CN103967692A - 偏心滑移式水轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏心滑移式水轮机，旨在提供一种节能省力、成本较低，具备由动力驱动顺转用于抽水储能和由水流推动反转用于放水发电两种功能，其技术方案的要点是：在转轮长度其外缘周线上以圆周等分对准中心做成若干对中横向穿通的纵向通道，每两片叶片以左右或上下为一字形排列於同一通道中顺环形轨道做內外滑移，由于环形轨道与转轮安装位存在一定的偏心，运转中由水流推动的叶片为主动、转轮为被动连及叶片外边两端顶头走轮顺环形轨道做伸出通道变长和缩进通道变短为重复交替进行，伸出以接受水流的推力而做功，缩进以咸少运转中的阻力而节能，每运转一周各叶片伸缩一次，顺转和反转只是改变了水流方向，其做功原理不变。

Description

偏心滑移式水轮机

技术领域

本发明涉及借助水在流动中所形成的水能用来驱动机器的一个间接传动部件，更确切更具体地来讲就是用来驱动发电机或其他机器的水轮机。

背景技术

水力发电是人类改造大自然，利用大自然最成功的一个典范，是取之不尽、用之不竭的绿色再生能源。水轮机是以水作为介质的流动机械，是水电厂带动发电机的原动机，水轮机运行的经济性和安全性直接影响水电厂的经济效益，根据水轮机其结构的不同有混流式、轴流式、斜流式、贯流式和水斗式等多种。混流式水轮机的水流进入转轮前是沿主轴半径方向，在转轮内转变为斜向，最后沿主轴轴线方向流出转轮，水流在转轮内做旋转运动的同时，还进行径向运动和轴向运动，所以称为“混流式”，其结构与做功原理见图1（箭头表示水流路线，正中为主轴，叶片安装在主轴四周，下文同）；轴流式水轮机的水流在进入转轮前，已经转过90°角，水流沿主轴轴线方向进入转轮，又沿主轴轴线方向流出转轮，水流在转轮内同时做旋转运动和轴向运动，没有径向运动，所以称为轴流式，其结构与做功原理如图2所示；斜流式水轮机其转轮内的水流运动与混流式转轮一样，转轮叶片与轴流式基本相同，其性能吸取了上述两种水轮机的优点，但结构和工艺要求较复杂，如图3所示；贯流式水轮机的转轮结构及转轮内的水流运动与轴流式安全一样，所不同之处为贯流式水轮机的水流从进入水轮机到流出水轮机几乎始终与主轴轴线平行贯通，“贯流式”名称由此而来，其结构形状与做功原理如图4所示；水斗式水轮机其水流径喷嘴形成高速射流，射流沿着转轮旋转平面的切线方向冲击转轮斗叶促其旋转，所以又称为“切击式”水轮机，它的结构与做功原理如图5及图6所示。

到此为止，不管是哪一种水轮机，都是借助于水的流动来推动其叶轮（转轮）连及主轴运转，主轴在运转中直接或间接（通过主被传动轮）驱动发电机或其他机器运转。由于转轮上的叶片在运转中其尺寸大小因早已定型而不能改变，在每运转一周中其外缘周线360°的每一个点与旋转中心距离是相等的，以水斗式水轮机为例，受水流推动的一侧往下，相对的一侧往上，往上的一侧边重量越多和距离旋转中心越远所形成的阻力也相应越大，反之越小，阻力大便意味着耗能多；另外传统做法中的水轮机较笨重，如三峡水电站安装的混流式水轮机其转轮φ为9.832m和10.416m两种，水轮机质量分别为3200t和3323t，从而制造成本略高；还有在运转中当发电机断路跳闸甩负荷时使水轮机运转阻力瞬间下降，其转速上升到一个极限值，转速越高，水流随叶片旋转的机会也就越大，高速运转称为机组发生了飞逸，机组飞逸是很危险的一个信号，因为转动部件的离心力与转速平方成正比，也

就是说机组转速上升到原来的两倍，则传动部件的离心力增大到原来的四倍，强大的离心力将对发电机转子的机械强度构成极大的威胁。

发明内容

本发明为解决上述不足，旨在提供一种节能省力，重量较轻，当在抽水储能电站中使用时，具备正转轴水储能和反转放水发电两种功能，采用以下技术方案予以实现。

在转轮其长度上除两端头封口板少量尺寸外，四周以等距离（圆周等分）做成若干条对中横向穿通的纵向通道（通槽），每个通道穿通于转轮的左右或上下，六个通道将转轮横断面分为十二块，八个为十六块，以此类推，并在每个通道的两侧分别安装可内外滑移的板片和滑杆做为转轮的叶片，叶片外边缘两头顶端分别安装有走轮在运转中因离心力的作用顺环形轨道滑移，每片叶片在长度上至少有两根滑杆与转轮通道中相对应的内外至少两组靠轮套合，每组左右各一个靠轮将滑杆夹在中间与其紧贴，当板片连及滑杆在运转中内外移位时，滑杆为主动两靠轮为被动一个为左旋一个为右旋，从而减轻被此相对磨擦，由于各一个环形轨道分别安装在同一个转轮的两端顶头之外，并且与转轮保持一定的偏心，由水流推动叶片为主动转轮为被动而不断旋转，在旋转中各叶片受偏心和固定安装的环形轨道制约，促使在每运转一周中其叶片在通道中做伸出变长和缩进变短和不外露的内外移位，伸出通道变长以实现接受水流的推力，缩进通道变短和不外露以达到减小运转中的阻力。

单片叶片在宽度上外边一半为板叶与滑杆及孔洞三者结合体，内边一半为单独滑杆，在同一个转轮中各根滑杆在长度上相互错开，并且每两片叶片以左右或上下相互对应为一字形排列安放在同一通道中，各一片板叶与对方对应的滑杆位做成孔洞，叶片缩进时各滑杆插入对方的孔洞中。由板叶和滑杆及孔洞所组合而成的叶片在运转中伸出量达到最大时留在转轮通道中仅只有滑杆，依据环形管道与转轮的偏心尺寸伸出转轮尺寸和留在转轮中的尺寸各占二分之一左右。缩进量达到最大时其叶片外边距转轮缘周表面为转轮半径的二分之一，相对两片叶片其外边都位于转轮之内而不外露时各方滑杆全插入对方的孔洞中，此时的两块板叶相互贴合成一体。滑杆插进孔洞的做法是为了增大伸缩尺寸，否则就会减少一半伸出量，例如转轮的φ为2m，每片叶片的宽度同样也是2m，其中外边板叶与内边单独滑杆各为1m，当伸出量最大时外边缘距旋转中心为2m，而对边叶片外缘距旋转中心仅为0.5m，此值为4 ：1（2 ：05）由此所形成的杠杆之力也为4 ：1，远超出传统做法的1 ：1。

由安装在主轴上的转轮和安放在转轮通道中的叶片及环形轨道为主要部件所组合而成的水轮机既可是单台安装作业，也可以双组合形式将两台水轮机安装在同一横向断面为方形的水流通道其左右或上下(以水的流向而定,即平流或立流)两侧为对称排列，共同接受同一股水流的推力，其中一台为左旋一台为右旋，既可各自单独带动各一台发电机，也可以借助两个结构与尺寸一致的齿轮彼此相互啮合共同驱动同一台发电机。平装与立装做工原理不变。

在横向断面为方形的水流通道（管道）中安装单台水轮机时，运转中叶片在转轮通道中缩进尺寸最多的一侧和对应方叶片伸出最多的一侧与管道内壁保持最小的间隙，以互不发生磨擦为准，叶片在前伸和后退过程中与通道内壁贴近而不贴紧所占周线长度（角度）以至少前一叶片在脱开之前后一叶片起始进入为准，其目的是减少水流从无叶片处通过（漏流），换言之就是更大限度地接受水的能力。当在同一管道中的左右或上下或前后以对称的形式安装双台水轮机时，各台叶片缩进的一侧位于外边与水流管道贴近，让水流从两台水轮机之间通过，为了实现两台水轮机转速一致而分别在各主轴相对位置安装其结构与尺寸相同的两齿轮并彼此相互啮合，两台水轮机在运转中至少保持有各自一片叶片外边缘与对方相贴靠，即至少前相对两叶片在脱开之前后相对两叶片起始贴合，只要将每相对的两叶片相互贴合处做成一凸一凹，并在凸凹平面加装软垫，便可实现杜绝水的漏流而优于安装单个水轮机。

当用来抽水储能发电时，其抽水上流存水储能和放水下流用于发电可共用同一管道，由电动机带动水轮机顺转用于抽水，由水流推动水轮机反转驱动发电机用于发电，前者由电动机带动转轮为主动、叶片为被动，后者由水流推动叶片为主动、转轮为被动,其转向依据水的流向而定，即或者为反过来的状况(反转用于抽水,顺转用于发电)，当改变转向用于抽水时其水轮机便变为水泵了，即一机可两用，无须另安装和无须拖动，因为它顺转与反转只是改变水的流动方向，其做功原理和效率不变。

偏心滑移式水轮机既可安装在水流通道中，其转轮与叶片完全被水淹没，也可以像水斗式水轮机那样安装于明处，借助喷嘴形成的高速射流推动，适合在水源不足的场合下使用。

综上所述，本发明所选用的技术方案是：叶片为可内外滑移的活动式；环形管道与转轮的安装位彼此存在一定的偏心率；叶片由外边板叶和滑杆及孔洞所组合而成，板叶两端顶头分别有走轮与环形管道内侧相贴；转轮长度上的外缘周线以等距离开有若干条对中横向穿道的纵向通道，各通道中安装有靠轮，每两个为一组分左右以横向排列将滑杆夹于其中；在同一纵向水流管道中以横向对称的形式安装双台水轮机时，运转中各自至少有其中一叶片与对方相互贴合，彼此相互贴合处分别为一凸一凹。

其做功原理为：水流为主动，叶片和转轮为被动快速旋转，运转中所形成的离心力将叶片往外甩出，促使其向距离旋转中远的一头滑移，由此实现外边两头走轮与环形轨道内侧紧贴，受环形轨道的制约每运转一周既往外伸出转轮通道又往内缩进转轮通道，依据环形轨道与转轮的偏心量，当同一叶片缩进的一侧距旋转中心近于另一侧边时，受离心力的影响便会反向滑移，直到滑杆全部插入对边另一块叶片的孔洞中至两叶片板叶紧贴为止,此时向内滑移的叶片其走轮与环形轨道脱开并相隔一定距离。运转中的叶片伸出和缩进不断重复换位,伸出长的一块在缩进中将对方往外推促其复位,同一个转轮上的多块叶片在同一时间其中一半在前伸一半在后退相互轮流交替进行.增大或减小环形轨道与转轮的偏心量便可实现提高或降低做功效率,二者为正比关系。.

本发明有益效果简述如下:

一是节能省力。其原由是接受水流推力的一侧叶片相对另一侧距离旋转中心远,其此值最大可达4:1,远多于传统做法即现有技术中的1:1,由此形成杠杆之力,恰似一根省力杠杆,以支点为界,动力臂长是阻力臂长的四倍,因此更容易被推动,特别是借助喷嘴形成的高速射流作为推力更显其优越性.

二是运转更平稳和更安全。由于运转中的叶片走轮是顺环形轨道内侧滑移，即使是转轮两头轴承位有所松动也不存在偏位的因素，即只能在轨道之内圆中运转；又由于转轮的一侧边与管道保持极小的间隙使水流难于通过，从而不存在水流绕水轮机旋转的现象发生，转轮的旋转完全受水流的制约，因而没有形成飞逸的条件。

三是一机多用，顺转用于抽水储能，反转用于放水发电；既可安装在水流通道中，也可安装在明处接受喷嘴的射流推动。此外还存在结构简单，制造成本低等优越性。

附图说明

图1至图5是传统做法即现有技术中的水轮机其结构与做功原理示意图；

图6是水斗式水轮机其叶轮结构展示图；

图7是本发明即偏心滑移式水轮机其结构与做功原理示意图；

图8是双个水轮机以横向对称的形式安装在同一水流通道中的单头横向剖视图；

图9是叶片与转轮及环形轨道和转轮中的靠轮各配件其组合就位显示图；

图10是本发明中的主要部件其转轮结构与形状展示图；

图11和图12是偏心滑移式水轮机中其叶片平面视图；

图13是运转中的水轮机相对两叶片彼此相互套合贴靠明示图；

图14和图15是叶片纵向断面剖视图；

图16是本发明各配件纵向排列就位主视图；

具本实施方式

下面结合附图做更进一步的说明。

参照图7、图8和图9，转轮1外缘周线以等距离开有对中的若干通道6，每个通道的左右或上下分别安装有各一块叶片2为一字形对称排列，每块叶片的外边两头（图中只示出其中一头）安装有走轮9在水流方向13的推力下顺环形轨道其内侧以圆圈线路重复滑移，由于静置安装的环形轨道3与转轮1存在一定的偏心率，在叶片移位带连转轮旋转的同时每运转一周做伸出和缩进运动，伸出以接受水流的推力，缩进以减少运转中的阻力。图8中的两个水轮机在运转中各自有两叶片与对方贴近对接，在前两叶片相互脱开之前后两叶片已起始贴近，从起始贴靠套合至脱开两叶片的贴靠取代了轨道，其运行路线为一字形直线，由此实现完全接受水流的推力而避免因漏流造成浪费。在图9中，每个通道中都安装有靠轮5和叶片2（图中只示出其中之一），叶片上的滑杆11在每组由左右两个靠轮5与其中间做内外滑移，由于各根滑杆和靠轮在长度（纵向）上是相互错开的，即不在一个横断面。

参照图10，转轮缘周以等距离开有与中心对称的多个纵向通道6，纵向除两端顶头封口盖板14外，其余纵横为完全穿通用于安装叶片，主轴15其中一头安装有传动轮7用于借助皮带与电动机或发电机传动轮相牵连，为间接传动，转轮正中为主轴15的两头借助轴承与轴承座支承和定位（图中未示出）。

参照图11至图15，叶片由板叶10和孔洞12及滑杆11所组成，在其外边边缘两端顶头分别安装有走轮9，在转轮通道中是以每两片相互滑杆对孔洞一字形横向排列，运转中相互隔开又相互贴近，隔开时滑杆从孔洞中抽出，贴近时滑杆插入孔洞中，由此实现伸出量更大而更有利于接受水的推力。

参照图16，水轮机由转轮1和多块叶片(图中未示出)及主轴15与两头各一个环形轨道3所组合而成。除主轴15两头外,其所有部件都安装在其横向断面为长方形的水流通道16中。

Claims (5)

1.一种偏心滑移式水轮机，由安装在主轴上的转轮和安装在转轮上的若干叶片为主要部件所组成，其特征在于：各叶片为可內外滑移的活动式，环形轨道与转轮的安装位彼此存在一定的偏心率，叶片由板叶(10)和滑杆(11)及孔洞(12)所组成，板叶外边两头分别安装有走轮(9)与环形轨道(3)内侧相贴，并在转轮长度其外缘周线上以圆周等分开有若干条对中横向穿通的纵向通道(6)。

2.根据权利要求1所述的一种偏心滑移式水轮机，其特征是转轮各纵向通道中安装有靠轮(5)每两个为一组分左右以横向排列将滑杆夾于其中。

3.根据权利要求1所述的一种偏心滑移式水轮机，其特征是在同一水流管道中以横向对称排列的形式安装双台水轮机。

4.根据权利要求1或3所述的一种偏心滑移式水轮机，其特征是双台水轮机在运转中各自至少有一片叶片与对方相互贴合。

5.如权利要求1或4所述的一种偏心滑移式水轮机，其特征为双台水轮机在运转中其转轮上相互对应两叶片贴合位彼此分别为一凸一凹。