CN1132824A - 微水头高效灌流式水轮机 - Google Patents

Abstract

一种低微水头下高效率灌流式水轮机，它是采用水轮体分轮段而统一补换气却相对独立闭合使得水头重力流过半墙“巷”而获重力能并通过系统有机补换气行为又使空腔回复的轮叶获生浮势能，以此提高了本发明作为低微水头95％水能转换效率的水轮机的无功出力，应当是现行贯流式水轮机的更新换代产品。

Description

微水头高效灌流式水轮机

本发明是一种低微水头下高效率水能利用的灌流式水轮机。

目前，已知的水轮机，其工作效率均受水头因素的影响很大，即便是贯流式水轮机，还附有无功出力低的缺陷。现行水轮机的采能特点，从根本上限制了原始水能区域上的小型水电事业及农业水利科学的发展，障碍着人类向海洋进军的能源利用的大门。

本发明的目的是提供一种针对具体水头的不同低微程度而相应设计出各种适型条件下的水能利用的95％左右效率的水工机械。作为重要的高效水轮机，为海洋水能利用和大陆原始水系缓滞河流浮式采能及小型水电工程等水能利用而设计，试图在获取低微水头下水体动能的同时，结合换补气措施而相应地副获到可以提高系统能量转换率和成倍提高无功出力的潜在势能。

本发明的目的是这样实现的：就0.5m-10m的电站水头低微程度而适型的单式或孪式、双孪式水轮机，其水轮是设八道负(正)角逆(顺)转倒10°-45°(其正、负角逆、顺转倒式，在系统结构上基本一致，唯入水口、水头启闭门及半墙与生浮区位置颠倒便是对应型)的弧面或平面板的通体轮叶，其顺势旋递成正圆柱形体，轮体横卧在通体正圆桶的横桶壳体中，其叶缘游隙准封各轮叶之腔斗(一侧四斗继速性夹水下行，另一侧携气体生浮上行)遁行于内；横桶壳固定在壳外机壳内，其桶体与机壳共下位通外开45°圆弧泄水口，桶体正上开45°圆弧口并适扣横冠空腔的条件性密闭的横冠腔体，体侧的左(右)前桶体上加开45°圆弧口(合称为上入水口)，上入水口外设有启闭永门；在水轮体中设横轴，轴外体上均布周设八隔辐条板(对应独立通气腔道)，板过缓冲网条的半圆凹面板，每凹面板并体于对应辐条板体延设的水轮板叶之间并连接组成旋转刚体，共通气道顺轴向至左、右动静结合为系统换补气的两端势动盘，每盘有转子(随旋转刚体运动而八隔通气口)和定子盘(开有下定位持续通气的45°扇面补气口)，而转子盘固定于轴端，对应定子每设轴孔纵合于转子盘借推力轴承系统制控游隙而静动结合补换气。势动盘引通气于定子盘体上的两行方管，上自冠柱空腔体内因水头压水挤来；水轮系统分若干段，段与段之间设半桶截面的两面钢骨半墙(每两面半墙互牵拉条)局为常压水体的副生浮区(通联主生浮区、区经气水两阀通大气)相隔，其两半墙向轴设有准封口与轮轴延联闭腔体段静动结合，而每叶板组端板之口缘亦准封口与轮轴延联闭腔体段静动结合，而每叶板组端板之口缘亦准封与桶体内壁动静结合，相应地，每半墙与叶板轮组段端板面亦游隙(设推力动滑总成)静动结合；桶体壳一侧对应半墙副生浮区的半壁上开口通联水于生浮区统一闭合，冠柱空腔体侧设启闭门分通大气和补气机，这样，打开气水阀对机内生浮区充入沉淀了的清水至满即闭，随后开启水头启闭门，即可正常输出动力(这里所说的动力，主要是水头推流作用到水轮的动能)，即重力水流受轮叶挟制过半墙之“巷”实际地对横轴及其系统作功。关于作功，这里两层基本含义：第一层，即水流直动之力与空轮侧生浮正功合力，是由于两能的实际存在和动、势能方向相反又在反力矩对称中轴上合力，将其抽象解释为无功出力；第二层意思是，系统做功过程中，兹当生浮水体加满主、副生浮区而未开启水头门时，水轮体则以横轴为中心形成反力矩的等力互缚性内力，视为两个浮力“团”单位反力矩的类切向浮力的过程性抵消，当一侧给水过半墙“巷”消除本侧浮势，而这种浮势消除乃是受半墙“巷”庇护的过程性反应，因而这就约等于系统重力流与瞬即消除浮势分别为一个动能作功和一个消除对应侧反力矩浮力团正功互缚力的两“暂”不相扰的合力双团，只是浮“团”正功仅能作为“预备力团”而潜在系统中，另外，本发明人还想公开一层探讨性的内容：从创新的角度出发，本发明左(右)侧浮力团的浮力事实消除并非完全由加满了水后的重力抵消了该团与右(左)侧浮力团所等量接受生浮反作用力的情由所起，而是在主、副生浮区产生反浮作用力之即，右侧浮力团受力是整半轮表面80％左右的可力面积，而左侧浮力团受力却是不到本侧半轮表面1％的可力面积上的一条半墙背后的游隙之缝，从作用力方向上分析，右侧的受的是面上整体正压类切向力，而左侧则是点上部位的侧压类切向力——我自己认为，一个浮体物所获浮力势能总量的大小，应该等于它所下潜到液中生浮即位的平均液性水柱密度与物体表面积的积，其该物体的正功路径是赖于水柱密度之改变相应减少并达到其即位势能总量而留下比重积差量级的平动释能的过程。倘此理无大虞，则本发明的轮桶半墙内副生浮区的反浮作用力是被桶体和半墙的固定结合的静稳定应力所“短路”并大部抵消，而左右两侧半轮体的获浮量差又只能受静压力的面积大小和力点及方向偏差产生。因此，便可以说本发明的系统采能运行中，伴随有势能正功，除无功出力外，还可部分弥补其系统的尾水浪费值。

本发明的运行描述是这样的：水头过入水口对上止轮叶板间充水，水推轮正转(或负转)，当继轮叶板携背腔浮尽临至冠柱空腔扣口的左缘，则水头乘机进入板背贯腔内逐速增水量，而腔内气体自上冠内空腔(气过腔端通气方管送至势动盘定子持续补气口，口通适角速下的随转下行临止轮板背空间，间水逃逸合重力排尾水于下泄水口)，如此循行不悖，凡板叶达冠腔口左缘后，其必入水并排气等量供给下止板叶而量入为出，这样，左(右)侧半轮在半墙“巷”内避浮寄重并时有四腔叶后水合水头以重力推动水轮(正角顺转10°-45°的轮板叶设计效率要高一些，其自动控速能力更强，噪音小，只是补气和生浮区内生浮的水气耗用快……在设计流量较小的电站上采用)，而右(左)侧半轮在生浮区内时生四空腔之浮力推动水轮，如此运行，其转速当保持在一定的平稳水平上，自控好，当转速过快则上止板叶入水混气和下止板叶逃逸水不尽而自动调速，当转速渐慢则上、下板叶的入水和逃逸水行为较彻底，加之其结构性惯力，则自然增大出力而恢复正常转速，只是前者需要适时补气(或自动微压补气)。

由于采用了上述方案，可使低微水头的水能利用率达到95％左右，尤其弥补了常规贯流式水轮机无功出力小的缺陷，特别是为本人发明的《定调双浮两翼横式潮汐发电站》和《偏浮式海浪发电护岸组合电站》提供了较为理想的高效水能转换的中心配套机械。

下面结合说明书附图对本发明进一步说明。

图1，是本发明的第一个实施例的面环剖主视图。

图2，是图1的A-A剖位侧视图。

图3，是图2的B-B剖位侧视图。

图4，是本发明的势动盘定子盘面主视图。

图5，是本发明的势动盘转子盘的主视图。

图6，是本发明第二个实施例的孪式共推型中剖主视图。

图7，是图6的I-I剖位俯视图。

图中，1、生浮区气水阀；2、生浮区；3、弧面水轮板叶(简板叶又称水轮)；4、水轮段端板(简端板)；5横柱圆桶轮壳(简轮壳)；6、封气滑动偶环；7、势动盘转子面(简转子)；8、分通气道、道口(简通气口)；9、水润滑推力总成动滑环板(简动滑总成)；10、主传动横转轴(简横轴)；11、隔气钢壁辐条(简幅条)；12、基本水头；13、超水头；14、入水口；15、横冠腔体；16、补气(闸门)系统；17、泄水口；18、泄水聚气引口(简引口)；19、水头启闭门；20、壳外生浮机壳(筒壳外壳)；21、生浮区底座；22、壳外机板体；23、冠体空腔；24、冠腔口；25、准封缘条；26、左联机；27、拉撑消浮半墙板(简半墙)；28、拉条；29、换气方管；30、气水条口；31、势动盘定子体(简定子)；32、动力输出延轴(简延轴)；33、主轴轴承；34、持续补气定子侧口(简定子口)；35、定子口壁；36、副生浮区；37、缓冲圆条板；38、叶基；39、桶壳端板；40、分体组接点；41、端板随动入墙正转方向；42、门内水力压头(或聚压头)；43、“钢骨”半墙消浮面；44、半墙内缘向轴准封口(简向轴口)；45、转子体；46、方管斜截面口；47、防漏偶环(简偶环)；48、定、转子准封套体；49、定子推力结合面；50、转子推力结合面；51、中轴孔；52、持续补气45°扇面口；53、低微水头；54、孪式中壁板；55、加强筋；56、气浮侧轮；57、重力水侧轮；58、宜侧过水垛口(简过水垛口)；59、水轮端板口缘准封环条体(简环条体)；60、分水轮体；61、分轮轮面；62、轴口推力轴承承道；63、轮轴总成闭合延联体(简闭联体)；64、维修横备门；65、人孔；66、准封胶条板、钉组。

在图1中，桶壳(5)左上侧开入水口(14)，正上方设冠腔口(24)扣定横冠腔体(15)并有内外通大气的补气系统(16)成为可充补气的冠体空腔(23)腔体(15)左前桶体上加开入水口(14)，正下方开泄水口(17)并设引口(18)，壳(5)外通连设生浮壳(20)制成两气水阀(1)制控的闭合生浮区(2)；壳(5)中心设横转轴(10)，轴(10)上设八隔式负角逆转倒10°-45°或者正角顺转倒10°-45°的板叶(3)，叶(3)两端设准封于缘动对壳(5)静止内壁的端板(4)并各叶(3)准封上缘成组为正角转八只相继闭敞口的正圆柱形体水轮，唯转子(7)顺轴(10)平露于端板面(4)引八只通气口(8)向外与定子(31)同轴(10)游隙动静结合。

在图2中，右起至左联机(26)的整个水轮机，以横轴(10)、八隔闭式辐条(11)及其周置通气口(8)体为中心固定若干组全等体的分水轮(60)，轮(60)每隔副生浮区(36)固定于桶体的两对应半墙(27)，墙(27)向轴口(44)准封(并侧设偶环)与闭联体(63)静动结合；轴(10)左右两端各设转子盘(7)并对称外合定子盘(31)偶对合于系统换气的游隙动静结合之中，其中对应左联机(26)的定子盘(31)换气方管(29)相联一体的是左端的定子盘(31)和换气方管(29)；每组分水轮(60)对应设桶壳下泄水口(17)、桶上冠腔口(24)，冠体空腔(23)则可根据需要设计通机中部过水垛口(58)或设若干不妨碍其通换气的外过水的冠腔体(15)；分水轮系统之间设分体组合接点(40)以便装机，大型机还要适可考虑是否分联轴(10)也是十分必要的，但要根本保证各体的正体和动静游隙不受影响。

在图3中，闭合的桶壳(5)内，唯以经横截闭联体(63)段设独立启闭口的八通气口(8)而成整转轴的闭联体(63)，体(63)外是半墙(27)与其向轴口(44)局成的通连生浮区(2)的副生浮区(36)，其半墙(27)纵结左半桶壳合成一体，墙(27)的外背是与其游隙静动结合且向桶准封而正角转动的分水轮(60)之分水轮面(61)，面(61)上设有与半墙(27)结合的制隙推力轴承和防漏偶环(47)。

在图4中，中设圆心轴孔(51)的定子盘(31)，圆盘面上、下设45°扇面补气口(52)，扇口(52)所在环面的外环设偶环(47)，内环设动滑总成(9)的滚珠槽并架设滚珠；其盘面内自上而下引两换气方管(29)通至扇面补气口(52)。

在图5中，中定横轴(10)，轴(10)向外的盘面上依次环设与定子(31)盘面相应的动滑总成(9)、辐条(11)八隔的随动通气口(8)、偶环(47)。

在图6中，孪式共推式，采用图1的复式化全对称结构，唯共置生浮区(2)于中部并设有外壳隔墙(54)互通，两水轮(3)左正角转、右负角转并全对称左右开入水口(14)和对应开冠腔口(24)、泄水口(17)，这样，以适应于大流量采能和平稳高高的需要。

在图7中，横向全对称，图上经向适当长度内只设一水轮体(3)成面，联机(26)互通气而简化设计，主要考虑适用在能源充沛而无需过多效率且设备疲劳强度要求高的海洋能源的工程之上。

Claims (6)

1、一种微水头高效灌流式水轮机，其特征是：横式桶壳(5)内设若干全等体与其游隙静动结合的共横轴(10)的分水轮(3)，轮(3)之间设定有与桶壳(5)左(右)半桶截面上装配结合成闭合半侧分水轮(3)重力流“巷”的由两半墙(27)构成的副生浮区(36)，每半墙(27)与对应分水轮的端板(4)游隙静动结合以及向轴口(44)偶环(47)准封静动结合闭联体(23)，而整机两横轴端各设势动盘，盘经两方管(29)持续补气于上冠腔(23)内过冠腔口(24)的由入水口(14)引水头压挤而来，继入通气口(8)代位排水至泄水口(8)；轮(3)体裸露在生浮区(2)内，唯轮斗口二维准封于环条体(61)的轨道内；轮(3)以横轴(10)延轴(22)输出动力或联机共轴传动和孪式并轴传动。

2、根据权利要求1所述的灌流式水轮机，其特征是：继充水吐气与续补气吐尾水相互制控和动、势双能互馈的横灌流的水轮机。

3、根据权利要求1所述的灌流式水轮机，其特征是：水轮(3)或各分水轮(60)轮板叶(3)的八叶均布与端板(4)共局八斗独立闭合并上下对应两斗换补气的是负(正)角逆(顺)转倒10°-45°且于斗口缘设准封缘条(25)的弧面或平面板。

4、根据权利要求1所述的水轮机，其特征是：定子(31)于中环正下部开45°扇面口(52)静动结合是在偶环(47)准封并经动滑总成(9)控游隙引上止轮叶腔气充入转子(7)的八通气口(8)的下止轮叶腔对应口(8)的势动盘总成。

5、根据权利要求1所述的水轮机，其特征是：分轮(60)段之间，是用动滑总成(7)、偶环(47)对应游隙动静结合两半墙(27)，墙(27)内设拉条(28)并在半墙(27)向轴口(44)游隙准封的主、副生浮区(2、36)闭联体(63)对应系统。

6、根据权利要求1所述的水轮机，其特征是：单机或通轴(10)横联机(26)和孪式机并设的若干纵横向机联组合形式。

Images