CN111412103A - 一种冲击式水轮发电机转轮制动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲击式水轮发电机转轮制动方法，先控制机坑下部出水管的出水阀门、以及机坑进水管的进水阀门，使机坑内的蓄水至少占机坑容积的80%；依靠惯性转动的转轮的叶片背水面搅动机坑内的蓄水，转轮将能量传递给机坑内的蓄水，使蓄水形成与转轮的转动方向一致的流动；流动的蓄水驱动机坑内靠近侧壁处的若干辅助制动涡轮转动，从而降低蓄水的流动速度，并使机坑内的蓄水形成紊流，直至转轮停止转动，此时开启出水阀门将机坑内的蓄水排空；检修结束后，开启进水阀门，进水管的水流冲击转轮，从而使转轮转动，进而带动转子转动而发电。本发明可显著地缩短转轮的制动时间，从而提高检修维护效率，有利于电网的正常运行。

Description

一种冲击式水轮发电机转轮制动方法

技术领域

本发明涉及水轮发电机技术领域，具体涉及一种冲击式水轮发电机转轮制动方法。

背景技术

随着人们节能环保意识的增强，作为绿色能源的水力发电正在大力发展，在水力发电领域，水轮机组是关键的部分，其通常包括定子、可转动地设置在定子内的转子、可驱动转子转动的转轮，其中的转轮被设置在一个机坑内，转轮包括中间的轴体、设置在轴体上的若干叶片，叶片的正面为迎水面，叶片的背面为背水面，机坑的一侧设有开口对准叶片迎水面的进水管，机坑的下部设有出水管。当水库内具有高水位差的水流通过进水管形成高速水流并冲击转轮的叶片迎水面时，即可使转轮转动并带动转子转动，进而生成电能。冲击完转轮的水流通过机坑下部的出水管向外流出。由于水库的水位差（俗称水头）越来越大，相应地，转轮的尺寸、重量也越来越大，转轮的转速越来越高，因此，转轮在工作时所形成的转动惯量也越来越大。当水轮机组出现故障、或者其它原因导致需要停机检修或维护时，我们需要切断进水管的进水，同时等待转轮以及转子逐渐减速直至停机，以便检修维护人员进入机坑内进行检修或维护工作。

可以理解的是，在正常情况下，具有极大转动惯量的转轮以及转子需要较长时间（可能是30-40分钟）才能完全停机，从而会造影响检修或维护的速度和效率。虽然现有技术中有很多可使转动体制动的技术方案，例如，汽车的制动系统等。但是和现有的制动系统的适用场景不同的是，转轮以及与其相关联的转子具有极大的转动惯量和惯性，而转轮上的叶片是用不锈钢锻造成型并与轴体焊接的薄壳件，难以承受很大的制动力，并且转轮的造价极高，一旦叶片出现损坏，将造成严重的损失。因此，现有的一些紧急制动系统不适合用于转轮的制动，而转子由于设置在定子内，也无法设置相应的制动结构进行制动。更多的时候人们只能耐心地等待转轮以及转子在与自身转动轴的摩擦力作用下自己停机，因而不利于提高检修和维护的效率。尤其是，停机时间长，造成机组辅助系统安全风险，特别是轴承供油系统一旦中断就会出现轴承烧毁严重事故，即意味着减少发电时间和发电量，因而影响电网的正常运行。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的水轮发电机转轮制动方式所存在的制动时间长、安全风险大、效率低、影响电网正常运行的问题，提供一种冲击式水轮发电机转轮制动方法，可显著地缩短转轮的制动时间，提高机组安全性和可靠性，同时提高检修维护效率，有利于电网的正常运行。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种冲击式水轮发电机转轮制动方法，包括如下步骤：

a. 先控制容置转轮的机坑下部出水管的出水阀门、以及机坑进水管的进水阀门，使机坑内的蓄水至少占机坑容积的80%；

b. 依靠惯性转动的转轮与机坑内的蓄水形成速度差，转轮的叶片背水面搅动机坑内的蓄水，转轮将能量传递给机坑内的蓄水，使蓄水形成与转轮的转动方向一致的流动；

c. 流动的蓄水驱动机坑内靠近侧壁处的若干辅助制动涡轮转动，从而降低蓄水的流动速度，并使机坑内的蓄水形成紊流，直至转轮停止转动，此时开启出水阀门将机坑内的蓄水排空；

d. 检修结束后，开启进水阀门，进水管的水流冲击转轮，从而使转轮转动，进而带动转子转动而发电。

我们知道，现有的转动机构的制动系统通常是给转动件（主要是转动轴）施加一个制动力矩，但是，大型水轮机组的转轮以及转子的质量大、转速高，相应地，其转动惯量极大，而如果对转轮的轴体施加制动力矩，由于其半径较小，因此，在一定的制动摩擦力下，其整体的制动力矩有限，难以快速地制动转轮和转子。另外，转轮的叶片为不锈钢锻造成型的薄壳件，其迎水面内凹，背水面向外鼓凸，俗称水斗。水斗在加工成型后通过焊接工艺与中间的轴体相连接，需要发电时，高速的大流量水流从进水管流出而依次冲击各叶片的迎水面，从而带动转轮高速转动。也就是说，水流施加给转轮的工作扭矩是依靠水流均匀地施加在各叶片的迎水面上的，因此，虽然其总体的工作扭矩巨大，但是转轮各叶片承受的作用力比较平缓。也就是说，如果在制动时，我们在短时间内直接在叶片上施加很大的制动力，会造成叶片的损坏。

为此，在需要制动转轮以停机检修时，本发明创造性地通过控制出水管的出水阀门、进水管的进水阀门，使得机坑内的蓄水迅速上升至不少于机坑容积的80%。此时，依靠惯性继续转动的转子整个被“埋”在蓄水中，体量巨大的蓄水对转轮的叶片产生柔缓和巨大的制动阻力以释放能量。尤其是，此时所有的叶片均在同一时间内受到制动阻力，一方面可极大地提升制动扭矩，使转轮在最短的时间内停止转动，另一方面最大限度地使叶片受力均匀，避免因叶片的受力集中或过大而导致叶片的损坏。

进一步地，本发明在机坑内靠近侧壁处设有若干辅助制动涡轮。当转轮搅动机坑内的蓄水，从而使蓄水形成与转轮的转动方向一致、但流速低于转轮的流动时，流动的蓄水一方面驱动机坑内的辅助制动涡轮转动，从而将蓄水的动能释放并传递给涡轮，另一方面，各涡轮转动时，会使机坑内原本向着一个方向流动的蓄水形成局部的原地转动，进而使机坑内的蓄水形成高度的紊流，以最大限度地消耗由转轮传递给蓄水的能量。

可以理解的是，当转轮停止转动时，我们只需打开出水阀门排空机坑内的蓄水，即可开始对水轮机组进行检修维护。

另外，当机坑内的蓄水至少占机坑容积的80%时，既可确保转轮被“埋”在蓄水里面，有效地避免进水管的水流直接冲击转轮的叶片，又可确保机坑内有足够的水量，以充分地吸收转轮的能量。

作为优选，在进水管与机坑连接的喷水口处设置可改变进水管水流的流向的换向罩，在步骤a中，先关闭出水管的出水阀门，当机坑内的蓄水占机坑容积的70%-80%时，关小进水管的进水阀门，然后通过换向罩改变进水管的水流方向，使进水管的水流朝向叶片的背水面，接着部分开启出水管的出水阀门，使机坑内蓄水至少占机坑容积的80%。

本发明在进水管的出口处设置可改变进水管水流的流向的换向罩，这样，需要发电时，换向罩使进水管流出的水流冲击叶片的迎水面，从而通过转轮带动转子转动以发电。而需要停机检修时，先关闭出水管的出水阀门，以便使机坑内的蓄水迅速地上升到机坑容积的70%-80%，从而对转轮的转动形成巨大的阻力。然后通过换向罩改变进水管的水流方向，使进水管的水流朝向叶片的背水面，从而利用进水管水流的冲击力对转轮产生制动阻力。

可以理解的是，由于进水管的水流朝向叶片的背水面时，机坑内的蓄水已经上升到机坑容积的70%-80%，也就是说，此时的转子已经被“埋”在蓄水中，因此，进水管的水流不会直接冲击在叶片的背水面上，而是冲击在跟随转轮转动的蓄水上，一方面可极大地缓冲叶片所受到的冲击力，另一方面可极大地减缓蓄水的流速，增大蓄水与转轮之间的流速差，使蓄水成为转轮转动的制动阻力，有利于转轮的快速制动停机。

需要说明的是，本发明在通过换向罩改变进水管的水流方向前，会先关小进水管的进水阀门，以便减小进水管的水流量，有利于换向罩的调节。

特别是，本发明在通过换向罩改变进水管的水流方向后，会部分开启出水管的出水阀门，以便将机坑内跟随转轮转动的部分蓄水及时的排出，并通过合理地控制进水阀门和出水阀门的启闭大小，使机坑内蓄水保持在至少占机坑容积的80%。也就是说，此时机坑内的蓄水会不断地被进水管流入的水流所替代，而新流入的蓄水会形成与转轮的转动方向相反的流动，因而可使机坑内的蓄水始终保持对转轮的制动效果。也就是说，通过不间断的进水可尽量增加蓄水池内总的进水量，以便吸收转轮的能量。

作为优选，在机坑的上部设置溢水孔，当机坑内蓄水的水位到达溢水孔位置时，即可通过溢水孔向外排出。

溢水孔方便机坑内多余的蓄水向外排出，从而方便进水阀门和出水阀门的控制。尤其是，当进水量大于出水量、从而使机坑内蓄水的水位不断上升并从溢水孔向外排出时，机坑内已经转动起来的蓄水分别通过上部的溢水孔和下部的出水管向外部分流出，然后进水管流入的水则补充排出的蓄水，并重新吸收转轮的动能。也就是说，通过上下分别排水，可最大限度地使机坑内的蓄水保持低速流动状态，从而增大对转轮的制动阻力。

作为优选，在机坑内设有环形导水壁，环形导水壁围成中心制动水域，在导水壁和机坑内侧壁之间形成环形制动水域，所述转轮的轴线竖直地位于中心制动水域内，在导水壁上等间距地设有若干导水口，在环形制动水域内对应导水口位置设有所述辅助制动涡轮。

本方案适用于立式水轮机组，其中转轮的轴线竖直地位于中心制动水域内，而环形导水壁在机坑内围成一个中心制动水域、以及位于导水壁和机坑内侧壁之间的环形制动水域。需要停机检修时，先使机坑内蓄水，此时转轮带动中心制动水域内的蓄水转动以释放转轮的惯性和动能。由于中心制动水域的容积相对较小，因此，转轮可使中心制动水域内的蓄水形成基本相同的流动速度，进而使蓄水能尽可多地吸收转轮的能量。

此外，中心制动水域内转动的蓄水可通过导水壁上的导水口进入环形制动水域内，从而有效地驱动环形制动水域内对应导水口位置设置的辅助制动涡轮转动，以释放中心制动水域内转动蓄水的能量，从而降低蓄水的转动速度，转动的辅助制动涡轮则使环形制动水域内的蓄水形成高度的紊流。

由能量守恒定律可知，转轮的惯性转动能量大部分被转换成机坑内蓄水的动能以及辅助制动涡轮的转动能量。相应地，当蓄水的流速越高时，其吸收的能量越多，辅助制动涡轮的转速越高时，其吸收的能量越多。因此，在相同的机坑容积下，我们可适当地减小环形导水壁与转轮叶片之间的距离，一方面使转轮能充分地带动中心制动水域内的蓄水以较高的速度转动，从而最大限度地释放能量，另一方面可使通过导水口进入环形制动水域内的水具有较高的流速和动能，以便驱动辅助制动涡轮以较高的速度转动，从而释放流水的动能。也就是说，在中心制动水域内，主要是通过蓄水吸收转轮的能量，其蓄水主要是层流；在环形制动水域内，主要是通过辅助制动涡轮吸收蓄水的动能，其蓄水主要是紊流。当我们将出水管的开口设置在机坑底部靠近中心位置时，可及时的排出中心制动水域内形成层流的蓄水，而设置在机坑侧壁的溢水孔则可及时地排出环形制动水域内紊流的蓄水，进而使通过进水管流进机坑的水能补充到中心制动水域以及内，并在最大限度地吸收转轮的能量后向外排出。

作为优选，所述导水口的中心线与所述转轮外侧边缘相切，从而使导水口在导水壁上倾斜设置。

本发明的导水口事倾斜设置在导水壁上的，并且导水口的中心线与转轮外侧边缘相切。这样，沿转轮的边缘切向流出的水流可迅速进入导水口内推动辅助制动涡轮转动，以便将水流的能量传递给辅助制动涡轮。另外，若干倾斜设置的导水口使得导水壁呈锯齿状，从而可显著地增加对中心制动水域内的水流形成阻碍，以消减水流的动能。也就是说，中心制动水域内流动的水流一方面驱动导水口内的水，使得导水口内的水流动形成一定的水流，并驱动辅助制动涡轮转动，另一方面，释放动能后减速的水流又被转轮以及由叶片带动的水流带动而重新提速，进而实现能量的连续转移和释放。

作为优选，进水管包括与水库连通的主管道、并联连接在主管道上的发电分管道和制动分管道，所述主管道和发电分管道、制动分管道连接成Y形，从而在发电分管道和制动分管道之间形成第三连接点、在主管道和制动分管道之间形成第二连接点、在主管道和发电分管道之间形成第一连接点，发电分管道和制动分管道分别在机坑上形成喷水口，其中发电分管道的喷水口朝向叶片的迎水面，制动分管道的喷水口朝向叶片的背水面，所述进水阀门设置在主管道上，在第三连接点处设有可转动的转向阀板，在步骤a中，先关闭出水管的出水阀门，然后转动转向阀板，使转向阀板的自由端抵靠第一连接点，此时主管道与制动分管道连通，从制动分管道流出的水流在机坑内形成蓄水；在步骤b中，从制动分管道流出的水流使机坑内的蓄水形成与转轮的转动方向相反的环形流动。

本发明的进水管包括连接成Y形的主管道、发电分管道和制动分管道，并在发电分管道和制动分管道之间的第三连接点处设置可转动的转向阀板。在正常发电时，转向阀板的自由端抵靠主管道和制动分管道之间连接处第二连接点，从而封堵制动分管道，此时进水管的水流全部通过发电分管道进入机坑内冲击转轮而用于发电。需要停机检修时，可先关闭出水管的出水阀门，以便使机坑封闭，然后转动转向阀板，使转向阀板的自由端抵靠第一连接点，此时主管道与制动分管道连通，从制动分管道流出的水流一方面在机坑内快速地形成蓄水，另一方面形成一个方向和转轮的转动方向相反的水流，从而对转轮形成制动。也就是说，通过简单的转向阀板，即可方便地改变进入机坑的水流的方向，既可充分利用进水管的水流快速填充机坑，又可同时对转轮形成反向的冲击制动。特别是，转向阀板在转动过程中并不封闭整个主管道，而只是切换水流的方向，因此，转动转向阀板并不存在很大的阻力，从而可方便地调整主管道水流的方向。

作为优选，在机坑外侧设有与制动分管道连通的制动环管，制动环管上设有若干贯通机坑侧壁的喷嘴，喷嘴朝向叶片的背水面设置，在步骤a中，制动分管道内的水通过喷嘴流出，从而在靠近机坑侧壁处形成外环形水流；在步骤b中，转轮带动机坑中间的蓄水形成内环形水流，并且外环形水流和内环形水流的转动方向相反。

本发明在机坑外侧设置与制动分管道连通的制动环管，并在制动环管上设置若干朝向叶片的背水面设置的喷嘴。需要停机检修时，先关闭出水管的出水阀门，以便使机坑封闭，然后转动转向阀板，使主管道与制动分管道连通，主管道的水流即可通过制动分管道进入制动环管内，再从各喷嘴向外流出，一方面在机坑内快速地形成蓄水，另一方面在机坑的周边形成一个方向和转轮的转动方向相反的水流，从而对转轮形成制动。可以理解的是，由于设置多个喷嘴，因而可在确保制动分管道总体出水量的前提下，显著地降低个喷嘴的出水量，将水流的冲击力均匀地作用到整个机坑的四周，避免转轮因受力集中而造成叶片损坏。需要说明的是，我们可通过合理设计，使各喷嘴的流量之和等于制动分管道的流量，并通过控制出水阀门的开启度，使出水管的排水量与进水管的进水量保持基本持平，以便于及时更换机坑内的蓄水，最大限度地缩短转轮的制动时间。

因此，本发明具有如下有益效果：可显著地缩短转轮的制动时间，从而提高检修维护效率，有利于电网的正常运行。

附图说明

图1是本发明用于卧式水轮发电机组的一种结构示意图。

图2是本发明用于立式水轮发电机组的一种结构示意图。

图3是进水管的局部一种结构示意图。

图4是进水管内转向阀板的一种连接结构示意图。

图5是立式水轮发电机组的机坑设有制动环管时的一种结构示意图。

图6是立式水轮发电机组的机坑设有制动环管时的另一种结构示意图。

图中：1、机坑 11、溢水孔 12、导水壁 121、导水口 13、中心制动水域 14、环形制动水域 2、转轮 21、轴体 22、叶片 3、进水管 31、喷水口 32、换向罩 33、主管道 34、发电分管道 35、制动分管道 36、第一连接点 37、第二连接点 38、第三连接点39、进水阀门 4、出水管 41、出水口 42、出水阀门 5、辅助制动涡轮 6、转向阀板61、转动轴 62、转动手柄 7、制动环管 71、分流管 711、喷嘴 8、压缩气管。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所示，一种冲击式水轮发电机转轮制动方法，其中的水轮发电机包括定子和转子（图中未示出）、可转动地设置在机坑1内的转轮2，转轮包括与转子同轴的轴体21、设置在轴体上的叶片22，机坑上设有与进水管3连通的喷水口31、与出水管4连通的出水口41，在进水管上设有控制启闭的进水阀门39，在出水管上设有出水阀门42。当与水库连通的进水管内的高压高速水流从喷水口流出而冲击叶片的迎水面时，即可带动转轮转动，从而带动转子转动而发电，此时喷水口的水流则依次冲击转轮的各叶片，从而确保转轮连续转动而发电，进入到机坑内的水则通过下部的出水管向外排出。

需要说明的是，我们将发电时转轮叶片上朝向喷水口一侧称为迎水面，另一侧称为背水面。也就是说，喷水口的水流冲击叶片的迎水面而转动，而转轮转动时其背水面在转动方向的前侧。

当我们需要对水轮发电机进行检修或维护时，需要首先制动转轮，而本发明即为一种冲击式水轮发电机转轮制动方法，通过快速地制动转轮，提高检修效率，减少停机时间，有利于电网的正常运行。

具体地，本发明包括如下步骤：

a. 先控制用于容置转轮的机坑下部出水管的出水阀门、以及机坑进水管的进水阀门，使机坑内的蓄水上升到至少占机坑容积的80%，此时的转轮被淹没在蓄水中；

b. 依靠惯性转动的转轮与机坑内的蓄水形成速度差，因此，转轮的叶片背水面搅动机坑内的蓄水，转轮将能量传递给机坑内的蓄水，使蓄水形成与转轮的转动方向一致的流动；

c. 流动的蓄水驱动机坑内靠近侧壁处的若干辅助制动涡轮5转动，从而降低蓄水的流动速度，转动的辅助制动涡轮使机坑内的蓄水形成紊流，直至转轮停止转动。也就是说，转轮将能量传递给机坑内的蓄水，蓄水则将吸收的能量传递给辅助制动涡轮，从而可使转轮快速制动。此时开启出水阀门将机坑内的蓄水排空，操作人员即可开始对转轮、转子等进行检修或维护；

d. 检修结束后，开启进水阀门，进水管的水流冲击转轮，从而使转轮转动，进而带动转子转动而发电。当然，此时应同时开启出水阀门，以便使机坑内的水及时地向外排出。

我们知道，大型水轮机组的转轮以及转子的质量大、转速高，相应地，其转动惯量极大，如果对转轮的轴体施加制动力矩一直动转轮，由于其半径较小，因此，在一定的制动摩擦力下，其整体的制动力矩有限，难以快速地制动转轮和转子。另外，转轮的叶片为不锈钢锻造成型的薄壳件，单个的叶片难以承受很大的制动冲击力。

本发明创造性地通过控制出水管的出水阀门、进水管的进水阀门，先在机坑内蓄水，使得依靠惯性继续转动的转子整个被“埋”在蓄水中，体量巨大的蓄水对转轮的叶片产生柔缓和巨大的制动阻力。尤其是，此时所有的叶片均在同一时间内受到制动阻力，一方面可极大地提升制动扭矩，使转轮在最短的时间内停止转动，另一方面最大限度地使叶片受力均匀，避免因叶片的受力集中或过大而导致叶片的损坏。

由于本发明在机坑内靠近侧壁处设有若干辅助制动涡轮。当转轮搅动机坑内的蓄水，从而使蓄水形成与转轮的转动方向一致且接近于层流的流动，当然蓄水的流速会低于转轮的叶片边缘的线速度。此时流动的蓄水一方面驱动机坑内的辅助制动涡轮转动，从而将蓄水的动能释放并传递给涡轮，而蓄水的流速则随之降低。另一方面，各涡轮转动时，会使机坑内原本向着一个方向流动的蓄水形成局部的原地转动，进而使机坑内靠近边缘的蓄水形成高度的紊流，该紊流状的蓄水与机坑中间的层流状的蓄水产生相互交融，进而放过来降低中间层流状蓄水的流速，以最大限度地消耗由转轮传递给蓄水的能量。

需要说明的是，当机坑内的蓄水至少占机坑容积的80%时，既可确保转轮被“埋”在蓄水里面，有效地避免进水管的水流直接冲击转轮的叶片，又可确保机坑内有足够的水量，以充分地吸收转轮的能量。

作为一种优选方案，我们可在进水管与机坑连接的喷水口处可转动地设置可改变进水管水流的流向的换向罩32，该换向罩具有两个位置，当换向罩处于第一位置时，从喷水口流出的水流正对转轮一个叶片的迎水面；当换向罩处于第二位置时，从喷水口流出的水流正对转轮另一个叶片的背水面。

这样，发电时，换向罩处于第一位置，水流冲击一个叶片的迎水面而带动转轮转动，水流即可以此冲击后面的叶片的迎水面，从而使转轮连续转动而带动转子转动并发电。需要检修时，在步骤a中，我们可先关闭出水管的出水阀门以封闭出水管，此时从喷水口流出的水使机坑内的水位迅速上升。当机坑内的蓄水占机坑容积的70%-80%时，蓄水可对转轮的转动形成巨大的阻力。然后我们可使换向罩由第一位置转动至第二位置，以改变进水管从喷水口流出的水流方向，使喷水口的水流朝向叶片的背水面，从而利用进水管水流的冲击力对转轮产生制动阻力，以加速转轮的制动。

当然，为了便于换向罩的转动，我们可先关小进水管的进水阀门以减小喷水口的水流对换向罩的作用力，并且在换向罩由第一位置转动至第二位置后，可适当地控制进水管水流的冲击力对转轮产生的制动力。可以理解的是，发电时，喷水口的水流最初是冲击静止的叶片的迎水面的，而制动时，喷水口的水流是冲击转动的叶片的背水面的，两者之间的相对速度差远大于发电时水流和叶片之间的速度差，相应地，此时水流对叶片的作用力也会更大。因此，本发明创造性地适当控制喷水口的水流大小，以平缓叶片所承受的制动力。

接着，我们可部分开启出水管的出水阀门以排出机坑内形成流动的蓄水，同时控制进水阀门以使喷水口保持部分进水状态，进而使机坑内蓄水维持在至少占机坑容积的80%。从而使机坑内的蓄水不断地被喷水口流入的水流所替代，而新流入的蓄水会形成与转轮的转动方向相反的流动，因而可使机坑内的蓄水始终保持对转轮的制动效果。也就是说，通过不间断的进水可尽量增加蓄水池内总的进水量，以便吸收转轮的能量。

可以理解的是，出水管的设计排水速度肯定大于进水管的设计进水速度，以便在发电时机坑内不会产生积水。为此，我们可在换向罩由第一位置转动至第二位置后、并且机坑内的蓄水占机坑容积的70%-80%时，完全开启进水阀门，然后适当地控制出水阀门，使进水管的进水和出水管的排水保持基本平衡，同时最大限度地提升机坑内蓄水的更换速度，以尽量提升对转轮的制动效果。

优选地，在步骤a中，当我们关闭出水管的出水阀门以封闭出水管时，即可使换向罩由第一位置转动至第二位置，以改变进水管从喷水口流出的水流方向，使喷水口的水流朝向叶片的背水面，从而利用进水管水流的冲击力对转轮产生制动阻力，以加速转轮的制动，与此同时，从喷水口流出的水使机坑内的水位迅速上升至占机坑容积的70%-80%。

进一步地，我们还可在机坑的上部设置与出水管连通的溢水孔11，当机坑内蓄水的水位到达溢水孔位置时，即可通过溢水孔向外排出，从而方便进水阀门和出水阀门的控制。尤其是，当进水量大于出水量、从而使机坑内蓄水的水位不断上升并从溢水孔向外排出时，机坑内已经转动起来的蓄水分别通过上部的溢水孔和下部的出水管向外部分流出，然后进水管流入的水则补充排出的蓄水，并重新吸收转轮的动能。也就是说，通过上下分别排水，可最大限度地使机坑内的蓄水保持低速流动状态，从而增大对转轮的制动阻力。

需要说明的是，本发明的水轮机组可以是转轮的转动轴线竖直设置的立式机组、或者是转轮的转动轴线水平设置的卧式机组。

更进一步地，对于立式机组而言，如图2所示，我们还可在机坑内设置围绕转轮的环形导水壁12，在导水壁上等间距地设置若干导水口121，环形导水壁围成中心制动水域13，在导水壁和机坑内侧壁之间则形成环形制动水域14。此时，转轮的轴线竖直地位于中心制动水域的中间位置，在环形制动水域内对应导水口位置设有所述的辅助制动涡轮。

需要停机检修时，先使机坑内蓄水，此时转轮带动中心制动水域内的蓄水转动以释放转轮的惯性和动能。由于中心制动水域的容积相对较小，因此，转轮可使中心制动水域内的蓄水形成基本相同的流动速度，进而使中心制动水域内的蓄水能尽可多地吸收转轮的能量。此外，中心制动水域内转动的蓄水通过导水壁上的导水口进入环形制动水域内，从而有效地驱动环形制动水域内对应导水口位置设置的辅助制动涡轮转动，以释放中心制动水域内转动蓄水的能量，从而降低进入环形制动水域内蓄水的转动速度，并且转动的辅助制动涡轮会使环形制动水域内的蓄水形成高度的紊流。

当中心制动水域内转动的蓄水通过导水壁上的导水口进入环形制动水域内时，会与环形制动水域内形成紊流的蓄水产生碰撞，也就是说，导水口会对中心制动水域内转动的蓄水形成很大的阻力，进而对转轮形成制动作用。

特别是，我们可使导水口的中心线与转轮上叶片的外侧边缘相切，从而使导水口在导水壁上倾斜设置。这样，沿转轮叶片的边缘切向流出的水流可迅速进入导水口内推动辅助制动涡轮转动，以便将水流的能量传递给辅助制动涡轮。另外，倾斜设置的导水口使得导水壁呈锯齿状，从而可显著地增加对的水流形成阻碍，以消减中心制动水域内水流的动能。也就是说，中心制动水域内流动的水流一方面驱动导水口内的水，使得导水口内的水流动形成一定的水流，并驱动辅助制动涡轮转动而释放动能，另一方面，转轮和导水壁之间释放动能后减速的水流又被转轮以及由叶片带动的水流带动而重新提速，进而实现能量的连续转移和释放。

作为另一种优选方案，如图1、图3、图4所示，进水管包括一根主管道33，主管道的一端与水库连通，主管道的另一端并联连接有发电分管道34和制动分管道35，主管道和发电分管道、制动分管道连接成Y形，从而在发电分管道和制动分管道的管壁连接处形成第三连接点38、在主管道和制动分管道的管壁连接处形成第二连接点37、在主管道和发电分管道的管壁连接处形成第一连接点36。当然，发电分管道和制动分管道在机坑上会分别形成喷水口，并且发电分管道的喷水口朝向叶片的迎水面，制动分管道的喷水口朝向叶片的背水面。此外，进水阀门设置在主管道上，在第三连接点处设置转向阀板6，转向阀板的一端转动连接在第三连接点处，另一端则为可转动的自由端，从而使转向阀板也具有第一位置和第二位置。当转向阀板处于第一位置时，转向阀板的自由端抵靠主管道和制动分管道之间连接处的第二连接点，从而封堵制动分管道，此时进水管的水流全部通过发电分管道进入机坑内冲击转轮而用于发电。当转向阀板处于第二位置时，转向阀板的自由端抵靠第一连接点，此时主管道与制动分管道连通，从制动分管道流出的水流一方面在机坑内快速地形成蓄水，另一方面形成一个方向和转轮的转动方向相反的水流，从而对转轮形成制动。

这样，在步骤a中，我们可先关闭出水管的出水阀门，然后转动转向阀板，使转向阀板的自由端抵靠第一连接点，此时主管道与制动分管道连通，从制动分管道流出的水流在机坑内形成蓄水；在步骤b中，从制动分管道流出的水流使机坑内的蓄水形成与转轮的转动方向相反的环形流动，从而对转轮形成制动。

需要说明的是，由于转向阀板的主要作用在于改变水流的方向，也就是说，转向阀板并不需要具备极高的密封性能。因此我们可在发电分管道和制动分管道的管壁连接处外侧设置转动轴61，转动轴伸入管壁内与转向阀板相连接，转动轴的外端则设置转动手柄62。当转向阀板的自由端抵靠第一、或第二连接点时，管道内流水对转向阀板的冲击压力可确保转向阀板的可靠定位，有效地避免其自由转动。

进一步地，如图5所示，我们还可在机坑外侧设置制动环管7，制动环管的一端与制动分管道连通，制动环管的另一端封闭，在制动环管上设置若干分流管71，分流管贯通机坑侧壁后形成喷嘴711，各分流管倾斜设置，从而使喷嘴朝向叶片的背水面设置。这样，需要停机检修时，先关闭出水管的出水阀门，以便使机坑封闭，然后转动转向阀板，使主管道与制动分管道连通，主管道的水流即可通过制动分管道进入制动环管内，再从各喷嘴向外流出。在步骤a中，制动分管道内的水通过喷嘴流出，一方面在机坑内快速地形成蓄水，另一方面在靠近机坑侧壁处形成外环形水流；在步骤b中，转轮带动机坑中间的蓄水形成内环形水流，并且外环形水流和内环形水流的转动方向相反，外环形水流可使内环形水流有效地减速，从而增加对转轮的制动。

需要说明的是，由于机坑内靠近侧壁处设有若干辅助制动涡轮，因此，当制动分管道内的水通过喷嘴流出、在靠近机坑侧壁处形成与内环形水流的转动方向相反的外环形水流时，一方面，外环形水流可使内环形水流有效地减速，从而增加对转轮的制动，另一方面，内、外环形水流可使辅助制动涡轮转动而形成紊流，特别是，相邻两个辅助制动涡轮相互靠近一侧的转动方向相反，因此相邻两个辅助制动涡轮所搅动的水流会相互干扰而减速并消耗能量。

由于机坑内设有导水壁，除了导水壁上的导水口以外，中心制动水域和环形制动水域之间被相互隔开，中心制动水域内形成以层流为主的内环形水流，环形制动水域内形成方向相反的外环形水流，外环形水流既包括由制动环管流水的水流形成的层流，又包括由各辅助制动涡轮转动形成的紊流。内、外环形水流在导水口处碰撞而降低流速，并相互抵消动能。

作为一种替代方案，如图6所示，我们也可在机坑外侧设置制动环管，制动环管的一端通过控制阀门与压缩气管8连通，制动环管的另一端封闭，在制动环管上设置若干分流管，分流管贯通机坑侧壁后形成喷嘴，各分流管倾斜设置，从而使喷嘴朝向叶片的背水面设置。

这样，需要停机检修时，先关闭出水管的出水阀门，以便使机坑封闭，进水管的进水使机坑内的蓄水迅速升高至至少占机坑容积的80%，此时转轮的叶片背水面搅动机坑内的蓄水，转轮将能量传递给机坑内的蓄水，使蓄水形成与转轮的转动方向一致的流动。接着开启控制阀门，压缩空气通过制动环管上的分流管进入机坑内，从而驱动机坑环形制动水域内蓄水形成与内环形水流方向相反的外环形水流。内、外环形水流在导水口处碰撞而降低流速，并相互抵消动能。由于压缩空气是通过环形制动水域内的蓄水这一过渡物体将制动力作用在转轮上的，因此，既可有效地缓冲叶片的受力，又可通过大量输入压缩空气提供制动能量。

Claims (7)

1.一种冲击式水轮发电机转轮制动方法，其特征是，包括如下步骤：

a. 先控制容置转轮的机坑下部出水管的出水阀门、以及机坑进水管的进水阀门，使机坑内的蓄水至少占机坑容积的80%；

b. 依靠惯性转动的转轮与机坑内的蓄水形成速度差，转轮的叶片背水面搅动机坑内的蓄水，转轮将能量传递给机坑内的蓄水，使蓄水形成与转轮的转动方向一致的流动；

c. 流动的蓄水驱动机坑内靠近侧壁处的若干辅助制动涡轮转动，从而降低蓄水的流动速度，并使机坑内的蓄水形成紊流，直至转轮停止转动，此时关闭进水阀门，开启出水阀门将机坑内的蓄水排空；

d. 检修结束后，开启进水阀门，进水管的水流冲击转轮，从而使转轮转动，进而带动转子转动而发电。

2.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮发电机转轮制动方法，其特征是，在进水管与机坑连接的喷水口处设置可改变进水管水流的流向的换向罩，在步骤a中，先关闭出水管的出水阀门，当机坑内的蓄水占机坑容积的70%-80%时，关小进水管的进水阀门，然后通过换向罩改变进水管的水流方向，使进水管的水流朝向叶片的背水面，接着部分开启出水管的出水阀门，使机坑内蓄水至少占机坑容积的80%。

3.根据权利要求2所述的一种冲击式水轮发电机转轮制动方法，其特征是，在机坑的上部设置溢水孔，当机坑内蓄水的水位到达溢水孔位置时，即可通过溢水孔向外排出。

4.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮发电机转轮制动方法，其特征是，在机坑内设有环形导水壁，环形导水壁围成中心制动水域，在导水壁和机坑内侧壁之间形成环形制动水域，所述转轮的轴线竖直地位于中心制动水域内，在导水壁上等间距地设有若干导水口，在环形制动水域内对应导水口位置设有所述辅助制动涡轮。

5.根据权利要求4所述的一种冲击式水轮发电机转轮制动方法，其特征是，所述导水口的中心线与所述转轮外侧边缘相切，从而使导水口在导水壁上倾斜设置。

6.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮发电机转轮制动方法，其特征是，进水管包括与水库连通的主管道、并联连接在主管道上的发电分管道和制动分管道，所述主管道和发电分管道、制动分管道连接成Y形，从而在发电分管道和制动分管道之间形成第三连接点、在主管道和制动分管道之间形成第二连接点、在主管道和发电分管道之间形成第一连接点，发电分管道和制动分管道分别在机坑上形成喷水口，其中发电分管道的喷水口朝向叶片的迎水面，制动分管道的喷水口朝向叶片的背水面，所述进水阀门设置在主管道上，在第三连接点处设有可转动的转向阀板，在步骤a中，先关闭出水管的出水阀门，然后转动转向阀板，使转向阀板的自由端抵靠第一连接点，此时主管道与制动分管道连通，从制动分管道流出的水流在机坑内形成蓄水；在步骤b中，从制动分管道流出的水流使机坑内的蓄水形成与转轮的转动方向相反的环形流动。

7.根据权利要求6所述的一种冲击式水轮发电机转轮制动方法，其特征是，在机坑外侧设有与制动分管道连通的制动环管，制动环管上设有若干贯通机坑侧壁的喷嘴，喷嘴朝向叶片的背水面设置，在步骤a中，制动分管道内的水通过喷嘴流出，从而在靠近机坑侧壁处形成外环形水流；在步骤b中，转轮带动机坑中间的蓄水形成内环形水流，并且外环形水流和内环形水流的转动方向相反。

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