CN112049748A - 一种水轮机和水力发电机 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种水轮机和水力发电机，该水轮机包括以下部件：进水组件包括进水管、进水换向柱和进水喷口件，进水喷口件具有沿周向间隔排布且旋向一致的多个喷口叶片；水轮包括沿周向间隔排布且旋向一致的多个水轮叶片，进水喷口件同轴内置于水轮中，两相邻的水轮叶片上远离进水喷口件的顶端之间形成径向出水口；发电机的转轴一端与水轮连接；水流从进水管中以水轮的轴向进入进水喷口件中，并经进水喷口件和进水换向柱转向后，沿水轮的径向从水轮的径向出水口流出，以推动水轮转动并带动转轴旋转发电。本申请提供的水轮机通过轴向进水径向出水的方式，能适用于各种水流环境，且结构简单，安装便利，效率高。

Description

一种水轮机和水力发电机

技术领域

本申请属于发电设备技术领域，更具体地说，是涉及一种水轮机和水力发电机。

背景技术

在现在的水力发电系统中，其核心部件水力发电机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。其中，冲击式水轮机的转轮是受到水流的冲击而旋转，在工作过程中水流的压力不变，主要实现动能的转换。而冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类；斜击式轮机与水斗式水轮机的结构基本相同，但斜击式轮机的射流方向有一个倾角，且只用于小型机组。

反击式水轮机的转轮是在水中受到水流的反作用力而旋转，在工作过程中水流的势能和动能均有改变，但主要是势能的转换。反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮；在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮，；在斜流式水轮机中，水流径向进入导叶而以倾斜于主轴某一角度的方向流进转轮，或以倾斜于主轴的方向流进导叶和转轮；在贯流式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。此外，轴流式、贯流式和斜流式水轮机按其结构还可分为定桨式和转桨式。定桨式的转轮叶片是固定的；转桨式的转轮叶片可以在运行中绕叶片轴转动，以适应水头和负荷的变化。

然而，在这些现有的水力发电机中，不同类型的水力发电机需在不同的水流情况下才能取得较好的发电效率；例如，冲击式水轮机适用于高水位小水压的情况；混流式水轮机适用于高水位大流量的情况；贯流式水轮机适用于低水位大流量的情况。另外，现有水轮机都有一定的漏水率，从而降低了水轮机的效率。因此，开发一种能适用于各种水位和流量且结构简单效率高的水轮机就成了亟需解决的问题。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种水轮机，以解决现有技术中存在的水轮机无法适应各种水流情况且效率较低的技术问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种水轮机，包括：

进水组件，进水组件包括进水管、进水换向柱和进水管连通的进水喷口件，进水喷口件具有沿周向间隔排布且旋向一致的多个喷口叶片；

水轮，水轮包括沿周向间隔排布且旋向一致的多个水轮叶片，进水喷口件同轴内置于水轮中，两相邻的水轮叶片远离进水喷口件的顶端之间形成径向出水口；以及，

发电机，发电机的转轴的一端与水轮连接；

其中，水流从进水管中以水轮的轴向进入进水喷口件中，并经进水喷口件和进水换向柱转向后，沿所述水轮的径向从水轮的径向出水口流出，以推动水轮转动，并带动转轴旋转发电。

可选地，多个喷口叶片组成喷口叶片组，多个水轮叶片组成水轮叶片组，水轮叶片组的旋向与喷口叶片组的旋向相反。

可选地，两相邻的水轮叶片之间的间距在径向上沿水轮叶片组的旋向呈逐渐缩小设置；喷口叶片的截面在径向上沿喷口叶片组的旋向呈逐渐扩大设置。

可选地，水轮机还包括第一壳体，第一壳体包括第一框架、第一安装底板以及第一安装支架，第一框架呈沿水轮的轴向两端贯通设置，第一安装底板和第一安装支架分别与第一框架的两端连接，并分别盖住第一框架的两端敞口；

水轮、进水换向柱以及进水喷口件均内置于第一壳体的内腔中，进水管和发电机分设于第一壳体的两侧。

可选地，进水换向柱、进水喷口件及进水管均安装在第一安装底板上；进水换向柱与水轮同轴设置，且进水换向柱呈沿从进水管到水轮的方向上渐扩的椎体状。

可选地，

第一安装底板上开设有第一安装孔，进水管在第一安装孔处与第一安装底板连接，第一安装支架上设有第二安装孔，发电机在第二安装孔处与第一安装支架连接，且发电机的转轴穿设第二安装孔后与水轮连接。

可选地，进水组件还包括进水导向管，进水导向管的一端于第一安装孔处与第一安装底板连接，且进水导向管呈沿从发电机到出水管的方向上扩口设置。

可选地，水轮机还包括第二壳体，第二壳体包括第二安装支架和第二安装底板，水轮和发电机分设于第二安装支架的两侧；

第二安装支架具有相对间隔的第一安装板和第二安装板，且水轮和第一安装板之间夹设有进水管；发电机与第二安装板连接，且发电机的转轴穿设第二安装支架后与水轮远离进水管的一侧板连接；

第二安装底板与第二安装支架连接，并盖合第二安装支架的敞口，且第二安装底板上设有与第二安装支架的内腔以及进水管连通的进水口。

可选地，在第二安装支架的内腔中邻近进水口处设有进水控制阀门。

可选地，水轮机还包括第三壳体，第三壳体设于发电机和水轮之间，第三壳体包括相对间隔的第三安装支架和第三安装底板，发电机与第三安装支架连接，发电机的转轴穿设第三安装支架和第三安装底板后与水轮连接；第三安装支架和第三安装底板之间形成环形的进水口；

进水组件还包括多个设于进水口处的调节叶片，且多个调节叶片沿进水口的周向间隔排布。

本申请还提出一种水力发电机，该水力发电机包括如前所述的水轮机。

本申请提供的水轮机的有益效果在于：与现有技术相比，本申请水轮机由于采用的是从水轮的中心轴向进水，而从水轮叶片的径向出水口流出以带动水轮旋转的方式，故具有以下优点：由于水流从进水喷口件处经转向后直接冲击水轮叶片，从而可将水的压力直接作用在叶片上，进而可吸收水的势能；水从水轮叶片流出时，会推动水轮旋转，水流充满整个转轮流道，全部水轮叶片同时受到水流的作用，进而可吸收水的动能；水流从水轮的切线方向流出时，会对水轮产生反推力，进而可吸收从喷口叶片处喷出的水流的反推能。换言之，本水轮机通过前述设计，能更好的吸收水的势能、动能以及反推能等，更高效地利用了水的能量，从而能更好地推动叶轮旋转，有效提高水轮的效用以及水轮机的效率；进水管和径向出水口之间可以完全密封，使所有进入进水管的水都经水轮的径向出水口流出，全部参与做功，从而提高了水轮机的效率。此外，水轮在旋转的过程中储存了旋转的能量形成飞轮效应，使发电机的启动和运行更加平稳。而且本水轮机结构简单装配便利，并更能适用于不同的水流应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例提供的水轮机的结构示意图；

图2为本申请一实施例提供的水轮机的俯视图；

图3为图2中沿A-A方向的剖视图；

图4为图2中沿B-B方向的剖视图；

图5为本申请一实施例提供的水轮机的爆炸图；

图6为本申请另一实施例提供的水轮机的结构示意图；

图7为本申请另一实施例提供的水轮机的剖视图；

图8为本申请又一实施例提供的水轮机的结构示意图；

图9为本申请又一实施例提供的水轮机的俯视图；

图10为图9中沿C-C方向的剖视图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	进水组件	200	水轮
500	发电机	110	进水管
				120	进水喷口件	221	喷口叶片
220	径向出水口	210	水轮叶片
				300	第一壳体	310	第一框架
320	第一安装底板	330	第一安装支架
				630	调节叶片	321	第一安装孔
150	进水控制门	130	进水换向柱
				140	进水导向管	400	第二壳体
410	第二安装支架	420	第二安装底板
				411	第一安装板	412	第二安装板
421	进水口	510	转轴
				600	第三壳体	610	第三安装支架
620	第三安装底板

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

还需要说明的是，本申请实施例中的左、右、上和下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。

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。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，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申请中的具体含义。

本申请实施例提供一种水轮机。

请参阅图1至图4，在一实施例中，该水轮机包括进水组件100、水轮200以及发电机500。进水组件100包括进水管110、进水换向柱130以及和进水管110连通的进水喷口件120，进水喷口件120具有沿周向间隔排布且旋向一致的多个喷口叶片221；水轮200包括沿周向间隔排布且旋向一致的多个水轮叶片210，进水喷口件120同轴内置于水轮200中，两相邻的水轮叶片210远离进水喷口件120的顶端之间形成径向出水口220；发电机500的转轴510的一端与水轮200连接。其中，水流从进水管110中以水轮200的轴向进入进水喷口件120中，并经进水喷口件120和进水换向柱130转向后，沿水轮200的径向从水轮200的径向出水口220流出，以推动水轮200转动，并带动转轴510旋转发电。

基于此结构设计，在本实施例中，本申请水轮机由于采用的是从水轮200的中心轴向进水，而从水轮叶片210的径向出水口220流出以带动水轮200旋转的方式，故具有以下优点：由于水流从进水喷口件120处经转向后直接冲击水轮叶片210，从而可将水的压力直接作用在叶片上，进而可吸收水的势能；水从水轮叶片210流出时，会推动水轮200旋转，水流充满整个转轮流道，全部水轮叶片210同时受到水流的作用，进而可吸收水的动能；水流从水轮200的切线方向流出时，会对水轮200产生反推力，进而可吸收从喷口叶片221处喷出的水流的反推能。换言之，本水轮机通过前述设计，能更好的吸收水的势能、动能以及反推能等，更高效地利用了水的能量，从而能更好地推动叶轮旋转，有效提高水轮200的效用以及水轮机的效率；而且本水轮机结构简单装配便利，并更能适用于不同的水流应用场景。

具体来说，在本申请中，本水轮机可通过改变进水喷口件120的进水喷口的大小以及出水喷口的大小，从而可适用于任意水位以及任意流量的发电场合；本水轮机可通过改变进水喷口的大小和水轮叶片210的大小以改变水轮200的转速，从而可适用于不同的发电机500；本发电机500的水轮叶片210以及进水喷口件120等均外形简单且成本低，容易批量制造；本水轮机由于可通过进水组件100导向，故其安装不受地形位置限制，可以水平、倾斜以及垂直安装。此外，在本申请中，前述的轴向进水径向出水方式可使得水轮200的叶片组合在旋转中会有较强的飞轮蓄能效应，进而有利于发电机500的启动和平稳运行。

请参阅图4和图5，在本实施例中，多个喷口叶片组成喷口叶片组，多个水轮叶片210组成水轮叶片210组，水轮叶片210组的旋向与喷口叶片组的旋向相反。可以理解，当两者的旋向相反时，经过两相邻的喷口叶片221之间的水流就能顺利导向至水轮叶片210的根部，然后沿水轮叶片210组的旋向从水轮200的径向出水口220流出，进而确保本水轮机可以径向出水，且能更高效地推动水轮200旋转。具体地，水轮200和进水喷口件120呈类似圆筒状，且喷口叶片组邻近进水喷口件120的外圆周面设置，水轮叶片210组邻近水轮200的外圆周面设置。此外，为获得更好的水流分流效果，以使每一水轮叶片210上的受力更加均匀，优选所有水轮叶片210沿周向均匀间隔设置，所有喷口叶片221也沿周向均匀间隔设置。

在本实施例中，具体如图5所示，两相邻的水轮叶片210之间的间距在径向上沿水轮叶片210组的旋向呈逐渐缩小设置；喷口叶片221的截面在径向上沿喷口叶片组的旋向呈逐渐扩大设置。如此，就能对水流起到更好的导向作用，进而确保本水轮机的特殊进出水设计，有利于进一步提高水轮200的效用。此外，所有的水轮叶片210的远离进水组件100的头部均内切于同一外圆，而所有喷口叶片221远离水轮叶片210的头部也外切于同一内圆。

请参阅图1、图2、图3和图5，在本实施例中，水轮机还包括第一壳体300，水轮200、进水换向柱130与进水喷口件120均内置于第一壳体300的内腔中；进水管110和发电机500分设于第一壳体300的两侧。在此，第一壳体300主要起到容置叶轮以及方便进水管110和发电机500分别与水轮200连接的作用。

具体地，在本实施例中，第一壳体300包括第一框架310、第一安装底板320以及第一安装支架330，水轮200内置于第一框架310的内腔中，第一框架310呈沿水轮200的轴向两端贯通设置，第一安装底板320和第一安装支架330分别与第一框架310的两端连接，并分别盖住第一框架310的两端敞口；第一安装底板320上开设有第一安装孔321，进水管110在第一安装孔321处与第一安装底板320连接，第一安装支架330上设有第二安装孔，发电机500在第二安装孔处与第一安装支架330连接，且发电机500的转轴510穿设第二安装孔后与水轮200连接。此外，在本实施例中，第一框架310具有向下的敞口，第一框架310对水轮200为部分容置；当然，于其他实施例中，水轮200也可以完全容置于第一框架310中。在此，第一框架310、第一安装底板320以及第一安装支架330之间均采用螺丝螺接。

进一步地，如图3所示，在本实施例中，进水组件100还包括进水换向柱130和进水喷口件120及进水管110安装在第一安装底板320上；进水换向柱130与水轮200同轴设置，且进水换向柱130呈沿从发电机500到出水管的方向上渐缩的椎体状。这样，在水流遇到进水换向柱130后就能沿其锥状的外周面而逐步转向至水轮200的径向，使得水流再经过喷口叶片221的进一步导向后，能冲击和推动水轮叶片210以使水轮200旋转，然后，水轮200直接驱动发电机500的转子旋转，发电机500发电。在此，进水换向柱130优选弧面椎体状，即进水换向柱130的外周面为一内凹的弧面，如此可进一步增强进水换向柱130的水流导向作用。

进一步地，请参阅图1至图3以及图5，在本实施例中，进水组件100还包括进水导向管140，进水导向管140的一端于第一安装孔321处与第一安装底板320连接，且进水导向管140呈沿从发电机500到出水管的方向上扩口设置。这样，可使得水流能通过进水导向管140而导流至进水管110处。此外，在进水管110上还设有多个沿周向排布的进水孔，以使水流分流更均匀；进水管110则与水轮200之间密封连接，以防止该连接处漏水而影响本水轮机的发电效率。

然本设计不限于此，在如图6和图7所示的另一实施例中，水轮机还包括第二壳体400，该第二壳体400的结构设计与前述实施例不同。具体地，第二壳体400包括第二安装支架410和第二安装底板420，水轮200和发电机500分设于第二安装支架410的两侧；第二安装支架410具有相对间隔的第一安装板411和第二安装板412，且水轮200和第一安装板411之间夹设有进水管110；发电机500与第二安装板412连接，且发电机500的转轴510穿设第二安装支架410后与水轮200远离进水管110的一侧板连接；第二安装底板420与第二安装支架410连接，并盖合第二安装支架410的敞口，且第二安装底板420上设有与第二安装支架410的内腔以及进水管110连通的进水口421。此外，在本实施例中，如图7所示，进水组件100也还包括进水换向柱130，该进水换向柱130具有内凹的导流弧面，且进水换向柱130与发电机500的转轴510同轴设置。在实际运行时，水流可以从第二安装底板420的进水口421处进入第二安装支架410的内腔中，然后经进水管110进入进水喷口件120中，并经过进水换向柱130和喷口叶片221的转向后，能冲击和推动水轮叶片210以使水轮200旋转，然后，水轮200直接驱动发电机500的转子旋转，发电机500发电。

进一步地，在本实施例中，在第二安装支架410的内腔中邻近进水口421处设有进水控制门150。如此，就可通过该进水控制门150而实现对进水量以及进水角度的调节。

在图8至图10的又一实施例中，水轮机还包括第三壳体600，第三壳体设于发电机500和水轮200之间，第三壳体600包括相对间隔的第三安装支架610和第三安装底板620，发电机500与第三安装支架610连接，发电机500的转轴510穿设第三安装支架610和第三安装底板620后与水轮200连接；第三安装支架610和第三安装底板620之间形成环形的进水口421；

进水组件还包括多个设于进水口421处的调节叶片630，且多个调节叶片630沿进水口421的周向间隔排布。

本申请还提出一种水力发电机，该水力发电机包括水轮机，该水轮机的具体结构参照上述实施例，由于本水力发电机采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此同样具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种水轮机，其特征在于，包括：

进水组件，所述进水组件包括进水管、进水换向柱和所述进水管连通的进水喷口件，所述进水喷口件具有沿周向间隔排布且旋向一致的多个喷口叶片；

水轮，所述水轮包括沿周向间隔排布且旋向一致的多个水轮叶片，所述进水喷口件同轴内置于所述水轮中，两相邻的所述水轮叶片远离所述进水喷口件的顶端之间形成径向出水口；以及，

发电机，所述发电机的转轴的一端与所述水轮连接；

其中，水流从所述进水管中以所述水轮的轴向进入所述进水喷口件中，并经所述进水喷口件和所述进水换向柱转向后，沿所述水轮的径向从所述水轮的径向出水口流出，以推动所述水轮转动，并带动所述转轴旋转发电。

2.如权利要求1所述的水轮机，其特征在于，多个所述喷口叶片组成喷口叶片组，多个所述水轮叶片组成水轮叶片组，所述水轮叶片组的旋向与所述喷口叶片组的旋向相反。

3.如权利要求2所述的水轮机，其特征在于，两相邻的所述水轮叶片之间的间距在径向上沿所述水轮叶片组的旋向呈逐渐缩小设置；所述喷口叶片的截面在径向上沿所述喷口叶片组的旋向呈逐渐扩大设置。

4.如权利要求1至3任一项所述的水轮机，其特征在于，所述水轮机还包括第一壳体，所述第一壳体包括第一框架、第一安装底板以及第一安装支架，所述第一框架呈沿所述水轮的轴向两端贯通设置，所述第一安装底板和所述第一安装支架分别与所述第一框架的两端连接，并分别盖住所述第一框架的两端敞口；

所述水轮、所述进水换向柱以及与所述进水喷口件均内置于所述第一壳体的内腔中，所述进水管和所述发电机分设于所述第一壳体的两侧。

5.如权利要求4所述的水轮机，其特征在于，所述进水换向柱、所述进水喷口件及所述进水管均安装在所述第一安装底板上；所述进水换向柱与所述水轮同轴设置，且所述进水换向柱呈沿从所述进水管到所述水轮的方向上渐扩的椎体状。

6.如权利要求4所述的水轮机，其特征在于，

所述第一安装底板上开设有第一安装孔，所述进水管在所述第一安装孔处与所述第一安装底板连接，所述第一安装支架上设有第二安装孔，所述发电机在所述第二安装孔处与所述第一安装支架连接，且所述发电机的转轴穿设所述第二安装孔后与所述水轮连接。

7.如权利要求6所述的水轮机，其特征在于，所述进水组件还包括进水导向管，所述进水导向管的一端于所述第一安装孔处与所述第一安装底板连接，且所述进水导向管呈沿从所述发电机到所述出水管的方向上扩口设置。

8.如权利要求1至3任一项所述的水轮机，其特征在于，所述水轮机还包括第二壳体，所述第二壳体包括第二安装支架和第二安装底板，所述水轮和所述发电机分设于所述第二安装支架的两侧；

所述第二安装支架具有相对间隔的第一安装板和第二安装板，且所述水轮和所述第一安装板之间夹设有所述进水管；所述发电机与所述第二安装板连接，且所述发电机的转轴穿设所述第二安装支架后与所述水轮远离所述进水管的一侧板连接；

所述第二安装底板与所述第二安装支架连接，并盖合所述第二安装支架的敞口，且所述第二安装底板上设有与所述第二安装支架的内腔以及所述进水管连通的进水口。

9.如权利要求8所述的水轮机，其特征在于，在所述第二安装支架的内腔中邻近所述进水口处设有进水控制阀门。

10.如权利要求1至3任一项所述的水轮机，其特征在于，所述水轮机还包括第三壳体，所述第三壳体设于所述发电机和所述水轮之间，所述第三壳体包括相对间隔的第三安装支架和第三安装底板，所述发电机与所述第三安装支架连接，所述发电机的转轴穿设所述第三安装支架和所述第三安装底板后与所述水轮连接；所述第三安装支架和所述第三安装底板之间形成环形的进水口；

所述进水组件还包括多个设于所述进水口处的调节叶片，且多个所述调节叶片沿所述进水口的周向间隔排布。

11.一种水力发电机，其特征在于，包括如权利要求1至10任意一项所述的水轮机。

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