CN112814820A - 一种新型水轮机发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型水轮机发电机组，包括蜗壳，蜗壳由相互连通的定径直筒段和变径螺旋段构成，定径直筒段的一端开设有入水口，入水口处连接有引水管。定径直筒段靠近引水管的一端设有入水稳流装置，入水稳流装置为旋转切割式稳流装置或固定直通式稳流装置。变径螺旋段的中心处固设有与之连通的环座，环座周侧设有活动导叶，环座的中心处转动设置有主轴，主轴的底部固定连接有水轮，顶部通过联轴器转动连接有发电机，发电机电性连接有蓄电池组和变压器。环座的底部开设有出水口，出水口处连接有尾水管。本发明通过入水稳流装置可以获得更均匀的湍流以及更平坦的速度剖面，从而减小入水脉动压力和水轮震动，延长机组的使用寿命。

Description

一种新型水轮机发电机组

技术领域

本发明涉及水轮机设备技术领域，尤其涉及一种新型水轮机发电机组。

背景技术

在水力发电工程中，主要应用到的机械设备就是水轮机，其构成部件主要是转轮、导叶、蜗壳、尾水管以及导水控制机构等。水轮机是将水流能量转换为旋转机械能量的动力设备，它带动发电机旋转产生电能。水轮机和发电机连在一起称为水轮发电机组，水轮发电机组是水电站的核心设备。

现有技术中，上游水库中的水经引水引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。做完功的水则通过尾水管排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。

本发明利用国家知识产权局官网的专利检索系统(网址http://www.cnipa.gov.cn)尽可能进行了详细、全面地检索，得到了如下现有技术，现对这些现有技术做介绍，并和本申请的技术方案做相关对比，以便更好的了解本发明的发明构思，展现本发明的技术优势和技术特点。

现有技术1：专利公布号为CN102230437A的发明，公布了一种水重力水轮机发电机组，在上级输水管道与下级输水管道之间，设有多级密封罐，内有空气，上游输水管的水流经入口流入密封罐，穿过密封罐中的空气，经密封罐中的水轮机做功后，落入密封罐的水池中，末级密封罐底的出口与下游输水管连接。由于密封罐内的气压与水压相同，密封罐内的压强与密封罐内的物体无关，因此密封罐内的水轮机不会使水流原有的动能减少，并且具有良好的实用性，但是本发明不能很好的调节水流冲击力，不利于稳定的进行工作。:

现有技术2：专利公告号为CN102230444B的发明，提出了一种变臂长竖直轴潮流水轮机发电机组，主要由叶片、臂密封、可伸缩臂、活塞、固定臂、缩短用液压缸、伸长用液压缸、支撑轮盘、压紧螺母、潮流速度方向传感器、主轴、主轴轴承、大齿轮、支撑座、液压油站、缩短用液压泵、伸长用液压泵、电刷、集成控制系统、轴颈密封、小齿轮轴轴承、小齿轮轴、联轴器、发电机组成。该发明根据潮流方向和流速，在叶片转动过程中，可伸缩臂动态伸长或缩短，当可伸缩臂的法向与潮流方向平行和垂直时，可伸缩臂分别变为最长和最短，使竖直轴潮流水轮机达到最大的能量捕获效率。但是水流对水轮机发电机组的冲击较大，引起水轮机的震动，影响机组的正常运行。

综上所述，在现有技术中，由于水流惯性较大，极易形成湍流，产生脉动压力，从而引起水轮机的震动，导致对整个装置的冲击力较大，设备容易损坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型水轮机发电机组，可以减小水轮对水轮的脉动压力而引起的振动，延长水轮的使用寿命，保证整个水轮机发电机组的正常运行。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种新型水轮机发电机组，包括蜗壳，所述蜗壳由相互连通的定径直筒段和变径螺旋段构成，所述定径直筒段的一端开设有入水口，所述入水口处连接有引水管；所述定径直筒段靠近引水管的一端设有入水稳流装置，所述入水稳流装置为旋转切割式稳流装置或固定直通式稳流装置，以减弱进水脉动压力达到稳流效果；所述变径螺旋段的中心处固设有与之连通的环座，环座周侧设有活动导叶，环座的中心处转动设置有主轴，主轴的底部固定连接有水轮，顶部通过联轴器转动连接有发电机，发电机电性连接有蓄电池组和变压器；所述环座的底部开设有出水口，所述出水口处连接有尾水管。

进一步设置为：所述旋转切割式稳流装置包括和定径直筒段固定连接的三角支架，所述三角支架的每个交点处均转动设置有扰流杆，所述扰流杆与定径直筒段的径向截面平行设置，所述扰流杆的两端均固设有扰流转子。

进一步设置为：所述扰流杆上设有多个扰流鳍片。

进一步设置为：所述三角支架的交点处沿定径直筒段的径向方向延伸有固定杆，固定杆靠近定径直筒段的一端固设有和定径直筒段内壁固定连接的连接板。

进一步设置为：所述固定直通式稳流装置包括和定径直筒段内壁固定连接的环形支架，所述环形支架内可拆卸连接有扰流板，所述扰流板上开设有多个扰流孔，所述扰流孔的内侧弯曲形成蝶型引流口且其直径沿水流方向逐渐减小。

进一步设置为：所述环形支架内侧开设有环形凹槽，所述扰流板嵌设于环形凹槽内且通过径向螺栓固定连接。

进一步设置为：所述尾水管靠近所述水轮的一端为直锥段，另一端为水平扩散段且其出口连通下游水位，所述直锥段和水平扩散段之间连通有弯肘段，所述直锥段内设有出水稳流装置。

进一步设置为：所述出水稳流装置包括稳流筒和与其固定连接的稳流叶片，所述稳流叶片和直锥段固定连接。

进一步设置为：所述稳流叶片朝向水轮的一侧设有扰流齿，另一侧设为圆弧形。

进一步设置为：所述引水管靠近入水口的一端设有拦污栅，所述拦污栅上设有金属滤网。

综上所述，本发明的有益技术效果为：

(1)当水流通过蜗壳的定径直筒段时，扰流杆在水流的驱动下转动，扰流转子边旋转边切割水流，使得水流核心流速度场“被平均”，从而获得更均匀的湍流以及更平坦的速度剖面。扰流鳍片进一步切割了水流，提升湍流的均匀性，在通过定径直筒段后，湍流逐渐衰减成层流，水流的速度剖面越平坦，则对水轮的脉动压力和冲击力越小，相比于现有技术，旋转切割式稳流装置可以减小进水脉动压力水轮的影响，延长水轮的使用寿命，保证整个水轮机发电机组的正常运行。

(2)当水流通过蜗壳的定径直筒段时，快速通过扰流孔，从而加强湍流，同时，扰流孔的蝶型引流口的设置进一步提升了流速，使得水流的核心流速度场“被平均”，从而获得一个更均匀的湍流以及更平坦的速度剖面。在通过定径直筒段后，湍流逐渐衰减成层流，水流的速度剖面越平坦，则对水轮的脉动压力和冲击力越小，相对于现有技术，固定直通式稳流装置可以减小水轮的振动，延长水轮的使用寿命。

(3)通过稳流叶片切割引导水流，将水轮出口的水流圆周速度分量转换为轴向速度，不仅消除了尾水涡流带，减弱了出水脉动压力，而且提高了尾水管的回收系数。

(4)水流经过引水管后进入蜗壳，通过调节活动导叶的开度从而调节进入水轮的水流量。水轮在水流的动能和势能的共同作用下转动，从而带动主轴转动，趋势发电机转子切割定子的磁场产生电能。这部分电能储存在蓄电池组内，通过变压器和输电线输出电能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为实施例一中旋转切割式稳流装置的结构示意图；

图3为沿图1中A-A线的剖视图，主要用于展示出水稳流装置的结构；

图4为实施例二中固定直通式稳流装置的结构示意图；

图5为沿图4中B-B线的剖视图。

附图标记：

1、蜗壳 11、定径直筒段 12、变径螺旋段

2、引水管 3、入水稳流装置 311、三角支架

312、固定杆 313、连接板 314、扰流杆

315、扰流转子 316、扰流鳍片 321、环形支架

322、扰流板 323、扰流孔 324、环形凹槽

325、径向螺栓 40、环座 41、活动导叶

42、主轴 43、水轮 44、发电机

5、尾水管 51、直锥段 52、弯肘段

53、水平扩散段 6、出水稳流装置 61、稳流筒

62、稳流叶片 63、扰流齿 7、拦污栅

8、金属滤网

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1，为本发明公开的一种新型水轮机发电机组，包括蜗壳1，蜗壳1由相互连通的定径直筒段11和变径螺旋段12构成，定径直筒段11的一端开设有入水口，入水口处连接有引水管2，引水管2的进口连通上游水位，引水管2的周径自上而下逐渐减小，从而增加水流的势能。定径直筒段11靠近引水管2的一端设有入水稳流装置3，以减小进水脉动压力对整个机组的影响。变径螺旋段12的中心处固设有与之连通的环座40，环座40周侧设有活动导叶41。环座40的中心处通过推力轴承转动设置有主轴42，主轴42的底部固定连接有水轮43，顶部通过联轴器转动连接有发电机44，发电机44电性连接有蓄电池组和变压器。环座40的底部开设有出水口，出水口处连接有尾水管5，尾水管5的出口连通下游水位。

水流经过引水管2后进入蜗壳1，通过调节活动导叶41的开度从而调节进入水轮43的水流量。水轮43在水流的动能和势能的共同作用下转动，从而带动主轴42转动，趋势发电机44转子切割定子的磁场产生电能。这部分电能储存在蓄电池组内，通过变压器和输电线输出电能。

参照图2，入水稳流装置3为旋转切割式稳流装置，旋转切割式稳流装置包括三角支架311，三角支架311的交点处沿定径直筒段11的径向方向延伸有固定杆312，固定杆312靠近定径直筒段11的一端一体固设有连接板313，连接板313和定径直筒段11的内壁焊接固定。三角支架311的每个交点处均转动设置有扰流杆314，扰流杆314与定径直筒段11的径向截面平行设置，扰流杆314的两端均固设有扰流转子315。

当水流通过蜗壳1的定径直筒段11时，扰流杆314在水流的驱动下转动，扰流转子315边旋转边切割水流，从而加强湍流，湍流越强其动量交换能力越强，高速流的动量就能更多传给低速流，核心流速度场“被平均”，获得了一个更均匀的湍流以及更平坦的速度剖面。加强后的湍流其速度剖面很平坦，核心区的速度梯度小，剪切作用弱，能量来源被切断了，持续的耗散而没有补充，在通过定径直筒段11后，湍流逐渐衰减成层流，水流的速度剖面越平坦，则对水轮43的脉动压力和冲击力越小。

继续参照图2，扰流杆314上设有多个扰流鳍片316，扰流鳍片316进一步切割了水流，提升湍流的均匀性，从而获得一个更平坦的速度剖面，进一步降低水轮43对水轮43的脉动压力和冲击力。

参照图1和图3，尾水管5靠近水轮43的一端为直锥段51，直锥段51的周径自上而下逐渐增大，另一端为水平扩散段53且其出口连通下游水位，水平扩散段53的周径沿出水方向逐渐增加，使得水流的流速逐渐减缓，减小尾水脉动压力对水轮43的影响。直锥段51和水平扩散段53之间连通有弯肘段52，直锥段51内设有出水稳流装置6。

出水稳流装置6包括稳流筒61和与其固定连接的稳流叶片62，稳流叶片62和直锥段51内壁通过焊接的方式固定连接。稳流叶片62设有多个且以稳流筒61中心呈环形分布，本实施例中稳流叶片62设为四个。稳流叶片62朝向水轮43的一侧设有扰流齿63，另一侧设为圆弧形。

尾水管5中涡流带也会产生水压脉动，通过稳流叶片62切割引导水流，将水轮43出口的水流圆周速度分量转换为轴向速度，这样不仅消除了尾水涡流带，减弱了出水脉动压力，而且提高了尾水管5的回收系数。

参照图1，引水管2靠近入水口的一端设有拦污栅7，拦污栅7上设有金属滤网8，以过滤水流中的大颗粒泥沙，从而减少大颗粒泥沙对水轮43叶片的冲击破坏。

本实施例的工作原理及有益效果为：

水流经过引水管2后进入蜗壳1，通过调节活动导叶41的开度从而调节进入水轮43的水流量。水轮43在水流的动能和势能的共同作用下转动，从而带动主轴42转动，趋势发电机44转子切割定子的磁场产生电能。这部分电能储存在蓄电池组内，通过变压器和输电线输出电能。

当水流通过蜗壳1的定径直筒段11时，扰流杆314在水流的驱动下转动，扰流转子315边旋转边切割水流，从而加强湍流，湍流越强其动量交换能力越强，高速流的动量就能更多传给低速流，核心流速度场“被平均”，获得了一个更均匀的湍流以及更平坦的速度剖面。加强后的湍流其速度剖面很平坦，核心区的速度梯度小，剪切作用弱，能量来源被切断了，持续的耗散而没有补充，在通过定径直筒段11后，湍流逐渐衰减成层流，水流的速度剖面越平坦，则对水轮43的脉动压力和冲击力越小。

相对于现有技术，旋转切割式稳流装置可以减小水轮43的振动，延长水轮43的使用寿命，保证整个水轮43机发电机44组的正常运行。扰流鳍片316进一步切割了水流，提升湍流的均匀性，从而获得一个更平坦的速度剖面，进一步降低水轮43对水轮43的脉动压力和冲击力。水流经过水轮43的出口后进入尾水管5，通过稳流叶片62切割引导水流，将水轮43出口的水流圆周速度分量转换为轴向速度，这样不仅消除了尾水涡流带，而且提高了尾水管5的回收系数。

实施例2

参照图4和图5，与实施例1的不同之处在于，入水稳流装置3为固定直通式稳流装置，固定直通式稳流装置包括和定径直筒段11内壁固定连接的环形支架321，环形支架321内可拆卸连接有扰流板322，扰流板322上开设有多个扰流孔323，扰流孔323的轴线和定径直筒段11的轴线相互平行且各个扰流孔323之间等间距布置，扰流孔323的内侧弯曲形成蝶型引流口，扰流孔323的直径沿水流方向逐渐减小。环形支架321内侧沿其径向开设有环形凹槽324，扰流板322嵌设于环形凹槽324内且通过径向螺栓325固定连接。

本实施例的工作原理及有益效果为：

当水流通过蜗壳1的定径直筒段11时，快速通过扰流孔323，从而加强湍流。同时，扰流孔323的蝶型引流口的设置进一步提升了流速，增强了湍流效应，湍流越强其动量交换能力越强，高速流的动量就能更多传给低速流，核心流速度场“被平均”，获得了一个更均匀的湍流以及更平坦的速度剖面。加强后的湍流其速度剖面很平坦，核心区的速度梯度小，剪切作用弱，能量来源被切断了，持续的耗散而没有补充。在通过定径直筒段11后，湍流逐渐衰减成层流，水流的速度剖面越平坦，则对水轮43的脉动压力和冲击力越小，相对于现有技术，固定直通式稳流装置可以减小水轮43的振动，延长水轮43的使用寿命，保证整个水轮43机发电机44组的正常运行。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种新型水轮机发电机组，包括蜗壳(1)，其特征在于：所述蜗壳(1)由相互连通的定径直筒段(11)和变径螺旋段(12)构成，所述定径直筒段(11)的一端开设有入水口，所述入水口处连接有引水管(2)；

所述定径直筒段(11)靠近引水管(2)的一端设有入水稳流装置(3)，所述入水稳流装置(3)为旋转切割式稳流装置或固定直通式稳流装置，以减弱进水脉动压力达到稳流效果；

所述变径螺旋段(12)的中心处固设有与之连通的环座(40)，环座(40)周侧设有活动导叶(41)，环座(40)的中心处转动设置有主轴(42)，主轴(42)的底部固定连接有水轮(43)，顶部通过联轴器转动连接有发电机(44)，发电机(44)电性连接有蓄电池组和变压器；

所述环座(40)的底部开设有出水口，所述出水口处连接有尾水管(5)。

2.根据权利要求1所述的一种新型水轮机发电机组，其特征在于：所述旋转切割式稳流装置包括和定径直筒段(11)固定连接的三角支架(311)，所述三角支架(311)的每个交点处均转动设置有扰流杆(314)，所述扰流杆(314)与定径直筒段(11)的径向截面平行设置，所述扰流杆(314)的两端均固设有扰流转子(315)。

3.根据权利要求2所述的一种新型水轮机发电机组，其特征在于：所述扰流杆(314)上设有多个扰流鳍片(316)。

4.根据权利要求3所述的一种新型水轮机发电机(44)组，其特征在于：所述三角支架(311)的交点处沿定径直筒段(11)的径向方向延伸有固定杆(312)，固定杆(312)靠近定径直筒段(11)的一端固设有和定径直筒段(11)内壁固定连接的连接板(313)。

5.根据权利要求1所述的一种新型水轮机发电机组，其特征在于：所述固定直通式稳流装置包括和定径直筒段(1)内壁固定连接的环形支架(321)，所述环形支架(321)内可拆卸连接有扰流板(322)，所述扰流板(322)上开设有多个扰流孔(323)，所述扰流孔(323)的内侧弯曲形成蝶型引流口且其直径沿水流方向逐渐减小。

6.根据权利要求5所述的一种新型水轮机发电机组，其特征在于：所述环形支架(321)内侧开设有环形凹槽(324)，所述扰流板(322)嵌设于环形凹槽(324)内且通过径向螺栓(325)固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种新型水轮机发电机组，其特征在于：所述尾水管(5)靠近所述水轮(43)的一端为直锥段(51)，另一端为水平扩散段(53)且其出口连通下游水位，所述直锥段(51)和水平扩散段(53)之间连通有弯肘段(52)，所述直锥段(51)内设有出水稳流装置(6)。

8.根据权利要求7所述的一种新型水轮机发电机组，其特征在于：所述出水稳流装置(6)包括稳流筒(61)和与其固定连接的稳流叶片(62)，所述稳流叶片(62)和直锥段(51)固定连接。

9.根据权利要求8所述的一种新型水轮机发电机组，其特征在于：所述稳流叶片(62)朝向水轮(43)的一侧设有扰流齿(63)，另一侧设为圆弧形。

10.根据权利要求1～9所述的一种新型水轮机发电机组，其特征在于：所述引水管(2)靠近入水口的一端设有拦污栅(7)，所述拦污栅(7)上设有金属滤网(8)。

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