求助：多级水轮机的叶轮设计分析

水上超人

摘要： （专利申请号：201020533053.7），一种多级轴流式水轮机使用的两种叶轮，固定叶轮和旋转叶轮的圆形滚筒侧面都依次排列有8个同向倾斜的叶片，滚筒与叶轮的半径比例为2r≥R，固定叶片的轴向倾角大于旋转叶片的轴向反倾角。它主要通过降低水轮机上下水道的流速来减少弯道损失，把冲击水流集中到叶轮的外围来增加旋转推力，减少旋转叶轮的轴向压力而导致的无用功损失等途径来提高水轮机的工作效率。估计这种组合叶轮与现有的单一叶轮相比，大约可以提高水能转化效率10%左右。应用本发明的技术原理，还可以制造多级汽轮机及其它流体动力机械的叶轮。

一、        现有单级叶轮的局限性

                               
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目前公知的水轮机基本上都是由单级叶轮构成的，其叶轮结构如图“轴流式水轮机叶轮”所示。这种叶轮的叶片轴向倾角大、滚筒半径小和叶片数量少，存在的问题是轴向压力大和弯道损失多等等，用于单级叶轮水轮机还是可以胜任的。但是，用于我们发明的多级叶轮水轮机（参考文献资料：多级节能水轮机，专利号：ZL200820009346.8）就会出现许多问题，不但达不到节能的目的，反而还有可能出现浪费能量的现象。所以，必须重新设计旋转叶轮和固定叶轮的结构，才能达到节约水能之目的。

二、新型多级叶轮的设计原理

我们设计的新型叶轮如“多级水轮机叶轮示意图”所示，根据流体力学的连续性方程v1A1=v2A2，增大叶轮的滚筒半径r使2r≥R可以减少水流通道的横切总面积A2。假设A2 =πR2－πr2≤3πr2≤3A1/4，那么v1≤3v2/4。根据水头损失计算公式可知：水流速度是以v2的形式在影响水头损失。所以减少水轮机上下水道的流速，可以大幅度减少水轮机上下水道的水头损失；当然也可以有效地减少第一级固定叶轮在调整冲击水流方向时带来的弯道损失。根据力矩的计算公式M＝FL，增大叶轮滚筒的半径使2r≥R，尽量把冲击水流集中到叶轮的外围来做功，这种做法既可以增加叶轮的旋转推力，同时也降低了叶轮内部的弯道损失。

                               
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原来的单级水轮机是水流沿轴向冲击叶片，根据力的分解法则可知它产生的轴向压力很大，带来的无用功损失就比较多。而我们发明的多级水轮机加入了固定整流叶轮之后，就可以随意地调节水流的冲击方向，并且由固定叶轮来承担大部分轴向压力，虽然也存在一些弯道损失，但是却可以减少许多无用功损失。为了提高旋转叶轮的横向推力，我们可以把固定叶片的方向与旋转叶片的方向进行反向设置；为了进一步减少旋转叶片的轴向压力，我们可以让固定叶片的轴向倾角大于旋转叶片的轴向反倾角，如“多级叶轮轴向示意图”所示：∠a ＞∠b。除此以外：为了减少弯道损失，在设置固定整流叶片时要尽量减小叶片与水流方向的夹角；为了提高水轮机的工作效率，在设置旋转冲击叶片时要尽量增大叶片与水流方向的夹角。

                               
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不论固定叶轮调节水流方向还是旋转叶轮回收水能，主要都是依靠叶片来完成任务的。如果叶片数量太少就不能有效地完成任务，如果叶片数量太多又会带来更多的弯道损失。根据我们的推测固定叶轮和旋转叶轮的叶片数量应该相同，一般在八个左右比较适宜。如果叶轮半径比较大时也可以适当增加叶片数量，这样既可以提高水能的转化效率又可以延长叶轮的使用寿命。

                               
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固定叶轮与旋转叶轮的区别如“多级叶轮轴向示意图”所示，主要是固定叶轮的叶片和旋转叶轮的叶片与水轮机的转动轴所构成的倾斜角方向相反。这两种叶轮在水轮机中的组合安装方式如“多级节能水轮机的结构示意图”所示，在第一级固定叶轮的前面和最后一级旋转叶轮的后面各设一个整流罩来消除涡流阻力，几个固定叶轮和旋转叶轮依次相间串联在同一根转动轴上组成了水轮机的旋转动力机构。

综上所述，这种轴流式水轮机的多级叶轮主要通过以下四条途径来达到节能目的：一是增大叶轮滚筒的半径使2r≥R来减少水流通道的横切面积，通过降低水轮机上下水道的流速来减少弯道损失；二是尽量把冲击水流集中到叶轮的外围来做功，这种做法的好处是可以增加旋转推力和降低叶轮内部的弯道损失；三是通过增大固定叶片的倾斜角和减小旋转叶片的倾斜角，来减少旋转叶轮的轴向压力和增加旋转叶轮的横向推力，从而有效地减少水轮机的无用功损失；四是适当地增加了固定叶轮和旋转叶轮的叶片数量，这样做既可以提高水能的转化效率又可以延长叶轮的使用寿命。通过这四条途径充分地实现了水轮机的节能目标，估计这种组合叶轮与现有的单一叶轮相比，大约可以提高水能转化效率10%左右。由于这种水轮机的叶轮和叶片数量都比较多，所以它就能够在水头与负荷发生变化的条件下，更好地保持水轮机运行的稳定性，从而大幅度地提高水轮机的平均效率。

三、结束语

虽然我们提出了多级节能水轮机的一些基本工作原理和两种叶轮的设计方案，但是，还有很多细节问题必须通过试验或者是有限元分析来进行探讨，才能够找到最佳设计方案。例如：在“多级叶轮的轴向示意图”中∠a 和∠b的大小为多少时效果最好？两种叶轮的搭配是多少个效果最好？叶轮的高度H与半径R的比例为多少时效果最佳？等许多问题都不是我们在这里所能够解决的。还有这种水轮机的调速问题，因为这种多级水轮机叶轮工作的稳定性比较好，所以，我们想改变一下现在大量使用的调节叶片角度的调速方法，在水轮机的上水道安装一个水头损失最小的阀门，通过控制上水道的流量来控制叶轮的水头压力，从而进一步控制水轮机的转速。如果这个方案可行，那就会使调速方式变得非常简单。

任何产品的成熟都需要一个发展过程，例如：飞机才发明出来的时候，大家的评判标准也就是能够飞上天不掉下来的就是好飞机了，现在的飞机速度已经达到了几倍音速，在飞机才问世的时候谁会想到有这样的结果呢？所以，许多产品的发展和完善都是在大量的制造和使用的实践过程中，不断地发现问题和解决问题的结果，而不是一开始就能够做到尽善尽美的。因此，希望广大的水轮机技术工程师们积极投入到这种新型水轮机研制工作中来，在制造和使用的过程中不断地发展和完善这种新型水轮机。因为从水轮机的工作原理来看，这种多级水轮机集中了冲击式和轴流式水轮机的优点，是一种很有发展前途的新型水轮机。




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