CN109505723A - 一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统，包括贯流式水轮发电机组、垂直轴水轮机，其特征在于，还包括尾水流增流装置和尾水流状态控制器，所述尾水流增流装置设置在贯流式水轮发电机组与垂直轴水轮机之间，所述尾水流增流装置包括受力感应单元、增流传动单元和增流释放单元，所述尾水流状态控制器分别控制贯流式水轮发电机组转轮叶片的叶片角度β1的大小、垂直轴水轮机叶片的叶片角度β2的大小以及尾水流增流装置中感应驱动杆的移动距离x的大小。本发明保证了垂直轴水轮机能够充分利用贯流式水轮发电机组排出及经尾水流增流装置增流的尾水流能量，使得外部发电机能够输出品质优良的电能。

Description

一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统
技术领域
本发明属于水力发电技术领域，特别是涉及一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统。
背景技术
我国低水头水力资源十分丰富，该资源一般处于江河中下游的经济发达地区。近些年，这些地区经济发展迅速，用电需求增速飞快。但是这些地区一般都是能源紧张地区，可开发的中、高水头水力资源早在20世纪90年代以前就已开发完毕。为了满足该地区经济迅速发展的需要，人们又转而开发低水头资源。贯流式水电站是开发低水头水力资源最好的方式，一般应用于25m水头以下。它与中、高水头电站、低水头立式轴流电站相比，具有流道简单、过流通道的水力损失小、机组结构紧凑、建设周期短、投资小、收效快、淹没移民少等优点。
但是，贯流式水轮发电机组结构复杂、体型庞大、机械效率偏低，统计资料表明：贯流式水轮机转轮出口水流的动能约占总水头的45％以上，最大可达90％。虽然有尾水管回收这部分动能，但是由于尾水管的水力设计以及考虑实际工程的开挖量问题，其回收能量的能力还是非常有限的。
中国专利申请200810072478.X公开了一种“组合式水能发电装置”，该装置包括若干列安装框，所述各列安装框沿纵向设有若干个横向通水孔道，所述各列安装框上对应设有用以启闭该列安装框的升降阻水板，所述各横向通水孔道上分别设有叶轮，设于同一列的各叶轮转轴后端分别经一对圆锥换向齿轮与一竖向动力传动轴传动连接，以经竖向动力传动轴带动设于竖向动力传动轴上端的发电机工作。该装置虽然可根据河道实际情况，组合形成相适应的坝体式水力发电装置，且结构简单，水流量易于控制，但是该装置并未考虑不同工况时，叶轮的效率会有较大的差别，由此造成整个装置的效率不高，水力性能较差。
中国专利申请201410205181.1公开了一种“岸基聚能式波浪能发电装置”，该装置能够聚集波浪能并把波浪转换成管道内的海流，利用海流驱动涡轮发电。同时，岸边收缩水道呈喇叭口型，开口处是椭圆形而透平处是圆形，两者有很大的面积比，因此透平处的水流速度是开口处数倍，起到聚能的作用。该装置施工简单，发电机与海水不接触，可靠性高，而且有效地提高了水流的转换效率。但是，该聚能装置进出口面积固定，不能根据来流速度的大小，动态调整聚能的多少，导致输出的电能频率不稳，品质较差。
中国专利申请201510601845.0公开了一种“导流聚能式海浪、潮汐、洋流及风力四合一发电系统”，该系统在基座上设若干个沿圆周均布的弧形导流板，当海浪、潮汐、洋流经过本装置时，海水将在弧形导流板的导向作用下形成海水涡流，由于海水涡流作用使其上方的空气同时形成空气涡流，在海水涡流推动叶轮、空气涡流推动风叶的共同作用下传动管高速旋转，传动管将动能传递给增速机，增速机驱动发电机高速旋转产生电能。该装置克服了现有发电方式单一、发电效率低的问题，实现了大功率发电。但是本装置仅依靠横截面形状为半月牙形的弧形导流板来导流、聚能，其聚能效果微乎其微，因此不能充分利用水能，造成资源的浪费。
综上所述，现有的组合式水力发电装置仅为不同数量发电装置的串联，并未考虑工况的改变所造成的装置效率降低的问题，因此均未能充分发挥装置的最大性能。同时，聚能装置仅仅依靠断面面积的缩小来增流，并不能根据来流流量的大小动态调整增流的多少，导致输出的电能频率不定，性能不佳。如何克服现有技术的不足已成为当今水力发电技术领域中亟待解决的重要难题之一。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足而提供一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统，本发明是在贯流式水轮发电机组与垂直轴水轮机之间设置尾水流增流装置，并通过尾水流状态控制器来分别控制贯流式水轮发电机组、尾水流增流装置和垂直轴水轮机，从而保证垂直轴水轮机能够充分利用贯流式水轮发电机组排出及经尾水流增流装置增流的尾水流能量，使得外部发电机能够输出品质优良的电能。
根据本发明提出的一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统，包括贯流式水轮发电机组、垂直轴水轮机，其特征在于，还包括尾水流增流装置和尾水流状态控制器，所述尾水流增流装置设置在贯流式水轮发电机组与垂直轴水轮机之间，所述尾水流状态控制器分别控制贯流式水轮发电机组转轮叶片的叶片角度β1的大小、垂直轴水轮机叶片的叶片角度β2的大小以及尾水流增流装置中感应驱动杆的移动距离x的大小，且所得偏差Δβ1、Δβ2和Δx能够对结果进行校正，从而实现增流式智能水轮机系统的动态调整；增流式智能水轮机系统的输出功率P与贯流式水轮发电机组转轮叶片的叶片角度β1、垂直轴水轮机叶片的叶片角度β2以及感应驱动杆的移动距离x的关系式为：式中：ρ为水的密度，ρ取值为1000kg/m3、Q为通过增流式智能水轮机系统的流量；增流式智能水轮机系统的控制参数如表1所示：
表1
所述尾水流增流装置包括受力感应单元、增流传动单元和增流释放单元，所述受力感应单元包括受力感应板和感应驱动杆，所述增流传动单元包括齿轮、齿条、增流平衡弹簧，所述增流释放单元包括上活动连杆、下活动连杆、上滑轮、下滑轮、上轨道、下轨道、上控流板、下控流板；所述受力感应板与感应驱动杆连接，所述感应驱动杆与齿轮固定连接，所述齿轮与齿条啮合，所述齿条的右端与增流平衡弹簧的左端连接，所述齿条的左端分别与上活动连杆的一端和下活动连杆的一端连接，所述上活动连杆通过上滑轮与上控流板连接，所述下活动连杆通过下滑轮与下控流板连接，所述上控流板与上滑轮镶嵌在上轨道中，所述下控流板与下滑轮镶嵌在下轨道中。
所述尾水流状态控制器包括功率控制器、信号处理器、液压控制器和执行机构，所述执行机构包括推盘和转动杆，所述贯流式水轮发电机组的轮毂和垂直轴水轮机主轴内分别设置执行机构，所述推盘与贯流式水轮发电机组转轮叶片、垂直轴水轮机叶片之间通过转动杆连接，所述转动杆分别与贯流式水轮发电机组转轮叶片和垂直轴水轮机叶片的中心连接，所述转动杆绕叶片中心转动，所述液压控制器活塞杆与执行机构的推盘连接，所述尾水流增流装置中的受力感应板受信号处理器的控制信号控制。
本发明的实现原理是：增流式智能水轮机系统启动后，水流首先经过贯流式水轮发电机组的进水流道，绕过竖井和灯泡体，在贯流式水轮发电机组的导叶处形成速度环量后汇合并进入转轮；水流冲击贯流式水轮发电机组转轮叶片，通过贯流式水轮发电机组转轮叶片将水流的能量转换为贯流式水轮发电机组的旋转机械能，同时通过置于灯泡体内的组合轴承带动发电机转子旋转，将机械能转换为电能，随后水流进入到贯流式水轮发电机组的尾水管，由于此时尾水中有大量的剩余动能，因此水流继续进入到尾水流增流装置；由受力感应板根据来流流量Q的大小，将信号传递给尾水流状态控制器，信号处理器对信号进行处理并反馈，反馈的信号对感应驱动杆进行控制，由感应驱动杆依次带动齿轮、齿条、上活动连杆、下活动连杆，进而对两个控流板的位置进行调节，实现实时改变增流效果的目的。当流量较大时，感应驱动杆向右运动，感应驱动杆带动齿轮顺时针转动，齿条左移，通过上活动连杆与下活动连杆使控流板之间的开口变大；当流量减小时，增流平衡弹簧使齿条左移，进而使控流板之间的开口减小，其增流效果也随之增加；最后水流通过垂直轴水轮机进水侧进入垂直轴水轮机，对垂直轴水轮机转轮做功，使剩余的动能转换为垂直轴水轮机的旋转机械能，带动垂直轴水轮机主轴旋转，然后将力矩传递给与之相连的发电机进行发电，从而实现了将机械能再次转换为电能，对贯流式水轮发电机组转轮出口处存在的大量剩余动能进行了充分利用。在所述增流式智能水轮机系统运行过程中，尾水流状态控制器根据两个水轮机流量的大小，通过功率控制器计算出实时的最佳叶片角度，与实时的叶片角度β1和β2比较，所得偏差Δβ1和Δβ2经PI校正环节后转换为电流信号传递给液压控制器；液压控制器通过与实时的电流对比，控制液压控制器活塞杆进行运动，进而带动执行机构的推盘运动，通过转动杆最终对贯流式水轮发电机组和垂直轴水轮机的叶片角度进行调节，使贯流式水轮发电机组和垂直轴水轮机在不同流量下均可以保持最高的效率，从而保证整个增流式智能水轮机系统在不同工况下的水能利用率最高，输出功率最大。
本发明与现有技术相比其显著优点是：
第一，本发明的增流式智能水轮机系统填补了本领域的技术空白，率先提出了在贯流式水轮发电机组基础上，增设尾水流增流装置、垂直轴水轮机和尾水流状态控制器，有效地解决了现有技术普遍存在的尾水动能剩余过大的难题，为贯流式水轮发电机组的发展提供了新的解决方案。
第二，本发明增设的尾水流增流装置，能够根据上游流量的大小，自适应地调节两个控流板的位置，使其在不同的流量下，产生所对应的增流效果，为下游垂直轴水轮机更好地利用尾水能且输出品质优良的电能提供保障。
第三，本发明增设的尾水流状态控制器既能够调节控制尾水流增流装置的增流效果，又能够根据工况的不同，动态调整贯流式水轮发电机组和垂直轴水轮机的叶片角度，保证尾水流的利用效率始终最高，从而使增流式智能水轮机系统在不同工况下的水流能利用率最高、输出功率最大。
附图说明
图1是本发明提出的一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统的整体结构示意图。
图2是本发明提出的垂直轴水轮机的流道尺寸标注位置示意图。
图3是本发明提出的垂直轴水轮机的转轮结构俯视示意图。
图4是本发明提出的尾水流增流装置处于全关闭状态时的结构示意图。
图5是本发明提出的尾水流增流装置处于半开启状态时的结构示意图。
图6是本发明提出的尾水流增流装置处于全开启状态时的结构示意图。
图7是本发明提出的尾水流状态控制器的工作原理方框流程示意图。
图8是本发明提出的液压控制器与执行机构的连接位置示意图。
附图中的编号说明：进水流道1、竖井2、组合轴承3、导叶4、灯泡体5、发电机6、管形座7、贯流式水轮发电机组转轮叶片8、转轮9、轮毂10、尾水管11、垂直轴水轮机进水侧12、垂直轴水轮机支臂13、垂直轴水轮机主轴14、垂直轴水轮机导流罩15、垂直轴水轮机出水侧16、垂直轴水轮机叶片17、尾水流状态控制器18、尾水流增流装置19、受力感应板19-1、感应驱动杆19-2、齿轮19-3、增流平衡弹簧19-4、齿条19-5、上活动连杆19-7、下活动连杆19-6、上滑轮19-8、下滑轮19-9、上控流板19-10、下控流板19-13、上轨道19-11、下轨道19-12、转动杆20、推盘21、液压控制器活塞杆22、液压控制器23、垂直轴水轮机主轴14的直径D1、垂直轴水轮机导流罩15的进口内径D2、垂直轴水轮机导流罩15的进口外径D3、垂直轴水轮机导流罩15的出口直径D4、垂直轴水轮机导流罩15的进口段长度L1、垂直轴水轮机导流罩15的中间段长度L2、垂直轴水轮机导流罩15的出口段长度L3、垂直轴水轮机支臂13的长度L4、垂直轴水轮机叶片17的高度L5。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。
结合图1，本发明提出了一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统，包括贯流式水轮发电机组、垂直轴水轮机，还包括尾水流增流装置19和尾水流状态控制器18，所述尾水流增流装置19设置在贯流式水轮发电机组与垂直轴水轮机之间，所述尾水流状态控制器18分别控制贯流式水轮发电机组转轮叶片8的叶片角度β1的大小、垂直轴水轮机叶片17的叶片角度β2的大小以及尾水流增流装置19中感应驱动杆19-2的移动距离x的大小；其中：
所述贯流式水轮发电机组包括进水流道1、竖井2、灯泡体5、发电机6、组合轴承3、管形座7、导叶4、转轮9、贯流式水轮发电机组转轮叶片8、轮毂10、尾水管11，所述发电机6与转轮9通过组合轴承3连接，所述发电机6与组合轴承3置于灯泡体5中，所述灯泡体5以管形座7为主支撑，机组所受到的所有力和力矩都通过支撑传递到混凝土基础上；垂直轴水轮机包括垂直轴水轮机进水侧12、垂直轴水轮机导流罩15、垂直轴水轮机主轴14、垂直轴水轮机叶片17、垂直轴水轮机支臂13、垂直轴水轮机出水侧16；所述垂直轴水轮机主轴14、垂直轴水轮机叶片17、垂直轴水轮机支臂13均置于垂直轴水轮机导流罩15内，所述垂直轴水轮机叶片17与垂直轴水轮机主轴14之间通过垂直轴水轮机支臂13连接。
结合图2和图3，本发明所述的垂直轴水轮机叶片17的数量为3～6片；所述垂直轴水轮机导流罩15的进口段长度L1与垂直轴水轮机导流罩15的中间段长度L2的比值为0.08～0.15；所述垂直轴水轮机导流罩15的出口段长度L3与垂直轴水轮机导流罩15的中间段长度L2的比值为0.52～0.60；所述垂直轴水轮机支臂13的长度L4与垂直轴水轮机叶片17的高度L5的比值为0.52～0.84；所述垂直轴水轮机主轴14的直径D1与垂直轴水轮机叶片17的高度L5的比值为0.25～0.35；所述垂直轴水轮机导流罩15的进口外径D3与垂直轴水轮机叶片17的高度L5的比值为1.23～1.31；所述垂直轴水轮机导流罩15的进口内径D2与垂直轴水轮机叶片17的高度L5的比值为1.08～1.16；所述垂直轴水轮机导流罩15的出口直径D4与垂直轴水轮机叶片17的高度L5的比值为1.68～1.76。
结合图4、图5和图6，本发明所述的尾水流增流装置19设置在贯流式水轮发电机组与垂直轴水轮机之间，所述尾水流增流装置19包括受力感应单元、增流传动单元和增流释放单元，所述受力感应单元包括受力感应板19-1和感应驱动杆19-2，所述增流传动单元包括齿轮19-3、齿条19-5、增流平衡弹簧19-4，所述增流释放单元包括上活动连杆19-7、下活动连杆19-6、上滑轮19-8、下滑轮19-9、上轨道19-11、下轨道19-12、上控流板19-10、下控流板19-13；所述受力感应板19-1的面积a满足关系式：式中：A为上控流板19-10或下控流板19-13的面积、Q0为额定功率时的流量、F为额定功率时受力感应板19-1受到的力；所述受力感应板19-1与感应驱动杆19-2连接，所述感应驱动杆19-2的长度为50～90cm，所述感应驱动杆19-2与齿轮19-3固定连接，所述齿轮19-3的齿数为35～55个，所述齿轮19-3中心与壁面固定，使齿轮19-3只可旋转不可左右移动，所述齿轮19-3与齿条19-5啮合，所述齿条19-5的长度30～90cm，所述齿条19-5的右端与增流平衡弹簧19-4的左端连接，所述增流平衡弹簧19-4的长度为20～35cm，所述齿条19-5的左端分别与上活动连杆19-7的一端和下活动连杆19-6的一端连接，所述上活动连杆19-7通过上滑轮19-8与上控流板19-10连接，所述下活动连杆19-6通过下滑轮19-9与下控流板19-13连接，所述上控流板19-10与上滑轮19-8镶嵌在上轨道19-11中，所述下控流板19-13与下滑轮19-9镶嵌在下轨道19-12中。
结合图7，本发明所述的尾水流状态控制器18包括功率控制器、信号处理器、液压控制器23和执行机构，所述尾水流增流装置19中的受力感应板19-1受信号处理器的控制信号控制，所述尾水流状态控制器18分别控制贯流式水轮发电机组转轮叶片8的叶片角度β1和垂直轴水轮机叶片17的叶片角度β2的大小以及尾水流增流装置19中感应驱动杆19-2的移动距离x的大小，且所得偏差Δβ1、Δβ2和Δx能够对结果进行校正，从而实现增流式智能水轮机系统的动态调整；增流式智能水轮机系统的输出功率P与贯流式水轮发电机组转轮叶片8的叶片角度β1、垂直轴水轮机叶片17的叶片角度β2以及感应驱动杆19-2的移动距离x的关系式为：式中：ρ为水的密度，ρ取值为1000kg/m3、Q为通过增流式智能水轮机系统的流量；所述增流式智能水轮机系统的控制参数如表1所示：
表1
尾水流状态控制器18的配置要求为：所述功率控制器可采用PLC功率控制器等；所述信号处理器可采用数字信号处理器等；所述液压控制器23可采用电气液压控制器等。
结合图8，本发明所述的贯流式水轮发电机组的轮毂10和垂直轴水轮机主轴14内分别设置执行机构，所述执行机构包括推盘21与转动杆20，所述推盘21为圆盘形结构，所述推盘21与贯流式水轮发电机组转轮叶片8、垂直轴水轮机叶片17之间通过转动杆20连接，所述转动杆20的结构为直角结构，所述转动杆20的数量分别与贯流式水轮发电机组转轮叶片8及垂直轴水轮机叶片17的数量相等，所述转动杆20分别与贯流式水轮发电机组转轮叶片8和垂直轴水轮机叶片17的中心连接，所述转动杆20绕叶片中心转动，所述转动杆20与推盘21采用螺栓连接，螺栓的数量为3～6个，所述液压控制器活塞杆22和执行机构的推盘21连接，所述推盘21的运动方向与活塞杆22的运动方向一致。
本发明提出的一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统的应用实施例如下：
实施例1的设计方案与本发明上述的总体技术方案完全相同，其主要部件的设计参数公布如下：
本发明的垂直轴水轮机叶片17的数量为3片；垂直轴水轮机导流罩15的中间段长度L2为450cm；垂直轴水轮机导流罩15的进口段长度L1为45cm；垂直轴水轮机导流罩15的出口段长度L3为247.5cm；垂直轴水轮机叶片17的高度L5为300cm；垂直轴水轮机支臂13的长度L4为180cm；垂直轴水轮机主轴14的直径D1为90cm；垂直轴水轮机导流罩15的进口外径D3为378cm；垂直轴水轮机导流罩15的进口内径D2为330cm；垂直轴水轮机导流罩15的出口直径D4为510cm；推盘21的直径为400cm；转动杆20的短边长150cm、长边长250cm；液压控制器活塞杆22的长度为350cm；感应驱动杆19-2的长度为60cm；齿轮19-3的齿数为40个；增流平衡弹簧19-4的长度为25cm；流量为3m3/s、β1为63.75°、β2为50°时，增流式智能水轮机系统的输出功率为608kW；受力感应板19-1的面积a为20cm2。
实施例2的设计方案与本发明上述的总体技术方案完全相同，其主要部件的设计参数公布如下：
本发明的垂直轴水轮机叶片17的数量为5片；垂直轴水轮机导流罩15的中间段长度L2为400cm；垂直轴水轮机导流罩15的进口段长度L1为40cm；垂直轴水轮机导流罩15的出口段长度L3为220cm；垂直轴水轮机叶片17的高度L5为320cm；垂直轴水轮机支臂13的长度L4为190cm；垂直轴水轮机主轴14的直径D1为96cm；垂直轴水轮机导流罩15的进口外径D3为403cm；垂直轴水轮机导流罩15的进口内径D2为352cm；垂直轴水轮机导流罩15的出口直径D4为544cm；推盘21的直径为400cm；转动杆20的短边长160cm、长边长260cm；液压控制器活塞杆22的长度为350cm；感应驱动杆19-2的长度为60cm；齿轮19-3的齿数为40个；增流平衡弹簧19-4的长度为20cm；流量为2m3/s、β1为67.5°、β2为55°时，增流式智能水轮机系统的输出功率为578.3kW；受力感应板19-1的面积a为20cm2。
实施例3的设计方案与本发明上述的总体技术方案完全相同，其主要部件的设计参数公布如下：
本发明的垂直轴水轮机叶片17的数量为6片；垂直轴水轮机导流罩15的中间段长度L2为450cm；垂直轴水轮机导流罩15的进口段长度L1为45cm；垂直轴水轮机导流罩15的出口段长度L3为247.5cm；垂直轴水轮机叶片17的高度L5为330cm；垂直轴水轮机支臂13的长度L4为200cm；垂直轴水轮机主轴14的直径D1为99cm；垂直轴水轮机导流罩15的进口外径D3为416cm；垂直轴水轮机导流罩15的进口内径D2为363cm；垂直轴水轮机导流罩15的出口直径D4为561cm；推盘21的直径为420cm；转动杆20的短边长160cm、长边长250cm；液压控制器活塞杆22的长度为350cm；感应驱动杆19-2的长度为50cm；齿轮19-3的齿数为50个；增流平衡弹簧19-4的长度为30cm；流量为4m3/s、β1为60°、β2为45°时，增流式智能水轮机系统的输出功率为618kW；受力感应板19-1的面积a为30cm2。
本发明的实施过程为：增流式智能水轮机系统启动后，水流首先经过贯流式水轮发电机组的进水流道1，绕过竖井2和灯泡体5，在贯流式水轮发电机组的导叶4处形成速度环量后汇合并进入转轮9，水流冲击贯流式水轮发电机组转轮叶片8，通过贯流式水轮发电机组转轮叶片8将水流的能量转换为贯流式水轮发电机组的旋转机械能，同时通过置于灯泡体5内的组合轴承3带动发电机6转子旋转，将机械能转换为电能，随后水流进入到贯流式水轮发电机组的尾水管11，由于此时尾水中还有大量的剩余动能，因此水流继续进入到尾水流增流装置19；由受力感应板19-1根据来流流量Q的大小，将信号传递给尾水流状态控制器18，信号处理器对信号进行处理并反馈，反馈的信号对感应驱动杆19-2进行控制，由感应驱动杆19-2依次带动齿轮19-3、齿条19-5和上活动连杆19-7、下活动连杆19-6，进而对两个控流板的位置进行调节，实现实时改变增流效果的目的。当流量较大时，感应驱动杆19-2向右运动，感应驱动杆19-2带动齿轮19-3顺时针转动，齿条19-5左移，通过上活动连杆19-7与下活动连杆19-6使控流板之间的开口变大；当流量减小时，增流平衡弹簧19-4使齿条19-5左移，进而使控流板之间的开口减小，其增流效果也随之增加；之后水流通过垂直轴水轮机进水侧12进入到垂直轴水轮机，水流对垂直轴水轮机转轮做功，使剩余的动能转换为垂直轴水轮机的旋转机械能，带动垂直轴水轮机主轴14旋转，然后将力矩传递给与之相连的外部发电机进行发电，从而实现了将机械能再次转换为电能，最后水流经过垂直轴水轮机出水侧16流出。在所述增流式智能水轮机系统运行过程中，尾水流状态控制器18根据两个水轮机流量大小，通过功率控制器计算出实时的最佳叶片角度，与实时的叶片角度β1和β2比较，所得偏差Δβ1和Δβ2经PI校正环节后转换为电流信号传递给液压控制器23；液压控制器23通过与实时的电流对比，控制液压控制器活塞杆22进行运动，进而带动执行机构的推盘21运动，通过转动杆20最终对贯流式水轮发电机组和垂直轴水轮机的叶片角度进行调节，使贯流式水轮发电机组和垂直轴水轮机在不同流量下均可以保持最高的效率，从而使整个增流式智能水轮机系统在不同工况下的水能利用率最高，输出功率最大。
本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。
本发明经反复试验验证，取得了满意的试用效果。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (14)

1.一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统，包括贯流式水轮发电机组、垂直轴水轮机，其特征在于，还包括尾水流增流装置(19)和尾水流状态控制器(18)，所述尾水流增流装置(19)设置在贯流式水轮发电机组与垂直轴水轮机之间，所述尾水流状态控制器(18)分别控制贯流式水轮发电机组转轮叶片(8)的叶片角度β1的大小、垂直轴水轮机叶片(17)的叶片角度β2的大小以及尾水流增流装置(19)中感应驱动杆(19-2)的移动距离x的大小，且所得偏差Δβ1、Δβ2和Δx能够对结果进行校正，从而实现增流式智能水轮机系统的动态调整；增流式智能水轮机系统的输出功率P与贯流式水轮发电机组转轮叶片(8)的叶片角度β1、垂直轴水轮机叶片(17)的叶片角度β2以及感应驱动杆(19-2)的移动距离x的关系式为：式中：ρ为水的密度，ρ取值为1000kg/m3、Q为通过增流式智能水轮机系统的流量；增流式智能水轮机系统的控制参数如表1所示：
表1
所述尾水流增流装置(19)包括受力感应单元、增流传动单元和增流释放单元，所述受力感应单元包括受力感应板(19-1)和感应驱动杆(19-2)，所述增流传动单元包括齿轮(19-3)、齿条(19-5)、增流平衡弹簧(19-4)，所述增流释放单元包括上活动连杆(19-7)、下活动连杆(19-6)、上滑轮(19-8)、下滑轮(19-9)、上轨道(19-11)、下轨道(19-12)、上控流板(19-10)、下控流板(19-13)；所述受力感应板(19-1)与感应驱动杆(19-2)连接，所述感应驱动杆(19-2)与齿轮(19-3)固定连接，所述齿轮(19-3)与齿条(19-5)啮合，所述齿条(19-5)的右端与增流平衡弹簧(19-4)的左端连接，所述齿条(19-5)的左端分别与上活动连杆(19-7)的一端和下活动连杆(19-6)的一端连接，所述上活动连杆(19-7)通过上滑轮(19-8)与上控流板(19-10)连接，所述下活动连杆(19-6)通过下滑轮(19-9)与下控流板(19-13)连接，所述上控流板(19-10)与上滑轮(19-8)镶嵌在上轨道(19-11)中，所述下控流板(19-13)与下滑轮(19-9)镶嵌在下轨道(19-12)中；
所述尾水流状态控制器(18)包括功率控制器、信号处理器、液压控制器(23)和执行机构，所述执行机构包括推盘(21)和转动杆(20)，所述贯流式水轮发电机组的轮毂(10)和垂直轴水轮机主轴(14)内分别设置执行机构，所述推盘(21)与贯流式水轮发电机组转轮叶片(8)、垂直轴水轮机叶片(17)之间通过转动杆(20)连接，所述转动杆(20)分别与贯流式水轮发电机组转轮叶片(8)和垂直轴水轮机叶片(17)的中心连接，所述转动杆(20)绕叶片中心转动，所述液压控制器活塞杆(22)与执行机构的推盘(21)连接，所述尾水流增流装置(19)中的受力感应板(19-1)受信号处理器的控制信号控制。
2.根据权利要求1所述的一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统，其特征在于，所述受力感应板(19-1)的面积a满足关系式：式中：A为上控流板(19-10)或下控流板(19-13)的面积、Q0为额定功率时的流量、F为额定功率时受力感应板(19-1)受到的力。
3.根据权利要求2所述的一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统，其特征在于，所述感应驱动杆(19-2)的长度为50～90cm，所述齿轮(19-3)的齿数为35～55个，所述齿条(19-5)的长度30～90cm，所述增流平衡弹簧(19-4)的长度为20～35cm。
4.根据权利要求3所述的一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统，其特征在于，所述齿轮(19-3)中心与壁面固定，使齿轮(19-3)只可旋转不可左右移动。
5.根据权利要求4所述的一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统，其特征在于，所述转动杆(20)与推盘(21)采用螺栓连接，螺栓的数量为3～6个；所述转动杆(20)的结构为直角结构，所述转动杆(20)的数量分别与贯流式水轮发电机组转轮叶片(8)及垂直轴水轮机叶片(17)的数量相等。
6.根据权利要求5所述的一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统，其特征在于，所述推盘(21)的运动方向与液压控制器活塞杆(22)的运动方向一致。
7.根据权利要求6所述的一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统，其特征在于，所述垂直轴水轮机叶片(17)的数量为3～6片。
8.根据权利要求7所述的一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统，其特征在于，所述垂直轴水轮机导流罩(15)的进口段长度L1与垂直轴水轮机导流罩(15)的中间段长度L2的比值为0.08～0.15。
9.根据权利要求8所述的一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统，其特征在于，所述垂直轴水轮机导流罩(15)的出口段长度L3与垂直轴水轮机导流罩(15)的中间段长度L2的比值为0.52～0.60。
10.根据权利要求9所述的一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统，其特征在于，所述垂直轴水轮机支臂(13)的长度L4与垂直轴水轮机叶片(17)的高度L5的比值为0.52～0.84。
11.根据权利要求10所述的一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统，其特征在于，所述垂直轴水轮机主轴(14)的直径D1与垂直轴水轮机叶片(17)的高度L5的比值为0.25～0.35。
12.根据权利要求11所述的一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统，其特征在于，所述垂直轴水轮机导流罩(15)的进口外径D3与垂直轴水轮机叶片(17)的高度L5的比值为1.23～1.31。
13.根据权利要求12所述的一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统，其特征在于，所述垂直轴水轮机导流罩(15)的进口内径D2与垂直轴水轮机叶片(17)的高度L5的比值为1.08～1.16。
14.根据权利要求13所述的一种利用尾水流再生发电的增流式智能水轮机系统，其特征在于，所述垂直轴水轮机导流罩(15)的出口直径D4与垂直轴水轮机叶片(17)的高度L5的比值为1.68～1.76。
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