專利名稱：阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是一種應(yīng)用于水力發(fā)電等領(lǐng)域的換能設(shè)備，特別涉及的是一種水輪機(jī)阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪。
背景技術(shù)：
水輪機(jī)分為兩大類沖擊式水輪機(jī)和反擊式水輪機(jī)。沖擊式水輪機(jī)是高速水流沖擊水輪機(jī)的水斗或輪葉將水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，反擊式水輪機(jī)是水流以壓力能和動(dòng)能在轉(zhuǎn)輪的流道內(nèi)被轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。混流式水輪機(jī)是反擊式水輪中的一個(gè)品種，大中型水電站大多采用混流式水輪機(jī)。
采用“X型葉片”(圖9)的轉(zhuǎn)輪如(圖10)所示。(圖8)為混流式水輪機(jī)的工作示意圖，水流經(jīng)蝸殼，經(jīng)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)徑向進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，水流在“X型葉片”流道內(nèi)做功后軸向流出轉(zhuǎn)輪。
巖灘水電站的機(jī)組是我國自行設(shè)計(jì)制造的，1992年首臺(tái)機(jī)組投運(yùn)，發(fā)現(xiàn)在高水頭的某些工況運(yùn)行時(shí)流道內(nèi)壓力脈動(dòng)幅值大，運(yùn)行不穩(wěn)定以及葉片裂紋等問題，引起國內(nèi)對大型混流式水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定的特別關(guān)注。90年代后期，國內(nèi)已投入運(yùn)行的大型混流式水輪機(jī)均程度不同地出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定的問題，其根本原因是水輪機(jī)的水力性能不穩(wěn)定。三峽水電站水輪機(jī)模型試驗(yàn)也表明，在高水頭小流量區(qū)，流道內(nèi)水壓脈動(dòng)幅值大，預(yù)計(jì)原型機(jī)在正常運(yùn)行范圍內(nèi)不能穩(wěn)定運(yùn)行。
“X型葉片”轉(zhuǎn)輪，其壓力和流場分布隨水頭、流量而變化，這是造成壓力脈動(dòng)和運(yùn)行不穩(wěn)定的重要原因之一。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為了克服以上不足，提供一種高效、節(jié)水、平穩(wěn)運(yùn)行、把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪。
本實(shí)用新型的目的是這樣來實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪包括進(jìn)水口和出水口，位于轉(zhuǎn)輪內(nèi)的葉片，其特征是相鄰葉片間的流道為阿基米德螺旋流道，流道中沿流道方向有一條在轉(zhuǎn)輪橫截面上的投影為阿基米德螺旋線的線。
上述的阿基米德螺旋線為葉片內(nèi)側(cè)與流道底面交線在轉(zhuǎn)輪橫截面上的投影。
上述的阿基米德螺旋線為葉片外側(cè)與流道底面交線在轉(zhuǎn)輪橫截面上的投影。
上述的阿基米德螺線線為阿基米德螺流道中心線在轉(zhuǎn)輪橫截面上的投影。
上述的葉片中有長葉片、短葉片，長葉片與短葉片相間均勻分布在轉(zhuǎn)輪上，保證進(jìn)水量和出水量平衡，運(yùn)行平穩(wěn)。
上述的轉(zhuǎn)輪進(jìn)水口處有與之配合的喇叭口座環(huán)。
參見圖1～圖6，將本實(shí)用新型的喇叭口座環(huán)與進(jìn)水管連接，轉(zhuǎn)輪與發(fā)電機(jī)主軸連接，進(jìn)水管在大壩的適當(dāng)高度取水，進(jìn)水管經(jīng)大壩并且從壩底向上出口，水流由下向上軸向注入轉(zhuǎn)輪，水流在阿基米德螺旋流道內(nèi)以壓力能和動(dòng)能做功推動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。
參見圖7，引入一個(gè)數(shù)學(xué)公式和一段曲線參見，這個(gè)公式就是阿基米德螺線的極坐標(biāo)方程，這段曲線就是阿基米德螺線。一個(gè)方程一條曲線奠定了這種阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪的理論基礎(chǔ)。
r＝aθ即極徑r是極角θ(弧度值)的線性函數(shù)，螺線的弧長LL=a∫θ1θ21+θ2dθ]]>(一)本實(shí)用新型阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪平穩(wěn)運(yùn)行三要素1、因?yàn)闃O徑r是極角θ的線性函數(shù)，因此力F在流道內(nèi)做功，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪作勻速園周運(yùn)動(dòng)。改變流速，改變流量，改變力的大小可改變轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速。
2、水流從軸向注入轉(zhuǎn)輪的那一時(shí)刻起直至流出轉(zhuǎn)輪為止的全過程，力F時(shí)時(shí)，處處以軸線對稱，以力偶的方式表現(xiàn)。
3、阿基米德螺旋流道“規(guī)范”了水流的“行為”，水流只能在流道內(nèi)出力，做功。有“軌”無“軌”是與其他轉(zhuǎn)輪的顯著區(qū)別之一。
壓力和流場分布合理，削弱壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的條件。因此無論水頭高低，流量大小，阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪都能穩(wěn)定運(yùn)行。
(二)阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪的效率1、先了解一個(gè)工程實(shí)例三峽水電站使用從挪威和加拿大進(jìn)口的混流式水輪機(jī)(圖8)其效率ηt＝94.51％，轉(zhuǎn)輪直徑D＝9.8m，轉(zhuǎn)速n＝75轉(zhuǎn)/分，在額定水頭H＝80.6m，額定流量Q＝991.8m3/秒的條件下，其額定輸出功率PP＝9.81ηtηgQ·H＝71萬KW式中ηg為發(fā)電機(jī)的效率，ηg＝96％，公式明確告訴我們，水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的效率非常高，離極限值1的空間很小，在水頭一定的條件下，唯一只能夯流量增加功率，還有其它路可走嗎？2、按圖5所示建設(shè)應(yīng)用阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪的水力發(fā)電站轉(zhuǎn)輪直徑仍然采用D＝9.8m，保持n＝75轉(zhuǎn)/分(1.25轉(zhuǎn)/秒)，轉(zhuǎn)輪入水口管徑d＝6.6m，相應(yīng)圓面積S＝34m2，在額定水頭H＝80.6m的條件下，轉(zhuǎn)輪入口處的壓力F＝80.6m×34m2×1000Kg/m3＝2740400Kg對于功率我們可以換一個(gè)算法1KW＝102Kg米/秒P＝2740400Kg×9.8m×π×1.25轉(zhuǎn)/秒÷102Kg米/秒＝103萬KW扣除轉(zhuǎn)矩?fù)p耗，摩擦損耗，和各種不可預(yù)見的損耗30％則P＝103×70％＝72萬KW。
(1)水流沿著阿基米德螺旋流道(弧線長L)做功WW=∫Lp(x,y)dx+Q(x,y)dy]]>每一滴水都參加做功，每一滴水又都遵循上述公式做功。不浪費(fèi)一滴水，并讓每一滴水的能量以最大的方式轉(zhuǎn)換為機(jī)械能這就是阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪高效節(jié)水的措施之一。
(2)阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)矩MM≈0.94FR(3)根據(jù)水動(dòng)力學(xué)伯努利方程Z1+P1/γ+a1V12/2g＝Z2+P2/γ+a2V22/2g+hw(1-2)式中Z1為位置水頭；P1/γ為壓強(qiáng)水頭；a1V12/2g為流速水頭；
適當(dāng)提高流道內(nèi)水的流速，增加“壓力能和動(dòng)能”中動(dòng)能做功的比重。這是提高效率的措施之二。進(jìn)水管內(nèi)水的流速為6米/秒∽9米/秒。阿基米德轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)水的流速為14米/秒∽28米/秒。
概括起來講，水流在阿基米德流道內(nèi)賣力地做功，對轉(zhuǎn)輪形成的轉(zhuǎn)矩最大，并適當(dāng)提高流道內(nèi)的流速。這三個(gè)因素是有別于其它轉(zhuǎn)輪，效率大大高于其它轉(zhuǎn)輪的根本所在。
(三)建設(shè)應(yīng)用阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪的混流式水力發(fā)電站見(圖6)。
水流經(jīng)蝸殼，經(jīng)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)徑向流入轉(zhuǎn)輪，水流經(jīng)阿基米德螺旋流道做功軸向流出轉(zhuǎn)輪。其效率仍然高于“X型葉片”的混流式水輪機(jī)，而且能平穩(wěn)運(yùn)行。
從以上分析可知，本實(shí)用新型轉(zhuǎn)輪克服已有轉(zhuǎn)輪的不足，能高效，節(jié)水、平穩(wěn)運(yùn)行，將水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。
用機(jī)械能(發(fā)動(dòng)機(jī))帶動(dòng)阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，則水流軸向噴出。利用水流噴射的反作用力可推動(dòng)船舶、軍艦、潛艇前進(jìn)，在相同馬力下可提高船速，或在相同船速的條件下，可節(jié)省動(dòng)力。


圖1為本實(shí)用新型轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1中的A-A剖面圖。
圖3為本實(shí)用新型轉(zhuǎn)輪工作示意圖。
圖4為圖3中的B-B剖面圖。
圖5為阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪水力發(fā)電站示意圖。
圖6為阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪混流式水輪機(jī)工作示意圖。
圖7為阿基米德螺線形成原理圖。
圖8為已有的混流式水輪機(jī)的工作示意圖。
圖9為“X型葉片”結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10為已有的混流式轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1，阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪包括固定不動(dòng)的喇叭口座環(huán)1、饒軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪2，喇叭口座環(huán)1和轉(zhuǎn)輪2之間保持適當(dāng)?shù)拈g隙。轉(zhuǎn)輪上沿軸向方向有進(jìn)水口3，沿徑向方向?qū)ΨQ分布有出水口4、5。
圖2為圖1的A-A剖面圖。從剖面圖上看共有16片阿基米德螺旋葉片，長、短葉片各半相間均勻分布，6代表短葉片，7代表長葉片。長、短葉片間形成阿基米德流道8，沿流道必有一條且僅有一條在橫截面上的投影為阿基米德螺線，這條螺線可以是葉片的內(nèi)側(cè)線或葉片內(nèi)側(cè)或外側(cè)與流道底面交線在轉(zhuǎn)軸橫截面上為阿基米德螺旋線的線所形成的投影或?yàn)榘⒒椎铝鞯乐行木€在轉(zhuǎn)輪橫截面上的投影，或者是由葉片的內(nèi)側(cè)至相鄰葉片外側(cè)的整個(gè)流道設(shè)定一條在轉(zhuǎn)輪橫截面上的投影，作為設(shè)計(jì)和加工的依據(jù)。
圖3、圖4為阿基米德轉(zhuǎn)輪工作示意圖。進(jìn)水管接喇叭口座環(huán)1，水流軸向注入轉(zhuǎn)輪，水流由軸向變徑向，并在由軸向變徑向的同時(shí)沿阿基米德流道以壓力能和動(dòng)能推動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。水流在流道的尾部(即最大半徑R處)以近似切線的方向噴射。序號9、10分別為水流的噴射方向、轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)方向。轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)主軸11旋轉(zhuǎn)。
圖5阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪水力發(fā)電站示意圖。將本實(shí)用新型阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪12的進(jìn)水口通過裝在大壩13中的進(jìn)水管14與水庫15連通。轉(zhuǎn)輪通過連接軸16與發(fā)電機(jī)17連接。
圖6為阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪作混流式水輪機(jī)的工作示意圖。水流經(jīng)蝸殼18，座環(huán)19，經(jīng)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)20徑向注入轉(zhuǎn)輪21，水流在阿基米德螺旋葉片22形成的阿基米德螺旋流道內(nèi)做功，以壓力能和動(dòng)能推動(dòng)轉(zhuǎn)輪21并帶動(dòng)主軸23旋轉(zhuǎn)。喇叭口環(huán)座24與尾水管連接，水流經(jīng)喇叭口環(huán)座，經(jīng)尾水管排出。
圖7為阿基米德螺旋線形成原理圖。
圖8為已有的混流式水輪機(jī)工作示意圖。水流經(jīng)蝸殼25、座環(huán)26經(jīng)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)27徑向注入帶X型葉片28的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪29、推動(dòng)轉(zhuǎn)輪29并帶動(dòng)主軸30旋轉(zhuǎn)。
圖9為已有的“X型葉片”結(jié)構(gòu)示意圖。包括上冠邊31、下環(huán)邊32、進(jìn)水邊33、出水邊34。
圖10為已有的具有副葉片的混流式轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)示意圖。該轉(zhuǎn)輪包括主葉片35，副葉片36。
本實(shí)用新型阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪應(yīng)用于水力發(fā)電領(lǐng)域。它實(shí)際上是一種換能設(shè)備；把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。高效，節(jié)水，平穩(wěn)運(yùn)行是它追求的目標(biāo)。如果水電站采用這種轉(zhuǎn)輪，則用80％的流量可足額發(fā)電，或者用相同的流量可多發(fā)20％的電力，并可大大改善在高水頭小流量區(qū)運(yùn)行不穩(wěn)定的狀況。各國都在花大力氣研究這個(gè)課題，都想摘取這顆水力發(fā)電王冠上的明珠。
節(jié)水發(fā)電，多發(fā)電，將會(huì)大大改變水電在能源中的比重，對經(jīng)濟(jì)，社會(huì)，環(huán)境，生態(tài)都會(huì)產(chǎn)生不可做量的影響。
權(quán)利要求1.阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪，包括進(jìn)水口和出水口，位于轉(zhuǎn)輪內(nèi)的葉片，其特征在于相鄰葉片間的流道為阿基米德螺旋流道，流道中沿流道方向有一條在轉(zhuǎn)輪橫截面上的投影為阿基米德螺旋線的線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪，其特征在于阿基米德螺旋線為葉片內(nèi)側(cè)與流道底面交線在轉(zhuǎn)輪橫截面上的投影。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪，其特征在于阿基米德螺旋線為葉片外側(cè)與流道底面交線在轉(zhuǎn)輪橫截面上的投影。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪，其特征在于阿基米德螺線線為阿基米德螺流道中心線在轉(zhuǎn)輪橫截面上的投影。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪，其特征在于葉片中有長葉片、短葉片，長葉片與短葉片相間均勻分布在轉(zhuǎn)輪上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～4之一所述的阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪，其特征在于轉(zhuǎn)輪進(jìn)水口處有與之配合的喇叭口座環(huán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪，其特征在于轉(zhuǎn)輪進(jìn)水口處有與之配合的喇叭口座環(huán)。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種應(yīng)用于水力發(fā)電等領(lǐng)域的阿基米德螺旋轉(zhuǎn)輪。包括進(jìn)水口和出水口，位于轉(zhuǎn)輪內(nèi)的葉片，其特征是相鄰葉片間的流道為阿基米德螺旋流道，流道中沿流道方向有一條在轉(zhuǎn)輪橫截面上的投影為阿基米德螺旋線的線。本實(shí)用新型用于水力發(fā)電，船舶、軍艦、潛艇上。高效、節(jié)水、平穩(wěn)運(yùn)行，把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。
文檔編號F03B3/12GK2583385SQ0227654
公開日2003年10月29日 申請日期2002年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月20日
發(fā)明者王秀華 申請人:王秀華