的转速，以达到可以发电的目的。

优选地，所述流道的出口处设置有缩口，所述缩口的长度为 L6＝0.18D1～0.22D1，D1为转轮的外径；所述缩口的锥度与泄水锥的锥度相等。在尾部进行缩口，增大水流的速度，以便更为有效地利用水流的能量。

优选地，为了适应江河湖泊流速有所变化的情况，比如雨季的到来或者上流流量的突然增大，保证发电效率不因流速的变化而大幅降低，该水轮机设计为转浆式的轴流式水轮机，根据流速的大小匹配最佳的倾角以达到最佳的发电效率。

本实用新型的有益效果是：

1)该水轮机在0.6m/s低流速下，转轮的水流动能能量利用效率在20％以上。若水流速度低于0.6m/s，可以采用相应的导流装置提高水流流速，使其流速达到0.6m/s。若水流速度高于0.6m/s，也能取得很好的发电效果，因此具有很好的适应性。

2)本实用新型结构简单，可靠性和效率较高，水轮机转轮出口的水流压力较稳定，能够充分利用我国大面积低流速水域的能量，为一些低流速水域内的小型用电设备提供电源，为国内大量闲置的低流速的水资源的利用提供一个有效的途径。

附图说明

图1为本实用新型所设计的轴流式水轮机的结构示意图。

图2为图1为图1中水轮机转轮的立体结构示意图。

图3为图2中转轮的主视结构示意图，为便于标注，图中仅画出了两个叶片。

图4为图2中转轮的左视结构示意图，为便于标注，图中仅画出了一个叶片。

图5为图2中叶片的立体结构示意图。

图6为图2中叶片的正视结构示意图。

图7为图2中叶片的俯视结构示意图。

图8为图2中叶片的侧视结构示意图。

图9为泄水锥的在转轮轴向投影的示意图。

图10为转轮流道的侧视结构示意图。

图11为图1中水轮机在不同流速下的发电效率曲线图。

其中：转毂1、叶片2、泄水锥3、进水端边线4、出水端边线5、流道6

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1～10所示，本实用新型所设计的轴流式水轮机轴流式水轮机，包括流道6和设置在流道6内的转轮。

该转轮包括转毂1和叶片2，转毂的出水端设置有泄水锥3；泄水锥3与转毂相连的一端位于叶片2尾部叶梢之前；泄水锥3为圆锥形，其锥度为1.2。

叶片2出水端的宽度是进水端宽度的1.2倍，叶片2的进水端边线4与转毂中轴线的夹角为15°，叶片2的出水端边线5与转毂中轴线的夹角为135°。

该水轮机转轮的外径为D1＝1m，转毂1的直径为D2＝0.5m， D2/D1的比值为0.5。

叶片2与转毂1的两个交点在转毂中轴线上的投影距离为L1， L1＝0.35D1；叶片2叶梢的两点在转毂中轴线上的投影距离为 L2＝0.6D1。

叶片2与转毂1的进口处的交点到转轮进口在转毂中轴线上的投影距离为L3＝0.15D1；叶片2与转毂1的出口处的交点到转轮进口在转毂中轴线上的投影距离为L4＝0.5D1。

泄水锥3的轴向投影长度为L5＝0.2D1。

叶片2为等厚叶片2，其厚度为0.01D。

流道6的出口处设置有缩口，缩口的长度为L6＝0.2D1；缩口的锥度与泄水锥3的锥度相等。

该水轮机为转浆式的轴流式水轮机，叶片2可以根据流速大小匹配最佳的倾角。

以下通过ANSYS中具体的几个个仿真的算例，对前述水轮机的效果予以说明。该算例中，叶片的叶尖速比为32。所得结果见表 1和图11，具体说明如下。

表1风扇叶轮与本实用新型转轮效率比较

表1列出了风扇与转轮叶片效率的比较，以及有泄水锥和没泄水锥转轮效率的比较。其中，效率是指转轮产生的扭转能(扭矩乘以转速除以9.55)比上水流总的动能(1/2mv^2)，即

通过表1可以发现，低流速下轴流式水轮机叶片的利用效率在同等(没泄水锥，2号算例)条件下明显优于风扇(没有泄水锥，1 号算例)的叶片，同等条件下有泄水锥的转轮叶片(3号算例)可以有效的提高转轮的水力效率。

图11为不同流速下有泄水锥效率的比较，通过图11可以看出该水轮机在不同的流速下利用效率相差不大，低流速下的效率稍高于高流速，在0.6m/s～4m/s的范围内均可取到较高的效率。在0.6m/s 低流速下，转轮的水流动能能量利用效率在20％以上，验证其利用低流速水能的特性。

在实际的应用中，该轴流式水轮机可以作为长江上浮标指示灯的电力来源，通过该转轮在浮标下进行发电，并储存在蓄电池中，为浮标的指示灯在晚上照明提供电源。