一种螺旋式水轮机

1.本发明属于水力发电技术领域，具体涉及一种螺旋式水轮机。


背景技术：

2.水电开发导致的珍稀鱼类生活环境破坏是近几年来约束水电发展的关键因素之一，受该因素的影响，很多水电站的规划都被迫取消，因此鱼类友好型水轮机成为突破水电发展瓶颈的一个发展方向。
3.目前，鱼类友好型水轮机的研究主要集中在鱼类过机损伤机理分析及鱼友好新型水轮机设计两个方面。鱼类友好型机组的研发是鱼类损伤机理研究的最终目标，但目前缺乏突破性的进展，类似奥尔登水轮机等机型都是鱼类友好型水轮机理念提出不久后的产物。
4.作为经典的鱼友好型水轮机，奥尔登水轮机转轮采用螺旋型三叶片结构来降低机组内部压力和速度梯度，同时，机组在设计上尽可能使转轮和底环之间的间隙最小化，以减小鱼类撞击损伤。但叶片数过度减少后引发的问题是其尾水处存在大量漩涡，仍会导致鱼类在通过尾水管时被绕晕，致使其到下游后易被其他鱼类或鸟类捕食。
5.此外，传统水轮机不能安全地通过沉积物或较大的物体，如生物体，特别是鱼类。因此，我们仍然可以看到目前正在安装和运行中的长达30米的螺旋式水轮机。但是，与此同时，这种结构会受到很多技术上的限制，如长轴的弯曲，轴承的负荷大等。例如，在low wood水电站中，采用了两个19米长的螺旋式水轮机，总重量达到了40吨，但是只有进出口附近两个支撑点，这对工程中是一个重大的挑战。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种螺旋式水轮机，将螺旋转轮置于圆筒形的水槽内，且增大叶片间的空间，能有效避免鱼类经过水轮机时容易遭受以机械撞击、压力变化为诱因的损伤。
7.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
8.本发明提供一种螺旋式水轮机，包括：螺旋转轮、圆筒槽和发电机；
9.所述螺旋转轮包括螺杆以及垂直缠绕在所述螺杆上的螺旋叶片；
10.所述螺旋转轮置于所述圆筒槽内，所述螺旋转轮两端通过轴承支撑固定，所述螺旋叶片外缘与所述圆筒槽内壁面留有间隙；
11.所述螺杆的上端与所述发电机相连。
12.进一步的，所述螺旋叶片有3个，各螺旋叶片在轴向均匀分布。
13.进一步的，所述螺旋叶片具有相同的螺距。
14.进一步的，所述螺旋叶片和所述圆筒槽等长，所述螺杆与所述螺旋叶片有长度差，所述螺杆上端远离入流水面。
15.进一步的，所述圆筒槽为环绕所述螺旋转轮的圆管或者围绕所述螺旋转轮下半部
的半圆管。
16.进一步的，所述螺旋转轮的入口处设粗格栅。
17.进一步的，所述螺旋叶片的前缘安装橡胶缓冲器。
18.进一步的，所述螺杆长度按以下方式设计：
19.l＝h/sinβ；
20.其中，l表示螺杆长度，h为水力水头，β为安装倾斜角，所述安装倾斜角为所述螺杆与水面之间的锐角。
21.进一步的，所述螺旋转轮的外径按以下方式设计：
22.do＝1.8(hq)
0.232
；
23.其中，do为螺旋转轮的外径，h为水力水头，q为水流量。
24.进一步的，所述螺旋叶片的螺距按以下方式设计：
25.根据下式计算螺旋叶片的螺距与螺旋转轮的外径之比：
[0026][0027]
其中，σ为螺旋叶片的螺距与螺旋转轮的外径之比，β为安装倾斜角；
[0028]
根据计算得到的σ以及螺旋转轮的外径，计算得到螺旋叶片的螺距。
[0029]
本发明采取以上技术方案，具有以下优点：
[0030]
(1)本发明提供一种螺旋式水轮机，生态与环境友好，在保证效率的同时设计叶片间的空间尽可能大，鱼类直接就能够安全地通过，不论顺流还是逆流鱼类可以正常的洄游，从而保证了上下游鱼类生物的繁衍生息，同时也不会影响到河流排洪、灌溉的作用。
[0031]
(2)本发明的螺旋式水轮机，适应超低水头和流量不稳定，在超低水头情况下，转化能量的效率高于传统的反击式或冲击式转轮，即使在水头接近0时，它也最易保持高效。
[0032]
(3)本发明没有复杂的转轮和导叶，投资成本低。此外，可以顺利通过漂浮的杂物，不需要定期清理，这样也可以节省人力和清理设备的成本。另外，敞开的圆筒槽结构也便于维修。
附图说明
[0033]
图1为本发明提供的一种螺旋式水轮机结构示意图；
[0034]
图2为本发明提供的一种螺旋式水轮机中螺旋转轮示意图；
[0035]
图3为本发明提供的一种螺旋式水轮机中圆筒槽示意图。
具体实施方式
[0036]
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0037]
本发明提供一种螺旋式水轮机，参见图1，包括螺旋转轮1、圆筒槽2和发电机。
[0038]
参见图2，螺旋转轮1由螺杆5以及垂直缠绕在螺杆上的螺旋叶片4构成。
[0039]
需要说明的是，每一个螺旋叶片都有相同的螺距，螺旋叶片在螺杆轴向均匀分布，叶片之间的间隔取决于叶片数量，螺旋叶片的总长是轴线方向上起点到终点的距离。
[0040]
螺旋转轮置于圆筒槽2内，螺旋转轮两端用轴承支撑固定，螺旋叶片4外缘与圆筒槽2内壁面保留一定的间隙。
[0041]
螺杆5的上端与发电机相连。
[0042]
需要说明的是，螺旋叶片和圆筒槽等长，螺杆与两者有长度差，以使螺旋转轮上端零部件远离入流水面3。另外，螺旋转轮下端轴承选用水润滑轴承，不需润滑油和密封，既环保又减少维护成本。
[0043]
作为一种优选的实施方式，圆筒槽为环绕螺旋转轮的圆管。
[0044]
作为一种优选的实施方式，圆筒槽为围绕螺旋转轮下半部分的半圆管，如图3所示。
[0045]
作为一种优选的实施方式，螺旋转轮的入口处放置粗格栅。
[0046]
作为一种优选的实施方式，每一个螺旋叶片前缘安装橡胶缓冲器，防止较大的鱼进入而受到伤害。
[0047]
本发明的螺旋式水轮机参数设计如下：
[0048]
螺旋式水轮机参数可分为外部参数和内部参数，其中，外部参数包括外径do、螺杆长度l和安装倾斜角β；内部参数包括内径di、叶片数n和螺距s。安装倾斜角为螺杆与水面之间的锐角。
[0049]
本发明中，设计叶片数为3。
[0050]
本发明中，设计安装倾斜角β＝22
°
，水流从圆筒槽上端进入并驱动螺旋叶片，从而带动螺杆和发电机旋转而发电。
[0051]
水头h是螺杆的上游zu和下游z
l
相对于同一基准面的高度之差，其计算为：
[0052]
h＝z
u-z
l
；
[0053]
基于此，设计螺杆长度l如下：
[0054]
l＝h/sinβ。
[0055]
需要说明的是，安装倾斜角根据经验选择。
[0056]
可用的水力功率计算如下：
[0057]
ph＝γhq；
[0058]
其中，ph表示可用的水力功率，γ为水的比重，h为可用的水力水头，q为水流量。
[0059]
螺旋式水轮机的效率取决于许多变量，包括但不限于机组的设计、安装、运行条件、填料高度以及转速等。
[0060]
目前，螺旋式水轮机的效率大概在60％到80％之间，具体描述为：
[0061]
p＝ηγhq；
[0062]
其中，p为螺旋式水轮机效率。
[0063]
采用优化算法对η进行系数优化，表明η＝0.736时，结果与案例结果一致。
[0064]
通过比较理论上可用的功率ph和螺旋式水轮机的外径，获得了可用功率与外径的关系式为：
[0065]do
＝1.8(hq)
0.232
。
[0066]
基于此，设计螺旋转轮外径。
[0067]
螺距与外径之比σ不仅与叶片数量直接相关，而且与安装倾斜角β有关，定义如下：
[0068][0069]
基于此，再根据外径，设计叶片螺距。
[0070]
螺旋式水泵最大推荐转速ωm，计算公式如下：
[0071][0072]
本发明的一个实施例中，选择水头h为2.50m，流量为1.5m3/s的水文条件，设计螺旋式水轮机参数为：外径为2.0m，螺杆长度为6m，安装倾斜角为22
°
，内径为0.4m，叶片数为3，螺距为1m。
[0073]
测出轴功率为24.3kw，效率约为75.6％，与国外目前大多数螺旋式水轮机运行参数相符。该设备在拥有相同的水轮机发电效率的同时，还可以有效保护水生生物。
[0074]
本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
[0075]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种螺旋式水轮机，其特征在于，包括：螺旋转轮、圆筒槽和发电机；所述螺旋转轮包括螺杆以及垂直缠绕在所述螺杆上的螺旋叶片；所述螺旋转轮置于所述圆筒槽内，所述螺旋转轮两端通过轴承支撑固定，所述螺旋叶片外缘与所述圆筒槽内壁面留有间隙；所述螺杆的上端与所述发电机相连。2.根据权利要求1所述的一种螺旋式水轮机，其特征在于，所述螺旋叶片有3个，各螺旋叶片在轴向均匀分布。3.根据权利要求2所述的一种螺旋式水轮机，其特征在于，所述螺旋叶片具有相同的螺距。4.根据权利要求1所述的一种螺旋式水轮机，其特征在于，所述螺旋叶片和所述圆筒槽等长，所述螺杆与所述螺旋叶片有长度差，所述螺杆上端远离入流水面。5.根据权利要求1所述的一种螺旋式水轮机，其特征在于，所述圆筒槽为环绕所述螺旋转轮的圆管或者围绕所述螺旋转轮下半部的半圆管。6.根据权利要求1所述的一种螺旋式水轮机，其特征在于，所述螺旋转轮的入口处设粗格栅。7.根据权利要求1所述的一种螺旋式水轮机，其特征在于，所述螺旋叶片的前缘安装橡胶缓冲器。8.根据权利要求1所述的一种螺旋式水轮机，其特征在于，所述螺杆长度按以下方式设计：l＝h/sinβ；其中，l表示螺杆长度，h为水力水头，β为安装倾斜角，所述安装倾斜角为所述螺杆与水面之间的锐角。9.根据权利要求1所述的一种螺旋式水轮机，其特征在于，所述螺旋转轮的外径按以下方式设计：d
o
＝1.8(hq)
0.232
；其中，d
o
为螺旋转轮的外径，h为水力水头，q为水流量。10.根据权利要求1所述的一种螺旋式水轮机，其特征在于，所述螺旋叶片的螺距按以下方式设计：根据下式计算螺旋叶片的螺距与螺旋转轮的外径之比：其中，σ为螺旋叶片的螺距与螺旋转轮的外径之比，β为安装倾斜角；根据计算得到的σ以及螺旋转轮的外径，计算得到螺旋叶片的螺距。

技术总结
本发明公开了一种螺旋式水轮机，包括螺旋转轮、圆筒槽和发电机。其中，螺旋转轮由螺杆以及垂直缠绕在杆上的螺旋叶片构成，螺旋叶片在圆周上均匀分布；螺旋转轮置于圆筒槽中，螺旋转轮两端用轴承支撑固定，使得螺旋叶片外缘与圆筒槽内壁面保留一定的间隙。本发明的螺旋式水轮机在拥有与传统水轮机相同发电效率的同时，还可以有效保护水生生物。还可以有效保护水生生物。还可以有效保护水生生物。


技术研发人员：叶长亮 陈一凯 李胜波 任一凡 周慧 顾岷瑞
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/8/21