CN107429655B

CN107429655B - 加压水力发电装置

Info

Publication number: CN107429655B
Application number: CN201680017911.2A
Authority: CN
Inventors: 铃木政彦
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2020-06-09
Anticipated expiration: 2036-03-15
Also published as: JP2016180350A; CN107429655A; JP6592262B2; WO2016152642A1; KR20170131502A; TW201702479A

Abstract

提供一种加压水力发电装置，该加压水力发电装置即使在水位低的情况下也可以使用多个水喷射管将高压水喷射到升力式叶片的产生最大旋转效果的部分上，从而使叶片高速旋转。在由水轮机壳体(2)支承的主轴(4)的前端部设置有转子(5)，在主轴的后端部设置有发电机(7)，附接至输水管(8)的喷射口(10A)设置成面向与转子(5)的多个叶片(6)的受水面，其中，输水管(8)与来自水源的导水管(9)连接。

Description

加压水力发电装置

技术领域

本发明涉及加压水力发电装置，并且具体地涉及将高压水从喷射口喷射到转子叶片的受水面上从而使转子有效地旋转的加压水力发电装置。

背景技术

对于常规的水轮机而言，已知水流朝向叶轮下落的水平轴式水轮机或具有水位差的水流从转子的一侧与转子相碰撞的竖向轴式水轮机。专利文献1描述了使用潮汐流的涡轮机。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：专利公开(特开平)10-274146。

发明内容

本发明要解决的问题

在上述专利文献1中描述的水轮机通过使用由退潮和落差引起的潮汐水位差使潮汐流与竖向轴式水轮机的下部部件碰撞从而使水轮机旋转。然而，由于转子的直径大，因此转速低。因为竖向轴式水轮机利用位差，所以其需要大量的水。

本发明提供一种加压水力发电装置，在该加压水力发电装置中通过使用水喷射管将高压喷射水喷射到产生最大旋转动作的受水面上，从而即使在水量少的情况下也能使转子高速旋转。

问题的解决方案

本发明的具体内容如下所述。

(1)一种加压水力发电装置，其中，转子附接至支承在水轮机壳体中的主轴的前端部，并且发电机安装至主轴的后端部，附接至输水管的喷射口定位成与转子的多个叶片中的一个叶片的受水面相对，该输水管与来自水源的导水管连接。

(2)根据(1)所述的加压水力发电装置，其中，输水管形成为环的形状并且与水轮机壳体的外周同心地布置。

(3)根据(1)或(2)所述的加压水力发电装置，其中，转子是螺旋桨式转子。

(4)根据(1)至(3)中的任一项所述的加压水力发电装置，其中，叶片的弦长从叶片根部至叶片端部逐渐增大，叶片稍端从最大弦长部分逐渐变窄，形成在叶片后表面处的受水面沿旋转方向从前缘到后缘向正面方向倾斜，并且输水管的喷射口构造成与受水面相对。

(5)根据(1)至(4)中的任一项所述的加压水力发电装置，其中，输水管的喷射口布置成与升力式叶片的倾斜部分的受水面相对。

(6)根据(1)至(5)中的任一项所述的加压水力发电装置，其中，输水管的喷射口的数量大于升力式叶片的数量。

(7)根据(1)至(6)中的任一项所述的加压水力发电装置，其中，输水管的喷射口以虚线形状和环的形状与叶片的受水面相对地形成。

(8)根据(1)至(7)中的任一项所述的加压水发电装置，其中，在输水管中布置有用于引入空气的吸气器，并且在吸气器与喷射口之间形成增加水压的贮水器。

(9)根据(1)至(8)中的任一项所述的加压水发电装置，其中，在导水管与输水管之间形成有旁路，并且在旁路上布置有加压泵。

(10)根据(9)所述的加压水力发电装置，其中，在转子的下方布置有接水箱，并且接水箱中的水经由排水管、加压泵和旁路循环至输水管。

(11)根据(1)至(10)中的任一项所述的加压水力发电装置，其中，吸水管从水源连接至储水箱的上部部分，储水箱的下部部分的面积小于储水箱的上部部分的面积以增加水压，并且从储水箱的下部部分延伸的导水管连接至输水管。

发明的有利效果

根据本发明，可以获得下述示例性的有利效果：

在(1)中所述的加压水力发电装置的情况下，输水管的喷射口布置成与转子叶片的受水面相对。因此，从喷射口以高速喷射的喷射水以高速连续地冲击叶片的受水面，借助于杠杆原理即使在水量少的情况下也会使转子有效地旋转，从而可以产生稳定的电力。

在(2)中所述的加压水发电装置的情况下，输水管形成为环的形状并且与水轮机壳体的外周同心地布置。因此，从喷射口以高速喷射的喷射水以高速连续地冲击叶片的受水面，以使转子在少量水的作用下高速旋转，从而可以产生稳定的电力。

由于上述(3)所述的转子是螺旋桨式转子，因此加压水连续地冲击离心部分，以使转子在少量水的作用下有效地旋转，从而可以产生稳定的电力。

在上述(4)中所述的加压水力发电装置中，叶片是升力式叶片，其中，弦长从叶片根部至叶片端部逐渐增大，叶片稍端从最大弦长部分逐渐变窄，受水面沿旋转方向从前缘到后缘向正面方向倾斜，并且输水管的喷射口构造成与受水面相对。因此，当倾斜部分的受水面接受高速喷射水时，由于受水面是离心部分，因此借助于杠杆原理即使在水量少的情况下也会使转子高效地旋转。

在上述(5)中所述的发明中，输水管的喷射口布置成与升力式叶片的倾斜部分的受水面相对。因此，喷射水连续且准确地冲击受水面，以在少量水的作用下使转子有效地旋转。

在上述(6)中所述的发明中，输水管的喷射口的数量大于升力式叶片的数量。因此，喷射水连续地冲击叶片的受水面以使转子有效地旋转。

在上述(7)所述的发明中，输水管的喷射口以虚线的形状和环的形状与叶片的受水面相对地形成。因此，喷射水以环的形状连续地喷射，叶片以高速旋转，或者即使叶片的弦长较短，喷射水也能连续地喷射至叶片，从而可以有效地产生稳定的电力。

在上述(8)所述的发明中，在输水管中布置有用于将空气引入输水管内的吸气器，并且在吸气器与喷射口之间形成增加水压的贮水器。因此，可以在贮水器中将从外部吸入的空气混合并喷射由此获得的混合空气。此外，在贮水器中，混合有空气的水从喷射口以高速喷射，以提高转子的旋转效率，从而可以在少量水的作用下产生稳定的电力。

在上述项目(9)所述的发明中，在导水管与输水管之间形成有旁路，并且在旁路上布置有加压泵。因此，通过借助于加压泵向输水管中的水施加压力可以提高喷射水的喷射速度。

在上述(10)所述的发明中，在转子的下方布置有接水箱，并且接水箱中的水经由排水管、加压泵和旁路循环至输水管。因此，即使当流水的量少时，也可以在没有浪费的情况下经济地利用流水。

在上述(11)所述的发明中，吸水管从水源连接至储水箱的上部部分，储水箱的下部部分的面积小于储水箱的上部部分的面积以增加水压，并且从储水箱的下部部分延伸的导水管连接至输水管。即使当水源中的水量少时，也可以在输水管中获得在储水箱中加压的流水。

附图说明

图1为本发明的示例1的加压水力发电装置的横向截面平面图。

图2为图1的正视图。

图3为示出了图1的水喷射管与叶片之间的关系的竖向截面图。

图4为本发明的示例2的加压水力发电装置的主要部分的横向截面平面图。

图5为示出了本发明中引入水的方法的正视图。

图6为本发明的示例3的加压水力发电装置的主要部分的横向截面平面图。

图7为本发明的示例4的加压水力发电装置的主要部分的横向截面平面图。

图8为图7的加压水力发电装置的正视图。

具体实施方式

将参照附图对本发明的工作实施方式进行描述。

示例1

如图1中所示，在本发明的示例1的加压水力发电装置1中，水平主轴4经由轴承3以可旋转的方式支承在水轮机壳体2中，并且转子5附接至主轴4的从水轮机壳体2向前伸出的前端部。

主轴4的从水轮机壳体2向后伸出的后端部连接至图2中未示出的发电机7的主轴。

转子5通过固定多个径向升力式叶片6(3至5个叶片)而形成，多个径向升力式叶片6固定至毂5A的外周，毂5A固定至主轴4的前端部。如图2中所示，对于在其正视图中的升力式叶片6而言，升力式叶片6的弦长被制造为逐渐变大。

升力式叶片6从升力式叶片6的最大弦长部分6A到叶片稍端形成为渐缩的弧形形状，并且升力式叶片6的叶片稍端形成为以最大弦长部分6A为基点朝向水喷射管10倾斜的倾斜部分6B。

此外，如图3中所示，对于升力式叶片6的最大弦长部分6A的受水面6E而言，后缘6D相对于前缘6C以5度至12度范围内的角度向正面方向倾斜。

由此，当升力式叶片6的受水面6E接收高速的喷射水时，升力式叶片6朝向前缘6C转动；并且当转子5旋转时，发电机7的主轴(附图中未示出)旋转以进行发电。

环形输水管8与水轮机壳体2的外周表面同心地布置，导水管9连接至该环形输水管8。导水管9经由外凸缘9A、9A连接至另一导水管9，并且导水管9借助于吸水管9B、9B从如图5中所示的位于较高位置处水源通道14比如溪流等中取水。

在图5中，吸水管9B、9B用于从通道14比如多山地区的溪流或山涧等取水以收集在储水箱13中。

在储水箱13中，上部部分的面积大于下部部分的面积，从而向下部部分施加水压。水借助于导水管9从储水箱13的下部部分而被引导至输水管8。

在输水管8的前方，与主轴4平行的多个水喷射管10、10朝向升力式叶片6的旋转方向突出，使得水喷射口10A中的每个水喷射口布置成与升力式叶片6的倾斜部分6B相对。

升力式叶片6的最大弦长部分6A的附近区域处于离心区域中，离心区域是接受杠杆作用的有效作用位置。当该区域接收到高速的强喷射水时，即使在水的总量少的情况下也能够使转子5有效且稳定地旋转。

通常，转子5布置在导水管中，导水管的直径大于升力式叶片6的直径，并且根据填充导水管的水量调节转子5以进行旋转。然而，当可使用的水源的水量少或流经导水管的水量不充足时，转子5的旋转速度低，从而难以获得用于发电的足够转矩。

然而，在本发明中，如图1中所示，导水管的直径明显比转子5的直径小，并且水喷射口10A的直径更小。因此，从喷射口10A喷射的喷射水的速度产生高速和高压。

喷射口10A定位成与升力式叶片6的受水面6E的最大弦长部分6A相对。因此，喷射水恰当地冲击最大弦长部分6A，从而使升力式叶片6朝向前缘6C有力地旋转。

也就是说，即使水流冲击升力式叶片6的受水面6E的整个区域，水流也朝向叶片端部走。因此，借助于通过使水流直接冲击叶片端部的部分而产生的杠杆作用可获得强的旋转力。

从喷射口10A喷射的水量与通过下述计算过程获得的第三值成比例：

将【导水管9的横截面面积】除以【喷射口10A的横截面面积】以获得第一值，该第一值乘以【导水管9中的流速】得到第二值，然后，第二值除以【喷射口10A的数量】以获得第三值。

例如，当导水管9的直径为20cm且导水管9的横截面面积为314cm²、喷射口10A的直径为4cm且喷射口10A的横截面面积为12.56cm²并且导水管9中的流速为2m/s时，25×2＝50。在五个喷射口中的一个喷射口中，可以获得10m/s的高速流速。在喷射口10A的直径加倍至8cm的情况下，流速减半至5m/s。

在图1中，当导水管9的入口(图1中的右端)朝向较高位置倾斜或处于直立位置时，由于导水管9内的流水被施加重力并且喷射口10A被施加高压，因此导水管9内的流水作为高速流体喷射。

因此，即使所使用的流水量少，通过将输水管8连接至导水管9的端部并且将具有小直径的水喷射口10A的喷射管10附接至输水管8，从喷射口10A喷射出比导水管9中的流水速度更高且压力更大的喷射水，然后，使喷射水冲击最大弦长部分6A，从而使转子有效地旋转。

导水管9的直径根据可使用的水量来确定。水喷射口10A的直径根据可使用的水量、斜率、流速、喷射口10A的数量等来适当地确定。喷射口10A的形状并不限于圆形，而也可以是比如椭圆形、矩形、三角形等任意形状。

附图中所示的转子5已知为螺旋桨，因为螺旋桨具有优异的旋转效率。然而，喷射水的重量高于空气的重量，并且喷射水的速度是恒定的。因此，即使水量少，也可以通过将喷射水引导至转子5来稳定且高效地发电。

示例2

图4为本发明的示例2的加压水力发电装置的主要部分的横向截面平面图。相同的附图标记或符号指示与示例1相同的构件，并且省略对这些构件的说明。示例2的发电装置被构造成使得空气被吸入到水喷射管10中并且从喷射口10A喷射含有气泡的混合水。

如图4中所示，在水喷射管10的中央布置有吸气器11，并且进气路径11B的出气口11C安置在通路11A的内部，并且与出气口11C相连通的进气口11D穿过附接空气管的水喷射管10。

当流水从输水管8高速通过通路11A时，出气口11C附近的空气被高速流水的这个通路吸入并且进气路径11B的内部变成负压。因此，根据文丘里效应将空气从外部吸入空气引入管12。引入到通路11A中的空气变成气泡形式以与水混合并从喷射口10A喷射。

如图4中所示，流水被暂时收集在位于吸气器11与出气口11C之间的贮水器10B中。另一方面，从输水管8推送到通路11A中的流水通过从空气出口11C吸入空气而增大其体积并且进入贮水器10B而增大水量，从而增大速度。因此，从喷射口10A喷射高速流水，从而使转子5有效地旋转。

示例3

图6示出了本发明的示例3的加压水力发电装置的主要部分的横向截面平面图。相同的附图标记或符号指示与示例1和示例2相同的构件，并且省略对这些构件的说明。

在示例3中，将旁路9C从导水管9安装至输水管8，将压力泵15安装至旁路9C，并且止回阀16附接至导水管9附近的旁路9C。

接水箱17布置在叶片5的下方。旁路9C从导水管9附近的加压泵15连接至输水管8。止回阀16在旁路9C附近附接。

这是为了通过在接水箱17中接收水来重新利用已经旋转过叶片6水。水被压力泵15向上泵送以供给至输水管8。

在叶片稍端处不存在倾斜部分6B的叶片6也是能够使用的。附接至输水管8的喷射管10的数量没有限制，而可以是一个。在喷射管10中的一个喷射管的情况下，即使在喷射口10A朝向叶片6的旋转方向定向的情况下升力式叶片像阻力式叶片一样被使用，升力式叶片也会有效地旋转。

示例4

图7示出了本发明的示例4的加压水力发电装置的局部截面，图8是正视图。在示例4中相同的附图标记或符号指示与前述示例相同的构件，喷射管10突出成环的形状，并且多个喷射口10A连续地形成为环的形状和虚线形状。

喷射口10A以规则的间隔连续地布置为虚线形状。水从喷射口10A喷射为大致环形形状。因此，即使叶片6旋转或叶片6的弦长短，喷射的水也会连续地冲击叶片的受水面。因此，由于喷射速度高，即使水量少，也能使叶片6有效地旋转以有效地发电。

也可以通过连接虚线形式的喷射口10A以环形切口状线的形式形成连续的喷射口10A。通过省略喷射管10，可以将虚线形式的喷射口10A直接形成在输水管8上。

工业实用性

由于本发明的加压水发电装置可以使转子有效地旋转，因此该加压水力发电装置可以在比如山涧或溪流等水源较少的区域中用作有效发电的水力发电机。本发明的加压水力发电装置可以利用高层建筑物的排水。

附图标记列表

1 加压水发电装置

2 水轮机壳体

3 轴承

4 主轴

5 转子

5A 毂

6 升力式叶片

6A 最大弦长部分

6B 倾斜部分

6C 前缘

6D 后缘

6E 受水面

7 发电机

8 输水管

9 导水管

9A 凸缘

9B 吸水管

9C 旁路

10 水喷射管

10A 水喷射口

10B 贮水器

11 吸气器

11A 通路

11B 进气路径

11C 出气口

11D 进气口

12 空气引入管

13 储水箱

14 通道

15 压力泵

16 止回阀

17 接水箱

18 排水管

S 轴线

Claims

1.一种加压水力发电装置，其中，转子附接至支承在水轮机壳体中的主轴的前端部，并且发电机附接至所述主轴的后端部，附接至输水管的喷射口定位成与所述转子的多个叶片中的一个叶片的受水面相对，所述输水管与来自水源的导水管连接，

其中，在所述输水管的前方，水喷射管突出成与所述叶片的所述受水面相对，并且所述喷射口形成在所述水喷射管的前端处，

其中，在所述输水管中布置有用于将空气引入所述输水管内的吸气器，所述吸气器设置有用于使流水穿过所述吸气器内部的通路以及与所述通路相连通的进气路径，空气从所述进气路径被吸入到穿过所述吸气器的所述通路的流水中，从而产生具有高压力的含有气泡的混合水，并且

其中，所述水喷射管设置有在所述吸气器与所述喷射口之间的贮水器，所述贮水器用于收集所述具有高压力的含有气泡的混合水以及还用于增加水压。

2.根据权利要求1所述的加压水力发电装置，其中，所述输水管形成为环的形状并且与所述水轮机壳体的外周同心地布置。

3.根据权利要求2所述的加压水力发电装置，其中，多个所述水喷射管在所述形成为环的形状的所述输水管上间断地并且呈环形布置，并且所述水喷射管的所述前端中的每一个前端均设置有所述喷射口。

4.根据权利要求2所述的加压水力发电装置，其中，所述水喷射管从所述形成为环的形状的所述输水管呈环形突出，多个所述喷射口在所述环形的水喷射管的前端表面上间断地并且呈环形布置，或者，所述喷射口在所述环形的水喷射管的前端表面上连续地以环形切口状线的形式形成。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的加压水力发电装置，其中，所述转子是螺旋桨式转子。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的加压水力发电装置，其中，所述叶片是升力式叶片、弦长从叶片根部至叶片端部逐渐增大，叶片稍端从最大弦长部分逐渐变窄，形成在所述叶片的后表面处的受水面沿旋转方向从前缘到后缘向正面方向倾斜，并且所述输水管的所述喷射口构造成与所述受水面相对。

7.根据权利要求6所述的加压水力发电装置，其中，所述输水管的所述喷射口布置成与所述升力式叶片的倾斜部分的所述受水面相对。

8.根据权利要求6所述的加压水力发电装置，其中，所述输水管的所述喷射口的数量大于所述升力式叶片的数量。

9.根据权利要求3或4所述的加压水力发电装置，其中，所述输水管的所述喷射口以虚线的形状和环的形状与所述叶片的所述受水面相对地呈环形布置。

10.根据权利要求1至4中的任一项所述的加压水力发电装置，其中，在所述导水管与所述输水管之间形成有旁路，并且在所述旁路上布置有加压泵。

11.根据权利要求10所述的加压水力发电装置，其中，在所述转子的下方布置有接水箱，并且所述接水箱中的水经由排水管、所述加压泵和所述旁路循环至所述输水管。

12.根据权利要求1至4中的任一项所述的加压水力发电装置，其中，吸水管从所述水源连接至储水箱的上部部分，所述储水箱的下部部分的面积小于所述储水箱的上部部分的面积以增加水压，并且从所述储水箱的所述下部部分延伸的所述导水管连接至所述输水管。