CN109296491A - 水轮机的多层转轮结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水轮机的多层转轮结构，包括主轴和进水管，立式设置的主轴上安装有转轮，进水管下游端设有球阀，球阀的下游端连接配水管，配水管下游端安装有喷嘴，喷嘴的位置与转轮的位置适配，转轮的数量至少为2个，在主轴上上下排列；进水管的数量至少为2个；喷嘴与转轮在位置上适配对应。本发明的有益效果是：更大限度的利用水头和流量，大幅度的提升机组容量；并且压缩水轮机关键部件转轮，配水管和球阀等部件尺寸，降低制造和运输难度；更小的机组部件可以减少厂房尺寸，缩减基建规模；更多转轮提供了更多的喷嘴数量，可以降低运行时的轴承径向力；更多喷嘴数量提供了更广流量调节能力，使机组保持运行在高效率区，获得更高的综合效益。

Description

水轮机的多层转轮结构

技术领域

本发明涉及水力发电领域，具体是一种水轮机的多层转轮结构。

背景技术

水利发电可将高处的水体所具备的势能转化为电能，而发电过程中不产生任何污染和温室气体，是重要的清洁能源。而且水利资源具有永不枯竭和可循环的优势，符合人类社会发展目标。中国专利文献CN108105012A于2018年6月1日公开了“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。该发明人宣称，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。类似的传统的水利发电也有一些局限。例如需要在大流量的河流上构筑高大的拦水大坝，需要有充沛的水量，需要建设大规模的厂房，安装大尺寸的水轮机等等。我国地表径流丰富，但是除了几条大江大河，广泛分布在国土面积上的是中小河流，很难建设落差较高的大坝。中小河流的水量也不均衡，一般都难以达到传统水轮机的发电要求。建设大规模的厂房无论是在经济上还是在地理条件上均不现实。水轮机单机容量无法得到有效突破，发电效益不显著。传统大尺寸水轮机上使用的关键零件尺寸超大，制造和运输困难，成本无法有效压缩，导致整个建设成本较高，投资回收遥遥无期，经济性不理想。以上种种问题制约了水电站的建设需求，导致大量水能白白浪费，无法得到合理利用。

发明内容

基于以上问题，本发明提供一种水轮机的多层转轮结构，可以更大限度的利用水头，大幅度的提升机组容量，并且压缩水轮机尺寸，减少基建规模，提高水电的效益成本比。

为了实现发明目的，本发明采用如下技术方案：一种水轮机的多层转轮结构，包括主轴和进水管，立式设置的主轴上安装有转轮，进水管下游端设有球阀，球阀的下游端连接配水管，配水管下游端安装有喷嘴，喷嘴的位置与转轮的位置适配，转轮的数量至少为2个，在主轴上上下排列；进水管的数量至少为2个；喷嘴与转轮在位置上适配对应。

本方案设计的水轮机的多层转轮结构，包括纵向设置的主轴，用来向发电机转轴传递扭矩。主轴上安装有至少2个转轮，在竖直方向上高低排列，每个转轮均可以独立驱动主轴转动，也可以同时受力，以最大扭矩驱动主轴转动。进水管的上游开口端与上游水体连接，进水管下游端设置球阀，球阀下游端与配水管连接，通过球阀控制导通和关闭；配水管下游端安装有喷嘴，可以引导水流冲击转轮。进水管的数量至少为2个，对应的配水管也至少是2个。每个配水管上都可以设有若干喷嘴，这些喷嘴可以布置在同一高程，对单一转轮冲击，也可以分别布置在不同高程，对不同转轮冲击；不同配水管上的不同喷嘴也同样可以布置在同一高程，对同一转轮冲击，也可以是每个配水管上的喷嘴均仅对单独一层转轮冲击。通过这样的设计，可以充分利用水头，使机组发电效率最大化。相比传统方案，本方案中的转轮的尺寸可以非常小，主轴可以分段固定拼接，单根进水管的管壁可以更薄、管径更小，使各关键零件的制造、运输难度大大下降，成本大大压缩。间接的，这样可以推动厂房小型化，基建成本也得到有效降低，水电站的适用范围得到显著推广。很多地区如果建设传统方案的水电站，或者是空间条件不具备，或者是发电效益不显著的，在采用本技术方案后，均可以因地制宜建设水电站，获得满意的发电效益。

作为优选，进水管上导通有若干配水叉管，喷嘴设于配水叉管的下游端；各个喷嘴在转轮所在节圆的圆周上等夹角排列；喷嘴的喷出方向为转轮节圆的切线方向。本方案在配水管上并列设计了若干配水叉管，而各配水叉管的下游端安装喷嘴，可有目的的将配水管中的水通过配水叉管固定在特定位置进行喷射，以获取最佳的喷射位置和喷射角度，最大程度的将势能转化为转轮的动能。多层转轮的布置，使得喷嘴的总数量增加，可以更灵活的开关部份喷嘴，使转轮在不同的水电站流量下，尽可能的在高效率区工作，实现能量转换的高效化，并且也能够优化厂房混凝土基础载荷分布，合理的空间布局也易于安装维护。在本设计中给出的方案为各个喷嘴在转轮所在圆的圆周上等夹角排列，使转轮在圆周的各个夹角位置上均能得到水流的均匀冲击，转轮的流场更稳定，受力更均匀。而且，这样设计可以显著提高主轴的稳定性，消除因单侧受力导致主轴的晃动。

作为优选，相邻的两转轮之间设有可将上方转轮排水与下方转轮隔离的隔水装置。这样设计的目的是阻挡上方喷嘴喷出的水流在冲击完上方转轮后，直接向下流动，干扰下方喷嘴射流对下方转轮的做功，因此可以显著提高下方转轮的转换效率。由于设计了这种隔水装置，就可以将上下两转轮之间的间距设计的很小，主轴就可以非常短，从而使上方转轮的可用水头显著提高，因此能提高机组效率。同时，更短的主轴，意味着轴系的固有频率也会更高，机组稳定性也会更好，厂房高度也可以更低，基建成本更低。

隔水装置可有多种形状和结构的选择。

作为优选之一，所述隔水装置为圆环形，内侧端与主轴以密封结构连接，外侧端的直径大于下方转轮对应的各喷嘴的口部所在圆周的直径。具体尺寸可以按隔水需要，即上转轮的排水不影响下转轮的水流作功的需要来确定。密封结构可以是密封槽和密封圈的配套结构，也可以是其它能够实现密封的结构。该方案结构简单，安装更换方便，成本也低。

作为优选之二，所述隔水装置为封闭的隔离罩，将下方转轮和各喷嘴封闭在内。隔离罩也称内机壳，可以支撑在下方的检修平台上，或者支撑在外壳混泥土上或者喷嘴的壳体上。下转轮轴承可设置在两转轮之间，支撑在内机壳里面；或者设置在下转轮下面，支撑在检修平台上；或者不设置下转轮轴承。该方案虽然结构略复杂，成本略高，但隔水效果好。

作为优选，配水管上游端管径大于下游端管径。该方案通过对配水叉管下游喷嘴的最优水力设计将水流势能全部转换为水流动量，以提高水流的喷射速度，以获取对转轮更强的冲击力。

作为优选，喷嘴的开口值可调。喷嘴的开口值大小可调节，可以与水头大小配合形成不同水流流量和冲击力，以满足不同的要求。例如在枯水期，为了保证上游的工农业用水，可以关闭大部分喷嘴，并减小喷嘴开口值运行；在丰水期，可以调节喷嘴开口大小至最佳的发电效率状态，以获取丰富的电力资源；在汛期，可以将喷嘴开口值调至最大，在发电以外还可以更多的排水，以配合水电站大坝泄洪。

综上所述，本发明的有益效果是：可以更大限度的利用水头和流量，大幅度的提升机组容量；并且压缩水轮机关键部件转轮，配水管和球阀等部件尺寸，降低制造和运输难度；更小的机组部件可以减少厂房尺寸，缩减基建规模；更多转轮提供了更多的喷嘴数量，可以降低运行时的轴承径向力；更多喷嘴数量提供了更广流量调节能力，使机组保持运行在高效率区，获得更高的综合效益；多层转轮布置也能提高机组转速，降低发电机造价；整体提高水电站的效益成本比。

附图说明

图1是本发明的剖面示意图兼实施例1的示意图。

图2是实施例2的示意图。

图3是配水管的结构示意图。

图4是两层配水管上下排列的状态示意图。

其中：1主轴，2转轮，3隔水装置，4补气系统，5机壳，6操作系统管路，7导轴承，8检修平台，9排水通道，51进水管，52球阀，53喷嘴，54配水管，55配水叉管。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例1

如图1所示的实施例1，为一种水轮机的多层转轮结构。本例的水轮机的多层转轮结构设有竖直的主轴1，主轴上方连接发电机，下端安装在固定于检修平台上的轴座中。主轴上安装有上下两个转轮2。2根进水管51上下排列，为2个转轮分别供水。

如图3、图4所示，进水管的上游开口端可独立的连接至大坝水体，或者在上游合并后连接至大坝水体，下游端安装有球阀52，球阀的下游端设有配水管54，可以独立控制各配水管的启闭。每一根配水管的高度与水轮机的一个转轮的高度适配，以满足对该转轮的供水需求。配水管上导通有若干配水叉管55，本例每一根配水管上为6个。喷嘴53设于配水叉管的下游端。各个喷嘴在转轮所在节圆的圆周上等夹角排列，相邻两喷嘴的圆心角为60°。喷嘴的喷出方向为转轮所在节圆的切线方向，形成对转轮的最佳冲击效果。配水管上游端管径大于下游端管径，以获取对转轮更强的冲击力。喷嘴的开口值可调，可以与水头大小配合形成不同水流流量和冲击力，以满足不同的要求。

相邻的两转轮之间设有可将上方转轮排水与下方转轮隔离的隔水装置3。本例选用的隔水装置为隔水环，隔水环为内高外低的圆环形，内侧端与主轴之间以密封结构连接。本例的密封结构为互相配合的环形槽和密封圈，环形槽设置在隔水环圆环形与主轴连接的连接法兰上，密封圈安装在环形槽内。隔水环圆环形外侧端的直径大于下方转轮对应的各喷嘴所在圆周的直径。

本例的水轮机的多层转轮结构还设有补气系统4，可以通过机壳从转轮上补气，也可以通过补气管，从转轮下补气；设有机壳5，用来隔离混凝土及内部机组部件，形成内部水流通道及检修维护空间；设有操作系统管路6，用来传递液压介质，关闭或开启喷嘴和折向器。主轴的下端设有导轴承7。本例中，由于上下两转轮的间距很近，因此检修平台仅设计了一个，可供检修保养人员进入操作。

本例的水轮机的多层转轮结构，水流由各进水管分别引入厂房内，通过配水管分配至相应转轮的圆周位置上，通过喷嘴喷出，对相应转轮产生冲击。上下两个转轮合力推动主轴转动，从而带动发电机机组发电。由于上下两转轮的间距很近，上方转轮的水头也很高，发电效率很好。由于采用了分层多转轮的设计方案，转轮、主轴、进水管等关键零件尺寸得以大幅减小，制造和运输成本得以大幅压缩。相应的，厂房的高度也可以得到显著降低、基建成本得到压缩。

实施例2

如图2所示的实施例2，为另一种水轮机的多层转轮结构。本结构中隔水装置选择的是封闭的隔离罩，将下方转轮和各喷嘴封闭在内。该隔离罩也可称为内机壳，与外部的机壳相对应。

本例的主轴下端悬空，轴承安装在两转轮间的内机壳里，也可以按实施例1的方式将轴承设置在检修平台上。

余同实施例1。

Claims (7)

1.一种水轮机的多层转轮结构，包括主轴（1）和进水管（51），立式设置的主轴上安装有转轮（2），进水管下游端设有球阀（52），球阀的下游端连接配水管（54），配水管下游端安装有喷嘴（53），喷嘴的位置与转轮的位置适配，其特征是，转轮的数量至少为2个，在主轴上上下排列；进水管的数量至少为2个；喷嘴与转轮在位置上适配对应。

2.根据权利要求1所述的一种水轮机的多层转轮结构，其特征是，配水管上导通有若干配水叉管（55），喷嘴设于配水叉管的下游端；各个喷嘴在转轮所在节圆的圆周上等夹角排列；喷嘴的喷出方向为转轮节圆的切线方向。

3.根据权利要求2所述的一种水轮机的多层转轮结构，其特征是，相邻的两转轮之间设有可将上方转轮排水与下方转轮隔离的隔水装置（3）。

4.根据权利要求3所述的一种水轮机的多层转轮结构，其特征是，所述隔水装置为圆环形，内侧端与主轴以密封结构连接，外侧端的直径大于下方转轮对应的各喷嘴的口部所在圆周的直径。

5.根据权利要求3所述的一种水轮机的多层转轮结构，其特征是，所述隔水装置为封闭的隔离罩，将下方转轮和各喷嘴封闭在内。

6.根据权利要求2或3所述的一种水轮机的多层转轮结构，其特征是，配水管上游端管径大于下游端管径。

7.根据权利要求1或2或3所述的一种水轮机的多层转轮结构，其特征是，喷嘴的开口值可调。