CN103233846A - 低水头竖井贯流双向高效水轮机转轮及其机电装置和配套流道 - Google Patents
低水头竖井贯流双向高效水轮机转轮及其机电装置和配套流道 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种低水头竖井贯流双向高效水轮机转轮及其机电装置和配套流道,包括流道和机电部分,所述流道包括进水段、竖井段、导叶段、转轮段、尾水管段四个部分组成;所述机电部分主要包括发电机、增速器、活动导叶、主轴和水轮机,所述转轮由叶片、转轮轮毂、泄水锥三部分组成,而所述转轮轮毂沿周向均匀设置有多个截面为对称翼型的叶片;所述叶片的形状为中间厚两边薄,且叶片最小厚度b1与最大厚度b2之比为0.28~0.35,同时叶片的翼形弯曲角在90°~95°之间,而所述叶片初始安放角为66°,调整值在+3°之间间。本发明不仅能双向工作,而且有较好的能量转换性能,同时造价更低。
Description
技术领域
本发明涉及一种低水头竖井贯流双向高效水轮机转轮及其机电装置和配套流道,属于能源利用技术领域。
背景技术
目前,随着世界各国的高水头水力资源逐渐开发罄尽,各国都不约而同地把目光转向了低水头水力资源,如海洋潮汐能。进入21世纪后,由于受石油价格大幅上涨的影响和二氧化碳减排的压力,潮汐能作为一种洁净可再生能源而再次被世界各国所重视。潮汐发电是利用潮水涨、落产生的水位差所具有势能来发电,将海水涨、落潮的能量变为机械能转变为电能(发电)的过程。具体是在海湾或有潮汐的河口建一拦水堤坝,将海湾或河口与海洋隔开构成水库,再在坝内或坝房安装水轮发电机组,然后利用潮汐涨落时海水位的升降,使海水通过轮机转动水轮发电机组发电。由于潮汐发电水头比较低,主要采用贯流式水轮机。竖井贯流式机组在我国只有数量极少的小容量机组在运行,其主要原因是对竖井贯流式机组的流道设计、机组总体的结构型式、增速器的连接方式及双调结构的受油器布置如何解决等关键技术缺乏深入的研究、设计,致使这种结构简单、安装、维护方便,水力性能优良,造价便宜(比灯泡贯流式机组造价低20%~60%)的竖井贯流式机组未能得到开发、推广使用。因此,开展新型竖井贯流式水轮发电机组研究,降低潮汐电站建设与运营成本,促进潮汐电站发展,任务迫切,意义深远。
发明内容
本发明针对上述问题的不足,提出一种水轮机能双向工作,且有较好的能量转换性能同时造价低的低水头竖井贯流双向高效水轮机转轮。
本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是:一种低水头竖井贯流双向高效水轮机转轮,包括转轮轮毂、泄水锥,所述转轮轮毂沿周向均匀设置有多个截面为对称翼型的叶片,而转轮轮毂的泄水一侧安装泄水锥;所述叶片的形状为中间厚两边薄,且叶片最小厚度b1与最大厚度b2之比为0.28~0.35,同时叶片的翼形弯曲角在90°~95°之间;所述叶片初始安放角为66°,调整值在+3°之间。
优选的:所述叶片为沿转轮轮毂沿周向均匀分布设置的三个对称翼型的叶片。
优选的:所述转轮高度h与水轮机直径d的比值为0.26,转轮轮毂的直径d0和水轮机直径d的比值为0.35。
优选的:所述转轮转速速度为200-300转/分钟。
一种基于上述所述低水头竖井贯流双向高效水轮机转轮的机电装置,包括发电机、活动导叶、主轴和水轮机,所述主轴依次连接着水轮机、发电机,将水轮机的机械能传递给发电机;所述转轮安装在水轮机出水一侧,而活动导叶安装在位于转轮进水一侧的水轮机进口前;所述水轮机与发电机之间设置有增速器。
一种基于上述所述低水头竖井贯流双向高效水轮机转轮的配套机电的配套流道,所述流道包括进水段、竖井段、导叶段、转轮段、尾水管段四个部分组成;所述发电机和增速器布置在竖井里面;所述活动导叶布置在导叶段,安装在位于转轮进水一侧的水轮机进口前;所述主轴连接着水轮机、增速器、发电机,将水轮机的机械能传递给增速器和发电机;所述所述水轮机设置在转轮段中的转轮室内;所述转轮安装在水轮机的主轴末端。
本发明的工作原理:本发明适用于双向潮汐发电电站。在涨潮开始后,外海潮水位与库水位接近相等时关闭水闸。随着潮水位上升,形成外高内低的落差,当水头超过水轮机允许最低工作水头时,水轮机投入运行,开始发电,此时水流由外海流向水库,使库水位上升,但潮水上升较快,故工作水头也不断增加,直至高潮时刻。退潮时候,潮位下降,库水位位于高水位,水头落至水轮机允许最低的工作水头,水轮机停止发电。这种潮汐电站的主要优点是,除水库内外水位相平外,不管在涨潮还是在落潮时均能发电,其发电的时间和发电量都比单向潮汐电站多,能够比较充分地利用潮汐能量。两次发电水流方向相反,要求水轮机能双向工作,并且水轮机的正反向工作都能有较好的能量转换性能,获得尽可能多的潮汐能,提高潮汐能的利用率,提高潮汐电站的效益。
本发明的低水头竖井贯流双向高效水轮机转轮及其机电装置和配套流道,相比现有技术,具有以下优点:1.由于水轮机的叶片采用对称翼型,因此在水流正反向不同工况都可以发电并且其能量转换性能高。并且由于水轮机设置成能够双向工作,因此除水库内外水位相平外,不管在涨潮还是在落潮时均能发电,其发电的时间和发电量都比单向潮汐电站多,能够比较充分地利用潮汐能量。两次发电水流方向相反,要求水轮机能双向工作,并且水轮机的正反向工作都能有较好的能量转换性能,获得尽可能多的潮汐能,提高潮汐能的利用率,提高潮汐电站的效益。在实际工作中转轮能量转换效率在正反向发电时候达到80%以上。在水头为2米时,在正向发电时,转轮最优效率为88%,在反向发电时转轮的最优效率为81.5%。同时在水电站开发整体造价相对便宜,本发明所公开的转轮比目前比较常用的灯泡贯流式机组造价低20%~60%。2. 由于叶片初始安放角为66°,调整值在-3°~3°之间,因此转轮可以根据水头和流量的变化改变叶片安放角,以满足合适的运行工况,保证机组在高效率区运行,在设计工况下,正反向能量转换效率都能达到80%以上,正向发电时,转轮最优效率为88%,反向发电时转轮的最优效率为81.5%。3.由于在所述水轮机和发电机之间设置有增速器,因此减少发电机的体积和造价成本,同时也减少了土石方工程的开挖量。
附图说明
附图1-双向竖井贯流式水轮机二维流道模型图,其中图1(b)是1(a)的俯视图;
附图2-双向竖井贯流式水轮机三维流道模型图;
附图3-转轮三维模型图,其中图3(b)是3图(a)的右视图;
附图5-转轮叶片模型及叶片截面图(垂直放置);
附图6-转轮叶片模型及叶片截面图(水平放置),其中图6(a)是转轮叶片模型的三维模型图,图6(b)是6(a)7个截面上翼型空间型线F1~F7, 图6(c) 是6(b) 其中四个截面上翼型空间型线, 图6(d) 是6(b) 其中三个截面上翼型空间型线;
其中:1为进水段,2为竖井段,3为导叶段,4为活动导叶5为尾水管段, 6-主轴,7-活动导叶,8-转轮,9发电机,10-变速齿轮箱,21-竖井段流道,22-竖井,51-尾水管直锥段,52-尾水管扩散段,53-尾水管出口,81-叶片,82-转轮轮毂,83-泄水锥。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明一个优选实施例的结构示意图,以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
实施例
本实施例的双向潮汐发电电站如图1-6所示,一种低水头竖井贯流双向高效水轮机转轮,包括转轮轮毂、泄水锥,所述转轮轮毂沿周向均匀设置有多个截面为对称翼型的叶片,而转轮轮毂的泄水一侧安装泄水锥;所述叶片的形状为中间厚两边薄,且叶片最小厚度b1与最大厚度b2之比为0.28~0.35,同时叶片的翼形弯曲角在90°~95°之间;所述叶片初始安放角为66°,调整值在+3°之间。
所述叶片为沿转轮轮毂沿周向均匀分布设置的三个对称翼型的叶片。
所述转轮高度h与水轮机直径d的比值为0.26,转轮轮毂直径d0和水轮机直径d的比值为0.35。
所述转轮转速速度为200-300转/分钟。
如附图5、6分别为转轮叶片的垂直和水平放置的模型及叶片截面图,叶片是的上下表面是由两个空间扭曲面,工程上采用木模图来表达水轮机转轮叶片,控制叶片的加工精度和测量精度。
一种基于上述所述低水头竖井贯流双向高效水轮机转轮的机电装置,如图1、2所示,包括发电机、活动导叶、主轴和水轮机,所述主轴依次连接着水轮机、发电机,将水轮机的机械能传递给发电机;所述转轮安装在水轮机出水一侧,而活动导叶安装在位于转轮进水一侧的水轮机进口前;所述水轮机与发电机之间设置有增速器。
一种基于上述所述低水头竖井贯流双向高效水轮机转轮的配套机电的配套流道,如图1、2所示,所述流道包括进水段、竖井段、导叶段、转轮段、尾水管段四个部分组成;所述发电机和增速器布置在竖井里面;所述活动导叶布置在导叶段,安装在位于转轮进水一侧的水轮机进口前;所述主轴连接着水轮机、增速器、发电机,将水轮机的机械能传递给增速器和发电机;所述所述水轮机设置在转轮段中的转轮室内;所述转轮安装在水轮机的主轴末端。
本发明的工作原理:本发明适用于双向潮汐发电电站。在涨潮开始后,外海潮水位与库水位接近相等时关闭水闸。随着潮水位上升,形成外高内低的落差,当水头超过水轮机允许最低工作水头时,水轮机投入运行,开始发电,此时水流由外海流向水库,使库水位上升,但潮水上升较快,故工作水头也不断增加,直至高潮时刻。退潮时候,潮位下降,库水位位于高水位,水头落至水轮机允许最低的工作水头,水轮机停止发电。如附图2所示,在正向发电时,水流从竖井段流向尾水管段,通过水轮机时水流带动转轮旋转,将水流的动能转换为机械能,再通过发电机将机械能转换为电能,反向发电时水流方向相反。
上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式,而不是作为对前述发明目的和所附权利要求内容和范围的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属本发明技术和权利保护范畴。
Claims (6)
1.一种低水头竖井贯流双向高效水轮机转轮,其特征在于:包括转轮轮毂、泄水锥,所述转轮轮毂沿周向均匀设置有多个截面为对称翼型的叶片,而转轮轮毂的泄水一侧安装泄水锥;所述叶片的形状为中间厚两边薄,且叶片最小厚度b1与最大厚度b2之比为0.28~0.35,同时叶片的翼形弯曲角在90°~95°之间;所述叶片初始安放角为66°,调整值在+3°之间。
2.根据权利要求1所述低水头竖井贯流双向高效水轮机转轮,其特征在于:所述叶片为沿转轮轮毂沿周向均匀分布设置的三个对称翼型的叶片。
3.根据权利要求2所述低水头竖井贯流双向高效水轮机转轮,其特征在于:所述转轮高度h与水轮机直径d的比值为0.26,转轮轮毂的直径d0和水轮机的直径d的比值为0.35。
4.根据权利要求4所述双向潮汐发电电站,其特征在于:所述转轮转速速度为200-300转/分钟。
5.一种基于权利要求1所述低水头竖井贯流双向高效水轮机转轮的机电装置,其特征在于:包括发电机、活动导叶、主轴和水轮机,所述主轴依次连接着水轮机、发电机,将水轮机的机械能传递给发电机;所述转轮安装在水轮机出水一侧,而活动导叶安装在位于转轮进水一侧的水轮机进口前;所述水轮机与发电机之间设置有增速器。
6.一种基于权利要求5所述低水头竖井贯流双向高效水轮机转轮的配套机电的配套流道,其特征在于:所述流道包括进水段、竖井段、导叶段、转轮段、尾水管段四个部分组成;所述发电机和增速器布置在竖井里面;所述活动导叶布置在导叶段,安装在位于转轮进水一侧的水轮机进口前;所述主轴连接着水轮机、增速器、发电机,将水轮机的机械能传递给增速器和发电机;所述所述水轮机设置在转轮段中的转轮室内;所述转轮安装在水轮机的主轴末端。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20130807 |