一种带双进口式蜗壳的低水头大流量混流式水轮机
阅读说明：本技术 一种带双进口式蜗壳的低水头大流量混流式水轮机 (Low-water-head large-flow mixed-flow water turbine with double-inlet volute ) 是由 阚阚 陈雅楠 陈会向 周大庆 郑源 莫旭颖 张海晟 于 2020-05-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种带双进口式蜗壳的低水头大流量混流式水轮机,所述双进口式蜗壳内侧环形开口处设置有连接座环,连接座环的外周边设有一圈固定导叶,连接座环的内周边设有一圈活动导叶；连接座环内环处套设有转轮,连接座环下方与尾水管前端相连接；所述双进口式蜗壳、连接座环、转轮和尾水管的中心在同一竖直轴线上。本发明通过两个进水口直接连接进水管道实现了双向进水,提高了蜗壳中圆周方向上水流的均匀性,增强了水流在圆周方向上的速度分量,进而有效增大来流的水流环量,改善进入导水机构的水流条件,减小导水机构的水力损失,使得水轮机具有良好的水力性能和运行效率。(The invention discloses a low-water-head large-flow mixed-flow water turbine with a double-inlet volute, wherein a connecting seat ring is arranged at an annular opening at the inner side of the double-inlet volute, a circle of fixed guide vanes are arranged on the outer periphery of the connecting seat ring, and a circle of movable guide vanes are arranged on the inner periphery of the connecting seat ring; a rotating wheel is sleeved at the inner ring of the connecting seat ring, and the lower part of the connecting seat ring is connected with the front end of the draft tube; the centers of the double-inlet volute, the connecting seat ring, the rotating wheel and the draft tube are on the same vertical axis. The invention realizes bidirectional water inlet by directly connecting the two water inlets with the water inlet pipeline, improves the uniformity of water flow in the volute in the circumferential direction, enhances the velocity component of the water flow in the circumferential direction, further effectively increases the water flow circulation quantity of incoming flow, improves the water flow condition entering the water distributor, reduces the hydraulic loss of the water distributor, and ensures that the water turbine has good hydraulic performance and operation efficiency.)
技术领域
本发明涉及一种带双进口式蜗壳的低水头大流量混流式水轮机，属于水轮机技术领域。
背景技术
混流式水轮机是目前应用最广泛的一种水轮机，其主要组成部件有引水室、座环、导水机构、转轮和尾水管。蜗壳作为水轮机的引水部件，从水力观点上看，其作用是使水流形成环量，以保证水流能以较小的冲角进入座环和活动导叶，减小导水机构的水力损失。
现有技术中一种水轮机通过将蜗壳蜗状结构段的所有断面均设置为椭圆形，有效增大转轮直径，以增大机组出力。但其仅改变了蜗壳断面形状，并未对进水条件作优化。
另外，现有蜗壳均为单向进水口设计，蜗状结构段的断面逐渐减小以在导水机构前形成必要的环量。水流经由蜗壳进口断面至鼻端断面时，水流的切向分速度变化受断面尺寸影响较大，并不能理想地形成轴对称有势流动。因此，如何克服现有技术的不足已成为当今混流式水轮机技术领域中亟待解决的重点难题之一。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种带双进口式蜗壳的低水头大流量混流式水轮机。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种带双进口式蜗壳的低水头大流量混流式水轮机，包括：双进口式蜗壳，所述双进口式蜗壳内侧环形开口处设置有连接座环，连接座环的外周边设有一圈固定导叶，连接座环的内周边设有一圈活动导叶；连接座环内环处套设有转轮，连接座环下方与尾水管前端相连接；所述双进口式蜗壳、连接座环、转轮和尾水管的中心在同一竖直轴线上。
作为优选方案，所述双进口蜗壳包括蜗状结构段和两个鼻端直管段，所述蜗状结构段圆周方向中心对称设置有两个鼻端直管段。
作为优选方案，所述蜗状结构段的内侧侧壁上设有环形开口，环形开口与连接座环外环边缘相连接，连接座环包括：上环、下环，上环与下环之间的外周边等间隔的设置有一圈固定导叶，上环与下环之间的内周边等间隔的通过转轴设置有可转动的活动导叶。
作为优选方案，所述蜗状结构段的截面均为椭圆形断面，椭圆形断面长半轴与短半轴长度之比为1.05～1.5：1。
作为优选方案，所述尾水管的出口扩散段设有中间支墩，中间支墩末端连接有两个对称的出水口。
作为优选方案，所述转轮采用混流式转轮。
作为优选方案，所述混流式转轮，包括上冠、下环部、叶片和泄水锥，所述上冠下方等间隔排列有一圈叶片，一圈叶片外围设置有下环部，一圈叶片中间设置有泄水锥。
作为优选方案，所述叶片设置为X型非等厚扭曲叶片，叶片的正面与反面从上至下由不同曲率的曲面平滑连接，叶片正面与反面从上至下的曲面的截面翼型曲线设置如下：
距离上冠水平轴向300mm处，叶片正面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝2.64542×10-10x4-1.46958×10-6x3+0.00291x2-2.86756x+2380.0741
叶片反面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝3.75432×10-10x4-2.03994×10-6x3+0.00402x2-4.02082x+2866.72951；
距离上冠水平轴向750mm处，叶片正面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝2.19996×10-10x4-1.14415×10-6x3+0.00207x2-1.99463x+2107.88992
叶片反面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝3.92333×10-10x4-2.15426×10-6x3+0.00429x2-4.31712x+3032.534；
距离上冠水平轴向1200mm处，叶片正面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝3.1883×10-10x4-1.95839×10-6x3+0.00435x2-4.63901x+3253.58373
叶片反面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝3.31328×10-10x4-1.90604×10-6x3+0.004x2-4.26041x+3157.20165；
距离上冠水平轴向1400mm处，叶片正面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝2.21968×10-10x4-1.3492×10-6x3+0.00291x2-3.09251x+2688.1943
叶片反面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝1.14959×10-10x4-4.60183×10-7x3+3.92233×10-4x2-0.28833x+1608.07575；
距离上冠水平轴向1650mm处，叶片正面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝2.59866×10-10x4-1.53705×10-6x3+0.0032x2-3.19056x+2751.57044
叶片反面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝7.98552×10-11x4-1.59138×10-7x3-6.0409×10-4x2+1.15208x+989.48737；
距离上冠水平轴向2150mm处，叶片正面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝1.00637×10-9x4-5.85871×10-6x3+0.01262x2-12.20288x+6233.86489
叶片反面的曲面的截面翼型曲线公式如下：
y＝5.62468×10-10x4-3.30975×10-6x3+0.00715x2-7.17544x+4599.23406。
有益效果：本发明提供的一种带双进口式蜗壳的低水头大流量混流式水轮机，通过两个进水口直接连接进水管道实现了双向进水，提高了蜗壳中圆周方向上水流的均匀性，增强了水流在圆周方向上的速度分量，进而有效增大来流的水流环量，改善进入导水机构的水流条件，减小导水机构的水力损失，使得水轮机具有良好的水力性能和运行效率。
附图说明
图1是本发明提出的一种带双进口式蜗壳的低水头大流量混流式水轮机的结构示意图。
图2是本发明提出的双进口式蜗壳结构示意图。
图3是本发明提出的连接座环剖面示意图。
图4是本发明提出的转轮结构示意图。
图5是本发明提出的叶片结构示意图。
图6是本发明提出的叶片上距转轮上冠不同水平轴向距离处的翼型曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明提出的一种带双进口式蜗壳的低水头大流量混流式水轮机，按进水方向依次包括双进口式蜗壳1、固定导叶2、活动导叶3、转轮4和尾水管5，双进口式蜗壳内侧环形开口处设置有连接座环6，连接座环6的外周边设有一圈固定导叶2，连接座环6的内周边设有一圈活动导叶3；连接座环6内环处套设有转轮4，连接座环6下方与尾水管5前端相连接；所述双进口式蜗壳1、连接座环6、转轮4和尾水管5的中心在同一竖直轴线上。
如图2所示，所述双进口蜗壳1包括蜗状结构段101和两个鼻端直管段102，所述蜗状结构段101圆周方向中心对称设置有两个鼻端直管段102。
如图3所示，蜗状结构段101的内侧侧壁上设有环形开口，环形开口与连接座环6外环边缘相连接，连接座环6包括：上环601、下环602，上环与下环之间的外周边等间隔的设置有一圈固定导叶2，上环与下环之间的内周边等间隔的通过转轴设置有可转动的活动导叶3。
所述蜗状结构段6的进口截面均为椭圆形断面，长半轴与短半轴长度之比为1.05～1.5：1。两个鼻端直管段7直接连通进水管道。
所述尾水管5的出口扩散段设有中间支墩，中间支墩末端连接有两个对称的出水口。
如图4所示，所述转轮4采用混流式转轮，包括上冠401、下环部402、叶片403和泄水锥404，所述上冠401下方等间隔排列有一圈叶片403，一圈叶片403外围设置有下环部402，一圈叶片403中间设置有泄水锥404。
实施例1：
所述固定导叶2数量设置为15-20个。所述活动导叶3数量设置为20-30个。
如图5所示，所述转轮4中叶片403数量为14～19个。所述叶片403设置为X型非等厚扭曲叶片，叶片403的正面与反面从上至下由不同曲率的曲面平滑连接，靠近上冠处翼型为负曲率，有助于消除叶片正面的横流。
如图6所示，叶片403正面与反面从上至下的曲面的截面翼型曲线如下：
距离上冠水平轴向300mm处，叶片403正面与反面截面翼型曲线上的点坐标的数值参见表1。
表1
拟合的两条曲线分别表示为：
叶片正面：
y＝2.64542×10-10x4-1.46958×10-6x3+0.00291x2-2.86756x+2380.0741
叶片反面：
y＝3.75432×10-10x4-2.03994×10-6x3+0.00402x2-4.02082x+2866.72951
距离上冠水平轴向750mm处，叶片403正面与反面截面翼型曲线上的点坐标的数值参见表2。
表2
拟合的两条曲线分别表示为：
叶片正面：
y＝2.19996×10-10x4-1.14415×10-6x3+0.00207x2-1.99463x+2107.88992
叶片反面：
y＝3.92333×10-10x4-2.15426×10-6x3+0.00429x2-4.31712x+3032.534
距离上冠水平轴向1200mm处，叶片403正面与反面截面翼型曲线上的点坐标的数值参见表3。
表3
拟合的两条曲线分别表示为：
叶片正面：
y＝3.1883×10-10x4-1.95839×10-6x3+0.00435x2-4.63901x+3253.58373
叶片背面：
y＝3.31328×10-10x4-1.90604×10-6x3+0.004x2-4.26041x+3157.20165
距离上冠水平轴向1400mm处，叶片403正面与反面截面翼型曲线上的点坐标的数值参见表4。
表4
拟合的两条曲线分别表示为：
叶片正面：
y＝2.21968×10-10x4-1.3492×10-6x3+0.00291x2-3.09251x+2688.1943
叶片反面：
y＝1.14959×10-10x4-4.60183×10-7x3+3.92233×10-4x2-0.28833x+1608.07575
距离上冠水平轴向1650mm处，叶片403正面与反面截面翼型曲线上的点坐标的数值参见表5。
表5
拟合的两条曲线分别表示为：
叶片正面：
y＝2.59866×10-10x4-1.53705×10-6x3+0.0032x2-3.19056x+2751.57044
叶片反面：
y＝7.98552×10-11x4-1.59138×10-7x3-6.0409×10-4x2+1.15208x+989.48737
距离上冠水平轴向2150mm处，叶片403正面与反面截面翼型曲线上的点坐标的数值参见表6。
表6
拟合的两条曲线分别表示为：
叶片正面：
y＝1.00637×10-9x4-5.85871×10-6x3+0.01262x2-12.20288x+6233.86489
叶片反面：
y＝5.62468×10-10x4-3.30975×10-6x3+0.00715x2-7.17544x+4599.23406
实施例2：
以在某电站应用本发明提出的带双进口式蜗壳的低水头大流量混流式水轮机为例，该电站的水头变幅为20.7～61m，设计洪水流量为42000m3/s。
本发明优化设计的参数为：双进口蜗壳的蜗状结构段的椭圆形截面的长短轴之比为1.05：1；固定导叶数量为12；活动导叶数量为24；转轮进口直径、出口直径分别为5400mm、6050mm；叶片数量为14片；尾水管采用弯肘形尾水管，出水扩散段顶板仰角为11°，中间支墩宽2000mm。
实施例3：
本发明的具体应用过程为：进水流道中的有压水流从两个鼻端直管段的进水口进入，在双进口蜗壳圆周方向上产生呈中心对称的切向流，使得水流在进入导水机构前就产生了足够大的环量，流出导水机构的水进入转轮区，带动转轮旋转做功，水流势能及动能转换为机械能。水流从转轮出来，经尾水管排至下游。
本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知技术，可参考公知技术加以实施。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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