CN109113916A - 一种无拦坝涡动涡叶水力发电组件 - Google Patents

一种无拦坝涡动涡叶水力发电组件 Download PDF

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Abstract

本发明属于水力发电技术领域，公开了一种无拦坝涡动涡叶水力发电组件，包括浅敞式涡动水池、涡流式水轮机和与所述涡流式水轮机连接的发电机，所述浅敞式涡动水池内部设有出水槽，所述浅敞式涡动水池边缘设有与所述出水槽贯通的进水槽，所述出水槽的内壁向内倾斜，所述出水槽的底部设有出水口，所述涡流式水轮机垂直安装在所述出水口的出水水路上，所述涡流式水轮机底部连接有出水管道。本发明通过设置浅敞式涡动水池，产生涡动能，再加上涡流式水轮机的涡叶贯流能，能够有效提高低水头水能密度，充分开发水力资源潜能，增加发电机发电容量。

Description

一种无拦坝涡动涡叶水力发电组件
技术领域
本发明属于水力发电技术领域，具体地涉及一种无拦坝涡动涡叶水力发电组件。
背景技术
20世纪以来，水电机组一直向高参数、大容量方向发展。世界各国除在主要水系大力开发或扩建大型电站外，正在积极兴建抽水蓄能电站，水泵水轮机因而得到迅速发展。为了充分利用各种水力资源，潮汐、落差很低的平原河流甚至波浪等也引起普遍重视，从而使贯流式水轮机和其他小型机组迅速发展。
我国2.5m以下低水头资源非常丰富，但是其能量密度低，单发电机容量小，传统上采用低水头水力发电机存在土建投资大、单机发电出力低、水资源浪费大，发电量不稳定、应用受到限制等缺陷。特别是，为了保护生态环境，国家提倡无拦坝水力发电，现有拦坝水力发电形式将取消或改造。现有低水头贯流式水轮机将受到考验。
现有低水头贯流式水轮机多为离心式，水体与叶片接触时间短产生加速度小，与圆锥形导水机构的壁面摩擦力大，浪费了水头资源。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种无拦坝涡动涡叶水力发电组件(在保护河道的生态环境下)，能够解决低水头在发电中水能密度差的问题，从而有效提高发电量。
为了实现上述目的，本发明提供一种无拦坝涡动涡叶水力发电组件，包括浅敞式涡动水池、涡流式水轮机和与所述涡流式水轮机连接的发电机，所述浅敞式涡动水池内部设有出水槽，所述浅敞式涡动水池边缘设有与所述出水槽贯通的进水槽，所述出水槽的内壁向内倾斜，所述出水槽的底部设有出水口，所述涡流式水轮机垂直安装在所述出水口的出水水路上，所述涡流式水轮机底部连接有出水管道。
优选地，所述涡流式水轮机垂直安装在所述出水口处或者垂直安装在所述出水口一侧并与所述出水口之间通过连接管道连接。
优选地，所述涡流式水轮机内设有分段式涡段和主轴，所述主轴上套设有与其转动配合的主轴套管，所述主轴与所述发电机连接，各所述涡段均包括旋转筒体，所述旋转筒体固定套接在所述主轴套管上，所述旋转筒体内固定连接有涡旋叶片，所述涡旋叶片围绕所述主轴做向心式多周期环绕，所述旋转筒体一端在其边缘处设有涡段进水口，另一端在其中心处设有涡段出水口。
优选地，所述旋转筒体包括旋转外筒体、旋转内筒体、上端圆板和下端圆板，所述下端圆板外缘固定在所述旋转外筒体内壁上，所述旋转内筒体一端固定在所述上端圆板上，所述上端圆板中心设有通孔，所述下端圆板中心设有涡段出水口，所述涡段通过通孔、旋转内筒体和涡段出水口套接在所述主轴套管上。
优选地，所述上端圆板的直径小于所述旋转外筒体内壁的直径，所述上端圆板外缘与所述旋转外筒体内壁之间构成所述涡段进水口。
优选地，所述旋转内筒体与所述主轴套管为键连接或销轴连接或过盈配合连接。
优选地，所述涡旋叶片内侧固定在所述旋转内筒体外壁上，且所述涡旋叶片围绕所述旋转内筒体做向心式多周期环绕，所述涡旋叶片外侧固定在所述旋转外筒体内壁上。
优选地，所述涡旋叶片为长条形涡旋叶片。
优选地，所述分段式涡段整体为锥形结构或圆柱形结构。
优选地，所述浅敞式涡动水池为圆形水池，其高度为3～6m，直径为15～30m。
本发明通过设置浅敞式涡动水池，产生涡动能，再加上涡流式水轮机的涡叶贯流能，能够有效提高低水头水能密度，充分开发水力资源潜能，增加发电机发电容量。
附图说明
图1是本发明实施方式的结构示意图；
图2是本发明另一种实施方式的结构示意图；
图3是浅敞式涡动水池的俯视图；
图4是涡流式水轮机的结构示意图；
图5是涡段的俯视图；
图6是涡段的仰视图。
附图标记说明
1发电机 2浅敞式涡动水池
3进水槽 4栅网
5出水槽 6涡流式水轮机
61涡段 611旋转外筒体
612涡旋叶片 613旋转内筒体
614涡段进水口 615涡段出水口
616上端圆板 6161通孔
617下端圆板 62主轴套管
7主轴 8出水口
9出水管道 10连接管道
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1至图6所示，本发明提供一种无拦坝涡动涡叶水力发电组件，包括浅敞式涡动水池2、涡流式水轮机6和与所述涡流式水轮机6连接的发电机1，所述浅敞式涡动水池2内部设有出水槽5，所述浅敞式涡动水池2边缘设有与所述出水槽5贯通的进水槽3，所述出水槽5的内壁向内倾斜，所述出水槽5的底部设有出水口8，所述涡流式水轮机6垂直安装在所述出水口8的出水水路上，所述涡流式水轮机6底部连接有出水管道9。
本实施方式中，如图1所示，所述涡流式水轮机6垂直安装在所述出水口8处，或者如图2所示，所述涡流式水轮机6垂直安装在所述出水口8一侧并与所述出水口8之间通过连接管道10连接。
本实施方式中，如图4所示，所述涡流式水轮机6内设有分段式涡段61和主轴7，所述主轴7上套设有与其转动配合的主轴套管62，所述主轴7与所述发电机1连接，各所述涡段61均包括旋转筒体，所述旋转筒体固定套接在所述主轴套管62上，所述旋转筒体内固定连接有涡旋叶片612，所述涡旋叶片612围绕所述主轴7做向心式多周期环绕，所述旋转筒体一端在其边缘处设有涡段进水口614，另一端在其中心处设有涡段出水口615。
本发明工作过程为：首先选择水池，要求自然地形满足水轮机-发电机需要的水头及水量，水池可建于河床内，也可选择满足水头的下游河床外。无拦坝低水头水源沿引水管进入所述进水槽3，多水头切向进入水池，在自然重力作用下，从水池边缘初始产生的小涡旋动能流，然后进入出水槽5，到出水槽5中心底部发展成为大涡旋动能流，产生的涡旋流动水流，称为涡动，产生涡动的水池称为浅敞式涡动水池，通过设置浅敞式涡动水池2，能够开发涡旋动力能，提高水的涡旋流速和水能密度，相当于提高了水头，充分开发了水力资源潜能；然后，高水头的水体从出水口8流入涡流式水轮机6，水体冲击涡旋叶片612，通过涡旋叶片612的转动带动主轴套管62转动，主轴套管62带动主轴7转动，通过主轴7转动带动发电机1转动发电。因为在水体进入水轮机前有涡旋动能，通过涡旋形式贯流推动水轮机的涡旋叶片612转动，因此称其为涡流式水轮机。
本发明通过设置浅敞式涡动水池2，产生涡动能，再加上涡流式水轮机6的涡叶贯流能，能够有效提高水能密度，增加发电机1发电容量，其优越的性能能够适应国内外无拦坝低水头水力发电，可以广泛普及推广，有广阔市场前景。
本发明中，通过设置分段式涡段61，使得涡段61内大容量水体自旋转筒体边缘处的涡段进水口614向旋转筒体中心处的涡段出水口615由低压到高压涡旋流动，以及使得涡段61外大容量水体自涡段出水口615向相邻的涡段进水口614由低压到高压串联流动，避免各涡段61之间的压力干扰，充分发挥水体与涡旋叶片612的分段分级加压，使得涡旋叶片612与水体长时间作用，提高发电量，向心式加压可以减少水体对涡旋叶片612的冲击力，涡段61与相邻涡段61之间也因径向幅射扩散，使得涡旋叶片612与水体之间的冲击阻力减小，从而极大化地减少水体对涡旋叶片612的冲击力，使得水体能够以最小阻力逐级加压，从而减少水轮机的不均匀震动，降低噪音。
其中，所述主轴7的横截面为多边形，所述主轴套管62配合套接在所述主轴7上，从而使得所述主轴套管62在转动的同时带动主轴7转动，便于主轴7和主轴套管62的拆装。
本实施方式中，如图4至图6所示，所述旋转筒体包括旋转外筒体611、旋转内筒体613、上端圆板616和下端圆板617，所述下端圆板617外缘固定在所述旋转外筒体611内壁上，所述旋转内筒体613一端固定在所述上端圆板616上，所述上端圆板616中心设有通孔6161，所述下端圆板617中心设有涡段出水口615，所述涡段61通过通孔6161、旋转内筒体613和涡段出水口615套接在所述主轴套管62上。
本实施方式中，所述上端圆板616的直径小于所述旋转外筒体611内壁的直径，所述上端圆板616外缘与所述旋转外筒体611内壁之间构成所述涡段进水口614。
由此，使得涡段61内大容量水体自旋转筒体边缘处的涡段进水口614向旋转筒体中心处的涡段出水口615由低压到高压涡旋流动，以及使得涡段61外大容量水体自涡段出水口615向相邻的涡段进水口614由低压到高压串联流动。
本实施方式中，所述旋转内筒体613与所述主轴套管62为键连接或销轴连接或过盈配合连接。
由此，使得所述旋转筒体固定套接在所述主轴套管62上，通过旋转筒体以及涡旋叶片612转动带动主轴套管62转动。
本实施方式中，所述涡旋叶片612内侧固定在所述旋转内筒体613外壁上，且所述涡旋叶片612围绕所述旋转内筒体613做向心式多周期环绕，所述涡旋叶片612外侧固定在所述旋转外筒体611内壁上。
通过将涡旋叶片612内外两侧分别固定住，能够提高涡旋叶片612抗压、抗弯曲能力，能够有效提高涡旋叶片612的使用寿命，从而提高水轮机的工作稳定性和使用寿命。
本实施方式中，所述涡旋叶片612围绕所述主轴7轴向做向心式多周期环绕，其中，所述涡旋叶片612为连续长条形涡旋叶片。
如此，设置长条形涡旋叶片增加了水体与涡旋叶片612的作用时间，提高加速度推动力，而且以向心式旋转中心水体阻力最小的方式，克服水体与涡旋叶片的摩擦阻力。
本实施方式中，所述分段式涡段61整体为锥形结构或圆柱形结构。
当为锥形涡段时，涡旋叶片612的外缘半径为自大而小变化，且靠近上端圆板616的涡旋叶片612外缘半径大于远离上端圆板616的涡旋叶片612外缘半径；当为圆柱形涡段时，涡旋叶片612的外缘半径大小不变。
本实施方式中，如图3所示，所述浅敞式涡动水池2为圆形水池，其高度为3～6m，直径为15～30m，具体视水源水量及自然地形高度决定。可以理解的是，所述浅敞式涡动水池2也可以为其它形状，如方形。
本实施方式中，所述发电机1可以设在水池底部，也可以设在水池顶部(当水池高度较低时)。当所述浅敞式涡动水池2设在河床外陆地上时，所述发电机1设在水池底部，具体为设在所述涡流式水轮机6底部；当所述浅敞式涡动水池2设在河床底时，所述发电机1需要设在水池顶部，具体为，如图1所示，所述涡流式水轮机6的主轴7穿过所述浅敞式涡动水池2与所述发电机1相连接。
本实施方式中，所述进水槽3内设有栅网4。
通过设置栅网4能够对进入出水槽5的水进行过滤，避免杂质进入水轮机而对水轮机造成损坏。
本发明无拦坝涡动涡叶水力发电组件，具有土建投资小，浅敞式涡动水池2结构简单，不需发电厂房、拦坝，与传统拦坝形式的低水头发电机投资相比，同比容量发电机土建投资节省费用50～70％；利用地形落差的水力，灵活地串联/并联建设，提高发电量，形成一定规模的水力发电组。特别是保护了生态环境及河道内鱼类等相关物种的生长与繁殖。
相比传统水轮机，涡流式水轮机6承受额外的涡旋动力，水体进入水轮机内，水体与长条形涡旋叶片作用，增加了水体与叶片接触时间以及推力、扭矩与发电量，而且发电稳定性好，同比低水头发电量提高150％以上。
对于小山区，利用小溪建设多个串联/并联形式的浅敞式涡动水池2(含涡流式水轮机6)，具有投资小，水压稳定，与同比的水资源，增加发电量与稳定性。还可以就近利用电能开发旅游景观、餐饮等设施，提高经济收益，有利于发挥农村建电站积极性。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，凡是依据本发明的无拦坝、低水头“涡动水池及涡流式水轮机”技术实质，对以上实施例所做的任何修改，以及依靠力学参数调整水轮机变化，含对其他流体的相似应用等，均在本发明技术方案的保护范围内。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以因地制宜，通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种无拦坝涡动涡叶水力发电组件，其特征在于，包括浅敞式涡动水池(2)、涡流式水轮机(6)和与所述涡流式水轮机(6)连接的发电机(1)，所述浅敞式涡动水池(2)内部设有出水槽(5)，所述浅敞式涡动水池(2)边缘设有与所述出水槽(5)贯通的进水槽(3)，所述出水槽(5)的内壁向内倾斜，所述出水槽(5)的底部设有出水口(8)，所述涡流式水轮机(6)垂直安装在所述出水口(8)的出水水路上，所述涡流式水轮机(6)底部连接有出水管道(9)。
2.根据权利要求1所述的无拦坝涡动涡叶水力发电组件，其特征在于，所述涡流式水轮机(6)垂直安装在所述出水口(8)处或者垂直安装在所述出水口(8)一侧并与所述出水口(8)之间通过连接管道(10)连接。
3.根据权利要求1所述的无拦坝涡动涡叶水力发电组件，其特征在于，所述涡流式水轮机(6)内设有分段式涡段(61)和主轴(7)，所述主轴(7)上套设有与其转动配合的主轴套管(62)，所述主轴(7)与所述发电机(1)连接，各所述涡段(61)均包括旋转筒体，所述旋转筒体固定套接在所述主轴套管(62)上，所述旋转筒体内固定连接有涡旋叶片(612)，所述涡旋叶片(612)围绕所述主轴(7)做向心式多周期环绕，所述旋转筒体一端在其边缘处设有涡段进水口(614)，另一端在其中心处设有涡段出水口(615)。
4.根据权利要求3所述的无拦坝涡动涡叶水力发电组件，其特征在于，所述旋转筒体包括旋转外筒体(611)、旋转内筒体(613)、上端圆板(616)和下端圆板(617)，所述下端圆板(617)外缘固定在所述旋转外筒体(611)内壁上，所述旋转内筒体(613)一端固定在所述上端圆板(616)上，所述上端圆板(616)中心设有通孔(6161)，所述下端圆板(617)中心设有涡段出水口(615)，所述涡段(61)通过通孔(6161)、旋转内筒体(613)和涡段出水口(615)套接在所述主轴套管(63)上。
5.根据权利要求4所述的无拦坝涡动涡叶水力发电组件，其特征在于，所述上端圆板(616)的直径小于所述旋转外筒体(611)内壁的直径，所述上端圆板(616)外缘与所述旋转外筒体(611)内壁之间构成所述涡段进水口(614)。
6.根据权利要求4所述的无拦坝涡动涡叶水力发电组件，其特征在于，所述旋转内筒体(613)与所述主轴套管(62)为键连接或销轴连接或过盈配合连接。
7.根据权利要求4所述的无拦坝涡动涡叶水力发电组件，其特征在于，所述涡旋叶片(612)内侧固定在所述旋转内筒体(613)外壁上，且所述涡旋叶片(612)围绕所述旋转内筒体(613)做向心式多周期环绕，所述涡旋叶片(612)外侧固定在所述旋转外筒体(611)内壁上。
8.根据权利要求1所述的无拦坝涡动涡叶水力发电组件，其特征在于，所述涡旋叶片(612)为长条形涡旋叶片。
9.根据权利要求1所述的无拦坝涡动涡叶水力发电组件，其特征在于，所述分段式涡段(61)整体为锥形结构或圆柱形结构。
10.根据权利要求1所述的无拦坝涡动涡叶水力发电组件，其特征在于，所述浅敞式涡动水池(2)为圆形水池，其高度为3～6m，直径为15～30m。
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