CN111022241B - 一种提升水轮机发电效率及抑止水轮机零配件空蚀的方法 - Google Patents

一种提升水轮机发电效率及抑止水轮机零配件空蚀的方法 Download PDF

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Abstract

一种提升水轮机发电效率及抑止水轮机零配件空蚀的方法，设置气体导入装置，利用水库水头的位能产生高速水流，高速水流在气体导入装置的释气口形成负压，来吸入外部气体与水混合同时加压，制造出含有大量「加压气泡」的水流；利用此含有大量「加压气泡」的水流，于水轮机出水口附近压力下降时，「加压气泡」解压，体积大幅膨胀，可以协助高速水流对叶轮做功，来提升水轮机的发电效率；高速水流对水轮机叶轮导板冲击产生高压区和低压区；在高压区，水的位能动能转换为电能，在低压区因部分低于水的蒸气压时，水气化而产生空泡，导致侵蚀水轮机的零配件，故而影响到水轮机的效率及使用寿命，利用水流中的加压气泡，提升低压区的压力，防止空蚀现象。

Description

一种提升水轮机发电效率及抑止水轮机零配件空蚀的方法
技术领域
本发明涉及一种提升水轮机发电效率，以及抑止水轮机零件及配件等相关组件空蚀的方法。
背景技术
如图1所示，水轮机(Turbine)300是通过水力发电站的水坝100，将水流集中，让水通过引水管200的进水口201，由上而下由出水口202至水轮机300，冲击水轮机300转动，并由水轮机300带动与其连接的发电机400产生电能。
次者，水轮机依其工作原理大致上可分为「冲击式」水轮机，「反冲击式」水轮机。其中，「冲击式」水轮机是利用高速水流冲击转动叶片或水斗302a来做功，其主要代表机型如图2A所示的佩尔顿水轮机(Pelton Turbine)300a。至于「反冲击式」水轮机是利用水流的压力和动能来做功，其主要代表机型如图2B所示，使用涡轮式转动叶片302b的弗朗西斯水轮机(Francis Turbine)300b，以及如图2C所示，使用螺旋式转动叶片302c的的卡布兰水轮机(Kaplan Turbine)300c。
然，无论是上面那一种水轮机，其皆是利用水头位能来驱动转动叶片，其外型构造上大致上可分为：「非封闭式」壳体301a，如图2A所示的佩尔顿水轮机(Pelton Turbine)；以及「封闭式』壳体301b，如图2B所示的弗朗西斯水轮机(Francis Turbine)及图2C所示的卡布兰水轮机(Kaplan Turbine)。
但查，在水轮机运转中有一个特殊的物理现象，就是高速水流在水轮机对导板、叶轮等相关零件及配件，冲击产生高压区和低压区在高压区，水的位能动能转换为电能，在低压区，因部分低于水的蒸气压时，水气化而产生空泡而导致侵蚀水轮机的零组件，故而影响到水轮机的效率及使用寿命。然，为防止水轮机相关零件及配件空蚀的方法，只能选用耐空蚀的特种金属材料，但是价格高昂又难加工，例如：ASTM A487 stainless steel等特殊不锈钢材料。
但查，如为了改善上述问题点，过于复杂的设计，或是会改变水轮机的构造的设计，并非能轻易完成，且所费不赀。是以，如何能以低成本来制造水轮机，进而提升水轮机的功率及抑止水轮机零配件等相关组件空蚀现象的发生，为本发明所欲解决的课题。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题在于，克服现有技术存在的上述缺陷，而提供一种提升水轮机发电效率及抑止水轮机零配件空蚀的方法，利用水流中的加压气泡，提升低压区的压力，同时可抑止低压区空泡的发生，防止空蚀现象。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种提升水轮机发电效率及抑止水轮机零配件空蚀的方法，其包含：一引水管，设于水力发电站的水坝上，其上端具有一进水口，底端具有一出水口；一水轮机，具有一壳体，及设于该壳体内的一转动叶片，该水轮机衔接于该引水管的出水口，利用该引水管的水流速度及水的重力来驱动该转动叶片；其特征在于：
该引水管与该水轮机的转动叶片前，设置一气体导入装置，该气体导入装置包括至少一支导气管，其环设在该引水管与该转动叶片前的一管体上，该导气管上部具有一进气口，用以导入外部气体，下部则延伸至该管体内形成一释气口，且该导气管于该进气口与该释气口之间，设有一控制该导气管呈开启或关闭的一开关阀；运用伯努力原理(Bernoulli’s Principle)，该引水管的高速水流，于该管体的释气口形成负压，用以吸入外部气体；该等气体经流入该释气口释出并与水混合后，形成含有大量加压气泡的水流；借此，利用该水坝的水头位能及该气体导入装置来制造加压气泡，以该含有大量加压气泡的水流，在减压区因该加压气泡的体积膨胀，帮助水流推压该转动叶片，不仅可增加水流作用力来提升水轮机的功率，且水流中含有加压气泡，同时可抑止低压区空泡的发生，防止该水轮机产生空蚀现象。
在一可行实施例中，该水轮机可为一反冲击式水轮机，该壳体呈现封闭式，并具有一进水衔接管，该引水管的出水口与该水轮机的进水衔接管连接，该气体导入装置可由至少一支导气管所构成，并可包括设在该引水管的出水口前或该水轮机的进水衔接管上其中任一位置。
依据前揭特征，该气体导入装置还可包括具有一环形体，该多支导气管设在该环形体的周缘上，且该环形体的下端形成一环形释气口于该引水管或该水轮机的进水衔接管的管壁面。
依据前揭特征，该反冲击式水轮机包括为：弗朗西斯水轮机(Francis Turbine)及卡布兰水轮机(Kaplan Turbine)。
在另一可行实施例中，该水轮机可为冲击式水轮机，该引水管的出水口延伸至该冲击式水轮机的转动叶片的周边，且该气体导入装置设在该出水口前的周缘上。
依据前揭特征，该冲击式水轮机包括可为一佩尔顿水轮机(Pelton Turbine)。
依据前揭特征，该开关阀可包括为：手动式开关阀及自动式开关阀。当该引水管尚未达到高速水流状态时，该开关阀呈关闭(CLOSE)；当该引水管达到高速水流状态时，再打开该开关阀，使其呈开启(0PEN)。
借助上揭技术特征，本发明可以在水力发电站引水管的出水口与水轮机的转动叶片前，设置一气体导入装置，在勿须变更水轮机内部任何原设计的情况下，运用伯努力原理(Bernoulli’s Principle)，及利用水库水头位能产生的高速水流，此高速水流在气体导入装置的释气口形成负压，来吸入外部气体并与水混合后，制造出含大量加压气泡的水流；由于空蚀现象主要是因高速水流冲击转动叶片，低压部分因低于水的蒸气压，仗水汽化而产生空泡，导致侵蚀水轮机内部相关零组件，故而影响到水轮机的功率及使用寿命；由于本发明的高压气泡具有可压缩性，因此压缩时不会破裂，但传统的水流空泡会破裂；是以，本发明的高压气泡不仅可增加水流作用力来提升水轮机的功率，且水流中含有加压气泡，同时可抑止低压区空泡的发生，达到防止转动叶片及相关零组件产生空蚀现象。
本发明的有益效果是，利用水流中的加压气泡，提升低压区的压力，同时可抑止低压区空泡的发生，防止空蚀现象。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是现有水力发电站的示意图。
图2A是现有弗朗西斯水轮机的结构示意图。
图2B是现有卡布兰水轮机的结构示意图。
图2C是现有一佩尔顿水轮机的结构示意图。
图3是本发明第一实施例的结构立体图，其显示为水轮机为封闭式壳体。
图4A是本发明第一实施例的部分剖视图，其显示气体导入装置设在出水口前。
图4B是本发明第一实施例的部分剖视图，其显示气体导入装置设在水轮机上。
图5是图4B中的部分放大剖视图。
图6是图5中6-6断面的放大剖视图。
图7是本发明的气体导入装置另一实施例剖视图。
图8是图7中8-8断面放大剖视图。
图9是本发明第一实施例的一使用状态参考图。
图10是本发明第一实施例另一使用状态参考图。
图11是本发明第二实施例的示意图，其显示为水轮机为非封闭式壳体。
图12是本发明第二实施例的使用状态参考图。
图中标号说明：
10 水坝
20 引水管
21 进水口
22 出水口
23 调整阀
30 水轮机
30a 反冲击式水轮机
30c 冲击式水轮机
31 壳体
31a 封闭式壳体
31c 非封闭式壳体
32、32a、32b、32c 转动叶片
32d 水斗形叶轮
33 管体
33a 进水衔接管
40 气体导入装置
41 导气管
411 进气口
412 释气口
413 开关阀
42 环形体
422 环形释气口
50 发电机
具体实施方式
以下针对本发明上揭技术特征提供较佳实施例；但，水轮机种类繁多，且形状及构造皆不完全相同，因此虽仅列举较佳实施例加以说明，但其所运用的技术手段则相同，因此容不逐一赘述。且以下所述「水轮机零配件」包括水轮机零件及配件等相关组件。另转动叶片亦可称为叶轮或相关名称。
首先，请参阅图3～图10所示，本发明第一可行实施例包含：一引水管20，设于水力发电站的水坝10上，包括在该水坝10内部或其上方皆可。其上端具有一进水口21，底端具有一出水口22；一水轮机30，具有一壳体31，及设于该壳体31内的一转动叶片32，该水轮机30衔接于该引水管20的出水口22，利用该引水管20由上而下的水流压力驱动该转动叶片32，用以带动一发电机50；但，上揭构成属一般水力发电站的设备及基本构造，其原理及功能容不赘述。如图3及图4所示，本发明以下所述管体33，即指设在该出水口22前及一进水衔接管33a这一段所述的位置。
本发明最主要的特征在于：该引水管20的出水口22与该水轮机的转动叶片32前，设置一气体导入装置40，该气体导入装置40包括至少一支的导气管41，其环设在该引水管20的出水口22与该转动叶片32前的一管体33上，该导气管41上部具有一进气口411，用以导入外部气体(a)，下部则延伸至该管体33内壁面，形成一释气口412，且该导气管41于该进气口411与该释气口412之间，设有一控制该导气管41开启或关闭的一开关阀413。
如图3所示，在一可行实施例中，该水轮机30为反冲击式水轮机30a，其可包括为弗朗西斯水轮机(Francis Turbine)及卡布兰水轮机(Kaplan Turbine)。本实施例中，该反冲击式水轮机30a为一弗朗西斯水轮机，但不限定于此；该壳体31呈现封闭式壳体31a，其动叶片32为涡轮式32a，并具有一进水衔接管33a，该引水管20的出水口22与该进水衔接管33a连接，该气体导入装置40包括由多个导气管41所构成，其包括设在该引水管20的出水口22前或该进水衔接管33a上其中任一位置。
如图4A所示，本实施例中，该气体导入装置40设在该引水管20的出水口22前的周缘上，但不限定于此；该气体导入装置40亦可如图4B所示，设在该进水衔接管33a上；是以；本发明的气体导入装置40无论是设在该引水管20的出水口22前的周缘上，或是设在该进水衔接管33a上，皆可实施。
本实施例中，该开关阀413可为一手动式开关阀或是一自动式开关阀皆可实施。而该开关阀413的功能在于：当引水管20由上而下的水流刚要开始驱动该转动叶片32时，尚未达到高速水流状态，所以尚无法在释气口412产生的负压来导入气体，此时必须将该开关阀413关闭(CLOSE)，否则水流会由该释气口412冒出而倒灌至该进水口411。稍后，当引水管20达到高速水流状态时，再将该开关阀413开启(OPEN)，此时即得以高速水流(h)在气体导入装置40的释气口42形成负压，来吸入外部气体(a)并与水(w)混合后，以形成含有众多加压气泡(b)的水流。
在一最佳实施例中，该释气口412设在接近该出水口22前的位置，因为出水口22在此一位置的水流较快。且本发明所揭露的释气口412可为圆孔状，但不限定于此，其亦可为其它型体。又，本实施例中，该释气口412呈向后倾斜状，此为较佳实施例，但不限定于此。在一实验中得知，该释气口412如垂直于管壁而设置，亦可实施，即高压水流亦能于该释气口412产生负压吸力。
如图7及图8所示，本实施例中，该气体导入装置40还可包括具有一环形体42，该多个导气管41设在该环形体42的周缘上，且该环形体42的下端形成一环形释气口422于该引水管20或该进水衔接管33a的管壁面。该环形释气口422与上述释气口412，皆可于高速水流状态时，形成负压来吸入外部气体(a)并与水(w)混合后，以形成含有大量加压气泡(b)的水流。
图9是本发明第一实施例的一使用状态参考图，本发明是利用水头位能制造高速水流(h)，此高速水流(h)在气体导入装置40的释气口412形成负压，来吸入外部气体(a)并与水(w)混合后，形成含有大量加压气泡(b)的水流，利用此导入的气泡受到压缩而体积变小，于出水口附近压力渐低时，利用前、后压力差变化而瞬间膨胀变大。由于本发明的加压气泡(b)具有可压缩性，因此压缩时不会破裂，是以本发明的加压气泡(b)不仅可增加水流作用力(F)来提升水轮机的功率，且水流中含有加压气泡(b)，同时可抑止低压区空泡的发生，达到防止转动叶片30及其相关零组件产生空蚀现象。
图10是本发明第一实施例另一使用状态参考图，本实施例的水轮机30为一卡布兰水轮机(Kaplan Turbine)30b。其亦属于反冲击式水轮机30a的一种，具有一封闭式壳体31b，差异仅在于：该转动叶片32为一螺旋式转动叶片32c，因此亦可适用该气体导入装置40，具有与使用于弗朗西斯水轮机(Francis Turbine)时，相同的功效，容不赘述。
图11及图12是本发明又一实施例的示意图，其相同于上一实施例的结构以相同图号表示，其差异仅在于：该水轮机30为冲击式水轮机30c，属于非封闭式壳体31c，该引水管20的出水口22延伸至该冲击式水轮机30c的转动叶片32c的周边，且该气体导入装置40设在该出水口22前的周缘上。本实施例中，该冲击式水轮机30c包括为一佩尔顿水轮机(PeltonTurbine)，该壳体31为非封闭式壳体31c，该转动叶片32为水斗形叶轮32d。另该引水管20的出水口22的前方设有一调整阀23，用以调整该出水口22的水流量，但，该调整阀23属先前技术(Prior Art)，非本发明的专利目的，容不赘述。
是以，无论是市售那一型式的水轮机，诸如「封闭式壳体」的弗朗西斯式水轮机(Francis)、卡布兰式(Kaplan)水轮机，以及「非封闭式」壳体的佩尔顿水轮机(Pelton)；本发明上揭气体导入装置40的技术手段皆可适用。
综上所述，本发明上揭的技术手段，巧妙利用：
1.伯努力原理：利用水头位能制造高速水流(h)，以高速水流(h)在气体导入装置40的释气口412形成负压，来吸入外部气体(a)并与水混合后，形成含有大量加压气泡(b)的水流。由于该水流中的大量加压气泡(b)，其能源来自水库水头位能的转换，因此无须外加能源，所以具有经济效益。
2.气体的可压缩性原理及波以尔定律(Boyle’s law)：可压缩性气体的体积与施加的压力成反比，即P1V1＝P2V2，当压力增大则体积变小，压力减小则体积变大。例如：2P11V1＝1P22V2。由于水是不可压缩性，但水流中混合气泡时变成具有可压缩性的水流气泡，因此本发明含有大量加压气泡(b)的水流，具有可压缩性，且压缩时仅是体积的变化，但不会破裂。
3.加压气泡(b)不会破裂：由于空蚀现象主要是因高速水流冲击该转动叶片(叶轮导板)，低压部分因低于水的蒸气压，使水汽化而产生空泡，导致侵蚀水轮机内部相关零组件，故而影响到水轮机的功率及使用寿命；然本发明是利用水头位能制造高速水流(h)，在该气体导入装置40的释气口412形成负压，来吸入外部气体(a)并与水(w)混合后，形成含有大量加压气泡(b)的水流，利用此导入的气泡受到压缩而体积变小，于出水口附近压力渐低时，利用前、后压力差变化而瞬间膨胀变大，由于本发明的加压气泡(b)具有可压缩性，因此压缩时不会破裂，是以本发明的加压气泡(b)，在减压区因该加压气泡的体积膨胀，不仅可增加水流作用力来提升水轮机的功率，且水流中含有加压气泡(b)，同时可抑止低压区空泡的发生，达到防止转动叶片及其相关零组件产生空蚀现象。
借由上揭技术手段，使得本发明导入气体气泡，仅须在的高速水流区设置该气体导入装置40即可，无须任何动力，非常节省能源及成本。纵然须要加压注入气体，亦能以少量的动力即可获得数倍的动力效果。
进一步，该气体导入装置40可利用辅助方式导入气体，包括水力发电站的废气利用，送入该导气管40内(图未示)。因此属于资源回收再利用，不会增加资源及增加成本。又本发明如须要加压注入气体，再从该释气口42释出，可获得更高的推进动力效果，如此能以少量的动力即可获得数倍的动力效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种提升水轮机发电效率及抑止水轮机零配件空蚀的方法，其包含：
一引水管，设于水力发电站的水坝上，其上端具有一进水口，底端具有一出水口；
一水轮机，具有一壳体，及设于该壳体内的一转动叶片，该水轮机衔接于该引水管的出水口，以该引水管的水流速度及水的重力来驱动该转动叶片；其特征在于:
该引水管与该水轮机的转动叶片前，设置一气体导入装置，该气体导入装置包括至少一支导气管，其环设在该引水管与该转动叶片前的一管体上，该导气管上部具有一进气口，用以导入外部气体，下部则延伸至该管体内壁面，形成一释气口，且该导气管于该进气口与该释气口之间，设有一控制该导气管开启或关闭的一开关阀；
所述水轮机为反冲击式水轮机，该壳体呈现封闭式，并具有一进水衔接管，该引水管的出水口与该水轮机进水衔接管连接，该气体导入装置包括至少一支导气管，其包括设在该引水管的出水口前或该水轮机的进水衔接管上其中任一位置；
以该引水管的高速水流，于该管体的释气口形成负压，用以吸入外部气体；该气体经流入该释气口释出并与水混合后，形成含有大量气泡的水流；
借此，利用该水坝的水头位能及该气体导入装置来制造大量加压气泡并混入水流中，以该含有大量气泡的水流，在水轮机的减压区因该气泡的体积膨胀，帮助水流来推压该转动叶片；以及
所述气体导入装置还包括具有一环形体，该至少一支导气管设在该环形体的周缘上，且该环形体的下端形成一环形释气口于该引水管或该水轮机的进水衔接管的管壁面。
2.根据权利要求1所述的提升水轮机发电效率及抑止水轮机零配件空蚀的方法，其特征在于，所述反冲击式水轮机包括为:弗朗西斯水轮机及卡布兰水轮机。
3.一种提升水轮机发电效率及抑止水轮机零配件空蚀的方法，其包含：
一引水管，设于水力发电站的水坝上，其上端具有一进水口，底端具有一出水口；
一水轮机，具有一壳体，及设于该壳体内的一转动叶片，该水轮机衔接于该引水管的出水口，以该引水管的水流速度及水的重力来驱动该转动叶片；其特征在于:
该引水管与该水轮机的转动叶片前，设置一气体导入装置，该气体导入装置包括至少一支导气管，其环设在该引水管与该转动叶片前的一管体上，该导气管上部具有一进气口，用以导入外部气体，下部则延伸至该管体内壁面，形成一释气口，且该导气管于该进气口与该释气口之间，设有一控制该导气管开启或关闭的一开关阀；
以该引水管的高速水流，于该管体的释气口形成负压，用以吸入外部气体；该气体经流入该释气口释出并与水混合后，形成含有大量气泡的水流；以及
所述水轮机为冲击式水轮机，该引水管的出水口延伸至该冲击式水轮机的转动叶片的周边，且该气体导入装置设在该出水口前的周缘上；
借此，利用该水坝的水头位能及该气体导入装置来制造大量加压气泡并混入水流中，以该含有大量气泡的水流，在水轮机的减压区因该气泡的体积膨胀，帮助水流来推压该转动叶片。
4.根据权利要求3所述的提升水轮机发电效率及抑止水轮机零配件空蚀的方法，其特征在于，所述冲击式水轮机包括为一佩尔顿水轮机。
5.根据权利要求1或3所述的提升水轮机发电效率及抑止水轮机零配件空蚀的方法，其特征在于，所述开关阀包括为:手动式开关阀及自动式开关阀。
6.根据权利要求5所述的提升水轮机发电效率及抑止水轮机零配件空蚀的方法，其特征在于，当该引水管尚未达到高速水流状态时，该开关阀呈关闭；当该引水管达到高速水流状态时，再打开该开关阀，使其呈开启。
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