CN104863780A - 水轮机发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于水力发电技术领域，公开了水轮机发电装置，包括一种立式水轮机发电装置和一种卧式水轮机发电装置。论证了现有技术水动能利用率低，水头高于5米，其蕴含动能可以大于静压能是客观事实，自然界还蕴藏着巨大的水动能未被利用。通过用螺管转子代替叶片式涡轮转子，转轮的螺管在浇铸转轮时整体成型增强机械强度，减少水流的流动过程动能损失等技术措施，使水轮机发电装置工质流量大，应用水头范围广，静压能、动能都得到充分高效利用，免焊接转轮叶片，省却了涡壳和导水机构，结构简单，能降低造价。可建成单机容量由几兆瓦至千兆瓦级以上大型、特大型水轮机发电装置，也能造几兆瓦至1千瓦以下的水轮机发电装置。

Description

水轮机发电装置

技术领域

本发明属于水力发电技术领域，涉及水轮机发电装置。

技术背景

我们知道，水位越高，其底下产生的压力就越大，可由压力P＝9.8*密度*水位差，计算出来。由其压力推动水流驱动水轮机转动作功，我们就说水轮机利用静压能作功。

重力的大小与物体的运动速度、加速度无关。如果水的质量是m千克，其单位面积上压力就是P＝9.8*m牛顿。当它是从H米高、速度为0开始以自由落体方式坠落，我们可用H＝1/2*g*t²来计算出时间t，利用V＝g*t计算出它的落点速度，利用E＝mv²/2就能计算其所蕴含的动能。当m千克水到达落点，由速度V减速到速度0的时间是1秒，其单位面积上产生的作用力F＝m*V，这时推动水流驱动水轮机转动作功的合压力是∑P＝9.8*m+m*V。水m千克从4.9米高度自由坠落所产生的单位面积压力就相当于其静态所产生的单位面积压力9.8*m牛顿，现实水轮发电水头大多高于4.9米，如水是从引水管50米高，0速度以接近自由落体过程下落，其动能将是静压能的10倍，说明其蕴含动能可以大于静压能是客观事实，自然界还蕴藏着巨大的水动能未被利用。如水轮作功的受力面积S、力臂L、转速n确定，利用功率N＝M*n/9550＝∑P*S*L*n/9550，我们就能计算它所蕴含功率。

现有技术的水轮机发电装置，种类多，且水轮机都使用了叶片或水斗。使用叶片或水斗，除了复杂的加工过程外，还需要精细的焊接过程。

以下是摘自世界最大水轮机——三峡70万千瓦水轮机的相关资料：

三峡水电站由于自然条件和以防洪为主的需要，三峡水电站大坝高程185米，蓄水高程175米，水库长2335米，初期水头61-94米，后期水头为71-113米，每年汛前水库水位降到145米高程，防洪库容221.5亿立方米，水头变幅很大，额定水头80.6米，给水轮机设计增加了难度。三峡水电站安装有32套70万千瓦发电机组。三峡上游水库的水经大坝引水口钢制闸门进入引水管，以每秒1020立方米的流量倾泻而下，再流入蜗壳做圆周旋转运动，形成雷霆万钧般的强大冲击力，经导水机构调节，将水流均匀、轴对称地送入水轮机转轮，推动转轮叶片旋转。三峡左岸Alstom供货的水轮机转轮直径10.427米、高5.08米、喉口直径9.8米，净重450吨，由上冠、下环、15块叶片、上下止漏环和泄水锥焊接而成，是目前世界最大的水电铸钢焊接件。上冠不锈钢铸件重达112吨，下环重达58吨，轮机叶片最大尺寸为4537×4951×2300毫米，净重17.49吨，VOD精炼钢水，探伤要求为CCH70-3，其尺寸、重量、技术含量、制造难度都堪称当今世界同类产品之最，每片造价高达200万元，仅数控机床加工费就达30万元以上，切削下来的铁屑重达数吨。转轮叶片为防止变形，需要十几个工人同时焊接，焊接耗时3个多月，用去焊条十几吨。蜗壳是引水机构的关键部件，外型如同蜗牛壳，进口最大直径12.4米，从进口开始断面逐渐缩小，截面半径从最6.2米到2.1米不等，尺寸及重量均为国内之最。左岸机组蜗壳现场安装的二类以上焊缝总长度超过12.6公里，耗用焊条超过185吨。导水机构位于蜗壳内部，通过活动导叶调节水轮机进水流量从而控制水轮机工况的部件。三峡水轮机导水机构由底环、顶盖、24片导叶、控制环及导叶操作机构等大小千余个零件组成，总重近千吨。

额定水头80.6米，它所产生的静压力接近0.8MPa，引水管的水以每秒1020立方米的流量倾泻而下，每小时其中所蕴含可发电的动能就相当于高达几千万千瓦，而它仅发出了70万千瓦的电量，这是因为它使用了当今还代表世界一流技术利用静压能发电的固定叶混流式水轮机的原故。固定叶混流式水轮机，结构简单，具有较高的强度，运行可靠，流量大，效率高，应用水头范围广，最适宜建造兆瓦级的水电站，但是存在上述要焊接转轮叶片，要用到涡壳与导水机构，工程工艺复杂，利用水的静压能远大于水的动能等缺点。如何高效利用这个大自然赐我们永不枯竭的清洁能源，在能源紧缺、环境污染、气候变暖，提倡节能环保的今天，开发利用水动能技术就显得非常重要和有意义。

专利号201410415779.3一种提高涡轮发动机效率的方法及其装置提出了：

用螺管转子代替涡轮转子，将涡轮发动机制造成水力螺管转子发动机，使流动工质在螺管转子螺管内的流动方向发生连续的改变，转换流动工质所具有的能量为机械功输出动力。

减少流动工质与作功过程无关的能量损失。

能通过减少螺管转子的螺管条数和或螺管管径应付因装机功率减少而引起工质流量减少的，就不减少螺管转子直径。

同时提供了一种螺管转子。

其专利只给出了使用有局限的水力螺管转子发动机和螺管转子，未给出具体发电装置方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种免焊接转轮叶片，免涡壳与导水机构，能提高水流动能利用率的水轮机发电装置。

本发明通过以下技术方案实现：

一种立式水轮机发电装置，包括水轮机、引水管，机壳为立式，上设水室，下装螺管转子转轮，转轮的螺管至少设四条以上，且由浇铸转轮时整体成型，螺管转子上端转轴通过设在机壳盖上面的支承轴承定位与发电机动力连接，下端转轴通过设在尾水管下的地下室支承轴承定位，固定安装在这两个支承轴承之间转动，所述引水管设有开、关与调节流量的装置和吸气口，并与机壳入水口水连接，水流进入水室，然后流过转轮螺管使流动方向发生连续的改变，以此驱动转子带动发电机转动，把水具有的能量转换为电能输出。

所述机壳为6字形。

一种卧式水轮机发电装置，包括水轮机、引水管，机壳为卧式直罐结构，罐口端设有轴承固定架，罐底端罐身设有泄水口，罐底外面设有轴承，其转子是螺管转子，转轮的螺管至少设四条以上，且由浇铸转轮时整体成型，固定安装在这两个轴承之间转动，罐底端转轴与发电机动力连接，设有开、关与调节流量的装置的引水管与罐口连接，水流流入罐内，然后流过转轮螺管使流动方向发生连续的改变，以此驱动转子带动发电机转动，把水具有的能量转换为电能输出。

螺管转子入水端设有包裹转轴的引水锥。

设有开、关与调节流量的装置信号输入端与发电机转速传感器电连接。

一种螺管转子，包括水力螺管转子发动机的转轮，所述的转轮由四条以上螺管同时以顺时针或逆时针方向与转轴方向夹角大于0°小于90°穿过转轮体内连通转轮的两端面，从螺管入口到出口，螺管之间是以一定间距布置在转轮轴向的表层，转轮的螺管是由浇铸转轮时整体成型。

所述转轮的螺管同时以顺时针或逆时针方向与转轴方向45°夹角穿过转轮体内连通转轮的两端面，从螺管入口到出口，螺管数为大于4双数条，且之间是以一定间距、轴对称布置在转轮的表层。

转轮高度小于或等于转轮直径的二分之一。

由于采取上述技术措施，本发明水轮机发电装置能取得以下技术效果：

1、通用性好。可建成单机容量由几兆瓦至千兆瓦级以上大型、特大型水轮机发电装置，也能造几兆瓦至1千瓦以下的水轮机发电装置。

2、适应性好。流量大，应用水头范围广。

3、性价比高。免焊接转轮叶片，省却了涡壳和导水机构，结构简单，能降低造价。

4、静压能、动能都得到利用。经引水管开、关与调节流量的装置出来的水，近乎以自由落体方式畅通无阻到达转轮螺管入水口，其过程动能损失少。

附图说明

下面结合说明书附图对本发明作进一步详细说明。

附图1是一种立式水轮机发电装置的示意图。

1.水坝，2.开、关与调节流量的装置，3.吸气口，4.引水管，5.发电机轴承，6.转轴，7.发电机，8.支承轴承，9.水室，10.引水锥，11.转轮，12.螺管，13.尾水管，14.轴承底座，15.支承轴承，16.地下室，17.地下室入口，18.机壳入水口，19.机壳。

附图2是一种卧式水轮机发电装置的示意图。

1.水坝，2.开、关与调节流量的装置，3.引水管，4.直罐机壳，5.引水锥，6.转轮，7.螺管，8.转轴，9.罐底，10.轴承，11.发电机，12.轴承，13.泄水口，14.轴承，15.轴承固定架。

具体实施方式

一种立式水轮机发电装置，包括水轮机、引水管，机壳为立式，上设水室，下装螺管转子转轮，转轮的螺管至少设四条以上，且由浇铸转轮时整体成型，螺管转子上端转轴通过设在机壳盖上面的支承轴承定位与发电机动力连接，下端转轴通过设在尾水管下的地下室支承轴承定位，固定安装在这两个支承轴承之间转动，所述引水管设有开、关与调节流量的装置和吸气口，并与机壳入水口水连接，水流进入水室，然后流过转轮螺管使流动方向发生连续的改变，以此驱动转子带动发电机转动，把水具有的能量转换为电能输出。

一种立式水轮机发电装置，主要应用于高水头发电。因为替代叶片转换能量的螺管，没有滞流死角，且由浇铸转轮时整体成型，流量大，机械强度和转换率高；螺管转子在上下支承轴承固定下，能承受够大冲击力；水室是一个与引水管连接的密闭空间，引水管设有消除真空阻力的吸气口，水流能以近乎自由落体速度坠入水室产生高压；所以，水流能高速进入水室，能高速流过螺管，静压能、动能都能得到充分利用，能建成单机容量特大功率的水电站。

引水管设有开、关与调节流量的装置和吸气口。开、关与调节流量的装置功能可以用水闸等装置来达到。如不设吸气口，关闭与调节流量时，引水管内会产生负压，轻则影响水的流速和水闸关闭速度，重则会吸坏水闸和引水管。为获取更多的动能，引水管取水口应尽可能高，这样也减低开、关与调节流量的装置的受压，从而带来多方面的收益。

机壳设成6字形，为了避免水流正面冲击转轴而设。

一种卧式水轮机发电装置，包括水轮机、引水管，机壳为卧式直罐结构，罐口端设有轴承固定架，罐底端罐身设有泄水口，罐底外面设有轴承，其转子是螺管转子，转轮的螺管至少设四条以上，且由浇铸转轮时整体成型，固定安装在这两个轴承之间转动，罐底端转轴与发电机动力连接，设有开、关与调节流量的装置的引水管与罐口连接，水流流入罐内，然后流过转轮螺管使流动方向发生连续的改变，以此驱动转子带动发电机转动，把水具有的能量转换为电能输出。

一种卧式水轮机发电装置，主要应用于低水头发电。原理同一种立式水轮机发电装置大同小异。

螺管转子入水端设有包裹转轴的引水锥，是为减少一种立式水轮机发电装置和一种卧式水轮机发电装置的转轮无用的正面受力而设，从而保护止推轴承。

设有开、关与调节流量的装置信号输入端与发电机转速传感器电连接。这为一种立式水轮机发电装置和一种卧式水轮机发电装置自动开、关、调节水流量带来方便的控制，能及时反馈转速信号来控制流量从而稳定输出电压。

一种螺管转子，包括水力螺管转子发动机的转轮，所述的转轮由四条以上螺管同时以顺时针或逆时针方向与转轴方向夹角大于0°小于90°穿过转轮体内连通转轮的两端面，从螺管入口到出口，螺管之间是以一定间距布置在转轮轴向的表层，转轮的螺管是由浇铸转轮时整体成型。

用螺管转轮替代叶片转轮转换能量，其优点：没有滞流死角，流量大，能由浇铸转轮时整体成型，免焊接转轮叶片，机械强度明显能加强。

所述转轮的螺管同时以顺时针或逆时针方向与转轴方向45°夹角穿过转轮体内连通转轮的两端面，从螺管入口到出口，螺管数为大于4双数条，且之间是以一定间距、轴对称布置在转轮的表层。转轴方向45°夹角时，受力在转动方向的分力最大。螺管数为大于4双数条，且之间是以一定间距、轴对称布置，这样能抵消螺管巨大的离心力。

转轮高度小于或等于转轮直径的二分之一。这时水流过转轮螺管流动方向发生连续的改变角度小于或等于90°角，为的是让水流快速通过和吸收其最大值的能量。

Claims (8)

1.一种立式水轮机发电装置，包括水轮机、引水管，其特征是：机壳为立式，上设水室，下装螺管转子转轮，转轮的螺管至少设四条以上，且由浇铸转轮时整体成型，螺管转子上端转轴通过设在机壳盖上面的支承轴承定位与发电机动力连接，下端转轴通过设在尾水管下的地下室支承轴承定位，固定安装在这两个支承轴承之间转动，所述引水管设有开、关与调节流量的装置和吸气口，并与机壳入水口水连接，水流进入水室，然后流过转轮螺管使流动方向发生连续的改变，以此驱动转子带动发电机转动，把水具有的能量转换为电能输出。

2.根据权利要求1所述的一种立式水轮机发电装置所述的机壳，其特征是：所述机壳为6字形。

3.一种卧式水轮机发电装置，包括水轮机、引水管，其特征是：机壳为卧式直罐结构，罐口端设有轴承固定架，罐底端罐身设有泄水口，罐底外面设有轴承，其转子是螺管转子，转轮的螺管至少设四条以上，且由浇铸转轮时整体成型，固定安装在这两个轴承之间转动，罐底端转轴与发电机动力连接，设有开、关与调节流量的装置的引水管与罐口连接，水流流入罐内，然后流过转轮螺管使流动方向发生连续的改变，以此驱动转子带动发电机转动，把水具有的能量转换为电能输出。

4.根据权利要求1、2、3所述的一种立式、卧式水轮发电装置，其特征是：螺管转子入水端设有包裹转轴的引水锥。

5.根据权利要求1、2、3所述的一种立式、卧式水轮发电装置，其特征是：设有开、关与调节流量的装置信号输入端与发电机转速传感器电连接。

6.一种螺管转子，包括水力螺管转子发动机的转轮，所述的转轮由四条以上螺管同时以顺时针或逆时针方向与转轴方向夹角大于0°小于90°穿过转轮体内连通转轮的两端面，从螺管入口到出口，螺管之间是以一定间距布置在转轮轴向的表层，其特征是：转轮的螺管是由浇铸转轮时整体成型。

7.根据权利要求6所述的一种螺管转子，其特征是：所述转轮的螺管同时以顺时针或逆时针方向与转轴方向45°夹角穿过转轮体内连通转轮的两端面，从螺管入口到出口，螺管数为大于4双数条，且之间是以一定间距、轴对称布置在转轮的表层。

8.根据权利要求6、7所述的一种螺管转子，其特征是：转轮高度小于或等于转轮直径的二分之一。