CN102575636A - 压力叶轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于小型和一般的水深的涡轮机叶轮，结合有：由多方向的副翼(7)形成的在叶轮上的水入口，所述副翼以使叶片之间的距离能被100％填充的方式倾斜和打开；叶片包括叶片关闭元件(9)和用于空气逃逸的空间(V)，这样的关闭元件在叶轮内没有任何溢流时能使叶轮增压(P)，消除气穴；和低位固定通道，其用于确保具有最小运动的叶轮在气密下为了在叶轮旋转期间保持压力(P)恒定。

Description

压力叶轮
技术领域
本发明涉及桨叶轮，一种把水道和潮汐中的势能或动能转化为机械能和/或电能的设备。
背景技术
现有的利用水流在自然流动方向的水能的叶轮，是通过连接到旋转轴的盘和支撑轮辐装配在旋转轴上桨叶轮。水从底部或侧面通过入口闸门进入，和所述桨叶不只是在水入口侧打开，而且还朝叶轮的内部打开。
在19世纪发展了不同的类型，最著名是在法国的Poncelet和Sagebien叶轮以及在德国的Zuppinger叶轮。对于所有这些叶轮，其在朝着水流方向上工作和使用侧面入口，入流在低位且涉及速度非常慢，由于这些参数必须适应于叶轮桨叶的设计以使得在没有压力冲击或向叶轮内部溢流的情况下维护水力装置，这些因素明显地减少了流动速率。这是在19世纪末期为什么这些叶轮遭弃用而偏爱涡轮机的主要原因。
在所有这些叶轮中，桨叶仅仅被部分地填充，仅桨叶之间容积的大约30％被使用。
到今为止，没有同时用100％容积使用和零内部溢流的装配有传统桨叶的河流驱动叶轮被设计。
本桨叶涡轮叶轮用防止水向叶轮内部的溢流桨叶设计更新了传统的桨叶叶轮，允许高旋转速度和桨叶之间的整个空间不受限制的填充。这两因素允许更高的吞吐量和允许桨叶轮变得在性能方面可以与涡轮机匹敌。
水通过包括防止进入叶轮的水流的压力冲击的多方向副翼的上游分配器被送到叶轮。这使上游和下游水位之间距离相关的所有势能被使用且允许系统的增压操作。这种势能被转化为机械能。
发明内容
本发明涉及使水道和潮汐中的势能和动能转化为机械能的桨叶轮，机械能自身可以被转换为电能。其包括：
-称为转子的旋转部分(1)，包括被盘(3)支撑的桨叶(4)。所述盘通过轮辐(2)连接到驱动轴(A)，所述轮辐(2)的形状和数量随传输的力而变。旋转轴通过容纳在轴承箱中的轴承在每个端部被支撑。
-低位腔室(5)，具有等于两个相邻桨叶之间距离的最小宽度，以使在桨叶之后恒定地维持推力(P)。为维持该压力，必须总是至少一个桨叶在腔室(5)处，具有相对于涡轮机的减小的间隙。
-上游分配器(6)，包括几个多方向副翼(7)。
为了便于读者更好地理解本发明，在附图1至3中对本发明进行了图示。
具体实施方式
图1提供了这样的叶轮的总截面图，包括：
-设备的旋转部分(1)包括旋转支撑轴(A)-轮辐(2)-盘(3)-桨叶(4)。在目前的例子中，存在16个桨叶，但是此数目取决于叶轮的几何特性，可以更大或更小，该几何特性可以根据装配地点的特性而变化。位于上游水位和下游水位之间的旋转部分的部分是完全浸在水中的。
-低位腔室(5)，一固定的部件，其宽度至少是两个桨叶之间的距离的尺寸以维持通过水头(H)产生的压力(P)，这就是上游水位和下游水位之间的距离。当所述桨叶离开所述室时，压力P以在叶轮上的运动的形式释放，这引起轴(A)旋转。此运动可以被用于机械的或电能的用途。
所述设备因此为所谓的加压水轮，其仅仅在所述室(5)内有压力(P)时工作，压力能量在桨叶运动离开时压力P降低而被释放。
-分配器(6)，由多个方向副翼(7)组成，在当前情况下为4个。
-在图1中这些是体现在打开位置的以让水进入叶轮，同时在图2中它们是在关闭位置，其防止水进入叶轮和阻止叶轮工作。
该分配器防止水流直接冲击叶轮，其是压力震动和逆流源。它分布了水流的冲力，引导其如何和调节流出和流动速度，因此允许叶轮以最佳方式被填充。
桨叶的路径占用有限大小的外部圆柱体积，释放出内部体积以使轴被安装，该轴的直径匹配于被覆盖的长度。
总的形状是圆柱状的和可以是任何长度-中间轮辐需要是长圆柱。
图3更详细地示出了这些桨叶的横截面形状。所述桨叶分两个部分：主弯曲部分(8)，此目的是接收水流且使其转移到所述桨叶的顶部以消除压力冲击和因此消除负载损失，和与桨叶临近连接的直线部分(9)。这些在桨叶之间的连接部件从叶轮的内部关闭桨叶并因此防止水穿透叶轮，因此，由于被所述副翼(7)调节，允许通过水头-和与进入水的分布和方向结合的桨叶的弯曲来填充和增压(P)，其设计成防止任何可以在该后壁上通过水的流入而触发的压力冲击。
详细的装配图(D)示出了包含一个间隙(V)以允许在填充期间任何空气逃逸和以避免可能发生在水被排空时的吸入现象。实际上，在直到或者排空发生时，空气的清除在水力工程中仍然是一个主要问题。与进口副翼及其位置相结合的该空气间隙允许叶轮的最佳填充，这对于增压操作是至关重要的。
桨叶的边缘用螺固到所述盘上的侧面加强筋安装到薄圆盘(3)上。
新颖性：
用于流动水车的所述系统的新颖性在于下面的结合：
-桨叶的形状，其允许水保持在叶轮内部和防止水向叶轮内部泄露。
-低位腔室(5)，其被固定和保持叶轮的低位部分不漏水利用由从水头H产生的势能产生的压力(P)而产生动力。
-分配器(6)，其通过分配和引导水流允许叶轮以最佳方式被填充和能够加压操作，同时控制导入水的速度和方向以防止任何压力冲击，所述压力冲击仍然是导入流体到旋转结构时要克服的主要问题。
正是这些因素的结合允许增压操作和位于桨叶之间的可用空间的全部填充。
这样的分配器的使用提供了许多优势：
-它允许桨叶之间的空间被完全填充且所有空气逃逸。
-它允许桨叶深度最多大约为叶轮直径的四分之一，尽管精确的比值仍然未知，但是在相同的可用流速下允许使用更小的直径叶轮。
-因为它消除了压力冲击，水力设计允许转速远超过传统叶轮的转速。
-高速、较深桨叶和/全部填充的结合意味着在没有增加外形尺寸下所述叶轮具有比传统桨叶轮设计超过5倍大的最大可用流速。
-从而，能量输出可与涡轮机的能量输出匹敌，这使桨叶轮相应的再一次和提供新优势源于其简单和缺少对野生物的影响，在每个大洲的数百年中业已证明。
-其设计可以被在两个尺寸上模型化，这极大简化了R&D和制造研究-
-全部移动容积是圆柱状的，这允许了该装置在简单通道中的操作和意味着比通常对于低和中-头涡轮机情况下相当程度减少了复杂的外部安装需要。
几何尺寸可以无限地变化：全部叶轮直径和宽度、桨叶深度和在水库内的水位是直接地与河流或水库的使用参数相联系的，具有的水头可以从大约10m到最大几百米的范围变动。系统仅有的限制性是与使用的不同材料的机械阻力和制造精度相联系的。在图1到3表示的实施例中：
-叶轮直径为4m
-桨叶深度为100cm
-在此实施例中宽度为200cm
-水库的水平面H为200cm
叶轮的速度在其边缘(0.5开方(2×9.81×H))大约为3m/s，即大约14rpm
流速大约为4.5m3/s
发电机的电能输出大约为(4.5m3/sec)×(2m)×(7)，即大约60kw-该值对于这种尺寸的系统是非常高的且可与涡轮机的性能匹敌。
创造性
桨叶轮已经存在数千年。在19世纪，大量研究用于去完善它们：PoncelctSagebien  Zuppinger是低速叶轮，同时它们必须全部考虑到接纳水流进入旋转结构和向叶轮内部溢流的问题。近几年，几种增压叶轮概念已经出现，但是所有这些已经面临那些同样的问题，这阻止了其被完全填充。
本系统的创造性主要涉及允许水通过多方向副翼进入桨叶轮的旋转结构，今天之前填充方案从未被考虑过。因为它允许高流速，该方案再一次把桨叶轮放在最好的水能应用技术中，更不用说其由于简单和生态友好而获得的优势，已有数百年的证明。
工业实用性
各部分，包括桨叶的形状使得它们非常简单而且便宜来制造。
该系统也可以就地装配。
这些桨叶轮的尺寸可以被研究和该系统用迎合各种能量产生参数的标准化部件结合组装，允许该系统易于被工业化和造价被严格控制。
全面设计意指可能避免传统水电装置的复杂约束。土木工程实际上是一个简单的组建任务，包括支撑结构的建立，在其上放置叶轮，其部件保持可见的且易于接近的，从而允许水轮发电机快速地和容易地安装。这种低造阶和简单性开拓了一个用于水力发电装备时机的崭新领域，因为其允许中头开发，在今天对于经济的和维修理由而言这是很少的情况，和能使没有必要专属领域的操作员使用不同类型的水力设备。
所述设备特别适用于发展必要来保持低造价和注重以生态友好和可以忍受的方式发电的地方。这种设计的简单性也意味着其可以在发展中国家不受限制地实施。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种根据本发明在具有低或中水头位置用水力势能做功的设备。该设备包括涡轮叶轮，其包括以下部分：
-可移动部分，实质上是具有由盘(3)支撑的桨叶(4)的圆柱体形状-水入口分配器(6)和固定的低位腔室(5)，其特征在于使用多方向副翼(7)以允许水进入叶轮，其中副翼可能为两个或更多。这些副翼分布水流进入所述叶轮。通过调节它们的倾斜度和打开的尺寸，所述水流可以被定向和调整以防止压力冲击和允许两个相邻桨叶之间的空间被完全填充。
2.一种根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述桨叶是以彼此靠近离开叶轮(9)内部且有允许空气逃逸的间隙(V)的方式而固定。这允许叶轮变为增压(P)的和消除气穴。

Claims (3)

1.一种用于捕获小的和中型瀑布的水力势能的本发明的设备，包括涡轮叶轮，其包括如下部分：
一般为圆柱形状的可移动部分，具有由盘(3)支撑的叶片(4)-水入口阀(6)和固定的低位排(5)，其特征在于，允许通过方向部件(7)的中间的水进入叶轮，方向部件的数量是大于或等于至少两个，倾斜且打开以划分水流进入叶轮，方向部件定向和控制水流以消除冲击，和允许100％填充叶片之间的空白。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述叶片具有关闭桨叶叶片(9)和用于排气的空间(V)，直到具有气穴的叶轮关闭和增压(P)的消除。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：低位固定通道(5)，其功能是在叶轮旋转期间用最小的运动在叶轮中密封以保持恒定压力(P)和提供运行压力。
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