專利名稱：斜流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種斜流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片，屬于流體機(jī)械領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
水輪機(jī)是水電站的專用動(dòng)力機(jī)械，水電站的裝機(jī)容量約占全國(guó)總裝機(jī)容量的25％，因此，水輪機(jī)的性能直接關(guān)系到水電站的出力和壽命。水輪機(jī)主要型式有軸流式、混流式、貫流式、沖擊式等，斜流式水輪機(jī)是介于軸流式和混流式之間的一種機(jī)型。在專利文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中，如專利號(hào)為ZL97195388.0的《弗朗西斯水輪機(jī)的葉輪》只提出了結(jié)構(gòu)形狀，而未提出水輪機(jī)轉(zhuǎn)葉輪的設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)學(xué)方程表達(dá)式，因而不能建立水力模型。
在公開發(fā)表的斜流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)理論及方法中如(Bankhend水電站轉(zhuǎn)輪更換方案的設(shè)計(jì)研究/(加拿大)HungD；尹繼紅//《國(guó)外大電機(jī)》.-2001(4).-77-81)，只講述了斜流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪更換方案以及對(duì)既有轉(zhuǎn)輪進(jìn)行改型設(shè)計(jì)的三維計(jì)算程序，和本發(fā)明所涉及的利用兩個(gè)相對(duì)流面理論，根據(jù)斜流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪具體的流道參數(shù)，建立流動(dòng)方程，通過(guò)兩個(gè)流面迭代計(jì)算的準(zhǔn)三元計(jì)算不同。
又如(高水頭大容量變轉(zhuǎn)速斜流式水泵水輪機(jī)的研制/宮川數(shù)吉//《國(guó)外大電機(jī)》.-1999(2).-47-51)，該文采用幾種數(shù)字流動(dòng)分析方法設(shè)計(jì)了斜流式水泵水輪機(jī)，其工作水頭和輸入/輸出功率為常規(guī)機(jī)組的兩倍，并進(jìn)行了相應(yīng)的模型試驗(yàn)。介紹了該種水泵水輪機(jī)的模型試驗(yàn)結(jié)果，從水動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的觀點(diǎn)出發(fā)，確定固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉分別為24，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為10，本發(fā)明的主要內(nèi)容是斜流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片，設(shè)計(jì)水頭段在30-70米之間，葉片數(shù)為5或6片，從結(jié)構(gòu)型式以及實(shí)用范圍的角度都不同。
再如(斜流式水泵水輪機(jī)工況零流量制動(dòng)力矩的計(jì)算/于治明//《沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)》.-2000，17(3).-81-83)，該文利用πo-型式斜流式水泵水輪機(jī)的模型靜態(tài)全特性曲線，分析了影響泵工況零流量制動(dòng)力矩的主要因素，推導(dǎo)出了斜流式水泵工況零流量制動(dòng)力矩的計(jì)算公式。適用于斜流式水泵水輪機(jī)機(jī)組的主閥關(guān)閉，導(dǎo)葉，輪葉以一定規(guī)律開啟時(shí)，泵工況起動(dòng)過(guò)渡的計(jì)算，也不涉及水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的范疇。
再又如(全電動(dòng)中小容量斜流式水輪機(jī)的系列化/彭澤元//《水電站機(jī)電技術(shù)》.-1994，7(3).-65-67)，介紹了日本三菱重工與中部電力公司共同研究開發(fā)的中小容量斜流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)葉片操作電動(dòng)接力器，通過(guò)制作樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，完成了全電動(dòng)中小容量斜流式水輪機(jī)的系列化，其主要內(nèi)容在于葉片操作控制機(jī)構(gòu)，和本發(fā)明的斜流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及葉片設(shè)計(jì)相比，屬于不同的

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是依據(jù)水流實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)，提出新的斜流式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)兩類相對(duì)流面(S1，S2)的流動(dòng)理論和斜流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪具體的流道參數(shù)，建立兩個(gè)流面的流動(dòng)方程，通過(guò)兩個(gè)流面迭代計(jì)算的準(zhǔn)三元計(jì)算設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)出新型的斜流式轉(zhuǎn)輪葉片，使之具有合理形狀的轉(zhuǎn)輪，供水電站選擇，提高斜流式水輪機(jī)的效率和抗氣蝕能力。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法基于準(zhǔn)三維反問題計(jì)算以S1流面和S2m流面計(jì)算為基礎(chǔ)，
其特征在于提出如下流動(dòng)模型，其設(shè)計(jì)基本方程式為∂∂r(1rBf∂ψ∂r)+∂∂z(1rBf∂ψ∂z)=1r(tgμ∂Vθr∂r-tgλ∂Vθr∂z)---(1)]]>+1W2[∂E∂r(Wz-Wθtgμ)-∂E∂z(Wr+Wθtgλ)]]]>∂∂m(rh∂ψ∂m)+∂∂θ(1hr∂ψ∂θ)=2ωr∂r∂m=2sinσ---(6)]]> dX/dm＝R*/R，dY/dθ＝-R*(14)上述公式中符號(hào)見下面具體實(shí)施例中說(shuō)明。
所述的斜流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的安裝角在進(jìn)水邊為22.97°-31.80°之間，出水邊為22.56°-30.64°。
所述的斜流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為5片或6片。


結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明圖1轉(zhuǎn)輪流道示意2等價(jià)速度三角形圖3A S1流面葉型展開圖(5個(gè)斷面)圖3B，3C葉片三維4A斜流式轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)正視4B斜流式轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)剖面4C斜流式轉(zhuǎn)輪葉片安裝圖4D斜流式轉(zhuǎn)輪葉片安裝孔圖5A 5葉片轉(zhuǎn)輪實(shí)物5B 6葉片轉(zhuǎn)輪實(shí)物圖1斜流式轉(zhuǎn)輪葉片型線2斜流式轉(zhuǎn)輪葉片把合螺栓3斜流式轉(zhuǎn)輪體 4鍵槽 5葉片定位銷孔
具體實(shí)施例方式如圖1、圖2所示用方程(1)、(6)、(12)、(14)構(gòu)成了基于S1流面的準(zhǔn)三維反問題計(jì)算的主方程，通過(guò)S2m流面計(jì)算給定初始葉型的S1流面反問題與平均S2m流面正問題迭代，并在回轉(zhuǎn)面(S1相對(duì)流面)引入“等價(jià)速度三角形”，用軸向速度變化率ξ和流面傾斜參數(shù)η來(lái)修正因流面傾斜和軸向速度變化而引起葉柵性能變化的影響，設(shè)計(jì)斜流式轉(zhuǎn)輪葉片。進(jìn)行軸面流動(dòng)計(jì)算得到軸面流動(dòng)后，就可得到若干回轉(zhuǎn)S1面，然后在回轉(zhuǎn)S1流面上設(shè)計(jì)出葉片形狀，最后將這些葉片按公式 積分形成三維實(shí)體葉片，并按公式 加厚。其葉片安裝角在進(jìn)水邊為22.97°-31.80°之間，出水邊為22.56°-30.64°。葉片數(shù)為5片或6片。
設(shè)計(jì)計(jì)算的基本過(guò)程1 基于S1流面的準(zhǔn)三維反問題計(jì)算數(shù)學(xué)模型(1)平均S2m流面流動(dòng)控制方程假設(shè)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部相對(duì)流動(dòng)定常，水流無(wú)粘性不可壓，對(duì)轉(zhuǎn)輪內(nèi)實(shí)際三維流動(dòng)進(jìn)行周向平均處理，可得轉(zhuǎn)輪區(qū)周向平均的流函數(shù)控制方程∂∂r(1rBf∂ψ∂r)+∂∂z(1rBf∂ψ∂z)=1r(tgμ∂Vθr∂r-tgλ∂Vθr∂z)---(1)]]>+1W2[∂E∂r(Wz-Wθtgμ)-∂E∂z(Wr+Wθtgλ)]]]>平均流動(dòng)函數(shù)定義為∂ψ∂r=rBfW2‾,∂ψ∂z=rBfWr‾---(2)]]>
式中Bf=B·Δθ2π]]>對(duì)于軸面有勢(shì)流動(dòng)，tgλ和tgμ為0，E為常數(shù)，因此，方程(1)的右端項(xiàng)為0。
(2)S1相對(duì)流面流動(dòng)控制方程S1回轉(zhuǎn)相對(duì)流面上的連續(xù)方程為∂∂m(hrWm)+∂∂θ(hWθ)=0--(3)]]>S1流面的運(yùn)動(dòng)方程為∂(rW0)∂m-∂Wm∂θ=∂∂m(km∂ψ∂m)+∂∂θ(kθ∂ψ∂θ)--(4)]]>=2ωr∂r∂m=2ωrsinσ+hW2(∂Er∂θWm-∂E∂mWθ)]]>式中km=rh,kθ=1hr]]>h——S1流面的流層厚度；m——子午面座標(biāo)。
方程(3)和(4)構(gòu)成了S1相對(duì)流面絕對(duì)無(wú)旋運(yùn)動(dòng)的基本方程組。
根據(jù)連續(xù)方程(3)定義流函數(shù)為∂ψ∂θ=rhWm,∂ψ∂m=-hW0--(5)]]>代入方程(4)，可得出S1流面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的流函數(shù)方程∂∂m(rh∂ψ∂m)+∂∂θ(1hr∂ψ∂θ)=2ωr∂r∂m=2sinσ---(6)]]>(3)基于S1流面的葉型設(shè)計(jì)葉片方程如下 對(duì)于S1流面流動(dòng)，定義如下周向平均
將式(8)引入式(7)可得基于S1流面計(jì)算的葉片積分方程 式中Vθ‾=1θp-θs∫θsθpVθ(m,θ)dθ,]]>Wθ‾(m)=1θp-θs∫θsθpWθ(m,θ)dθ]]>一階常微分方程(9)求解需給定初值條件。稱此條件為葉片疊加條件，對(duì)斜流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，取Zst為葉片旋轉(zhuǎn)軸的軸向坐標(biāo)，給定如下初值條件(r，z＝zst)＝0(10)初始葉型與最終設(shè)計(jì)葉型間修正公式 由于 與(n)間為非線性關(guān)系，故采用松弛迭代，葉型修正可寫為 這樣，基于給定初始葉型，通過(guò)S2m流面流動(dòng)和S1流面流動(dòng)計(jì)算，采用式(11)進(jìn)行葉型迭代修正，并使之滿足葉片疊加條件，實(shí)現(xiàn)了S1流面上的葉型設(shè)計(jì)。
給定葉片向厚度tn(r，z，θ)，考慮葉片的三維扭曲，葉片的周向厚度tn(r，z，θ)則由下式給出 基于所設(shè)計(jì)的葉片中面，由式(13)求得厚度tζ進(jìn)行背面加厚，則可得到設(shè)計(jì)厚度的葉片，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪的準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)。
2任意傾斜回轉(zhuǎn)流面的變換(1)任意傾斜回轉(zhuǎn)面的基本方程連續(xù)方程∂∂m(hrWm)+∂∂θ(hWθ)=0]]>流函數(shù)ψ的方程∂ψ∂θ=rhWm,∂ψ∂m=-hW0]]>滿足于流函數(shù)ψ的回轉(zhuǎn)流面相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程∂2ψ∂m2+1r2∂2ψ∂θ2+[1r∂r∂m-1h∂(h)∂m]∂ψ∂m-1h∂ψ∂m=2ωh∂r∂m]]>(2)等價(jià)速度三角形理論將傾斜的回轉(zhuǎn)流面在任定基準(zhǔn)半徑R*的圓柱面的展開面x-y面內(nèi)映象。引入映象函數(shù)dX/dm＝R*/R，dY/dθ＝-R*(14)由于葉柵進(jìn)、出口的軸向速度不等，因此引進(jìn)“等價(jià)速度三角形”如圖2所示。
因流面傾斜和軸向速度變化而引起葉柵性能變化的影響，分別用軸向速度變化率ξ和流面傾斜參數(shù)η來(lái)反映ξ=WX2-WX1WX∞--(15)]]>η=2u*WX1+WX2(R12-R22R*2)---(16)]]>最后，通過(guò)式(14)將葉柵轉(zhuǎn)換到物理面上。
3兩類流面準(zhǔn)三元迭代方程(1)、(6)、(12)、(14)構(gòu)成了基于S1流面的準(zhǔn)三維反問題計(jì)算的主方程，分別如下∂∂r(1rBf∂ψ∂r)+∂∂z(1rBf∂ψ∂z)=1r(tgμ∂Vθr∂r-tgλ∂Vθr∂z)---(1)]]>+1W2[∂E∂r(Wz-Wθtgμ)-∂E∂z(Wr+Wθtgλ)]]]>∂∂m(rh∂ψ∂m)+∂∂θ(1hr∂ψ∂θ)=2ωr∂r∂m=2sinσ---(6)]]> dX/dm＝R*/R，dY/dθ＝-R*(14)對(duì)方程(1)和方程(6)分別建立有限元方程并進(jìn)行迭代計(jì)算，在S1流面計(jì)算時(shí)，用方程(14)轉(zhuǎn)化到映像面，引入“等價(jià)速度三角形”，用軸向速度變化率ξ和流面傾斜參數(shù)η來(lái)修正因流面傾斜和軸向速度變化而引起葉柵性能變化的影響，再用(14)轉(zhuǎn)化回物理面，繼續(xù)迭代，直至滿足收斂條件。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)對(duì)斜流式水輪機(jī)的研究，采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，綜合考慮水輪機(jī)性能指標(biāo)與幾何參數(shù)各特性間的影響，應(yīng)用斜流式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化理論，建立數(shù)學(xué)模型，利用準(zhǔn)三元理論，通過(guò)對(duì)S1/S2流面進(jìn)行迭代計(jì)算，設(shè)計(jì)出了具有良好水力性能的斜流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。該斜流式水輪機(jī)改善了軸流式水輪機(jī)高水頭(30米以上)與混流式水輪機(jī)低水頭(30-70米)段之間水流能量轉(zhuǎn)換效率低，變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)效率低，空蝕破壞嚴(yán)重，電站經(jīng)濟(jì)效益差等缺陷，使該水頭段(30-70米)現(xiàn)有水電站增容技改或新建電站的性價(jià)比得到較大提高。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明涉及一種斜流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片，其特征在于提出如下流動(dòng)模型，其設(shè)計(jì)基本方程式為∂∂r(1rBf∂ψ∂r)+∂∂z(1rBf∂ψ∂z)=1r(tgμ∂Vθr∂r-tgλ∂Vθr∂z)---(1)]]>+1W2[∂E∂r(Wz-Wθtgμ)-∂E∂z(Wr-Wθtgλ)]]]>∂∂m(rh∂ψ∂m)+∂∂θ(1hr∂ψ∂θ)=2ωr∂r∂m=2sinσ---(6)]]> dX/dm＝R*/R，dY/dθ＝-R*(14)
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的斜流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片，其特征在于轉(zhuǎn)輪葉片的安裝角在進(jìn)水邊為22.97°-31.80°之間，出水邊為22.56°-30.64°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的斜流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片，其特征在于轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為5片或6片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種斜流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片，該葉片建立了合理的流動(dòng)模型，運(yùn)用該模型及基本方程(1)、(6)、(12)、(14)構(gòu)成了基于S
文檔編號(hào)F03B3/12GK1621682SQ20041008151
公開日2005年6月1日 申請(qǐng)日期2004年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月17日
發(fā)明者張禮達(dá), 余波, 陳冬冬 申請(qǐng)人:西華大學(xué)