求助：多級水輪機(jī)的葉輪設(shè)計分析

水上超人

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摘要： 一種多級軸流式水輪機(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彎道損失，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，還可以制造多級汽輪機(jī)及其它流體動力機(jī)械的葉輪。
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一、 現(xiàn)有單級葉輪的局限性

   
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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)明的多級葉輪水輪機(jī)（參考文獻(xiàn)資料：多級節(jié)能水輪機(jī)，專利號：ZL200820009346.8）就會出現(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)浪費能量的現(xiàn)象。所以，必須重新設(shè)計旋轉(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、新型多級葉輪的設(shè)計原理

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我們設(shè)計的新型葉輪如“多級水輪機(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固定葉輪在調(diào)整沖擊水流方向時帶來的彎道損失。根據(jù)力矩的計算公式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，同時也降低了葉輪內(nèi)部的彎道損失。

原來的單級水輪機(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“多級葉輪軸向示意圖”所示：∠a ＞∠b。除此以外：為了減少彎道損失，在設(shè)置固定整流葉片時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)量太多又會帶來更多的彎道損失。根據(jù)我們的推測固定葉輪和旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片數(shù)量應(yīng)該相同，一般在八個左右比較適宜。如果葉輪半徑比較大時也可以適當(dāng)增加葉片數(shù)量，這樣既可以提高水能的轉(zhuǎn)化效率又可以延長葉輪的使用壽命。

固定葉輪與旋轉(zhuǎn)葉輪的區(qū)別如“多級葉輪軸向示意圖”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“多級節(jié)能水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖”所示，在第一級固定葉輪的前面和最后一級旋轉(zhuǎn)葉輪的后面各設(shè)一個整流罩來消除渦流阻力，幾個固定葉輪和旋轉(zhuǎn)葉輪依次相間串聯(lián)在同一根轉(zhuǎn)動軸上組成了水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)動力機(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彎道損失；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)化效率又可以延長葉輪的使用壽命。通過這四條途徑充分地實現(xiàn)了水輪機(jī)的節(jié)能目標(biāo)，估計這種組合葉輪與現(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)計方案，但是，還有很多細(xì)節(jié)問題必須通過試驗或者是有限元分析來進(jìn)行探討，才能夠找到最佳設(shè)計方案。例如：在“多級葉輪的軸向示意圖”中∠a 和∠b的大小為多少時效果最好？兩種葉輪的搭配是多少個效果最好？葉輪的高度H與半徑R的比例為多少時效果最佳？等許多問題都不是我們在這里所能夠解決的。還有這種水輪機(jī)的調(diào)速問題，因為這種多級水輪機(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。如果這個方案可行，那就會使調(diào)速方式變得非常簡單。

任何產(chǎn)品的成熟都需要一個發(fā)展過程，例如：飛機(jī)才發(fā)明出來的時候，大家的評判標(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)才問世的時候誰會想到有這樣的結(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)。因為從水輪機(jī)的工作原理來看，這種多級水輪機(jī)集中了沖擊式和軸流式水輪機(jī)的優(yōu)點，是一種很有發(fā)展前途的新型水輪機(jī)。

梁思武
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honger559312

這個有點高級哦，看不懂的

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一、 現(xiàn)有單級葉輪的局限性

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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)明的多級葉輪水輪機(jī)（參考文獻(xiàn)資料：多級節(jié)能水輪機(jī)，專利號：ZL200820009346.8）就會出現(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)浪費能量的現(xiàn)象。所以，必須重新設(shè)計旋轉(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、新型多級葉輪的設(shè)計原理

  

我們設(shè)計的新型葉輪如“多級水輪機(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固定葉輪在調(diào)整沖擊水流方向時帶來的彎道損失。根據(jù)力矩的計算公式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，同時也降低了葉輪內(nèi)部的彎道損失。

原來的單級水輪機(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“多級葉輪軸向示意圖”所示：∠a ＞∠b。除此以外：為了減少彎道損失，在設(shè)置固定整流葉片時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)量太多又會帶來更多的彎道損失。根據(jù)我們的推測固定葉輪和旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片數(shù)量應(yīng)該相同，一般在八個左右比較適宜。如果葉輪半徑比較大時也可以適當(dāng)增加葉片數(shù)量，這樣既可以提高水能的轉(zhuǎn)化效率又可以延長葉輪的使用壽命。

固定葉輪與旋轉(zhuǎn)葉輪的區(qū)別如“多級葉輪軸向示意圖”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“多級節(jié)能水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖”所示，在第一級固定葉輪的前面和最后一級旋轉(zhuǎn)葉輪的后面各設(shè)一個整流罩來消除渦流阻力，幾個固定葉輪和旋轉(zhuǎn)葉輪依次相間串聯(lián)在同一根轉(zhuǎn)動軸上組成了水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)動力機(jī)構(gòu)。

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