求助：多級(jí)水輪機(jī)的葉輪設(shè)計(jì)分析

水上超人

摘要： 一種多級(jí)軸流式水輪機(jī)使用的兩種葉輪,，固定葉輪和旋轉(zhuǎn)葉輪的圓形滾筒側(cè)面都依次排列有8個(gè)同向傾斜的葉片,，滾筒與葉輪的半徑比例為2r≥R,，固定葉片的軸向傾角大于旋轉(zhuǎn)葉片的軸向反傾角,。它主要通過降低水輪機(jī)上下水道的流速來減少?gòu)澋罁p失,，把沖擊水流集中到葉輪的外圍來增加旋轉(zhuǎn)推力,，減少旋轉(zhuǎn)葉輪的軸向壓力而導(dǎo)致的無用功損失等途徑來提高水輪機(jī)的工作效率。估計(jì)這種組合葉輪與現(xiàn)有的單一葉輪相比,，大約可以提高水能轉(zhuǎn)化效率10%左右,。應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)原理，還可以制造多級(jí)汽輪機(jī)及其它流體動(dòng)力機(jī)械的葉輪,。
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一,、 現(xiàn)有單級(jí)葉輪的局限性

   
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目前公知的水輪機(jī)基本上都是由單級(jí)葉輪構(gòu)成的，其葉輪結(jié)構(gòu)如圖“軸流式水輪機(jī)葉輪”所示,。這種葉輪的葉片軸向傾角大、滾筒半徑小和葉片數(shù)量少,，存在的問題是軸向壓力大和彎道損失多等等,，用于單級(jí)葉輪水輪機(jī)還是可以勝任的。但是,，用于我們發(fā)明的多級(jí)葉輪水輪機(jī)（參考文獻(xiàn)資料：多級(jí)節(jié)能水輪機(jī),，專利號(hào)：ZL200820009346.8）就會(huì)出現(xiàn)許多問題，不但達(dá)不到節(jié)能的目的,，反而還有可能出現(xiàn)浪費(fèi)能量的現(xiàn)象,。所以，必須重新設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)葉輪和固定葉輪的結(jié)構(gòu),，才能達(dá)到節(jié)約水能之目的,。

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二、新型多級(jí)葉輪的設(shè)計(jì)原理

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我們?cè)O(shè)計(jì)的新型葉輪如“多級(jí)水輪機(jī)葉輪示意圖”所示,，根據(jù)流體力學(xué)的連續(xù)性方程v1A1=v2A2,，增大葉輪的滾筒半徑r使2r≥R可以減少水流通道的橫切總面積A2。假設(shè)A2 =πR2－πr2≤3πr2≤3A1/4,，那么v1≤3v2/4,。根據(jù)水頭損失計(jì)算公式可知：水流速度是以v2的形式在影響水頭損失。所以減少水輪機(jī)上下水道的流速,，可以大幅度減少水輪機(jī)上下水道的水頭損失,；當(dāng)然也可以有效地減少第一級(jí)固定葉輪在調(diào)整沖擊水流方向時(shí)帶來的彎道損失,。根據(jù)力矩的計(jì)算公式M＝FL，增大葉輪滾筒的半徑使2r≥R,，盡量把沖擊水流集中到葉輪的外圍來做功,，這種做法既可以增加葉輪的旋轉(zhuǎn)推力，同時(shí)也降低了葉輪內(nèi)部的彎道損失,。

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原來的單級(jí)水輪機(jī)是水流沿軸向沖擊葉片,，根據(jù)力的分解法則可知它產(chǎn)生的軸向壓力很大，帶來的無用功損失就比較多,。而我們發(fā)明的多級(jí)水輪機(jī)加入了固定整流葉輪之后,，就可以隨意地調(diào)節(jié)水流的沖擊方向，并且由固定葉輪來承擔(dān)大部分軸向壓力,，雖然也存在一些彎道損失,，但是卻可以減少許多無用功損失。為了提高旋轉(zhuǎn)葉輪的橫向推力,，我們可以把固定葉片的方向與旋轉(zhuǎn)葉片的方向進(jìn)行反向設(shè)置,；為了進(jìn)一步減少旋轉(zhuǎn)葉片的軸向壓力，我們可以讓固定葉片的軸向傾角大于旋轉(zhuǎn)葉片的軸向反傾角,，如“多級(jí)葉輪軸向示意圖”所示：∠a ＞∠b,。除此以外：為了減少?gòu)澋罁p失，在設(shè)置固定整流葉片時(shí)要盡量減小葉片與水流方向的夾角,；為了提高水輪機(jī)的工作效率,，在設(shè)置旋轉(zhuǎn)沖擊葉片時(shí)要盡量增大葉片與水流方向的夾角。

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不論固定葉輪調(diào)節(jié)水流方向還是旋轉(zhuǎn)葉輪回收水能,，主要都是依靠葉片來完成任務(wù)的,。如果葉片數(shù)量太少就不能有效地完成任務(wù)，如果葉片數(shù)量太多又會(huì)帶來更多的彎道損失,。根據(jù)我們的推測(cè)固定葉輪和旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片數(shù)量應(yīng)該相同,，一般在八個(gè)左右比較適宜。如果葉輪半徑比較大時(shí)也可以適當(dāng)增加葉片數(shù)量,，這樣既可以提高水能的轉(zhuǎn)化效率又可以延長(zhǎng)葉輪的使用壽命,。

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固定葉輪與旋轉(zhuǎn)葉輪的區(qū)別如“多級(jí)葉輪軸向示意圖”所示，主要是固定葉輪的葉片和旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片與水輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸所構(gòu)成的傾斜角方向相反,。這兩種葉輪在水輪機(jī)中的組合安裝方式如“多級(jí)節(jié)能水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖”所示，在第一級(jí)固定葉輪的前面和最后一級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪的后面各設(shè)一個(gè)整流罩來消除渦流阻力,，幾個(gè)固定葉輪和旋轉(zhuǎn)葉輪依次相間串聯(lián)在同一根轉(zhuǎn)動(dòng)軸上組成了水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力機(jī)構(gòu),。

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綜上所述,，這種軸流式水輪機(jī)的多級(jí)葉輪主要通過以下四條途徑來達(dá)到節(jié)能目的：一是增大葉輪滾筒的半徑使2r≥R來減少水流通道的橫切面積，通過降低水輪機(jī)上下水道的流速來減少?gòu)澋罁p失,；二是盡量把沖擊水流集中到葉輪的外圍來做功,，這種做法的好處是可以增加旋轉(zhuǎn)推力和降低葉輪內(nèi)部的彎道損失；三是通過增大固定葉片的傾斜角和減小旋轉(zhuǎn)葉片的傾斜角,，來減少旋轉(zhuǎn)葉輪的軸向壓力和增加旋轉(zhuǎn)葉輪的橫向推力,，從而有效地減少水輪機(jī)的無用功損失；四是適當(dāng)?shù)卦黾恿斯潭ㄈ~輪和旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片數(shù)量,，這樣做既可以提高水能的轉(zhuǎn)化效率又可以延長(zhǎng)葉輪的使用壽命,。通過這四條途徑充分地實(shí)現(xiàn)了水輪機(jī)的節(jié)能目標(biāo)，估計(jì)這種組合葉輪與現(xiàn)有的單一葉輪相比,，大約可以提高水能轉(zhuǎn)化效率10%左右,。由于這種水輪機(jī)的葉輪和葉片數(shù)量都比較多，所以它就能夠在水頭與負(fù)荷發(fā)生變化的條件下,，更好地保持水輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性,，從而大幅度地提高水輪機(jī)的平均效率。

三,、結(jié)束語

雖然我們提出了多級(jí)節(jié)能水輪機(jī)的一些基本工作原理和兩種葉輪的設(shè)計(jì)方案,，但是，還有很多細(xì)節(jié)問題必須通過試驗(yàn)或者是有限元分析來進(jìn)行探討,，才能夠找到最佳設(shè)計(jì)方案,。例如：在“多級(jí)葉輪的軸向示意圖”中∠a 和∠b的大小為多少時(shí)效果最好？?jī)煞N葉輪的搭配是多少個(gè)效果最好,？葉輪的高度H與半徑R的比例為多少時(shí)效果最佳,？等許多問題都不是我們?cè)谶@里所能夠解決的。還有這種水輪機(jī)的調(diào)速問題,，因?yàn)檫@種多級(jí)水輪機(jī)葉輪工作的穩(wěn)定性比較好,，所以，我們想改變一下現(xiàn)在大量使用的調(diào)節(jié)葉片角度的調(diào)速方法,，在水輪機(jī)的上水道安裝一個(gè)水頭損失最小的閥門,，通過控制上水道的流量來控制葉輪的水頭壓力，從而進(jìn)一步控制水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速,。如果這個(gè)方案可行,，那就會(huì)使調(diào)速方式變得非常簡(jiǎn)單。

任何產(chǎn)品的成熟都需要一個(gè)發(fā)展過程,，例如：飛機(jī)才發(fā)明出來的時(shí)候,，大家的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)也就是能夠飛上天不掉下來的就是好飛機(jī)了，現(xiàn)在的飛機(jī)速度已經(jīng)達(dá)到了幾倍音速,，在飛機(jī)才問世的時(shí)候誰會(huì)想到有這樣的結(jié)果呢,？所以,，許多產(chǎn)品的發(fā)展和完善都是在大量的制造和使用的實(shí)踐過程中，不斷地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的結(jié)果,，而不是一開始就能夠做到盡善盡美的,。因此，希望廣大的水輪機(jī)技術(shù)工程師們積極投入到這種新型水輪機(jī)研制工作中來,，在制造和使用的過程中不斷地發(fā)展和完善這種新型水輪機(jī),。因?yàn)閺乃�輪機(jī)的工作原理來看，這種多級(jí)水輪機(jī)集中了沖擊式和軸流式水輪機(jī)的優(yōu)點(diǎn),，是一種很有發(fā)展前途的新型水輪機(jī),。

梁思武
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這個(gè)有點(diǎn)高級(jí)哦，看不懂的

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一,、 現(xiàn)有單級(jí)葉輪的局限性

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目前公知的水輪機(jī)基本上都是由單級(jí)葉輪構(gòu)成的,，其葉輪結(jié)構(gòu)如圖“軸流式水輪機(jī)葉輪”所示。這種葉輪的葉片軸向傾角大,、滾筒半徑小和葉片數(shù)量少,，存在的問題是軸向壓力大和彎道損失多等等，用于單級(jí)葉輪水輪機(jī)還是可以勝任的,。但是,，用于我們發(fā)明的多級(jí)葉輪水輪機(jī)（參考文獻(xiàn)資料：多級(jí)節(jié)能水輪機(jī)，專利號(hào)：ZL200820009346.8）就會(huì)出現(xiàn)許多問題,，不但達(dá)不到節(jié)能的目的,，反而還有可能出現(xiàn)浪費(fèi)能量的現(xiàn)象。所以,，必須重新設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)葉輪和固定葉輪的結(jié)構(gòu),，才能達(dá)到節(jié)約水能之目的。

二,、新型多級(jí)葉輪的設(shè)計(jì)原理

  

我們?cè)O(shè)計(jì)的新型葉輪如“多級(jí)水輪機(jī)葉輪示意圖”所示,，根據(jù)流體力學(xué)的連續(xù)性方程v1A1=v2A2，增大葉輪的滾筒半徑r使2r≥R可以減少水流通道的橫切總面積A2,。假設(shè)A2 =πR2－πr2≤3πr2≤3A1/4,，那么v1≤3v2/4。根據(jù)水頭損失計(jì)算公式可知：水流速度是以v2的形式在影響水頭損失,。所以減少水輪機(jī)上下水道的流速,，可以大幅度減少水輪機(jī)上下水道的水頭損失；當(dāng)然也可以有效地減少第一級(jí)固定葉輪在調(diào)整沖擊水流方向時(shí)帶來的彎道損失,。根據(jù)力矩的計(jì)算公式M＝FL,，增大葉輪滾筒的半徑使2r≥R，盡量把沖擊水流集中到葉輪的外圍來做功，這種做法既可以增加葉輪的旋轉(zhuǎn)推力,，同時(shí)也降低了葉輪內(nèi)部的彎道損失。

原來的單級(jí)水輪機(jī)是水流沿軸向沖擊葉片,，根據(jù)力的分解法則可知它產(chǎn)生的軸向壓力很大,，帶來的無用功損失就比較多。而我們發(fā)明的多級(jí)水輪機(jī)加入了固定整流葉輪之后,，就可以隨意地調(diào)節(jié)水流的沖擊方向,，并且由固定葉輪來承擔(dān)大部分軸向壓力，雖然也存在一些彎道損失,，但是卻可以減少許多無用功損失,。為了提高旋轉(zhuǎn)葉輪的橫向推力，我們可以把固定葉片的方向與旋轉(zhuǎn)葉片的方向進(jìn)行反向設(shè)置,；為了進(jìn)一步減少旋轉(zhuǎn)葉片的軸向壓力,，我們可以讓固定葉片的軸向傾角大于旋轉(zhuǎn)葉片的軸向反傾角，如“多級(jí)葉輪軸向示意圖”所示：∠a ＞∠b,。除此以外：為了減少?gòu)澋罁p失,，在設(shè)置固定整流葉片時(shí)要盡量減小葉片與水流方向的夾角；為了提高水輪機(jī)的工作效率,，在設(shè)置旋轉(zhuǎn)沖擊葉片時(shí)要盡量增大葉片與水流方向的夾角,。

   

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不論固定葉輪調(diào)節(jié)水流方向還是旋轉(zhuǎn)葉輪回收水能，主要都是依靠葉片來完成任務(wù)的,。如果葉片數(shù)量太少就不能有效地完成任務(wù),，如果葉片數(shù)量太多又會(huì)帶來更多的彎道損失。根據(jù)我們的推測(cè)固定葉輪和旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片數(shù)量應(yīng)該相同,，一般在八個(gè)左右比較適宜,。如果葉輪半徑比較大時(shí)也可以適當(dāng)增加葉片數(shù)量，這樣既可以提高水能的轉(zhuǎn)化效率又可以延長(zhǎng)葉輪的使用壽命,。

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固定葉輪與旋轉(zhuǎn)葉輪的區(qū)別如“多級(jí)葉輪軸向示意圖”所示,，主要是固定葉輪的葉片和旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片與水輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸所構(gòu)成的傾斜角方向相反。這兩種葉輪在水輪機(jī)中的組合安裝方式如“多級(jí)節(jié)能水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖”所示,，在第一級(jí)固定葉輪的前面和最后一級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪的后面各設(shè)一個(gè)整流罩來消除渦流阻力,，幾個(gè)固定葉輪和旋轉(zhuǎn)葉輪依次相間串聯(lián)在同一根轉(zhuǎn)動(dòng)軸上組成了水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力機(jī)構(gòu)。

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多級(jí)節(jié)能水輪機(jī)模型  

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