摘 要： （专利号：ZL200820009346.8） 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、多级旋转叶轮充分回收水能和有效利用尾管水头的吸力等三种途径来节约能量，从而可以大幅度地提高水轮机的水能转化效率10%左右。尤其是在水头与负荷发生变化的条件下，能更好地保持水轮机运行的稳定性，提高水轮机的平均效率。应用本发明的技术原理，还可以制造多级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，在水头与负荷发生变化的条件下运行稳定性较差，尤其是在低负荷状态下水轮机的转化效率就大打折扣。水能转化的平均效率一般都在80%左右，其余的能量都跟流水一起白白浪费掉了，在提高平均效率方面还有较大的发展空间。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，千方百计地节约能源已经成为全世界的迫切愿望。
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旋转叶轮，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，估计这种水轮机与现有的水轮机相比，大约可以提高水能转化效率10%左右。由于这种水轮机的叶轮级数比较多，所以它就能够在水头与负荷发生变化的条件下，更好地保持水轮机运行的稳定性，从而大幅度地提高水轮机的平均效率。
发明人：梁思武(老师)
地址：四川省广元市旺苍县职业中学 邮编：628200
[
本帖最后由 liang-siwu 于 2009-11-7 19:02 编辑 ]
12楼
的确现在的水轮机效率号称93%或95%，但是，这种效率包括尾管的水头了吗？
回复
13楼
的确现在的水轮机效率号称93%或95%，但是，这种效率包括尾管的水头了吗？
---------------------------------------------------------------------------------------------
凭这句话就能说明你不专业。
回复
14楼
有人说这种水轮机的叶轮增多会浪费钢材，从表面上看这种说法好象很有道理，但是实际情况却恰好相反。因为这种水轮机是通过多级叶轮来分担现在单级叶轮的压力和磨损，所以它的使用寿命将是单级水轮机的多倍，每增加一级叶轮其使用寿命就会增加一倍以上。因此，从长远利益考虑问题，这种多级水轮机并不会浪费钢材，只会比单级水轮机节约钢材。
:victory: :victory: :victory:
[
本帖最后由 liang-siwu 于 2009-11-26 16:41 编辑 ]
回复
15楼
问：级数多了以后，，后一级会影响前一级的水流速度，，每多一级，水的流速就会下降。。。那效率从那里提高呢？。。。。。。
答：你说得有道理。每多一级，水的流速就是会下降，但是水轮机的转速却会提高。水的流速下降，是水能转化效率提高的表现。比如说现在的单级叶轮水轮机，当叶片的倾斜角减小时，水流速度就会提高，但是水轮机的转速就会下降，水轮机的转化效率也会随着下降。
我认为在水轮机和气轮机中，主要是压力能在做功，其次才是流体的动能。在设计过程中必须考虑两方面的作用才能充分发挥效率，如果只注意某一方面都不会收到很好的效果。书上的东西只能作参考，不能全部相信书上的东西，如果书上说的都正确，那么写书的人早就把这些问题解决好了。我希望与大家多多交流，广泛听取各方面的意见。最近有一位广东的客户来电话说他想用这种水轮机，我还没有给他找到厂家生产，目前正为这事着急呀！希望有意合作的水轮机厂家早日与我们联系，我们愿意用免收专利费的方式来大力支持厂家开发产品。
回复
16楼
理论和实际是有差别的，还是拿出实例来说话吧！
回复
17楼
问：你说的多级水轮机能提高度率。我不明白？级数多了以后，后一级会影响前一级的水流速度，每多一级，水的流速就会下降。那效率从那里提高呢？
答：你说得有道理。每多一级，水的流速就是会下降，但是水轮机的转速却会提高。水的流速下降，也可能是水能转化效率提高的表现。比如说现在的单级叶轮水轮机，当叶片的倾斜角减小时，水流速度就会提高，但是水轮机的转速就会下降，水轮机的转化效率也会随着下降。
水轮机主要是靠水的压力能来做功，其次才是水流的冲击动能，流速≠效率。不管是压力能还是冲击动能，获得能量的关键还是要看它们的作用方向。
现在的水轮机里虽然没有固定整流叶轮，但是一般都在旋转叶轮前面安装有整流导叶，这种整流导叶和我们的固定整流叶轮具有相同的导向作用。我们创造性地把一级变成了多级，主要是为了更加充分地发挥它的导向作用，从而进一步地提高水轮机的水能转化效率。
在水轮机中加入固定整流叶轮，虽然会减小了水流速度降低一些水流的冲击动能，但是，它改变了水流的冲击方向，把更多的轴向压力转变为侧向旋转推力，同时也把更多的轴向冲击动能转变为侧向旋转冲击动能。这种改变所获得的水能转化效益远远大于它所失去的水能转化效益，再加上它可以有效地利用尾管水头的吸引力来做功，所以它的水能转化效率将必定大于现有的水轮机效率。
水轮机中弯道损失的动能主要与水流速度相关，流速越小损失越小。
根据液体力学理论，弯道压头损失一是与弯道角度有关，二是与流速的平方有关。在这两个相关因数中，如果弯道角度变化不大，那么影响弯道压头损失的主要因数就是水流速度了。水轮机里的水流速度本来就不大，在水轮机中加入固定整流叶轮后，水流速度一般只会减小而不会增加，综合角度和流速两方面的因数，它给水轮机带来的能量损失并不太大。但是，由于加入固定整流叶轮后使水流改变方向侧向冲击旋转叶轮，就可以让旋转叶轮获得更多旋转推力和动能，从总体来看还是获得的能量多而失去的能量少。
浪费钢材还是节约钢材？
有人说这种水轮机的叶轮增多会浪费钢材，从表面上看这种说法好象很有道理，但是实际情况却恰好相反。因为这种水轮机是通过多级叶轮来分担现在单级叶轮的压力和汽蚀磨损，所以它的使用寿命将是单级水轮机的多倍，每增加一级叶轮其使用寿命就会增加一倍以上。因此，从长远利益来考虑问题，这种多级水轮机并不会浪费钢材，只会比单级水轮机节约钢材。
理论探讨是非常必要的，它可以让我们充分发挥想象空间，来预测一些可能会发生的实验现象，避免一些不必要的意外事故和经济损失。但是，理论探讨永远也无法代替样品试验，因为理论探讨只是我们通过想象得出的结论，它并不一定符合客观实际，只有实际的样品试验才是客观现实的真实反映，所以，只有实践才是检验真理的唯一标准。例如我们的游泳速成腰带，许多人在初次看到我们的产品时就预测出许多可能会发生的现象，但是，大量的使用实践证明他们的预测是错误观点，这种产品的实际效果比我们想象的都好。
天上不会无故地掉下馅饼，世界上也没有免费的午餐。因此，希望有意开发新技术和新产品的厂长经理们，千万不要只停留在理论探讨阶段，一定要积极想办法进行试验。尤其是想通过新技术和新产品来开拓市场的厂长经理们，更应该积极投入资金进行试验。因为只有试验才能真实地反映客观规律，只有试验才能真正地发现问题，只有试验才是诞生新技术和新产品的摇篮。
回复
18楼
看了诸位大虾的高论，作为搞这一行多年的人，虽然没有什么建树，但我想，作为讨论专业问题，就首先应该了解，学习专业的基础知识。水轮机的型谱里，效率和汽蚀性能好的转轮已经很好了，效率在94%的也没什么奇怪的，真机的效率往往高于模型机效率。再想提高10%的可能性是没有的。大家知道，水泵常常设计成多级的，设计成多级后，效率是下降的。
回复
19楼
上楼说的对“水泵常常设计成多级的，设计成多级后，效率是下降的。”但是，多级水泵的扬程却会提高。
水轮机与水泵是两码事，怎么能用水泵的规律来推断水轮机呢？
理论探讨永远也无法代替样品试验，因为理论探讨只是我们通过想象得出的结论，它并不一定符合客观实际，只有实际的样品试验才是客观现实的真实反映，所以，只有实践才是检验真理的唯一标准。例如我们的游泳速成腰带，许多人在初次看到我们的产品时就预测出许多可能会发生的现象，但是，大量的使用实践证明他们的预测是错误观点，这种产品的实际效果比我们想象的都好。
回复
20楼
楼主的想法是好的，不过专业一点。虽然理论上貌似行得通，不过您认真研究过水中动能与压能的关系吗？试考虑一下能量的转换与守恒定律，二级转轮是得到水能还是起到反作用？
回复
21楼
现在可以用CFD来分析。建议楼主找找水科院、哈大所等单位，请他们建立计算机模型来分析。（或楼主自己下功夫研究研究计算机CFD软件，网上搜搜，很多的。）
如果不解决理论计算问题，要想做成产品，是不可能的。
回复
