[发明专利]一种切击式水轮机转轮

说明书

技术领域

本发明使用水利水电机械设计制造领域，尤其属于冲击式水轮机设计制造领域，特别涉及冲击式水轮机中切击式水轮机转轮的设计制造。

背景技术

冲击式水轮机中切击式水轮机具有结构简单、适用水头高、安装高程不受空蚀条件限制、对流量变化不敏感等优点，在河川上游、山区等水头高、流量小的水力资源开发中得到了广泛的应用，其单机出力、使用水头在不断地增大。

近几年，新的切击式水轮机的效率和出力不断提高，应用的水头也大大增加，水斗根部的工作应力明显增加，使其安全系数降低。与反击式水轮机转轮相比，冲击式水轮机的水斗是在变负荷下工作的，水斗每受到一次射流的冲击都相当于经受了一次应力循环，其水斗根部在各工况运转时受到一种非对称的交变脉动应力作用。另外水斗根部形状复杂、空间狭小，厚度变化大，容易产生应力集中和材料缺陷，且缺陷不易彻底清除，使得切击式水轮机的疲劳破坏主要发生在转轮水斗的根部，并迅速向内部扩展，造成重大破坏事故。

近年来已有学者进行了冲击式水轮机转轮整体锻造后数控加工，保证水斗的型线和尺寸公差，保证其水力性能，防止断斗现象，延长转轮的使用寿命；采用CFD法对多喷嘴冲击式水轮机转轮进行流场分析和射流干涉研究；采用Ansys软件对水斗应力和振形研究，获得了水斗的应力分布以及最高应力值点在刃口处的结论。

对切击式水轮机而言，转轮的主要破坏是空蚀和疲劳裂纹引起的。空蚀引起振动和噪声，迫使机组频繁大修，大大降低了转轮的效率和出力；疲劳裂纹往往出现在转轮斗叶根部，为弥补斗叶根部强度不足，新的设计技术、材料和工艺不断应用于冲击式转轮的设计和制造，如何在保障转轮性能指标的前提下，结合转轮斗叶根部的强度要求，准确预测转轮应力分布，有针对性地优化转轮斗叶根部型线和结构，建立准确的转轮三维模型，使水斗完全达到数控加工的目的，已经成为当前切击式水轮机转轮的设计、制造急需解决的问题。

通常的切击式水轮机转轮斗叶的结构参数为：斗叶的径向长度L=(2.4-2.9)d₀，斗叶的宽度B=(2.6-3.1)d₀，深度T=(0.9-1.1)d₀，d₀为射流直径。1957年捷克斯洛伐克ARTIA Prague出版社出版的MIROSLAV NECHLEBA 博士的《水轮机设计及设备》等文献研究了水轮机转轮结构参数的关系，水轮机转轮各结构参数是与射流直径相关的。

在切击式水轮机转轮设计中，基于强度分析的结果，进一步优化转轮斗叶根部水力型线，改善部分射流射到斗叶根部的流态，解决喷嘴数、射流、转轮内部流动之间的流动干涉问题，完成转轮斗叶型线的优化设计，保证冲击式水轮机转轮的强度和水力性能，使得设计的机组运行更加稳定，效率得以提高也是转轮设计一直不断努力探索的问题。

发明内容

本发明根据现有技术的不足公开了一种切击式水轮机转轮结构。本发明要解决的问题是在综合水轮机转轮强度、效率、适应性等要求基础上提供一种根据不同射流情况设计的切击式水轮机转轮结构。

本发明通过以下技术方案实现：

一种切击式水轮机转轮，包括转轮轴和均匀设置在转轮轴圆周上的斗叶，其特征是：

所述转轮轴圆周上的斗叶数Z是：

其中，k_u为圆周速度系数，为射流速度系数，r为转轮名义半径，R为转轮缺口所在半径，d₀为射流直径；圆周速度系数在设计中通过公式计算或查阅有关曲线获得。

所述斗叶的径向长度L=(2.2-2.5)d₀；

所述斗叶的宽度B=(2.8-3.2)d₀；

所述斗叶的深度T=(0.95-1.15)d₀；

所述斗叶的根部厚度X=(0.5-0.8)B。

所述斗叶径向长度L与常规的切击式水轮机转轮的斗叶径向长度比较减少10%-15%；和，斗叶宽度B与常规的切击式水轮机转轮的斗叶宽度比较增加9%-11%；和，斗叶深度T与常规的切击式水轮机转轮的斗叶深度比较增加4%-6%。

优选所述斗叶宽度B与常规的切击式水轮机转轮的斗叶宽度比较增加10%；和，斗叶深度T与常规的切击式水轮机转轮的斗叶深度比较增加5%。