CN110985266A - 一种螺扇压能水轮机和有源线性矩阵式水电站 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺扇压能水轮机，包括进水舱；旋转舱设置于进水舱的下方，旋转舱包括与进水舱固定连接的旋转舱体和可进行旋转的旋转体，旋转体设置于旋转舱体的内部，旋转体上设置有若干环绕旋转体的中心轴线等角度分布的螺扇，螺扇沿旋转体呈螺旋方式设置，螺扇呈凹面，且螺扇的外侧壁固连接于旋转体外壁上，旋转舱体和旋转体外壁之间存在间隙，且旋转舱体上还设置有一第一气压阀；出水舱，设置于旋转舱的下方，出水舱与旋转舱体固定连接。本发明可以通过旋转体将旋转所产生的动能传输至发电机上，使得水压能量能够得到充分有效的利用。

Description

一种螺扇压能水轮机和有源线性矩阵式水电站

技术领域

本发明属于水轮机技术领域，具体涉及一种螺扇压能水轮机和有源线性矩阵式水电站。

背景技术

我国水能资源丰富，不论是水能资源蕴藏量，还是可能开发的水能资源，在世界各国中均居第一位，未来随着能源结构的调整，水能作为一种可再生的新能源，取之不尽，用之不竭，水力发电前景广阔，因此发展水力发电就显得特别重要而紧迫。

水力发电是利用位于高处的河流、湖泊等水资源被运动至低处时所具有的能量，通过水轮机转换成机械能，再通过由水轮机所带动的发电机将机械能转换成电能，因此水轮机对于水力发电是至关重要的。

但是，目前水轮机技术因受传统理念的影响，不能对水流压力能量进行有效的利用，造成了水流压力能量的浪费。

发明内容

为了解决现有水轮机技术发展中存在的上述问题，本发明提供了一种螺扇压能水轮机和有源线性矩阵式水电站。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种螺扇压能水轮机，包括：

进水舱；

旋转舱，设置于所述进水舱的下方，所述旋转舱包括与所述进水舱固定连接的旋转舱体和可进行旋转的旋转体，所述旋转体设置于所述旋转舱体的内部，所述旋转体上设置有若干环绕所述旋转体的中心轴线等角度分布的螺扇，所述螺扇沿所述旋转体呈螺旋方式设置，所述螺扇呈凹面，且所述螺扇的外侧壁连接于所述旋转体外壁上，所述旋转舱体和所述旋转体外壁之间存在间隙，且所述旋转舱体上还设置有一第一气压阀；

出水舱，设置于所述旋转舱的下方，所述出水舱与所述旋转舱体固定连接。

在本发明的一个实施例中，所述进水舱为第一进水舱，所述第一进水舱包括第一进水舱体和第一上固定座，所述第一上固定座设置于所述第一进水舱体上方，且与所述第一进水舱体之间设置有存储空气的第一空间，所述第一进水舱体上设置有两个第一进水通道，两个所述第一进水通道分布于所述第一上固定座中心轴线的两侧且距离所述第一上固定座的中心距离相等，所述第一进水通道对侧的所述第一进水舱的第一侧壁呈圆弧状，且所述第一进水舱体的下壁上设置有第一疏水通道，所述旋转体上方固定设置有穿过所述第一进水舱体和第一上固定座的第一主轴，所述第一主轴通过轴承组与所述第一上固定座相连，所述旋转体通过轴承组与所述第一进水舱相连，同时所述第一上固定座上还设置有一第二气压阀。

在本发明的一个实施例中，所述第一进水舱还包括一体式进水体，所述一体式进水体包括总进水通道和两个分进水通道，所述两个分进水通道分别与两个所述第一进水通道相连接。

在本发明的一个实施例中，所述进水舱为第二进水舱，所述第二进水舱包括第二上固定座、进水本体、贮水本体、分水本体和固定支架，其中，

所述第二上固定座固定设置于所述进水本体的上方，所述进水本体固定设置于所述贮水本体的上方，所述贮水本体固定设置于所述分水本体的上方，所述固定支架固定设置于所述分水本体的内壁上，所述旋转体上方固定设置的第二主轴通过轴承组与所述固定支架相连。

在本发明的一个实施例中，所述固定支架包括水平固定杆、竖直固定杆、分水底座、通液外侧壁和通液内侧壁，其中，

所述水平固定杆的两端固定连接于所述分水本体的内壁上，所述竖直固定杆位于所述水平固定杆的下方，所述分水底座位于所述竖直固定杆的下方，且所述竖直固定杆的一端固定连接于所述水平固定杆上，所述竖直固定杆的另一端固定连接于所述分水底座上，所述旋转体上方固定设置的第二主轴通过轴承组与所述分水底座相连，所述通液外侧壁与所述通液内侧壁共轴，所述通液外侧壁位于所述通液内侧壁的外侧，且所述通液外侧壁与所述通液内侧壁固定设置于所述竖直固定杆和所述分水本体的内壁之间，所述通液外侧壁与所述通液内侧壁环绕所述竖直固定杆形成锥形疏水通道。

在本发明的一个实施例中，所述第二进水舱体还包括第二进水通道，所述第二进水通道设置于所述第二上固定座上或者设置于所述进水本体的侧壁上。

在本发明的一个实施例中，所述第二进水舱体还包括第三进水通道和第四进水通道，所述第三进水通道设置于所述第二上固定座上，所述第四进水通道设置于所述进水本体的侧壁上。

在本发明的一个实施例中，所述进水舱为第三进水舱，所述第三进水舱包括第二进水舱体、第三上固定座、高压进水通道和无压进水通道，其中，

所述第三上固定座固定设置于所述第二进水舱体的上方，所述第二进水舱体固定设置于所述旋转舱体上，所述高压进水通道和所述无压进水通道均设置于所述第二进水舱体的侧壁上，且所述高压进水通道和所述无压进水通道上均设置有阀门，所述旋转体上方固定设置的第三主轴穿过所述第二进水舱体和所述第三上固定座，所述第三主轴通过轴承组的轴承内环与所述第三上固定座相连，所述旋转体通过轴承组的轴承内环与所述第二进水舱体相连，所述第三主轴和所述第二进水舱体的内侧壁之间存在存储空气的间隙，同时所述第三上固定座上还设置有一第三气压阀。

在本发明的一个实施例中，所述出水舱包括出水舱体、下固定座和出水通道，其中，

所述出水舱体与所述旋转舱体固定连接，所述旋转体下方固定设置的第四主轴穿过所述出水舱体的空腔通过轴承组的轴承内环与所述下固定座相连，所述第四主轴和所述出水舱体的内侧壁之间存在存储空气的间隙，所述出水舱体的内侧壁上通过导气管连接一第四气压阀，所述出水通道设置于所述出水舱体的外侧壁上，且在所述出水通道上设置有阀门和水压计。

本发明的一个实施例还提供一种有源线性矩阵式水电站，包括上述任一项实施例所述的有源线性矩阵式水电站。

本发明的有益效果：

本发明将具有一定压强的水流通过进水舱输送至旋转舱，具有一定压强的水流便会流向环绕旋转体的中心轴线等角度分布的螺扇，因每个螺扇均呈螺旋方式设置，具有一定压强的水流会沿着螺扇的螺旋通道连续不断的压迫螺扇，因此螺扇会产生旋转扭矩，使得螺扇带动旋转体进行旋转，从而可以通过旋转体将旋转所产生的动能传输至发电机上，使得水压能量能够得到充分有效的利用。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种螺扇压能水轮机的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种螺扇压能水轮机的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种旋转舱的局部结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种螺扇的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种第一进水舱的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种密封结构的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种第一进水舱的俯视图；

图8是本发明实施例提供的再一种螺扇压能水轮机的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的一种一体式进水体的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的一种出水舱的结构示意图；

图11是本发明实施例提供的又一种螺扇压能水轮机的结构示意图；

图12是本发明实施例提供的又一种螺扇压能水轮机的结构示意图；

图13是本发明实施例提供的一种固定支架的结构示意图；

图14是本发明实施例提供的一种分水本体的结构示意图；

图15是本发明实施例提供的又一种螺扇压能水轮机的结构示意图；

图16是本发明实施例提供的又一种螺扇压能水轮机的结构示意图；

图17是本发明实施例提供的又一种螺扇压能水轮机的结构示意图；

图18是本发明实施例提供的又一种螺扇压能水轮机的结构示意图；

图19是本发明实施例提供的另一种第一进水舱的结构示意图；

图20是本发明实施例提供的另一种出水舱的结构示意图；

图21是本发明实施例提供的一种有源线性矩阵式水电站的结构示意图；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种螺扇压能水轮机的结构示意图，图2是本发明实施例提供的另一种螺扇压能水轮机的结构示意图。本发明实施例提供一种螺扇压能水轮机，包括：进水舱10、旋转舱20和出水舱30，其中，

进水舱10用于将具有一定压强的水流输送至旋转舱20中。

旋转舱20设置于进水舱10的下方，且旋转舱20包括与进水舱10固定连接的旋转舱体201和可进行旋转的旋转体202，例如，进水舱10和旋转舱体201之间可以通过螺栓203进行连接，旋转体202设置在旋转舱体201的内部，具体请参见图3和图4，在旋转体202上设置有若干环绕旋转体202的中心轴线等角度分布的螺扇204，螺扇204沿旋转体202呈螺旋方式设置，即螺扇204沿旋转体202的顶端至底端成螺旋方式设置在旋转体202上，且螺扇204呈凹面，即水流流向螺扇204时流向的为螺扇204的凹面，以便于将水流压力施加在螺扇204上且沿螺扇204的螺旋方向流通，优选地螺扇204相对于水平方向的斜率保持不变；另外为了控制水流的流向，螺扇204的外侧壁连接于旋转体外壁205上，且在旋转舱体201和旋转体外壁205之间存在间隙，同时旋转舱体201上还设置有一第一气压阀206，优选地，在旋转体202内设置有存储有空气的空腔209，目的是减轻旋转体202的重量和气压平衡，在空腔209中还设置有用于支撑的腔脊壁201，其可以增强旋转体202的强度。其中，螺扇204的数量例如可以为2个、3个或者4个，也可以根据实际需求设计成其它数量，本实施例对此不做具体限定。

出水舱30用于将旋转舱20中沿螺扇204流下的水排出舱体中。

也就是说，本实施例通过进水舱10将具有一定压强的水流输送至旋转舱20中，当水进入旋转舱20中后，具有一定压强的水流便会流向环绕旋转体的中心轴线等角度分布的螺扇204，而螺扇204因呈螺旋方式设置在旋转体202上，则水流将会沿着螺扇204的螺旋通道连续不断的压迫螺扇204，因本实施例在旋转体202上均匀设置有多个螺扇204，则当具有压力的水流不断压迫这些螺扇204时，便会因为受到这些水流压力的作用产生旋转扭矩，从而具有压力的水流可以不断的为螺扇204提供压力和推力，使得螺扇204旋转，从而带动旋转体202和旋转体外壁205一同旋转，而本实施例可以通过在旋转体202上通过安装主轴的方式将旋转体202旋转所产生的动能传输至发电机上，使得水压能量能够得到充分有效的利用，从而提高了水力的能量转换效率，并且本实施例的水轮机的运行转换对水源的要求较低，易于实现。其中，螺扇204的数量可以根据实际的设计需求进行设定，本实施例不对螺扇204的数量进行限定。

本实施例的进水舱10可以为第一进水舱101，也可以为第二进水舱102或第三进水舱103，本实施例以进水舱10为第一进水舱101为例对螺扇压能水轮机进行说明：

具体地，请参见图1、图2、图5，第一进水舱101包括第一进水舱体1011和第一上固定座1012，第一上固定座1012设置于第一进水舱体1011上方，第一上固定座1012与第一进水舱体1011固定连接，第一进水舱体1011与旋转舱体201之间固定连接，且旋转体202与第一进水舱体1011之间、旋转外壁205与第一进水舱体1011之间分别通过密封圈207进行密封，例如，请参见图6，密封圈207可以放置在密封座212中，密封座212固定放置在第一进水舱体1011上，密封圈207则直接与旋转体202、旋转外壁205相接触，从而实现密封作用，第一上固定座1012与第一进水舱体1011之间设置有存储空气的第一空间1013，第一进水舱体1011上设置有两个第一进水通道1014，如图7所述，两个第一进水通道1014分布于第一上固定座1012中心轴线的两侧且距离第一上固定座1012的中心距离相等，第一进水通道1014对侧的第一进水舱101的第一侧壁1015呈圆弧状，且第一进水舱体1011的下壁上设置有第一疏水通道1016，此时水流可以由第一进水通道1014进入到第一进水舱体1011中，并会流向第一侧壁1015，因第一侧壁1015呈圆弧状，其可以在第一侧壁1015的作用下流向第一进水舱体1011的第一疏水通道1016，并流入旋转舱20的螺扇204上，另外，旋转体202上方固定设置有穿过第一进水舱体1011和第一上固定座1012的第一主轴208，该第一主轴208穿过的为第一空间1013，第一主轴208通过轴承组203的轴承内环与第一上固定座1012相连，因此，在第一进水舱101中通入一定压力的水后，其可以将水导流至旋转舱20中，并在水压的作用下驱动旋转体202进行旋转，而旋转体202旋转所产生的动能便可以通过第一主轴208传输出去，例如传输至发电机进行发电，为了便于旋转体202的旋转，旋转体202通过轴承组203的轴承内环与第一进水舱体1011相连，同时第一上固定座1012上还设置有一第二气压阀1017，用于平衡第一空间1013与外界的气压。

另外，请参见图8和图9，第一进水舱101还包括一体式进水体1018，一体式进水体1018包括总进水通道10181和两个分进水通道10182，两个分进水通道10182分别与两个第一进水通道1014相连接，总进水通道10181用于接入具有一定压强的水流，并通过两个分进水通道10182将水流导入第一进水舱101。

在一个具体实施例中，请参见图1、图2和图10，出水舱30包括出水舱体301、下固定座302和出水通道303，其中，出水舱体301与旋转舱体201固定连接，例如通过螺栓304固定连接，旋转体202下方固定设置的第四主轴211穿过出水舱体301通过一轴承组108的轴承内环与下固定座302相连，第四主轴211也可穿过出水舱体301底部连接一发电机，从而实现转换能量的输出，以提高其转换效率，且出水舱体301通过一轴承组108的轴承内环与旋转体202相连，出水舱体301内设置有存储有空气的空腔306，第四主轴211穿过该空腔306，出水舱体301的内侧壁305上通过导气管307连接一第四气压阀308，用于调节气压的平衡，出水通道303设置于出水舱体301的外侧壁309上，且在出水通道303上设置有阀门和水压计310，则从旋转舱20流至出水舱30中的水流便可以通过出水通道303排出，还可以通过水压计310测试出水舱30中的水压，通过阀门控制出水舱体301的打开与关断。

本发明的水轮机所需要的具有一定压力的水流做功仅须一个落差，即只需要一个水头落差提供能量即可，而传统水轮机要实现水能的正常转换客观需要水流运动转换过程有三段落差，即水头落差、机内冲击落差和尾水泄出落差。

本发明的水轮机与传统水轮机的水流状态转换位置不同。本发明的水轮机的能量转换是在水流终端出口之前全封闭状态下的导水过程完成的，即当水流从终端出水口流出时，传统水轮机正是进行能量转换的开始，而此水轮机恰恰相反是能量转换的结束。

本发明的水轮机与传统水轮机所转换水流能量的主体属性不同。传统水轮机主要是靠水流在终端出口与自然大气接触后所具有的冲力动能来进行能量转换，而本发明水轮机主要是靠水流在终端出口与自然大气接触后所形成压差的压力推动来进行能量转换。

本发明的水轮机用于做功水流可被重复转换。本发明的水轮机与传统水轮机的一个主要区别在于，传统水轮机大都以水力动能作为主要能量转换要素，且水能的转换效率对于某一系统的确定元流而言仅限于瞬间的一次性。而此水轮机主要转换的是水流压力作用能量。由《水力学》可以知道，一定条件下水流压力具有稳定性或不变性，故运用水流的这一特性所设计的水轮机，则可以进行水流压能作用的任意次转换，提高了水流能量综合转化效率。

本发明的水轮机内设计了气压平衡封水系统。在传统水轮机中封水方式几乎全部采用提高器件耐磨强度来实现有效的高压封水作用，这会在一定程度上增加封水难度和能量损失。而本发明的水轮机则是利用密封圈进行软密封，并在每个舱体中设置了气压平衡结构，从而使需要密封的部位通过气压输入与水压达到平衡，从而阻止水流侵入，由此既降低了封水难度和能量损失，同时还增加了封水的可靠性。

本发明的水轮机消除了水轮机的气蚀问题。本发明的水轮机使得水流在水轮机内进行能量转换过程中始终处于连续的压力平稳状态，没有压强局部跃变，故不会产生危害水轮机寿命的气蚀现象，从而解决了水轮机易于气蚀这一问题。

实施例二

在上述实施例的基础上，本实施例以进水舱为第二进水舱为例对螺扇压能水轮机进行说明。

请参见图11和图12，本实施例的第二进水舱102包括第二上固定座1021、进水本体1022、贮水本体1023、分水本体1024和固定支架1025，其中，第二上固定座1021固定设置于进水本体1022的上方，进水本体1022用于获取具有一定压强的水流，第二上固定座1021与进水本体1022之间例如可以通过螺栓连接，进水本体1022固定设置于贮水本体1023的上方，且进水本体1022和贮水本体1023之间是连通的，进水本体1022的水流将流向贮水本体1023，贮水本体1023用来贮水，贮水本体1023与进水本体1022之间例如可以通过螺栓连接，贮水本体1023固定设置于分水本体1024的上方，且贮水本体1023和分水本体1024之间是连通的，贮水本体1023所贮存的水流将流向分水本体1024，并通过分水本体1024将水流导向旋转舱20中，固定支架1025固定设置于分水本体1024的内壁上，旋转体202上方固定设置的第二主轴213通过轴承组108的轴承内环与固定支架1025相连，即固定支架1025用于将旋转体202与分水本体1024通过轴承实现连接，由此既可以加强连接，又可以使旋转体202转动。

进一步地，请参见图12、图13和图14，固定支架1025包括水平固定杆10251、竖直固定杆10252、分水底座10253、通液外侧壁10254和通液内侧壁10255，其中，水平固定杆10251的两端固定连接于分水本体1024的内壁上，水平固定杆10251呈水平状态，其可以为一根水平固定杆10251，也可以为两根水平固定杆10251呈十字交叉状态，也可以为多根水平固定杆10251交叉为其它状态，水平固定杆10251例如为刀型杆，竖直固定杆10252位于水平固定杆10251的下方，竖直固定杆10252呈竖直状态，分水底座10253位于竖直固定杆10252的下方，且竖直固定杆10252的一端固定连接于水平固定杆10251上，竖直固定杆10252的另一端固定连接于分水底座10253上，旋转体202上方固定设置的第二主轴213通过一轴承组108的轴承内环与分水底座10253相连，通液外侧壁10254与通液内侧壁10255共轴，通液外侧壁10254位于通液内侧壁10255的外侧，且通液外侧壁10254与通液内侧壁10255固定设置于竖直固定杆10252和分水本体1024的内壁之间，通液外侧壁10254与通液内侧壁10255环绕竖直固定杆10252形成锥形疏水通道10256，则流入分水本体1024便可以通过锥形疏水通道10256流至旋转舱20中。

本实施例的进水舱10上的进水口可以为一个，也可以为两个，当进水口为一个时，其可以为第二进水通道1026，请参见图11和图15，该第二进水通道1026可以设置在第二上固定座1021上，也可以设置在进水本体1022的侧壁上。

当进水舱10上的进水口为两个时，请参见图16，两个进水口分别为第三进水通道1027和第四进水通道1028，第三进水通道1027设置于第二上固定座1021上，第三进水通道1027用于通入低压水，第四进水通道1028设置于进水本体的侧壁上，第四进水通道1028用于通入高压水，高压水为小流量水，低压水为大流量水，两种水流从正向和侧向汇入进水本体1022，并通过贮水本体1023对两种水流状态进行融合稳定，从而保证进入旋转舱20内水体的平稳性，也正是由于有高压水体的规律性导入，使得原本较低的水压得以大幅提升，最终实现系统水力能量转换效率的较大提高。

在本实施例中，旋转体202下方固定设置的第四主轴211穿过出水舱体301连接发电机，从而为发电机提供动力。

本发明的水轮机所需要的具有一定压力的水流做功仅须一个落差，即只需要一个水头落差提供能量即可，而传统水轮机要实现水能的正常转换客观需要水流运动转换过程有三段落差，即水头落差、机内冲击落差和尾水泄出落差。

本发明的水轮机与传统水轮机的水流状态转换位置不同。本发明的水轮机的能量转换是在水流终端出口之前全封闭状态下的导水过程完成的，即当水流从终端出水口流出时，传统水轮机正是进行能量转换的开始，而此水轮机恰恰相反是能量转换的结束。

本发明的水轮机与传统水轮机所转换水流能量的主体属性不同。传统水轮机主要是靠水流在终端出口与自然大气接触后所具有的冲力动能来进行能量转换，而本发明水轮机主要是靠水流在终端出口与自然大气接触后所形成压差的压力推动来进行能量转换。

本发明的水轮机用于做功水流可被重复转换。本发明的水轮机与传统水轮机的一个主要区别在于，传统水轮机大都以水力动能作为主要能量转换要素，且水能的转换效率对于某一系统的确定元流而言仅限于瞬间的一次性。而此水轮机主要转换的是水流压力作用能量。由《水力学》可以知道，一定条件下水流压力具有稳定性或不变性，故运用水流的这一特性所设计的水轮机，则可以进行水流压能作用的任意次转换，提高了水流能量综合转化效率。

本发明的水轮机内设计了气压平衡封水系统。在传统水轮机中封水方式几乎全部采用提高器件耐磨强度来实现有效的高压封水作用，这会在一定程度上增加封水难度和能量损失。而本发明的水轮机则是利用密封圈进行软密封，并在每个舱体中设置了气压平衡结构，从而使需要密封的部位通过气压输入与水压达到平衡，从而阻止水流侵入，由此既降低了封水难度和能量损失，同时还增加了封水的可靠性。

本发明的水轮机消除了水轮机的气蚀问题。本发明的水轮机使得水流在水轮机内进行能量转换过程中始终处于连续的压力平稳状态，没有压强局部跃变，故不会产生危害水轮机寿命的气蚀现象，从而解决了水轮机易于气蚀这一问题。

实施例三

在上述实施例的基础上，本实施例以进水舱为第三进水舱为例对螺扇压能水轮机进行说明。

请参见图17、图18、图19和图20，本实施例的第三进水舱103包括第二进水舱体1031、第三上固定座1032、高压进水通道1033和无压进水通道1034，其中，第三上固定座1032固定设置于第二进水舱体1031的上方，第二进水舱体1031固定设置于旋转舱体201上，且旋转体202与第二进水舱体1031之间、旋转外壁205与第二进水舱体1031之间分别通过密封圈207进行密封，高压进水通道1033和无压进水通道1034均设置于第二进水舱体1031的侧壁上，高压进水通道1033用于通入高压水流，无压进水通道1034用于通入无压水流，且高压进水通道1033和无压进水通道1034上均设置有阀门1035，阀门1035用于控制高压进水通道1033和无压进水通道1034的通断，旋转体202上方固定设置的第三主轴214穿过第二进水舱体1031和第三上固定座1032，第三主轴214通过轴承组108的轴承内环与第三上固定座1032相连，旋转体202通过轴承组108的轴承内环与第二进水舱体1031相连，第三主轴214和第二进水舱体1031的内侧壁之间存在存储空气的空腔1036，同时第三上固定座1032上还设置有一第三气压阀1037，用于保持气压平衡，本实施例的水能机在实际工作时，可以首先关闭高压进水通道1033上的阀门1035和出水舱30上的阀门311，将无压水从无压进水通道1034导入直至整个水轮机内部完全充满无压水，然后关闭无压进水通道1034，再打开高压进水通道1033上的阀门1035，使旋转舱20内的螺扇204的各部分都受到相应高压水体的作用，据水力学有关原理可知，此时虽然螺扇204受到了压力的作用，但因为处于静态平衡条件下，各受力点的合力为零，故螺扇204不会转动。但当出水舱30上的阀门311打开时，则建立了压力差，之后水轮机舱体内的平衡态被打破，螺扇204上各个水体压力承受点产生了有效力矩，所有各点的力矩之和推动了螺扇204转动起来，且这种转动的动态大小可以只与水位的高度和承受水压作用点的面积及水的密度建立直接的正比关系，而水的流量由于很小可以忽略。于是，为了实现水轮机输出功率的最大化，需要尽可能的将水位抬高，尽可能的将导压水管做得细小，尽可能的将水轮机受力面做大，从而可以让水源能量转换效率实现极大化。

本发明的水轮机所需要的具有一定压力的水流做功仅须一个落差，即只需要一个水头落差提供能量即可，而传统水轮机要实现水能的正常转换客观需要水流运动转换过程有三段落差，即水头落差、机内冲击落差和尾水泄出落差。

本发明的水轮机与传统水轮机的水流状态转换位置不同。本发明的水轮机的能量转换是在水流终端出口之前全封闭状态下的导水过程完成的，即当水流从终端出水口流出时，传统水轮机正是进行能量转换的开始，而此水轮机恰恰相反是能量转换的结束。

本发明的水轮机与传统水轮机所转换水流能量的主体属性不同。传统水轮机主要是靠水流在终端出口与自然大气接触后所具有的冲力动能来进行能量转换，而本发明水轮机主要是靠水流在终端出口与自然大气接触后所形成压差的压力推动来进行能量转换。

本发明的水轮机用于做功水流可被重复转换。本发明的水轮机与传统水轮机的一个主要区别在于，传统水轮机大都以水力动能作为主要能量转换要素，且水能的转换效率对于某一系统的确定元流而言仅限于瞬间的一次性。而此水轮机主要转换的是水流压力作用能量。由《水力学》可以知道，一定条件下水流压力具有稳定性或不变性，故运用水流的这一特性所设计的水轮机，则可以进行水流压能作用的任意次转换，提高了水流能量综合转化效率。

本发明的水轮机内设计了气压平衡封水系统。在传统水轮机中封水方式几乎全部采用提高器件耐磨强度来实现有效的高压封水作用，这会在一定程度上增加封水难度和能量损失。而本发明的水轮机则是利用密封圈进行软密封，并在每个舱体中设置了气压平衡结构，从而使需要密封的部位通过气压输入与水压达到平衡，从而阻止水流侵入，由此既降低了封水难度和能量损失，同时还增加了封水的可靠性。

本发明的水轮机消除了水轮机的气蚀问题。本发明的水轮机使得水流在水轮机内进行能量转换过程中始终处于连续的压力平稳状态，没有压强局部跃变，故不会产生危害水轮机寿命的气蚀现象，从而解决了水轮机易于气蚀这一问题。

实施例四

在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供一种有源线性矩阵式水电站，该有源线性矩阵式水电站是通过上述实施例所提供的螺扇压能水轮机通过串接的方式组成的，例如请参见图21，有源线性矩阵式水电站可以包括若干个水轮组，每组水轮组包括若干个螺扇压能水轮机2，螺扇压能水轮机2之间通过管路串接起来，且水轮组之间通过导水管道4串接起来，每个螺扇压能水轮机2均连接一发电机3，且在第一组水轮组的第一个螺扇压能水轮机2的进水端连接高压水进水管路1，用于输送具有一定压强的水，在最后一组水轮组的最后一个螺扇压能水轮机2的出水端连接出水管路5，用于将水输送出去。

本发明实施例所提供的螺扇压能水轮机按照一定设计方案进行串接使用，并构成线性矩阵式水能转换系统-有源线性矩阵式水电站，为水流能量转换提供一种新的方式。

本发明实施例所提供的螺扇压能水轮机及有源线性矩阵式水电站的水流能量转换过程的有效时间“长”。在有源线性矩阵式水电站的水流从进水端进入至从出水端流出的完整过程中的相同水流、从单个水轮机由进入至流出的时间及同一水流单元所被经历的转换的总时间，即所谓水流能量转换的有效时间。从技术设计的角度看无论是一台水轮机或由多台水轮机所组成的有源线性矩阵式水电站来看，本发明实施例所提供的螺扇压能水轮机的能量有效转换时间比传统水轮机都要长(若以三峡100米的水头及所用10米直径水轮机为例，其单孔导流槽内的水流能量有效转换时间大约为0.5秒，以相同水轮机转轮直径计算，本发明实施例所提供的水轮机转换用时大约为2秒，若串接20台，则总有效时间会长很多)，这说明本发明实施例所提供的螺扇压能水轮机及其所组成系统的水流能量转换能力很强大。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种螺扇压能水轮机，其特征在于，包括：

进水舱；

旋转舱，设置于所述进水舱的下方，所述旋转舱包括与所述进水舱固定连接的旋转舱体和可进行旋转的旋转体，所述旋转体设置于所述旋转舱体的内部，所述旋转体上设置有若干环绕所述旋转体的中心轴线等角度分布的螺扇，所述螺扇沿所述旋转体呈螺旋方式设置，所述螺扇呈凹面，且所述螺扇的外侧壁连接于所述旋转体外壁上，所述旋转舱体和所述旋转体外壁之间存在间隙，且所述旋转舱体上还设置有一第一气压阀；

出水舱，设置于所述旋转舱的下方，所述出水舱与所述旋转舱体固定连接。

2.根据权利要求1所述的螺扇压能水轮机，其特征在于，所述进水舱为第一进水舱，所述第一进水舱包括第一进水舱体和第一上固定座，所述第一上固定座设置于所述第一进水舱体上方，且与所述第一进水舱体之间设置有存储空气的第一空间，所述第一进水舱体上设置有两个第一进水通道，两个所述第一进水通道分布于所述第一上固定座中心轴线的两侧且距离所述第一上固定座的中心距离相等，所述第一进水通道对侧的所述第一进水舱的第一侧壁呈圆弧状，且所述第一进水舱体的下壁上设置有第一疏水通道，所述旋转体上方固定设置有穿过所述第一进水舱体和第一上固定座的第一主轴，所述第一主轴通过轴承组与所述第一上固定座相连，所述旋转体通过轴承组与所述第一进水舱相连，同时所述第一上固定座上还设置有一第二气压阀。

3.根据权利要求2所述的螺扇压能水轮机，其特征在于，所述第一进水舱还包括一体式进水体，所述一体式进水体包括总进水通道和两个分进水通道，所述两个分进水通道分别与两个所述第一进水通道相连接。

4.根据权利要求1所述的螺扇压能水轮机，其特征在于，所述进水舱为第二进水舱，所述第二进水舱包括第二上固定座、进水本体、贮水本体、分水本体和固定支架，其中，

所述第二上固定座固定设置于所述进水本体的上方，所述进水本体固定设置于所述贮水本体的上方，所述贮水本体固定设置于所述分水本体的上方，所述固定支架固定设置于所述分水本体的内壁上，所述旋转体上方固定设置的第二主轴通过轴承组与所述固定支架相连。

5.根据权利要求4所述的螺扇压能水轮机，其特征在于，所述固定支架包括水平固定杆、竖直固定杆、分水底座、通液外侧壁和通液内侧壁，其中，

所述水平固定杆的两端固定连接于所述分水本体的内壁上，所述竖直固定杆位于所述水平固定杆的下方，所述分水底座位于所述竖直固定杆的下方，且所述竖直固定杆的一端固定连接于所述水平固定杆上，所述竖直固定杆的另一端固定连接于所述分水底座上，所述旋转体上方固定设置的第二主轴通过轴承组与所述分水底座相连，所述通液外侧壁与所述通液内侧壁共轴，所述通液外侧壁位于所述通液内侧壁的外侧，且所述通液外侧壁与所述通液内侧壁固定设置于所述竖直固定杆和所述分水本体的内壁之间，所述通液外侧壁与所述通液内侧壁环绕所述竖直固定杆形成锥形疏水通道。

6.根据权利要求4所述的螺扇压能水轮机，其特征在于，所述第二进水舱体还包括第二进水通道，所述第二进水通道设置于所述第二上固定座上或者设置于所述进水本体的侧壁上。

7.根据权利要求4所述的螺扇压能水轮机，其特征在于，所述第二进水舱体还包括第三进水通道和第四进水通道，所述第三进水通道设置于所述第二上固定座上，所述第四进水通道设置于所述进水本体的侧壁上。

8.根据权利要求1所述的螺扇压能水轮机，其特征在于，所述进水舱为第三进水舱，所述第三进水舱包括第二进水舱体、第三上固定座、高压进水通道和无压进水通道，其中，

所述第三上固定座固定设置于所述第二进水舱体的上方，所述第二进水舱体固定设置于所述旋转舱体上，所述高压进水通道和所述无压进水通道均设置于所述第二进水舱体的侧壁上，且所述高压进水通道和所述无压进水通道上均设置有阀门，所述旋转体上方固定设置的第三主轴穿过所述第二进水舱体和所述第三上固定座，所述第三主轴通过轴承组的轴承内环与所述第三上固定座相连，所述旋转体通过轴承组的轴承内环与所述第二进水舱体相连，所述第三主轴和所述第二进水舱体的内侧壁之间存在存储空气的间隙，同时所述第三上固定座上还设置有一第三气压阀。

9.根据权利要求1所述的螺扇压能水轮机，其特征在于，所述出水舱包括出水舱体、下固定座和出水通道，其中，

所述出水舱体与所述旋转舱体固定连接，所述旋转体下方固定设置的第四主轴穿过所述出水舱体的空腔通过轴承组的轴承内环与所述下固定座相连，所述第四主轴和所述出水舱体的内侧壁之间存在存储空气的间隙，所述出水舱体的内侧壁上通过导气管连接一第四气压阀，所述出水通道设置于所述出水舱体的外侧壁上，且在所述出水通道上设置有阀门和水压计。

10.一种有源线性矩阵式水电站，其特征在于，包括上述权利要求1至权利要求9中至少一项所述的螺扇压能水轮机。

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