CN109162855B - 一种涡扇水轮加力发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡扇水轮加力发电系统，包括引水管、加压水箱、高扬程水泵、电磁控制阀、排水管和涡扇水轮发电机，涡扇水轮发电机包括发电机和涡扇水轮，涡扇水轮包括多个发散的叶片，叶片之间形成水斗，涡扇水轮的外周设置有侧壳及曲壳，曲壳上间隔设置有水流入口A、水流出口B及加压口C，加压口C与加压水箱连通。涡扇水轮呈竖向设置，水斗内的水经水流出口B流出，在约半周的转动的过程中，水斗内的水很好的将自身的势能转化为动能，增加了重力的部分做功，提高了能源的利用率。同时，加压水箱内添加有水并形成一定高度的水头，该水头持续的作用在涡扇水轮叶片的表面，进而提供一个驱动涡扇水轮转动的恒定转矩，达到提高发电的效果。

Description

一种涡扇水轮加力发电系统
技术领域
本发明涉及水力发电技术领域，特别是涉及一种涡扇水轮加力发电系统。
背景技术
随着科学技术日新月异的发展，人们对电力的需求越来越大。相比较而言，燃煤发电会污染环境，核电站存在由地震导致核事故发生的可能，光伏发电易受天气的影响，导致发电不稳定，风力发电同样受气候影响较大，而水力发电最清洁、安全，相对光伏发电和风力发电要更稳定。
然而，目前中国水力发电还不到总发电量的27%，而且需要修筑大坝，而大坝不可能无限制的修高，无论是反击型或是冲击型水轮机发电，都是利用水坝抬高水位，产生的水头压力（或水头转换的冲击力）带动水轮旋转，水轮带动发电机旋转发电。发电机的旋转需要旋转轴力，旋转轴力包括做功和不做功两部分，其中摩擦阻力以及发电机转子与线圈产生的反向力部分均不做功。大功率发电机不做功部分所占旋转轴力的比例很大，这就是为什么小水头大坝无法带大功率发电机发电的根本原因。为了充分利用水坝产生的水头推动水轮旋转并产生旋转轴力，现有的发电水轮机都是水平安装，这样可利用的水头最大，但是，这也限制了水轮机只能利用水库水坝产生的水头的局限性，低水头的水库大坝产生的旋转轴力小，只能带动小型发电机发电；为了提高水库大坝的发电效率，设想提供一种可预先抵消发电机不做功部分的旋转轴力，使得水库大坝水头产生位能实现全部做功的办法——给水轮机叶片提供预压力即是本发明所要解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种水力利用率较高的涡扇水轮加力发电系统。
为解决上述技术问题所采用的技术方案：一种涡扇水轮加力发电系统，包括用于收集水源的引水管、加压水箱及涡扇水轮发电机，所述涡扇水轮发电机设置在引水管的下游端，所述涡扇水轮发电机包括同轴转动的发电机和涡扇水轮，所述涡扇水轮在竖向平面内转动，所述涡扇水轮包括多个呈间隔分布的且由中心向四周发散的叶片，相邻的叶片之间形成水斗，所述涡扇水轮的外周密封设置有外壳，所述外壳包括紧靠设置在涡扇水轮两侧的侧壳以及涡扇水轮外周的曲壳，所述曲壳上间隔设置有水流入口A、水流出口B以及加压口C，所述水流入口A位于曲壳的上部一侧且与引水管连通，所述水流出口B的位于曲壳的下部，所述加压口C位于曲壳的上部另一侧且连通有一个加压腔，所述加压腔通过加压管道与加压水箱连通，所述加压管道上设有第一电磁控制阀门，所述加压水箱连接有排水管，所述排水管上设有第二电磁控制阀门；位于水流入口A和加压口C之间的曲壳以及位于加压口C和水流出口B之间的曲壳均至少可覆盖一个完整的水斗的开口。
进一步地，所述叶片的数量为12个，所述水流入口A和加压口C的开口宽度均设置在2~3个水斗的宽度之间。
进一步地，所述加压水箱为高位水箱，所述高位水箱连接有高扬程水泵，所述高扬程水泵把水库水源泵送至高位水箱内，高位水箱与排水管连接，以控制高位水箱的水位高度，高位水箱通过加压管道与加压腔连通。
进一步地，所述加压水箱为低位针筒式水箱，所述低位针筒式水箱的底部设有伸入至加压管道内的针管，所述针管的底部通过活塞实现封堵，所述活塞与加压管道内壁密封连接，所述低位针筒式水箱与加压管道之间设置有若干个液压千斤顶，所述液压千斤顶的顶部抵顶在低位针筒式水箱的底部，所述液压千斤顶的底部抵顶在加压管道的顶部，所述加压管道与针筒式水箱之间连通有补水管道，所述补水管道上设有第三电磁控制阀门。
进一步地，所述针筒的外周水平固定有钢板，所述钢板上配置有混凝土预制块，所述液压千斤顶的顶部抵顶在钢板的底部，所述液压千斤顶的底部抵顶在加压管道的顶部。
进一步地，设置在引水管下游端的涡扇水轮发电机包括多个且呈并联设置。
进一步地，所述水流出口B连接有一个或多个次级发电系统，所述次级发电系统包括次级集水管和涡扇水轮发电机，所述次级集水管呈倾斜设置且其上端部与上一个涡扇水轮发电机的水流出口B连接，其下端部与下一个涡扇水轮发电机的水流入口A连接，进而实现上一个涡扇发电机流出来的水继续流入至下一个涡扇发电机，所述加压水箱的数量为1个且通过加压管道与所有的加压腔共同连通。
进一步地，所述水流出口B连接有一个或多个次级发电系统，所述次级发电系统包括次级集水管和涡扇水轮发电机，所述次级集水管呈倾斜设置且其上端部与上一个涡扇水轮发电机的水流出口B连接，其下端部与下一个涡扇水轮发电机的水流入口A连接，进而实现上一个涡扇发电机流出来的水继续流入至下一个涡扇发电机，任意一个涡扇水轮发电机均单独配置有1个加压水箱。
有益效果：水流入口A设置在涡扇水轮的斜上方，水源在引水管的引流下经水流入口A流入至水斗，在水源的动能冲击和水斗内水的重力作用下，以及加压水箱的压力作用下，实现涡扇水轮转动发电。由于涡扇水轮呈竖向设置，水斗内的水经下方的水流出口B流出，在大约半周的转动的过程中，水斗内的水很好的将自身的势能转化为动能，增加了重力的部分做功，提高了能源的利用率。同时，由于加压水箱内添加有水并形成一定高度的水头，该水头通常高于水库大坝1至数倍，该水头持续的作用位于涡扇水轮加压腔处的叶片上，进而提供一个驱动涡扇水轮转动的恒定转矩，该转矩一般是水库大坝提供的1至数倍，由于加压腔两侧装有密封用的曲壳，可尽可能的减小加压水箱内的水因流失而导致能量的浪费；利用水箱来加压，投资少，见效大，可人为的根据需要无限制加力，采用该涡扇水轮加力发电系统，可实现小水坝大发电，大水坝超高发电。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：
图1为配置为高位水箱的一种涡扇水轮加力发电系统的局部剖面示意图；
图2为图1的侧视图；
图3为涡扇水轮发电机的结构示意图；
图4为独立设有高位水箱的多级串联涡扇水轮加力发电系统的结构示意图；
图5为图4的剖面示意图；
图6为共用一个高位水箱的多级串联涡扇水轮加力发电系统的结构示意图；
图7为图6的剖面示意图；
图8为多级并联涡扇水轮加力发电系统的结构示意图；
图9为图8的竖向剖面示意图；
图10为低位针筒式水箱的剖面示意图；
图11为在低位针筒式水箱上增加混凝土预制块的剖面示意图。
具体实施方式
参照图1至图11,本发明实施例是一种涡扇水轮加力发电系统，包括用于收集水源的引水管15、加压水箱、高扬程水泵25、第一电磁控制阀门21、第二电磁控制阀门24、涡扇水轮1发电机和排水管23，涡扇水轮1发电机设置在引水管15的下游端，涡扇水轮1发电机包括同轴转动的发电机和涡扇水轮1，发电机安装在涡扇水轮1一侧或两侧对称安装，涡扇水轮1在竖向平面内转动，涡扇水轮1包括多个呈间隔分布的且由中心向四周发散的叶片，相邻的叶片之间形成水斗，涡扇水轮1的外周密封设置有外壳，外壳包括紧靠设置在涡扇水轮1两侧的侧壳以及涡扇水轮1外周的曲壳，曲壳上间隔设置有水流入口A11、水流出口B13以及加压口C12。水流入口A11靠近水源侧设置，加压口C12远离水源侧设置。水流入口A11位于曲壳的上部一侧且与引水管15连通，水流出口B13的位于曲壳的下部，加压口C12位于曲壳的上部另一侧且连通有一个加压腔14，加压腔14通过加压管道22与加压水箱连通。其中，水流出口B13与大气相通。
加压管道22上安装有第一电磁控制阀门21，加压水箱连接有排水管23和控制水箱水位高度的排水管23，排水管23上安装有第二电磁控制阀门24。当需要开启涡扇水轮1发电机发电时，打开第一电磁控制阀门21和水坝引水闸门，把加压水箱的水引入至加压腔14；停止发电时，关闭第一电磁控制阀门21和水坝引水闸门。当水库的水位恢复时，需要降低加压水箱所提供的压力，这时需要打开第二电磁控制阀门24，使得加压水箱内的水经排水管23排出，直到合适的液位，关闭第二电磁控制阀门24。
加压水箱一般设置在水库大坝上，也可设置在靠发电房的山顶上或者发电房顶上，加压水箱的高度根据水箱的安装位置和需要加的压力大小决定，水箱的大小由安装的稳定性和加压管道22大小决定，一个加压水箱可供多台涡扇水轮1发电机共用，加压水箱提供的压力越大，帮助发电机提高的功率就越大，通常可设计满足如下关系：mgh.s≥发电机转子临界转动需要的轴力（h－加压水箱提供的有效水头，s－涡扇单片叶片水平投影面积，g－重力加速度）,用高扬程水泵25将水库水抽至加压水箱，排水管23上安装的第二电磁控制阀门24，用来调节水箱内的水位高低，以提供适当大小压力，确保涡扇水轮1发电机可平稳工作。同时，加压水箱顶部装有透气孔和避雷针，加压水箱通过透气孔与外界大气压相通，设置避雷针可避免出现不必要的安全隐患。
作为优选，位于水流入口A11和加压口C12之间的曲壳以及位于加压口C12和水流出口B13之间的曲壳均至少可覆盖一个完整的水斗的开口。其中，位于水流入口A11和加压口C12之间的曲壳可用来防止加压腔14内的加压水返窜至引水管15；位于加压口C12和水流出口B13之间的曲壳用来防止加压腔14内的加压水渗漏至水流出口B13而流失。由于加压水箱可根据涡扇水轮1发电机需要的扭矩力大小无限制提供，即低水位大坝采用大功率发电机时，为了抵消发电机的无功扭矩力，只要加压水箱安装高度足够高就能满足要求。加压水箱内的水位越高，作用在加压口C12的压力就越大，提供给涡扇水轮1的扭矩就越大；加压水箱内的水位越低，作用在加压口C12的压力就越小，提供给涡扇水轮1的扭矩就越小。结合水坝的拦截高度以及发电功率大小的需要，可将加压水箱内的水位调节至适宜的高度，以满足正常的发电。
例如：合水水库水坝高35m，有效发电水头17m，库容10000m³，现装现有两台250KW的发电机组发电，单机流量5m³/s；合计发电500KW，若采用本发明的加力水轮发电机发电，可达到20000KW，将作如下设计即可实现：
1、确定涡扇水轮1转速：n=60f/p(f－电网的频率50HZ，p－发电机磁极对数，采用20对），则n=60*50/20=150转/min，即2.5转/s；
2、确定涡扇水轮1参数：Q=n*v，v=3.1415*（R*R-r*r）*D/2，Q－水轮机流量，R－水轮机涡扇叶片半径，r－内轴半径，D－水轮机转轮内宽，取D=2m，采用单机发电，2.5*3.1415*（R*R-r*r）*D/2=10，则R采用1.25m（内轴r=200mm）。
3、发电机功率确定：N=9.81Q*(H1*Ƞ1+H2*Ƞ2)(Q－水轮机流量，H1－水轮机工作水头，H2－加压水箱提供的加压水头，Ƞ1、Ƞ2－转换效率），该实例中，Q=10m³/s*1000Kg/m³，H1=17m，Ƞ1=0.90，Ƞ2=0.95，如果用20000KW发电机，即N=20000KW，H2=198.42m。
4、加压水箱加压水头确定：根据H2=198.42m，加压水箱安装在水库大坝上，则加压水箱高度为≥198.42-35=163.42m，考虑到水库水在发电过程中，水位会下降，为了平衡发电机平稳发电，水箱水要有相应的调节高度，H1下降多少米，H2就要补回多少米，保持平衡，现取9.58米调节高度，即加压水箱高为173m，就能实现发电机装机20000KW的目标；当水库水位回复时，排水管23上的第二电磁控制阀门24自动打开，进行排水，使水箱水位下降到与水库水位上升高度相同，此时关闭第二电磁控制阀门24，始终保持水轮发电机的工作压力平衡，采用该办法，可取消调节环和导水机构；加压水箱水用高扬程水泵25从水库抽至加压水箱，高压水箱水用加压管道22连接至加压腔14。
水流入口A11设置在涡扇水轮1的斜上方，水源在引水管15的引流下经水流入口A11流入至水斗，在水源的动能冲击和水斗内水的重力作用下，以及加压水箱的压力作用下，实现涡扇水轮1转动发电。由于涡扇水轮1呈竖向设置，水斗内的水经下方的水流出口B13流出，在大约半周的转动的过程中，水斗内的水很好的将自身的势能转化为动能，增加了重力的部分做功，提高了能源的利用率。同时，由于加压水箱内添加有水并形成一定高度的水头，该水头通常高于水库大坝1至数倍，该水头持续的作用在叶片的表面，进而提供一个驱动涡扇水轮1转动的恒定转矩，该转矩一般是水库大坝提供的1至数倍，由于加压腔两侧装有密封用的曲壳，可尽可能的减小加压水箱内的水因流失而导致能量的浪费；利用水箱来加压，投资少，见效大，可人为的根据需要无限制加力，采用该涡扇水轮1加力发电系统，可实现小水坝大发电，大水坝超高发电。
具体地，外壳的内壁与水斗之间留有很小的间隙，既保证涡扇可以顺畅的转动，又可尽量避免相邻水斗内的水发生窜动。当水斗内的水发生窜动时，水体本身的势能转化为动能，造成了不必要的能量浪费。
叶片的数量为12个，水流入口A11和加压口C12的开口宽度均设置在2~3个水斗的宽度之间。叶片由根部至尾部逐渐弯曲成弧形状，叶片的尾部指向水流入口处或水流出口。水源最先开始冲击在叶片的外周，由于叶片呈弧形状，水源可顺着叶片运动至涡扇的中心，进而延长了水源冲击在叶片上的时间，增加了水源对涡扇的做功；同时，叶片的尾部指向水流入口，使得引水管15的水源可以同时进入至多个水斗，增加了水源的冲击面积，提高了单位时间内水源对涡扇水轮1的做功。其中，水斗的大小可根据水源的实际情况来设计，当水源具备较大的动能和势能时，可以适当增大涡扇水轮1的直径，进而增大水斗的容量，提高水能的利用率。叶片的数量由涡扇直径的大小以及进入涡扇的水流量决定。
作为优选，加压水箱为高位水箱2或低位针筒式水箱3。其中，高位水箱2连接有高扬程水泵25，高扬程水泵25把水源泵送至高位水箱2内。
低位针筒式水箱3的底部设有伸入至加压管道22内的针管，针管的底部通过活塞35实现封堵，活塞35与加压管道22内壁密封连接，低位针筒式水箱3与加压管道22之间设置有若干个液压千斤顶32，液压千斤顶32的顶部抵顶在低位针筒式水箱3的底部，液压千斤顶32的底部抵顶在加压管道22的顶部，加压管道22与针筒31式水箱之间连通有补水管道33，补水管道33上设有第三电磁控制阀门34。低位针筒式水箱3的高度远小于高位水箱2，这就减少了将水流泵送至高处的能量。同时，低位针筒式水箱3的体积远大于高位水箱2，进而利用低位针筒式水箱3的重力实现加压，设置在低位针筒式水箱3的底部和加压管道22的顶部之间的液压千斤顶32，可实现压力大小的调节。当需要减小加压口C12的压力时，可通过液压千斤顶32将低位针筒式水箱3顶起，以达到减压的效果。
作为优选，在针筒31的外周水平固定有钢板，在钢板上配置有混凝土预制块，液压千斤顶32的顶部抵顶在钢板的底部，液压千斤顶32的底部抵顶在加压管道22的顶部。通过增加混凝土预制块来代替箱内水体的重量，该部分的重量可持续施加压力，且密度比水大。并且该部分的重量可持续保持不变，一定程度上可以节约泵送至水箱内的能量。
一种涡扇水轮加力发电系统，不仅可以包括一个涡扇发电机，还可以包括多个。具体地，多个涡扇发电机并联地设置在引水管15下游端，引水管15的下游端横向布置在多个涡扇发电机的上方，并且由引水管15的底部分别分支出相应的管道连接至涡扇水轮1发电机的水流入口A11；连接在加压水箱底部的加压管道22也横向布置在多个涡扇水轮1发电机的上方，并且底部分别分支出相应的管道连接至涡扇发电机的加压口C12。此时，多个涡扇发电机可同时发电，并且每个发电机的功率基本相等。
多个涡扇发电机还可以依次串联安装，具体地：水流出口A连接有一个或多个次级发电系统，次级发电系统包括次级集水管和涡扇发电机，次级集水管呈倾斜设置且其上端部与水流出口B13连接，其下端部与水流入口A11连接。经第一个涡扇发电机流出来的水继续流入至下一个涡扇发电机，实现水源的多级利用。同时，加压水箱的数量为可以是1个，也可以是多个。
如果只设置一个加压水箱，该加压水箱通过加压管道22与所有的加压口C12共同连通，虽然该种方式降低了制造加压水箱的成本，但是由于次级发电系统的水源的能量呈逐渐递减的趋势，导致下游的发电机转速逐渐减慢，发电机的功率逐渐减小。如果每一个涡扇发电机上均设置有一个相应的加压水箱，虽然该种方式增加了制造加压水箱的成本，但是可实现施加在每级发电系统的涡扇发电机上的压力可调，通过调节每个加压水箱内的水位高度，可实现每个发电机等功率发电的目的。
本发明中的加压水箱既可安装在水坝上，也可安装在用于安装涡扇发电机的底座上，具体可结合实际承受能力以及施工方便程度来确定。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.一种涡扇水轮加力发电系统，其特征在于：包括用于收集水源的引水管、加压水箱及涡扇水轮发电机，所述涡扇水轮发电机设置在引水管的下游端，所述涡扇水轮发电机包括同轴转动的发电机和涡扇水轮，所述涡扇水轮在竖向平面内转动，所述涡扇水轮包括多个呈间隔分布的且由中心向四周发散的叶片，相邻的叶片之间形成水斗，所述涡扇水轮的外周密封设置有外壳，所述外壳包括紧靠设置在涡扇水轮两侧的侧壳以及涡扇水轮外周的曲壳，所述曲壳上间隔设置有水流入口A、水流出口B以及加压口C，所述水流入口A位于曲壳的上部一侧且与引水管连通，所述水流出口B的位于曲壳的下部，所述加压口C位于曲壳的上部另一侧且连通有一个加压腔，所述加压腔通过加压管道与加压水箱连通，所述加压管道上设有第一电磁控制阀门，所述加压水箱连接有排水管，所述排水管上设有第二电磁控制阀门；位于水流入口A和加压口C之间的曲壳以及位于加压口C和水流出口B之间的曲壳均至少可覆盖一个完整的水斗的开口；所述加压水箱连接有高扬程水泵，所述高扬程水泵把水库水源泵送至加压水箱内。
2.根据权利要求1所述的涡扇水轮加力发电系统，其特征在于：所述叶片的数量为12个，所述水流入口A和加压口C的开口宽度均设置在2~3个水斗的宽度之间。
3.根据权利要求1所述的涡扇水轮加力发电系统，其特征在于：所述加压水箱为高位水箱。
4.根据权利要求1所述的涡扇水轮加力发电系统，其特征在于：所述加压水箱为低位针筒式水箱，所述低位针筒式水箱的底部设有伸入至加压管道内的针管，所述针管的底部通过活塞实现封堵，所述活塞与加压管道内壁密封连接，所述低位针筒式水箱与加压管道之间设置有若干个液压千斤顶，所述液压千斤顶的顶部抵顶在低位针筒式水箱的底部，所述液压千斤顶的底部抵顶在加压管道的顶部，所述加压管道与针筒式水箱之间连通有补水管道，所述补水管道上设有第三电磁控制阀门。
5.根据权利要求4所述的涡扇水轮加力发电系统，其特征在于：所述针筒的外周水平固定有钢板，所述钢板上配置有混凝土预制块，所述液压千斤顶的顶部抵顶在钢板的底部，所述液压千斤顶的底部抵顶在加压管道的顶部。
6.根据权利要求1所述的涡扇水轮加力发电系统，其特征在于：设置在引水管下游端的涡扇水轮发电机包括多个且呈并联设置。
7.根据权利要求1或2所述的涡扇水轮加力发电系统，其特征在于：所述水流出口B连接有一个或多个次级发电系统，所述次级发电系统包括次级集水管和涡扇水轮发电机，所述次级集水管呈倾斜设置且其上端部与上一个涡扇水轮发电机的水流出口B连接，其下端部与下一个涡扇水轮发电机的水流入口A连接，进而实现上一个涡扇发电机流出来的水继续流入至下一个涡扇发电机，所述加压水箱的数量为1个且通过加压管道与所有的加压腔共同连通。
8.根据权利要求1或2所述的涡扇水轮加力发电系统，其特征在于：所述水流出口B连接有一个或多个次级发电系统，所述次级发电系统包括次级集水管和涡扇水轮发电机，所述次级集水管呈倾斜设置且其上端部与上一个涡扇水轮发电机的水流出口B连接，其下端部与下一个涡扇水轮发电机的水流入口A连接，进而实现上一个涡扇发电机流出来的水继续流入至下一个涡扇发电机，任意一个涡扇水轮发电机均单独配置有1个加压水箱。
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