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76相对转动式水力发电设备的基础研究——相对转动的轴流式转轮稠密度的选择2007．№2

相对转动式水力发电设备的基础研究

——相对转动的轴流式转轮稠密度的选择

(日)田中大辅等

77：水力效率=gQ；
1前言n比转速=nrQ¨，min～，m3／s，m。
由于地球变暖造成海平面上升及石油燃料的枯脚标

竭，环境受到严重的破坏，研究环保对策已成为世界：前段转轮；
性课题。特别是减少温室效应和废气排放，构建循环尺：后段转轮；
型资源已成为当务之急。因此，希望开发和有效利用opt：最高水力效率；

不会枯竭的水力资源。但是，大型水电站的大坝建设：最高单位出力点。
可能会破坏自然环境，而蕴藏量很大的小水力发电潜
3轴流式转轮模型和试验方法
力却很大，笔者从这一观点出发，提出由前、后两段
3．1转轮形状
转轮互相逆向驱动的相对转动式水力发电装置，发电
机将不设定子，设内、外两层转子。有关该方案的有笔者提出的相对转动的轴流式转轮的水流角变化
效性以前曾作过报导【】-。本装置由于切断了发电机磁值在前，后段都相同，也就是说，流入轴向的水流给
场，使相对速度倍增，所以可望将发电机直径或转速予前段转轮转矩后，在出口变成旋流，该旋流在后段
减半。另外，因为作用在发电机两转子间的旋转转矩转轮上，给予前段转轮以逆向转矩，然后轴向流出。
互相抵消，所以在外部没有反作用力，可以不设坚固为了实现这样的流体设计，准备了以前报导过的
的基础螺钉。也就是说，本装置不会大规模的破坏自A型转轮叶片及另外两种B型和C型转轮(图1中的
然环境，适合中小河流简易发电。z、尺为分别表示轴向和周向距离除转轮直径)。不论
根据水头和流量，设计相对转动的轴流式转轮，哪种叶片，都具有圆弧的翘曲线，叶片厚度和弦长按
首先要选择转轮直径和稠密度。下面决定：A型转轮叶片除了进出口之外，叶片厚度
都一定，不论在什么半径处，均用稠密度一定的叶片
2符号说明
弦长。B型叶片参考NACA65A41O0翼型，C型叶片

：叶片数；参考NACA0009翼型决定叶片厚度分布。对于叶片弦
or"：稠密度；长，则参考现有灯泡式水轮机转轮叶片决定。也就是
or"：平均稠密度；说，在轮毂位置(直径90mil1)，对应于叶片弦长，B
Q：流量，，S；型叶片在半径二次方的平均位置处(直径185mm)为

：水头，m；0．83；在外缘位置(直径245mm)为0．67；对应于C
P：水轮机出力，kW；型叶片，在半径二次方平均位置处为0．78，在外缘位
d：转轮直径，m；置为0．56，且要使半径方向呈平滑变化。由于整个转
n：转轮转速，min～；轮叶片都采用自由涡流形式来决定叶片进出口角，所
nr：相对转速=，l一，lR．nfin～；以不必考虑。另外，对于B型、C型转轮叶片，可以
Ⅳll：单位相对转速=九日，m，min～；利用奇点解法和简单剥离点的预测，尽可能减少水力
ⅣJl，：前段转轮的单位转速=nvdlH，m，man一；损失。
ⅣJlR：后段转轮的单位转速=n,d／H，m，min～；图2示出改变上述转轮叶片数量时前后段转轮各
Q单位流量=QI(dZ-H)，m，m3Is；自的形状。在本研究中，利用13种相对转动式轴流转
P单位出力=删m，kW；轮(见表1)的不同前后段组合，研究了稠密度对性能

2o07．№2国外大电机

和流态的影响。表中，字母代表叶片形状，第一个数密度沿半径方向的积分值除以叶片宽度值。／7"M是MF
代表前段转轮的叶片数，第二个数代表后段转轮的叶和O'MR的平均值。
片数。另外，前后段的平均稠密度O'MF、O'MR是将稠

≈≈≈

(a)轮毂断面(b)中央断面(c)翼梢断面

图1相对转动式转轮的表面形状

-
-5-4
(a)转轮叶片A_前转轮(b)转轮叶片A_后转轮

=5．Z~-4-3Z~--4322
(c)转轮叶片B．前转轮(d)转轮叶片B一后转轮
■■■■■■
=5=4Zb：4Zb-3=2
(c)转轮叶片C一前转轮(f)转轮叶片B一后转轮

图2相对转动式转轮

表1后转式转轮的稠密度

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3．2试验方法4稠密度对转轮特性的影响
试验方法与以前报导的相同【l】，但对试验值的评
图3示出测量Q不变，水头日变化时的速度／变水
价在必要的范围则采用了简单表示方法。试验是考虑
头特性。田M是A54型转轮的最高水力效率值。对应
在相对转动式发电机的全部运行条件下进行，以前、
于单位相对转速的各特性，并不随稠密度变化而变化，
后段转轮的相对转矩一致为前提。流量用设在下游管
倾向大体相同。在本转轮的范围内，随着平均稠密度
路内的测量孔求出，水头日则按照一般水轮机试验法，
的减少，最高单