CN103502632A - 水力涡轮机和水电站 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于水力发电的涡轮机和相应的水电站,涡轮机包括两个叶轮(11,12,31,32),所述两个叶轮沿着在水流方向(23)上延伸的一共同的旋转轴线(30)相对于水流方向(23)相继地布置在涡轮机管部分(10,21)中作为前轮(11,31)和后轮(12,32),叶轮(11,12,31,32)配置成由水流驱动沿相反的方向旋转。为了改善用于水力发电的涡轮机的特性,尤其是考虑到低水头发电,本发明建议:第一齿轮(46)和第二齿轮(47)沿着旋转轴线(30)布置,各齿轮均连接于叶轮(11,12,31,32),并经由啮合传动机构(48)相互连接,使得前轮(11,31)和后轮(12,32)就它们的转速而言彼此耦联,啮合传动机构(48)能够连接于发电机。

Description

水力涡轮机和水电站
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于水力发电的涡轮机,所述涡轮机包括两个叶轮,所述两个叶轮沿着在水流方向上延伸的一共同的旋转轴线相对于水流方向相继地布置在涡轮机管部分中作为前轮和后轮。所述轮配置成由水流驱动沿相反的方向旋转。本发明还涉及一种包括这样的涡轮机的在流动水或落差水中的水电站。
背景技术
[0002] 水力涡轮机用于通过转换由重力引起的水落差或水流动而提供的水流能量来产生电力。水流的水头和流量是决定参数。当前,用于发电的低水头水力涡轮机使用的水落差小于20米,通常小于5米。
[0003] 人们所关心的仍然是低水头水力发电应用对环境的影响。大建筑尺寸的低水头坝、堰、落差结构以及大型水能耗散器和用以确保侵蚀控制的速度控制器导致对天然的和有涉水者的安全河流环境以及鱼类迁徙的干扰。诚然,人们非常希望利用低水头水力发电,并且不需要单独的鱼道建筑和将主流分开以用于将泥沙运输通过水电站来使得鱼和其余水可以在涡轮机旁边通过。
[0004] 法国专利申请FR2787522涉及一种采用空气动力以及液体流动的发电机。为此,至少一个叶轮布置在由流体流动横穿的外壳中。在叶轮上通过外部调节装置(例如受调节的机械制动器或电动制动器或翻板闸门)施加固定转速,以在外壳出口实现等于外壳入口流动速度的I/ V 3的流动速度。在一个实施例中,具有相反转动方向的两个转子轮依次布置在外壳中,每个转子轮包括单独的制动器,并且彼此独立地操作。但是,轮的转速的外部调整损失了空气动力。
[0005] 国际专利申请W02006/016360A2披露了一种实现转子和定子反向旋转的装置,其能够用来产生电力。为此,一发电机沿着旋转轴线布置在转子和定子之间,使得转子和定子能够独立旋转。该配置设置在坝底部的由混凝土形成的水流管道中,其横截面面积沿水流方向变窄。该装置不能很好地适用于低水头水力发电应用。
[0006] 英国专利申请GB1,132,117披露了一种用于轴流式水力涡轮机的增速器。为此,动力涡轮机具有径向上比周围外壳的内径短的叶片,叶片设置有内罩板,以在内罩板和涡轮机外壳之间提供一环形通道,当需要增速比较高时,在涡轮机外壳中设置成对反转的自由转动的叶轮。这种配置会导致构造尺寸大,并且由于涡轮机叶片缩短,不能完全避免涡轮机效率的牺牲。
发明内容
[0007] 本发明的目的是弥补上述缺陷中的至少一个,以提供开始所述的具有改善的水力发电性能特性的涡轮机。本发明的另一个目的是使这种涡轮机和/或包括至少一个这种涡轮机的相应的水电站所需的构造尺寸减少。本发明的又一目的是提供能够用于以较低水头或极低水头工作的水电站的涡轮机。[0008] 这些目的中的至少一个是通过权利要求1所述的涡轮机和权利要求19所述的水电站实现的。从属权利要求限定了优选实施例。
[0009]因此,在本发明的涡轮机中,沿着旋转轴线布置有第一齿轮和第二齿轮,其中,第一齿轮连接于前轮,第二齿轮连接于后轮,使得第一齿轮和第二齿轮中的每个齿轮均配置成绕由相应的轮驱动的旋转轴旋转。第一齿轮和第二齿轮经由一啮合传动机构连接,使得前轮和后轮就它们的转速而言彼此耦联,其中,啮合传动机构可连接于发电机。
[0010] 因而,由于第一齿轮和第二齿轮经由啮合传动机构连接,可以在前轮和后轮之间建立从动固定连接,其中,轮的相对转速依照预定比率进行同步。这样,涡轮机能够实现更可靠的运行性能,其中优选在轮之间经由啮合传动机构提供某种程度的有利反馈。
[0011] 进一步有利的是,为提取所要求的动力输出,可以有效地减少轮的名义转速。因而,由于具有可以与更开放的内管结构相组合的更平和变化的水压力,可以为水生物提供更高的友好性。
[0012] 此外,能够从涡轮机有利地提取动力,其中两个轮对发电的贡献相同。而且,啮合传动机构允许将从两个轮提取的动力供给到单个发电机。尤其是,通过第二个轮的贡献,可以有利地提高从单个轮传送的小输出动力,以充足地供给发电机。
[0013] 应当注意,在本专利申请的上下文中,术语“水流”指的是流动水以及落差水的运动。
[0014] 为了提取动力,哨合传动机构优选固定于用于将哨合传动机构与发电机连接的传动轴,其中该传动轴延伸穿过涡轮机管部分的外壁或者涡轮机管部分前面或后面的管部分的外壁。这样,不管各自的尺寸如何,各种类型的发电机都可以与水流相距任意横向距离地设置在外面。但是,也可以想到在包括涡轮机管部分的水流管前面或后面设置发电机。还可以想得到在涡轮机管部分内或在更上游或更下游的管部分内设置发电机及其与啮合传动机构的连接。
[0015] 为了驱动齿轮装置,第一齿轮优选经由第一轴连接于前轮,第二齿轮优选经由第二轴连接于后轮,其中所述轴之一是空心轴,另一轴沿着旋转轴线同心地延伸穿过该空心轴。这样,齿轮可以有利地设置在沿着旋转轴线的任何位置上,并且可以选择轮和齿的设计和位置,以使对水流的干扰最小化。为此,第一齿轮和第二齿轮优选设置在两个轮所在位置的下游。也可以想到将齿轮装置设置在叶轮所在位置的上游。还可以想得到位于叶轮之间的齿轮位置,其中两个轴可以以彼此相对的方式布置,并且不需要空心轴。优选地,齿轮沿着旋转轴线依次布置。更优选地,齿轮以彼此相对的方式布置在旋转轴线上。
[0016] 依照一优选实施例,啮合传动机构由单个齿轮构成,尤其是一伞齿轮构成,其优选布置在第一齿轮与第二齿轮之间。这允许可以从涡轮机直接进行动力提取,并使损耗最小。依照另一个优选实施例,啮合传动机构由包括多个齿轮的传动组件构成。这可以用于例如从涡轮机中提取动力,在该涡轮机中,各叶轮被同步至彼此不同的值,即被同步至不等于I的转速比。这还可以用来为发电机提供所要求的转换比。
[0017] 为了使叶轮同步运行,涡轮机管部分和/或轮的几何尺寸优选适合于使轮产生所要求的相对转速比。在一优选实施例中,涡轮机管部分和/或叶轮配置成使得前轮和后轮可以被水流以基本上相同的转速驱动。这样,可以实现叶轮的稳定运行和良好的动力提取。但是,也可以想得到其他转速比。此外,也可以想得到相应地修改涡轮机管部分和/或叶轮的各种手段。一些优选手段概述如下。
[0018] 优选地,涡轮机管部分设置有沿水流方向增大的内径。这样,在设置有叶轮的涡轮机管部分内,水的动能已经降低。因此,可以有效地减小降低涡轮机管部分后面的水流速度所需的尾水管部分的尺寸。此外,由于管直径的增大,通过后轮的流动面积优选比通过前轮的流动面积大。通过增大相应的流动面积,后轮的转速能够接近于前轮所要求的转速,以免牺牲输出动力或涡轮机效率。
[0019] 优选地,对涡轮机管部分的内径的改变进行选择,使得水流离开后轮的处横截面区域的水流速度比水流进入前轮处的横截面区域减少至少6%,更优选减少至少20%。尤其是,最佳的涡轮机性能可以在一优选的配置中得到证明,所述配置包括改变涡轮机管部分的内径,使得实现在水流离开后轮处的横截面区域的水流速度比水流进入前轮处的横截面区域的水流速度降低40%到60%。水流速度优选定义为水通过相应横截面区域的速度分布的平均。
[0020] 当涡轮机管部分的内径以从水流进入前轮的位置至水流离开后轮的位置连续增加的斜率增大时,涡轮机管部分内的水速能够实现特别有效的减少,同时能够实现叶轮的转速的同步。更优选地,涡轮机管部分的内侧壁呈现一凸曲率,所述横截面面积在水流方向上以该凸曲率变宽。
[0021] 优选地,叶轮叶片的尺寸和形状适合于涡轮机管部分的内壁的几何结构,使得叶片的外边缘基本上直接邻接涡轮机管部分的内壁。因而,涡轮机效率可以达到最佳。
[0022] 优选地,前轮或后轮或两者的前缘(水流在该前缘处进入叶轮)的直径小于后缘(水流在该后缘处离开相应叶轮)的直径。这可以进一步有助于叶轮转速的同步。更优选地,后轮的后缘直径与前缘直径之差大于前轮的后缘直径与前缘直径之差。
[0023] 优选地,前轮的直径包括后轮的直径的60%到70%之间的值,以实现轮转速的同步。根据一优选配置,前轮的前缘直径最多为后轮的后缘直径的97%,更优选最多为90%,最优选为80%。根据一特定例子,最佳的涡轮机性能可以在一优选的配置中得到显现,所述配置包括后轮的后缘直径比前轮的前缘直径增大65%到75%。
[0024] 优选地,两个轮沿着旋转轴线相对于水流方向布置在齿轮的前面或后面。前轮和后轮优选彼此紧挨着布置,尤其是使得前轮的后缘基本上直接跟有后轮的前缘。这样,可以进一步改善涡轮机效率,并可以避免中间体积处的错误指向的流或泄漏的流或者轮间的中断。优选地,前轮的后缘直径基本上等于后轮的前缘直径。
[0025] 根据一优选配置,前轮上设置的叶片数量与后轮上设置的叶片数量相等。根据另一个优选配置,前轮上设置的叶片数量与后轮上设置的叶片数量不同。更优选地,前轮上的叶片数量大于后轮上的叶片数量。根据一特定例子,一个额外的叶片优选设置在前轮上。尤其是,总共四个叶片优选设置在前轮上,总共三个叶片优选设置在后轮上。
[0026] 优选地,后轮在水流方向上的长度与前轮在水流方向上的长度不同。这样,根据所要求的输出动力或涡轮机效率,后轮的转速可以接近于前轮所要求的转速。优选地,后轮的长度与前轮的长度至少相差其长度的5%,更优选至少相差其长度的10%。因而,也可以想到不同的轮配置。
[0027] 根据一优选配置,前轮在水流方向上的长度大于后轮在水流方向上的长度。这种轮配置有利于将从水流传递给前轮和后轮的能量平衡至一期望值,尤其是平衡至一相等的值。优选采用在前轮和后轮上设置相等数量的叶片的轮配置。
[0028] 根据另一个优选配置,后轮在水流方向上的长度大于前轮在水流方向上的长度。这种轮配置有利于延长后轮的长度,以便在后轮的后缘提供叶轮叶片相对于垂直于旋转轴线的直线的期望的节距值。在前轮设置的叶片数量多于后轮时,优选采用这种轮配置。
[0029] 优选地,叶轮叶片的节距,尤其是相对于水流被限定的流线的节距,沿水流方向减小。由此,优选沿水流方向设置相对于轮的旋转平面连续减少的节距。优选地,对应于叶轮叶片节距的半径,尤其是相对于水流被限定的流线的半径,沿水流方向增大。由此,叶轮叶片的形状,尤其是沿着水流被限定的流线的形状,优选对应于直径沿水流方向增大和/或节距角沿水流方向减小的螺线圈的一小段。这些手段也可以用于轮转速的同步。
[0030] 优选地,叶轮叶片绕前轮轮毂的路线由叶轮叶片绕后轮轮毂的路线相应地接续,尤其是相对于叶片的节距和/或相应的节距半径。
[0031] 上述手段中的两个或更多个的有利组合优选应用于涡轮机管部分和/或轮内部,以同时允许轮转速的同步、轮的稳定运行以及动力输出和/或涡轮机效率的优化。
[0032] 根据本发明的涡轮机也可以描述为“轴流式涡轮机”,其包括在水流方向上延伸的轮的旋转轴线,同时仍然允许利用水流速度的变化来产生能量。到目前为止,基于喷水的速度变化的工作原理仅从其中轮的旋转轴线必须垂直于水流布置的冲击式涡轮机中获知。另一方面,在水流方向上延伸的轮的旋转轴线当前仅用于反作用式涡轮机,所述反作用式涡轮机基于其中水流的速度保持不变的不同工作原理。
[0033] 涡轮机管部分的上游端优选被限定作为水流进入前轮的位置或者更上游的位置。在上游端之前,涡轮机管部分优选由进入管部分邻接,水流通过所述进入管部分被传送至涡轮机管部分,其中进入管部分优选呈现沿水流方向变小的直径,以增加水流的动能。
[0034] 涡轮机管部分的下游端优选被限定作为水流离开后轮的位置。在下游端,涡轮机管部分优选由用于回收动能的尾水管部分邻接。为了这个目的,尾水管部分优选设置有在水流方向上增大的内径和适用于使涡轮机下游的水流速度恢复至涡轮机上游的水流速度水平的长度。
[0035] 根据一优选配置,尾水管部分的长度等于前轮在水流进入轮的前缘的直径的最多4倍的值。因而,根据本发明的涡轮机的上述技术特征可以有效地用于减少尾水管部分所需的尺寸,以基本实现水流动能的完全回收。
[0036] 根据本发明的水电站包括流动水或落差水和至少一个如上所述的涡轮机,其中流动水或落差水被弓I导通过涡轮机管部分。优选地,水电站安装在流动水中,尤其是天然或人工河流环境中。
[0037] 在水电站的一优选配置中,在进入涡轮机管部分之前,流动水或落差水的水头最多为4m,更优选最多为2.5m,最优选为0.Sm。更优选地,由于根据本发明的涡轮机的上述技术特征允许利用可以基本上在Im以下的水头,单独的鱼道构造和主流分支不再是必需的,这种水电站不再设置这些。此外,这种水电站优选设置有主要由其余水流清洗的拦污栅。因而,水电站可以有利地被构造,而不需要单独的机械拦污栅清洗机。
[0038] 本发明进一步的实施例包括一种水力机械,其具有在同一旋转轴线上在相反的方向上旋转的两个装有多个叶片的轮,这两个轮作为前轮和后轮以使得这些轮影响彼此的流动从而优化其功能的方式被置于水流上。优选地,前轮具有比后轮多或与后轮相等的叶片数量。优选地,前轮的直径比后轮小。优选地,前轮的节距和/或节距直径与后轮不同。优选地,轮中的至少一个或两者具有较小的前缘直径和较大的后缘直径。优选地,前轮的后缘直径等于后轮的前缘直径。优选地,两个装有多个叶片的轮彼此之间具有可驱动的固定连接。优选地,该机械用轴将机械能能传递到水流外。优选地,该机械以使水流速度在带有叶片的轮区域与后管区域都降低的方式安装到一管内。
附图说明
[0039] 下文参照附图并借助于优选实施例更详细地解释了本发明,这些附图示出了本发明的进一步的性能和优点。附图、说明书和权利要求书包括多个组合的技术特征,本领域技术人员也可以单独构思和进一步适当组合使用。在附图中:
[0040] 图1是传统水力涡轮机装置的纵向截面图;
[0041] 图2是根据本发明的涡轮机的简图;
[0042] 图3是根据本发明的涡轮机的透视图;
[0043] 图4是根据本发明的涡轮机的纵向截面图;
[0044] 图5是图3和图4所示的涡轮机的前轮的前视图;
[0045] 图6是图3和图4所示的涡轮机的后轮的前视图;
[0046] 图7是图5所示的前轮的侧视图;
[0047] 图8是图6所示的后轮的侧视图;
[0048] 图9是一轮毂的前视图,示出了根据本发明的一优选轮几何结构;
[0049] 图10是图9所示的轮毂的侧视图;和
[0050] 图11是一矢量图,示出了图2-图4中所示的涡轮机中轮的四个不同位置上的绝对速度、相对速度和叶片速度。
具体实施方式
[0051] 图1示意性显示了传统水电站的局部视图。它包括进水口通道2,该进水口通道的入口由条状栅5保护。还设置有栅清洗系统(未显示),以免条状栅5阻塞。进水口通道2通常具有一收敛形状,该收敛形状引导水朝着轴线为D的涡轮机4的轮3流动。涡轮机4上游的进水通道2中设置有分配器6,以适当地相对于涡轮机4的轮3的叶片7引导水流。水电站的涡轮机4通常为卡普兰(kaplan)式涡轮机,其具有螺旋形状,并且通常包括可调叶片7。尾水管8引导水从涡轮机4的出口流向尾水渠9。分配器6通常配备有可动边门,借助于分配器6的关闭,可以停止涡轮机4。
[0052] 在图1的例子中,涡轮机4的轴线D大体上水平,但是它也可以是竖直的。发电机(未显示)布置在置于水流中的球茎形卡特(carter) I中。它也可以置于水流外面。
[0053] 对于轮3的特定转速,卡普兰式涡轮机通常具有最优的效率。进水通道2旨在使水流加速至适合于轮3的最优效率转速的速度。从轮3出来的水的速度高于水电站上游的流速。尾水管8旨在对从轮3出来的水流进行减速,从而能够尽可能多地回收保留在从涡轮机4出来的水流中的动能。通常,尾水管8的长度大于轮3直径的4.6倍。
[0054] 通常,定义表征给定水电站类型的涡轮机4的比率K,使之等于从轮3出来的水流动能与水头势能之比。比率1(,用%表示,由下列关系式给出:[0055] K=100*V2/2gH
[0056] 其中,V是从轮3出来的水流的平均速度,g是万有引力常数,H是水头高。比率K表示从轮3出来时仍以动能的形式包含在水流中的能量除以涡轮机能获得的能量,因而表示的是能被尾水管8回收的能量。
[0057] 比率K越高,所执行的减速就越多。对于传统的低水头卡普兰式涡轮机,JoachimRaabe先生在其著作“水能(Hydro Power)”中指出,70米、15米和2米水头的比率K分别为30%、50%和80%。由于尾水管的发散受到液路分离风险的限制,因此在极低水头涡轮机中在轮3的出口处回收高动能,将导致尾水管构造非常大。
[0058] 因此,水电站的进水通道2和尾水管8需要形成大的土木工程构造的形式。这种构造的成本非常高,大大加重了水电站的总成本,大大限制了系数K特别高的低水头和极低水头的水电站的构造。
[0059] 如下进一步所述的,根据本发明的反转式双涡轮机能够特别高效地用作极低水头涡轮机。已知的普兰式涡轮机中的主要问题在于,在低水头情况下,涡轮机直径迅速增大。例如,流量Q=lm3/s,水头H=4m,或者Q=4m3/s, H=Im时,可实现约35kw的润轮功率,但同时,正常情况下卡普兰式润轮机直径从〜47cm增大到〜133cm。或者对于Q=lm3/s,且H=Im,仅〜9kw的涡轮功率,其直径增大至〜67cm。增大涡轮机直径的原因是为了减少水速度,从而减少涡轮机气蚀。利用根据本发明的反转式双涡轮机,可以将直径减小到原始尺寸的2/3-3/4。
[0060] 因为涡轮机直径是还调整所有周围结构的主要因素,所以,其是决定水力项目是否可行的关键尺寸。一般来说可知,1.5m水头的民用工程的成本是3m水头的民用工程的成本的5倍。在极低水头下,涡轮机直径容易超过水头高,导致整个涡轮机必须如加拿大专利N0.2,546,508中所示重新布置的情形,或者导致需用美国专利N0.6,281,597所示的涡轮机矩阵解决该问题。
[0061] 现有的卡普兰式和弗朗西斯(Francis)式水轮机的另一个已知问题是,当水流不在所设计的最佳条件时,其效率曲线下降较快。可以通过可变节距螺旋桨和边门减少这种现象,但这也增加了投资成本,并且这种系统还需要持续的过程监督。由于本发明所描述的不是基于最佳开发的涡旋状水流、即如传统卡普兰式涡轮机中的水流,而是轴向对称水流,其效率曲线更少地依赖于最佳水流。这在存在大的水流变化的情况下给本发明赋予了优点。
[0062] 如图2示意性所示的,根据本发明,设有由下列部件组成的水轮机:在水流管10中以相反的方向旋转的两个螺旋桨式涡轮11、12。涡轮机通过齿轮可驱动地连接在一起,以使其运动同步。该齿轮将机械能传递到水流管外面,机械能在水流管外转化成电能。
[0063] 图3是根据本发明的涡轮机17的透视图。涡轮机20包括具有大体上圆柱形的外壁19的水流管18。具有水流方向23的流动水在上游管端24供给至水流管21内。水流管18由开始于上游管端24的入口管部分20、中间涡轮机管部分21和随后的通向下游管端25的尾水管部分22组成。
[0064] 入口管部分20设置有内壁26,其内径沿水流方向23减少,以增加流动水的动能。涡轮机管部分21设置内壁27,其内径沿水流方向23增大,其原因将在下面进一步阐明。因此,流动水的动能在涡轮机管部分21中已经降低。尾水管部分22设置有内壁28,其内径沿水流方向23进一步增大,以使流动水的动能在进入水流管18之前进一步减少至上游能量水平。沿水流方向23,先是前轮31随后是后轮32以彼此紧挨着的方式布置在涡轮机管部分21内,使得轮31、32可以沿着在水流方向23上延伸的一共同的旋转轴线30旋转。轮
31、32源自螺旋桨式涡轮机的轮类型。但是,也可以想到轮31、32为卡普兰式涡轮机的轮类型。
[0065] 轮31、32均由轮毂33、34和若干叶片35、36组成。叶片35、36形成为使轮31、32由沿方向23的水流驱动而反向地旋转,即沿彼此相反的旋转方向旋转。前轮31具有四个叶片35,后轮32具有三个叶片36。叶片35、36的外边缘37、38的形状适合于涡轮机管部分21的内壁27的几何结构,使得叶片35、36能紧挨着涡轮机管部分21的内壁27旋转。
[0066] 水流进入轮31、32的位置相继地表示为轮31、32的相应的前缘39、40。水流离开轮31、32的位置相继地表示为轮31、32的相应的后缘41、42。前轮31的后缘41的直径等于后轮32的前缘40的直径。涡轮机管部分21终止于后轮32的后缘42,后缘42后面是尾水管部分22。前轮31的前缘39处设置有一水力鼻结构29作为轮毂33的上游延长部,以改善流体动力学特性。尾水管部分22的长度约等于前轮31的前缘39直径的三倍。
[0067] 尾水管部分22内部,即后轮32的后缘42的更下游,设置有齿轮装置45。齿轮装置45包括第一齿轮46和第二齿轮47,两齿轮以彼此相对的方式围绕旋转轴线30相继布置,使得齿轮46、47彼此面对。齿轮46、47为伞齿轮。在旋转轴线30上方设置有面对旋转轴线30的啮合传动机构48,使得该啮合传动机构与另外的两个齿轮46、47相啮合。为此,第一齿轮46和第二齿轮47分别布置在哨合传动机构48的下游端和上游端。哨合传动机构48由伞齿轮构成。轮31、32各自经由相应的轴56、57连接于齿轮46、47,如下所述。
[0068] 哨合传动机构48的外表面固定到传动轴51上。传动轴51垂直于外壁19从卩齿合传动机构48延伸到水流管18外部的区域。为此,水流管18的外壁19上设置有通孔52。在通孔52位置周围,设置有安装块53,外圆筒54通过该安装块固定在外壁19上。传动轴51沿着外圆筒54的中心轴线延伸至该外圆筒的上端,传动轴51在该上端处设置有驱动曲柄55。驱动曲柄55或传动轴51连接到发电机,以生成电能。发电机可以安装在例如外圆筒54的内部、上方或代替外圆筒54。
[0069] 图4描绘了涡轮机17的细节截面图,很明显的是,前轮31经由第一轴56连接于第一齿轮46,后轮32经由第二轴57连接于第二齿轮47。同前轮31和后轮32相比,相应的齿轮46、47关于水流方向23相反地布置,即,第一齿轮46沿着旋转轴线30布置在第二齿轮47之后。
[0070] 轴56、57沿旋转轴线30延伸。第二轴57为一空心轴,第一轴56同心地延伸穿过该空心轴。齿轮46、47通过轴56、57被驱动以沿与由水流驱动的相应轮31、32的方向相同的方向旋转。因而,通过水流实现了齿轮46、47的反向旋转,这样,齿轮46、47沿彼此相反的方向旋转,这对驱动啮合传动机构48来说是必要的。此外,为了驱动啮合传动机构48,固有的是,齿轮46、47的转速相等。这样,轮31、32的转速借助于啮合传动机构48彼此耦合。为使得轮31、32的转速为所要求的相等值,涡轮机管部分21和轮31、32的几何结构相应地进行调整。
[0071] 从图4变得更显而易见的是,涡轮机管部分21的内壁27存在一凸曲率,涡轮机管部分21的横截面面积在水流方向23上沿着该凸曲率变宽。因此,涡轮机管部分21的内径以增加的斜率增大,提供有内壁27的流动剖面,平均流体速度沿着该流动剖面降低。内壁27的凸曲率从与前轮31的前缘39相距一段前向距离的位置延伸到后轮32的后缘42的位置。这种几何结构用来同步轮31、32的转速。
[0072] 跟在涡轮机管部分21后面的、在后轮32的后缘42位置之后的尾水管部分22具有沿着水流方向23进一步增大的直径。尾水管部分22的内壁28的形状呈一略微凹曲度或一大体上恒定的斜率。尾水管部分22的内壁28的几何结构和长度设计成用于回收水流的动能。但是,涡轮机管部分21的内壁27的几何结构以及轮31、32的内部布置也大大有助于动能的回收。这导致尾水管部分28所需长度的有效地减少。
[0073] 图5显示了前轮31的前视图。前轮31包括具有相同形状并且等间距地围绕轮毂33布置的四个叶片35a-35d。
[0074] 图6显示了后轮32的前视图。后轮32包括具有相同形状并且等间距地围绕轮毂34布置的三个叶片36a-36c。叶片36a_36c具有比叶片35a_35d更大的表面。前轮31在其后缘41的直径大体上等于后轮32在其前缘40的直径。前轮31在其前缘39的直径与后轮32在其后缘42的直径相差大约25%到30%。
[0075] 图7显示了前轮31的侧视图。在该图中,显示了叶片35的外边缘37与垂直于旋转轴线30的平面61之间的叶片角a。叶片角α随着垂直平面61沿旋转轴线30的纵向位置而变化。叶片角α的这种纵向变化受叶片35绕轮毂33延伸所沿的叶片35的路线
58、由水流23驱动的前轮31的期望转动方向以及涡轮机管部分21的内壁27的形状影响,使得叶片35的外边缘37无缝地毗邻内壁27。叶片35沿轮毂33的路线58可以描述为绕轮毂33缠绕的部分螺旋线,正如下面进一步所述的。
[0076] 图8描绘了后轮32的相应的侧视图,其中显示了叶片36的外边缘38与垂直于旋转轴线30的平面61之间的叶片角β。叶片角β也呈一纵向变化,纵向变化的量受叶片36沿轮毂34的路线59、由水流23驱动的后轮32的期望转动方向以及涡轮机管部分21的内壁27的形状的影响,使得叶片36的外边缘38无缝地毗邻内壁27。叶片36的路线59可以描述为沿路线58绕轮毂33缠绕的所述部分螺旋线的延续部分。随后,将基于图9和图10所示的示意图,更详细地描述叶片35、36绕轮31、32的轮毂33、34的螺旋形路线58、59。
[0077] 叶片36延伸所沿的、后轮32在水流方向23上的长度大于叶片35延伸所沿的、前轮31的相应长度。这样,在后轮32的后缘42处可以达到叶片36的螺旋形路线59的期望节距。这种叶片几何结构允许补偿后轮32上的叶片36所选择的、比前轮31上的叶片35的数量更少的数量,以便同步轮的转速。
[0078] 图9示意性显示了穿过涡轮机管部分21内部的横截面区域63的前视图,在其中心设有一圆柱体66。圆柱体66沿旋转轴线30延伸。一直径在水流方向23上增大的螺旋线64绕圆柱体66缠绕。
[0079] 图10显示了圆柱体66和螺旋线64的相应侧视图。还显示了相对于横截面区域63更上游的横截面区域61。另外,显示了涡轮机管部分21的内壁27内部水流的各种流线67、68。流线67、68之间的距离在水流方向23上以增大的斜率变宽。螺旋线64绕最外面的流线68缠绕。
[0080] 圆柱体66用作前轮31的轮毂33或后轮32的轮毂34或两个轮毂33、34的组合的示意性例示,其中前轮31和后轮32沿着水流方向23直接前后地布置。螺旋线64用以图示在外流线68的位置上的叶片35、36的相应形状。
[0081] 更确切地说,螺旋线64限定了节距线,即在外流线68的位置穿过叶片35、36的前缘39、40和后缘41、42的线。叶片35、36的形状在内流线67处相应地变化的。正如所述的,叶片35、36沿前轮31和后轮32的轮毂33、34的路线58、59的长度等于围绕圆柱体66一部分螺旋线圈的长度。
[0082] 图10显示了水流方向23上的三个随后的纵向距离P1、P2、P3,每个纵向距离对应于一圈螺旋线64。螺旋线圈的纵向距离P1、P2、P3沿水流方向23减小。相应的螺旋线圈的相应半径R1、R2、R3、R4沿水流方向23增大。螺旋线64与横截面区域61之间的相应角度Y 1、Y 2> Y 3沿水流方向23连续减小。
[0083] 纵向距离P1、P2、P3限定了叶片35、36在外流线68上的节距。节距P1、P2、P3是在叶片35、36的完整一圈之后已经被覆盖的给定半径位置Rl、R2、R3、R4的运动中轴向波动的量度。半径R1、R2、R3、R4随后表示为节距半径。角度Y 1、Y 2、Y 3限定了叶片35、36在外流线68上的节距角。节距角Y 1、Y 2、Y 3是叶片35、36沿节距线64相对于旋转平面61的压力面的量度。
[0084] 因此,图7和图8所示的轮31、32的叶片35、36的节距P1、P2、P3沿水流方向23连续减小。轮31、32的叶片35、36的节距半径R1、R2、R3、R43沿水流方向23连续增大。轮31、32的叶片35、36的节距角Y 1、Y 2、Y 3沿水流方向23连续减小。
[0085] 在图11所示的矢量图中,示出了在前轮11、31的两个不同位置处以及在后轮12、32的两个不同位置处的绝对速度、相对速度和叶片速度的具体例子。
[0086] 前轮31的前缘39处的绝对速度Cl由前轮31的前缘39处的相对速度Wl和叶片速度Ul之和给出。前轮31的后缘41处的绝对速度C2由前轮31的后缘41处的相对速度W2和叶片速度U2之和给出。后轮32的前缘40处的绝对速度C3由后轮32的前缘40处的相对速度W3和叶片速度U3之和给定。后轮32的后缘42处的绝对速度C4由后轮32的后缘42处的相对速度W4叶片速度U4之和。这些矢量标记在一笛卡尔座标系统中,轴向矢量分量X在水流方向23上,切向矢量分量Y在垂直方向上。
[0087] 绝对速度Cl、C2、C3、C4是绝对参照系中水来流的速度的量度。Clm表示前轮31的前缘39的、在水流横截面面积上求平均得到的经线速度。叶片速度Ul、U2、U3、U4是轮
11、12、31、32以转速ω旋转时叶片35、36在径向距离r处的切向速度ω.r的量度。相对速度11、12、13、14是水流在运动系中相对于叶片速度仍、似、仍、况的速度的量度。因而,相对速度Wl、W2、W3、W4受轮11、12、31、32的叶片35、36相对于垂直于旋转轴线30的线61的相应角度的影响。
[0088] 在普通的轴流式涡轮机中,例如在卡普兰式、弗朗西斯式或螺旋桨式涡轮机中,通过的水射流速度基本保持不变,因为水射流作用在涡轮机叶片上,所以只有水压力是变化的。这种类型的涡轮机也被称作反作用式涡轮机。
[0089] 但是,如图11所描绘的,水射流的速度Cl、C2、C3、C4在通过轴流式涡轮机17的涡轮机管部分21期间发生变化。因此,根据本发明的涡轮机17也可被称为“轴向冲击式涡轮机”,其中可利用水流的速度变化产生能量。
[0090] 此外,水通过轮期间的轴流式涡轮机损耗以及因而轴流式涡轮机的效率,尤其是当前的卡普兰式、弗朗西斯式或螺桨式涡轮机,通常大致取决于水流相对于叶片速度的相对速度W的平方。但是,因为通过根据本发明的涡轮机管部分21的水射流的相对速度W1、W2、W3、W4由于绝对速度C1、C2、C3、C4的下降而剧烈下降,根据本发明的轴流式涡轮机17的效率可以达到最优。
[0091]图3-图8所描绘的涡轮机17的几个特征及本发明的其他实施例和优点概述如下:
[0092] 图3中所描绘的涡轮机驱动装置设计为直接安装到发电机(未显示)的输入轴上。驱动装置包括一反向机构45,所述反向机构具有一驱动轴51,所述驱动轴具有与两个伞齿轮46和47持续啮合的伞齿轮48。齿轮46由一螺旋桨轴56驱动,齿轮47由一同心安装于轴56的空心轴形式的螺旋桨轴57驱动。轴56承载螺旋桨31,轴57承载螺旋桨32。通过上述配置,螺旋桨轴将反向旋转。所示配置可以放置在螺旋桨31和32之后,如图3所示,或者可以放置在螺旋桨31、32之前。
[0093] 后螺旋桨32的直径大于前螺旋桨31,必须形成水流管10和8,如图2和图4示意性所示的,使得两螺旋桨可以高效工作,可以维持轴向对称水流并且在螺旋桨31、32上具有最大的水流速和压力的下降。
[0094] 由于水速在涡轮机17本身中可能已经高效下降,这还意味着最佳的尾水管22相对长度小于常规涡轮机尾水管的长度。水流管10、18可以建造成如图2-图4所示实施例中的管,或者可以是仅描述流动的自由水中的虚拟管。
[0095] 在如图2-图8所示的实施例中,前螺旋桨31的直径是后螺旋桨32的直径的93%,但是,取决于各种各样的因素,例如水头高度和水流,前螺旋桨31的直径也可以是后螺旋桨32的直径的80-97%或者60-97%或者大于后螺旋桨32的直径。前螺旋桨31可以具有与后螺旋桨32相同的节距或者比后螺旋桨32的节距大。
[0096] 前螺旋桨具有更多的叶片35 (即4片),而后螺旋桨具有较少的叶片36 (即3片),如图2-图8中的实施例所示。
[0097] 如图2-图8中的实施例所示,螺旋桨前缘的直径小于后缘的直径。这有助于涡轮机实现图2-图4所示的最佳水流管形式10。
[0098] 如果叶片边缘直径也存在不同,则螺旋桨31、32的节距P1、P2、P3在叶片面积上也是可以变化的。
[0099] 根据上文描述,在不脱离仅仅由权利要求书限定的本发明的保护范围的情况下,根据本发明的涡轮机以及相应水电站的各种修改对本领域技术人员来说都是显而易见的。

Claims (20)

1.一种用于水力发电的涡轮机,所述涡轮机包括两个叶轮(11,12,31,32),所述叶轮(11,12,31,32)沿着在水流方向(23)上延伸的一共同的旋转轴线(30)相对于水流方向(23)相继地布置在涡轮机管部分(10,21)中作为前轮(11,31)和后轮(12,32),叶轮(11,12,31,32)被配置成由水流驱动在相反的方向上旋转,其特征在于:沿着所述旋转轴线(30)布置有第一齿轮(46)和第二齿轮(47),其中,第一齿轮(46)连接于前轮(11,31),第二齿轮(47)连接于后轮(12, 32),使得第一齿轮和第二齿轮(46,47)中的每一个被配置成由相应的叶轮(11,12,31,32)驱动绕所述旋转轴线(30)旋转,第一齿轮(46)和第二齿轮(47)经由啮合传动机构(48 )相连,使得前轮(11,31)和后轮(12,32 )就它们的转速而言彼此耦联,啮合传动机构(48)能够连接到发电机。
2.如权利要求1所述的涡轮机,其特征在于,第一齿轮(46)经由第一轴(56)连接于前轮(11,31),第二齿轮(47)经由第二轴(57)连接于后轮(12,32),所述第一轴和第二轴(56,57)之一是空心轴,而所述第一轴和第二轴中的另一轴沿着旋转轴线(30)同心地延伸穿过该空心轴。
3.如权利要求1或2所述的涡轮机,其特征在于,啮合传动机构(48)固定在用于将啮合传动机构(48)与发电机相连的传动轴(51)上,该传动轴(51)延伸穿过涡轮机管部分(21)的外壁(19)或者涡轮机管部分前面或后面的管部分(20,22)的外壁。
4.如权利要求1-3中至少一项所述的涡轮机,其特征在于,改变涡轮机管部分(21)和/或叶轮(11,12,31,32 )的几何结构,使得前轮(11,31)和后轮(12,32 )配置成由水流以基本上相同的转速驱动。
5.如权利要求1-4中至 少一项所述的涡轮机,其特征在于,涡轮机管部分(21)设置有沿水流方向(23)增大的内径。
6.如权利要求5所述的涡轮机,其特征在于,涡轮机管部分(21)的内径以从水流进入前轮(11,31)的位置至水流离开后轮(12,32)的位置连续增加的斜率增大。
7.如权利要求5或6所述的涡轮机,其特征在于,对涡轮机管部分(21)的内径的改变进行选择,使得水流离开后轮(12,32)处的横截面区域的水流速度比水流进入前轮(11,31)处的横截面区域的水流速度减少至少6%,更优选减少至少20%。
8.如权利要求1-7中至少一项所述的涡轮机,其特征在于,前轮(11,31)或后轮(12,32)或两者在水流进入叶轮(11,12,31,32)处的前缘(39,40)的直径小于水流离开相应的叶轮(11,12,31,32)处的后缘(40,42)的直径。
9.如权利要求8所述的涡轮机,其特征在于,后轮(12,32)的后缘直径与前缘直径之差大于前轮(12,32)的后缘直径与前缘直径之差。
10.如权利要求1-9中至少一项所述的涡轮机,其特征在于,前轮(11,31)在水流进入前轮(11,31)处的前缘的直径最多为后轮(12,32)在水流离开后轮(12,32)处的后缘的直径的97%,更优选最多为90%,最优选最多为80%。
11.如权利要求1-10中至少一项所述的涡轮机,其特征在于,前轮(11,31)和后轮(12,32)彼此紧挨着布置。
12.如权利要求1-11中至少一项所述的涡轮机,其特征在于,后轮(12,32)在水流方向(23)上的长度不同于前轮(11,31)在水流方向(23)上的长度。
13.如权利要求1-12中至少一项所述的涡轮机,其特征在于,叶轮叶片(35,35a-d,36,.36a-c)的节距(P1、P2、P3)沿水流方向(23)减小。
14.如权利要求13所述的涡轮机,其特征在于,叶轮叶片(35,35a-d,36,36a_c)的节距(P1、P2、P3 )的相应半径(Rl、R2、R3、R4 )沿水流方向(23 )增大。
15.如权利要求1-14中至少一项所述的涡轮机,其特征在于,叶轮(31,32)沿着旋转轴线(30)相对于水流方向(23)布置在齿轮(46,47)的前面或后面。
16.如权利要求1-15中至少一项所述的涡轮机,其特征在于,与后轮(12,32)相比,前轮(11,31)上设置有不同数量的叶片(35,35a-d,36,36a_c)。
17.如权利要求1-16中至少一项所述的涡轮机,其特征在于,在水流离开后轮(12,32)的位置,涡轮机管部分(10,21)后面有尾水管部分(22),尾水管部分(22)具有沿水流方向(23)增大的内径和适于使涡轮机(17)下游的水流速度恢复至涡轮机(17)上游的水流速度水平的长度。
18.如权利要求17所述的涡轮机,其特征在于,尾水管部分(22)的长度等于前轮(11,31)在水流进入叶轮处的前缘(39)的直径的最多4倍的值。
19.一种水电站,其包括流动水或落差水和至少一个如权利要求1-18中至少一项所述的涡轮机(17),其中流动水或落差水被引导流过涡轮机管部分。
20.如权利要求19所述的水电站,其特征在于,在进入涡轮机管部分之前,流动水或落差水的水头最多为4m,更优选最多为2.5m,最优选最多为0.8m。
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