本發明涉及水力發電領域，特別是涉及水輪機尾流能量回收利用的發電領域。

背景技術：

隨著經濟的高速發展，能源的需求量與日俱增，特別在電力行業經常會出現電力供應不足的現象，所以充分利用能源十分必要，水能作為清潔能源已得到廣泛的應用。水輪機是利用水力資源作能量轉換的一種機械裝置，實際運行時，水流經過轉輪，在轉動平面后方形成與葉片轉動方向相反的尾流漩渦，儲存一定能量。但一般情況，尾流不會再進行處理，直接由尾水管排出，其能量沒有得到有效利用，造成了浪費。

轉動參考系中，運動物體將受到科氏力的作用。在北半球，作用力方向為沿運動方向向左，南半球則相反。水平面旋轉的漩渦本身具有一定的角動量，水向下流失，質量減小，而為了保持原有的角動量，角速度就會變大。以上兩種因素共同作用下，水平面的漩渦速度增大。

水力發電本身就存在尾流能量不能有效利用的現象，這是由于尾水管的布置方式受到限制，沒有形成利于尾流漩渦儲存及增加能量的環境。

本發明利用地球科氏力使水平漩渦旋轉速度加快這一特性，提供了一種對水輪機尾流能量回收的轉動系統，來提高水能的利用效率。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是克服上述現有技術的不足，提供了一種用于水輪機的葉輪系統，充分吸收水流動能和水輪機尾流能量，解決了現有水輪機尾流能量浪費的問題。

本發明所采用的技術方案是：

一種吸收水能的葉輪系統，包括沿橫軸安裝的橫軸葉輪葉片、沿豎軸安裝的豎軸葉輪葉片、匯流罩、漸擴式彎肘管道以及導流罩，所述漸擴式彎肘管道的截面為面積逐漸增大的圓形，所述漸擴式彎肘管道包括水平段和豎直段，所述匯流罩設置在所述水平段的入口前端，所述橫軸葉輪葉片設置在所述水平段的入口內，所述豎軸葉輪葉片設置在所述豎直段的出口，所述導流罩設置所述豎直段圓形截面的中心且位于所述豎軸葉輪葉片前端。

所述橫軸葉輪葉片采用厚度為8％～30％弦長的翼型，葉片呈細長型；所述豎軸葉輪葉片采用厚度為小于8％弦長的薄翼型，葉片整體呈扁平寬大形。

所述漸擴式彎肘管道還包括一中間連接過渡段，該中間連接過渡段位于所述水平段和豎直段之間，水平段和豎直段的中心線成90°。

所述橫軸葉輪葉片在北半球，當橫軸葉輪葉片轉到最上方時，橫軸葉輪葉片的前緣在右側，橫軸葉輪葉片的尾緣在左側；所述橫軸葉輪葉片在南半球，當橫軸葉輪葉片轉到最上方時，橫軸葉輪葉片的前緣在左側，橫軸葉輪葉片的尾緣在右側；所述豎軸葉輪葉片在北半球，正視豎軸葉輪葉片，當豎軸葉輪葉片轉到最上方時，豎軸葉輪葉片的前緣在左側，尾緣在右側，且在高度方向前緣在尾緣的右上方；所述豎軸葉輪葉片在南半球，正視豎軸葉輪葉片，當豎軸葉輪葉片轉到最上方時，豎軸葉輪葉片的前緣在右側，尾緣在左側，在高度方向前緣在尾緣的左上方。

所述橫軸葉輪葉片安裝于水平放置的輪轂上，所述輪轂安裝在漸擴式彎肘管道和匯流罩連接處；所述豎軸葉輪葉片安裝在漸擴式彎肘管道豎直段內的豎軸上。

所述導流罩最大半徑處的豎直段內的環形水流流動截面積小于匯流罩的圓形截面積。

本發明葉輪系統的發電原理為，水流由縮口的匯流罩進入漸擴式彎肘管道，當水流過橫軸葉輪葉片時，由于采用風力機翼型結構，翼型產生攻角和升力，進而轉化成切向力矩，驅動橫軸葉輪葉片旋轉，此時橫軸葉輪葉片吸收了水流動時產生的動能。受旋轉橫軸葉輪葉片反作用，離開橫軸葉輪葉片的尾流以一定角速度、和與橫軸葉輪葉片旋轉相反的方向旋轉遠離橫軸葉輪葉片。橫軸葉輪葉片轉動規律是：翼型呈圓弧形的前緣帶動呈尖尾巴的后緣轉動。以此轉動規律為設計標準，在本發明中，正視風輪旋轉平面，橫軸葉輪葉片為瞬時針旋轉，其形成的尾流以逆時針旋轉離開橫軸葉輪葉片并形成不穩定的流場。尾流由于一定的角速度旋轉也具有一定的動能。采用漸擴式的管道結構。經90°轉彎的彎肘管道引流，旋轉的尾流旋渦軸線發生90°的改變，尾流旋轉平面由垂直面變為水平面，尾流繼續在漸擴式彎肘管道中穩流和加速。在豎直段內，尾流漩渦受到地球科氏力和重力的影響，尾流逆時針旋轉的角速度加大，旋轉動能加大。受導流罩的影響，水流向豎軸葉輪葉片的四周分布，由于截面積減小，旋轉速度進一步加大。旋轉流動的水流沖擊豎軸葉輪葉片，產生攻角及切向力矩，與豎軸葉輪葉片進行動量交換，推動其旋轉，進而把橫軸水輪機的尾流和地球科氏力和重力綜合產生的能量進行了利用。

在北半球，地球科氏力影響水流以逆時針的方向旋轉并向下流，而在南半球則相反。為此本發明中，如果橫軸葉輪葉片設計的旋轉方向是順時針旋轉，而豎軸葉輪葉片旋轉的方向是逆時針；在南半球則正好相反。

水流經過橫軸葉輪葉片后，形成與橫軸葉輪葉片旋轉方向相反的尾流漩渦。由連續性方程和伯努利方程，漩渦形狀呈逐漸擴散狀態，由漸擴式彎肘管道引導改變尾流漩渦的流場方向，從而保護其流場完整性及能量水平。

與現有技術相比，本發明葉輪系統，通過設置在橫軸的橫軸葉輪葉片吸收水流水平方向上的動能，尾流并在橫軸葉輪葉片后端產生旋流，在漸擴式彎肘管道內進一步對產生的旋流進行穩流和加速，從而提高尾流對豎軸葉輪葉片的驅動力，從而實現尾流的能量的吸收，達到水能的最大化吸收。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為圖1的左視圖；

圖3為本發明轉輪轉動方向及水流方向示意圖；

圖4為尾流漩渦在立軸轉動葉輪葉片上的水流作用力示意圖，為立軸轉動葉輪的俯視圖。

圖5為橫軸轉動葉輪葉片的剖面圖。

圖6為立軸轉動葉輪葉片的剖面圖。

圖中：1轉輪支架；2輪轂；3橫軸葉輪葉片；4匯流罩；5漸擴式彎肘管道；6導流罩；7豎軸葉輪葉片；8輪轂；9主軸。

具體實施方式

如圖1所示，本發明包括了轉輪支架1、輪轂2、橫軸葉輪葉片3和匯流罩4。轉輪支架1安裝在匯4連接處，輪轂2上安裝橫軸葉輪葉片3，并與轉輪支架1相連接。橫軸葉輪葉片3采用風力機翼型斷面結構，橫軸葉輪葉片寬度由水流速度和葉片數來確定。漸擴式彎肘管道5，由水平段、豎直段和中間連接過渡段構成，水平段和豎直段的中心線成90°彎角，兩者通過中間連接過渡段平滑過渡，其中水平段的前端置有橫軸葉輪葉片3，豎直段的尾部置有豎軸葉輪葉片7。水流入口為縮口的匯流罩4，管道形狀自橫軸葉輪葉片3轉動平面之后保持漸擴狀態。豎直方向上豎軸葉輪葉片7，主軸9有相同旋轉中心線。豎軸葉輪葉片7形狀及安置角度由尾流漩渦的切線速度決定。

來流由匯流罩4進入管道前端，對橫軸葉輪葉片3進行沖擊，葉片產生升力，葉片前緣帶動尾緣而順時針轉動。在反作用力的影響下，葉片后的尾流成逆時針方向旋轉，且繼續向下游前進。該旋轉尾流由漸擴式彎肘管道5的90°彎角引導，由沿水平方向逆時針旋轉前進改變為沿垂直方向逆勢針旋轉。在北半球科氏力影響下，逆時針轉速加大，旋轉動能加大；在重力的影響下，旋轉速度進一步加大；在導流罩6的影響下，由于此時其流通面積逐漸減小，流速進一步加大；具有一定旋轉速度的尾流，沖擊豎軸轉輪的具有一定安裝角的扁平葉片，葉片也會產生升力，帶動主軸轉動。

如圖2正視圖所示，在北半球，葉片的采用前緣在右側，尾緣在左側的安裝方式；如橫軸葉輪葉片3所示，葉片右側為前緣，且呈直線；而左側呈曲線形。在水流流動作用下，橫軸葉輪葉片3右側帶動左側旋轉，最終葉片順時針旋轉，形成如圖1所示的逆時針旋轉的尾流。

如圖2所示，豎軸葉輪葉片7安裝存在一定的向右上方的傾斜角，其中右上方為豎軸葉輪葉片7的前緣，左下方為豎軸葉輪葉片7的后緣。在水流的作用下，右上方帶動左下方旋轉，呈逆時針方向。

如圖3所示，轉輪支架1尺寸較小且安裝方向與來流方向相互垂直，故不會削減來流速度并對原流場分布造成大程度的破壞。根據來流方向及圖2中橫軸葉輪葉片3布置方式，橫軸葉輪葉片3將以順時針方向旋轉(以圖2視圖角度觀察)，旋轉平面后方形成逆時針的尾流漩渦(以圖2視圖角度觀察)。經過漸擴式彎肘管道的90°彎角作用，漩渦中心軸線由水平方向轉變為垂直方向。漩渦維持逆時針旋轉方向作用在豎軸葉輪葉片7上，推動轉輪同樣以逆時針方向旋轉(以圖4視圖角度觀察)。橫軸葉輪旋轉方向為順時針(以圖2視圖角度觀察)，彎肘管道水平段、豎直段的尾流漩渦方向為逆時針(分別以圖2、圖4視圖角度觀察)，豎軸葉輪的旋轉方向為逆時針(以圖4視圖角度觀察)。以上針對布置在北半球的系統成立，對于南半球，葉片安置方向、葉輪旋轉方向、尾流漩渦旋轉方向均與上述相反。

如圖4所示，逆時針的水流沖擊豎軸轉動葉輪葉片，產生攻角及切向力矩，與葉片進行動量交換，推動其旋轉，葉輪旋轉方向與水平面漩渦方向相同，為逆時針(以圖4視圖角度觀察，標箭頭旋線部分為外線)。

如圖5所示，橫軸轉動葉輪的葉片采用翼型結構，其右側為圓弧形，為前緣；左側為尖尾形，為尾緣；在流體的作用下，前緣帶動尾緣旋轉。

如圖6所示，豎軸轉動葉輪為軸流轉槳式結構，葉片采用彎曲不大的薄翼，葉片扁平，其右側也為圓弧形，為前緣；左側為尖尾形，為尾緣；在流體的作用下，前緣帶動尾緣旋轉。