CN111502891A - 一种液力透平叶轮及其工作方法 - Google Patents

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陈若莹
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孙琦瑞
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Abstract

本发明公开了一种液力透平叶轮，包括轮盘、叶片、叶角和中心盘，所述轮盘中部设置中心盘，所述中心盘连接输出轴，所述中心盘外圈设置有若干个均匀分布的叶片，每个所述叶片靠近中心盘的一端均连接有一个叶角。可以解决现有的液力透平叶轮在使用时，叶轮的叶片与流体相接触的冲击面积较小，导致无法最大化程度的将流体冲击力转化成机械能，其次，叶轮进口虽然能够将导流叶片和叶轮进口设计成相同宽度的方式来实现通过导流器的流量与通过叶轮的流量保持相等，实现导流器对流体的最大导流的效果，但是，却忽略了叶轮进口为直线型结构，从而在流体输入时会与叶轮进口内壁之间垂直碰撞而出现能量的损失，从而降低了能量转换效率。

Description

一种液力透平叶轮及其工作方法
技术领域
本发明涉及液力透平叶轮领域，具体涉及一种液力透平叶轮及其工作方法。
背景技术
液力透平是一种能量回收装置，透平是将流体工质中蕴有的能量转换成机械能的机器，又称涡轮机。透平的工作条件和所用工质不同，所以它的结构型式多种多样，但基本工作原理相似。透平的最主要的部件是一个旋转元件，即转子，或称叶轮，它安装在透平轴上，具有沿圆周均匀排列的叶片。流体所具有的能量在流动中，经过喷管时转换成动能，流过叶轮时流体冲击叶片，推动叶轮转动，从而驱动透平轴旋转。透平轴直接或经传动机构带动其他机械，输出机械功。现有的液力透平叶轮在使用时仍存在一定缺陷，首先由于叶轮的叶片在被流体冲击过程中无法最大化程度的将流体冲击力转化成机械能，原因在于叶轮的叶片与流体相接触的冲击面积较小，其次，叶轮进口虽然能够将导流叶片和叶轮进口设计成相同宽度的方式来实现通过导流器的流量与通过叶轮的流量保持相等，实现导流器对流体的最大导流的效果，但是，却忽略了叶轮进口为直线型结构，从而在流体输入时会与叶轮进口内壁之间垂直碰撞而出现能量的损失，从而降低了能量转换效率。
公开号为：CN107013400A的专利公开了一种液力透平，与本申请文相比，无法解决本申请提出的：现有的液力透平叶轮在使用时首先由于叶轮的叶片在被流体冲击过程中无法最大化程度的将流体冲击力转化成机械能，原因在于叶轮的叶片与流体相接触的冲击面积较小，其次，叶轮进口虽然能够将导流叶片和叶轮进口设计成相同宽度的方式来实现通过导流器的流量与通过叶轮的流量保持相等，实现导流器对流体的最大导流的效果，但是，却忽略了叶轮进口为直线型结构，从而在流体输入时会与叶轮进口内壁之间垂直碰撞而出现能量的损失，从而降低了能量转换效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液力透平叶轮及其工作方法，可以解决现有的液力透平叶轮在使用时首先由于叶轮的叶片在被流体冲击过程中无法最大化程度的将流体冲击力转化成机械能，原因在于叶轮的叶片与流体相接触的冲击面积较小，其次，叶轮进口虽然能够将导流叶片和叶轮进口设计成相同宽度的方式来实现通过导流器的流量与通过叶轮的流量保持相等，实现导流器对流体的最大导流的效果，但是，却忽略了叶轮进口为直线型结构，从而在流体输入时会与叶轮进口内壁之间垂直碰撞而出现能量的损失，从而降低了能量转换效率。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种液力透平叶轮，包括轮盘、叶片、叶角和中心盘，所述轮盘中部设置中心盘，所述中心盘连接输出轴，所述中心盘外圈设置有若干个均匀分布的叶片，每个所述叶片靠近中心盘的一端均连接有一个叶角；
所述轮盘安装在壳体内部，导流器与壳体之间固定连接，所述导流器包括工作面、导流进口、导流出口和若干个导流叶片，所述工作面上安装有若干个均匀分布的导流叶片，且所述工作面中部设置有导流进口，相邻两个所述导流叶片之间设置有导流出口，所述壳体内部设置有壳体出口，所述导流器位于壳体出口一侧，所述轮盘位于壳体出口另一侧，所述轮盘在安装时靠近壳体出口的一侧为叶轮出口，且所述轮盘远离壳体出口的一侧为叶片，所述叶片设置在叶轮进口内部。
优选的，所述叶片、叶角均倾斜设置，且叶角的外边缘与中心盘之间的夹角α为160°，叶角与叶片之间的倾斜夹角β为120°。
优选的，所述叶轮进口呈弧形结构，且叶轮进口的直径大小与导流叶片的宽度大小相适配。
优选的，所述导流叶片为弧形结构，且导流叶片的弯曲方向与叶片的旋转方向相同。
一种液力透平叶轮的工作方法，具体步骤为：
步骤一：首先将导流器与壳体之间通过螺栓固定连接，并且在安装时导流器的工作面位于壳体内部，并且工作面沿水平方向与叶轮的叶轮出口相向对应，相邻两个导流叶片之间形成由导流器中心位置指向导流器边缘位置的流道；
步骤二：当流体从叶轮出口流出并沿水平方向流至导流器处时，流体通过导流进口进入导流器，在导流叶片的导流作用下，沿导流器内部的流道流至导流出口，进而到达壳体出口位置，流体在经过导流出口后流向叶轮进口，流体直接作用在叶片上，叶片直接将流体的冲击力转换成机械能，从而带动输出轴转动。
本发明的有益效果为：由于叶轮进口呈弧形结构，且叶轮进口的直径大小与导流叶片的宽度大小相适配，从而不仅可以使通过导流器的流量与通过叶轮的流量保持相等，实现导流器对流体的最大导流效率，避免由于导流器无法快速完成对流体的导流工作，而在叶轮与导流器之间出现流体的流动停滞现象，以及由此引起的流体阻力损失，同时弧形结构的叶轮进口，使得在流体输入时不会出现因叶轮进口内壁之间垂直碰撞而出现较大的能量损失，有效提升能量转换效率；
由于叶片、叶角均倾斜设置，且叶角的外边缘与中心盘之间的夹角α为160°，叶角与叶片之间的倾斜夹角β为120°，配合弧形结构的叶轮进口，实现流体在冲击叶片时，与叶片直接垂直冲击，而且叶片和叶角倾斜后与流体之间的接触面面积达到最大化，从而实现最大程度的能量转换。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明的安装结构示意图；
图3为本发明的导流器结构示意图；
图4为对本发明液力透平和常规的液力透平进行CFD数值模拟对比试验时，获得的水力效率曲线对比图；
图中：1、轮盘；2、叶片；3、叶角；4、中心盘；5、壳体；6、导流器；7、壳体出口；8、工作面；9、导流叶片；10、叶轮出口；11、导流出口；12、叶轮进口；13、输出轴；14、导流进口。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4所示，一种液力透平叶轮，包括轮盘1、叶片2、叶角3和中心盘4，轮盘1中部设置中心盘4，中心盘4连接输出轴13，中心盘4外圈设置有若干个均匀分布的叶片2，每个叶片2靠近中心盘4的一端均连接有一个叶角3；
轮盘1安装在壳体5内部，导流器6与壳体5之间固定连接，导流器6包括工作面8、导流进口14、导流出口11和若干个导流叶片9，工作面8上安装有若干个均匀分布的导流叶片9，且工作面8中部设置有导流进口14，相邻两个导流叶片9之间设置有导流出口11，壳体5内部设置有壳体出口7，导流器6位于壳体出口7一侧，轮盘1位于壳体出口7另一侧，轮盘1在安装时靠近壳体出口7的一侧为叶轮出口10，且轮盘1远离壳体出口7的一侧为叶片2，叶片2设置在叶轮进口12内部。
叶片2、叶角3均倾斜设置，且叶角3的外边缘与中心盘4之间的夹角α为160°，叶角3与叶片2之间的倾斜夹角β为120°。
叶轮进口12呈弧形结构，且叶轮进口12的直径大小与导流叶片9的宽度大小相适配。
导流叶片9为弧形结构，且导流叶片9的弯曲方向与叶片2的旋转方向相同。
一种液力透平叶轮的工作方法，具体步骤为：
步骤一：首先将导流器6与壳体5之间通过螺栓固定连接，并且在安装时导流器6的工作面8位于壳体5内部，并且工作面8沿水平方向与叶轮的叶轮出口10相向对应，相邻两个导流叶片9之间形成由导流器6中心位置指向导流器6边缘位置的流道；
步骤二：当流体从叶轮出口10流出并沿水平方向流至导流器6处时，流体通过导流进口14进入导流器6，在导流叶片9的导流作用下，沿导流器6内部的流道流至导流出口11，进而到达壳体出口7位置，流体在经过导流出口11后流向叶轮进口12，流体直接作用在叶片2上，叶片2直接将流体的冲击力转换成机械能，从而带动输出轴13转动。
本发明在使用时，首先将导流器6与壳体5之间通过螺栓固定连接，并且在安装时导流器6的工作面8位于壳体5内部，并且工作面8沿水平方向与叶轮的叶轮出口10相向对应，相邻两个导流叶片9之间形成由导流器6中心位置指向导流器6边缘位置的流道；在运作时当流体从叶轮出口10流出并沿水平方向流至导流器6处时，流体通过导流进口14进入导流器6，在导流叶片9的导流作用下，沿导流器6内部的流道流至导流出口11，进而到达壳体出口7位置。导流器6的存在可以对流体的转向过程进行导流作用，并将沿圆周方向的分速度和沿直线方向的分速度进行隔离，避免流体在进行直角转向时，出现严重的流体紊乱现象以及由此引发的湍流阻力损失，从而降低水力损失，提高水力效率。流体在经过导流出口11后流向叶轮进口12，流体直接作用在叶片2上，叶片2直接将流体的冲击力转换成机械能，从而带动输出轴13转动，由于叶轮进口12呈弧形结构，且叶轮进口12的直径大小与导流叶片9的宽度大小相适配，从而不仅可以使通过导流器6的流量与通过叶轮的流量保持相等，实现导流器6对流体的最大导流效率，避免由于导流器6无法快速完成对流体的导流工作，而在叶轮与导流器6之间出现流体的流动停滞现象，以及由此引起的流体阻力损失，同时弧形结构的叶轮进口12，使得在流体输入时不会出现因叶轮进口内壁之间垂直碰撞而出现较大的能量损失，有效提升能量转换效率，同时由于叶片2、叶角3均倾斜设置，且叶角3的外边缘与中心盘4之间的夹角α为160°，叶角3与叶片2之间的倾斜夹角β为120°，配合弧形结构的叶轮进口12，实现流体在冲击叶片2时，与叶片2直接垂直冲击，而且叶片2和叶角3倾斜后与流体之间的接触面面积达到最大化，从而实现最大程度的能量转换；
试验验证，调整CFD数值模拟中的相关参数，对本发明液力透平与常规的液力透平进行全工况范围内的水力效率试验，并获得如图4所示的曲线对比图，其中图4中效率指数高的代表本发明改进后的液力透平叶轮数据，指数低的代表未改良普通的液力透平叶轮数据，从图4可以进一步验证，由于改良后的叶片2、叶角3以及叶轮进口12，使本发明液力透平在不同流量工况时的水力效率都比常规液力透平的水力效率高，并且水力效率平均提高5％-8％。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种液力透平叶轮，包括轮盘(1)、叶片(2)、叶角(3)和中心盘(4)，其特征在于，所述轮盘(1)中部设置中心盘(4)，所述中心盘(4)连接输出轴(13)，所述中心盘(4)外圈设置有若干个均匀分布的叶片(2)，每个所述叶片(2)靠近中心盘(4)的一端均连接有一个叶角(3)；
所述轮盘(1)安装在壳体(5)内部，导流器(6)与壳体(5)之间固定连接，所述导流器(6)包括工作面(8)、导流进口(14)、导流出口(11)和若干个导流叶片(9)，所述工作面(8)上安装有若干个均匀分布的导流叶片(9)，且所述工作面(8)中部设置有导流进口(14)，相邻两个所述导流叶片(9)之间设置有导流出口(11)，所述壳体(5)内部设置有壳体出口(7)，所述导流器(6)位于壳体出口(7)一侧，所述轮盘(1)位于壳体出口(7)另一侧，所述轮盘(1)在安装时靠近壳体出口(7)的一侧为叶轮出口(10)，且所述轮盘(1)远离壳体出口(7)的一侧为叶片(2)，所述叶片(2)设置在叶轮进口(12)内部。
2.根据权利要求1所述的一种液力透平叶轮，其特征在于，所述叶片(2)、叶角(3)均倾斜设置，且叶角(3)的外边缘与中心盘(4)之间的夹角α为160°，叶角(3)与叶片(2)之间的倾斜夹角β为120°。
3.根据权利要求1所述的一种液力透平叶轮，其特征在于，所述叶轮进口(12)呈弧形结构，且叶轮进口(12)的直径大小与导流叶片(9)的宽度大小相适配。
4.根据权利要求1所述的一种液力透平叶轮，其特征在于，所述导流叶片(9)为弧形结构，且导流叶片(9)的弯曲方向与叶片(2)的旋转方向相同。
5.一种如权利要求1所述的液力透平叶轮的工作方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一：首先将导流器(6)与壳体(5)之间通过螺栓固定连接，并且在安装时导流器(6)的工作面(8)位于壳体(5)内部，并且工作面(8)沿水平方向与叶轮的叶轮出口(10)相向对应，相邻两个导流叶片(9)之间形成由导流器(6)中心位置指向导流器(6)边缘位置的流道；
步骤二：当流体从叶轮出口(10)流出并沿水平方向流至导流器(6)处时，流体通过导流进口(14)进入导流器(6)，在导流叶片(9)的导流作用下，沿导流器(6)内部的流道流至导流出口(11)，进而到达壳体出口(7)位置，流体在经过导流出口(11)后流向叶轮进口(12)，流体直接作用在叶片(2)上，叶片(2)直接将流体的冲击力转换成机械能，从而带动输出轴(13)转动。
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