CN104114853B - 水力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可通过抑制转轮的旋转阻力来提高发电效率并能够防止发生水污染的水力发电装置。本发明的水力发电装置包括：在底面具有高压水的喷出口(21)的第一储水槽(20)；以漂浮状态容纳在第一储水槽中的转轮(40)；与转轮的外周面接触并将转轮的旋转力向发电机主体(60)的旋转主轴(61)传递的传递部件(50)。转轮包括：底面中央具有开口(41b)的带底圆筒形状外壳(41)；直立设置并从开口向上方延伸以将从喷出口喷出的高压水导入外壳内部的导入管(42)；从导入管的周围呈放射状向外壳的内侧面延伸的多个第一导出管(43)；以及设置于第一导出管的顶端部的第一喷嘴(44)。利用从第一喷嘴喷射的高压水的反作用力使转轮旋转。

Description

水力发电装置

技术领域

本发明涉及能够通过抑制转轮的旋转阻力来提高发电效率并能够防止发生水污染的水力发电装置。

背景技术

近年来，由于环境保护的形势高涨，正在进行使用作为石油替代能源的水力、风力以及太阳能等自然能源的发电技术的开发。其中，水力发电由于高效并能得到稳定的电力而优势突出。

已知水力发电的方式有冲击式和反击式。

人们熟知的冲击式有水斗式（培尔顿（Pelton）式）和斜击式等，都是通过用水冲击转轮（runner）的叶片以使转轮旋转来发电的方式。

人们熟知的反击式有轴同辐流式（弗朗西斯（Francis）式）和螺旋桨式，都是通过利用转轮前后的水的压力差使转轮旋转来发电的方式。

例如专利文献1中，公开了通过水的压力使转轮旋转，将此旋转力通过旋转轴向发电机传递来发电的轴同辐流式发电装置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本“特开平11-159433号”公报

发明内容

但是，上述现有技术有以下的问题。

即，无论是冲击式还是反击式，都是将转轮的旋转力通过穿过转轮中心的旋转轴向发电机传递的构造。

一般通过使用轴承支承旋转轴两端中未与转轮连接一侧的端部以抑制旋转抖动。

因此，会出现由于轴承产生的摩擦阻力使转轮的旋转效率降低，或为了防止轴承发生磨损或烧焦现象而使用的润滑油可能会漏出到装置外部而污染水源的问题。

本发明的目的是鉴于上述问题，提供能够通过抑制转轮的旋转阻力来提高发电效率并能够防止发生水污染的水力发电装置。

本发明的水力发电装置的特征在于，包括：第一储水槽，其底面具有高压水的喷出口；转轮，以漂浮状态容纳在所述第一储水槽中；以及多个传递部件，与转轮的外周面接触并将转轮的旋转力向发电机主体的旋转主轴传递，其中，所述转轮包括：外壳，形成为带底的圆筒形状，且其底面中央具有开口；导入管，直立设置并由所述开口向上方延伸，所述导入管将所述喷出口喷出的高压水导入外壳内部；多个第一导出管，从所述导入管的周围呈放射状向所述外壳的内侧面延伸；以及第一喷嘴，设置于所述第一导出管的顶端部，利用从所述第一喷嘴向外壳的圆周方向喷射的高压水的反作用力使所述转轮旋转。

另外，所述水力发电装置的特征还在于，所述第一储水槽的内部具有反向喷嘴，该反向喷嘴向与由所述第一喷嘴喷出的所述高压水的喷射方向相反的方向喷射水。

另外，所述水力发电装置的特征还在于，所述转轮包括：外侧导入管，其直径比所述导入管的直径大，所述外侧导入管在其内插有所述导入管的状态下直立设置并从所述开口向上方延伸；多个第二导出管，从所述外侧导入管的周围呈放射状向所述外壳的内侧面延伸；以及第二喷嘴，设置于所述第二导出管的顶端部，各第一喷嘴和各第二喷嘴在外壳的内侧面附近一体化。

另外，所述水力发电装置的特征还在于，所述外侧导入管的下部具有螺旋桨（screw），通过该螺旋桨与所述转轮共同旋转使第一储水槽的水被引入外侧导入管内。

另外，所述水力发电装置的特征还在于，具有第一连通管和第二连通管中的至少一个，所述第一连通管连通所述多个第一导出管，所述第二连通管连通所述多个第二导出管。

另外，所述水力发电装置的特征还在于，第一导出管、第一喷嘴、第二导出管和第二喷嘴的配置方式为当俯视时上下不重合。

另外，所述水力发电装置的特征还在于，所述第一导出管和所述第二导出管中的至少一个的截面积由径向内侧向外侧变小。

另外，所述水力发电装置的特征还在于，所述第一储水槽的内侧面和底面的至少一个具有凹凸。

另外，所述水力发电装置的特征还在于，在比所述第一储水槽的水位还高的位置上具有第二储水槽，利用第一储水槽和第二储水槽的水位差来产生高压水。

本发明的水力发电装置，不使用现有装置中用于支承转轮的中心轴的轴承。转轮在第一储水槽中处于漂浮状态，受到从第一喷嘴喷射的高压水的反作用力而旋转。因此，不会出现由于轴承的摩擦阻力使转轮的旋转效率降低或用在轴承上的润滑油漏出到装置外部的问题。也就是说，与现有的水力发电装置相比，能够通过抑制转轮的旋转阻力来提高发电效率，同时能够防止发生水污染。

另外，转轮只由与外周面接触的多个传递部件支承，因此，能够抑制漂浮在第一储水槽中的转轮的倾斜，防止转轮旋转时发生抖动。

另外，配置在转轮周围的多个传递部件分别将转轮的旋转力向旋转主轴传递，由于对于一个转轮可以设置多个发电机主体，因此可以增加发电量。

另外，如果反向喷嘴向与由第一喷嘴喷出的高压水的喷射方向相反的方向喷射水，能够抑制第一储水槽中的水的旋转。

另外，通过在外壳内侧面附近设置第一喷嘴和与其一体化的第二喷嘴，与只从第一喷嘴喷射高压水的情况相比，由于可以增加向转轮外部喷射的水量（重量），转轮受到的反作用力增大，结果能够提高转轮的旋转力（力矩）。

并且，通过在外侧导入管的下部设置螺旋桨能够向第二喷嘴供应更大量的水，从而能够增加向转轮外部喷水的水量。

另外，通过使用第一连通管，可将流过第一连通管的高压水水压在第一连通管中均等化后将其从各第一喷嘴喷出。因此，可将各第一喷嘴产生的对转轮的反作用力均等化，由此能够抑制转轮的旋转抖动。另外，由于将作为重物的第一连通管配置在远离转轮旋转中心的径向位置上，能够抑制转轮的旋转抖动。当使用第二连通管时也可以得到这样的效果。

另外，如果将第一导出管、第一喷嘴、第二导出管以及第二喷嘴配置为当俯视时上下不重合，转轮能够实现均匀的重量平衡，从而能够抑制转轮的旋转抖动。

另外，通过使第一导出管的截面积由径向内侧向外侧变小，由于文丘里效应使得第二喷嘴附近的水被吸引到第一喷嘴附近。因此，使得向转轮外部喷射的水量（重量）增加，从而能够提高转轮的旋转力。

另外，通过在第一储水槽中设置凹凸，也能够抑制第一储水槽中的水出现旋转现象。

另外，如果使用第二储水槽，利用其与第一储水槽的水位差产生高压水，与例如使用压缩机等电力驱动装置产生高压水的情况相比，在不需花电费的同时，能够简化装置构成并降低制造成本和运转成本。

附图说明

图1是示出第一储水槽、转轮、传递部件以及发电机主体的主要部分立体图。

图2是水力发电装置的纵截面图(a)和将转轮去除后的水力发电装置的俯视图(b)。

图3是将转轮去除后的水力发电装置的主要部分立体图。

图4是将转轮去除后管道等配置的主要部分立体透视图。

图5是将转轮去除后的水力发电装置的整体立体图。

图6是转轮的纵截面图。

图7是转轮的主要部分纵截面图，示出第一喷嘴与第二喷嘴在外壳内侧面附近一体化的部分。

图8是安装转轮后的水力发电机的主要部分立体透视图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的水力发电装置的实施方式做出说明。

如图1和图2所示，水力发电装置10的概略结构为包括：第一储水槽20，第二储水槽30，转轮40，传递部件50以及发电机主体60等。

如图3和图4所示，第一储水槽20为有底的圆筒形状，其内部用于存储水W。

第一储水槽20在其底面的中央具有喷出口21，从第二储水槽30送出的高压水从喷出口21向上喷出。另外，通过将第一储水槽20中的水适当从排出口22排出以保持一定水位。

另外，第一储水槽20的内侧面和底面具有反向喷嘴23，其向与由后述第一喷嘴44喷出的高压水的喷射方向相反的方向喷射。另外，第一储水槽20的内侧面和底面具有凹凸24。反向喷嘴23和凹凸24的作用效果将在后面描述。

如图2和图5所示，第二储水槽30配置在水位比第一储水槽20的水位还高的位置上。第一储水槽20的喷出口21和第二储水槽30由管道31连接，利用第一储水槽20和第二储水槽30的水位差产生高压水并通过管道31向喷出口21发送。

如图6至图8所示，转轮40以漂浮状态容纳在第一储水槽20中。

转轮40具有外壳41、导入管42、第一导出管43以及第一喷嘴44，在本实施方式中还具有外侧导入管45、第二导出管46以及第二喷嘴47。

外壳41为直径比第一储水槽20的直径小的有底的圆筒形状。

外壳41的底面41a呈锥形，其在水平面内的截面直径向下逐渐减小，在其最下端部的中央具有开口41b。外壳41具有这样的形状，可使转轮40在第一储水槽中处于漂浮状态下像陀螺一样稳定地旋转。

外壳41的上部具有朝径向外侧突出的边缘41c，通过该边缘41c与多个（本实施方案中是四个）传递部件50接触所形成的构造，抑制在第一储水槽20中漂浮的转轮40的倾斜并防止转轮40旋转时的抖动。

导入管42为直立设置并从外壳41的开口41b向上方延伸的筒状部件，用盖子42a将其上端部密封以保证防水性。导入管42将从喷出口21喷出的高压水导入外壳41内部并向随后描述的第一导出管43发送。而且，为了将从喷出口21喷出的高压水尽可能多地向导入管42内导入，在喷出口21设置有筒状部件42c，该筒状部件42c的上部的直径稍微变小。

筒状部件42c可以固定在喷出口21处，或者，也可以设置为下述，即，在从喷出口21喷出高压水的期间，其受到高压水的压力向上移动，而在喷出口21没有喷出高压水的期间其向下移动。

第一导出管43为从导入管42上部周围延伸到外壳41的内侧面附近的部件，其顶端部具有第一喷嘴44（参见图7和图8）。而且，多个（本实施方案中是四个）第一导出管43为俯视时在径向以相等角度间隔（本实施方案中是90度间隔）放射状地配置。另外，第一导出管43朝径向外侧向下倾斜。

后面将详细说明下述结构，即，从导入管42内经过的高压水通过第一导出管43从第一喷嘴44向第一储水槽20喷射，使得反作用力作用于转轮40，利用该反作用力使转轮40旋转。

各第一导出管43由环状的第一连通管43a相连接，第一连通管43a的内部被流过各第一导出管43的高压水充满。

通过设置第一连通管43a，能够在第一连通管43a中将从各第一导出管43内流过的高压水的水压均等化之后从各第一喷嘴44喷出。因此，通过将各第一喷嘴44产生的作用于转轮40的反作用力均等化从而能够抑制转轮40的旋转抖动。另外，由于将作为重物的第一连通管43a配置在远离转轮40的旋转中心的径向位置，能够抑制转轮40的旋转抖动。

外侧导入管45为直径比导入管42直径大的筒状部件。外侧导入管45在其内插有导入管42的状态下直立设置并从外壳41的开口41b向上方延伸。用盖子45a将外侧导入管45的上端部密封以保证防水性。

第二导出管46为从导入管45的周围延伸到外壳41的内侧面附近的部件，其顶端部具有第二喷嘴47。多个（本实施方案中是四个）第二喷嘴47为当俯视时在径向以相等角度间隔（本实施方案中是90度间隔）放射状地配置。另外，第二导出管46朝径向外侧向下倾斜。

各第二导出管46由环状的第二连通管46a相连接，第二连通管46a的内部被流过各第二导出管46的高压水充满。

通过设置第二连通管46a，与上述第一连通管43a同样地，能够在第二连通管46a中将流过各第二导出管46的高压水的水压均等化之后从各第二喷嘴47喷出。因此，通过将各第二喷嘴47产生的作用于转轮40的反作用力均等化，能够抑制转轮40的旋转抖动。另外，由于将作为重物的第二连通管46a配置在远离转轮40的旋转中心的径向位置，能够抑制转轮40的旋转抖动。

如图7所示，各第一喷嘴44和各第二喷嘴47在外壳41的内侧面附近一体化。

第一储水槽20中的水如箭头所示从外壳41的开口41b经过外侧导入管45的内部到达第二导出管46，受到由第二导出管46的旋转（转轮40的旋转）产生的离心力到达第二喷嘴47。

由于第二喷嘴47和第一喷嘴44在外壳41的内侧面附近一体化，从第二喷嘴47喷射的水与从第一喷嘴44喷射的高压水成为一体地共同向转轮40的外部喷射。

这里，第一导出管43的形状优选地设置为圆锥台形状，其截面积朝径向外侧变小。通过将截面设置为圆形能够抑制当高压水通过第一导出管43中时的压力损失。另外，通过随着远离旋转中心而直径减小，一方面由于文丘里效应，第一喷嘴44附近高压水的速度增加，另一方面其水压降低，因此第二喷嘴47附近的水被吸引。因此使向转轮40外部喷射的水量（重量）增加，作用于转轮40的反作用力增大，结果能够提高转轮40的旋转力。

而且，优选地，在外侧导入管45的下部设置螺旋桨45b（参见图6和图7）。由于该螺旋桨45b与转轮40共同旋转，因此利用螺旋桨45b可以使第一储水槽20的水积极地引入外侧导入管45中，并能够增加从第二喷嘴47喷射的水量。

另外，优选地，将第一导出管43、第一喷嘴44、第二导出管46以及第二喷嘴47配置为当俯视时上下不重合。因此，转轮40能够实现均匀的重量平衡，从而能够抑制转轮的旋转抖动。

如图6和图7所示，转轮40的内部接近一半以上的高度由水W填充，因此，转轮40的重心位置下降，使得转轮40稳定地旋转。

在比较转轮40的内部水位与第一储水槽20的水位时，优选地将转轮40内部的水位调节得相对低。通过将转轮40内部的水位调低，利用从第一储水槽20的水W向转轮40内部作用的水压能够抑制转轮40旋转时的抖动。

另外，优选地，将转轮40内部的水位设置为与外侧导入管45的上端部的盖子45a的位置相同或者比盖子45a的位置高。因为这样能使外侧导入管45中总是充满水，能够防止空气进入。如果进入空气会导致从第二喷嘴47喷射的水中混入空气，作用于转轮40的反作用力可能会出现偏差。

下面，说明关于本发明的水力发电装置10的工作原理。

当使用者打开阀门（图示略），从第二储水槽30流出高压水时，高压水就如箭头所示从喷出口21在导入管42中向上移动，并向各第一导出管43分流。

然后，一旦第一连通管43a中充满高压水，就从设置在各第一导出管43的顶端部的各第一喷嘴44向外壳41的圆周方向（例如图1所示的逆时针方向）喷出高压水。

转轮40受到从第一喷嘴44喷出的高压水的反作用力，开始向与高压水的喷出方向相反的方向（例如图1所示的顺时针方向）旋转。

设置于外侧导入管45下部的螺旋桨45b也随转轮40的旋转而旋转，第一储水槽20中的水被吸引到外侧导入管45中。这些水在导入管42中向上移动，并向各第二导出管46分流。

接着，当第二连通管46a中充满水后，水流到设置于各第二导出管46的顶端部的各第二喷嘴47附近。然后，由于上述文丘里效应第二喷嘴47附近的水被吸到第一喷嘴44附近，与第一喷嘴44的高压水成为一体地共同向转轮40的外部喷射，由此逐渐增加转轮40的旋转力。

设置于第一储水槽20的内侧面和底面的反向喷嘴23向与由第一喷嘴44喷出的高压水的喷射方向相反的方向（例如图1所示的顺时针方向）喷水。这是为了防止出现下述现象：第一储水槽20中的水受到从第一喷嘴44喷射的高压水压力，向与高压水喷射方向相同的方向（例如图1所示的逆时针方向）旋转，从而致使转轮40不旋转的情况。即，通过反向喷嘴23向与由第一喷嘴44喷出的高压水的喷射方向相反的方向喷水，阻止向与第一喷嘴44喷射高压水的方向相同的方向旋转的水的活动，从而使转轮40本身能够可靠地旋转。另外，可以通过用管道32将第二储水槽30与反向喷嘴23连接以向反向喷嘴23供应水。

同样地，通过在第一储水槽20的内侧面和底面设置凹凸24，利用该凹凸24作为障碍以防止第一储水槽中的水的旋转。

转轮上部的边缘41c与多个传递部件50接触，传递部件50在水平面内可旋转地被枢轴支承。当转轮40旋转时各传递部件50也随之旋转，各传递部件50的旋转被传递到发电机主体60的旋转主轴61以发电。

如此，本发明的水力发电装置10中不使用支承转轮40的中心轴的轴承，转轮40在第一储水槽20中以漂浮的状态旋转，不会发生由于轴承的摩擦阻力使转轮40的旋转效率降低以及为了防止轴承的磨损或烧焦而使用的润滑油可能会漏出到装置外部的问题。因此，与现有的水力发电装置相比，能够在提高发电效率的同时防止水污染。

另外，上述实施方式中设置了反向喷嘴23，不过也可以不设置反向喷嘴23，而只在第一储水槽20的内侧面和底面中的至少一个设置凹凸24以抑制第一储水槽20中的水的旋转。另外，根据转轮40的尺寸、形状以及重量、从第一喷嘴喷射的高压水的水压（水势）、第一储水槽20的形状等因素，也有不必设置这些反向喷嘴23和凹凸24的情况。例如，将第一储水槽20设为立方体形状，如果从第一喷嘴44喷射的水近似垂直地到达第一储水槽20的内面，就有可能防止第一储水槽20中的水的旋转。

另外，外侧导入管45、第二导出管46以及第二喷嘴47也不是必须的组成部件，当只用第一喷嘴44就可以保证水势时也可以不设置这些部件。

另外，能使转轮40不产生旋转抖动地进行旋转即可，也可以只设置第一连通管43a和第二通管46a中的任一者，或两者都不设置。

另外，将第一导出管43、第一喷嘴44、第二导出管46以及第二喷嘴47配置为当俯视时上下不重合，除此之外，也可以通过例如将第一导出管43和第二导出管46配置为当俯视时重合以保持转轮40的重心平衡。

另外，第一导出管43和第二导出管46的截面形状也不限定于上述形状。

另外，就第二储水槽30的种类来说，当水力发电装置10为小型水力发电装置时，储水槽的大小能够存积工厂的排水或落到工厂、医院等建筑物屋顶上的雨水就可以。而当水力发电装置10为大型水力发电装置时，储水槽的大小则需要能够存积污水处理厂的排水或一定程度能够存积将水力发电所用的水再利用时的再利用水。另外，当例如使用具有直径超过几十米的转轮40的超大型水力发电装置10时，第二储水槽30的大小必须能够直接引入水库水。

另外，也可以不设置第二储水槽30，而采用在比第一储水槽20高的位置上的水流路中直接架设管道31并利用水位差将高压水引入第一储水槽20的结构。

工业可利用性

本发明涉及可通过抑制转轮的旋转阻力来提高发电效率并能够防止发生水污染的水力发电装置，具有工业可利用性。

符号说明

W   水

10  水力发电装置

20  第一储水槽

21  喷出口

22  排出口

23  反向喷嘴

24  凹凸

30  第二储水槽

40  转轮

41  外壳

41b 开口

42  导入管

43  第一导出管

43a 第一连通管

44  第一喷嘴

45  外侧导入管

45b 螺旋桨

46  第二导出管

46a 第二连通管

47  第二喷嘴

50  传递部件

60  发电机主体

61  旋转主轴

Claims (9)

1.一种水力发电装置，其特征在于，包括：

第一储水槽，所述第一储水槽的底面具有高压水的喷出口；

转轮，以漂浮状态容纳在所述第一储水槽中；以及

多个传递部件，与所述转轮的外周面接触并将所述转轮的旋转力向发电机主体的旋转主轴传递，

其中，所述转轮包括：外壳，形成为带底的圆筒形状，且所述外壳的底面中央具有开口；导入管，直立设置并由所述开口向上方延伸，将所述喷出口喷出的高压水导入所述外壳内部；多个第一导出管，从所述导入管的周围呈放射状向所述外壳的内侧面延伸；以及第一喷嘴，设置于所述第一导出管的顶端部，

利用从所述第一喷嘴向所述外壳的圆周方向喷射的高压水的反作用力使所述转轮旋转。

2.如权利要求1所述的水力发电装置，其特征在于，

在所述第一储水槽的内面具有反向喷嘴，所述反向喷嘴向与所述第一喷嘴喷出的高压水的喷射方向相反的方向喷水。

3.如权利要求1所述的水力发电装置，其特征在于，

所述转轮包括：

外侧导入管，所述外侧导入管的直径比所述导入管的直径大，所述外侧导入管在内部插有所述导入管的状态下直立设置并从所述开口向上方延伸；

多个第二导出管，从所述外侧导入管的周围呈放射状向所述外壳的内侧面延伸；以及

第二喷嘴，设置于所述第二导出管的顶端部，

各第一喷嘴和各第二喷嘴在所述外壳的内侧面附近一体化。

4.如权利要求3所述的水力发电装置，其特征在于，

所述外侧导入管的下部具有螺旋桨，通过所述螺旋桨与所述转轮共同旋转使所述第一储水槽的水引入所述外侧导入管内。

5.如权利要求3所述的水力发电装置，其特征在于，

具有第一连通管和第二连通管中的至少一个，所述第一连通管连通所述多个第一导出管，所述第二连通管连通所述多个第二导出管。

6.如权利要求3所述的水力发电装置，其特征在于，

所述第一导出管、所述第一喷嘴、所述第二导出管和所述第二喷嘴的配置方式为当俯视时上下不重合。

7.如权利要求3所述的水力发电装置，其特征在于，

所述第一导出管和所述第二导出管中的至少一个的截面积由径向内侧向外侧变小。

8.如权利要求1所述的水力发电装置，其特征在于，

所述第一储水槽的内侧面和底面的至少一个具有凹凸。

9.如权利要求1所述的水力发电装置，其特征在于，

在水位比所述第一储水槽的水位还高的位置上具有第二储水槽，利用所述第一储水槽和所述第二储水槽的水位差来产生高压水。