CN101929413B - 随水位自动调节的水轮机及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种随水位自动调节的水轮机及应用。在水轮机支撑架底设置一个浮艇；在水平轴的两端分别设有一个导向架，导向架上设置有一条垂直于水面的开口，水平轴横穿开口设置在两个导向架之间，力矩盘设置在两个导向架内侧的水平轴上。本发明的水轮机可以随河流的水位调节叶轮的转动位置，使其适用于丰水期和枯水期，利用率高。

Description

随水位自动调节的水轮机及应用

技术领域

本发明涉及一种随水位自动调节的水轮机及应用，属于水轮机发电技术领域。

背景技术

水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形——水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。

但是大型水轮机设备并不适合中小型的河流：大型水轮机所需的启动流速远远大于中小型河流中河水的流速；为此本领域的技术人员做出了积极地改造，将水轮机的体积减小，使其水轮机适合中小型河流。实践证明，架设在中小河流中的水轮发电机的利用率也不高，其主要原因在于：因为中小河流都是季节性的流水，在丰水期时，水位较高，超过水轮机的最佳水位，阻碍水力发电机的运转；在枯水期时，水位则较低，水位会低于水轮机的最低水位，使其完全不能利用水流发电。由此可以看出，开发中小水流发电的瓶颈在于水轮机能否适应水位的变化。

发明内容

为了解决以上所述的技术问题，本发明提供一种能随水位高低自动调节的水轮机，本发明还公开一种利用上述水轮机进行水力发电的方法。

本发明的技术方案如下：

一种能随水位高低自动调节的水轮机，包括支撑架、水平轴、叶轮，其中两个支撑架之间水平设置水平轴，水平轴通过轴承与支撑架相连；水平轴上设有叶轮，叶轮包括叶柄和叶片，叶片通过叶柄与水平轴固定连接，其特征在于，在支撑架底设置有浮艇；在水平轴的两端分别设有一个导向架，导向架上设置有一条垂直于水面的开口，水平轴横穿开口设置在两个导向架之间，力矩盘设置在两个导向架内侧的水平轴上。本发明利用了浮艇将支撑架托起，使其漂浮于水面之上，随水位的变化随时调整；在水平轴的两端设置导向架，起到固定作用，使本发明只可以随水位上下调整，不会随处漂流，确保水轮机工作的稳定性。

所述的支撑架上还设置有支杆，支杆的长度大于等于叶轮的半径。设置支杆的作用在于，当水位下降至低水位时，水轮机在支杆的支撑下避免触底，继续工作。

所述的导向架是钢结构的架体、高强度塑钢的架体或者是钢筋混凝土的墙体。导向架固定设置在河床上，确保水轮机正常工作。采用钢筋混凝土搭建的墙体，还可以起到引导水流的作用，使两个墙体之间的水流的流量和流速增加，进而增加对水轮机的推动力。

所述叶轮的组数为3-5组；所述的每组叶轮设有3～7个叶片，每组叶轮设置的叶片数量均相同。

所述的叶片的形状为簸箕形。

叶轮组数为3组，每组叶轮均设有5个叶片，同组叶轮的相邻两叶柄的夹角度数为72度，相邻两叶轮的叶柄的夹角度数24度。优选3组叶轮，使得水平轴的长度适中，确保水平轴在刚性范围内正常工作；每组叶轮均设有5个叶片利于轴系平衡。相邻两叶轮的叶柄的夹角度数24度，从水轮机的侧面可以看出，整个叶轮的360度被15个叶柄所均分，使水轮机受力密度增加，均匀，还不会增加水平轴的负担，确保轴系的平衡稳定。

实验表明，在水平轴上设置3组叶轮，每组叶轮设置5个叶片，共15个角度相措设置的叶柄和叶片，其产生的力矩比一个叶轮设置15个叶片的情况均匀，水能利用率也高，稳定性能好。

所述水平轴长3～5米，所述的力矩盘的直径为25-40cm。

所述叶柄的长度为2～3米。

利用以上的水轮机进行发电的方法，步骤如下：

1)将低速永磁发电机固定设置在浮艇上，将水轮机的力矩盘与低速永磁发电机组相连；

2)当水流速度大于等于2m/s时，水轮机的叶轮开始转动；

3)叶轮的转动带动力矩盘转动，力矩盘与低速永磁发电机相连，带动发电机组进行发电。

步骤2)所述的水流速度范围是：2m/s～20m/s，叶轮的转速为6～7转/min。

本发明的有益效果在于：

1)本发明适合中小型河流发电，水流速度只需大于等于2m/s即可发电；

2)本发明的水轮机的设计紧凑、合理，故障率低，运输、安装和维护简单方便，经济适用。

3)本发明的水轮机可以随河流的水位调节叶轮的转动位置，使其适用于丰水期和枯水期，利用率高。

附图说明

图1是本发明水轮机的机构示意图；

图2是本发明的叶轮机构示意图。

在图1～2中，1、支撑架；2、水平轴；3、水面；4、力矩盘；5、叶柄；6、叶片；7、支杆；8、浮艇；9、导向架；10、开口；11、轴承。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例中所述的叶片均为簸箕形。

实施例1、

一种能随水位高低自动调节的水轮机，包括支撑架1、水平轴2、叶轮，其中两个支撑架1之间水平设置水平轴2，水平轴2通过轴承11与支撑架1相连；水平轴2上设有叶轮，叶轮包括叶柄5和叶片6，叶片6通过叶柄5与水平轴2固定连接，其特征在于，在支撑架1底设置有浮艇8；在水平轴2的两端分别设有一个导向架9，导向架9上设置有一条垂直于水面的开口10，水平轴2横穿开口10设置在两个导向架9之间，力矩盘4设置在两个导向架9内侧的水平轴2上。

在所述的支撑架1上还设置有支杆7，支杆7的长度大于等于叶轮的半径。

所述的导向架9是钢筋混凝土的墙体。

叶轮组数为3组，每组叶轮均设有5个叶片，同组叶轮的相邻两叶柄5的夹角度数为72度，相邻两叶轮的叶柄5的夹角度数24度。

从图2可以看出，整个叶轮的360度被15个叶柄5所均分，使水轮机采集的采集密度增加，采集均匀，还不会增加水平轴的负担，确保轴系的平衡稳定。

实验表明，在水平轴2上设置3组叶轮，每组叶轮设置5个叶柄5和叶片6，共15个角度相措设置的叶柄5和叶片6，其产生的力矩比一个叶轮设置15个叶柄和叶片的情况均匀，水能利用率也高，也更加稳定。

所述水平轴2长3米，所述的力矩盘4的直径为30cm。

所述叶柄5的长度为2米。

本实施例的水轮机的工作原理：

当丰水期时，浮艇8在浮力的作用下随着水面上升，托动支撑架1也上升，水平轴2在导向架9的开口10的导向作用下垂直向上运动，同时，水平轴2上的叶轮在水流的推动下正常转动；

在枯水期，浮艇8在浮力的作用下随着水面下降，托动支撑架1也下降，水平轴2在导向架9的开口10的导向作用下垂直向下运动，水位过低时，支杆7首先触底，将叶轮固定支撑在正常工作高度，同时，水平轴2上的叶轮在水流的推动下正常转动。

实施例2、

利用实施例1的水轮机进行发电的方法，步骤如下：

1)将低速永磁发电机固定设置在浮艇8上，将水轮机的力矩盘4与低速永磁发电机组相连；

2)当水流速度大于等于2m/s时，水轮机的叶轮开始转动；水流速度范围是：2m/s～20m/s，叶轮的转速为6～7转/min。

3)叶轮转动带动力矩盘4转动，力矩盘4与低速永磁发电机相连，带动发电机组进行发电。

实施例3、

如实施例1所述的水轮机，区别在于：

在水平轴2上设置5组叶轮，所述的叶轮均设有5个叶片。同组叶轮的相邻两叶柄5的夹角度数为72度，相邻两叶轮的叶柄5的夹角度数14.4度。

从水轮机的侧面可以看出，整个叶轮的360度被25个叶柄5所均分，因此θ角的度数为14.4度。

Claims (6)

1.一种能随水位高低自动调节的水轮机，包括支撑架、水平轴、叶轮，其中两个支撑架之间水平设置水平轴，水平轴通过轴承与支撑架相连；水平轴上设有叶轮，叶轮包括叶柄和叶片，叶片通过叶柄与水平轴固定连接，其特征在于，在支撑架底设置有浮艇；在水平轴的两端分别设有一个导向架，导向架上设置有一条垂直于水面的开口，水平轴横穿开口设置在两个导向架之间，力矩盘设置在两个导向架内侧的水平轴上；所述的支撑架上还设置有支杆，支杆的长度大于等于叶轮的半径；所述叶轮的组数为3-5组；每组叶轮设有3～7个叶片，每组叶轮设置的叶片数量均相同。

2.根据权利要求1所述的水轮机，其特征在于，所述的导向架是钢结构的架体、高强度塑钢的架体或者是钢筋混凝土的墙体。

3.根据权利要求1所述的水轮机，其特征在于，叶轮组数为3组，每组叶轮均设有5个叶片，同组叶轮的相邻两叶柄的夹角度数为72度，相邻两叶轮的叶柄的夹角度数24度。

4.根据权利要求1所述的水轮机，其特征在于，所述水平轴长3～5米，所述的力矩盘的直径为25-40cm；所述叶柄的长度为2～3米。

5.利用权利要求1所述的水轮机进行发电的方法，步骤如下：

1)将低速永磁发电机固定设置在浮艇上，将水轮机的力矩盘与低速永磁发电机组相连；

2)当水流速度大于等于2m/s时，水轮机的叶轮开始转动；

3)叶轮的转动带动力矩盘转动，力矩盘与低速永磁发电机相连，带动发电机组进行发电。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2)所述的水流速度范围是：2m/s～20m/s，叶轮的转速为6～7转/min。

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