CN102562421A - 水轮发电装置及水坝发电系统 - Google Patents

水轮发电装置及水坝发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种水轮发电装置，包括带有进水口和出水口的圆柱形水缸、引水管、水轮、出水管以及发电装置，其中，所述引水管与该水缸的进水口连接，所述出水管与该水缸的出水口连接，且引水管竖直设置在水缸进水口的切线方向上，引水管的延长线与出水管的延长线垂直；所述水轮设置在水缸内，且同轴与外部的发电装置相连接。本发明提供一种水轮发电装置及坝体发电系统，提出一种坝体发电建筑结构和更加有效的注水方式，使得水更具有自由落体运动的势能，利用这种重力势能使得水轮机动力强，做功需水量小，机械效率高。

Description

水轮发电装置及水坝发电系统
技术领域
本发明涉及水利发电工程领域，尤其涉及一种水轮发电装置及水坝发电系统。
背景技术
一、现有的水轮机只适用于库容水力发电，而不能瀑布水力发电，我国乃至世界各地瀑布分布广，水位落差大，水的势能强，开发瀑布资源，利用瀑布水力发电，将极大的提供清洁能源，缓减能源不足，减少大气污染，具有重大的战略意义。
二、现有的水轮机都建筑在坝体内部，是利用水的压强力产生动能的，坝体内水的力受到分解：一种为压强力，另一种为竖直向下的重力，而竖直向下的重力作用于水库底部，于水库底部向上的支持力相抵消。这样的设计，丧失了自由落体运动的能量，因此现有的水轮机，水提供的动能小，其产生的机械效率低。久远的古代，人们就知道水滴石穿的道理，人们就发现了这种巨大的能量，而科技如此发达的今天，却不能把这种自由落体的能量运用于水力发电行业中，这是对能源的践踏。
三、现有的水轮机都建筑在坝体内，使坝体形成多个巨大的空洞，破坏了坝体的整体性，这样空体式坝体结构，突出了坝体的薄弱性，为了坝体更加坚固，需额外增大坝体的宽度，额外增加水泥、石料、钢材的用量，额外增加工程成本和造价，额外延长工程期限。
四、现有的水轮机没有水流量控制装置和变速箱系统，水轮机转速高，排水量大，转速高则水流速度大，做功后排出的水如万马奔腾，水的能量没有充分转化，极大的浪费水资源。
五、现有的水轮机都建筑在坝体内，水轮发电机组的数量受坝体空间的制约，不会形成数百或数千发电电机组的规模态度，极大的局限了发电量。
六、现有的水轮机都建筑在坝体内，对于水轮机的安装和维修十分不便。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种水轮发电装置及坝体发电系统，提出一种坝体发电建筑结构和更加有效的注水方式，使得水更具有自由落体运动的势能，利用这种重力势能使得水轮机动力强，做功需水量小，机械效率高。
为达到上述目的，本发明所述一种水轮发电装置，包括带有进水口和出水口的圆柱形水缸、引水管、水轮、出水管以及发电装置，其中，所述引水管与该水缸的进水口连接，所述出水管与该水缸的出水口连接，且引水管竖直设置在水缸进水口的切线方向上，引水管的延长线与出水管的延长线垂直；所述水轮设置在水缸内，且同轴与外部的发电装置相连接。
优选地，所述水轮发电装置还包括设置在引水管靠近进水口处的水流量控制装置。
优选地，所述水缸由中空筒体以及中空筒体两侧的缸盖构成；所述水轮由中空轮体及分布在中空圆形轮体圆弧外壁上均匀分布的多个轮片构成；所述水轮置于水缸内以水流方向形成的空间为做功缸，另外形成的空间为滑翔缸；其中，在该中空轮体内部中间位置上设有一中间实盘；所述水缸与水轮同轴设置。
优选地，所述水缸与水轮共用转轴在每个缸盖的内外两侧各设一轴承，在所述中空轮体的圆弧面上设有为轴承散热的水孔。
优选地，所述轮片的高度与中空轮体的半径的比例为1∶100-1∶50，所述轮片的顶端面为圆弧面，且圆弧面与水缸内壁面贴近。
优选地，在中空轮体圆弧外壁相邻两个轮片之间均匀加设多条副齿，且每条副齿的长度与轮片的长度相等。
优选地，所述水流量控制装置由带有水道的中空壳体、以及中空壳体内起到开闭水道的推拉装置构成，其中，所述水道与引水管连接，所述推拉装置由推拉杆和堵板构成，该推拉杆采用螺丝旋紧结构。
优选地，所述发电装置包括发电机和变速箱。
优选地，还需加设一个为轴承提供润滑油的加油装置
为达到上述目的，本发明所述一种水坝发电系统，至少包括坝体及水轮发电装置，所述水轮发电装置为上述的水轮发电装置，在所述坝体外设置至少一个水轮发电装置，其中，在坝体顶端设置一横管，该横管的一端通至坝体水平面内，另一端与所述水轮发电装置的竖直引水管相连。
本发明的有益效果为：
1、本发明拓宽了水力发电的技术领域，不仅适用于库容水力发电，并且适用于瀑布发电；
2、本发明改变了水库大坝的空洞式结构，建筑在坝体的外部，不破坏坝体的整体性，使得坝体更加牢固，因此可减少坝体的宽度，减少水泥、石料和钢材的用量，减少工程成本和造价，减少工程期限；
3、本发明改变了水轮机的注水方式，把水通过引水管竖直引入到水轮机缸体内，使水具有自由落体运动的势能，因此产生的机械效率更高；
4、本发明可人为地增加水的势能，首先增大引水管的横截面积，使引水管内水的储量更多，水的自重更大，水的势能更强，因此产生的机械效率更高；
5、本发明摆脱了坝体空间的制约，极易形成成百上千的发电机组的规模态势；
6、本发明可灵活调节注水量，使水轮机达到额定功率下的较好转速；
7、本发明易于安装和维修。
附图说明
图1是本发明实施例所述水轮发电装置的结构示意图；
图2是本发明实施例所述水轮发电装置的剖视图；
图3是本发明实施例所述水流量控制装置的剖视图；
图4是图中A的放大图；
图5是本发明实施例所述水坝发电系统的简易示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。
如图1-2所示，本发明实施例所述一种水轮发电装置，包括带有进水口和出水口的圆柱形水缸1、引水管2、水轮、出水管3以及发电装置，其中，所述引水管与该水缸的进水口连接，所述出水管与该水缸的出水口连接，且引水管竖直设置在水缸进水口的切线方向上，引水管的延长线与出水管的延长线垂直；所述水轮设置在水缸内，且同轴与外部的发电装置相连接，所述发电装置包括发电机4和变速箱5。所述水轮发电装置还包括设置在引水管靠近进水口处的水流量控制装置6。
首先对水缸与水轮的结构进行详细说明：所述水缸由中空筒体7以及中空筒体7两侧的缸盖8构成，采用该筒体与缸盖分离结构是为了方便安装水轮。当安装时可对筒体与缸盖的连接处进行密封条或者密封胶进行密封，防止水缸内水外泄。所述水轮由中空圆形轮体9及分布在中空圆形轮体9圆弧外壁上均匀分布的多个轮片10构成；所述水轮置于水缸内以水流方向形成的空间为做功缸，另外形成的空间为滑翔缸，做功缸是由进水、做功、排出完成做功过程的，而滑翔缸不进水则不做功。其中，在该中空轮体内部中间位置上设有一中间实盘18；所述水缸与水轮同轴设置。由于大量水自由落下的冲击力很强，因此水轮内部加设一个中间实盘，使得水轮在水冲击转动时保证其不易受到强烈冲击而损坏，增强了水轮的承受能力，使其能够稳定转动，保证发电效率。
为了增加水轮转动的稳定性与耐用性，所述水缸与水轮共用转轴在每个缸盖的内外两侧各设一轴承11，内外两个轴承，使转轴能够很稳定的转动，受力均匀，增强其耐用性。另外，当水轮转动时，势必会使得转轴与轴承的接触处摩擦生热。因此，如图4所示，为了使得其能够很好的散热，在所述中空轮体的圆弧面上设有为轴承散热的水孔12。该水孔的位置应该设置在正对轴承的轮体圆弧面上，该水孔不易太多，能够保证水进入轮体内部，洒落到轴承上即可，最后通过离心力的作用从另外的小孔中甩出。
为了增加转轴的耐磨性，可在轴承的位置上设置一个加油装置，提高转轴的润滑性，保证其寿命。
由于轮片在顶端附近的位置所受到的力矩较大，其产生的功最大。而如果轮片过大，力矩小的位置产生的功太小，而且会增强水的流出量，影响发电效率。因此，所述轮片的高度与中空轮体的半径的比例为1∶100-1∶50，所述轮片的顶端面为圆弧面，且圆弧面与水缸内壁面贴近。轮片与水缸内壁的缝隙较小，会增大水冲击力，利于水轮做功。
水轮受到水流冲击，轮片进行做功，对于相邻轮片其他的部分不会做功，而且还会造成水流的浪费，因此，为了额外的增加做功量，在中空轮体圆弧外壁相邻两个轮片之间均匀加设多条副齿13，且每条副齿的长度与轮片的长度相等。多条副齿在受到水流冲击的动能可额外的增加水轮机的机械效率。
再次，对水流量控制装置进行详细说明：如图3所示，所述水流量控制装置由带有水道的中空壳体14、以及中空壳体14内起到开闭水道15的推拉装置构成，其中，所述水道与引水管连接，所述推拉装置由推拉杆16和堵板17构成，该推拉杆采用螺丝旋紧结构。水流量控制装置在使用时，首先旋转推拉杆，使得堵板将水道关闭，使引水管内的水进行蓄水，让蓄水完毕后，打开水道，大量的水自由下落到水缸内冲击轮片，带动水轮转动，使水的动能转化为机械能，带动发电机发电。
本发明的工作原理为：首先通过水流量控制装置关闭引水管水道，使水注满引水管，然后打开水道，使得大量的水柱冲击水缸内的轮片，带动水轮转动，同时同轴带动发电装置进行发电，使水的势能和动能转化为机械能，同时完成发电。在该过程中，水流在做功缸内完成动水做功，是由进水、做功、排水完成做功过程的，在滑翔缸内无水不做功。
如图5所示，为达到上述目的，本发明所述一种水坝发电系统，至少包括坝体19及水轮发电装置，所述水轮发电装置为上述的水轮发电装置，在所述坝体外设置至少一个水轮发电装置，其中，在坝体顶端设置一横管20，该横管的一端通至坝体水平面内，另一端与所述水轮发电装置的竖直引水管相连。
该水轮发电装置不光是用在水坝中，还可以用在瀑布中，合理开发瀑布的水能。
以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种水轮发电装置，其特征在于，包括带有进水口和出水口的圆柱形水缸、引水管、水轮、出水管以及发电装置，其中，所述引水管与该水缸的进水口连接，所述出水管与该水缸的出水口连接，且引水管竖直设置在水缸进水口的切线方向上，引水管的延长线与出水管的延长线垂直；所述水轮设置在水缸内，且同轴与外部的发电装置相连接。
2.根据权利要求1所述的水轮发电装置，其特征在于，所述水轮发电装置还包括设置在引水管靠近进水口处的水流量控制装置。
3.根据权利要求1所述的水轮发电装置，其特征在于，所述水缸由中空筒体以及中空筒体两侧的缸盖构成；所述水轮由中空轮体及分布在中空圆形轮体圆弧外壁上均匀分布的多个轮片构成；所述水轮置于水缸内以水流方向形成的空间为做功缸，另外形成的空间为滑翔缸；其中，在该中空轮体内部中间位置上设有一中间实盘；所述水缸与水轮同轴设置。
4.根据权利要求3所述的水轮发电装置，其特征在于，所述水缸与水轮共用转轴在每个缸盖的内外两侧各设一轴承，在所述中空轮体的圆弧面上设有为轴承散热的水孔。
5.根据权利要求3所述的水轮发电装置，其特征在于，所述轮片的高度与中空轮体的半径的比例为1∶100-1∶50，所述轮片的顶端面为圆弧面，且圆弧面与水缸内壁面贴近。
6.根据权利要求5所述的水轮发电装置，其特征在于，在中空轮体圆弧外壁相邻两个轮片之间均匀加设多条副齿，且每条副齿的长度与轮片的长度相等。
7.根据权利要求2所述的水轮发电装置，其特征在于，所述水流量控制装置由带有水道的中空壳体、以及中空壳体内起到开闭水道的推拉装置构成，其中，所述水道与引水管连接，所述推拉装置由推拉杆和堵板构成，该推拉杆采用螺丝旋紧结构。
8.根据权利要求1所述的水轮发电装置，其特征在于，所述发电装置包括发电机和变速箱。
9.根据权利要求4所述的水轮发电装置，其特征在于，加设一个为轴承提供润滑油的加油装置。
10.一种水坝发电系统，其特征在于，至少包括坝体及水轮发电装置，所述水轮发电装置为上述权利要求1-9中任一权利要求所述的水轮发电装置，在所述坝体外设置至少一个水轮发电装置，其中，在坝体顶端设置一横管，该横管的一端通至坝体水平面内，另一端与所述水轮发电装置的竖直引水管相连。
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