一种冲击式水轮机的转轮的制作方法

1.本发明涉及一种冲击式水轮机的转轮，特别是涉及箱式循环水电能转换高压水箱多高压喷管多高压喷头冲击式水轮机的转轮。


背景技术：

2.水力发电是当今电力发展的新方向，它不仅发电成本低，而且不污染环境，在我国南方水资源比较丰富地区中小型水力发电发展较快。虽然水力发电具有发电成本低、能持续发展与应用，环保等特点，但水力发电的发展与应用还有一定的局限性，由于用于水力发电的水力资源不仅要具有一定的流量和水头，且还要具有能蓄存一定水容量的库体和建造落差不低于3米的坝体，而且库体水源补给要充足稳定的要求，才能使水轮机产生旋转而发电。由于我国南方很多丰富的小型水力资源，小型水力并网发电在我国南方得到普及发展利用，但分布在我国南方偏远山区的各种传统水斗式转轮小型水力发电机。传统水斗式水轮机采用模型真机实验模式，设计时间长，制造水斗式水轮机工艺复杂，工期长，转轮体积大，重量重。单喷头射流面积小，射流直径小，射流行程小，输出功率小。传统水斗式水轮机转轮出力的合外力矩mu=d(mvur)/dt【3-26】，【摘自高等学校电子与电气工程及自动化专业教材—《现代能源与发电技术》第3章123页】。西安电子科技大学出版社，主编：邢运民、陶永红。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术中传统水轮机转轮所存在的问题，本发明设计上跳出了传统水轮模型真机实验模式；通过增加射流受力面积，提出了一种高压水箱多高压喷管多高压喷头、射流直径大、射流面积大，射流速度快，射流行程长，输出功率更大的冲击式水轮机转轮。
4.本发明要解决的技术问题所采取的技术方案是：一种冲击式水轮机的转轮，它间隔设置在高压水箱上的多喷头下方，所述转轮包括主轴、内圆筒、圆形挡板和弧形叶片，圆形挡板相对固定在主轴上，所述内圆筒、弧形叶片与主轴同轴线焊接固定在圆形挡板之间，所述相邻两弧形叶片与内圆筒之间形成有一个外端具有开口的水斗，所述弧形叶片由两个曲率半径不同的曲线形成，所述弧形叶片的厚度由内向外逐渐变小并用不锈钢板制成。
5.进一步地，一种冲击式水轮机的转轮，它间隔设置在高压水箱高压喷管喷头的下方，所述转轮包括主轴、内圆筒、圆形挡板和弧形叶片，圆形挡板相对固定在主轴上，所述内圆筒、弧形叶片与主轴同轴线焊接固定在圆形挡板之间，所述转轮在高压水箱高压喷管高压喷头下方任意相邻两弧形叶片之间能形成进水口和出水口，相邻两弧形叶片与内圆筒之间形成有一个外端具有开口为12.06cm的水斗，所述弧形叶片用不锈钢板制成。
6.本发明所述冲击式水轮机转轮出力的合外力矩mu=d(mvurs)/dt[5].式中mvurs-运动物体的动量矩。
[0007]
本发明所述的转轮在高压、高速射流水作用下，水轮高速旋转带动发电机发电。本
发明不仅结构紧凑合理、制造工艺简单、体积小、重量轻、便于安装维护，且输出功更大一些。
[0008]
本发明用于冲击式水轮机的工作原理：1.动量矩定律a、直线加速运动的物体可应用牛顿第二定律得出其动量方程为f=ma=dv/dt=d(mv)/dt
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[1]式中：f一作用物体的合外力；m-运动物体的质量；a-运动物体的加速度，mv-运动物体的动量；根据公式[1]可得出动量定律，作用物体的合外力等于该物体单位时间内动量的变化量。
[0009]
某一质量为m的运动物体相对某一定轴沿带箭头的虚线做轨迹运动，在合外力f的作用下，其绝对速度v的大小和方向都在变，相对于定轴的半径r叶片受力面积s也在变。从微观角度观察带箭的虚线所表示的曲线，可以认为曲线是由无数条无穷短的直线组成的。因此，在极短的时间dt内，可以认为物体m在作直线运动，对运动物体m在dt时间内，可以应用动量定律建立动量方程为f=d(mv)/dt
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[2]或对运动物体m在半径为r叶片受力面积为s的圆周切线方向应用动量定律建立动量方程为：fu=d(mvu)/dt
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[3]式中：fu-合外力f在半径为r叶片受力面积为s的圆周切线方向的切向分力；vu-绝对速度v在半径为r叶片受力面积为s的圆周切线方向的切向分速度。
[0010]
由furs=d(mvu)/dt *rs[4]得到动量矩方程：mu=d(mvurs)/dt
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[5]式中:mu-作用于物体的合外力矩，mu=fursmvurs-运动物体的动量矩。
[0011]
根据式[5]可得动量矩定律：作用物体的合外力矩等于该物体单位时间内的动量矩的变化量。
[0012]
设车厢沿着铁轨以速度u前进，车厢内的乘客相对车厢以速度w走动。图1中乘客相对车厢的运动称相对运动，其速度相对速度；车厢相对大地的运动称牵连运动，其速度称牵连速度；乘客相对大地的运动称绝对运动。其速度称绝对速度，用v表示。根据运动学知可知，绝对速度等于牵连速度与相对速度的矢量和，见图2(α称绝对速度方向角，β称相对速度方向角）即v=w+u转轮内的水质点也同时参与两种运动：第一种运动是水质点相对的弧形叶片运动，称相对运动；第二种运动是转轮相对大地的运动，称牵连运动或圆周运动。水质点相对大地的运动称绝对运动。
[0013]
以上内容来源于《现代能源与发电技术》第3章123页】。西安电子科技大学出版社，主编：邢运民、陶永红。
[0014]
优选地：增大水轮机转轮的内圆筒长度和弧形叶片长度，可以最大限度增加高压
喷头（孔）个数获取最大总个数，获取总的射流直径最大值和最大总射流受力面积最大值。从而获取最大转轮输出功率。
[0015]
本发明适用于冲击式水轮机，属于高压17.5mpa、高速1800/秒、水流量为50kg/秒的多喷头的冲击式水轮机机型。
[0016]
本发明所述的水轮机的斗叶为弧形叶片，其特点是射流行程大，射流受力面积增加．转轮输出功率增加。
附图说明
[0017]
图1是现有技术中物体相对运动与牵连运动的矢量图，图2是现有技术中物体绝对速度，牵连速度，相对速度的矢量图，图3是本发明半剖主视结构示意图，图4是本发明左视结构示意图，图5是图4的x-x局部放大结构示意图，图6是弧形叶片的结构放大示意图。
[0018]
在图中，1、高压水箱
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2、喷头
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3、圆形挡板
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4、加强板
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5、主轴
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6、内圆筒
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7、弧形叶片
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8、水斗 9、开口 10、外端
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11、内端
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12、水流喷射方向。
具体实施方式
[0019]
在图中，所述高压水箱能使配装在高压水箱高压喷管的喷头，喷头喷孔直径为1cm，在高压水箱升压作用下产生高压17.5mpa、高速1800m/秒、水流量为50kg/秒的水流快速射向轮叶，使转轮快速旋转。
[0020]
一种冲击式水轮机的转轮，它包括主轴5和相对固定在主轴两端上的圆形挡板3，圆形挡板3上固定设有加强板4，所述圆形挡板之间固定有与主轴同轴线的内圆筒6，所述内圆筒上间隔设置有若干块两端与圆形挡板相连的弧形叶片7，所述相邻两弧形叶片与内圆筒之间能形成有一个外端10具有开口9的水斗（开口为相邻两弧形叶片外端之间的距离，当转轮转到开口朝上时能形成进水口，相邻两弧形叶片的内端11与内圆筒相连，水进入水斗；当转轮转到开口朝下（此时形成出水口）时能形成出水口，水流出水斗，弧形叶片由半径为r1的外圆弧和由半径为r12的内圆弧形成，所述喷头的水流喷射方向12指向旋转后位于最高点左右的弧形叶片的外端，所述开口的宽度为12.06cm，弧形叶片的高度（内端和外端之间的最大距离）为20cm，水斗水量为50/4kg。将水轮机安装在高压水箱高压喷管喷头下方，喷头间隔分布并使喷头喷射的水流直射到弧形叶片的内表面上。
[0021]
本发明适用于喷头压力17.5mpa以上、高速1800/秒、水流量（50kg/秒）的水轮机机型。举例说明：转轮直径0.8米，转轮宽度0.855 米，水斗20 只，每只水斗容量为 50/4公斤，在水流量为50kg /秒,水流速为1750-3200m/秒(优选1800 m/秒)的水力作用下,转轮以1000转/分旋转, 在宽度为0.855米的轮叶上方相对的高压水箱高压喷管间隔设置有四排每排57只共228喷头。且每一排高压管高压喷头分别对应于水轮机的一个叶片上方设置。每只喷头直径为1cm，每只喷头的喷孔面积为π
×
r2=π
×
(1/2)2，射流受力总面积为 228
×
π
×
(1/2)2。
[0022]
根据公式【5】，mu=d(mvurs)/dt，可以得出本发明水轮机理论发电功率n：
n=水流量
×
水流速
×
水轮半径
×
射流受力总面积/241551(kg)水流量（公斤/秒）、水射流总受力面积（厘米2）、水流速（米/秒）、水轮半径（厘米）。
[0023]
式中“241551”表示水轮机输出功率为1kw时所需要的动量矩，所述水轮机输出功率n：n=水流量
×
水流速
×
水轮半径
×
射流受力总面积/241551(kg)=［50kg /秒
×
1800
×
40
×
228
×
π
×
(1/2)2］/241551=［50
×
228
×
3.14
×
0.25
×
1800
×
40］/241551=2667.46（kw）。
[0024]
上式中，50为水流量kg /秒，228
×
π
×
(1/2)2为射流受力总面积cm2，1800为水流速（米/秒），40 为水轮半径cm，228为喷头数量。
[0025]
上述式中的2667.46（kw）是通过理论计算出来的输出功率。
[0026]
上式中的“241551”是根据哈尔滨大电机研究所编，机械工业出版社1976年11月上海第一版的《水电设计手册》第一部份第四章第九节表4-13中的型号cjy-w-80/1
×
8栏的相关数值推导出来的，“241551”≈（0.472
×
1000
×
50.24
×
410
×
40）/1610）。
[0027]
式中0.472
×
1000表示水轮机流量0.472m3/秒
×
1000＝472kg/秒;式中50.24cm2＝π
×
r2＝π
×
(8/2)2，(8/2)表示射水半径为4cm；式中 410表示设计水头hp（m）;式中40为哈尔滨大电机研究所编写的《水电设计手册》第一部份第四章第九节表4-13中的节圆直径800mm换算成半径为40cm ；式中1610 kw为《水电设计手册》第一部份第四章第九节表4-13中的水轮机实际输出功率（kw）。
[0028]
根据《现代能源与发电技术》第3章101页的公式(3-19)wu＝np
×
t＝0.00272ηvp
×
hm,1610 kw＝0.00272
×
η
×
0.472
×
3600(s)
×
410m, 得到η≈0.85。
[0029]
这就说明所述1610 kw为实际输出功率（即1610 kw不包括损耗的功率），所以上述本发明水轮机输出功率n：=2667.46（kw）是理论输出功率。
[0030]
本发明理论发电量与实际发电量的比较：一、当水量为5.08kg /秒、流速1748.4m/秒，射流受力面积为18.3123cm2、水轮半径为40cm时，通过理论计算出来的发电量为26.933kw，而水轮发电机组实际发电量为59.2 kw，由此得出水轮发电机组实际发出的电量是水轮机组理论值的【59.2/26.933】＝2.198倍。所述的水轮发电机组实际发电量为59.2 kw ，而高压水泵耗电45.6 kw，则水轮发电机组获得纯电量为（59.2 kw－45.6 kw）＝13.6kw。
[0031]
二、因此，本实施例中水轮发电机当水流量为50kg /秒时，水轮发电机组实际发电量为2667.46（kw）
×
2.198＝5863.08（kw）。所述的水轮发电机组实际发电量为5863.08（kw），而高压水泵耗电量994kw，则水轮发电机组实际获得纯电量为（5863.08kw－994 kw）＝4869.08kw。
[0032]
以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照具体实施例对本发明进行了详细说明，对本领域的普通技术人员来说，在不付出任何劳动的情况下，只对本发明例进行外延，放大。例如选择混流式抽水机抽水，用冲击式水轮机组发电，仅仅需要增大水量，增加喷头数量，增大单个喷头射流直径，等等。就可轻而易举获得成功，因此任何对
本实施例进行照搬修改或者等同替换，都视为没有脱离本发明技术方案的精神和范围。均属于在本发明的权利要求保护的范围中。

技术特征：
1.一种冲击式水轮机的转轮，其特征是：它间隔设置在高压水箱（1）上的多喷头（2）下方，所述转轮包括主轴（5）、内圆筒（6）、圆形挡板（3）和弧形叶片（7），圆形挡板相对固定在主轴上，所述内圆筒、弧形叶片与主轴同轴线焊接固定在圆形挡板之间，所述相邻两弧形叶片与内圆筒之间形成有一个外端具有开口（9）的水斗（8），所述弧形叶片由两个曲率半径不同的曲线形成，所述弧形叶片的厚度由内向外逐渐变小。2.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮机的转轮，其特征是：所述转轮在高压水箱高压喷管高压喷头下方任意相邻两弧形叶片之间能形成进水口和出水口，相邻两弧形叶片与内圆筒之间形成有一个外端具有开口（9）宽度为12.06cm的水斗，所述弧形叶片用不锈钢板制成。3.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮机的转轮，其特征是：当转轮转到开口朝上时能形成进水口；当转轮转到开口朝下时能形成出水口。

技术总结
本发明公开了一种冲击式水轮机的转轮，它间隔设置在高压水箱上的多喷头下方，所述转轮包括主轴、内圆筒、圆形挡板和弧形叶片，圆形挡板相对固定在主轴上，所述内圆筒、弧形叶片与主轴同轴线焊接固定在圆形挡板之间，所述相邻两弧形叶片与内圆筒之间形成有一个外端具有开口的水斗，弧形叶片由两个曲率半径不同的曲线形成，弧形叶片的厚度由内向外逐渐变小。本发明所述的水轮机的斗叶为弧形叶片，其特点是射流行程大，射流受力面积增加．转轮输出功率增加。增加。增加。


技术研发人员：喻怀领 喻斌 周莉
受保护的技术使用者：喻怀领
技术研发日：2022.03.18
技术公布日：2022/5/25