CN1021074C - 水力涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种水力涡轮机，它包括：一个沿中轴线延伸的中心主体部分，其径向尺寸沿中轴线朝底部是增加的；多个轮叶以一定间隔设置在中心主体部分的外周面上，从而在轮叶间形成相应的凹槽，每个凹槽沿下游方向扩张，每一轮叶自其前端延伸至其末端，其前端设置在中心主体外周面的中间部分，而其末端设置在上述底部的外围附近，每一轮叶自其前端至末端，其倾斜角度基本上是减小的，其径向尺寸基本上是增加的；底部是被设计成当水流轴向地流过主体部分流向底部时，可使涡轮机旋转，并且在底部近中轴线处的附近及其下游的水流中形成压力很低的低压区。

Description

本发明是涉及一种以液力操作的涡轮机，特别地，但并不是唯一地涉及一种当全部或部分地浸在水流中时能用作泵水、发电、或作其它工作的水力涡轮机。

在许多方面的用途上，希望可以利用一流动流体所能提供的能量，举例来说，在许多有农业应用上，需要利用河流中的能量来往高处泵水，以作储存用途。在一些远离市区的地方，发电是特别需要的。

以往水轮机是被应用于将河流或水流中水流动的能量加以利用，通常这些水轮机的缺点是：尤其在缓慢水流中，具有低效率的特性。为了产生有用的水轮转速和较高的能量水平，需要一流动急速的水流，或需建设一水坝，以便提供足够的水头来带动水轮机。

风车是用于泵水的，但风力的提供并不是可预料的，尤其在需要时会不足够。风车亦是按水轮机的同一原理来运作，在微风下通常是并不很有效。

需要一种可在水流，如河流或潮流中运作，耐用和制造费用便宜的高效率水力涡轮机。再者，需要一种即使在低水流速度中也可发挥出较高能量的涡轮机。此外，在很多用途上，水轮机在充满杂物，例如在水流中有许多流动着的海藻等的情况下，仍然能运作是很重要的。

本发明的目的是对现有技术作出的新的和有用的发展。

根据本发明所提供的水力涡轮机，它包括：一个沿中轴线延伸的中心主体部分，该主体部分的径向尺寸沿中轴线朝底部是增加的;多个轮叶以一定间隔设置在中心主体部分的外周面上，从而在轮叶间形成相应 的凹槽，每个凹槽沿下游方向扩张，每一轮叶自其前端延伸至其末端，其前端设置在中心主体外周面的中间部分，而其末端设置在上述底部的外围附近，再者，每一轮叶自其前端至末端，其倾斜角度基本上是减小的;其特征在于：每一轮叶自其前端至末端，其径向尺寸基本上是增加的;上述底部是被设计成当水流轴向地流过主体部分流向底部时，可使涡轮机旋转，并且在底部近中轴线处的附近及其下游的水流中形成压力很低的低压区。

中心主体部分最好是圆锥形的。

最好采用少量的大面积轮叶，例如五至十二片，最理想地是九片绕中心主体部分外周面等距配置的轮叶。每个轮叶的末端设置在底部附近，和相邻一片轮叶的前端大致处在同一中轴平面上，即每一轮叶是顺着圆周方向与下一片轮叶重叠大约50%。

每一轮叶是与通过其中心点的中轴平面成一约45°的角度。

更理想地，每一轮叶的前端是设置在中心主体部分的大致中段位置。

更有好处地，中心主体可以是空心的，并可容纳一水泵，如一正排量泵，该泵具有一组对置的液压缸，和连接至一曲轴的相应活塞，以及一个改变缸内活塞行程的装置，举例来说，可设置一位置可移动的曲柄销。另一选择是，可应用一可变冲程的膜片泵。再一选择是，可将一发电机装置在该中心主体里。

以下将根据附图描述本发明的实施例，附图中：

图1是本发明的一水力涡轮机的侧视图;

图2是涡轮机主体和轮叶的结构图;

图3是一装置在双体船台上的涡轮机的侧视示意图;

图4是一设置有涡轮机的浮台的实用型的侧视图;

图5是图4所示涡轮机的剖视图，显示水泵的安装情况;

图6是装有三个内置发电机的涡轮机的剖视图;

图7是图6所示涡轮机的侧剖视图;

图8是横过河流并利用中和浮力的装置承托着的一实施例的说明图。

如图1所示，涡轮机具有一圆锥形中心主体20，该主体20有轴线18，并从尖端部分19延伸到横向的平底部21，底部21与轴线18垂直。一组九片相间隔着的弯曲轮叶22是连接在主体20上。

圆锥主体具有一约为65°的底角A，这底角与其他结构特征的结合，将产生出一种多用途的高效率涡轮机。每一轮叶22自其前端23至末端24，在径向上逐渐增大尺寸，前端23处于沿中心主体20的大致中段位置，而末端24则处于底部21的平面上。图1示出一附加的加固棒25，它只固定在最靠下的轮叶末端24处，并沿着与之紧固的底部的一部分延伸。

第五轮叶及圆锥中心主体20是用金属片经济地制成，并如图2所示，采用简单的几何图形。为获得更高的效率，每一轮叶可以采用翼型形状，但这种形状设计将导至较高的成本。图2中明显地显示，对于具有九片轮叶的较理想实施例，其中圆锥主体是由一个154°的扇形制作出来，为了方便制作，这扇形被划分为九个相等的17.11°扇形。每一轮叶沿着圆锥主体延伸，并沿圆周方向围着主体占有两个扇形位置，因而每一轮叶相对于下一轮叶有50%重叠。图2显示每一轮叶22在摊平时之形状，轮叶边缘22A是沿曲线L被紧靠和连接到圆锥主体上。图示的该实施例中，轮叶的倾斜度是向着底部21减小下去。在前端23处，轮叶开始延伸，它与一条在一中轴平面上沿圆锥主体并通过前端的线成34°角位于前端和底部21之间一半的地方（以圆弧A表示），倾斜度已减小至约45°，随后倾斜度继续再减小下去，每一轮叶的后边缘22B，具有相当于圆锥主体20底部直径很大比例的高度。

在典型的实施例中，底部21的直径，如图1中字母X所示，是六十厘米，而轮叶后边缘22B的高度，如尺寸Y所示，是二十厘米。在该实施例中，水力涡轮机的总直径是约一米，其长度最好亦是约一米，或与其总直径相同。该实施例的底角约为65°。

一管状装置26自圆锥主体尖端19向前伸出，用以提供与例如一可能被装置在圆锥主体内的发电机或水泵的联接。

涡轮机上的轮叶的正确数目、轮叶形状和构形以及其相对于圆锥主体的比例，是可以改变的，但那根据图1及图2所描述的结构，被认为是可以提供一高效率的涡轮机，特别是适用于比较缓慢的河流中。举例来说，当应用一总直径为一米的涡轮机时，峰负转速与水流流速基本是线性关系。例如，在流速每秒一米的水流中，可得到约每分钟24转的涡轮转速。

再者，已经发现，该涡轮机在能量的生产方面是相当有效率的;以下的实例只是从一个一米涡轮机来加以说明的：

水流速度    能量（瓦）

0.5米/秒    12.3

1米/秒    98

2米/秒    785

3米/秒    2650

再者，已经发现，涡轮机的外形，包括相邻轮叶间所形成凹槽的发散形状，可基本上提供一种对于水流中夹带着的海藻和杂物的自我清洁的效能;尽管如此，仍然可以得到高效率。本发明的实施例是可以有多种用途，造价便宜，维修需要量低，可靠性高和安装维修与操作简单易行。

本发明另一实施例的效能，可通过一种应用在非常缓慢水流（0.14米/秒;或0.5千米/小时）中，总直径约为1.5米的涡轮机来说明， 已经发现，使用一设置在涡轮主体中的水泵可以达到13.6升/分钟的泵水速率，而水泵的输出水压则为18.2米水头。

本发明的实施例是可以按多种不同的形式来安装，但一种特别有利和有用的装置，将根据图3及图4叙述如下。图3的示意图显示水力涡轮机34被连接到双体船台35上的一种实施例。在该实施例中，涡轮机具有比图1及图2所示的较多的轮叶，但这只是为了说明的目的而已。

双体船台具有一支承棒36，通过一枢轴37安装，该支承棒则是支承着涡轮机34的一端。

一用以拨开杂物的导流尾鳍38，也被安装于双体船台的两浮体之间，并且被连接到支承棒36上。支承棒36与一绳缆39连接，当绳缆被顺着箭头X方向拉动时，便会使组件绕着枢轴转动而提起涡轮机34和导流尾鳍38至图中虚线所示的位置，以方便维修和/或运送。导流尾鳍可以被卸下来，然后被水平地扣紧，如38′所示，以便运送。

另一种可能是更便宜和更方便的结构，其中涡轮机34是被安装在一可转动的主轴上，该主轴以一小角度安装在水面上的轴承中，用以带动一诸如泵、发电机或压缩器等旋转负荷。

现在参考图4中所示本装置的实用形态，图中与图3相应的部分采用相同的标号来表示。在该实施例中，涡轮机34被局部剖开，其中装有一个连接着出水管41的水泵40，而出水管41则由一系缆43所承托着。浮台包括有台架44，缆绳39支承在其上。

双体船的外壳是微微展开成八字形的，即上流端较下游端分离得较开，用以对双体船产生自定心效应。每一外壳可以有中心垂直板42（如图中虚线所示），以进一步增加定心效果，并起会聚管道的作用来增加流过涡轮的水流速度。

图5的实施例中是应用另一不同型式的水泵40A，该水泵具有两组对置的活塞，可在相应的缸筒45中往复移动，活塞通过相应的连杆与一曲 轴46相连接，而该曲轴46则是被连接往涡轮机的底部21，以便与其一起旋转。水泵的前端则被安装到安置管25上。

在涡轮机体底部设有一开口，由一网状物43′盖住。水中可能附有沙粒或其他杂物，而这些杂物则是倾向积聚于圆锥主体的末端内部，如图中51所示，为了避免这问题，将一细管52沿着至少某些轮叶径向向外地延伸至轮叶外尖处，用以排去这些积聚的沙粒。在圆锥主体尖端附近设有小孔53，其是处于主体固体物33的正好下游处，用以当主体被提起离开水面时（如根据图3所描述），把主体中的水排去。

一较理想的另一种进水装置在图5中用虚线表示，也就是主体尖端19附近的一排被网状物盖住的进水孔54，沙粒有效地经末端管道52被排出主体外。

图6及7显示一涡轮机，其是连同与其一起旋转的内置发电机一起被应用。一中心齿轮61被固定在安置管25上，可与行星齿轮64互相作用，用以带动发电机60来发电。发电机经滑动环63连接往电缆62，用以沿布放在安置管25内的电缆输送电能。

涡轮机可配置有一装置（34A），用以提供一中和的浮力，这可以是以一可膨胀气囊的形式被安装在涡轮机里，气囊被充分膨胀，使涡轮机可刚在水面之下被悬浮在水流中。涡轮机是可转动地被拴接往一固定的安置棒25上，用以防止被水流带走;在这情况下是不需要浮台的。在图8中，一安装缆70在树之类的两固定物之间横过一河流伸展，然后一串涡轮机34被拴在安装缆上，并带动如设置在涡轮机内的水泵之类的转动装置。

中心主体部分和轮叶的外形，是容许一般的转动速度，其是较传统的水轮机的转速高出许多，后者的转速是被水流速度所限制着。人们认为这是由于轮叶上有文杜里效应的缘故。当水流经过中心主体部分时，速度便会增加，而水流撞向轮叶上以使涡轮机转动。水流经过轮叶间所 形成的凹槽，被吸往涡轮机的紧贴后部低压地带时而继续加速，这低压地带是被中心主体部分末端的突然结束，即那巨大而平的底部所产生。这种加速会在轮叶末端形成一较低压地带，其是被相信可帮助产生一高效率设计。

Claims (19)

1、一种水力涡轮机，包括：

一个沿中轴线延伸的中心主体部分(20)，该主体部分的径向尺寸沿中轴线朝底部(21)是增加的；

多个轮叶(22)以一定间隔设置在中心主体部分的外周面上，从而在轮叶间形成相应的凹槽，每个凹槽沿下游方向扩张，每一轮叶自其前端延伸至其末端，其前端设置在中心主体外周面的中间部分，而其末端设置在上述底部的外围附近，再者，每一轮叶自其前端至末端，其倾斜角度基本上是减小的；

其特征在于：

每一轮叶(22)自其前端(23)至末端(24)，其径向尺寸基本上是增加的；

上述底部(21)是被设计成当水流轴向地流过主体部分(20)流向底部(21)时，可使涡轮机旋转，并且在底部近中轴线(18)处的附近及其下游的水流中形成压力很低的低压区。

2、根据权利要求1所述的水力涡轮机，其特征在于上述底部基本上垂直于中轴线延伸。

3、根据权利要求1所述的水力涡轮机，其特征在于有五至十二片轮叶（22）等距地环绕着中心主体部分。

4、根据权利要求1所述的水力涡轮机，其特征在于每个轮叶（22）的末端设置在底部（21）附近，并且与相邻一个轮叶的前端同在一中轴平面上。

5、根据权利要求1所述的水力涡轮机，其特征在于每个轮叶（22）在其前端（23）以一个与通过前端的中轴平面成锐角的方向延伸，而在轮叶中点处则以一个与通过该轮叶中点的中轴平面成约45°的方向延伸。

6、根据权利要求1所述的水力涡轮机，其特征在于具有九片所述轮叶（22）。

7、根据权利要求1所述的水力涡轮机，其特征在于每个轮叶的径向尺寸（Y），约为水力涡轮机总直径的20%，并且每个轮叶（22）的径向尺寸（Y）从前端（23）到末端部分（24）是逐渐增加的。

8、根据权利要求1所述的水力涡轮机，其特征在于每个轮叶（22）的前端（23）设于沿中心主体部分（20）的大致中段处。

9、根据权利要求1所述的水力涡轮机，其特征在于每个轮叶根部与中心主体部分（20）的交线是沿着一条曲线（L）延伸，轮叶从该条曲线基本上沿径向向外延伸。

10、根据权利要求1所述的水力涡轮机，其特征在于中心主体部分（20）的圆锥面和底部（21）之间的夹角为65°，底部（21）基本上垂直于圆锥体轴线（18）延伸。

11、根据前述权利要求中任一项所述的水力涡轮机，其特征在于中心主体部分内装有水泵（40;40A），水泵的连接使其可被中心主体部分（20）的旋转所带动，中心主体部分设有进水孔（54）。

12、根据权利要求11所述的水力涡轮机，其特征在于水泵是一正排量泵（40A），具有多个对置的液压缸（45）和其相应的活塞，或多个与曲轴（46）相连的膜片，以及一个用以改变缸内活塞冲程或改变膜片冲程的装置。

13、根据权利要求12所述的水力涡轮机，其特征在于至少有一管道（52）由中心主体部分（20）内底部的附近，径向向外地延伸至一相邻轮叶的末端（24）上或附近的排出点，用以将流水中带来的杂物（37）排离水泵（40;40a）。

14、根据权利要求1至10中任一项所述的水力涡轮机，其特征在于当其与浮台（35）相结合时，将涡轮机安装在浮台（35）上，放置在第一和第二位置上;第一位置是将涡轮机（34;34′）设置在浮台上，以便运送，而第二位置则是将涡轮机设置在浮台之下，以便浸在水流中操作。

15、根据权利要求11所述的水力涡轮机，其特征在于当其与浮台（35）相结合时，将涡轮机安装在浮台（35）上，放置在第一和第二位置上;第一位置是将涡轮机（34;34′）设置在浮台上，以便运送，而第二位置则是将涡轮机设置在浮台之下，以便浸在水流中操作。

16、根据权利要求1至10中任一项所述的水力涡轮机，其特征在于具有中和浮力的装置（34A）。

17、根据权利要求11所述的水力涡轮机，其特征在于具有中和浮力的装置（34A）。

18、一种水力涡轮机装置，其特征在于包括有在水流中安装一台或多台如权利要求16所述的水力涡轮机的安装装置，每台涡轮机被连接以便驱动旋转载荷。

19、一种水力涡轮机，包括：

一个沿中轴线延伸的主体部分，其径向尺寸沿中轴线朝底部是增加的;

将涡轮机基本上沉没在水流中的安装装置，使上述中轴线基本上与水流成一直线;

大约5至12片轮叶间隔地连接在中心主体部分的外周面上，从而在相应轮叶之间形成凹槽，每个槽沿下游方向扩张，每个叶片从其位于中心主体部分外周面中间部位的前端延伸至位于上述底部外周附近的末端，每个轮叶自其前端至末端部分其倾斜度基本上是减小的;

其特征在于：每个轮叶自其前端至末端部其径向尺寸基本上是增加的，每个轮叶的前缘被设置成与水流成锐角关系，以避免在各前端使水流严重改变方向，并可使水流平滑流过中心主体部分，从而可将所述水流中夹带的固体杂质排开;

所述底部具有横向壁结构，当涡轮机工作时，在底部靠近中轴线处附近及其下游的水流中形压力较低的低压区，从而构成了一个轴流为主的涡轮机。

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