一種吸收水能的葉輪系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種吸收水能的葉輪系統(tǒng)，包括沿橫軸安裝的橫軸葉輪葉片、沿豎軸安裝的豎軸葉輪葉片、匯流罩、漸擴式彎肘管道以及導(dǎo)流罩，所述漸擴式彎肘管道的截面為面積逐漸增大的圓形，所述漸擴式彎肘管道包括水平段和豎直段，所述匯流罩設(shè)置在所述水平段的入口前端，所述橫軸葉輪葉片設(shè)置在所述水平段的入口內(nèi)，所述豎軸葉輪葉片設(shè)置在所述豎直段的出口，所述導(dǎo)流罩設(shè)置所述豎直段圓形截面的中心且位于所述豎軸葉輪葉片前端。本發(fā)明專利技術(shù)葉輪系統(tǒng)不但可以很好地吸收水流的動能，也對水輪機尾流的能量進行回收，提高了水能的利用效率。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及水力發(fā)電領(lǐng)域，特別是涉及水輪機尾流能量回收利用的發(fā)電領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源的需求量與日俱增，特別在電力行業(yè)經(jīng)常會出現(xiàn)電力供應(yīng)不足的現(xiàn)象，所以充分利用能源十分必要，水能作為清潔能源已得到廣泛的應(yīng)用。水輪機是利用水力資源作能量轉(zhuǎn)換的一種機械裝置，實際運行時，水流經(jīng)過轉(zhuǎn)輪，在轉(zhuǎn)動平面后方形成與葉片轉(zhuǎn)動方向相反的尾流漩渦，儲存一定能量。但一般情況，尾流不會再進行處理，直接由尾水管排出，其能量沒有得到有效利用，造成了浪費。轉(zhuǎn)動參考系中，運動物體將受到科氏力的作用。在北半球，作用力方向為沿運動方向向左，南半球則相反。水平面旋轉(zhuǎn)的漩渦本身具有一定的角動量，水向下流失，質(zhì)量減小，而為了保持原有的角動量，角速度就會變大。以上兩種因素共同作用下，水平面的漩渦速度增大。水力發(fā)電本身就存在尾流能量不能有效利用的現(xiàn)象，這是由于尾水管的布置方式受到限制，沒有形成利于尾流漩渦儲存及增加能量的環(huán)境。本專利技術(shù)利用地球科氏力使水平漩渦旋轉(zhuǎn)速度加快這一特性，提供了一種對水輪機尾流能量回收的轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，來提高水能的利用效率。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于水輪機的葉輪系統(tǒng)，充分吸收水流動能和水輪機尾流能量，解決了現(xiàn)有水輪機尾流能量浪費的問題。本專利技術(shù)所采用的技術(shù)方案是：一種吸收水能的葉輪系統(tǒng)，包括沿橫軸安裝的橫軸葉輪葉片、沿豎軸安裝的豎軸葉輪葉片、匯流罩、漸擴式彎肘管道以及導(dǎo)流罩，所述漸擴式彎肘管道的截面為面積逐漸增大的圓形，所述漸擴式彎肘管道包括水平段和豎直段，所述匯流罩設(shè)置在所述水平段的入口前端，所述橫軸葉輪葉片設(shè)置在所述水平段的入口內(nèi)，所述豎軸葉輪葉片設(shè)置在所述豎直段的出口，所述導(dǎo)流罩設(shè)置所述豎直段圓形截面的中心且位于所述豎軸葉輪葉片前端。所述橫軸葉輪葉片采用厚度為8％～30％弦長的翼型，葉片呈細長型；所述豎軸葉輪葉片采用厚度為小于8％弦長的薄翼型，葉片整體呈扁平寬大形。所述漸擴式彎肘管道還包括一中間連接過渡段，該中間連接過渡段位于所述水平段和豎直段之間，水平段和豎直段的中心線成90°。所述橫軸葉輪葉片在北半球，當橫軸葉輪葉片轉(zhuǎn)到最上方時，橫軸葉輪葉片的前緣在右側(cè)，橫軸葉輪葉片的尾緣在左側(cè)；所述橫軸葉輪葉片在南半球，當橫軸葉輪葉片轉(zhuǎn)到最上方時，橫軸葉輪葉片的前緣在左側(cè)，橫軸葉輪葉片的尾緣在右側(cè)；所述豎軸葉輪葉片在北半球，正視豎軸葉輪葉片，當豎軸葉輪葉片轉(zhuǎn)到最上方時，豎軸葉輪葉片的前緣在左側(cè)，尾緣在右側(cè)，且在高度方向前緣在尾緣的右上方；所述豎軸葉輪葉片在南半球，正視豎軸葉輪葉片，當豎軸葉輪葉片轉(zhuǎn)到最上方時，豎軸葉輪葉片的前緣在右側(cè)，尾緣在左側(cè)，在高度方向前緣在尾緣的左上方。所述橫軸葉輪葉片安裝于水平放置的輪轂上，所述輪轂安裝在漸擴式彎肘管道和匯流罩連接處；所述豎軸葉輪葉片安裝在漸擴式彎肘管道豎直段內(nèi)的豎軸上。所述導(dǎo)流罩最大半徑處的豎直段內(nèi)的環(huán)形水流流動截面積小于匯流罩的圓形截面積。本專利技術(shù)葉輪系統(tǒng)的發(fā)電原理為，水流由縮口的匯流罩進入漸擴式彎肘管道，當水流過橫軸葉輪葉片時，由于采用風力機翼型結(jié)構(gòu)，翼型產(chǎn)生攻角和升力，進而轉(zhuǎn)化成切向力矩，驅(qū)動橫軸葉輪葉片旋轉(zhuǎn)，此時橫軸葉輪葉片吸收了水流動時產(chǎn)生的動能。受旋轉(zhuǎn)橫軸葉輪葉片反作用，離開橫軸葉輪葉片的尾流以一定角速度、和與橫軸葉輪葉片旋轉(zhuǎn)相反的方向旋轉(zhuǎn)遠離橫軸葉輪葉片。橫軸葉輪葉片轉(zhuǎn)動規(guī)律是：翼型呈圓弧形的前緣帶動呈尖尾巴的后緣轉(zhuǎn)動。以此轉(zhuǎn)動規(guī)律為設(shè)計標準，在本專利技術(shù)中，正視風輪旋轉(zhuǎn)平面，橫軸葉輪葉片為瞬時針旋轉(zhuǎn)，其形成的尾流以逆時針旋轉(zhuǎn)離開橫軸葉輪葉片并形成不穩(wěn)定的流場。尾流由于一定的角速度旋轉(zhuǎn)也具有一定的動能。采用漸擴式的管道結(jié)構(gòu)。經(jīng)90°轉(zhuǎn)彎的彎肘管道引流，旋轉(zhuǎn)的尾流旋渦軸線發(fā)生90°的改變，尾流旋轉(zhuǎn)平面由垂直面變?yōu)樗矫妫擦骼^續(xù)在漸擴式彎肘管道中穩(wěn)流和加速。在豎直段內(nèi)，尾流漩渦受到地球科氏力和重力的影響，尾流逆時針旋轉(zhuǎn)的角速度加大，旋轉(zhuǎn)動能加大。受導(dǎo)流罩的影響，水流向豎軸葉輪葉片的四周分布，由于截面積減小，旋轉(zhuǎn)速度進一步加大。旋轉(zhuǎn)流動的水流沖擊豎軸葉輪葉片，產(chǎn)生攻角及切向力矩，與豎軸葉輪葉片進行動量交換，推動其旋轉(zhuǎn)，進而把橫軸水輪機的尾流和地球科氏力和重力綜合產(chǎn)生的能量進行了利用。在北半球，地球科氏力影響水流以逆時針的方向旋轉(zhuǎn)并向下流，而在南半球則相反。為此本專利技術(shù)中，如果橫軸葉輪葉片設(shè)計的旋轉(zhuǎn)方向是順時針旋轉(zhuǎn)，而豎軸葉輪葉片旋轉(zhuǎn)的方向是逆時針；在南半球則正好相反。水流經(jīng)過橫軸葉輪葉片后，形成與橫軸葉輪葉片旋轉(zhuǎn)方向相反的尾流漩渦。由連續(xù)性方程和伯努利方程，漩渦形狀呈逐漸擴散狀態(tài)，由漸擴式彎肘管道引導(dǎo)改變尾流漩渦的流場方向，從而保護其流場完整性及能量水平。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)葉輪系統(tǒng)，通過設(shè)置在橫軸的橫軸葉輪葉片吸收水流水平方向上的動能，尾流并在橫軸葉輪葉片后端產(chǎn)生旋流，在漸擴式彎肘管道內(nèi)進一步對產(chǎn)生的旋流進行穩(wěn)流和加速，從而提高尾流對豎軸葉輪葉片的驅(qū)動力，從而實現(xiàn)尾流的能量的吸收，達到水能的最大化吸收。附圖說明圖1為本專利技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的左視圖；圖3為本專利技術(shù)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動方向及水流方向示意圖；圖4為尾流漩渦在立軸轉(zhuǎn)動葉輪葉片上的水流作用力示意圖，為立軸轉(zhuǎn)動葉輪的俯視圖。圖5為橫軸轉(zhuǎn)動葉輪葉片的剖面圖。圖6為立軸轉(zhuǎn)動葉輪葉片的剖面圖。圖中：1轉(zhuǎn)輪支架；2輪轂；3橫軸葉輪葉片；4匯流罩；5漸擴式彎肘管道；6導(dǎo)流罩；7豎軸葉輪葉片；8輪轂；9主軸。具體實施方式如圖1所示，本專利技術(shù)包括了轉(zhuǎn)輪支架1、輪轂2、橫軸葉輪葉片3和匯流罩4。轉(zhuǎn)輪支架1安裝在匯4連接處，輪轂2上安裝橫軸葉輪葉片3，并與轉(zhuǎn)輪支架1相連接。橫軸葉輪葉片3采用風力機翼型斷面結(jié)構(gòu)，橫軸葉輪葉片寬度由水流速度和葉片數(shù)來確定。漸擴式彎肘管道5，由水平段、豎直段和中間連接過渡段構(gòu)成，水平段和豎直段的中心線成90°彎角，兩者通過中間連接過渡段平滑過渡，其中水平段的前端置有橫軸葉輪葉片3，豎直段的尾部置有豎軸葉輪葉片7。水流入口為縮口的匯流罩4，管道形狀自橫軸葉輪葉片3轉(zhuǎn)動平面之后保持漸擴狀態(tài)。豎直方向上豎軸葉輪葉片7，主軸9有相同旋轉(zhuǎn)中心線。豎軸葉輪葉片7形狀及安置角度由尾流漩渦的切線速度決定。來流由匯流罩4進入管道前端，對橫軸葉輪葉片3進行沖擊，葉片產(chǎn)生升力，葉片前緣帶動尾緣而順時針轉(zhuǎn)動。在反作用力的影響下，葉片后的尾流成逆時針方向旋轉(zhuǎn)，且繼續(xù)向下游前進。該旋轉(zhuǎn)尾流由漸擴式彎肘管道5的90°彎角引導(dǎo)，由沿水平方向逆時針旋轉(zhuǎn)前進改變?yōu)檠卮怪狈较蚰鎰葆樞D(zhuǎn)。在北半球科氏力影響下，逆時針轉(zhuǎn)速加大，旋轉(zhuǎn)動能加大；在重力的影響下，旋轉(zhuǎn)速度進一步加大；在導(dǎo)流罩6的影響下，由于此時其流通面積逐漸減小，流速進一步加大；具有一定旋轉(zhuǎn)速度的尾流，沖擊豎軸轉(zhuǎn)輪的具有一定安裝角的扁平葉片，葉片也會產(chǎn)生升力，帶動主軸轉(zhuǎn)動。如圖2正視圖所示，在北半球，葉片的采用前緣在右側(cè)，尾緣在左側(cè)的安裝方式；如橫軸葉輪葉片3所示，葉片右側(cè)為前緣，且呈直線；而左側(cè)呈曲線形。在水流流動作用下，橫軸葉輪葉片3右側(cè)帶動左側(cè)旋轉(zhuǎn)，最終葉片順時針旋轉(zhuǎn)，形成如圖1所示的逆時針旋轉(zhuǎn)的尾流。如圖2所示，豎軸葉輪葉片7安裝存在一定的向右上方的傾斜角，其中右上方為豎軸葉輪葉片7的前緣，左下方為豎軸葉輪葉片7的后緣。在水本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種吸收水能的葉輪系統(tǒng)，其特征在于：包括沿橫軸安裝的橫軸葉輪葉片、沿豎軸安裝的豎軸葉輪葉片、匯流罩、漸擴式彎肘管道以及導(dǎo)流罩，所述漸擴式彎肘管道的截面為面積逐漸增大的圓形，所述漸擴式彎肘管道包括水平段和豎直段，所述匯流罩設(shè)置在所述水平段的入口前端，所述橫軸葉輪葉片設(shè)置在所述水平段的入口內(nèi)，所述豎軸葉輪葉片設(shè)置在所述豎直段的出口，所述導(dǎo)流罩設(shè)置所述豎直段圓形截面的中心且位于所述豎軸葉輪葉片前端。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種吸收水能的葉輪系統(tǒng)，其特征在于：包括沿橫軸安裝的橫軸葉輪葉片、沿豎軸安裝的豎軸葉輪葉片、匯流罩、漸擴式彎肘管道以及導(dǎo)流罩，所述漸擴式彎肘管道的截面為面積逐漸增大的圓形，所述漸擴式彎肘管道包括水平段和豎直段，所述匯流罩設(shè)置在所述水平段的入口前端，所述橫軸葉輪葉片設(shè)置在所述水平段的入口內(nèi)，所述豎軸葉輪葉片設(shè)置在所述豎直段的出口，所述導(dǎo)流罩設(shè)置所述豎直段圓形截面的中心且位于所述豎軸葉輪葉片前端。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉輪系統(tǒng)，其特征在于：所述橫軸葉輪葉片采用厚度為8％～30％弦長的翼型，葉片呈細長型；所述豎軸葉輪葉片采用厚度為小于8％弦長的薄翼型，葉片整體呈扁平寬大形。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉輪系統(tǒng)，其特征在于：所述漸擴式彎肘管道還包括一中間連接過渡段，該中間連接過渡段位于所述水平段和豎直段之間，水平段和豎直段的中心線成90°。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉輪系統(tǒng)，其特征在于：所述橫軸葉輪葉片在北半球，...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙振宙，嚴暢，曾冠毓，汪瑞欣，錢思悅，田晨，陳潘浩，劉玄，
申請(專利權(quán))人：河海大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇;32