一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机

1.本发明属于水力机械与新能源技术领域，特别是涉及一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机。


背景技术：

2.纵观全球能源发展现状，传统化石能源面临资源有限、污染排放严重等问题，因此清洁能源的大力发展成为必然趋势。一方面，我国海域广阔，岛屿众多，具有丰富的潮汐能资源可用于发电，以满足国民生产日益增长的电力需求。另一方面，常规水轮发电机组因其结构复杂，将对鱼类造成致命性伤害而难以适用于潮汐能发电，开发鱼友型机组是水利工程与生态工程协同发展的要求。
3.国内外水电站建造鱼梯、鱼道、升鱼机、鱼闸等水工结构实现鱼类不经流水轮发电机组，该方式虽有成效但造价与后期维护成本均较高，并且大量的鱼类仍被水流带入水轮机而受伤。因此，需提出鱼类友好型机组以从根本上解决问题。然而，公开技术中仅存在轴流式亲鱼型机组，其流道转折不仅对鱼类影响大且传统转轮内流对鱼体有较大的机械损伤、压力损伤、空化损伤与剪切力损伤等。


技术实现要素：

4.本发明针对含鱼量极高的海洋能资源，基于潮汐能特性研发得到一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机，旨在提高水电工程经济效益与生态效益，实现水电与水生态协同绿色发展。
5.本发明采用下述技术方案来满足：
6.一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机，包括进水室、导叶域、导叶、与主轴相连的引流锥、带有变螺距双螺旋叶片的转轮、灯泡体、灯泡体支撑、灯泡体竖井通道、尾水管；
7.进水室、导叶域、转轮室、尾水管依次焊接而成，变螺距双螺旋叶片绕主轴焊接，引流锥焊接集成在主轴左侧进水端，灯泡体以轴承连接在主轴右侧出水端，灯泡体支撑与灯泡体中间圆柱段下侧连接，支撑并固定灯泡体水平置于尾水管腔体内，灯泡体竖井通道竖直焊接在灯泡体中间圆柱段上侧，导叶均布焊接在导叶上下环间，整体机组以主轴的中轴线为基准水平安装。
8.本发明进一步的改进在于，进水室为倾斜向水平过渡的渐变形流道，进口为矩形截面，出口为圆截面，导叶型线为正曲率月牙形，转轮的叶片为变螺距双螺旋叶片，转轮内引流锥为截面面积沿流线方向增大的锥台。
9.本发明进一步的改进在于，进水室前段为倾斜段，倾斜角为34
°
～36
°
，进口截面为宽2.5d1、高2.98d1的矩形，出口直径为1.8d1，进水室流道长度为4.396d1，倾斜段l1与平直段l2长度之比为0.96～0.97：1，其中d1为转轮直径。
10.本发明进一步的改进在于，单列导叶呈环形分布，导叶数量在12～14个，导叶轴线
与水轮机轴线夹角α1为64
°
～66
°
，导叶喉部直径d
t
与转轮直径d1之比为0.32，导叶型线方程为：
11.a：
12.b:
13.本发明进一步的改进在于，转轮轴向长度与转轮直径d1之比为1：1.59～1.60。
14.本发明进一步的改进在于，变螺距双螺旋叶片起始螺距与截止螺距之比为1：1.2～1.4，叶片径向等径，叶片厚度沿半径向外方向减小；
15.叶片厚度δ沿径向变化规律为：δ＝0.0749r+2.34
16.叶片骨线方程c为：
17.其中β为螺旋角，叶片楔角θ为1.2
°
～3
°
。
18.本发明进一步的改进在于，距离尾水管进口1.15～1.2d1处安放灯泡体支撑，灯泡体中间段最大直径为1.3～1.4d1，灯泡体壁厚为0.034～0.036d1。
19.本发明进一步的改进在于，在距离尾水管进口处1.48～1.52d1的灯泡体上部设置长为0.31～0.33d1、宽为0.08～0.09d1的进出灯泡体竖井通道。
20.本发明进一步的改进在于，引流锥的截面面积s沿流线方向增大，且截面面积s随流线变化规律为：s＝159.81h+537.58，其中h为内引流锥沿流线方向的截面半径增量。
21.本发明进一步的改进在于，尾水管扩散段与转轮轴线夹角α2为8
°
～11
°
，尾水管进口直径为1.1～1.2d1，尾水管出口为宽1.4～1.5d1、高2.0～2.2d1的矩形截面，尾水管长度为9～12d1，尾水管扩散段l3与延伸段l4长度之比为1：12～12.5。
22.与现有技术相比。本发明至少具有如下有益的技术效果：
23.1.本发明设计的是一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机，相对传统贯流式水轮机，发明了一种带有变螺距双螺旋叶片的转轮，其优点一方面在于叶片数少使单位流量增大，另外螺旋形叶片增加了过水断面面积，二者联合作用增强了转轮做功能力；另一方面螺旋加长形流道提供了更优的鱼类过机空间，较小的压力梯度变化率有效地减小了鱼类在转轮内遭受的损伤，进一步提高了鱼类过机率。
24.2.本发明设计的是一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机，采用后置灯泡体。相比于在进水流道内设有前置灯泡体的机组，其优点一方面在于进水流道结构简单，直通型流道能更高效收集水流，且水头损失更小；第二方面在于融合泄水锥与灯泡体形成流线型通道，从最大程度上削弱甚至消除转轮出流涡旋，进一步提高水轮机效率的同时，对鱼类出流有控制性引导作用而不会出现涡旋裹挟冲撞现象。
附图说明
25.图1为本发明提出的一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机的结构示意图。
26.图2为水轮机的导叶结构示意图。
27.图3为图2中水轮机的导叶型线示意图。
28.图4为水轮机变螺距双螺旋叶片示意图。
29.图5为图4中水轮机的转轮流道结构示意图。
30.图6为水轮机的尾水管结构示意图。
31.附图标记说明：
32.1-进水室，2-导叶域，3-导叶体，4-引流锥，5-主轴，6-变螺距双螺旋叶片，7-转轮，8-灯泡体，9-灯泡体支撑，10-灯泡体竖井通道，11-尾水管扩散段，12-尾水管延伸段。
具体实施方式
33.为了令本发明的目的、特征、优点更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步的详细说明。
34.如图1-6所示，本发明提供的一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机，包括进水室1、导叶域2、导叶体3、引流锥4、主轴5、变螺距双螺旋叶片6、转轮7、灯泡体8、灯泡体支撑9、灯泡体竖井通道10、尾水管扩散段11和尾水管延伸段12。
35.其中，进水室1、导叶域2、转轮7、尾水管扩散段11及尾水管延伸段12依次连接，变螺距双螺旋叶片6绕主轴5焊接，引流锥4焊接集成在主轴5左侧进水端，灯泡体8以轴承连接在主轴5右侧出水端，灯泡体支撑9与灯泡体8中间圆柱段下侧连接，支撑并固定灯泡体8水平置于尾水管腔体内，灯泡体竖井通道10竖直焊接在灯泡体8中间圆柱段上侧，导叶体3均布焊接在导叶域2的上下环之间，整体机组以主轴5的中轴线为基准水平安装，进水室1为倾斜向水平过渡的渐变形流道，进口为矩形截面，出口为圆截面，导叶3型线为正曲率月牙形，转轮7的叶片为变螺距双螺旋叶片6，转轮内引流锥4为截面面积沿流线方向增大的锥台。
36.水轮机运行时，先进入进水室，其中进水室为倾斜段向水平段过渡的渐变形流道，进水室前段为倾斜段，倾斜角35
°
，进口截面为宽2.5d1、高2.98d1的矩形，出口直径为1.8d1，进水室流道长度为4.396d1，倾斜段l1与平直段l2之比为0.963：1，其中d1为转轮直径。
37.进水室收集水流并将其引入转轮前的导叶域，其中14个单列导叶呈环形分布，导叶轴线与水轮机中轴线夹角α1为65
°
，导叶喉部直径d
t
与转轮直径d1之比为0.32，正曲率月牙形导叶型线方程为：
38.a：
39.b:
40.水流在导叶域内形成环量，并沿着导水机构引导方向进入转轮，其中变螺距双螺旋叶片面为三维变螺距螺旋面，变螺距双螺旋叶片的起始螺距与截止螺距之比为1：1.354，叶片径向等径且厚度沿半径向外方向减小。转轮轴向长度与转轮直径之比为1：1.594，如图
6所示叶片的厚度δ沿径向变化规律为δ＝0.0749r+2.34，叶片楔角θ为2
°
，叶片骨线方程c为：
41.其中β为螺旋角。
42.做完功的水流沿着尾水管流出，距离尾水管进口1.181d1处安放灯泡体支撑固定并支撑灯泡体，灯泡体上设置有进出灯泡体的竖井通道，引流锥截面面积s随流线增大，其变化规律为：s＝159.81h+537.58，其中h为内引流锥沿流线方向的截面半径增量。尾水管扩散段与转轮轴线夹角α2为10.31
°
，尾水管进口直径为1.142d1，尾水管出口为宽1.432d1、高2.04d1的矩形截面，尾水管长度为10.983d1，尾水管扩散段l3与延伸段l4长度之比为1：12.352。
43.经过计算验证得到，本发明提供的一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机，具有优良的水力性能与过鱼类性能。加长型变螺距双螺旋叶片保证了水力效率的同时，提供了优良的过鱼通道。空腔式进水室高效引流，转轮后泄水锥与后置灯泡体共同形成流线型通道，消除了转轮出流涡旋。该灯泡体后置鱼友型水轮机在潮汐能发电、传统贯流式水电站发电以及其他低水头水能转换中均表现较优，是未来水力机械向生态型方向发展的参考案例。
44.本发明的实现原理是：本发明提供一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机，是将水流的能量转换为机械能的装置。该装置可用于潮汐能开发助力新能源发展，其空腔型进水室采用矩形截面到圆形截面过渡，最大能力收集水流。进水室连接的导水机构单列均布正曲率导叶体，水流经其形成环量的同时按照导叶型线方向流入转轮。转轮内加长型螺旋双叶片在保证水力性能的同时，持续性流道有效地减少了鱼类过机损伤率。水流与鱼类从转轮出来进入尾水管，尾水管进口处设置泄水锥与灯泡体，有效削弱甚至消除转轮出流涡旋，以提高水轮机水力效率的同时减小鱼类在尾水管内的涡旋裹挟撞击。
45.本发明的具体实施中未涉及的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机的技术思想的具体支持，不能以此来限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均属于本发明技术方案保护的范围。

技术特征：
1.一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机，其特征在于，包括进水室(1)、导叶域(2)、导叶体(3)、与主轴(5)相连的引流锥(4)、带有变螺距双螺旋叶片(6)的转轮(7)、灯泡体(8)、灯泡体支撑(9)、灯泡体竖井通道(10)、尾水管扩散段(11)和尾水管延伸段(12)；进水室(1)、导叶域(2)、转轮(7)、尾水管扩散段(11)及尾水管延伸段(12)依次连接，变螺距双螺旋叶片(6)绕主轴(5)焊接，引流锥(4)焊接集成在主轴(5)左侧进水端，灯泡体(8)以轴承连接在主轴(5)右侧出水端，灯泡体支撑(9)与灯泡体(8)中间圆柱段下侧连接，支撑并固定灯泡体(8)水平置于尾水管腔体内，灯泡体竖井通道(10)竖直焊接在灯泡体(8)中间圆柱段上侧，导叶体(3)均布焊接在导叶域(2)上下环之间，整体机组以主轴(5)的中轴线为基准水平安装。2.根据权利要求1所述的一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机，其特征在于，进水室(1)为倾斜向水平过渡的渐变形流道，进口为矩形截面，出口为圆截面，导叶体(3)型线为正曲率月牙形，转轮(7)的叶片为变螺距双螺旋叶片(6)，转轮内引流锥(4)为截面面积沿流线方向增大的锥台。3.根据权利要求2所述的一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机，其特征在于，进水室(1)前段为倾斜段，倾斜角为34
°
～36
°
，进口截面为宽2.5d1、高2.98d1的矩形，出口直径为1.8d1，进水室(1)流道长度为4.396d1，倾斜段l1与平直段l2长度之比为0.96～0.97：1，其中d1为转轮直径。4.根据权利要求2所述的一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机，其特征在于，单列导叶体(3)呈环形分布，导叶体(3)数量在12～14个，导叶体(3)轴线与水轮机轴线夹角α1为64
°
～66
°
，导叶体(3)喉部直径d
t
与转轮(7)直径d1之比为0.32，导叶型线方程为：a：b:5.根据权利要求2所述的一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机，其特征在于，转轮(7)轴向长度与转轮直径d1之比为1：1.59～1.60。6.根据权利要求2所述的一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机，其特征在于，变螺距双螺旋叶片(6)起始螺距与截止螺距之比为1：1.2～1.4，叶片径向等径，叶片厚度沿半径向外方向减小；叶片厚度δ沿径向变化规律为：δ＝0.0749r+2.34叶片骨线方程c为：其中β为螺旋角，叶片楔角θ为1.2
°
～3
°
。
7.根据权利要求2所述的一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机，其特征在于，距离尾水管进口1.15～1.2d1处安放灯泡体支撑(9)，灯泡体(8)中间段最大直径为1.3～1.4d1，灯泡体(8)壁厚为0.034～0.036d1。8.根据权利要求7所述的一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机，其特征在于，在距离尾水管进口处1.48～1.52d1的灯泡体(8)上部设置长为0.31～0.33d1、宽为0.08～0.09d1的进出灯泡体竖井通道(10)。9.根据权利要求2所述的一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机，其特征在于，引流锥(4)的截面面积s沿流线方向增大，且截面面积s随流线变化规律为：s＝159.81h+537.58，其中h为内引流锥沿流线方向的截面半径增量。10.根据权利要求2所述的一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机，其特征在于，尾水管扩散段(11)与转轮轴线夹角α2为8
°
～11
°
，尾水管进口直径为1.1～1.2d1，尾水管出口为宽1.4～1.5d1、高2.0～2.2d1的矩形截面，尾水管长度为9～12d1，尾水管扩散段l3与延伸段l4长度之比为1：12～12.5。

技术总结
本发明公开了一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机，其过流域包括依次连通的进水室、引流锥、导叶域、带有变螺距双螺旋叶片的转轮域、尾水管扩散段和延伸段，进水室为倾斜向水平过渡的渐变形流道，进口为矩形截面，出口为圆截面，导叶型线为正曲率月牙形，采用变螺距双螺旋叶片，转轮内的引流锥为截面面积沿流线方向增大的锥台，灯泡体安装为后置式。本发明针对含鱼量较高的潮汐能资源，基于潮汐能特性研发一种带有双螺旋叶片的灯泡体后置贯流式鱼友型水轮机，其优异的水力性能保证发电功率，良好的过鱼性能开拓水轮发电机组发展新方向，旨在提高水电工程经济效益与生态效益，实现水电与水生态协同绿色发展。实现水电与水生态协同绿色发展。实现水电与水生态协同绿色发展。


技术研发人员：毛秀丽 苟文涛 种鹏举 程凯 李正贵 冯紫雨 王鲁斌
受保护的技术使用者：西北农林科技大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/9/5