CN101915196A - 冷却塔风机驱动用双转轮超低比转速轴流式水轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冷却塔风机驱动用双转轮超低比转速轴流式水轮机，有效解决水轮机比转速高，尺寸大，效率低的问题，其解决的技术方案是，在水轮机的同一主轴上安装同向旋转的低比转速轴流式的第一转轮和第二转轮，两低比转速转轮呈接力式，水流由引水室进入径向导水叶，导叶改变水流的环量后，作90°转弯，第一转轮完成1/2总体水能的转换，第二转轮完成剩余1/2水能的转换，第一转轮的叶片进口角β₁＝140°～160°，出口角β₂＝90°，叶片进、出口之间的角度差为50°～70°；第二转轮的叶片进口角β₃＝90°，出口角β₄＝20°～40°，叶片进、出口角度差为50°～70°，总角度差为100°～140°，本发明过流能力强、尺寸小，其转速与冷却塔风机匹配良好，效率高。

Description

冷却塔风机驱动用双转轮超低比转速轴流式水轮机

一、技术领域

本发明涉及水轮机，特别是一种冷却塔风机驱动用双转轮超低比转速轴流式水轮机。

二、背景技术

常用的工业冷却塔节能改造中，利用冷却塔水***一般留有的压力余量，用一种水轮机来驱动冷却塔风机，可以替代原风机驱动电动机，达到节能与减少维护的目的。但在冷却塔水流***和风机的特殊条件下，常规发电用的水轮机均不合适，需要开发新的水轮机，才能达到与冷却塔水流条件相符合的要求。

当水轮机与风机直联时，根据冷却塔循环水***的压力、流量和风机转速三个特征参数所计算的水轮机比转速，必然是超低比转速或超低比转速的，而且水轮机需要与换热器、布水器一同在串联的有压水流***中工作。冲击式水轮机虽然符合低比转速的特点，但这类水轮机的转轮需要在无压状态工作，不适合在串联的有压水流***中使用；超低比转速混流式水轮机，可使水轮机转速与风机匹配，但超低比转速混流式水轮机平面尺寸较大，影响冷却塔气流的通道；常规轴流式水轮机过流能力强，可以减小水轮机平面尺寸，但其比转速太高，在冷却塔上与风机以直联方式使用时，会使水轮机远远偏离最优工况。用常规轴流式水轮机直联驱动冷却塔风机，结果，水轮机的效率非常低，如何解决水轮机比转速高，尺寸大，效率低的问题为众所期待。

三、发明内容

针对上述情况，为克服现有技术缺陷，本发明之目的就是提供一种冷却塔风机驱动用双转轮超低比转速轴流式水轮机，可有效解决水轮机比转速高，尺寸大，效率低的问题。

本发明解决的技术方案是，研制一种全新型的超低比转速轴流式水轮机，这种水轮机有常规立轴轴流式水轮机所具有的蜗壳式引水室、导水机构、转轮室、主轴、轴承和主轴密封，水轮机的两个转轮安装在同一主轴上，主轴经转轮室、顶盖、主轴密封和轴承从水轮机上部伸出，直接与冷却塔风机连接。

本发明的关键技术是，在水轮机的同一主轴上安装同向旋转的低比转速轴流式的第一转轮和第二转轮，两低比转速转轮呈接力方式工作，从而实现水轮机超低比转速的特性，水流由引水室进入径向导水叶，导叶改变水流的环量后，作90°转弯，以无撞击进口方式进入转轮室，首先进入第一转轮做功，完成1/2总体水能的转换，然后进入第二转轮，完成剩余1/2水能的转换，所说的第一转轮的叶片进口角β₁＝140°～160°，出口角β₂＝90°，叶片进、出口之间的角度差为50°～70°；所说的第二转轮的叶片进口角β₃＝90°，出口角β₄＝20°～40°，叶片进、出口角度差为50°～70°，第一转轮进口到第二转轮出口之间叶片的总角度差为100°～140°。

本发明利用轴流式水轮机过流能力强、尺寸小的优势，并从技术上克服其比转速过高的缺点，是创新性研究出的一种低比转速双转轮轴流式水轮机，其转速与冷却塔风机匹配良好，且结构紧凑、尺寸较小，效率高。

四、附图说明

图1为本发明的结构主视图。

图2为本发明的蜗壳转轮室水平截面图。

图3为本发明的第一转轮、第二转轮水流状态图。

五、具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

由图1-图3给出，本发明的水轮机结构包括最外周的引水室1、引水室内的导水机构2、导水机构上面的水轮机顶盖3，顶盖3的下部在水轮机主轴7上安装有第一转轮5和第二转轮6，转轮的外周是转轮室4，最下边是尾水管8，主轴7上装有主轴密封9、轴承10，轴承外有轴承体13，上有密封盖12，主轴的上端部装有风机11，水流首先进入蜗壳状引水室1，再经过导叶组成的导水机构2，后经过呈90°弯曲状的流道进入转轮室4，分别通过第一转轮5和第二转轮6，最后经尾水管8排出，所说的第一转轮5的叶片进口角β₁＝140°～160°，出口角β₂＝90°，第一转轮叶片进、出口之间的角度差为50°～70°，所说的第二转轮6的叶片进口角β₃＝90°，出口角β₄＝20°～40°，第二转轮叶片进、出口角度差为50°～70°，第一转轮进口到第二转轮出口之间叶片的总角度差为100°～140°。

为了达到超低比转速的目的，所说的第一转轮的叶片和第二转轮的叶片数为8～16个，多于常规轴流式转轮的叶片数；所说的第一转轮和第二转轮的轮毂比d_h/D₁＝0.6～0.8；所说的两个转轮呈接力方式工作，两转轮的总利用水头是单个转轮的2倍，因此双转轮接力工作可使整个水轮机的比转速更低；在具体实施时，所说的第一转轮的叶片进口角β₁为140°、150°、160°中的一种，第一转轮的叶片进、出口之间的角度差为50°、60°、70°中的一种，所说的第二转轮的叶片出口角β₄为20°、30°、40°中的一种，第二转轮的叶片进、出口角度差为50°、60°、70°中的一种，第一转轮进口到第二转轮出口之间叶片的总角度差为100°、110°、120°、130°、140°中的一种；所说的第一转轮和第二转轮的轮毂比d_h/D₁为0.6、0.7、0.8中的一种。

本发明的工作原理是：

1、采用同轴同向旋转双转轮接力式工作，这是本发明创新的关键之一，由图1所示，本发明的关键是在常规轴流式水轮机的基础上改变其能量转换的核心部件-水轮机转轮。在同一根主轴上装置两个同向旋转的低比转速轴流式第一转轮和第二转轮。常规轴流式水轮机的引水室、导水机构、转轮室及辅助的主轴和密封型式基本不变，引水室1为圆断面金属蜗壳。引水室里面装有径向导水机构2，压力水流经压力管道首先进入引水室，然后进入导水机构，水流经过导水机构后增加了水流的环量，转向90°后沿轴向均匀进入第一转轮，水流在第一转轮中完成1/2能量转换，第一转轮的出口水流以无撞击进口状态进入第二转轮，在第二转轮中完成剩余的1/2水能转换，把带有剩余1/2能量的水流送入第二转轮4，第二转轮同样以无撞击进口状态接受水流，并以法向出口状态将做功后的水流排入下游管道，把水能变成旋转机械能，经转轮主轴带动冷却塔风机转动。本发明的独特之处在于，两个转轮呈接力方式协同工作，第一转轮的重点是满足水轮机的良好进口条件，保证水流以无撞击进口状态进入转轮，使转轮进口水力损失最小；第二转轮的重点是满足水轮机的良好出口条件，出口水流保持法向出口，使出口水力损失最小。两转轮均采用大轮毂比、多叶片，且两转轮的叶片均采用大弯曲度的空气动力翼型作断面，这样可使两水轮机都有较高的能量转换效率，同时都是低比转速的。两转轮叶片进出、口角度的设计保证了两转轮呈平滑的接力方式工作。两个低比转速转轮接力式组合可使双转轮水轮机具有更低的比转速，满足冷却塔用水轮机超低比转速的要求，使之在冷却塔水***的剩余压力与流量条件下，与风机转速有很好的匹配性。与现在用于冷却塔的几种水轮机相比，本发明效率高，尺寸小，振动轻，更适合在工业冷却塔上安装，主要用于替代原风机驱动电动机，以达到节能、安全和减少维护的目的。也可应用于小型水电站。

2、采用大弯曲度空气动力翼型作叶片断面，这是转轮具有低比转速特性的重要条件。是本发明创新的核心，如图3所示，由于第一转轮，其进口角β₁＝140°～160°，出口角β₂＝90°，叶片进、出口之间的角度差为50°～70°。所说的第二转轮，其进口角β₃＝90°，出口角β₄＝20°～40°，同样具有很大的弯曲度，叶片进、出口角度差也为50°～70°。从第一转轮进口到第二转轮出口之间叶片的总角度差为100°～140°，这是实现转轮超低比转速的又一个关键。同时，第一转轮的无撞击进口、第二转轮的法向出口及第一、第二转轮间水流的光滑过渡，有效实现水流能量的充分转换与水轮机的高效率。

3、多叶片大轮毂比。第一、第二转轮的叶片数均在8～16之间，远多于常规轴流式转轮的叶片数。且第一、第二转轮的轮毂比d_h/D₁＝0.6～0.8，也远大于常规轴流式转轮，这是实现超低比转速轴流式转轮的第三个关键措施。

通过以上三项技术措施，使轴流式水轮机达到了超低比转速，可与冷却塔的水流条件相匹配，以实现水轮机与冷却塔风机的直联。

本发明的积极贡献在于：

1、通过采用双转轮接力式工作方式，使水轮机的比转速降低1/2，实现轴流式水轮机的超低比转速化，使轴流式水轮机能够适合冷却塔的水流条件，与风机转速匹配良好，并发挥轴流式水轮机过流能力强，尺寸小的优势。

2、双转轮均采用大轮毂比、多叶片，且均采用大弯曲度的空气动力翼型作叶片断面，既保证了转轮能量转换的高效率，又实现了转轮的低比转速化。使轴流式水轮机适合了冷却塔的水流与风机的特殊要求。

本发明的有益效果是使用本发明技术对传统的冷却塔进行技术改造，替代原驱动电动机及传动机构，可以达到节能、环保和少维护的目的。也可形成系列产品，与新型节能型冷却塔配套，使工业冷却塔***更加安全高效。

与目前使用的双击式、混流式冷却塔专用水轮机相比，本发明的双转轮轴流式水轮机从工作原理、结构方面都有明显的优越性，加工容易，价格低，效率高、小尺寸、运行稳定，有巨大的经济和社会效益。

Claims (6)

1.一种冷却塔风机驱动用双转轮超低比转速轴流式水轮机，研制一种全新型的超低比转速轴流式水轮机，这种水轮机有常规立轴轴流式水轮机所具有的蜗壳式引水室、导水机构、转轮室、主轴、轴承和主轴密封，主轴经转轮室、顶盖、主轴密封和轴承从水轮机上部伸出，直接与冷却塔风机连接，其特征在于，在水轮机的同一主轴上安装同向旋转的低比转速轴流式的第一转轮和第二转轮，两低比转速转轮呈接力式，实现水轮机超低比转速，水流由引水室进入径向导水叶，导叶改变水流的环量后，作90°转弯，以无撞击进口方式进入转轮室，首先进入第一转轮做功，完成1/2总体水能的转换，然后进入第二转轮，完成剩余1/2水能的转换，所说的第一转轮的叶片进口角β₁＝140°～160°，出口角β₂＝90°，叶片进、出口之间的角度差为50°～70°；所说的第二转轮的叶片进口角β₃＝90°，出口角β₄＝20°～40°，叶片进、出口角度差为50°～70°，第一转轮进口到第二转轮出口之间叶片的总角度差为100°～140°。

2.根据权利要求1所述的冷却塔风机驱动用双转轮超低比转速轴流式水轮机，其特征在于，包括最外周的引水室(1)、引水室内的导水机构(2)、导水机构上面的水轮机顶盖(3)，顶盖(3)的下部在水轮机主轴(7)上安装有第一转轮(5)和第二转轮(6)，转轮的外周是转轮室(4)，最下边是尾水管(8)，主轴(7)上装有主轴密封(9)、轴承(10)，轴承外有轴承体(13)，上有密封盖(12)，主轴的上端部装有风机(11)，水流首先进入蜗壳状引水室(1)，再经过导叶组成的导水机构(2)，后经过呈90°弯曲状的流道进入转轮室(4)，分别通过第一转轮(5)和第二转轮(6)，最后经尾水管(8)排出，所说的第一转轮(5)的叶片进口角β₁＝140°～160°，出口角β₂＝90°，第一转轮叶片进、出口之间的角度差为50°～70°，所说的第二转轮(6)的叶片进口角β₃＝90°，出口角β₄＝20°～40°，第二转轮叶片进、出口角度差为50°～70°，第一转轮进口到第二转轮出口之间叶片的总角度差为100°～140°。

3.根据权利要求1或2所述的冷却塔风机驱动用双转轮超低比转速轴流式水轮机，其特征在于，所说的第一转轮的叶片和第二转轮的叶片数为8～16个。

4.根据权利要求1或2所述的冷却塔风机驱动用双转轮超低比转速轴流式水轮机，其特征在于，所说的第一转轮和第二转轮的轮毂比d_h/D₁＝0.6～0.8。

5.根据权利要求1或2所述的冷却塔风机驱动用双转轮超低比转速轴流式水轮机，其特征在于，所说的第一转轮的叶片进口角β₁为140°、150°、160°中的一种，第一转轮的叶片进、出口之间的角度差为50°、60°、70°中的一种，所说的第二转轮的叶片出口角β₄为20°、30°、40°中的一种，第二转轮的叶片进、出口角度差为50°、60°、70°中的一种，第一转轮进口到第二转轮出口之间叶片的总角度差为100°、110°、120°、130°、140°中的一种。

6.根据权利要求4所述的冷却塔风机驱动用双转轮超低比转速轴流式水轮机，其特征在于，所说的第一转轮和第二转轮的轮毂比d_h/D₁为0.6、0.7、0.8中的一种。

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