CN109681367A

CN109681367A - 链条式水轮机发电系统

Info

Publication number: CN109681367A
Application number: CN201910000621.2A
Authority: CN
Inventors: 肖敏
Original assignee: Dalian Jiahong Zhiwei New Technology Development Co Ltd
Current assignee: Dalian Jiahong Zhiwei New Technology Development Co Ltd
Priority date: 2019-01-02
Filing date: 2019-01-02
Publication date: 2019-04-26

Abstract

本发明提出了一种链条式水轮机发电系统，相比现有技术的反击式（轴流式、混流式）或者冲击式（水斗式）水轮机，链条式水轮机发电系统，纯粹靠水流动能发电，发电时不对水流速度产生阻碍，同样的功率条件下，其引水管截面小，施工容易；其发电机工作在高转速下，所以，发电机体积重量和造价大幅降低；其水轮机可以随下游水位的变化自动调整高度，所以不会造成水头的浪费；链条式水力发电系统，理论上可以使水流动能得到100%的吸收，发电效率高。

Description

链条式水轮机发电系统

技术领域

本发明涉及一种链条式水轮机发电系统，属于发电及新能源技术领域。

背景技术

水力发电作为传统的发电形式，以其容量大，环保，综合效益高等特点，历来受到世界各国的高度重视。我国国土辽阔，水力资源非常丰富，但由于种种原因，丰富的水力资源并未得到合理的利用，水力发电占总发电量的比例偏低。水力发电是将水的动能转换成旋转机械能，再将旋转机械能转换成电能的过程。这个转换过程是通过水轮机实现的；水轮机的种类繁多，轴流式和混流式水轮机，实际上其转轮是在转轮前水流的推动下旋转的，其转轮前水流速度与转轮后水流速度相差不大，转轮前水流速度和压力代表着输入能量，转轮的旋转速度代表着吸收的能量，转轮后水流速度则代表了流失的能量；可以想象，转轮前水流速度与转轮后水流速度是不会有很大差别的；所以为了降低转轮后的水流速度，以减少能量的流失，只能将转轮前的水流速度尽可能降低；采用低转速的水轮发电机发电；但这样自然带来一个问题，就是，因为水流速度的降低，使得水流的流量也大幅降低；而流量的降低使总的能量降低；为了加大流量增加总能量，只得加大引水管通径和加大水轮机转轮直径；这必然造成制造成本的大幅提高和增加运输安装的难度；即使这样，水轮机转轮后流出的水的速度也不可能为零，意味着这部分水的动能流失是不可避免的；针对这个问题，现有技术采用尾水管对这部分流失的能量进行回收，但回收效果有限，所以，理论上这种水轮机效率不会太高。

轴流式和混流式水轮机，为了减少转轮后水流动能的流失，通过增大转轮对水流的阻力而将水流速度降低，以三峡70万千瓦发电机组为例：其额定水头80.6米，额定流量991.8立方米/秒，额定容量710MW。如果水流没有任何阻力，自80.6米处自由落体，其速度为：1/2*M*V²=M*g*80.6； V=√80.6*9.8*2=39.75米/秒；因其额定流量为991.8立方米/秒，引水管直径为12.8米，所以其流通截面=(12.8/2)*(12.8/2)*3.14=128.6m²，计算得出其实际水流速度为：V=991.8/128.6=7.7米/秒；而同样的水头下，本发明的链条式水力发电系统，因其无需对水流进行降速，只需要直径5.4米的引水管就可以满足流量910立方米/秒，发电72万千瓦的需求，引水管流通截面23m²，只是128.6m²的17.8%。冲击式水斗型水轮机，是利用高速水流冲击叶轮水斗产生旋转推力的原理来工作的，这与本发明的链条式水力发电系统的基本工作原理相同，理想情况下，其理论上是可以做到对水流动能100%吸收的。但是，其为了达到获得高速水流的目的，需要缩小喷嘴口径来增加喷口压力，利用压力产生高速水流，这样无疑会增加对水流的阻力，降低喷口前水流速度；而且其只适于在高水头低流量的情况下使用；因为，其水斗的尺寸受到加工制造能力和安装现场的限制，不可能做得太大，因此其单位时间通过的水流量非常有限，有限的水流量要产生大的能量，只有提高水流的速度，而低水头是不可能产生高速度的；所以其不适于低水头大流量的场合；显然，转轮前的水流速度越高，转轮后的水流速度越低，水轮机的效率越高；如果转轮后的水流速度为零，则效率为100%；然而，现有技术的水轮机是无法做到这一点的；本发明的链条式水力发电系统，其链条式水轮机长长链条上的众多叶片，在很长的距离上同时受到从上部出水管下部开口流出的具有水平速度的水流冲击，水流动能被分散吸收，所以其有效地规避了冲击式水斗型水轮机的缺点。

水流冲击链条叶片的过程，其实就是两个弹性物体的碰撞过程，根据动量守恒定律和机械能守恒定律得出如下方程：设水流的质量为m；叶片链条发电机等效质量为M；碰撞前链条速度为V₁；碰撞前水流速度v₁；碰撞后链条速度V₂；碰撞后水流速度v₂；则得：

方程1：1/2MV₁ ²+1/2mv₁ ²=1/2MV₂ ²+1/2mv₂ ²；

方程2： MV₁+mv₁=MV₂+mv₂；

联立以上2方程：将v₂=（MV₁+mv₁- MV₂）/m带入方程1；得：1/2MV₁ ²+1/2mv₁ ²=1/2MV₂ ²+1/2m（（MV₁+mv₁-MV₂）/m）²；

等式两端同时除以1/2m，得：

M/mV₁ ²+v₁ ²=M/mV₂ ²+（M/mV₁+v₁-M/mV₂）²；

M/mV₁ ²+v₁ ²=M/mV₂ ²+（M/mV₁+v₁）² -2*（M/mV₁+v₁）* M/mV₂ +M²/m₂ *V₂ ²；

（M/m+ M² /m²）V₂ ²-2*M/m（M/mV₁+v₁）V₂- M/mV₁ ²- v₁ ²+（M/mV₁+v₁）²；

（M/m+ M₂ /m²）V₂ ²-2*M/m（M/mV₁+v₁）V₂ +（M/mV₁+v₁）²- M/mV₁ ²- v₁ ²；

对此一元二次方程求解：

V₂=

v₂ =（MV₁+mv₁- MV₂）/m；

如果水流的质量为m=10；叶片链条发电机等效质量为M=10000；

碰撞前链条速度V₁=19；碰撞前水流速度v₁=38；解方程得：

碰撞后水流速度V₂=0.03796米/秒；碰撞后链条速度v₂=19.376米/秒；链条碰撞前后动能差7219.99；

碰撞前链条速度V₁=18；碰撞前水流速度v₁=38；解方程得：

碰撞后水流速度V₂=-1.96米/秒；碰撞后链条速度v₂=18.04米/秒；链条碰撞前后动能差7200.79；

碰撞前链条速度V₁=20；碰撞前水流速度v₁=38；解方程得：

碰撞后水流速度V₂=2.036米/秒；碰撞后链条速度v₂=20.036米/秒；链条碰撞前后动能差7199.27；

以上计算数据说明：水流速度大于或者小于链条速度的2倍时，碰撞后水流速度的绝对值均大于碰撞前水流速度正好是链条速度2倍时的速度绝对值；而水流速度等于链条速度的2倍时，碰撞后的水流速度趋近于零；且链条等效质量越大，碰撞后的水流速度越趋近于零；碰撞后的水流速度为零，说明其全部动能传递给了叶片和链条；叶片链条碰撞前后的动能差，也说明在水流速度是链条速度的2倍时叶片链条碰撞前后的动能差最大，即吸收的动能最多。

根据这个原理，如果将链条速度调整为水流速度的一半，则发电系统的效率将是100%；因为本发明的链条式水力发电系统，发电时不会对水流速度产生阻碍，所以其不仅适用于高水头低流量，更适合于低水头大流量的场合；理论上，在理想条件下，其在各种场合下都能做到对水流动能的100%吸收。

发明内容

本发明的技术方案是这样实现的：

链条式水轮机发电系统，由链条式水轮机、引水管、流量控制阀门、出水管、浮箱、固定链条传动机构、升速齿轮、发电机组成。

链条式水轮机，由链条、链轮、叶片、L型叶片挡块组成。叶片随上部链条一起运动时，因L型挡块的阻碍，其在水流的冲击下，只能在垂直于水平面的角度上向右移动；当行至右侧链轮处时，叶片在链轮的主轴阻挡下自然翻转，转至右侧链轮下部时，在链条带动和水流冲击的共同作用下，叶片自然呈水平状态向左移动。行至左侧链轮处时，叶片因自身重力自然下垂，转过左侧链轮后，因自身重力下垂后垂直于水平面，由于L形挡块的阻挡，叶片在水流冲击下保持垂直状态向右移动。

引水管用于将具有一定势能的水引入，其末端装有流量控制阀门，用于调节入水流量，其固定安装在坝体之上。

出水管水平安装在链条式水轮机的上面，其一端与引水管相连，但可以相对引水管上下移动。出水管的下面设有长条形开口，管中高速流动的水，会从该开口中流出，冲击其下面的链条式水轮机的叶片。

出水管和链条式水轮机安装在一个浮箱之上，浮箱随水位变化上下浮动时，带动出水管和链条式水轮机升降，以避免水头损失。

固定链条传动机构，其链条与链条式水轮机的链条一样，其下端链轮主轴固定在坝体的侧面，上端链轮主轴固定在坝体上部的支架之上，该上端链轮主轴的另一端，安装一个较大的齿轮，与同样安装于坝体上部的发电机主轴上的较小齿轮相啮合，提升发电机转速的同时，带动发电机发电。固定链条传动机构的链条套装在上下链轮之上，链条中部的外侧与链条式水轮机的一个链轮主轴上同轴安装的一个动力输出链轮相啮合，用于在浮箱上下升降的过程中仍能传递动力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图1为链条式水轮机发电系统组成示意图；

附图2链条式水轮机结构示意图；

图中：00、水坝坝体；10、链条式水轮机；11、链条；111、链节；112、L型挡块；12、链轮；121、动力输出链轮；13、叶片；14、链轮主轴； 21、引水管；22、流量控制阀门；23、出水管；24、出水管支架；25、链轮支架；30、浮箱；31、浮箱导轨；40、固定链条传动机构； 41、固定链条传动机构上端升速齿轮；50、发电机；51、发电机主轴齿轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如附图1所示，本发明提出的链条式水轮机发电系统，包括链条式水轮机10、引水管21、流量控制阀门22、出水管23、浮箱30、固定链条传动机构40、发电机50。

如附图2所示，链条式水轮机由两根链条11、4个链轮12及若干个叶片13组成。叶片13是一个两侧具有转轴的平板，其转轴插入两侧链节的中心孔中，装有叶片13的链节中心孔外缘固定有一个L型的挡块112，挡块112与链节连片固定，用于限制叶片13的转动角度；叶片13随上部链条11一起运动时，因挡块112的阻碍，其只能在垂直于水平面的角度上，在水流的冲击下，向右移动；当行至右侧链轮12处时，叶片13在链轮12的主轴14阻挡下自然翻转，转至链轮12下部时，在链条11带动和水流冲击的共同作用下，叶片13自然呈水平状态向左移动；行至左侧链轮12处时，叶片13因自身重力自然下垂，转过左侧链轮12后，因自身重力下垂后垂直于水平面，在L形挡块112的阻挡下，保持垂直状态向右移动。

上游具有一定势能的水流，通过引水管21引入，通过控制阀门22调节流量，进入出水管23；出水管23为圆形，具有一定的长度，水平设置，管的下部开有细长的出水口；进入出水管23的高速水流，在流动的过程中，由于重力的作用，全部水流最终都会从出水管23下部细长的开口中流出；出水管23的下面，安装着一个长度与出水管23细长开口长度相同的链条式水轮机10，从出水管23下部出水口流出的水，由于其具有一定的速度，其流出后必然冲击链条式水轮机10的叶片13，叶片13带动链条11，链条11带动链轮12，链轮12通过同轴动力输出链轮121，与固定式传动链条40的链条啮合，带动升速齿轮41与发电机主轴齿轮51啮合，齿轮51带动发电机50发电；由于水流在出水管23中的流动不受任何阻碍，因此流动过程没有动能损失，水流速度相当于自由落体的速度；水流从出水管23下部出水口流出后，流出的水在水平方向上具有的速度与管中尚未流出的水的速度相同；由于叶片13的运行速度设置成管中水流速度的一半，所以水流动能将100%被叶片13吸收。

因发电机50要确保发电频率为50赫兹，所以发电机50必须工作在额定转速，这就要求水轮机必须具有调速功能。本系统的调速是由流量控制阀门22来实现的。该流量控制阀门22安装在引水管的末端，其由两个重叠在一起的直径大于进水管直径的圆盘形钢板组成，两个圆盘上开有多个可以完全重合的圆孔，圆孔完全重合时流量最大（等于进水管流通面积），完全不重合时关闭，，两个圆盘，其中一个固定，另一个在伺服电机的带动下可以旋转，以圆孔重合度调整流量。伺服电机与发电机转速检测系统组成闭环控制系统，以流量的控制来调整叶片13的受力，从而保证发电机始终工作在额定转速。对于任何水力发电站来讲，丰水时和枯水时的水位都是变化的，变化的水位势必影响发电机的发电效率和发电量；由于本系统体积细长，重量轻，与发电机非直连；所以，本系统的出水管23、链条式水轮机10连成一体，安装在一个巨大的浮箱30之上；进水管、流量控制阀门22、发电机50固定安装在浮箱30上端的坝体上；浮箱沿浮箱导轨31上下升降；链条式水轮机10与发电机50之间是通过固定链条传动机构40来联系的。该链条机构40的上下两个链轮都固定安装在坝体上。链条机构40的上端链轮同轴安装一个直径很大的齿轮41，与该齿轮41啮合的是一个与发电机50主轴同轴的直径很小的齿轮51；链条式水轮机10的一个链轮12，同轴安装了一个直径很大的动力输出链轮121，该动力输出链轮121与固定链条机构40的链条外侧相啮合，链轮12旋转，将带动链轮121旋转，链轮121旋转将带动齿轮41旋转，齿轮41旋转将带动齿轮51旋转，从而带动发电机旋转发电。

引水管21的末端，自流量控制阀以下为垂直向下的直管，出水管23的外径小于引水管21的内径，其入口侧以转弯半径5米向上弯曲90度后插在引水管21的内部，出水管23转弯后的直管，长度等于引水管21直管长度，浮箱30随水位上下升降，安装在浮箱30之上的出水管23和链条式水轮机10也随之上下升降；升降时，出水管的直管在引水管的直管内滑动，下游水位高时，引水管21和出水管23完全重合，长度最短，下游水位低时，出水管23从引水管内抽出，长度最长；出水管23和链条式水轮机10在上下升降的过程中，链条式水轮机10的动力输出链轮121会与固定链条机构40的链条外侧的不同高度啮合，因此转矩传递不受影响；这样，浮箱30随着水位的变化而起伏，不论水位怎样变化，都不会造成水头势能的浪费。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种链条式水轮机发电系统，其特征在于：包括链条式水轮机、安装在链条式水轮机上部的出水管、与出水管相连的引水管、安装在引水管上的流量控制阀门、用于承载链条式水轮机和出水管，随水位起伏升降的浮箱、用于在水位变化时传递动力的固定链条传动机构、发电机。

2.根据权利要求1所述的链条式水轮机，其特征在于：链条式水轮机包括2根链条、若干个链轮、若干个叶片和L型挡块；链条和链轮的结构与常规普通链条和链轮相同，只是安装叶片的链节转轴有所不同；每个链条式水轮机具有两根封闭的链条；每根链条根据长短不同配有不同数量的链轮，两根链条对称平行设置，链轮也是平行对称设置，末端两个平行对称设置的链轮，相互通过一根主轴连接，主轴安装在基座上，该链轮主轴同轴安装一个动力输出链轮；除去末端的两个链轮之外，其他平行对称设置的链轮，相互之间没有主轴连接；每个链轮单独通过支架固定在基座上；链轮叶片是一个两侧具有转轴的平板，其转轴插入两侧链节的转轴的中心孔中，装有叶片的链节转轴上，其中心孔外缘固定有一个L型的挡块，L型挡块与链节连片固定，用于限制叶片的转动角度；叶片随上部链条一起运动时，因挡块的阻碍，其只能在水流的冲击下，以垂直于水平面的角度向水流方向移动；如果水流方向向右，当叶片行至右侧链轮处时，叶片在链轮的主轴阻挡下自然翻转，转至右侧链轮下部时，叶片在链条带动和水流冲击的共同作用下，自然呈水平状态向左移动；行至左侧链轮处时，叶片因自身重力自然下垂，转过左侧链轮后，叶片因自身重力自然下垂，下垂后的叶片因有L形挡块的阻挡，其在水流的冲击下只能保持垂直状态向右移动；链条式水轮机运行时，其做功叶片在链条封闭环形内部运动，非做功叶片与下部链条处于同一平面，占用空间小，可以最大限度地利用水位差，不会造成水头浪费。

3.根据权利要求1所述的引水管，其特征在于：其末端为垂直向下的直管，直管上部固定安装有流量控制阀门。

4.根据权利要求1所述的出水管，其特征在于：其入口端为垂直向上的直管，直管插入引水管的内部，可以在引水管内滑动；入口端的直管经过一个90度的圆弧形转弯，连接一段水平设置的直管，水平设置的直管下部开有一个与链条式水轮机链条长度相同的长孔；从引水管流入的高速水流，会从长孔中流出。

5.根据权利要求1所述的流量控制阀门，其特征在于：该流量控制阀门安装在引水管的末端，其由两个重叠在一起的直径大于进水管直径的圆盘形钢板组成，两个圆盘上开有多个可以完全重合的圆孔，圆孔完全重合时流量最大（等于进水管流通面积），完全不重合时关闭，两个圆盘，其中一个固定，另一个在伺服电机的带动下可以旋转，以圆孔重合度调整流量；伺服电机与发电机转速检测系统组成闭环控制系统，以流量的变化来调整水轮机叶片的受力，控制链条的运行速度，从而保证发电机始终工作在额定转速。

6.根据权利要求1所述的固定链条传动机构，其特征在于：固定链条传动机构的下端链轮旋转轴固定安装在坝体的侧壁上，上端链轮旋转轴固定安装在坝体上的支架上；在下游水位变化使得水轮机随浮箱升降的过程中，链条式水轮机的动力输出链轮，在不同的水位时，与固定链条传动机构的链条外侧在不同的高度上啮合，达到传递动力的目的。

7.根据权利要求1所述的浮箱，其特征在于：所述浮箱为中空的密封容器，上面平整可以安装设备，周围的坝体上设有轨道，限制浮箱只能上下运动，不能水平移动。