CN111809581B - 一种带有渐密孔的凸型导板水车增能装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一种带有渐密孔的凸型导板水车增能装置，包括：固定装置、导流主板、导流副板，所述导流主板顶面设置有向上凸起的圆弧结构，导流主板上由中间向两端分布逐渐加密、直径逐渐增大的第一通孔，所述导流主板两侧连接有导流副板，所述导流副板上分布有第二通孔，所述导流副板两侧连接有固定装置，固定装置用于将导流主板、导流副板固定在河床上。本发明通过不等高的渐密孔的凸型导流主板，适应水车距河床底部的距离随相位角的变化而不同，将河床底部的低速空气的动能输运到水车叶轮区域，河道中的有效加速区较大，提高了水车叶轮区处水流的平均速度，提高了机组的输出功率。

Description

一种带有渐密孔的凸型导板水车增能装置

技术领域

本发明涉及一种带有渐密孔的凸型导板水车增能装置，属于水力发电技术领域。

背景技术

目前开发水能的方式一般是建设水电站，利用高效率的水轮机来转换水能，但它对地质、投资、环境等均有一定的要求，随着我国近年来一大批百万千万级水电站的建造和完成，超低水头和微水头发电装置成为近年来水力发电领域的一个热点，它在进一步开发利用低水头资源，为水生态文明和城镇化建设以及老旧小水电的改造提供了新的环境友好型解决方案。

在工业革命时代，水能是一种主要的能源，利用明渠微水头资源最多的方式是通过水车作为动力进而利用水能，工业革命年代，德国、法国、波兰等国家都兴建大量的水车利用明渠微水头资源作为动力。水车作为水能转换设备具有成本低收益高的优点，而目前还有大量的微水头资源没有开发，所以德国的Baga、Hydrowatt公司及部分美国水车厂等又开始重新生产发电水车。水车通常被认为是一种低效率的水能转换设备，后来由于水轮机和发电机的发展，因此代替了水车的水能转换装置的作用，并在生活中得到了广泛的应用。

我国低水头水力资源十分丰富，该资源一般处于江河中下游的经济发达地区，对明渠河道、闸门过流以及溪流等明渠微水头水力资源的开发，利用水车发电是一种有效的方式，国外已经有一批学者和企业开始重视并研究利用水车来发电。水车主要运行在明渠河道的浅水层，利用水流的动能做功进而发电，而浅水层具有涡量大、湍流强度高、浅层水底部水流速较低等诸多不利因素，因此为了高效、平稳的发电，水车一般安装在某些流速较高的渠道出口，因此如何提高水车对水能的利用率显得尤为必要。

中国专利申请201721139361.X公开一种“一种利用低水头微型水电站的下击式水车”，该装置包括轴承支撑架、转动轴、叶片和引水流道。所述轴承支撑架上设有转动轴，转动轴上连接设有转轮骨架，转轮骨架连接转轮，转轮上固定有多个叶片，所述叶片具有曲面弧度的翼型结构，叶片以转动轴为中心，在转轮上呈圆周分布，引水流道的入口端高于其出口端，该装置根据其前人的研究改进了传统下击式水车的叶片，转轮的叶片采用曲面弧度的翼型设计，减小水流通过叶片的进口撞击损失，以提高转轮的出力，转轮在空间上呈圆周分布，固定在转轮骨架上，提高水车的水力效率。但是该装置的制造加工精度较高，且该装置仅仅通过改变叶片的设计而提高水车的出力及效率，因此对水车性能的提高非常有限，同时在河道上游底部通常存在速递较低且稳定的流速，由于未利用这部分动能故造成整个装置效率较低。

中国专利申请201310529185.0公开了一种“水车发电装置”，该装置主要由水车轮、流推板、浮力罐、滑动块支架、滑动轨道、浮力滑动块、轴承、发电机、发电机片、水泥支架、水渠组成。所述该装置可以设置在任意水流较大的地方，通过水渠加快水流动力，并根据水位高低调整水车轮位置，保持发电机的动力，该装置具有安装方便，易于实现的特点。但是该装置同样未利用河道上游底部的低速动能，造成水车整体水力性能较低。

中国专利申请200810072478.X公开了一种“组合式水能发电装置”，该装置包括若干列安装框，所述各列安装框沿纵向设有若干个横向通水孔道，所述各列安装框上对应设有用以启闭该列安装框的升降阻水板，所述各横向通水孔道上分别设有叶轮，设于同一列的各叶轮转轴后端分别经一对圆锥换向齿轮与一竖向动力传动轴传动连接，以经竖向动力传动轴带动设于竖向动力传动轴上端的发电机工作。该装置虽然可根据河道实际情况，组合形成相适应的坝体式水力发电装置，且结构简单，水流量易于控制，但是该装置并未考虑不同工况时，叶轮的效率会有较大的差别，由此造成装置整体效率不高，水力性能较差。

综上所述，现有的利用微水头的水车发电装置均在叶片翼型、安装位置以及安装形式等方面对水车的做功能力进行改善，而明渠河道中自然环境复杂，通过改变水车安装形式以及安装位置等提高水车的做功能力势必会造成较高的投资，且提高做功的能力有限。如何克服现有的技术不足，有效提高水车的做功能力，保证水车输出的电力品质成为当今充分利用微水头发电技术领域中亟待解决的重要难题之一。

发明内容

目的：为了克服现有技术中由于提高水车叶片的设计其对提高水车性能有限，本发明提供一种带有渐密孔的凸型导板水车增能装置，故本发明在河道上游设置增能装置来有效提高水车性能作为优选方案，该增能装置可将河道上游深层低速水流转化为河道浅层告诉水流，进而提高水车的性能。总体来说孔洞中间至两端分布逐渐加密，能够高效利用明渠流表层水流底部低速水流的能量，可以有效提高水车的输出功率，同时又可以减小水车的载荷波动，并且可以在建设过程中相对电站投资较小，设备制作方便，且同时解决了鱼群顺利通过问题，具有环境友好和输出电力品质优良等特点。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种带有渐密孔的凸型导板水车增能装置，包括：固定装置、导流主板、导流副板，所述导流主板顶面设置有向上凸起的圆弧结构，导流主板上由中间向两端分布逐渐加密、直径逐渐增大的第一通孔，所述导流主板两侧连接有导流副板，所述导流副板上分布有第二通孔，所述导流副板两侧连接有固定装置，固定装置用于将导流主板、导流副板固定在河床上。

作为优选方案，所述导流副板高度与导流主板两侧高度一致，所述导流主板设置为轴对称结构，所述导流主板采用等厚度或上薄下厚平面结构，或者采用等厚度或上薄下厚曲面结构。

作为优选方案，所述导流主板、导流副板与河床之间夹角设置为45°-90°。

作为优选方案，上述导流主板长度为0.9~1.3倍水车转轮宽度，所述导流主板顶部圆弧结构轮廓线直径为导流主板长度的0.8~2.5倍，导流副板顶部与自由液面的距离为水车转轮高度的0~0.15倍，所述导流副板深入河床的深度为水车转轮高度的0.2~0.6倍。

作为优选方案，所述导流副板长度与导流主板长度的比值为0~0.4。

作为优选方案，所述固定装置包括：基座，基座上设置导板支座，导板支座内侧设置插槽，导流副板外侧通过插槽与导板支座相固定，导板支座内横向设置有锁紧套孔，锁紧销从锁紧套孔外侧插入，锁紧销末端与导流副板外侧面相固定；所述导流主板前后两面均设置有支架，支架末端设置有地锚。

作为优选方案，所述导流主板与水车中心之间距离为水车转轮直径的1~2.5倍。

作为优选方案，所述导流主板的孔隙度比导流副板的孔隙度小，导流主板的孔隙度范围在2%~8%之间，导流副板的孔隙度在5~15%。

作为优选方案，所述第一通孔、第二通孔采用的形状包括三角形、圆形或椭圆形其中一种。

有益效果：本发明提供的一种带有渐密孔的凸型导板水车增能装置，通过在水车上游位置增加增能装置，充分利用河道上游底部的低速动能，将上部河道深层水流低速动能转化为河道浅层水流高速动能，进而提高水车的出力及效率。有益效果如下：

1.提高了微水头能量的利用率。明渠流中流速沿着水深一般呈现log-law分布，河床底部流速较低，水流表面流速较高，通过不等高的多孔导流板，适应水车距河床底部的距离随相位角的变化而不同，将河床底部的低速空气的动能输运到水车叶轮区域，有效加速区较大，提高了风力机叶轮区迎风面的平均速度，提高了机组的输出功率。

2.降低了机组的载荷波动。由于靠近水车叶轮区下半部分的水流流速得到了提高，从而降低水车转轮区每个叶片的平均受压，同时，还一定程度上降低了来流的湍流强度，降低了水车转轮受力的不均匀性，提高了使用寿命。

3.结构简单，经济成本低，安全性高。导流板采用多孔结构，用材较少，成本低，同时多孔结构承受来自水流的推力较小，利于导流板结构的稳定性和机组运行的安全性。

4.鱼类友好型。多孔导流板不仅能够有效提高水车的出力，而且鱼类可顺利通过副板以及主板顶部两侧，可有效保护鱼类的迁徙，具有鱼类友好型的作用。

5.适应多种工况。当流量变化时，可通过调整支架的角度调整增能装置与河床底部的夹角，保证在不同的流量情况下，导流板能够有效提供其增能效果。

附图说明

图1为本发明的增能装置结构示意图；

图2为本发明的增能装置三维示意图；

图3为本发明的增能装置安装示意图；

图4为本发明的增能装置沿河流方向的正视图；

图5为本发明的增能装置原理示意图；

图6为本发明的平面形导流主板的俯视图；

图7为本发明的圆弧形导流主板的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图4所示，本发明的一种带有渐密孔的凸型导板水车增能装置，包括：固定装置、导流主板1、导流副板2，所述导流主板1顶面设置有向上凸起的圆弧结构，导流主板1上由中间向两端分布逐渐加密、直径逐渐增大的第一通孔3，所述导流主板1两侧连接有导流副板2，所述导流副板2上分布有第二通孔4，所述导流副板2两侧连接有固定装置，固定装置用于将导流主板1、导流副板2固定在河床上。所述固定装置包括：基座5，基座5上设置导板支座6，导板支座6内侧设置插槽，导流副板2外侧通过插槽与导板支座6相固定，导板支座6内横向设置有锁紧套孔7，锁紧销8从锁紧套孔7外侧插入，锁紧销8末端与导流副板2外侧面相固定；所述导流主板1前后两面均设置有支架9，支架9末端设置有地锚10。

如图5所示，本发明的实现原理是：明渠流中流速沿着水深一般呈现log-law分布，河床底部流速较低，水流表面流速较高，而水车主要使利用水流的流速来做功，本发明通过不等高的渐密通孔的导流主板，适应水车距河床底部的距离随相位角的变化而不同，将河床底部低速水流的动能输运到水车转轮区域，河道中的有效加速区较大，提高了水车叶轮区处水流的平均速度，提高了机组的输出功率。

实施例1：

如图6所示，所述导流主板采用等厚度或上薄下厚平面结构，所述导流主板、导流副板与河床之间夹角设置为45°-90°，所述导流主板设置为轴对称结构。

导流主板的前后两面安装有作为辅助支撑的支架，并在河床底部使用地锚对支架进行锚固。

基座和导板支座为刚性结构，在河床底部保持固定，可通过支架调整导流主板与河床底部角度，保证在不同的来流情况下提供给水车较大的出力。

实施例2：

如图7所示，所述导流主板采用等厚度或上薄下厚曲面结构，所述导流主板、导流副板与河床之间夹角设置为45°-90°，所述导流主板设置为轴对称结构。

导流主板的前后两面安装有作为辅助支撑的支架，并在河床底部使用地锚对支架进行锚固。

基座和导板支座为刚性结构，在河床底部保持固定，可通过支架调整导流主板与河床底部角度，保证在不同的来流情况下提供给水车较大的出力。

实施例3：

导流主板长度L₄为0.9~1.3倍水车转轮宽度L₁，导流主板顶部沿着长度方向高度逐渐减小，形成一个向上凸起的圆弧结构。导流主板圆弧结构轮廓线直径D₂为0.8L₄~2.5L₄，导流副板顶部与自由液面的距离H₃为水车转轮高度的0~0.15D₁，导流副板的高度为H₂，建议H₂深入河床距离为0.2D₁~0.6D₁。

导流副板的长度L3与导流主板的长度L₄的比值为0~0.4。

导流主板距离水车中心的距离L₅为1~2.5倍的水车转轮直径。

导流主板的孔隙度比导流副板的孔隙度小，导流主板的孔隙度范围在2%~8%之间，导流主板的孔隙度总体来说中间小两端较大，导流副板的孔隙度在5~15%。

实施例4：

使用时，渐密孔的凸型导板水车增能装置安装在水车的来流面，以直径2.9m，水车淹没深度为1.2m，水车宽度为11m的水车为例。在水车前方4.35m处布置渐密孔的凸型导板水车增能装置，导流主板的长度为11m，圆弧结构轮廓线半径为15m, 导流副板长度为1m,导流主板孔隙度为10%，导流副板孔隙度为12%。且主板的孔隙从中间到两端逐渐加密，中间孔隙最为稀疏，通过调整支架使导流主板与河床底部成一定的夹角，导流主板与河床地面夹角为60°。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种带有渐密孔的凸型导板水车增能装置，包括：固定装置，其特征在于：还包括：导流主板、导流副板，所述导流主板顶面设置有向上凸起的圆弧结构，导流主板上由中间向两端分布逐渐加密、直径逐渐增大的第一通孔，所述导流主板两侧连接有导流副板，所述导流副板上分布有第二通孔，所述导流副板两侧连接有固定装置，固定装置用于将导流主板、导流副板固定在河床上；

上述导流主板长度为0.9~1.3倍水车转轮宽度，所述导流主板顶部圆弧结构轮廓线直径为导流主板长度的0.8~2.5倍，导流副板顶部与自由液面的距离为水车转轮高度的0~0.15倍，所述导流副板深入河床的深度为水车转轮高度的0.2~0.6倍；

所述导流副板长度与导流主板长度的比值为0~0.4；

所述导流主板与水车中心之间距离为水车转轮直径的1~2.5倍；

所述导流副板高度与导流主板两侧高度一致，所述导流主板设置为轴对称结构，所述导流主板采用等厚度或上薄下厚平面结构，或者采用等厚度或上薄下厚曲面结构；

所述导流主板、导流副板与河床之间夹角设置为45°-90°；

所述固定装置包括：基座，基座上设置导板支座，导板支座内侧设置插槽，导流副板外侧通过插槽与导板支座相固定，导板支座内横向设置有锁紧套孔，锁紧销从锁紧套孔外侧插入，锁紧销末端与导流副板外侧面相固定；所述导流主板前后两面均设置有支架，支架末端设置有地锚；

所述导流主板的孔隙度比导流副板的孔隙度小，导流主板的孔隙度范围在2%~8%之间，导流副板的孔隙度在5~15%；

所述第一通孔、第二通孔采用的形状包括三角形、圆形或椭圆形其中一种。

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