本發(fā)明涉及一種液力透平和液力透平的設(shè)計(jì)方法，具體涉及一種出流腔與蝸殼的出口相連、簡(jiǎn)化低比轉(zhuǎn)速液力透平葉片的三維扭曲設(shè)計(jì)、具有可調(diào)角度的導(dǎo)葉的管道式能量高效回收低比轉(zhuǎn)速液力透平和液力透平的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、在石油、化工、化肥等行業(yè)中，許多高壓液體向低壓裝置的轉(zhuǎn)移通常是通過(guò)閥門節(jié)流來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這此過(guò)程中液體的壓力能被浪費(fèi)。為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能降耗的號(hào)召，助力“雙碳”目標(biāo)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，有必要對(duì)這些余壓潛能進(jìn)行有效回收。

2、傳統(tǒng)的水輪機(jī)不適合在管道前后都有壓力的場(chǎng)合使用。而由于成本低廉，泵反轉(zhuǎn)作透平裝置已被廣泛應(yīng)用。然而，管道泵作為透平裝置時(shí)，其設(shè)計(jì)基于泵的工況，而非透平的工況，因此能量回收效率較低。

3、一些液力透平葉片設(shè)計(jì)為三維扭曲結(jié)構(gòu)，例如專利cn113849931b，通過(guò)優(yōu)化彎曲和扭轉(zhuǎn)角度引導(dǎo)液體并提高能量轉(zhuǎn)化效率，但設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。本發(fā)明簡(jiǎn)化了這一過(guò)程，針對(duì)低比轉(zhuǎn)速的液力透平，使用通用參數(shù)化方程，根據(jù)葉輪直徑、總高度和葉片包角描述葉片的三維扭曲形狀。采用這種葉片形狀的液力透平，配合可調(diào)角度的導(dǎo)葉，擴(kuò)大了高效工作區(qū)間，從而提升了能量回收效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種出流腔與蝸殼的出口相連、簡(jiǎn)化低比轉(zhuǎn)速液力透平葉片的三維扭曲設(shè)計(jì)、具有可調(diào)角度的導(dǎo)葉的管道式能量高效回收低比轉(zhuǎn)速液力透平和液力透平的設(shè)計(jì)方法。

2、本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)解決上述技術(shù)問(wèn)題的：一種管道式能量高效回收低比轉(zhuǎn)速液力透平，所述管道式能量高效回收低比轉(zhuǎn)速液力透平包括：液力透平葉輪、蝸殼、導(dǎo)葉、出流腔、軸；所述出流腔與蝸殼的出口相連接，出流腔經(jīng)過(guò)彎折設(shè)計(jì)，所述管道式能量高效回收低比轉(zhuǎn)速液力透平能夠安裝在直線型管道中間；該低比轉(zhuǎn)速管道液力透平能夠與管道的前后部分連接；液力透平葉輪與導(dǎo)葉位于蝸殼內(nèi)部，若干個(gè)導(dǎo)葉環(huán)繞于液力透平的外圍圓周上；導(dǎo)葉的數(shù)量大于液力透平葉輪的葉片的數(shù)量。

3、在本發(fā)明的具體實(shí)施例子中，液力透平葉輪的葉片是規(guī)則的三維空間扭曲結(jié)構(gòu)。

4、在本發(fā)明的具體實(shí)施例子中，將出流腔彎折并向上抬起，蝸殼入口與出流腔出口的軸線重合。

5、在本發(fā)明的具體實(shí)施例子中，透平葉輪包括7-15片葉片。

6、在本發(fā)明的具體實(shí)施例子中，透平葉輪包括11片葉片。

7、在本發(fā)明的具體實(shí)施例子中，每片導(dǎo)葉均設(shè)置有可調(diào)節(jié)導(dǎo)葉的角度的導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器。

8、在本發(fā)明的具體實(shí)施例子中，導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器為可旋轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)器，導(dǎo)葉和導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器固定連接在一起。

9、一種管道式能量高效回收低比轉(zhuǎn)速液力透平的設(shè)計(jì)方法，所述設(shè)計(jì)方法中比轉(zhuǎn)速ns計(jì)算公式為：

10、

11、其中，n為液力透平葉輪的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速(單位：r/min)，q為設(shè)計(jì)流量(單位：m3/s)，h為透平的水頭(單位：m)；

12、所述低比轉(zhuǎn)速管道液力透平，適用于比轉(zhuǎn)速在10～80的范圍內(nèi)；在這種比轉(zhuǎn)速的情況下，液力透平的水頭高，水流速度快，流量較小。

13、在本發(fā)明的具體實(shí)施例子中，液力透平的葉輪葉片是規(guī)則的三維空間扭曲結(jié)構(gòu)，葉片的形狀用參數(shù)化方程表示；在柱坐標(biāo)系下，葉片的徑向位置r隨軸向位置z的變化，表示為：

14、

15、葉片的扭轉(zhuǎn)角度θ隨軸向位置z的變化，表示為：

16、

17、其中，葉輪半徑為d/2(d為葉輪直徑)，z為葉輪總高度，θ0為葉片初始角度，φ為葉片的設(shè)計(jì)包角；在設(shè)計(jì)葉片時(shí)，根據(jù)給定的葉輪直徑、總高度和葉片包角，通過(guò)徑向位置和扭轉(zhuǎn)角度公式用來(lái)描述葉片的三維扭曲形狀；設(shè)計(jì)的葉片是液力透平葉輪的一片，通過(guò)旋轉(zhuǎn)復(fù)制該葉片，即可得到完整的液力透平葉輪。

18、本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于：本發(fā)明提供的管道式能量高效回收低比轉(zhuǎn)速液力透平和液力透平的設(shè)計(jì)方法與常見的技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：

19、1、本發(fā)明可廣泛適用于輸配水、市政、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等管道系統(tǒng)的高水頭余壓區(qū)段，既能有效利用管道中的余壓能，又可作為調(diào)流和調(diào)壓裝置。

20、2、本發(fā)明簡(jiǎn)化了復(fù)雜的三維扭曲的低比轉(zhuǎn)速液力透平葉片設(shè)計(jì)，采用通用參數(shù)化方程表示葉片的三維空間扭曲形狀。根據(jù)給定的葉輪直徑、總高度和葉片包角，可以在柱坐標(biāo)系中通過(guò)公式用來(lái)描述葉片的三維扭曲形狀。根據(jù)實(shí)際工程和工藝需求，適當(dāng)修剪葉片后即可應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種管道式能量高效回收低比轉(zhuǎn)速液力透平，其特征在于：所述管道式能量高效回收低比轉(zhuǎn)速液力透平包括：液力透平葉輪、蝸殼、導(dǎo)葉、出流腔、軸；所述出流腔與蝸殼的出口相連接，出流腔經(jīng)過(guò)彎折設(shè)計(jì)，所述管道式能量高效回收低比轉(zhuǎn)速液力透平能夠安裝在直線型管道中間；該低比轉(zhuǎn)速管道液力透平能夠與管道的前后部分連接；液力透平葉輪與導(dǎo)葉位于蝸殼內(nèi)部，若干個(gè)導(dǎo)葉環(huán)繞于液力透平的外圍圓周上；導(dǎo)葉的數(shù)量大于液力透平葉輪的葉片的數(shù)量。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道式能量高效回收低比轉(zhuǎn)速液力透平，其特征在于：液力透平葉輪的葉片是規(guī)則的三維空間扭曲結(jié)構(gòu)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道式能量高效回收低比轉(zhuǎn)速液力透平，其特征在于：將出流腔彎折并向上抬起，蝸殼入口與出流腔出口的軸線重合。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道式能量高效回收低比轉(zhuǎn)速液力透平，其特征在于：透平葉輪包括7-15片葉片。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的管道式能量高效回收低比轉(zhuǎn)速液力透平，其特征在于：透平葉輪包括11片葉片。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道式能量高效回收低比轉(zhuǎn)速液力透平，其特征在于：每片導(dǎo)葉均設(shè)置有可調(diào)節(jié)導(dǎo)葉的角度的導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的管道式能量高效回收低比轉(zhuǎn)速液力透平，其特征在于：導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器為可旋轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)器，導(dǎo)葉和導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器固定連接在一起。

8.一種管道式能量高效回收低比轉(zhuǎn)速液力透平的設(shè)計(jì)方法，其特征是：所述設(shè)計(jì)方法中比轉(zhuǎn)速ns計(jì)算公式為：

9.根據(jù)要求8所述的設(shè)計(jì)方法，其特征是：液力透平的葉輪葉片是規(guī)則的三維空間扭曲結(jié)構(gòu)，葉片的形狀用參數(shù)化方程表示；在柱坐標(biāo)系下，葉片的徑向位置r隨軸向位置z的變化，表示為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種管道式能量高效回收低比轉(zhuǎn)速液力透平和液力透平的設(shè)計(jì)方法，包括液力透平葉輪、蝸殼、導(dǎo)葉、出流腔、軸；出流腔與蝸殼的出口相連接，出流腔經(jīng)過(guò)彎折設(shè)計(jì)，本發(fā)明能夠安裝在直線型管道中間；低比轉(zhuǎn)速管道液力透平能夠與管道的前后部分連接；液力透平葉輪與導(dǎo)葉位于蝸殼內(nèi)部，若干個(gè)導(dǎo)葉環(huán)繞于液力透平的外圍圓周上；導(dǎo)葉的數(shù)量大于液力透平葉輪的葉片的數(shù)量。本發(fā)明可廣泛適用于輸配水、市政、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等管道系統(tǒng)的高水頭余壓區(qū)段，能有效利用管道中的余壓能，可作為調(diào)流和調(diào)壓裝置。本發(fā)明采用通用參數(shù)化方程表示葉片的三維空間扭曲形狀。根據(jù)給定葉輪直徑、總高度和葉片包角，在柱坐標(biāo)系中通過(guò)公式用來(lái)描述葉片的三維扭曲形狀。

技術(shù)研發(fā)人員：司喬瑞,尤保健,萬(wàn)博臣,高超,蘆洪鐘
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海凱泉泵業(yè)（集團(tuán)）有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15