CN1054647A

CN1054647A - 可变翼水轮机

Info

Publication number: CN1054647A
Application number: CN90101230A
Authority: CN
Inventors: 余新河
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-03-06
Filing date: 1990-03-06
Publication date: 1991-09-18

Abstract

本发明是一种不需高水头和拦河筑坝的一种可变翼水轮机，安装在普通河流中用作发电机的驱动装置。本发明是利用上下相对称翼片产生力差而驱动叶轮作功。其特点是翼片与水流的作用面的大小是可变化的。

Description

本发明涉及一种用于水力发电的可变翼水轮机，这种水轮机可安装在普通的河流中进行工作。

目前世界上水力发电站中的主要驱动设备是水轮机，其作用原理是把拦截在水库或河流里的水变为驱动机械的能量，利用这种能量来驱动发电设备。

水力发电是世界上重要的电能来源，据估计在经济上值得开发的水力资源有38×10⁵MW，目前业已开发的水力大约只有37×10⁴MW，即约占百分之十，还有百分之九十的水能尚未被利用。非洲和亚洲的水能储备基本上尚没有开发利用。产生这一情况的原因主要是建造水库需要大量人力和物力，投资昂贵。因为，无论是古典式的转浆式水轮机，抑或近代通用的各种冲击式水轮机和反击式水轮机，其工作原理均是依靠水的位能转变成流动能冲击叶轮，带动水轮机作功。没有水头，水轮机就不能工作。即使是灌注式水轮机，一般也要求有一米以上的水头才能工作。十分明显，水能应用来转变为电能，必须选择水位落差较大的地点，或者拦河建造水库。这不但耗资巨大，占田占地，给国民生计带来困难，而且有可能破坏生态平衡，诱发地震，时间一久，总有一天水库会崩坏，将会带来难于预测的后果。

本发明的任务是寻求一种新型结构的水轮机，它不需兴建水库或不必寻求建水位落差较大之处，它能在一般河流中工作，以达到消除建造水库所带来的种种弊病。

提出这一发明任务的根据是，水库水坝的水位差是某一段河流流量的积分结果（确切地说只是某段势能的积分）。反过来说，在河流的各点上存在着流动量的微分量，若在河流各点均装上一种能工作的水轮机，使之发电联纲，这相当于全程势能积分，其结果相当于建立水库的发电量。

本技术解决方案是，浸入水流中的水轮机，其叶轮上相对于轮轴的两翼片受水流作用力不同而造成力差，产生力距使叶轮回转。

技术解决方案必须解决两个具体技术问题，一是如何使相对于轮轴的两翼片产生力差;二是如何使叶轮保持连续不断的回转运动。

前者的解决辨法是使轮轴上方的翼片与水流的作用面大于轮轴下方的翼片与水流的作用面，此时就能产生力差;后者的解决辨法有两个方案，一是将翼片做成沿长度方向可弯曲的，二是将翼片做成沿中心线可对折的，两者都是翼片与水流方向的有效作用面是能够变化的。以本发明最优叶轮旋转方向来说明，也就是以处于轮轴上方翼片的运动方向是与水流一致的状态来说明。当处于叶轮最高位置的翼片，其翼面正对水流方向而展开成为一个平面或近似平面，此时翼片上所受水的作用力为最大，产生转距，使叶轮转动;随着叶轮转动，下一个翼片又处于叶轮最高点，产生的转距使叶轮继续转动，而原来的翼片在水的作用下逐渐弯曲，或两对折翼面逐渐闭合，转至轮轴下方即处于叶轮最低位置时，翼片弯曲为最大，或对折翼面完全闭合，此时翼片背对水流方向，即翼背正对水流，此时所受水流的作用力为最小，此水流的作用力为叶轮运动的阻力;当叶轮继续回转，也就是翼片越过叶轮最低点而逐渐升高，一当翼面所受水作用力大于翼背的阻力时，翼片逐渐张开，直至转至轮轴上方处于叶轮最高位置时，翼面又展开成为一个平面或近似平面，又处于受水流最大作用力状态。由于轮轴上半部各翼片所受水流作用力的总和大于轮轴下半部各翼片所受水流阻力之和，且各翼片连续依次进入工作状态，使叶轮始终在力距作用下保持连续不断的回转运动。

为了保持翼片能够正常工作，翼片的形状必须只能朝一个方向弯曲;为了减少翼背的水流阻力，翼背的水平横截面形状应是曲线，翼缘薄而翼背中部厚，此曲线最理想的是双曲线的一部分，为了加工方便，也可做成类似双曲线或光滑的曲线。翼片要考虑强度，应按固定悬臂梁的原理设计，其与叶轮连结处要有足够的厚度。为了使翼片在越过叶轮最低点而上升时能很快地从弯曲状态或闭合状态展开翼面，翼片应做成空心的，使翼片在水中本身有浮力，此时翼片应用玻璃钢制成，通常的是用环氧树脂的玻璃钢制成。也可以做成用骨架外包橡皮或软质防水材料，翼片中空充气。在流速较大的河流中使用时，翼片也可用轻金属甚至木材制成。为了使翼片能够弯曲，对于沿长度方向可变曲的翼片来说，翼片是由两节或两节以上的单独部分用活动联接而成;对于沿中心线可对折的翼片来说，翼片是由两对称的部分用活动联接而成。

为了使翼片在越过叶轮最低点而迅速上升，除上述应用翼片本身的浮力外，最优选的技术方案是在叶轮前面（正对水流方面而言）装置一导流板，其一端紧靠着弯曲状态的翼片且位于叶轮轴线之下，导流板表面为一双曲线或光滑曲线，使水流加速，在与紧靠翼片的端部处造成柏努利效应，其结果是推动翼片上升。此导流板的另一作用是：使水流不仅不能进入叶轮轴线之下的部位，（也就是使叶轮轴线之下的水几乎没有水流方向的流速）而且由于导流板的作用加速通过叶轮轴线上的部位，这样就使叶轮轴线上、下部位的水由于流速差而产生压力差，其结果是推动翼片上升。

本发明的附图如下：

图1为本发明可变翼水轮机简图;

图2为长度方向可变翼水轮机工作示意图;

图3为长度方向可变翼水轮机翼片剖面图;

图4为长度方向可变翼水轮机翼片横截面形状图;

图5为对折式可变翼水轮机工作示意图;

图6为对折式可变翼水轮翼片A-A截面简图。

图1所示为可变翼水轮机简图。轮轴（0）两端以轴承安装在水轮机壳体（H）上，轮轴端可通过传动装置驱动发电装置（G），或者直接与密封式发电机相联;轮轴上固定着叶轮（1），叶轮上安装着四个或四个以上翼片（2）。导流板（3）与壳体固定连接。整个水轮机可悬挂在固定于河岸的横柱上而浸在水中，或者用支架固定在河床上。

图2为长度方向可变翼水轮机工作示意图。轮轴（0）与叶轮（1）是固定联结的，叶轮上安装着四个或四个以上翼片（2），翼片是可以弯曲的，整个翼片是由活动联结的两个或两个以上的单独部分组成。翼片只能朝如图所示翼面（e）的方向弯曲，而不能朝翼背（f）的方向弯曲，翼片在图示A点时，其弯曲度最大，越过A点位于b点时，因浮力作用，翼片稍有伸长。翼片至导流板端点B时，由于水流通过导流板而在B点造成柏努利效应，翼片加快张开。翼片在C点位置，水流直接作用在翼面（e）上，翼片迅速张开;至d点位置，翼片展开成为一平面或近似平面。翼片越过d点，逐渐弯曲。导流板的A端有助于使翼片达到最大弯曲度。

图3所示为长度方向可变翼水轮机翼片剖面图，整个翼片是由两个或两个以上的单独部分组成，翼片应按单臂梁受力情况设计，使其根部（即固定在叶轮的部分）的截面积最大，逐渐向翼尖方向缩小。翼片为中空，用玻璃钢及通常是环氧树脂玻璃钢制成，也可用轻金属或木材制成。翼片各部用活动连结，如铰链和轴肖。翼片各部分只能朝一个方向翼面（e）弯曲转动，不能朝翼背（f）弯曲转动，有凸台（g）限制其转动。

图4所示为长度方向可变翼水轮机翼片横截面简图。e为翼面，截面线为一直线，即翼面为一平面。f为翼背，为一中厚端薄的光滑曲线，最佳方案为双曲线的一部分。为制造方便，也可制成类似双曲线。当水轮机甚小时，相应的翼片也较小，此时翼片用实心木质制成，也有相当效果。为减小摩擦，翼片表面需抛光。

图5为对折式可变翼水轮机工作示意图。轮轴（0）与叶轮（1）是固定联结的，叶轮上安装着四个或四个以上翼片（2），翼片沿中心分成两对称部分，由活动力联结而成。翼片只能朝翼面（e）方向闭合，而不能朝翼背（f）方向闭合。翼片在图示A点时，两对称部分完全闭合，越过A点位于b点时，因浮力作用，两对称部分稍有张开。翼片至导流板端点B时，由于水流通过导流板而在B点造成柏努利效应，翼片加快张开。翼片在c点位置，水流直接作用在翼面（e）上，翼片迅速张开;至d点位置，两对称部分张开成一平面。

图6为对折式可变翼水轮机翼片A-A截面简图。翼片由两对称部分（4）和（5）组成，两者可绕轴线（6）回转。在叶轮轴上安有定位器（7），以限制（4）和（5）作不必要的回转。

本实用新型突破了现有水力发电所采用的形式，不需拦河建霸或建造水库，而是在一般河流中均可安装使用。我国河流密布，使用本实用实用新型的可变翼水轮机，可带来巨大的经济效果。

Claims

1、一种可变翼水轮机是由轮轴(0)、叶轮(1)、翼片(2)和导流板(3)组成，其特征在于：翼片的翼面是可朝单方向变化的、当翼面(e)正对水流方向时，翼面展开成一平面或近似平面，当翼背(f)正对水流方向时，翼片与水的作用面为最小；导流板与壳体(H)相连，导流板沿水流方向的截面形状为双曲线的一部分或近似双曲线。

2、根据权利要求1的可变翼水轮机，其特征在于所述的翼片是由两个或两个以上的单独部分由活动联接而成，可朝翼片长度方向弯曲。

3、根据权利要求1的可变翼水轮机，其特征在于所述的翼片是由沿翼片轴向两个对称部分由活动联结接而成，两对称部分可绕轴线（6）向翼面（e）方向开合。

4、根据权利要求1的可变翼水轮机，其特征在于所述的叶轮上安装着四个或四个以上翼片。

5、根据权利要求2或3的可变翼水轮机，其特征在于所述的翼片是空心的。

6、根据权利要求4的可变翼水轮机，其特征在于所述的翼片是空心的。

7、根据权利要求1或2的可变翼水轮机，其特征在于所述的翼片横截面形状，其翼面截线为一直线，其翼背为一中厚端薄的光滑曲线。

8、根据权利要求7的可变翼水轮机，其特征在于所述的翼片横截面形状，其翼背为双曲线的一部分。

9、根据权利要求8的可变翼水轮机，其特征在于所述的翼片横截面形状，其翼背为双曲线的一部分。

10、根据权利要求7的可变翼水轮机，其特征在于所述的翼片横截面形状，共翼背为近似双曲线或平滑曲线。

11、根据权利要求8的可变翼水轮机，其特征在于所述的翼片横截面形状，其翼背为近似双曲线或平滑曲线。

12、根据权利要求2或3的可变翼水轮机，其特征在于所述的翼片是用玻璃钢制成。

13、根据权利要求2或3的可变翼水轮机，其特征在于所述的翼片是用轻金属或木材制成。

14、根据权利要求1的可变翼水轮机，其特征在于所述的导流板沿水流截面形状为双曲线的一部分。