【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及沖擊式水輪機(jī)領(lǐng)域，尤其涉及一種沖擊斗葉擊水結(jié)構(gòu)及臨界參數(shù)確定方法。
技術(shù)介紹
1、沖擊式水輪機(jī)利用高速射流沖擊轉(zhuǎn)輪水斗使其旋轉(zhuǎn)做功，從而完成水能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。射流從噴嘴高速射出，其形狀為圓柱形。如圖1所示，射流豎直向下沖擊水斗，水斗逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)不斷切割圓柱形射流。如圖2所示，水斗由兩個(gè)相同形狀的碗狀結(jié)構(gòu)組成，這兩個(gè)碗狀結(jié)構(gòu)在水斗對(duì)稱面兩側(cè)鏡像分布。水斗切水邊為空間曲線，在平行于水斗對(duì)稱面的各個(gè)平面內(nèi)，平面與射流的交線、平面與水斗的交線均不相同；水斗旋轉(zhuǎn)過(guò)程中切水邊上各點(diǎn)初始切入射流的位置、角度均不相同。水斗切入射流后，射流速度發(fā)生變化，當(dāng)水斗背面射流相對(duì)速度變?yōu)槌蛩繁趁娴姆较颍疑淞飨鄬?duì)速度與水斗背面型線的夾角過(guò)大，就會(huì)發(fā)生背面擊水現(xiàn)象。
2、水斗初始切入射流時(shí)，切水邊上各點(diǎn)射流相對(duì)速度與水斗背面型線夾角均不相同，流態(tài)觀測(cè)試驗(yàn)常發(fā)現(xiàn)水斗背面出現(xiàn)多片水花，無(wú)法確認(rèn)哪個(gè)位置、哪個(gè)角度是產(chǎn)生擊水現(xiàn)象的源頭，為此設(shè)計(jì)人員無(wú)法準(zhǔn)確修改水斗切水邊和背面型線。水斗背面擊水會(huì)嚴(yán)重影響水斗的效率，水輪機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，砂石等雜質(zhì)隨高速射流不斷撞擊水斗背面，更加重水斗的磨損，降低轉(zhuǎn)輪水斗使用壽命。因此，迫切需要一種沖擊斗葉擊水結(jié)構(gòu)及臨界參數(shù)確定方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的是提供一種能夠準(zhǔn)確判斷臨界擊水角度參數(shù)，使設(shè)計(jì)人員準(zhǔn)確定位水斗擊水位置，優(yōu)化水斗型線，消除水斗背面擊水現(xiàn)象，提高水輪機(jī)效率，延長(zhǎng)轉(zhuǎn)輪使用壽命的沖擊斗葉擊水結(jié)構(gòu)及臨界參數(shù)確定方法。
3、在俯視方向定義軸的中心線為y軸，y軸上側(cè)為+y方向，過(guò)射流中心垂直于y軸為x軸，x軸左側(cè)為+x方向，x軸和y軸的交點(diǎn)為原點(diǎn)；在主視方向過(guò)原點(diǎn)，定義垂直于x軸的為z軸，z軸上側(cè)為+z方向；擊水模塊在xz平面兩側(cè)對(duì)稱。
4、在所述主視方向，上平面和+z軸夾角為45°時(shí)擊水模塊初始切入射流，上平面、射流和下曲面共同相交于棱邊；原點(diǎn)到射流中心線的距離為r，單位m。
5、在上述沖擊斗葉擊水結(jié)構(gòu)中，所述擊水模塊初始切入射流時(shí)，擊水模塊的設(shè)計(jì)方法如下：
6、s1、計(jì)算射流速度：
7、
8、式中：v為射流速度，單位m/s；
9、為損失系數(shù)，取0.97；
10、g為重力加速度，單位m/s2；
11、h為水輪機(jī)運(yùn)行水頭，單位m；
12、s2、在俯視方向+y側(cè)按射流的直徑2n等份取值，做y0＝0m，平面，式中n＝10；
13、s3、在主視方向所述s2中的yi平面內(nèi)，式中i＝0,1,2...n，做yi平面與射流的交線，上平面投影線與+z軸夾角為45°；棱邊與yi平面相交于點(diǎn)pi，點(diǎn)pi處的圓周速度：
14、
15、式中，ui為點(diǎn)pi處的圓周速度，單位m/s；
16、c為水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r/min；
17、s4、在主視方向所述s2中的yi平面內(nèi)，計(jì)算點(diǎn)pi處的相對(duì)速度：
18、
19、式中，wi為點(diǎn)pi處的相對(duì)速度，單位m/s；
20、s5、在主視方向所述s2中的yi平面內(nèi)，計(jì)算射流速度v與相對(duì)速度wi間的夾角：
21、
22、式中，ni為yi平面內(nèi)射流速度v與相對(duì)速度wi間的夾角，單位度；
23、s6、在主視方向所述s2中的yi平面內(nèi)，yi平面和下曲面交線為直線，計(jì)算yi平面和下曲面交線與yi平面和上平面交線間的夾角：
24、si＝45°-ni+aj
25、式中，si為yi平面和下曲面交線與yi平面和上平面交線間的夾角，單位度；
26、aj為yi平面內(nèi)相對(duì)速度wi與yi平面和下曲面交線間的夾角，單位度；
27、s7、分別令aj＝0°，1°，2°，...，k°時(shí)，式中k為正整數(shù)，在主視方向所述s2中的yi平面內(nèi)，過(guò)點(diǎn)pi，式中i＝0,1,2...n，按夾角si做直線與+x軸交于點(diǎn)ti；以棱邊、點(diǎn)p0和點(diǎn)t0連線、點(diǎn)pn和點(diǎn)tn連線和依次過(guò)點(diǎn)t0、t1、...、tn的曲線為邊界，點(diǎn)pe和點(diǎn)te連線為內(nèi)部直線，式中e＝1，2，...，n-1做下曲面，完成k+1個(gè)不同角度的擊水模塊的設(shè)計(jì)。
28、本專利技術(shù)還提供一種沖擊斗葉擊水結(jié)構(gòu)的臨界參數(shù)確定方法，其特征包含以下步驟：
29、s1、調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)使射流直徑為d，水輪機(jī)運(yùn)行水頭為h，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速為c；
30、s2、進(jìn)行aj＝0°的擊水模塊觀測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)高速攝像觀察下曲面初始切入射流時(shí)是否存在擊水現(xiàn)象，如未發(fā)生擊水現(xiàn)象，繼續(xù)試驗(yàn)；
31、s3、進(jìn)行aj＝1°的擊水模塊觀測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)高速攝像觀察下曲面初始切入射流時(shí)是否存在擊水現(xiàn)象，如未發(fā)生擊水現(xiàn)象，繼續(xù)試驗(yàn)；
32、s4、依次進(jìn)行aj＝2°，3°，...，k°的擊水模塊觀測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)高速攝像觀察下曲面初始切入射流，直到下曲面發(fā)生擊水現(xiàn)象為止，此時(shí)的aj角度即為水輪機(jī)運(yùn)行水頭h，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速c下的沖擊斗葉擊水臨界參數(shù)。
33、本專利技術(shù)的有益效果是：
34、1.本專利技術(shù)的沖擊斗葉擊水結(jié)構(gòu)，可完美匹配射流，使棱邊同時(shí)切入圓柱形射流，通過(guò)調(diào)整擊水結(jié)構(gòu)下曲面型線角度，保證棱邊各點(diǎn)射流相對(duì)速度與擊水模塊下曲面型線夾角相同，以上是進(jìn)行臨界擊水觀測(cè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)。
35、2.本專利技術(shù)的沖擊斗葉擊水臨界參數(shù)確定方法，通過(guò)試驗(yàn)獲得水輪機(jī)運(yùn)行水頭、轉(zhuǎn)速下的臨界擊水角度，該方法可建立水輪機(jī)臨界擊水參數(shù)庫(kù)，以準(zhǔn)確指導(dǎo)水斗優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免擊水現(xiàn)象的發(fā)生，提高水輪機(jī)效率，延長(zhǎng)轉(zhuǎn)輪使用壽命。并在后續(xù)水斗設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)需進(jìn)行擊水觀測(cè)試驗(yàn)，僅與臨界擊水參數(shù)庫(kù)比選即可，大大提高設(shè)計(jì)效率，縮短研發(fā)周期。
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1.一種沖擊斗葉擊水結(jié)構(gòu)，其特征是：由擊水模塊(10)和軸(6)組成，擊水模塊(10)嵌入軸(6)內(nèi)部固定連接；射流(7)為圓柱形，豎直向下流動(dòng)，擊水模塊(10)以軸(6)的中心線為軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)切入射流(7)；所述擊水模塊(10)的寬度L與射流(7)的直徑d相同，單位m；擊水模塊(10)截面為三角形，由上平面(1)、兩個(gè)下曲面(2)、底平面(3)、兩個(gè)側(cè)平面(4)組成；所述上平面(1)和底平面(3)過(guò)軸(6)的中心線；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖擊斗葉擊水結(jié)構(gòu)，其特征是：所述擊水模塊(10)初始切入射流(7)時(shí)，擊水模塊(10)的設(shè)計(jì)方法，其特征包含以下步驟：
3.一種如權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的沖擊斗葉擊水結(jié)構(gòu)的臨界參數(shù)確定方法，其特征是，使用方法過(guò)程如下：
【技術(shù)特征摘要】
1.一種沖擊斗葉擊水結(jié)構(gòu)，其特征是：由擊水模塊(10)和軸(6)組成，擊水模塊(10)嵌入軸(6)內(nèi)部固定連接；射流(7)為圓柱形，豎直向下流動(dòng)，擊水模塊(10)以軸(6)的中心線為軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)切入射流(7)；所述擊水模塊(10)的寬度l與射流(7)的直徑d相同，單位m；擊水模塊(10)截面為三角形，由上平面(1)、兩個(gè)下曲面(2)、底平面(3)、...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉永新，許彬，覃大清，魏顯著，鄭群，吳喜東，王煥茂，王曉航，童旭松，宮傲，楊野，郭娜，李任飛，宋永健，孫海峰，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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