CN108105012A - 利用河水自然流动发电的水轮机装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用河水自然流动发电的水轮机装置，包括水轮机及导水机构，水轮机包括转轮、上端轴及下端轴，转轮包括多片长轮叶、多片短轮叶及间隔设置的至少两个轮盘，相邻的两个轮盘通过长轮叶及短轮叶连接，长轮叶与短轮叶均沿周向间隔设置于轮盘上，长轮叶与短轮叶围成无中心轴空间，导水机构包括箱体及入口封板，箱体内沿竖直方向设置多层进水通道，入口封板用于封闭进水通道，箱体前端为进水口，箱体的后端设有与水轮机连通的弧形出水口，弧形出水口用于引导水流冲击长轮叶及短轮叶。通过多层进水通道的分层进水及水轮机的无中心轴空间的设置方式，提高了发电效率。

Description

利用河水自然流动发电的水轮机装置

技术领域

本发明涉及河流发电设备技术领域，特别是涉及一种利用河水自然流动发电的水轮机装置。

背景技术

我国江河流域未开发的低水头、微水头、现有水电站下游可资利用的直接流动的水力资源亟待开发。从能源一资源一环境一体化来考虑，河水直接流动发电项目可避免建筑大坝，移民损失，更有益于生态环境。开发水力资源，综合利用低成本的可再生能源，已经成为国内外学者研究的重要课题。

用于河水直接流动发电的水轮机中，贯流式、垂直轴螺旋型水轮机等在流量较低时发电，效率会大大降低，运行状态不够稳定，不能适应高效率发电，适用范围有限。传统的河水自然流动发电装置，在基础研究和工业运行等方面都存在流动的可控性差、水轮机效率低等问题，难以适应潮流变化及其流量较小时的水力发电需求。

发明内容

基于此，本发明在于克服现有技术的缺陷，提供一种发电效率高、结构简单的利用河水自然流动发电的水轮机装置。

其技术方案如下：

一种利用河水自然流动发电的水轮机装置，包括水轮机及导水机构，所述水轮机包括转轮、上端轴及下端轴，所述转轮包括长轮叶、短轮叶及间隔设置的至少两个轮盘，所述长轮叶、所述短轮叶均为多片，相邻的两个轮盘通过所述长轮叶及所述短轮叶连接，所述长轮叶与所述短轮叶均沿周向间隔设置于所述轮盘上，所述长轮叶与所述短轮叶围成无中心轴空间，所述转轮的顶层轮盘用于通过所述上端轴与发电机传动连接，所述转轮的底层轮盘用于通过所述下端轴竖立于水下基础上，所述导水机构包括箱体及入口封板，所述箱体内沿竖直方向设置多层进水通道，所述入口封板用于封闭所述进水通道，所述箱体前端为进水口，所述箱体的后端设有与所述水轮机连通的弧形出水口，所述弧形出水口用于引导水流冲击所述长轮叶及所述短轮叶。

上述利用河水自然流动发电的水轮机装置，导水机构通过采用多层进水通道，可在流量变化时分段调节，通过依次关闭上层的入口封板，让水从下层流道通过，并可适当提高水位，使得下层流道水流动能增大，提高对水轮机的转轮的冲击力，而水流进入转轮后第一次冲击转轮的长轮叶与短轮叶，实现了第一次能量转换，随后水流由长轮叶与短轮叶之间的间隙进入无中心轴空间，由于没有中心轴，水流在通过转轮中部时水力损失减少，同时水流在长轮叶与短轮叶之间的间隙内流动空间增大，流速加快，使第一次冲击叶片后的水流速度加快，并使得水流在通过无中心轴空间后，第二次冲击长轮叶、短轮叶的动能增大，从而提高了发电效率。

进一步地，所述轮盘为多个，相邻的两个轮盘之间形成导流通道，所述转轮上设有至少四个导流通道，所述导流通道与所述进水通道对应设置。

进一步地，所述短轮叶沿所述轮盘的径向长度小于所述长轮叶沿所述轮盘的径向长度，所述长轮叶与所述短轮叶的外侧边位于同一圆柱面上，所述长轮叶与所述短轮叶均为弧形叶片。

进一步地，所述转轮直径为0.5m～6m，所述转轮的高度为0.5m～6m，所述长轮叶的弧面半径与所述轮盘的直径之比为1/3～2，所述长轮叶沿所述轮盘的径向长度与所述轮盘的半径之比为1/4～1/2，所述短轮叶沿所述轮盘的径向长度与所述轮盘的半径之比为1/5～1/3，所述长轮叶沿所述轮盘的径向长度与所述短轮叶沿所述轮盘的径向长度之比为5/4～5/2，所述长轮叶与所述短轮叶的数量之和为20～80。

进一步地，所述箱体包括相对设置的左侧板、右侧板，所述左侧板、所述右侧板之间的距离沿靠近所述弧形出水口的方向逐渐减小。

进一步地，所述左侧板设为弧形，所述右侧板设为45度的斜面形状。

进一步地，所述进水通道为四层，四层所述进水通道的流量比例由上到下依次设置为10％、20％、30％、40％；或四层所述进水通道的流量比例相等，所述进水通道之间呈上下排列设置，所述箱体沿竖直方向设置于水下基础上。

附图说明

图1为本发明实施例所述的利用河水自然流动发电的水轮机装置的剖视图；

图2为本发明实施例所述的导水机构的结构示意图一；

图3为本发明实施例所述的水轮机的侧视图；

图4为本发明实施例所述的入口封板的结构示意图；

图5为本发明实施例所述的导水机构的结构示意图二。

附图标记说明：

100、水轮机，110、转轮，111、长轮叶，112、短轮叶，113、轮盘，114、导流通道，120、上端轴，130、下端轴，200、导水机构，210、箱体，211、进水通道，212、进水口，213、弧形出水口，214、左侧板，215、右侧板，220、入口封板。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。

如图1至图4所示，利用河水自然流动发电的水轮机装置，包括水轮机100及导水机构200，水轮机100包括转轮110、上端轴120及下端轴130，转轮110包括长轮叶111、短轮叶112及间隔设置的至少两个轮盘113，长轮叶111、短轮叶112均为多片，相邻的两个轮盘113通过长轮叶111连接，长轮叶111与短轮叶112均沿周向间隔设置于轮盘113上，长轮叶111与短轮叶112围成无中心轴空间，转轮110的顶层轮盘113用于通过上端轴120与发电机传动连接，转轮110的底层轮盘113用于通过下端轴130竖立于水下基础上，导水机构200包括箱体210及入口封板220，箱体210内沿竖直方向设置多层进水通道211，入口封板220用于封闭进水通道211，箱体210前端为进水口212，箱体210的后端设有与水轮机100连通的弧形出水口213，弧形出水口213用于引导水流冲击长轮叶111及短轮叶112。

上述利用河水自然流动发电的水轮机装置，导水机构200通过采用多层进水通道211，可在流量变化时分段调节，通过依次关闭上层的入口封板220，让水从下层流道通过，并可适当提高水位，使得下层流道水流动能增大，提高对水轮机100的转轮110的冲击力，而水流进入转轮110后第一次冲击转轮110的长轮叶111与短轮叶112，实现了第一次能量转换，随后水流由长轮叶111与短轮叶112之间的间隙进入无中心轴空间，由于没有中心轴，水流在通过转轮110中部时水力损失减少，同时水流在长轮叶111与短轮叶112之间的间隙内流动空间增大，流速加快，使第一次冲击叶片后的水流速度加快，并使得水流在通过无中心轴空间后，第二次冲击长轮叶111、短轮叶112的动能增大，从而提高了发电效率。

如图3所示，进一步地，轮盘113为多个，相邻的两个轮盘113之间形成导流通道114，转轮110上设有至少四个导流通道114，导流通道114与进水通道211对应设置。上述利用河水自然流动发电的水轮机装置，可通过导流通道114与进水通道211的对应关系，利用导水机构200控制水轮机100的进水量，使上述利用河水自然流动发电的水轮机装置可根据不同的河流环境进行调整，保证发电的稳定性。此外，河水直接流动发电的水轮机100导水装置使水流通过河水直接流动发电的水轮机100导水装置进入转轮110的水流角度不变，从而减少了转轮110叶片进口的撞击损失，使转轮110内部的能量转换更加充分。

此外，转轮110采用对称间隔的多圆弧曲线组成的长轮叶111和短轮叶112，改善转轮110水流的进、出口方位，使受到有效冲击的轮叶数目增多，出口动能相应减少，因此机组效率与单机出力和比转速提高，消除了逆向流动，故水轮机100的机壳尺寸可变小。水流在转轮110中能量的转换，是由转轮110的叶片进出口速度矩之差来实现的，正确设计转轮110叶片进出口角度，对于能量转换极其重要，而导流通道114正是引导水流以设计的进口角度进入转轮110的条件。

如图1所示，进一步地，短轮叶112沿轮盘113的径向长度小于长轮叶111沿轮盘113的径向长度，长轮叶111与短轮叶112的外侧边位于同一圆柱面上，长轮叶111与短轮叶112均为弧形叶片。上述水轮机100，通过长轮叶111与短轮叶112的间隔设置可将第一次冲击的水流加以分割，制止其迭加汇合，导入无中心轴空间内，消除了传统双击式水轮机100的不良的逆向冲击效应，长轮叶111有效利用短轮叶112的出口环量，将分隔后的各股冲击水流分散导入并进行第二次冲击，故在此过程中受冲击的轮叶数目增多，无中心轴空间内无中心轴，水的流速加快，水轮机100的效率提高。

具体地，长轮叶111与短轮叶112均为对称设置的弧形叶片。此时长轮叶111与短轮叶112可更好的引导水流及改善冲击转轮110的水流的进、出口方位。

进一步地，转轮110直径为0.5m～6m，转轮110的高度为0.5m～6m，长轮叶111的弧面半径与轮盘113的直径之比为1/3～2，长轮叶111沿轮盘113的径向长度与轮盘113的半径之比为1/4～1/2，短轮叶112沿轮盘113的径向长度与轮盘113的半径之比为1/5～1/3，长轮叶111沿轮盘113的径向长度与短轮叶112沿轮盘113的径向长度之比为5/4～5/2，长轮叶111与短轮叶112的数量之和为20～80。水轮机100采用性能良好的叶片结构和布置形式，也可以得到较高的发电效率，上述水轮机100的结构设计，既能在大流量、高流速下工作，也能在低流量、低流速下工作，可高效利用传统的水轮机难以利用的河流中直接流动水能资源，叶片设计空间较大，适应性较好。

可选地，转轮110为圆筒形，轮盘113上设有与长轮叶111、短轮叶112形状相同的沟槽，长轮叶111、短轮叶112分别放入不同的沟槽中焊接；位于转轮110底端及顶端的轮盘113的两侧分别采用设有短轮片，上端轴120穿设位于转轮110顶端的轮盘113，并与此轮盘113两侧的短轮片均连接，下端轴130穿设位于转轮110底端的轮盘113，并与此轮盘113两侧的短轮片均连接，上端轴120、下端轴130均通过花键与轮盘113连接，实现上端轴120、下端轴130与轮盘113的周向固定，短轮片与轮盘113通过螺栓固定连接。

如图2及图5所示，进一步地，箱体210包括相对设置的左侧板214、右侧板215，左侧板214、右侧板215之间的距离沿靠近弧形出水口213的方向逐渐减小。此时进入进水通道211的水流在流向水轮机100的过程中，动能可逐步提高，有利于提高发电效率。

如图1所示，进一步地，左侧板214设为弧形，右侧板215设为45度的斜面形状。本实施例中，通道由外至内逐渐变窄，左右端面以设计的弧形及斜面进入转轮110，它使各层水流以最佳方式冲向转轮110，杜绝了层流的扩散脱流与涡流能耗。

可选地，进水通道211的横截面为矩形。

进一步地，进水通道211为四层，四层进水通道211的流量比例由上到下依次设置为10％、20％、30％、40％；或四层进水通道211的流量比例相等，进水通道211之间呈上下排列设置，箱体210沿竖直方向设置于水下基础上。进水通道211在最大流量(即潮流状态)时，都置于开启状态，流量最大，满负荷发电；当流量减少时，利用入口封板220封闭进水通道211，具体为根据流量递减幅度依次关闭上端的一层、两层或三层进水通道211，适当提高水位，可增加下端进水通道211的水流动能，增加发电效率。四层进水通道211流量比例可根据河流的季节性水流状态改进流量设置比例。具体地，可将四层进水通道110的横截面积按照1：2：3：4进行设置；或四层进水通道110的横截面积相等。此外，进水通道211也可为多于四层，且各层进水通道211的流量也可设置为其他比例，以满足不同的水流特征。

具体地，入口封板220为至少三块，箱体210的进水口212处设有边框，边框上设有螺纹孔。可利用螺栓穿设入口封板220，并与箱体210螺纹配合连接，此时可依次依次封闭各层进水通道211，实现对流量的控制。

上述利用河水自然流动发电的水轮机装置大幅度降低水流的水力损失，促进了水流进入水轮机100时的动能转换，实现了流量在25％～100％范围内的高效运行，适用于河水流量的动态变化，具有推广应用的实施前景和显著的经济效益。

为适应不同深度的河床，可以根据水流深度串联设置上述利用河水自然流动发电的水轮机装置，可设计的发电效率范围为30kw～100000kw，可建造安装于江河的激流、峡口、现有水电站下游处，能适应不同流量、不同落差水头等任何有价值可开发的水域。并且不需要建坝，结构简单，投资少成本低，对环境影响小，检修维护方便，使用寿命长，最大发电效率可达80％以上，是水电工程中解决环境保护等问题的具有开发利用价值的装置。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种利用河水自然流动发电的水轮机装置，其特征在于，包括水轮机及导水机构，所述水轮机包括转轮、上端轴及下端轴，所述转轮包括长轮叶、短轮叶及间隔设置的至少两个轮盘，所述长轮叶、所述短轮叶均为多片，相邻的两个轮盘通过所述长轮叶及所述短轮叶连接，所述长轮叶与所述短轮叶均沿周向间隔设置于所述轮盘上，所述长轮叶与所述短轮叶围成无中心轴空间，所述转轮的顶层轮盘用于通过所述上端轴与发电机传动连接，所述转轮的底层轮盘用于通过所述下端轴竖立于水下基础上，所述导水机构包括箱体及入口封板，所述箱体内沿竖直方向设置多层进水通道，所述入口封板用于封闭所述进水通道，所述箱体前端为进水口，所述箱体的后端设有与所述水轮机连通的弧形出水口，所述弧形出水口用于引导水流冲击所述长轮叶及所述短轮叶。

2.根据权利要求1所述的利用河水自然流动发电的水轮机装置，其特征在于，所述轮盘为多个，相邻的两个轮盘之间形成导流通道，所述转轮上设有至少四个导流通道，所述导流通道与所述进水通道对应设置。

3.根据权利要求1所述的利用河水自然流动发电的水轮机装置，其特征在于，所述短轮叶沿所述轮盘的径向长度小于所述长轮叶沿所述轮盘的径向长度，所述长轮叶与所述短轮叶的外侧边位于同一圆柱面上，所述长轮叶与所述短轮叶均为弧形叶片。

4.根据权利要求1所述的利用河水自然流动发电的水轮机装置，其特征在于，所述转轮直径为0.5m～6m，所述转轮的高度为0.5m～6m，所述长轮叶的弧面半径与所述轮盘的直径之比为1/3～2，所述长轮叶沿所述轮盘的径向长度与所述轮盘的半径之比为1/4～1/2，所述短轮叶沿所述轮盘的径向长度与所述轮盘的半径之比为1/5～1/3，所述长轮叶沿所述轮盘的径向长度与所述短轮叶沿所述轮盘的径向长度之比为5/4～5/2，所述长轮叶与所述短轮叶的数量之和为20～80。

5.根据权利要求1所述的利用河水自然流动发电的水轮机装置，其特征在于，所述箱体包括相对设置的左侧板、右侧板，所述左侧板、所述右侧板之间的距离沿靠近所述弧形出水口的方向逐渐减小。

6.根据权利要求5所述的利用河水自然流动发电的水轮机装置，其特征在于，所述左侧板设为弧形，所述右侧板设为45度的斜面形状。

7.根据权利要求1-6任一项所述的利用河水自然流动发电的水轮机装置，其特征在于，所述进水通道为四层，四层所述进水通道的流量比例由上到下依次设置为10％、20％、30％、40％；或四层所述进水通道的流量比例相等，所述进水通道之间呈上下排列设置，所述箱体沿竖直方向设置于水下基础上。