CN102913368B - 大型混流式水轮发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型混流式水轮发电机组，包括：二个发电机组；第一个发电机组：盘形漏斗与进水管固定连通，进水管中内设有球型节水阀；第1转轮的上面固定安装有第1上发电机，第1转轮的下面设有第1下电机室，第1下电机室内与第1上发电机依次同轴设有第1下发电机和第1顶力支撑窝；第一个发电机组的尾水进入第1曲旋管；第二个发电机组：第2转轮的上面固定安装有第2上发电机，第2转轮的下面设有第2下电机室，第2下电机室内与第2上发电机依次同轴设有第2下发电机和第2顶力支撑窝；第二个发电机组的尾水进入第2曲旋管。本发明对进一步开发水力资源，提高机组出力，增加发电量，促进生产力发展，有很高的实用经济价值。

Description

大型混流式水轮发电机组

技术领域

本发明涉及一种水轮发电机组，尤其是一种大型混流式水轮发电机组。

背景技术

目前，混流式水轮机结构紧凑，效率较高，能适应很宽的水头范围，是目前世界各国广泛采用的水轮机型式之一。

当水流经过这种水轮机工作轮时，它以辐向进入、轴向流出 ，所以也称为辐向轴流式水轮机。

混流式水轮机又称法兰西斯水轮机，水流从四周径向流入转轮，然后近似轴向流出转轮，转轮由上冠，下环和叶片组成。

它适用于水头自20米直到700米的范围内，机构简单，运行稳定，并且效率高，但它一般是用在中水头范围内（50米至400米）。单机出力从几十千瓦到几十万千瓦。目前这种水轮机最大出力已经超过70万千瓦。是一种运用最广泛的一种水轮机。

混流式水轮机的组成：埋入部分、导水机构、转动部分、辅助部分、布置部分。混流式水轮机主要部件：座环、尾水管、底环、控制环、导叶、转轮、主轴、顶罩、上机架、上导轴承、顶轴、转子、定子、推力轴、下机架、发电机、主轴、控制环、顶盖、导叶、底环、主轴密封、主导轴承、蜗壳、座环、转轮、基础环、尾水锥管、尾水肘管。

现有的高水头大流量的一水二机组式（一条水管一台发电机发电）技术设计，包括水力设计和机组结构设计，在近几年来，随着机组容量和水头变幅的增加，所投产的大型混流式机组，尽管技术进步了许多，但是机组的稳定性并没有提高多少，相反，压力脉动增大，振动加剧，转轮裂纹等现象发生更加普遍。分析其原因，主要是水力的设计和机组结构的设计没有很好地迎合水体的旋动力。水体运行太复杂，进水管到蜗壳入口是高速冲流的紊流，是小环量进入蜗室，是活动导叶控制一定流速进入转轮叶片前，这时又有卡门涡作用，并且水流更复杂。转轮承重像倒立着的一只陀螺转动一样不稳定，超速会产生飞逸，稍慢速会出现摆动。水流流入尾水管，又可能有螺旋状空腔涡带，加剧要机组振动，许多机组难以满足稳定运行的要求，有的为了稳定运行，只能减少转轮转速，削薄转轮叶片的出入水口边，初入尾水管安放十字架，充气等，这样就减少了机组出力，从而减少了发电量。另外，水体在开始流入进水管时的动能相当大，还没有被利用，水能利用率较低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术之不足，提供一种稳定运行和发电较多的水力技术创新设计和机组结构技术创新设计，以提高机组的出力，从而增加发电量；为实现上述发明目的，本发明一水二机组式水轮发电机组包括两个混流式水轮发电机组。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

这种大型混流式水轮发电机组，包括: 转轮、下机架、发电机、控制环、顶盖、导叶和蜗壳，该机组包括：二个发电机组。

第一个发电机组：处于上游的进水管的上面设有盘形漏斗，盘形漏斗与进水管固定连通，进水管内设有球型节水阀；进水管的下端出口与内设有导叶的蜗室固定连通；第1转轮的上面固定安装有第1上发电机，第1转轮的下面设有第1下电机室，第1下电机室内与第1上发电机依次同轴设有第1下发电机和第1顶力支撑窝；第一个发电机组的尾水进入第1曲旋管。

第二个发电机组：第1曲旋管的下端出口与内设有导叶的蜗室固定连通；第2转轮的上面固定安装有第2上发电机，第2转轮的下面设有第2下电机室，第2下电机室内与第2上发电机依次同轴设有第2下发电机和第2顶力支撑窝；第二个发电机组的尾水进入第2曲旋管。

所述的盘形漏斗的直径为3D，D为进水管直径，盘形漏斗能使水体形成初旋；所述的球型节水阀能快速开启或关闭，调节水流的大小或截断水流；水体流入呈半弯曲、上大下小的状态，向蜗壳进水口倾斜，坡度为25°-30°，长度是2D，形成助旋转水流；盘形漏斗的水面到蜗壳进水口的高程是1.1D-1.2D，水流随后进入蜗室。

所述的内设有导叶的蜗室：大通道逐渐减小并底面向固定导叶倾斜30°；固定导叶改为弯曲形，宽度不变，固定导叶之间呈斜弯状，底坡度为30°，这样，水体大的重推力、旋压力就直接、快速、均衡进入转轮叶片。

所述的第1转轮和第2转轮所设的转轮叶片采用厚叶片，第1下发电机和第2下发电机均分别安装在部分敞开的略带尖圆状的第1下电机室、第2下电机室，第1下电机室和第2下电机室通过室外面的第1曲旋管和第2曲旋管排水，或作为下一个机组的旋力进水；在转轮轴经过圆周顶尖部位前固定安装一个隔水伞，以防止水渗入室内；减少推力轴承、转轮承重支架；在上发电机顶盖即转轮轴上方安装一个油冷轴承，在靠近下发电机下方即转轮轴下方安装一个水冷轴承并有凹型顶力支撑窝，支撑窝承受转轮全部的力；这样的转轮平衡了水的重推力、旋推力和磁拉力；水体的重推力、旋推力直接、快速、均衡进入转轮，转轮转动稳定有力，克服了飞逸转速和振动，能满足机组稳定运行的要求。

第1曲旋管呈3～4圈的形状；第2曲旋管呈2～3圈的形状。

本发明的有益效果：

⑴改水力的复杂紊流为基本是单一的二次流，迎合水体的旋动力；⑵改水力的重力流为重力流加旋力流，增加转轮出力；⑶改近似直管为弯曲管，高水头、大流量旋弯管二次流的压力比直管一次流大，直管流压力是水头与管流面积乘积的一次方成正比（需考虑库容水体容积关系），而弯曲旋管流压力是水头与管流面积乘积的二次方成正比（不需要考虑库容水体容积关系）；⑷改悬吊的一头驱动转轮为两头固定中间驱动转轮，增强转轮稳定性；⑸改发电机为双电机，使磁拉力平衡多发电；⑹改重吸力排水为重吸力+旋吸力排水，使机组出力最大；另外，利用水体在开始流入进水管时的大动能，增设第一个大型混流式水轮发电机组；本发明对进一步开发水力资源，提高机组出力，增加发电量，促进生产力发展，有很高的实用经济价值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的组合示意图。

具体实施方式

根据图1所示，本发明主要包括：盘形漏斗1、球型节水阀2、进水管3、第1上发电机4、第1下发电机5、第1转轮6、第1顶力支撑窝7、第1下电机室8、第1曲旋管9、第2上发电机10、第2下发电机11、第2转轮12、第2顶力支撑窝13、第2下电机室14、第2曲旋管15。

这种大型混流式水轮发电机组，包括: 转轮、下机架、发电机、控制环、顶盖、导叶和蜗壳，该机组包括：二个发电机组。

第一个发电机组：处于上游的进水管3的上面设有盘形漏斗1，盘形漏斗1与进水管3固定连通，进水管3内设有球型节水阀2；进水管3的下端出口与内设有导叶的蜗室固定连通；第1转轮6的上面固定安装有第1上发电机4，第1转轮6的下面设有第1下电机室8，第1下电机室8内与第1上发电机4依次同轴设有第1下发电机5和第1顶力支撑窝7；第一个发电机组的尾水进入第1曲旋管9。

第二个发电机组：第1曲旋管9的下端出口与内设有导叶的蜗室固定连通；第2转轮12的上面固定安装有第2上发电机10，第2转轮12的下面设有第2下电机室14，第2下电机室14内与第2上发电机10依次同轴设有第2下发电机11和第2顶力支撑窝13；第二个发电机组的尾水进入第2曲旋管15。

所述的盘形漏斗1的直径为3D，D为进水管直径，盘形漏斗1能使水体形成初旋；所述的球型节水阀2能快速开启或关闭，调节水流的大小或截断水流；水体流入呈半弯曲、上大下小的状态，向蜗壳进水口倾斜，坡度为25°-30°，长度是2D，形成助旋转水流；盘形漏斗1的水面到蜗壳进水口的高程是1.1D-1.2D，水流随后进入蜗室。

所述的内设有导叶的蜗室：大通道逐渐减小并底面向固定导叶倾斜30°；固定导叶改为弯曲形，宽度不变，固定导叶之间呈斜弯状，底坡度为30°，这样，水体大的重推力、旋压力就直接、快速、均衡进入转轮叶片。

所述的第1转轮6和第2转轮12所设的转轮叶片采用厚叶片，第1下发电机5和第2下发电机11均分别安装在部分敞开的略带尖圆状的第1下电机室8、第2下电机室14，第1下电机室8和第2下电机室14通过室外面的第1曲旋管9和第2曲旋管15排水，或作为下一个机组的旋力进水；在转轮轴经过圆周顶尖部位前固定安装一个隔水伞，以防止水渗入室内；减少推力轴承、转轮承重支架；在上发电机顶盖即转轮轴上方安装一个油冷轴承，在靠近下发电机下方即转轮轴下方安装一个水冷轴承并有凹型顶力支撑窝，支撑窝承受转轮全部的力；这样的转轮平衡了水的重推力、旋推力和磁拉力；水体的重推力、旋推力直接、快速、均衡进入转轮，转轮转动稳定有力，克服了飞逸转速和振动，能满足机组稳定运行的要求。

第1曲旋管9呈3～4圈的形状；第2曲旋管15呈2～3圈的形状。

工作原理：

本发明是一种适于高水头（80米以上）、大流量（内管径10米以上）的一水二机组式水轮发电机组技术创新设计，一水（一根高水头大流量的进水管）供两个大型混流式机组（每个机组两台发电机）发电。

高水头大流量的一水二机组式水轮发电机组技术创新设计，包括两个大型混流式发电机组；该混流式发电机组与现有的对比，每个机组减少了推力轴承、转轮承重支架、活动导叶，增加下电机与电机室、油冷轴承、水冷轴承、顶力支撑窝、进水与排水的管道改为旋曲型；

对进一步开发水力资源，提高机组出力，增加发电量，促进生产力发展，有很高的实用经济价值。

本发明的发明目的是这样实现的：

水体从上游助旋进水管经第一个混流式机组转轮后流入3-4圈曲旋管，再流入第二个混流式机组转轮后流入2-3圈曲旋管把水排到下游。

进水管：在上游进水管口前安装一个盘形漏斗（直径为3D，D为进水管直径，下同），使水体形成初旋，接着在进水管安装一个球型节水阀，可以快速开启与关闭，调节水泊大小与截断水流，水体流入半弯曲、上大下小、向蜗壳进水口倾斜（25°-30°的坡度），长度是2D，形成助旋转水流（盘型水面到蜗壳进水口高程可以是1.1D-1.2D米，这上机组的水头计算是另加下个水力机组的旋力管高程），后进入蜗室。

蜗室：减少活动导叶，并加大蜗室入口和引水室大通道，大通道逐渐减小并底面向固定导叶倾斜30°。固定导叶改为弯曲型，比常规加长3倍，并且是蜗室头入口比尾出水依次减小，宽度不变，导叶之间为斜弯状，底坡度为30°。这样，水体大的重推力、旋压力就直接、快速、均衡进入转轮叶片。

转轮：转轮叶片可用传统厚叶片（可耐用一些，因为转轮转动稳定了），转轮和两发电机（增设下发电机）为同轴的立装置，在两发电机之间。下发电机安装在一个部分敞开的略带尖圆状的室内，室外面为3-4曲这旋力排水（也是下一个机组的旋力进水），在转轮轴经过圆周顶尖部位前安装一个隔水伞，以防止水渗入室内，减少推力轴承、转轮承重支架等。在上发电机顶盖（转轮轴上方）安装一个油冷轴承，在靠近下发电机下方（转轮轴下方）安装一个水冷轴承并有凹型顶力支撑窝，支撑窝承受转轮全部的力。这样的转轮平衡了水泊重推力、旋压力直接、快速、均衡进入转轮，转轮转动稳定有力。克服了飞逸转速和振动，能满足机组稳定运行的要求。

第二个机组的水头可取70米以上，进水管接第一个机组的尾水，第一个机组的尾水旋力排水，也是第二个机组的旋力进水（进水管到蜗壳入口前的坡度可以是30°-50°），水体进入蜗室、转轮排水的设计与第一机组类同。第二个机组的旋力排水管的长度可以是第一个机组排水管的2/3，就可保证机组的出力最大。

本发明的创新设计构思是：分析近年来投产的高水头大流量水轮发电机组，尽管技术进步了许多，但是机组的稳定性并没有提高多少，相反，压力脉动增大，振动加剧，转轮裂纹等现象发生更加普遍，其主要原因归结为水力的设计和机组结构的设计没有很好迎合水体的旋动力。归根到底，是湍流复杂性，湍流问题曾被称为“经典物理学最后的疑团” ，湍流中大旋涡套着中旋涡，中旋涡套着小旋涡，互相交叉又互相混杂，这些运动着的旋涡数量之巨，种类之多，相互作用之繁，不是容易描述的。而最重要特性可归结为随机性、扩散性、有涡性和耗散性。现有的大型机组水体运行太复杂，没有很好地迎合的旋动力，并且转轮只用到少量重推力加少量旋动力。

另外，申请人观察了大、中型电站的进水管在进水时的动能相当大还没被利用，所以水能利用率较低。

为了解决这些问题，本发明运用液体、气体的二次原理，参照液体、气体、固体的旋力特性，利用数学类比法，对现有机组技术设计存在的问题进行科学分析，得出下面结论。

为克服机组振动，使其多出力。

⑴改水力的复杂紊流为基本是单一的二次流，迎合水体的旋动力；⑵改水力的重力流为重力流加旋力流，增加转轮出力；⑶改近似直管为弯曲管，高水头、大流量旋弯管二次流的压力比直管一次流大，直管流压力是水头与管流面积乘积的一次方成正比（需考虑库容水体容积关系），而弯曲旋管流压力是水头与管流面积乘积的二次方成正比（不需要考虑库容水体容积关系）；⑷改悬吊的一头驱动转轮为两头固定中间驱动转轮，增强转轮稳定性；⑸改革发电机为双电机，使磁拉力平衡多发电；⑹改重吸力排水为重吸力+旋吸力排水，使机组出力最大。另外，利用水体在开始流入进水管时的大动能，增设第一个大型混流式水轮发电机组。

Claims (2)

1.一种大型混流式水轮发电机组，包括: 转轮、下机架、发电机、控制环、顶盖、导叶和蜗壳，该机组包括：二个发电机组；

第一个发电机组：处于上游的进水管（3）的上面设有盘形漏斗（1），盘形漏斗（1）与进水管（3）固定连通，进水管（3）内设有球型节水阀（2）；进水管（3）的下端出口与内设有导叶的蜗室固定连通；第1转轮（6）的上面固定安装有第1上发电机（4），第1转轮（6）的下面设有第1下电机室（8），第1下电机室（8）内与第1上发电机（4）依次同轴设有第1下发电机（5）和第1顶力支撑窝（7）；第一个发电机组的尾水进入第1曲旋管（9）；

第二个发电机组：第1曲旋管（9）的下端出口与内设有导叶的蜗室固定连通；第2转轮（12）的上面固定安装有第2上发电机（10），第2转轮（12）的下面设有第2下电机室（14），第2下电机室（14）内与第2上发电机（10）依次同轴设有第2下发电机（11）和第2顶力支撑窝（13）；第二个发电机组的尾水进入第2曲旋管（15）；

所述的盘形漏斗（1）的直径为3D，D为进水管直径，盘形漏斗（1）能使水体形成初旋；所述的球型节水阀（2）能快速开启或关闭，调节水流的大小或截断水流；水体流入呈半弯曲、上大下小的状态，向蜗壳进水口倾斜，坡度为25°-30°，长度是2D，形成助旋转水流；盘形漏斗（1）的水面到蜗壳进水口的高程是1.1D-1.2D，水流随后进入蜗室；

其特征在于：

所述的内设有导叶的蜗室：大通道逐渐减小并底面向固定导叶倾斜30°；固定导叶改为弯曲形，宽度不变，固定导叶之间呈斜弯状，底坡度为30°，这样，水体大的重推力、旋压力就直接、快速、均衡进入转轮叶片；

所述的第1转轮（6）和第2转轮（12）所设的转轮叶片采用厚叶片，第1下发电机（5）和第2下发电机（11）均分别安装在部分敞开的略带尖圆状的第1下电机室（8）、第2下电机室（14），第1下电机室（8）和第2下电机室（14）通过室外面的第1曲旋管（9）和第2曲旋管（15）排水，或作为下一个机组的旋力进水；在转轮轴经过圆周顶尖部位前固定安装一个隔水伞，以防止水渗入室内；减少推力轴承、转轮承重支架；在上发电机顶盖即转轮轴上方安装一个油冷轴承，在靠近下发电机下方即转轮轴下方安装一个水冷轴承并有凹型顶力支撑窝，支撑窝承受转轮全部的力；这样的转轮平衡了水的重推力、旋推力和磁拉力；水体的重推力、旋推力直接、快速、均衡进入转轮，转轮转动稳定有力，克服了飞逸转速和振动，能满足机组稳定运行的要求。

2.根据权利要求1所述的大型混流式水轮发电机组，其特征在于：所述的第1曲旋管（9）呈3～4圈的形状；第2曲旋管（15）呈2～3圈的形状。