1 z# E' V9 b" ~/ v& g摘要： 一種多級軸流式水輪機使用的兩種葉輪，固定葉輪和旋轉葉輪的圓形滾筒側面都依次排列有8個同向傾斜的葉片，滾筒與葉輪的半徑比例為2r≥R，固定葉片的軸向傾角大于旋轉葉片的軸向反傾角。它主要通過降低水輪機上下水道的流速來減少彎道損失，把沖擊水流集中到葉輪的外圍來增加旋轉推力，減少旋轉葉輪的軸向壓力而導致的無用功損失等途徑來提高水輪機的工作效率。估計這種組合葉輪與現有的單一葉輪相比，大約可以提高水能轉化效率10%左右。應用本發明的技術原理，還可以制造多級汽輪機及其它流體動力機械的葉輪。
一、 現有單級葉輪的局限性
目前公知的水輪機基本上都是由單級葉輪構成的，其葉輪結構如圖“軸流式水輪機葉輪”所示。這種葉輪的葉片軸向傾角大、滾筒半徑小和葉片數量少，存在的問題是軸向壓力大和彎道損失多等等，用于單級葉輪水輪機還是可以勝任的。但是，用于我們發明的多級葉輪水輪機（參考文獻資料：多級節能水輪機，專利號：ZL200820009346.8）就會出現許多問題，不但達不到節能的目的，反而還有可能出現浪費能量的現象。所以，必須重新設計旋轉葉輪和固定葉輪的結構，才能達到節約水能之目的。
二、新型多級葉輪的設計原理
我們設計的新型葉輪如“多級水輪機葉輪示意圖”所示，根據流體力學的連續性方程v1A1=v2A2，增大葉輪的滾筒半徑r使2r≥R可以減少水流通道的橫切總面積A2。假設A2 =πR2－πr2≤3πr2≤3A1/4，那么v1≤3v2/4。根據水頭損失計算公式可知：水流速度是以v2的形式在影響水頭損失。所以減少水輪機上下水道的流速，可以大幅度減少水輪機上下水道的水頭損失；當然也可以有效地減少第一級固定葉輪在調整沖擊水流方向時帶來的彎道損失。根據力矩的計算公式M＝FL，增大葉輪滾筒的半徑使2r≥R，盡量把沖擊水流集中到葉輪的外圍來做功，這種做法既可以增加葉輪的旋轉推力，同時也降低了葉輪內部的彎道損失。
" X6 o* l+ V+ A' }原來的單級水輪機是水流沿軸向沖擊葉片，根據力的分解法則可知它產生的軸向壓力很大，帶來的無用功損失就比較多。而我們發明的多級水輪機加入了固定整流葉輪之后，就可以隨意地調節水流的沖擊方向，并且由固定葉輪來承擔大部分軸向壓力，雖然也存在一些彎道損失，但是卻可以減少許多無用功損失。為了提高旋轉葉輪的橫向推力，我們可以把固定葉片的方向與旋轉葉片的方向進行反向設置；為了進一步減少旋轉葉片的軸向壓力，我們可以讓固定葉片的軸向傾角大于旋轉葉片的軸向反傾角，如“多級葉輪軸向示意圖”所示：∠a ＞∠b。除此以外：為了減少彎道損失，在設置固定整流葉片時要盡量減小葉片與水流方向的夾角；為了提高水輪機的工作效率，在設置旋轉沖擊葉片時要盡量增大葉片與水流方向的夾角。
不論固定葉輪調節水流方向還是旋轉葉輪回收水能，主要都是依靠葉片來完成任務的。如果葉片數量太少就不能有效地完成任務，如果葉片數量太多又會帶來更多的彎道損失。根據我們的推測固定葉輪和旋轉葉輪的葉片數量應該相同，一般在八個左右比較適宜。如果葉輪半徑比較大時也可以適當增加葉片數量，這樣既可以提高水能的轉化效率又可以延長葉輪的使用壽命。
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固定葉輪與旋轉葉輪的區別如“多級葉輪軸向示意圖”所示，主要是固定葉輪的葉片和旋轉葉輪的葉片與水輪機的轉動軸所構成的傾斜角方向相反。這兩種葉輪在水輪機中的組合安裝方式如“多級節能水輪機的結構示意圖”所示，在第一級固定葉輪的前面和最后一級旋轉葉輪的后面各設一個整流罩來消除渦流阻力，幾個固定葉輪和旋轉葉輪依次相間串聯在同一根轉動軸上組成了水輪機的旋轉動力機構。
綜上所述，這種軸流式水輪機的多級葉輪主要通過以下四條途徑來達到節能目的：一是增大葉輪滾筒的半徑使2r≥R來減少水流通道的橫切面積，通過降低水輪機上下水道的流速來減少彎道損失；二是盡量把沖擊水流集中到葉輪的外圍來做功，這種做法的好處是可以增加旋轉推力和降低葉輪內部的彎道損失；三是通過增大固定葉片的傾斜角和減小旋轉葉片的傾斜角，來減少旋轉葉輪的軸向壓力和增加旋轉葉輪的橫向推力，從而有效地減少水輪機的無用功損失；四是適當地增加了固定葉輪和旋轉葉輪的葉片數量，這樣做既可以提高水能的轉化效率又可以延長葉輪的使用壽命。通過這四條途徑充分地實現了水輪機的節能目標，估計這種組合葉輪與現有的單一葉輪相比，大約可以提高水能轉化效率10%左右。由于這種水輪機的葉輪和葉片數量都比較多，所以它就能夠在水頭與負荷發生變化的條件下，更好地保持水輪機運行的穩定性，從而大幅度地提高水輪機的平均效率。
三、結束語
雖然我們提出了多級節能水輪機的一些基本工作原理和兩種葉輪的設計方案，但是，還有很多細節問題必須通過試驗或者是有限元分析來進行探討，才能夠找到最佳設計方案。例如：在“多級葉輪的軸向示意圖”中∠a 和∠b的大小為多少時效果最好？兩種葉輪的搭配是多少個效果最好？葉輪的高度H與半徑R的比例為多少時效果最佳？等許多問題都不是我們在這里所能夠解決的。還有這種水輪機的調速問題，因為這種多級水輪機葉輪工作的穩定性比較好，所以，我們想改變一下現在大量使用的調節葉片角度的調速方法，在水輪機的上水道安裝一個水頭損失最小的閥門，通過控制上水道的流量來控制葉輪的水頭壓力，從而進一步控制水輪機的轉速。如果這個方案可行，那就會使調速方式變得非常簡單。
任何產品的成熟都需要一個發展過程，例如：飛機才發明出來的時候，大家的評判標準也就是能夠飛上天不掉下來的就是好飛機了，現在的飛機速度已經達到了幾倍音速，在飛機才問世的時候誰會想到有這樣的結果呢？所以，許多產品的發展和完善都是在大量的制造和使用的實踐過程中，不斷地發現問題和解決問題的結果，而不是一開始就能夠做到盡善盡美的。因此，希望廣大的水輪機技術工程師們積極投入到這種新型水輪機研制工作中來，在制造和使用的過程中不斷地發展和完善這種新型水輪機。因為從水輪機的工作原理來看，這種多級水輪機集中了沖擊式和軸流式水輪機的優點，是一種很有發展前途的新型水輪機。
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一、 現有單級葉輪的局限性
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目前公知的水輪機基本上都是由單級葉輪構成的，其葉輪結構如圖“軸流式水輪機葉輪”所示。這種葉輪的葉片軸向傾角大、滾筒半徑小和葉片數量少，存在的問題是軸向壓力大和彎道損失多等等，用于單級葉輪水輪機還是可以勝任的。但是，用于我們發明的多級葉輪水輪機（參考文獻資料：多級節能水輪機，專利號：ZL200820009346.8）就會出現許多問題，不但達不到節能的目的，反而還有可能出現浪費能量的現象。所以，必須重新設計旋轉葉輪和固定葉輪的結構，才能達到節約水能之目的。
% @) k6 |0 @4 P, j& ]* y6 _7 G二、新型多級葉輪的設計原理
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我們設計的新型葉輪如“多級水輪機葉輪示意圖”所示，根據流體力學的連續性方程v1A1=v2A2，增大葉輪的滾筒半徑r使2r≥R可以減少水流通道的橫切總面積A2。假設A2 =πR2－πr2≤3πr2≤3A1/4，那么v1≤3v2/4。根據水頭損失計算公式可知：水流速度是以v2的形式在影響水頭損失。所以減少水輪機上下水道的流速，可以大幅度減少水輪機上下水道的水頭損失；當然也可以有效地減少第一級固定葉輪在調整沖擊水流方向時帶來的彎道損失。根據力矩的計算公式M＝FL，增大葉輪滾筒的半徑使2r≥R，盡量把沖擊水流集中到葉輪的外圍來做功，這種做法既可以增加葉輪的旋轉推力，同時也降低了葉輪內部的彎道損失。
原來的單級水輪機是水流沿軸向沖擊葉片，根據力的分解法則可知它產生的軸向壓力很大，帶來的無用功損失就比較多。而我們發明的多級水輪機加入了固定整流葉輪之后，就可以隨意地調節水流的沖擊方向，并且由固定葉輪來承擔大部分軸向壓力，雖然也存在一些彎道損失，但是卻可以減少許多無用功損失。為了提高旋轉葉輪的橫向推力，我們可以把固定葉片的方向與旋轉葉片的方向進行反向設置；為了進一步減少旋轉葉片的軸向壓力，我們可以讓固定葉片的軸向傾角大于旋轉葉片的軸向反傾角，如“多級葉輪軸向示意圖”所示：∠a ＞∠b。除此以外：為了減少彎道損失，在設置固定整流葉片時要盡量減小葉片與水流方向的夾角；為了提高水輪機的工作效率，在設置旋轉沖擊葉片時要盡量增大葉片與水流方向的夾角。
$ z. o) e K+ h不論固定葉輪調節水流方向還是旋轉葉輪回收水能，主要都是依靠葉片來完成任務的。如果葉片數量太少就不能有效地完成任務，如果葉片數量太多又會帶來更多的彎道損失。根據我們的推測固定葉輪和旋轉葉輪的葉片數量應該相同，一般在八個左右比較適宜。如果葉輪半徑比較大時也可以適當增加葉片數量，這樣既可以提高水能的轉化效率又可以延長葉輪的使用壽命。
固定葉輪與旋轉葉輪的區別如“多級葉輪軸向示意圖”所示，主要是固定葉輪的葉片和旋轉葉輪的葉片與水輪機的轉動軸所構成的傾斜角方向相反。這兩種葉輪在水輪機中的組合安裝方式如“多級節能水輪機的結構示意圖”所示，在第一級固定葉輪的前面和最后一級旋轉葉輪的后面各設一個整流罩來消除渦流阻力，幾個固定葉輪和旋轉葉輪依次相間串聯在同一根轉動軸上組成了水輪機的旋轉動力機構。
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