CN105484930A - 一种阻力型水轮机及水力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻力型水轮机及水力发电系统，阻力型水轮机包括转轮体，转轮体的外壁上设有均匀布置的多个弧形叶片，弧形叶片沿着转轮体的轴线方向平行布置，弧形叶片的厚度从靠近转轮体侧的根部向端部逐渐减少，转轮体的上侧设有挡流罩，挡流罩的中部装设有流量调节装置，流量调节装置将挡流罩分割为弧形罩和导流斜板；阻力型水力发电系统包括发电机和两面导流墙，两面导流墙之间设有前述的阻力型水轮机，阻力型水轮机的转轮体两端各通过轴承安装固定于一面导流墙上，发电机通过主轴和阻力型水轮机的转轮体相连。本发明具有水能利用率高、叶片强度好、运行中轴系的振动小、使用寿命长、对河流水质要求低、对水位变化适应性好的优点。

Description

一种阻力型水轮机及水力发电系统

技术领域

本发明涉及水力发电技术，具体涉及一种阻力型水轮机及水力发电系统。

背景技术

全球化石燃料储备的枯竭与日益严重的环境问题，使得人们不得不重点发展适宜生态环境的可再生替代能源。水能的清洁性、可再生性及其大规模应用技术的成熟，使水力发电成为技术最成熟、最具开发条件和最有发展前景的清洁发电方式。目前我国的水电开发方式主要是筑坝蓄水，增加水的势能，提高水轮机的转速。但是，这种水电开发方式对环境有一定的破坏，而且需要移民，前期投资大。

公开号为CN102878007A的中国专利文献公开了一种超大型水力发电站，该超大型水力发电站虽然也无需筑坝，但是，该超大型水力发电站还存在一些问题：其水轮机的叶片为平板状，水能利用率较低；叶片根部的强度与外沿一致，易从根部折断；发电平台与水轮机的高度随着水位的变化而变化，运行中轴系的振动较大，易引起系统的结构不稳定，以至系统损坏；其功率调节通过叶片的伸缩来实现，对于河流的清洁性要求较高，不能有过多的杂质出现，否则会影响其叶片的运转以及高度变化装置，严重时甚至会破坏叶片。

发明内容

本发明要解决的技术问题:针对现有技术的上述问题，提供一种水能利用率高、叶片强度好、运行中轴系的振动小、使用寿命长、对河流水质要求低、对水位变化适应性好的阻力型水轮机及水力发电系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:

一种阻力型水轮机，包括所述转轮体，所述转轮体的外壁上设有均匀布置的多个弧形叶片，所述弧形叶片沿着转轮体的轴线方向平行布置，所述弧形叶片的厚度从靠近转轮体侧的根部向端部逐渐减少。

优选地，所述转轮体的上方设有挡流罩，所述挡流罩的中部装设有流量调节装置，所述流量调节装置将挡流罩分割为位于阻力型水轮机的转轮体上侧的弧形罩和位于阻力型水轮机的转轮体前侧的导流斜板，且所述导流斜板的高度和弧形罩之间的高度比值为1.5:1。

优选地，所述流量调节装置包括壳体、闸门体、驱动电机、控制模块和流速传感器，所述闸门体的上端设有螺旋杆，所述闸门体的下侧形成所述阻力型水轮机的进水通道，所述螺旋杆和壳体螺纹连接，所述驱动电机的驱动输出端通过减速机构和螺旋杆相连，所述驱动电机的控制端、流速传感器的输出端分别和控制模块相连。

优选地，所述导流斜板的最低端位置和转轮体的轴心位于同一水平面上。

优选地，所述转轮体的外壁上设有弧形叶片的数量为六片，所述弧形叶片的安装角度β为60°、叶片弧度α为60°。

优选地，所述弧形叶片的弦长L与转轮体的直径的比值为4:1，所述弧形叶片的宽度与弦长L的比值为2:1，所述弧形叶片端部的厚度和根部的厚度比值为0.05:1～0.1:1。

一种阻力型水力发电系统，包括发电机和相对布置的两面导流墙，所述两面导流墙之间设有前述的阻力型水轮机，所述两面导流墙之间位于阻力型水轮机的下方设有导流底板，所述导流底板由沿着水流方向依次布置的上游浇筑平面、流线型曲面和下游浇筑平面组成，所述上游浇筑平面位于流量调节装置的上游侧，所述流线型曲面位于转轮体的下侧，且所述流线型曲面的高度从流量调节装置下游侧开始逐渐降低并在转轮体的正下方达到最低点，所述流线型曲面的最低点与流量调节装置的壳体最低点之间的垂直高度为所述转轮体直径的1～2倍，所述阻力型水轮机的转轮体两端各通过轴承安装固定于一面导流墙上，所述发电机安装在导流墙一侧的河岸的洞槽内，且所述发电机通过主轴和阻力型水轮机的转轮体相连。

优选地，所述导流墙沿水流方向依次由聚拢弧形导流墙、平直导流墙和扩散弧形导流墙连接组成，所述两面导流墙的聚拢弧形导流墙之间形成从大变小的喇叭状入水口，所述两面导流墙的平直导流墙之间相互平行布置，所述两面导流墙的扩散弧形导流墙之间形成从小变大的喇叭状出水口，所述聚拢弧形导流墙、平直导流墙和扩散弧形导流墙三者在水流方向的直线距离均为阻力型水轮机的直径D的1.1倍，所述聚拢弧形导流墙、平直导流墙和扩散弧形导流墙三者的高度为阻力型水轮机的直径D的1.5～2倍。

优选地，所述两面导流墙靠进水侧的一端设有拦污栅。

优选地，所述主轴外侧设有刹车装置，所述刹车装置的控制端和控制模块相连。

本发明的阻力型水轮机具有下述优点：

1、本发明转轮体的外壁上设有均匀布置的多个弧形叶片，弧形叶片沿着转轮体的轴线方向平行布置，弧形叶片的厚度从靠近转轮体侧的根部向端部逐渐减少，自由水流冲击到阻力型水轮机的叶片时，水流的动量矩发生变化，从而产生作用在转轮叶片上的力，形成对主轴的转动力矩，推动转轮旋转做功。做功后的水流以很小的速度离开叶片而流向下游。弧形叶片有利于增大水流对叶片的作用力，理论计算和实验证明，弧形叶片的能量转换率是平板叶片1.45倍，具有水能利用率高、叶片强度好、运行中轴系的振动小、使用寿命长、对河流水质要求低的优点。

2、本发明进一步在转轮体的上方设有挡流罩，挡流罩的中部装设有流量调节装置，流量调节装置将挡流罩分割为位于阻力型水轮机的转轮体上侧的弧形罩和位于阻力型水轮机的转轮体前侧的导流斜板，因此能够在不同水位季节调节弧形叶片的进水量，具有对水位变化适应性好的优点。

本发明的阻力型水力发电系统包括本发明的阻力型水轮机，因此同样也具有水能利用率高、叶片强度好、运行中轴系的振动小、使用寿命长、对河流水质要求低、对水位变化适应性好的优点，从而能够实现针对低落差的水力发电，因此可以直接布置在河道上进行发电，不建坝、不移民、结构简单、便于安装维护且运行稳定可靠。而且，本发明的阻力型水力发电系统通过两面导流墙之间设有前述的阻力型水轮机，阻力型水轮机的转轮体两端各通过轴承安装固定于一面导流墙上，发电机通过主轴和阻力型水轮机的转轮体相连，通过两面导流墙的引导集聚水流，使得水流能够更加集中地作用在阻力型水轮机的弧形叶片上，从而能够更好地实现低落差的水力发电；此外本发明在转轮体的下方设有前高后低的流线型导流底板，使进入阻力型水轮机的动能增加、流出阻力型水轮机的动能减少，能够提高阻力型水轮机能量转换率；本发明的发电机安装在导流墙一侧的河岸的洞槽内，且不会影响水流特性，也不容易被水打湿，安装维护方便。

附图说明

图1为本发明实施例阻力型水轮机的结构示意图。

图2为本发明实施例阻力型水轮机拦污栅侧的局部剖视结构示意图。

图3为本发明实施例阻力型水力发电系统的立体结构示意图。

图4为本发明实施例中转轮体及其弧形叶片的结构示意图。

图例说明：1、转轮体；11、弧形叶片；12、轴承；13、法兰；2、挡流罩；21、弧形罩；22、导流斜板；3、流量调节装置；31、壳体；32、闸门体；321、螺旋杆；33、驱动电机；34、控制模块；35、流速传感器；4、发电机；41、主轴；42、刹车装置；5、导流墙；51、聚拢弧形导流墙；52、平直导流墙；53、扩散弧形导流墙；54、拦污栅；6、导流底板；61、上游浇筑平面；62、流线型曲面；63、下游浇筑平面。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本实施例的阻力型水轮机包括转轮体1，转轮体1的外壁上设有均匀布置的多个弧形叶片11，弧形叶片11沿着转轮体1的轴线方向平行布置，弧形叶片11的厚度从靠近转轮体1侧的根部向端部逐渐减少，弧形叶片11有利于增大水流对叶片的作用力，在工作状态下弧形叶片11因阻挡水流流动而受到水流的作用力，从而形成与水流方向一致的合力矩，该力矩推动转轮体1旋转带动发电机发电，理论计算和实验证明，弧形叶片11的能量转换率是平板叶片1.45倍，具有结构简单、使用成本低、整体占用空间小的优点。本实施例的阻力型水轮机的材料一般可以根据尺寸大小确定，例如转轮直径2米以上采用合金钢；直径2米以下，可采用复合材料，可利用3D打印技术直接整体打印。

如图1、图2和图3所示，转轮体1的上方设有挡流罩2，挡流罩2减少水流在转轮上部形成阻力矩，挡流罩2的中部装设有流量调节装置3，流量调节装置3用于适应负荷变化需求，流量调节装置3将挡流罩2分割为位于阻力型水轮机的转轮体1上侧的弧形罩21和位于阻力型水轮机的转轮体1前侧的导流斜板22，前半部的导流斜板22把水流往下引，后半部的弧形罩21把转轮体1的上半部分罩住，使水流不进入转轮体1的上半部，以消除水流对转轮体1上半部转轮形成的阻力矩，阻力型水轮机的发电功率可以通过流量调节装置3来进行调节，以适应电网负荷变化需求，因此可以根据负荷需求调节流量，可连续运转，经济效益可观。

如图1和图3所示，流量调节装置3包括壳体31、闸门体32、驱动电机33、控制模块34和流速传感器35，闸门体32的上端设有螺旋杆321，闸门体32的下侧成阻力型水轮机的进水通道，螺旋杆321和壳体31螺纹连接，驱动电机33的驱动输出端通过减速机构和螺旋杆321相连，驱动电机33的控制端、流速传感器35的输出端分别和控制模块34相连。本实施例中，壳体31中设有滑槽，用于使得闸门体32上下移动，需要说明的是，壳体31既可以是挡流罩2中的一部分，也可以做成独立的结构体并安装到挡流罩2上；流速传感器35安装在转轮体1前0.3m处，控制模块34则用于根据流速传感器35输出的水流速度的流程控制闸门体32的高度，进而控制阻力型水轮机的进水流量，由于该控制方法为常规的闭环控制方法，故在此不再赘述。

本实施例中，导流斜板22的最低端位置和转轮体1的轴心位于同一水平面上，且导流斜板22的高度和弧形罩21之间的高度比值为1.5:1，通过该结构能够确保导流斜板22具有最佳的导流效果。

如图4所示，转轮体1的外壁上设有弧形叶片11的数量为六片，弧形叶片11的安装角度β（参见图4）为60°、叶片弧度α（参见图4）为60°，通过上述结构，确保转轮体1外壁上设有的多片弧形叶片11能够共同实现最优的水流动能的利用。

如图4所示，弧形叶片11的弦长L与转轮体1的直径的比值为4:1，弧形叶片11的宽度与弦长L（参见图4）的比值为2:1，弧形叶片11端部的厚度和根部的厚度比值为0.05:1～0.1:1，通过上述结构，确保转轮体1上的每一片弧形叶片能够实现最优的水流动能的利用。

如图1、图2和图3所示，本实施例的阻力型水力发电系统包括发电机4和相对布置的两面导流墙5，两面导流墙5之间设有本实施例前述的阻力型水轮机，两面导流墙5之间位于阻力型水轮机的下方设有导流底板6，导流底板6由沿着水流方向依次布置的上游浇筑平面61、流线型曲面62和下游浇筑平面63组成，上游浇筑平面61位于流量调节装置3的上游侧，流线型曲面62位于转轮体1的下侧，且流线型曲面62的高度从流量调节装置3下游侧开始逐渐降低并在转轮体1的正下方达到最低点，流线型曲面62的最低点与流量调节装置3的壳体31最低点之间的垂直高度为转轮体1直径的1～2倍，阻力型水轮机的转轮体1两端各通过轴承12安装固定于一面导流墙5上，发电机4安装在导流墙5一侧的河岸的洞槽内，且发电机4通过主轴41和阻力型水轮机的转轮体1相连。本实施例中导流底板6的结构能够有效提高阻力型水轮机的能量转换率，此外阻力型水力发电系统布置在有一定坡度（≧1%）的河床上，这样阻力型水轮机不仅可以利用河水的动能，而且能够利用河水的势能来驱动发电机4进行发电；发电机4采用直驱式永磁同步发电机，该发电机转速范围较广，可以适用于不同季节的水轮机发电状态。需要说明的是，图3中并未绘制出河岸，一般而言河岸的高度会比导流墙5的高度更高，以确保两面导流墙5之间水位能够满足阻力型水轮机的驱动需求。

如图1、图2和图3所示，导流墙5沿水流方向依次由聚拢弧形导流墙51、平直导流墙52和扩散弧形导流墙53连接组成，两面导流墙5的聚拢弧形导流墙51之间形成从大变小的喇叭状入水口，两面导流墙5的平直导流墙52之间相互平行布置，两面导流墙5的扩散弧形导流墙53之间形成从小变大的喇叭状出水口，聚拢弧形导流墙51、平直导流墙52和扩散弧形导流墙53三者在水流方向的直线距离均为阻力型水轮机的直径D（参见图4）的1.1倍，聚拢弧形导流墙51、平直导流墙52和扩散弧形导流墙53三者的高度为阻力型水轮机的直径D（参见图4）的1.5～2倍。参见图3，两面导流墙5固定在河底且左右对称，每一面导流墙5分为三段，中间段是直线段，上下游段均为夹角60°的喇叭扩散型，便于集聚水流能量，而且作为主轴41、挡流罩2及流量调节装置3的支撑固定装置，轴承12布置在两面导流墙5内，主轴41通过轴承支撑和法兰13固定。本实施例考虑了由于季节变化引起的水流流速的变化，主轴41布置的位置为河流枯水期的最低水位线，且增加了流量调节装置3及挡流罩2的构造，使进入阻力型水轮机的水流流量可以控制在任意值，以适应负荷变化需求，保证可以长期发电。本实施例中，闸门体32穿过挡流罩2的弧形罩21和导流斜板22交界处，高度为河床底部的导流底板6至弧形罩21和导流斜板22交界处的距离，宽度为弧形罩21和导流斜板22交界处的两导流墙5之间的距离，使得闸门体32的下端和导流底板6之间、两导流墙5之间的空间形成阻力型水轮机的进水通道。

如图1、图2和图3所示，两面导流墙5靠进水侧的一端设有拦污栅52，拦污栅52设置在阻力型水轮机前两导流墙5的最前端，用于拦截水中杂物，以免破坏阻力型水轮机。

如图3所示，主轴41外侧设有刹车装置42，刹车装置42可以进行开合控制，打开时与主轴41分开，主轴41可以自由旋转，发电机4运转发电；合上时把主轴41抱死，发电机4停止运转；刹车装置42也由流量调节装置3中的控制模块34控制。

需要说明的是，控制模块34的安装位置可以根据实际需要进行布置，例如布置在发电机4附近（参见图3），以便于系统的集成及简化安装；此外，也可以将控制模块34安装在河岸上的位置，从而使得操作更加方便。

综上所述，本实施例的阻力型水力发电系统可广泛用于世界上的大江大河，及流速较快（≧1m/s）的山区河流，需要通航的河流只占用一小半河道，不影响通航；不需要通航的河流则可占用大部分河道，只留小部分河道供生物通过，不破坏生态环境。在阻力水轮机投入工作后，可以根据负荷需求自动调节流量、开关闸门，在管理上比较方便，整套水力发电系统可以自行工作。本实施例既摆脱了筑坝水电站存在的环境问题，又节约了造坝的成本及移民费用，符合现如今的可持续发展政策，可以大面积得到普及。通过本实施例的阻力型水力发电系统，能够使得我国大范围的且未能充分利用的低水位的水能利用率得到大大提升，如果大规模的使用，将能缓解我国面临的能源压力，使我国目前落后的能源结构得到一定程度的改善。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种阻力型水轮机，其特征在于，包括所述转轮体（1），所述转轮体（1）的外壁上设有均匀布置的多个弧形叶片（11），所述弧形叶片（11）沿着转轮体（1）的轴线方向平行布置，所述弧形叶片（11）的厚度从靠近转轮体（1）侧的根部向端部逐渐减少。

2.根据权利要求1所述的阻力型水轮机，其特征在于，所述转轮体（1）的上方设有挡流罩（2），所述挡流罩（2）的中部装设有流量调节装置（3），所述流量调节装置（3）将挡流罩（2）分割为位于阻力型水轮机的转轮体（1）上侧的弧形罩（21）和位于阻力型水轮机的转轮体（1）前侧的导流斜板（22）。

3.根据权利要求2所述的阻力型水轮机，其特征在于，所述流量调节装置（3）包括壳体（31）、闸门体（32）、驱动电机（33）、控制模块（34）和流速传感器（35），所述闸门体（32）的上端设有螺旋杆（321），所述闸门体（32）的下侧形成所述阻力型水轮机的进水通道，所述螺旋杆（321）和壳体（31）螺纹连接，所述驱动电机（33）的驱动输出端通过减速机构和螺旋杆（321）相连，所述驱动电机（33）的控制端、流速传感器（35）的输出端分别和控制模块（34）相连。

4.根据权利要求3所述的阻力型水轮机，其特征在于，所述导流斜板（22）的最低端位置和转轮体（1）的轴心位于同一水平面上，且所述导流斜板（22）的高度和弧形罩（21）之间的高度比值为1.5:1。

5.根据权利要求4所述的阻力型水轮机，其特征在于，所述转轮体（1）的外壁上设有弧形叶片（11）的数量为六片，所述弧形叶片（11）的安装角度β为60°、叶片弧度α为60°。

6.根据权利要求5所述的阻力型水轮机，其特征在于，所述弧形叶片（11）的弦长L与转轮体（1）的直径的比值为4:1，所述弧形叶片（11）的宽度与弦长L的比值为2:1，所述弧形叶片（11）端部的厚度和根部的厚度比值为0.05:1～0.1:1。

7.一种阻力型水力发电系统，其特征在于，包括发电机（4）和相对布置的两面导流墙（5），所述两面导流墙（5）之间设有权利要求1～6中任意一项所述的阻力型水轮机，所述两面导流墙（5）之间位于阻力型水轮机的下方设有导流底板（6），所述导流底板（6）由沿着水流方向依次布置的上游浇筑平面（61）、流线型曲面（62）和下游浇筑平面（63）组成，所述上游浇筑平面（61）位于流量调节装置（3）的上游侧，所述流线型曲面（62）位于转轮体（1）的下侧，且所述流线型曲面（62）的高度从流量调节装置（3）下游侧开始逐渐降低并在转轮体（1）的正下方达到最低点，所述流线型曲面（62）的最低点与流量调节装置（3）的壳体（31）最低点之间的垂直高度为所述转轮体（1）直径的1～2倍，所述阻力型水轮机的转轮体（1）两端各通过轴承（12）安装固定于一面导流墙（5）上，所述发电机（4）安装在导流墙（5）一侧的河岸的洞槽内，且所述发电机（4）通过主轴（41）和阻力型水轮机的转轮体（1）相连。

8.根据权利要求7所述的阻力型水力发电系统，其特征在于，所述导流墙（5）沿水流方向依次由聚拢弧形导流墙（51）、平直导流墙（52）和扩散弧形导流墙（53）连接组成，所述两面导流墙（5）的聚拢弧形导流墙（51）之间形成从大变小的喇叭状入水口，所述两面导流墙（5）的平直导流墙（52）之间相互平行布置，所述两面导流墙（5）的扩散弧形导流墙（53）之间形成从小变大的喇叭状出水口，所述聚拢弧形导流墙（51）、平直导流墙（52）和扩散弧形导流墙（53）三者在水流方向的直线距离均为阻力型水轮机的直径D的1.1倍，所述聚拢弧形导流墙（51）、平直导流墙（52）和扩散弧形导流墙（53）三者的高度为阻力型水轮机的直径D的1.5～2倍。

9.根据权利要求8所述的阻力型水力发电系统，其特征在于，所述两面导流墙（5）靠进水侧的一端设有拦污栅（54）。

10.根据权利要求9所述的阻力型水力发电系统，其特征在于，所述主轴（41）外侧设有刹车装置（42），所述刹车装置（42）的控制端和控制模块（34）相连。