多 级 节 能 水 轮 机
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摘　要：

本发明是一种多级叶轮的轴流式水轮机，它是在水轮机壳内的同一根转动轴上依次串连了多个旋转叶轮，在每个旋转叶轮的前面设置一个固定的整流叶轮来连接水轮机壳和支撑转动轴。它主要通过固定整流叶轮来控制水流的冲击方向、多级旋转叶轮回收水能和充分利用尾管水头的吸力等三种途径来节约能量，从而可以使水轮机的转化效率从现在的40%提高到60－80%。应用本发明的技术原理，还可以制造多级叶轮的节能蒸汽机及其它流体动力机械。



目前公知的水轮机基本上都是单级叶轮结构，在把水能转化为机械能方面的效率很差，一般的能量转化效率为30－40%，其余的能量都跟流水一起白白浪费掉了。在当今这个经济高速发展、能源非常紧张和环保压力已经达到极限的时代，再继续这样大量地浪费能源，其后果只能给世界环境带来灾难性的链锁反应。

如“多级无效作用结构示意图”所示，现有水轮机不能实现多级结构的主要原因是：冲击水流经过第一级叶轮后就大幅度地改变了原来的方向在水轮机内旋转前进，不能有效地对后面的旋转叶轮做功了。如果继续增加叶轮的级数还会降低水轮机的能量转化效率。


根据压强公式P＝F/S得F＝PS，当水的压强一定时，要想使水轮机获得更大的动力，其中最重要的一条途径就是增大水轮机的受力面积。而增加受力面积的最好办法：就是增加旋转叶轮的级数。

为了克服现有水轮机单级叶轮造成的能源损失，本发明提供了一种多级叶轮的轴流式水轮机，该水轮机可以保证冲击水流通过第一级叶轮后，仍然能够对后面的各级叶轮进行有效的做功，从而达到节约能源之目的。

本发明解决其技术难题所采用的改进方案是：在圆管形的水轮机壳中，多个旋转叶轮依次串连在同一根转动轴上，在每一个旋转叶轮的前面设置一个固定的整流叶轮来连接水轮机壳和支撑转动轴。如“多级有效作用结构示意图”所示，当冲击水流对直冲过第一个旋转叶轮并推动其旋转时，它也就随之改变方向旋转着冲向下一个固定叶轮，固定叶轮上的每一个叶片都会纠正和梳理通过它的水流方向，使其按照叶片的设置方向冲击下一个旋转叶轮。依次类推周而复始，就可以使一台多级叶轮的轴流式水轮机正常地运行了。

在这种多级叶轮的轴流式水轮机中，起关键作用的就是设置在每个旋转叶轮前面的固定整流叶轮。由于它的设置，让我们可以合理地改变和控制水轮机内的水流冲击方向，也就是让我们可以合理地改变和控制水轮机内作用力的方向。这样我们就可以通过固定叶片设置，让那些原来随叶轮旋转而不做功的力改变方向来冲击叶轮做功；同时我们也可以改变那些正向冲击叶轮的力来侧向冲击叶轮，让它多做有用功而少做无用功（如“多级有效作用结构示意图”所示，与旋转叶片的倾斜方向相反设置固定整流叶片）。

现有的轴流式水轮机为了充分利用水能，旋转叶片的倾斜角一般都设置的比较大。这种多级叶轮的水轮机因为回收水能的叶片数量很多，所以在设计旋转叶轮时就可以适当减小叶片的倾斜角。减小旋转叶片的倾斜角主要有以下两方面的好处：一是可以减小旋转叶轮的轴向压力少做无用功；二是可以减小水流冲击固定整流叶片的倾斜角，降低水轮机内部的弯道能量损失。

如“多级节能水轮机结构示意图”所示，这种水轮机是一种弯曲程度很小的均匀管状结构，整个运行过程中的水流方向改变不大，所以经过弯道损失的能量就很少。因此，它不仅可以有效地利用水轮机上面的水头压力，同时也可以有效地利用水轮机下面尾管水头的吸引力，从而达到充分利用全程水头之目的。

综上所述，这种多级叶轮的轴流式水轮机主要通过以下三条途径来达到节能目的：一是变单级叶轮为多级叶轮，多次重复利用水能；二是通过固定整流叶片的倾斜设置来改变水流冲击旋转叶轮的方向，从而来减少旋转叶轮的轴向压力和增加横向旋转推力；三是有效地利用了水轮机下面尾管水头的吸引力来减少能量损失。通过这三条途径充分地实现了水轮机的节能目标，估计这种水轮机的水能转化效率可以达到60—80%，与现有的水轮机转化效率40%相比，可以提高转化效率50—100%。

发明人：梁思武(老师)
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