新型水轮机

厦门智慧海电工贸有限公司

新型多叶水轮机技术介绍

一、我国水力发电技术发展现状

我国目前可供开发的水力资源达 3.78*10＾5MW,年发电量为19233.04亿KW/h，居世界首位。到1990年底，全国水电总装机容量为36045.5MW，年发电量为1263.50亿KW/h约占可开发水力资源的9.53%和 6.57%。随着国民经济的发展，2000年水电装机增加到80000MW。

作为一种获取廉价电力能源—水电能，目前水力发电的优、缺点如下：

优点：

1、它是自然界一种不断更新的能源，取之不尽用之不竭；

2、没有空气污染，对水没有热污染；

3、水能资源的开发，一般都同时满足防洪、发电、灌溉、渔

业、航运及工业供水、环境卫生等综合要求；

4、如采用适当的装置，限制水压上升，启动和带负荷的时间

很短，灵活可靠，具担负尖峰负荷的能力；

5、运行、维护、更换改造的费用低；

6、技术成熟效率高；

7、设备简单，发热只限于轴承和电机，使用寿命长；

8、旧电站可以更换水轮机转轮和发电机，便于技术改造。

9、可以采用水泵-水轮机蓄能。

缺点：

1、受限于自然界的条件，地处偏远，分布不均匀；

2、远离高消费中心，输电距离较长；

3、有气蚀问题；

4、有淹没土地、城镇、道路的问题，要千与人们，赔偿费用

高。

5、和火电相比，初期投资高，施工期较长。

二、以“四叶水轮”为代表的水轮机技术存在误区

和风车的风轮一样，风叶是发电机获取动能的关键部件，同样水轮和叶片是水力发电机获取水能的动力获取机构，水轮获取水能的能力将直接影响水力发电机的发电效率。目前，市场上2到18米的低水头混流发电机、水轮和叶片主要是“四叶片水轮”或者“侧面进水式水轮”等技术。该技术虽然是水力发电机的传统理论，但是随着水电领域有识之士与专家学者的多年研究试验，发现该理论存在很大误区。“四叶片水轮”为代表的传统水轮机技术存在以下错误观念：其一，“四叶片水轮”的设计一直搬用船的螺旋浆的设计理论为其所用。其实螺旋浆的机械原理和水力发电水轮的机械原理是有本质上的区别的。

水轮的设计目的是为了利用流动的水流的动能而得到带动发电

机旋转的机械能；水轮本体的运动性质是叶片控制轮轴旋转，叶片是主动、轮轴是被动；螺旋桨本体的运动性质是与水轮恰恰相反，是轮轴控制叶片旋转，轮轴是主动的，叶片是被动。这两种机械的设计目的不同，运动性质截然相反，是不能相提并论的。

其二，“四叶片水轮”的叶片几何形状不合理，导致叶片本体产生力矩损失严重。

1、叶片迎水产生旋转力矩原理，是一种典型的“重心”在中间的一种“杠杆原理”。叶片顶部上的点一定是迎水产生力矩的值最大，而根部上的点一定是迎水产生力矩值最小的，叶顶处的施力是极具利用价值的。所以，设计叶片时，在条件允许的情况下，叶顶部应设计的尽量宽一些，以便使叶片更有效地利用水能在叶顶部产生的力矩。

2、因叶片是绕轴旋转的，所以距离轴心越近的点的运行轨迹周长越短，距离轴心越远的点的运行轨迹周长越长。因此，在水轮迎水旋转时，距离轴心越近的点的线速度越低，距离轴心越远的点的线速度越高，根据这种水轮旋转时的圆周运动特性，所以说，叶片形状应该越靠近轴心处越窄，距离轴心越远处应该越宽。即叶片每一点的宽度应与这个点的线速度相吻合，叶片顶部越宽意味着迎水面积越大其获得的水能也将越大，水的利用率也会提高。

3，“四叶片水轮”的叶片几何形状不符合上述原理，叶片数少、叶片排列角度达不到最佳角度，不能充分地利用水能，造成能量损失。

4，以“四叶片水轮”为代表的传统水轮设计，存在误区，那就是

“叶片数与转速成反比”。

不可否认，宽叶片与窄叶片相比，宽叶片在旋转过程当中产生的阻力较大，同理多叶片的长生阻力也越大，但是，同时叶片多、宽的迎水面受水压力也比少、窄叶片大水能的利用率也越高。水轮之所以转动是因为叶片所受水的正冲力大于水轮旋转过程中叶片所受阻力，因此，可以看出同等条件下宽叶片水轮较窄叶片水轮更容易接受和吸收水能，水轮获得的能量更多，水轮更容易转动，转速更高。

研究发现目前“四叶片水轮”存在严重不足，经过反复试验最后发明了最佳的水轮叶片形式，同等条件下这种水轮叶片可以最大程度获取水能。附加传统“四叶水轮”示意图如图1所示。

1、水轮轴

2、水轮叶

图1：传统四叶水轮

三、新型多叶水轮技术优点：

1、本新型多叶水轮机结构特点

轮毂较大，约为整体直径的一半；叶片较多，为12片呈最佳迎水角度环轮毂均匀分布；叶片为顶部宽根部窄，背水侧有折一定角度

的导水设计可最佳利用水动能；轮毂的迎水、背水两面皆有圆锥体盘盖。如图2所示：

1、水轮轴

2、圆锥盘盖

3、水轮叶

图2：新型多叶水轮

2、新型多叶水轮的优势

新型多叶水轮叶片采用独特设计，其叶片与传统水水轮叶片不同，保留传统水轮叶片根部窄小，顶部宽大的梯形设计的优点，叶片顶部更有利于受力，相同条件，此种水轮叶给水轮的转矩更大，更有利于水轮转动，水轮转动速度也会更高本设计的水轮增加，在此基础上，新型多叶水轮叶片采用最优设计，其打破传统四叶水轮设计理念，水轮上可以加装多个叶片至12片，多叶片水轮可以更好地利用穿过水轮机的水能，成倍提高水能的利用率；然而，叶片多这然轮毂直径也同时变大，迎水面的阻力增大对设备要求比较高，轴承部位的强度也有影响，这个设计会带来副作用，为了克服这个缺点本新型水轮在迎水增加一个圆锥形盘盖设计来减小水冲击阻力；另外，新型水轮叶

的背水一侧采用飞机机翼的导风设计技术结构上比传统叶片增加了导水角度设计大大的提高了水能的利用，这种设计使轮叶迎水面能更有效地接受水能吸收水能，而背水一面同时可以降低水的阻力，更有利于水轮转动。总之，此新型水轮设计打破了传统的水轮设计思路，使水轮叶片更加合理，更加符合流体动力学，是水电史上的伟大革命与创新。

总之，发明研制的新型多叶水轮有以下主要性能及特点：

1）水轮启动的水流量小；

2）水轮运转扭力强劲；

3）水轮启动速度快；

4）可以水平流发电；

5）水轮转速高，节水量40%--80%；

6）结构简单，由于具备以上有点本新型多叶水轮可以利用于小、中型水力发电；

7）水轮使用范围广,资源利用率高；水能转化率高；

8）水轮运转稳定；

8）轮多叶片直径小制造成本低；

9）水轮制造安装调整简单故障率低，水轮变角系统基本达到免维护；

10）水轮改造成本低。