專利名稱：一種增加魚類存活率的混流式水輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種混流式水輪機(jī)，具體的說是一種通過改進(jìn)流道的設(shè)計(jì)增加魚類存活率的混流式水輪機(jī)。
背景技術(shù)：
通過水輪機(jī)的魚易遭受各種形式的脅迫，可能引起高死亡率。這種脅迫包括渦輪機(jī)的運(yùn)動(dòng)或固定部件(導(dǎo)向葉片、葉片和輪葉)撞擊的可能性，突然加速或減速和壓力的突然改變。針對(duì)魚類通過水輪機(jī)的損傷機(jī)理研究，國外(如美國、加拿大、瑞典、荷蘭、德國及法國)主要以幼鮭為研究對(duì)象，測(cè)試幼鮭通過不同水輪機(jī)運(yùn)行工況下存活率。幼鮭在混流式渦輪機(jī)的情況下死亡率變動(dòng)在不到5%到95%以上之間，幼鮭的死亡原因主要是由于混流式渦輪機(jī)通常安裝在較高的水頭下。1995年，美國陸軍工程師團(tuán)成立了一個(gè)水輪機(jī)流道魚類存活率研究小組，小組專家們將水輪機(jī)對(duì)魚類可能造成的傷害機(jī)理分4類包括1.機(jī)械機(jī)理擦傷、摩擦和撞擊，它取決于泄水和流速、水輪機(jī)葉片的個(gè)數(shù)和空間，以及流道的幾何形狀；2.壓力，損傷取決于魚及魚類的承受壓力大大小和壓力的變化率；3.空蝕，福斯特工程的最高魚類存活率發(fā)生在水輪機(jī)的運(yùn)行空蝕常數(shù)為臨界值得1/2 1/3時(shí)；4.剪切力和紊流，剪切應(yīng)力最大值出現(xiàn)在流體所經(jīng)過的固體邊界附近，如葉片前緣、輪葉和導(dǎo)葉處。一旦確定了傷害機(jī)理，就可確定生物學(xué)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并引用于新的和改造的水輪機(jī)， 使水輪機(jī)對(duì)魚類更有利。目前國內(nèi)水利工程對(duì)于幫助魚類下行的措施考慮得甚少，甚至沒有考慮，導(dǎo)致魚類特別是一些珍稀魚種在水輪機(jī)流道中受傷，甚至致死的事件時(shí)有發(fā)生，造成對(duì)魚類資源的損害，三峽水電站的運(yùn)行就曾發(fā)生中華鱘誤入水輪機(jī)流道致死的事件，這對(duì)稀有的中華鱘資源造成較大的損失。對(duì)于普通的水輪機(jī)，魚類通過水輪機(jī)的死亡率超過 30%，可見水輪機(jī)的運(yùn)行已對(duì)流域中魚類的生存造成了一定的威脅。截至2009年底，我國水電裝機(jī)容量已達(dá)I. 97億千瓦，目前大中型水電站有263座，位于世界第I位。因此，在加快我國水電建設(shè)的同時(shí)，對(duì)魚類通過水輪機(jī)的損傷概率展開深入研究，探求減少魚體損傷概率的水輪機(jī)流道型式是我國水電能源可持續(xù)發(fā)展所面臨的一個(gè)重大課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提出一種通過改進(jìn)流道的設(shè)計(jì)增加魚類存活率的混流式水輪機(jī)，在保證發(fā)電效率為90%的前提下，減少葉片個(gè)數(shù)，增加過流通道，改善流道流動(dòng)狀態(tài)，降低空蝕，均化內(nèi)部壓力，提高魚類通過水輪機(jī)的存活率。本發(fā)明解決以上技術(shù)問題的技術(shù)方案是提供一種增加魚類存活率的混流式水輪機(jī)，主要由金屬蝸殼、座環(huán)、負(fù)曲率固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、導(dǎo)葉軸、蓋板、軸承座、錐形尾水管和水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)部件組成；所述金屬蝸殼內(nèi)側(cè)與座環(huán)經(jīng)焊接相連；所述水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)部件包括 X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片、X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠、X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)、主軸及泄水錐；所述X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片通過焊接方法固定在X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)與X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠之間，所述轉(zhuǎn)輪上冠與主軸之間通過鍵傳遞力矩，所述泄水錐通過螺栓固定于轉(zhuǎn)輪上冠下表面；所CN 102536591 A
述主軸安裝在軸承座上，所述蓋板采用螺栓固定方式與座環(huán)相連；所述活動(dòng)導(dǎo)葉固定在導(dǎo)葉軸上，所述導(dǎo)葉軸的下端支承在底環(huán)上，上端伸出蓋板；所述負(fù)曲率固定導(dǎo)葉安裝于所述活動(dòng)導(dǎo)葉外側(cè)，并與所述活動(dòng)導(dǎo)葉布置在同心的圓柱面上，呈并排布置，組成雙排環(huán)列葉柵；所述X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的進(jìn)口邊厚度增厚，自進(jìn)口邊到出口邊葉片斷面呈“魚形結(jié)構(gòu)”，葉片翼型的最小厚度與最大厚度之比為0. 2 0. 3。本發(fā)明進(jìn)一步限定的技術(shù)方案是前述的增加魚類存活率的混流式水輪機(jī)，所述X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的葉片數(shù)為6片，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪高度
A為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑砵的0. 76倍，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口直徑巧與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑 A的比值為1.05。前述的增加魚類存活率的混流式水輪機(jī)，所述活動(dòng)導(dǎo)葉分布圓直徑Dc為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑從的I. 22倍。前述的增加魚類存活率的混流式水輪機(jī)，所述負(fù)曲率固定導(dǎo)葉的安裝個(gè)數(shù)為8。進(jìn)一步的，前述的增加魚類存活率的混流式水輪機(jī)，所述X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠進(jìn)
口角片力53.3°，出口角爲(wèi)為20. 1° ;所述X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)采用具有錐角a的直線型結(jié)構(gòu)，其錐角a為8。。本發(fā)明的有益效果是(1)相對(duì)于傳統(tǒng)混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，本發(fā)明減少了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片，采用加長(zhǎng)的葉片，增大水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口直徑，使出口過流面積增大，過流能力增大，同時(shí)降低了葉片出口處的流速，改善空化性能；適度增加轉(zhuǎn)輪下環(huán)的錐角，水輪機(jī)最高效率幾乎不會(huì)發(fā)生變化，但轉(zhuǎn)輪的過流能力增加了 2. 5% 3%，出力增加了 2% 2. 5%，空化系數(shù)有所下降，在維持相同的容量、發(fā)電量的條件下降低了魚受撞擊的擦傷的概率。(2)本發(fā)明的X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片在與轉(zhuǎn)輪下環(huán)接近的位置保持了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)輪葉片的形狀，而靠近上冠處翼形由傳統(tǒng)的正曲面率變成負(fù)曲率，葉片面積增大，厚度減薄。X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的進(jìn)口邊厚度增厚，自進(jìn)口邊到出口邊葉片斷面呈“魚形結(jié)構(gòu)”，更有利于改善機(jī)組工況運(yùn)行所引起的來流沖角的影響，防止在部分負(fù)荷運(yùn)行下，X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片頭部背面出現(xiàn)較大的沖角而形成非定常運(yùn)動(dòng)的葉道渦，提高轉(zhuǎn)輪偏離最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)的效率，改善來流條件。(3)本發(fā)明通過增加活動(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間的距離，降低了在導(dǎo)葉的尾緣和轉(zhuǎn)輪之間魚遭受摩擦傷害的概率。綜上所述，采用以上的技術(shù)方案后，本發(fā)明能保證水輪機(jī)的效率在90% 的同時(shí)，提高魚類通過水輪機(jī)的存活率。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的X型轉(zhuǎn)輪葉片的示意圖。
圖3是本發(fā)明的X型轉(zhuǎn)輪葉片上冠示意圖。
圖4是轉(zhuǎn)輪葉片的進(jìn)水邊和出水邊在Z-X面的投影線示意圖。
圖5是轉(zhuǎn)輪葉片在軸面上投影示意圖。
圖6是負(fù)曲率翼型導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，I-金屬蝸殼、2-座環(huán)、3-負(fù)曲率固定導(dǎo)葉、4-活動(dòng)導(dǎo)葉、5-導(dǎo)葉軸、6-X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片、7-X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠、8-X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)、9-蓋板、10-軸承座、11-主軸、12-錐形尾水管、13-泄水錐。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例I本實(shí)施例提供的一種降低魚類受傷害概率的混流式水輪機(jī)，如圖I至圖6所示，包括金屬蝸殼I、座環(huán)2、負(fù)曲率固定導(dǎo)葉3、活動(dòng)導(dǎo)葉4、導(dǎo)葉軸5、X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片6、X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠7、X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)8、蓋板9、軸承座10、主軸11、錐形尾水管12、泄水錐 13 ;金屬蝸殼I內(nèi)與座環(huán)2通過焊接方法相連接；水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)部件由X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片6、X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠7、X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)8、主軸11及泄水錐13構(gòu)成；X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片6通過焊接方法固定在X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)8與X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠7之間，轉(zhuǎn)輪上冠7與主軸11之間通過鍵傳遞力矩，轉(zhuǎn)輪上冠下表面連接泄水錐13 ;主軸11安裝在軸承座10上，蓋板9與座環(huán)2之間采用螺栓固定?；顒?dòng)導(dǎo)葉4固定在導(dǎo)葉軸5上，導(dǎo)葉軸5的下端支承在底環(huán)2上，上端伸出蓋板9，設(shè)置的8個(gè)單列環(huán)形負(fù)曲率固定導(dǎo)葉3采用焊接方法固定在底環(huán)2上。
本發(fā)明的活動(dòng)導(dǎo)葉4分布圓直徑為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑取的I. 22倍，活動(dòng)導(dǎo)葉4的高度馬為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑叫的0. 3倍?；顒?dòng)導(dǎo)葉4與負(fù)曲率導(dǎo)葉3布置在與水輪機(jī)同心的圓柱面上，并排布置，組成雙排環(huán)列葉柵。
本發(fā)明的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪高度馬為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑的0. 76倍，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口直徑為爲(wèi)與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑取的比值為I. 05，葉片數(shù)選為6片，進(jìn)水邊厚度大于出水邊厚度，其橫切斷面呈“魚形結(jié)構(gòu)”，葉片翼型最小厚度與最大厚度之比為0. 25 0. 3。
本發(fā)明的X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片6進(jìn)口具有“負(fù)傾角”a，葉片出水邊不在軸面上，而是一空間曲線，靠近上冠處翼形為負(fù)曲率，X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠進(jìn)口角對(duì)為53. 3°，出口角爲(wèi)為20. 1° ;所述X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)采用具有錐角a的直線型結(jié)構(gòu)，其錐角a為8。。
在本實(shí)施例中，對(duì)于不同工況條件的傳統(tǒng)水輪機(jī)損傷實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，平均體長(zhǎng)50mm的鯽魚損傷率在5% 10%，體長(zhǎng)IOOmm 200mm的草魚的損傷率降至60% 95%。采用本實(shí)驗(yàn)新型，如圖I所示的轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑5. 46m和4. 15m的轉(zhuǎn)輪，葉片數(shù)為6片，轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口邊最大厚度為12cm，葉片翼型最小厚度與最大厚度之比為取0. 27，活動(dòng)導(dǎo)葉4分布圓直徑A)取6. 66m活動(dòng)導(dǎo)葉4的高度馬取I. 64m,轉(zhuǎn)輪出口直徑U2為5. 73m，發(fā)電效率為91%，平均體長(zhǎng)50mm的觸魚損傷率在5% 8%,體長(zhǎng)10Omm 200mm的草魚的損傷率降至5% 20%o
除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種增加魚類存活率的混流式水輪機(jī)，主要由金屬蝸殼、座環(huán)、負(fù)曲率固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、導(dǎo)葉軸、蓋板、軸承座、錐形尾水管和水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)部件組成；其特征在于所述金屬蝸殼內(nèi)側(cè)與座環(huán)經(jīng)焊接相連；所述水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)部件包括X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片、X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠、X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)、主軸及泄水錐；所述X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片通過焊接方法固定在X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)與X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠之間，所述轉(zhuǎn)輪上冠與主軸之間通過鍵傳遞力矩，所述泄水錐通過螺栓固定于轉(zhuǎn)輪上冠下表面；所述主軸安裝在軸承座上，所述蓋板采用螺栓固定方式與座環(huán)相連；所述活動(dòng)導(dǎo)葉固定在導(dǎo)葉軸上，所述導(dǎo)葉軸的下端支承在底環(huán)上，上端伸出蓋板；所述負(fù)曲率固定導(dǎo)葉安裝于所述活動(dòng)導(dǎo)葉外側(cè)，并與所述活動(dòng)導(dǎo)葉布置在同心的圓柱面上，呈并排布置，組成雙排環(huán)列葉柵；所述X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的進(jìn)口邊厚度增厚，自進(jìn)口邊到出口邊葉片斷面呈“魚形結(jié)構(gòu)”，葉片翼型的最小厚度與最大厚度之比為0. 2 0. 3。
2.如權(quán)利要求I所述的增加魚類存活率的混流式水輪機(jī)，其特征在于所述X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的葉片數(shù)為6片，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪高度馬為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑從的0. 76倍，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口直徑巧與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑鴆的比值為1.05。
3.如權(quán)利要求I所述的增加魚類存活率的混流式水輪機(jī)，其特征在于所述活動(dòng)導(dǎo)葉分布圓直徑1 為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑取的I. 22倍。
4.如權(quán)利要求3所述的增加魚類存活率的混流式水輪機(jī)，其特征在于所述負(fù)曲率固定導(dǎo)葉的安裝個(gè)數(shù)為8。
5.如權(quán)利要求I所述的增加魚類存活率的混流式水輪機(jī)，其特征在于所述X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠進(jìn)口角爲(wèi)為53.3°，出口角爲(wèi)為20. 1° ;所述X型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)采用具有錐角a的直線型結(jié)構(gòu)，其錐角a為8。。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高水輪機(jī)過魚能力的新型混流式水輪機(jī)，采用較少的葉片個(gè)數(shù)，增加葉片長(zhǎng)度加大流道尺寸，以維持相同的容量及發(fā)電量；靠近上冠處翼形為負(fù)曲率，轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口較厚，橫切斷面呈“魚形結(jié)構(gòu)”，葉片翼型的最小厚度與最大厚度之比為0.2～0.3，以減小高水頭下進(jìn)口邊產(chǎn)生空蝕、水流分離現(xiàn)象，改善魚類通過的安全條件；增加活動(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪葉片之間的距離，以降低在導(dǎo)葉尾緣和轉(zhuǎn)輪之間魚遭受摩擦傷害的概率。本發(fā)明可以在減少葉片個(gè)數(shù)的情況下維持相同的容量，改善流道流動(dòng)狀態(tài)將空蝕降至最小，保證發(fā)電效率為90%的前提下，提高魚類通過水輪機(jī)的存活率。
文檔編號(hào)F03B3/12GK102536591SQ20121002621
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月7日
發(fā)明者吳建華, 戴會(huì)超, 王煜, 郭卓敏 申請(qǐng)人:戴會(huì)超