CN109989869A - 一种水利发电涡轮装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种水利发电涡轮装置，包括压水机、机械传动装置、水轮机、涡轮装置，其中，压水机设置在具有水位差的河道的上游，水轮机设置在该河道的下游，涡轮装置设置在该河道的下游；涡轮装置与机械传动装置连接，机械传动装置与压水机连接；本发明提高了水电站的能量利用效率，对于指定的功率输出，需要上下游具有的水位差更低，这样使得水电站建造节省材料及成本；抑或，相同的水位差，水电站的发电效果更好。

Description

一种水利发电涡轮装置及方法
技术领域
本发明属于水力发电技术领域，特别涉及一种水利发电涡轮装置及方法。
背景技术
水力发电的基本原理是利用水位落差，配合水轮发电机产生电力，也就是利用水的位能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，而得到电力。具有廉价，无污染的特点。
目前，惯常水力发电的流程为：河川的水经由拦水设施攫取后，经过压力隧道、压力钢管等水路设施送至电厂，当机组须运转发电时，打开主阀，开启导翼，使水冲击水轮机，水轮机转动后带动发电机旋转，发电机加入励磁后，发电机建立电压，并于断路器投入后开始将电力送至电力系统。如果要调整发电机组的出力，可以调整导翼的开度增减水量来达成，发电后的水经由尾水路回到河道，供给下游的用水使用。
对于一些中、小型水电站来说，自身处于上下游水位落差小的河段，其压力水道的增压效果差，以至于这些小型电站的发电效率低下，不仅前期投资难以收回，更浪费了河川中蕴含的能量。对于水力发电，提高上下游之间的水位差是最有效的增发方式，大型水电站一般采用上游建立蓄水水库的方式来提高水位，中小型电站受条件限制无法建设大型水库，所以，应采取其他方法。
根据物理原理，带动水轮机转动主要依靠水的动能，这来源于水电站上游高水位存水的重力势能，故高水位可以等效为水流冲击水轮机时的流速。也因此，提高水的流速等效于提高水电站上游水位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水利发电涡轮装置及方法，解决了现有的水利发电系统中，因上下游水位落差小，导致发电效率低下的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种水利发电涡轮装置，包括压水机、机械传动装置、水轮机、涡轮装置，其中，压水机设置在具有水位差的河道的上游，水轮机设置在该河道的下游，涡轮装置设置在该河道的下游；涡轮装置与机械传动装置连接，机械传动装置与压水机连接。
优选地，涡轮装置包括第一转轴、第一叶片和第一齿轮，第一叶片和第一齿轮分别套装在第一转轴的两端，第一叶片在水流的冲击下，带动第一转轴转动，进而带动第一齿轮转动；第一齿轮与机械传动装置连接。
优选地，机械传动装置包括三组齿轮组，分别为第一齿轮组、第二齿轮组和第三齿轮组，其中，第一齿轮组和涡轮装置连接，第二齿轮组通过第二齿轮组和第三齿轮组啮合连接，第三齿轮组和压水机连接。
优选地，第一齿轮组、第二齿轮组和第三齿轮组结构相同，均包括传动轴、第二齿轮和第三齿轮，其中，第二齿轮和第三齿轮分别套装在传动轴的两端。
优选地，压水机包括第二转轴、第四齿轮和第二叶片，其中，第二叶片和第四齿轮分别套装在第二转轴的两端，第四齿轮和机械传动装置连接。
优选地，还包括控制系统，控制系统包括PLC控制器和流量传感器，流量传感器连接PLC控制器，PLC控制器控制连接涡轮装置。
一种利用水利发电涡轮装置的发电方法，基于所述的一种水利发电涡轮装置，包括以下步骤：
涡轮装置在水流的冲击下，将水流的动能转化为机械能，并将该机械能通过机械传动装置传输到压水机上，压水机不断地旋转将上游河道的水吸引后推向下游，用以增加河道上游和河道下游之间的水位差。
优选地，机械传动装置连接有控制系统，PLC控制器，控制系统包括PLC控制器和流量传感器，流量传感器采集上游河道的水流流量，并将采集到的数据传输到PLC控制器中，PLC控制器将根据接收到的数据与设定的阈值进行比对，当接收到的数据小于设定的阈值时，机械传动装置分别与涡轮装置和压水机断开；当接收到的数据大于设定的阈值时，机械传动装置分别与涡轮装置和压水机闭合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种水利发电涡轮装置及方法，利用流经水轮机后不能再用来做功的“废水”中的机械能，推动涡轮装置中的涡轮，涡轮又通过机械传动装置带动压水机，压水机将上游的水更快的吸入压力水道内，提高了水的流速，这相当于提高了流量。更大的流量流经水轮机，意味着水轮机有更高的输出功率；本发明提高了水电站的能量利用效率，对于指定的功率输出，需要上下游具有的水位差更低，这样使得水电站建造节省材料及成本；抑或，相同的水位差，水电站的发电效果更好。
附图说明
图1是本发明涉及的涡轮装置布置示意图；
图2是本发明涉及的涡轮装置结构示意图；
其中，1、压水机2、机械传动装置3、水轮机4、涡轮装置5、控制系统101、第二转轴102、第四齿轮103、第二叶片201、传动轴202、第二齿轮203、第三齿轮401、第一转轴402、第一叶片403、第一齿轮。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明提供的一种水利发电涡轮装置，包括压水机1、机械传动装置2、水轮机3、涡轮装置4和控制系统5，其中，压水机1设置在上游河道，水轮机3设置在下游河道，涡轮装置4设置在水轮机3的下游，涡轮装置4连接机械传动装置2，机械传动装置2连接压水机1；上游河道和下游河道之间设置有水位差。
涡轮装置4包括第一转轴401、第一叶片402和第一齿轮403，第一叶片402和第一齿轮403分别套装在第一转轴401的两端，第一叶片402在水流的冲击下，带动第一转轴401转动，进而带动第一齿轮403转动；第一齿轮403与机械传动装置2连接。
机械传动装置2包括三组齿轮组，分别为第一齿轮组、第二齿轮组和第三齿轮组，其中，第一齿轮组和第一齿轮403啮合连接，第二齿轮组通过第二齿轮组和第三齿轮组啮合连接，第三齿轮组和压水机1啮合连接。
第一齿轮组、第二齿轮组和第三齿轮组结构相同，均包括传动轴201、第二齿轮202和第三齿轮203，其中，第二齿轮202和第三齿轮203分别套装在传动轴201的两端。
压水机1包括第二转轴101、第四齿轮102和第二叶片103，其中，第二叶片103和第四齿轮102分别套装在第二转轴101的两端，第四齿轮102和第三齿轮组啮合连接。
控制系统5包括PLC控制器和流量传感器，流量传感器用于实时采集上游河道的水流流量并将采集到的数据传输至PLC控制器中，PLC控制器根据接收到的数据向涡轮装置4发送指令，控制涡轮装置4的启/停用。
工作原理：
流量传感器采集上游河道的水流流量，并将采集到的数据传输到PLC控制器中，PLC控制器将根据接收到的数据与设定的阈值进行比对，当小于设定的阈值时，PLC控制器控制涡轮装置4的机械传动装置，使得第一齿轮401与第一齿轮组不再啮合；第三齿轮组与第四齿轮102互相不再啮合，这样压水机和涡轮装置不再连接，整套装置不工作；当大于设定的阈值时，PLC控制器控制涡轮装置4的机械传动装置，使得第一齿轮401与第一齿轮组啮合连接，第三齿轮组与第四齿轮102互相啮合连接，整套装置开始工作。
第一叶片在水流的冲击下，带动第一转轴转动，进而带动第一齿轮转动，将水流的动能转化为机械能，并将该机械能通过机械传动装置2传输到压水机1上，压水机1通过第二叶片的不断旋转，类似螺旋桨，将上游河道的水吸引后推向下游，用以增加上游和下游之间的水位差，能量增加的水流可以凭借更少的流量带动水轮机3等效运转，即提高了发电效率。
一种提高发电效率的水力发电方法，基于现有水电站及压力水道的基础上，包括以下步骤：
(1)水流在通过水轮机3做功后，剩余可利用的动能，带动水利发电的涡轮装置4旋转；
(2)涡轮装置4通过机械传动装置2带动压水机1转动；
(3)压水机1通过不断旋转，类似螺旋桨，将其上游的水吸引后推向下游；
(4)上游的水流由于受到压水机1的吸引及推动作用，其流速增加，能量增加，相当于变相增加了上下游水位差；
(5)能量增加的水流可以凭借更少的流量带动水轮机3等效运转，即提高了发电效率；
(6)水流通过水轮机3后，还拥有部分未利用的机械能，可用于带动涡轮装置4；
(7)上游水流的机械能分别被水轮机3和涡轮装置4吸收，水轮机3吸收的能量远大于涡轮装置4，当达到某一状态时，水流涡轮装置4的水流速度不再增加，整套装置达到平衡状态；
(8)上述过程相当于利用了通过水轮机3后本已无法做功的水流能量，提高水电站的发电效率。
所述步骤(1)中，涡轮装置4既可以设置在水轮机3后，也可以设置在水坝非发电段的闸门后方，只需对传动装置稍作改变即可。
所述步骤(2)中，压水机1可根据实际情况设置在水道合适位置，并可以多级设置。
本发明一种水力发电涡轮装置的方法，在传统水电站基础上，进行涡轮装置增设。无需大量施工。
压水机1和涡轮装置4应安装在水道内以保证效果，安装过程应保证水道内没有影响施工的水流，同时注意，为了最大化工作效率，涡轮装置4应放在水轮机3后方，水流速高的位置，压水机1应放在电站的水道入口，流速较低的位置。两个位置的水流初始流速相差应较大。
涡轮装置4在水流速度较快时工作效果更好。当某一时刻涡轮装置4工作效果差或没有效果时，应通过控制系统5，停止整套装置的工作。
综上，本发明可以增加发电效率。自身结构比较简单，同时前后耦合具有自动调节功能，成本低，效果好，适合推广应用。

Claims (8)

1.一种水利发电涡轮装置，其特征在于，包括压水机(1)、机械传动装置(2)、水轮机(3)、涡轮装置(4)，其中，压水机(1)设置在具有水位差的河道的上游，水轮机(3)设置在该河道的下游，涡轮装置(4)设置在该河道的下游；涡轮装置(4)与机械传动装置(2)连接，机械传动装置(2)与压水机(1)连接。
2.根据权利要求1所述的一种水利发电涡轮装置，其特征在于，涡轮装置(4)包括第一转轴(401)、第一叶片(402)和第一齿轮(403)，第一叶片(402)和第一齿轮(403)分别套装在第一转轴(401)的两端，第一叶片(402)在水流的冲击下，带动第一转轴(401)转动，进而带动第一齿轮(403)转动；第一齿轮(403)与机械传动装置(2)连接。
3.根据权利要求1所述的一种水利发电涡轮装置，其特征在于，机械传动装置(2)包括三组齿轮组，分别为第一齿轮组、第二齿轮组和第三齿轮组，其中，第一齿轮组和涡轮装置(4)连接，第二齿轮组通过第二齿轮组和第三齿轮组啮合连接，第三齿轮组和压水机(1)连接。
4.根据权利要求3所述的一种水利发电涡轮装置，其特征在于，第一齿轮组、第二齿轮组和第三齿轮组结构相同，均包括传动轴(201)、第二齿轮(202)和第三齿轮(203)，其中，第二齿轮(202)和第三齿轮(203)分别套装在传动轴(201)的两端。
5.根据权利要求1所述的一种水利发电涡轮装置，其特征在于，压水机(1)包括第二转轴(101)、第四齿轮(102)和第二叶片(103)，其中，第二叶片(103)和第四齿轮(102)分别套装在第二转轴(101)的两端，第四齿轮(102)和机械传动装置(2)连接。
6.根据权利要求1所述的一种水利发电涡轮装置，其特征在于，还包括控制系统(5)，控制系统(5)包括PLC控制器和流量传感器，流量传感器连接PLC控制器，PLC控制器控制连接涡轮装置(4)。
7.一种利用水利发电涡轮装置的发电方法，其特征在于，基于权利要求1-6中任一项所述的一种水利发电涡轮装置，包括以下步骤：
涡轮装置(4)在水流的冲击下，将流经水轮机后无用水流的动能转化为自身机械能，并将该机械能通过机械传动装置(2)传输到压水机(1)上，压水机(1)不断地旋转将上游河道的水吸引加速后推向下游水轮机用于做功发电，等效于增加河道上游和河道下游之间的水位差。
8.根据权利要求7所述的一种利用水利发电涡轮装置的发电方法，其特征在于，机械传动装置(2)连接有控制系统(5)，PLC控制器，控制系统(5)包括PLC控制器和流量传感器，流量传感器采集上游河道的水流流量，并将采集到的数据传输到PLC控制器中，PLC控制器将根据接收到的数据与设定的阈值进行比对，当接收到的数据小于设定的阈值时，机械传动装置(2)分别与涡轮装置(4)和压水机(1)断开；当接收到的数据大于设定的阈值时，机械传动装置(2)分别与涡轮装置(4)和压水机(1)闭合。
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