CN116006378A - 改进的可逆式泵水轮机安装 - Google Patents

Abstract

本发明涉及改进的可逆式泵水轮机安装。本发明是一种在立井中而不是常规的地下动力室或深层混凝土动力室的可逆式泵水轮机安装位置。所需的泵站空化系数可以通过简单地将立井钻至所需深度，而不是引导水流流入和流出深埋的动力室。气动控制减压阀可以结合到本发明中。

Description

改进的可逆式泵水轮机安装

本申请是申请日为2018年04月30日，申请号为201880003305.4，发明名称为“改进的可逆式泵水轮机安装”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于电能储存的可逆式泵水轮机(reversible pump-turbines)。如图1a-图1c所示的常规的抽水蓄能设施(pumped storage facilities)通常使用地下动力室来提供转轮(runner)处的充足的绝对压力以防止破坏性空化(destructive cavitation)。例如，转轮的高度可以为尾水下方100米。建造和维护这样的地下设施很昂贵，并且在设施较小的情况下，费用不会与尺寸成比例地减小。因此，在北美洲，低于100MW的抽水蓄能设施极少。图1b中显示了典型的常规泵水轮机的立剖面图。图1c中示出了在子午平面具有90度转弯的泵水轮机水流路径的现有技术，这与常规的混流式水轮机的子午平面中的水流路径类似。本发明涉及单用途水轮机和泵以及可逆式泵水轮机。图2的下部示出(在子午平面中的)常规叶轮(impeller)和扩压器(diffuser)配置，其中转轮(叶轮)向流体赋予的加速度是向外和向下的，与这种情况下发生在扩压器中的最大水路通道直径相比，这导致了不必要的小的转轮尖端直径。这种不必要的小直径导致有限的横跨各级的扬程差，从而导致更多的级和更低的总效率。

发明内容

本发明通过将具有电动发电机的可逆式泵水轮机定位成大体上远低于大体直立的井眼(borehole)中的尾水水位(tailwater level)来建立所需的泵站空化系数(plantcavitation coefficient)。本文中所使用的术语“井眼(borehole)”而不是“井筒(shaft)”以避免与位于井眼中的泵水轮机的旋转轴混淆。

常规抽水蓄能设施将转轮定位成远低于尾水高度，以在保持高的单位功率和特定速度的同时抑制空化现象(cavitation)。可逆式泵水轮机的临界空化系数(criticalcavitation foefficient)比水轮机或泵的临界空化系数高，因为水力纵剖面(hydraulicprofiles)是泵送和发电之间的折衷，并且二者均未优化。迄今为止，不管机器的尺寸和额定功率如何，在尾水下方定位转轮都需要深度和昂贵的挖掘。挖掘和地下施工的费用对于例如小于100兆瓦的小型装置而言成本已经过高。适合于大型装置的场地受地质、地理、竞争土地使用和适当的输电线路的限制。存在许多合适的较小规模场地，但是即使在尺寸和额定功率上按比例缩小，现有的可逆式泵水轮机仍然需要过高的挖掘和建造成本。

所提出的配置利用简单且便宜的直径可能1至3米的井眼来将高单位输出的可逆式泵水轮机定位到足够低于尾水高度以抑制空化现象。这样的井眼通常作为价格合理的商业建造服务井眼。例如，用于提升水、电和控制电缆的钢衬和管道可以在井眼内灌浆到位。适用于这种类型的装置的泵水轮机可以配置为单级机器或可配置为利用特定配置的“扩压器碗(diffuser bowls)”的多级机器，该“扩压器碗”的功能类似于在多级潜泵上使用的那些。这些泵水轮机通常不会使用常规的蜗壳(scroll cases)。正因如此，这些泵水轮机的级可以堆叠以允许标准液压设计在宽范围的扬程(head)条件下使用。通过简单地建立所需的立井眼深度能够获得所需的泵站空化系数，这进一步促进了标准泵水轮机级的使用。与常规地下动力室泵水轮机装置相比，设计和制造场地专用机械的需求较少，并且不需要将压力管道或尾水管道搬运到极其深的地方，那将在大多数地方与小型抽水蓄能装置结合成本过高。标准部件的使用导致以降低的成本增加相同零件数量。降低的成本反过来能够用增加的零件数量建造更多的项目。

流入和流出可逆式泵水轮机的水流可以通过定位在泵水轮机组件上方的井眼中的同轴压力管道。相关的电动发电机(motor-generator)(其可以根据条件需求用作电动机(motor)或发电机(generator))可以是潜水式的，并在某些优选的实施例中，位于泵水轮机(组)的下方。将电动发电机定位在泵水轮机下方，对于给定的井眼尺寸允许更大的直径、并因此更经济的电动发电机。将基本所有的井眼横截面积分配给水输送(上和下)，而不是分配给电动发电机的空间，对于给定直径的井眼允许最大额定功率。

可选地，电动发电机可位于水通道之外并用轴连接至转轮。这样的布置可以比提供足够大的地下动力室以便合并蜗壳更加便宜，同时允许了现成的空冷(air-cooled)电动发电机的使用。

在优选实施例中，可移除的歧管(manifold)可以用于将内管连接至尾水并将外管连接至通向上游水的压力管道。将较小直径的泵入口/水轮机出口与同轴管道中较小的连接、而将较大的泵出口/水轮机入口与两个同轴管道中较大的连接通常更加有效。在安装多个泵水轮机的情况下，本发明的可选实施例可以利用另一种布置，例如将多个泵水轮机安装在通用井眼中的防水壁上。可移除的歧管可以包括整体式气动控制减压阀。该整体式减压阀其自身将通过消除对调压井(surge shaft)的需求以及通过减少压力管道的冲击压力来减少建筑工程花费。另外，或可选地，气垫可以留在井眼的盖下面。移除歧管允许从井眼中移除机器。专用的起重设备将便于安装、维修和维护，无需密闭空间工作。附接到可逆式泵水轮机的底部的水压致动活塞可用于升高和降低。活塞和机器之间的间隔件可以用于允许机器完全脱离井眼。

通过为风力发电产业开发的功率控制电子器件的现成可用性促进了可变速操作。如在风力涡轮机电源转换器的情况下，全电源转换器可以与电动发电机(例如，永磁电动发电机)结合使用，且部分电源转换器可以与(通常较大的)双馈感应发电机结合使用。

其中安装有可逆式泵水轮机的井眼可以包括以下设置：用于通过与主井眼分开的管道207将加压水流输送到井眼的底部，以便液压地提升装备以进行维护或修理，并可控地将设备降低到运行位置。电源连接优选配置为在机器下降时自动接合，并在机器上升时自动脱离。这种连接器可以使用常规的“湿式配合(wet mate)”船用电连接器技术或可以使用压缩气体、绝缘油和充气式气囊的组合，例如，用于建立与地电位隔离的稳固电连接。

设备所在的井眼可以终止于上门架(portal)、下门架或任何方便的中间位置。在与现有管道一起安装的情况下，立井眼可以根据由操作、甩负荷和其他注意事项产生的所需的压力曲线而定位。井眼盖可以包含减压阀，并可以用于脱封包含空气的调压井。

例如，多个机器可以安装在通用的防水壁上的单个井眼中。根据本发明的可逆式泵水轮机可以与佩尔顿(Pelton)水轮机结合使用，例如，如果需要，则便于在低功率水平下发电。可逆式泵水轮机可以与非河道季节性蓄水池结合使用，其中他们的主要目的可以是在高流量期间将水提升到蓄水池以及在下游需要储存的水时回注水同时恢复能量。

根据本发明的某些实施例，气压平衡减压阀可以用于限制来自于水锤现象(waterhammer)的过压。

可以使用具有可致动性密封件的弯头，以便在操作期间将尾水管(draft tube)连接至为尾流(tail race)。充气式气囊可以用于将弯头密封在其操作位置，同时允许该弯头在提升和下降操作期间自由移动。充气式气囊或支撑件还可以用于在操作期间将机器固定到位，以及将该机器释放以便允许提升该机器以进行维护。

根据本发明的另一方面，提供了可逆式泵水轮机转轮或泵叶轮，其给流量赋予了向上的速度分量。该向上的速度分量允许该流量在可逆式泵水轮机的情况下直接向上通过扩压器或导流叶片(guide vane)-扩压器组合，或在多级泵的情况下直接进入扩压器(定子)级，同时最大化叶轮尖端直径与最大水通道直径的比例。在本发明的情况下，这个比例可以为1.00。这最大化了每级扬程并允许使用单级机器来获取更大的扬程。图19a和图19b示出了当朝向后缘观察时，子午平面中的流量以及叶轮轮叶的X形外观。

本申请还涉及以下方面。

1)一种抽水蓄能系统，其具有上蓄水池、下蓄水池和可逆式泵水轮机，所述可逆式泵水轮机通过压力管道连接至所述上蓄水池并且还凭借尾水管道连接至所述下蓄水池，其中，所述泵水轮机定位在高度在所述下蓄水池的表面下方的立井中，并且其中，所述泵水轮机从所述立井中轴向可移除。

2)根据1)所述的系统，其中，所述泵水轮机包括多个级。

3)根据1)所述的系统，其中，所述压力管道和所述尾水管道同轴定位在所述泵水轮机上方的所述立井中。

4)根据1)所述的系统，其还包括可操作地连接至所述泵水轮机的电动发电机泵水轮机。

5)根据4)所述的系统，其中，所述电动发电机定位在所述泵水轮机下方。

6)根据4)所述的系统，其中，所述电动发电机在所述泵发电机上方，并且以垂直驱动轴连接至所述泵发电机。

7)根据3)所述的系统，其中，所述同轴管道包括内管道和外管道，且还包括可移除的歧管，所述歧管用于将所述内管道中的水导向所述下蓄水池，并用于将来自所述上蓄水池的水导入所述压力管道。

8)根据7)所述的系统，其中，所述歧管还包括气动控制减压阀，所述气动控制减压阀用于减少所述压力管道中的冲击压力。

9)根据1)所述的系统，其还包括定位在所述泵水轮机下方的起重活塞，泵水轮机所述起重活塞用于在所述立井中选择性地提升或下降所述泵水轮机。

10)一种抽水蓄能系统，其具有上蓄水池、下蓄水池和可逆式泵水轮机，所述可逆式泵水轮机通过压力管道连接至所述上蓄水池并且还凭借尾水管道连接至所述下蓄水池，其中，所述泵水轮机定位在高度在所述下蓄水池的表面下方的立井中；其中，所述泵水轮机从所述立井中轴向可移除；其中，所述管道同轴定位在所述立井中。

11)一种可逆式泵水轮机，其位于立井中且从所述立井中可移除。

12)根据11)所述的装置，其还包括潜水式电动发电机。

13)根据12)所述的装置，其中，所述电动发电机位于一个或多个泵水轮机级下方。

14)根据11)所述的装置，其还包括可移除的歧管，所述歧管在操作期间固定到所述轴的顶端。

15)根据14)所述的装置，其中，所述可移除的歧管包括减压阀，所述减压阀用于减轻尾水管道过大的扬程压力。

16)根据15)所述的装置，其中，所述减压阀由弹性隔膜构成，所述弹性隔膜由受控的气体压力保持，所述气体压力针对含有上游水压力的一个或多个孔口。

17)根据11)所述的装置，其中，所述电动发电机位于岔道上方，所述岔道将所述上游水连接至所述立井。

18)根据11)所述的装置，其中，所述泵水轮机由多个级构成。

附图说明

图1a为常规(现有技术)抽水蓄能设施的示意图。

图1b和图1c(现有技术)为常规泵水轮机的立剖视图。

图2为穿过本发明的实施例的子午平面的截面。图2的下部示出了该实施例结合的已知多级井泵。

图3为泵水轮机组件被部分移除显示的图2的抽水蓄能设施的正视图。

图4a和图4b为配置为以供本发明使用的减压阀的立剖视图。

图5a-图5c为根据本发明的可逆式泵水轮机的立剖面图。

图6为根据本发明的可逆式泵水轮机和相关的抽水蓄能设施的剖面图。

图7为根据本发明的至尾水通道的弯头连接的剖视图，其具有充气式气囊以固定和密封该弯头连接。

图8为根据本发明的具有与井架(headworks)并列的立井眼的泵水轮机装置的立剖面图。

图9为根据本发明的具有与尾水入口并列的立井眼的泵水轮机装置的立剖面图。

图10为根据本发明的具有位于井架和尾水入口之间的立井眼的泵水轮机装置的立剖面图。

图11为具有与用作“上”蓄水池的地下受压储水腔相关联定位的立井眼的泵水轮机装置的立剖面图。

图12为与最可能是地下的空气/水蓄压器和燃气轮机相结合的根据本发明的泵的示意图。

图13为与最可能是地下的空气/水蓄压器和燃气轮机相结合的根据本发明的泵的示意图，其中，借助于喷水冷却，空气可以几乎等温压缩。

图14示出了包含还用作可调节的减压元件的充气式气囊(上气囊和下气囊)的根据本发明的尾水连接弯头(tailrace connection elbow)。图14的实施例的特点是水流分离控制片以在操作期间减少振动。

图15示出了包括尾水连接弯头的根据本发明的抽水蓄能装置。

图16示出了包括尾水连接弯头和进入高度比尾水通道高的井眼的压力管道的根据本发明的抽水蓄能装置。

图17示出了包括尾水连接弯头的根据本发明的抽水蓄能装置。

图18示出了包括尾水连接弯头的根据本发明的抽水蓄能装置。

图19a和图19b为根据本发明的多级泵叶轮的子午平面剖视图。图19b示出从图19a的视角A-A的截面视图。

图20为与单个压力管道和单个尾水通道相关联地安装的3个泵水轮机的平面示意图。

图21示出了可能出现在本发明的实施例中的减压阀。

图22a为包括减压阀7的泵水轮机装置。图22a还示出截止阀42。

图22b为为了防止泵水轮机意外转动而位于井眼底部的泵水轮机转矩键的示意图。

图23为处于打开配置的根据本发明的减压阀。

图24a和图24b为分别显示关闭和开启的根据本发明的减压阀。

图25a和图25b为分别显示关闭和开启的根据本发明的减压阀。

图26a和图26b显示了分别显示关闭和开启的根据本发明的减压阀。

图27a和图27b显示了在单个井眼中的多个泵水轮机电动发电机的安装。

图28图示性地显示了本发明的泵水轮机的一个版本。

图29显示了本发明的泵水轮机的另一个版本。

图30显示了包含圆筒闸门(cylinder gate)而不是活动导叶(wicket gate)的本发明的泵水轮机的另一个版本。

图31-图37显示了各种安装可选方案。

图38-图43显示了可逆式泵水轮机的各实施例。

图44a-图44b显示了水流逆变器截面。

图45示出了根据本发明的可逆式泵水轮机和电动发电机组件，现有技术的立式空冷电动发电机位于上方。

图46a示出了根据本发明的泵水轮机转轮在高、中和低特定速度实施例中的各种子午截面。图46b示出了可能出现在本发明的特定实施例中的泵水轮机转轮的子午截面。

具体实施方式

参考图1a、图1b和图1c，显示了具有可逆式泵水轮机的常规抽水蓄能电站。在这种常规装置中存在几个特别昂贵的特征。这些特征包括：

1)调压井224典型地需要释放可能由于甩负荷而导致的水锤现象。

2)低于尾水水位的地下动力室225。这样的动力室建造昂贵，并且由于人为失误或部件失效具有泛滥的危险。地下动力室的泛滥对设施本身以及其操作人员都有危害。

3)压力管道226和尾水管道227必须以巨大的成本布线到与动力室本身相同的低的高度。

参照图2和图3，显示了根据本发明的可逆式泵水轮机装置。不需要地下动力室。相反，立井眼17允许泵水轮机和电动发电机组件1被安装、根据需要被移除以进行维护、以及重新安装，同时提供所期望的尾水下方单元的低设定高度。该设定高度必须足够低，使得泵站空化系数(装置汽蚀系数(plant sigma))比临界空化系数高(临界汽蚀系数)，空化系数定义为转轮低压侧的绝对压力除以水温下的蒸气压。轴16将潜水式电动发电机8连接至泵水轮机级9、10、11和12。垂直尾水管道(尾水管211)连接至压力管道2的进入点上方的减压阀扩压器14。减压阀7优选安装到可移除的歧管6上。可移除的歧管6向下拧到基座13上，并在法兰15处连接至尾水管道40。尾水管道40通向下蓄水池71。应当注意的是，级的数量可以根据扬程、设定高度、速度、安装等级和其他因素来调整。压力管道2连接至上蓄水池70。尾水管道40连接至下蓄水池71。水经过井眼17的外环空间(outer annulus)202朝向上蓄水池70流动。

应当注意的是，可移除部分可以进一步分成方便分离的子组件6、190、14和5。例如，可以首先提升歧管6，然后可以抬升尾水管211，最后可以将泵水轮机级9、10、11和13连同电动发电机8一起提升。在电动发电机位于顶部的情况下，定子可以留在原位，同时最后脱离组件的转子、轴和平衡件。

参照图4a和图4b，适合与本发明结合使用的减压阀的横截面分别以其打开和关闭的位置示出。扩压器14连接至肋25。在气囊18的充气压力大于井眼17中的压力时，肋25、环23和环24在其内径表面上一起径向支撑气囊18。充气式气囊18由法兰26从下方支撑，并且由外壳190在其外径上支撑。气囊18中的空气压力可以精确地调整至刚好停止从井眼17向歧管6中的泄漏(在尾水压力下)。从图4a中可以清楚地看出，当减压阀7打开时，环空间(annulus)202中的水将沿着箭头流动；当减压阀7关闭时(图4b)，这种流动被阻断。

参照图5a和图5b，显示了根据本发明的泵水轮机的立剖面图。转轮27设计成围绕环形流动路径，其中，水在子午平面中倒转方向约180度。活动导叶28构成轴流式分配器(axial flow distributor)。水轮机扩压器29回收水轮机转轮出口能量。扩压器叶片65(例如泵水轮机扩压器叶片)向分配器轮毂(distributor hub)31、水轮机扩压器29以及活动导叶致动系统32提供机械支撑。电动发电机8(例如，潜水式电动发电机)优选位于水轮机下方。起重活塞34可以用于使用水压提升和降低具有连接的尾水管段、减压阀和弯头的整体泵水轮机组件。起重活塞34可以包括上密封环35和下密封环36以穿过尾水连接件(tailrace connection)时保持密封。

(电动发电机8的)管轴(hollow shaft)72可以与用作冷凝器的转轮27结合一起用作热管蒸发器(heat pipe evaporator)。当机器下降时，电连接器73接合电插座组件74。

活动导叶致动系统32可以安装到水轮机扩压器29与扩压器叶片65之间的中空空间127中。

活动导叶致动系统32包括在相反方向上驱动上移位环75和下移位环128的伺服致动器132。这使曲柄臂球129旋转，进而定位活动导叶28。

井眼17与岩石面77、灌浆78和井眼衬(例如，钢衬)79相关联。

轴封组件80保持电动发电机外壳干燥。

参考图5c，活动导叶28由位于上球形轴承130中的曲柄臂球129(这里是上曲柄臂球)旋转，该上球形轴承通过上移位环75绕水轮机轴线旋转。下部曲柄臂球(未示出)由下移位环(图5b中的128)沿相反方向致动，以便在活动导叶28上施加纯扭矩。

参照图6，在提升和下降期间，起重活塞34支撑电动发电机8和泵水轮机37。

参照图6，阀42可以用于在泵水轮机和电动发电机组件1的液压提升和下降期间，向立井眼17中填充附接的管、弯头和减压组件44，下门架45用于在施工阶段期间启动通道镗孔机器，并用作泵送入口工作。井架47在施工期间用作上门架，并在维护期间作为操作平台。起重机48可以用于从泵水轮机拆卸尾水管段、弯头组件和减压阀来进行维护。

参照图7，显示了弯头组件49。上充气式气囊50密封上端。下充气式气囊51封闭下端。弯头52将水流引导至尾水管道40。线轴53在维护进行期间与泵水轮机一起行进。

参照图8，显示了装置，其中，井眼17位于井架55的下面。

参照图9，井眼17位于尾水门架56的下方。

参照图10，井眼17位于井架55和尾水门架56之间的位置。高架起重机57便于从井眼17移除设备。

参照图11，井眼17提供与加压蓄水池58以及与尾水渠通道59的连接。高架起重机57便于从井眼17移除设备。

参照图12，显示了加压蓄水池58的水203与加压空气柱59的结合。泵或泵水轮机37可以为根据本发明的或者可以为常规的。空气59可以供给燃气水轮机发电机组61。

参照图13，被压缩的空气的喷射冷却可以用于提供等温空气压缩。

参考图14，位于井眼17中的减压阀7与弯头52和尾水管道40(这里是水平尾水管道)一起显示。显示了井眼衬79。图14的实施例结合了用作可调节压力释放元件的充气式气囊18(上气囊50和下气囊51)。图14的实施例的特点是水流分离控制片151以在操作期间减少振动。

图6、图16、图17和图18描绘了许多可能的安装构造之一。

图15示出了密封座63中的穿孔183，在正常操作压力管道压力下，减压阀7的充气式气囊18密封到该密封座以形成密封。

图16示出了密封座63中的穿孔183，在正常操作压力管道压力下，减压阀7的充气式气囊18密封到该密封座以形成密封。

参照图17，显示了另一个实施例，其中，密封座63也可以用作减压阀的一部分。

参照图18，显示了与弯头52和尾水管道40结合的、位于井眼17中的减压阀7。显示了衬在井眼17中的井眼衬79，以及弯头52中的导流叶片89。

参照图19a和图19b，显示了用于泵或可逆式泵水轮机的转轮，其中水流被沿着在子午平面内的平滑的正弦路径引导。轮叶在子午平面内赋予圆周加速度矢量和加速度矢量，以引导水通过水通道。轮叶序列可以垂直于矢量和。较大的叶轮效率更高并提供更高的每级扬程，叶轮最好通过3D打印制造。

参考图19a和图19b，示出了多级泵水轮机的单级。非旋转扩压器叶片65位于分配器轮毂31和分配器护罩111之间。它们接受来自转轮轮叶210的轴向方向上的流动，并且将同样在轴向方向上的流动也沿轴向方向输送到下一级。转轮轮毂112和转轮护罩113之间的旋转转轮轮叶210通过沿切线方向施加力而将功赋予流体，同时也有助于在子午平面内引导流体，最初向外、且随后向内，以在流体进入扩压器之前实现轴向流动对准。如图19a所示，更靠近泵入口217的轮叶部分倾斜，以同时施加切向力和径向向外的力，而更靠近泵出口216的轮叶部分在相反方向倾斜，以继续施加切向力，同时施加径向向内的力，以使流动对准以轴向进入随后的扩压器级。当泵水轮机沿相反方向旋转时，倾斜的轮叶在子午平面内执行类似的导流功能，但沿切线方向作用以从流体中吸收能量。

图20显示了大直径压力管道2，其被分叉以向多个泵水轮机37供给。

参见图21，当压力管道2中的压力超过设定值时，减压阀7允许来自压力管道2的流动流向低压管道系统136。通过对橡胶气囊18和容器穹顶134之间的空腔加压来实现压力释放设置。如果管线压力超过气囊18上方的压力，则气囊将被迫离开具有穿孔183的密封座63。这进而将允许从压力管道2到低压管道系统136的流动。

参照图21、图22a、图23、图24a、图24b、图25a、图25b、图26a和图26b，显示了各种减压阀配置。

图22b示出了位于井眼17底部处的转矩键139。

参考图23，示出了处于打开状态的减压阀，其中气囊18被提升远离具有穿孔183的密封座63。

图24a和图24b示出了减压阀和分流叶片。

参照图27b，显示了在防水壁140上共享一个通用压力管道2和尾水管道40的多个泵水轮机和电动发电机组件1。

参照图27a是在图27b上所示的截面A-A处的截面，并示出了一起安装在同一井眼17中、尾水管211周围、防水壁140上的多个泵水轮机和电动发电机组件(在此是潜水式的)。

图28至图30显示了配置用于安装在通用井眼17中的防水壁140上的泵水轮机。图30示出了圆筒闸门204而非活动导叶。

参照图31，电动发电机95(例如，中/高电压永磁电动发电机)和储能装置98(例如，电池阵列)通过单个级联多级功率转换器连接至公用电网90。功率转换器包括移相输入变压器92、包括能够再生的前端93的电池、DC母线(DC buses)96和负载侧逆变器94。各电池DC母线通过断开开关97连接至储能装置98(例如，电池阵列)。

在操作期间，主动管理DC母线96的电压，以独立于电动发电机95的电力消耗或产生而向储能装置98(例如，电池阵列)充电或放电。

参照图32，电动发电机95(例如，低电压永磁电动发电机)和储能装置98(例如，电池阵列)通过单个两级功率转换器连接至公用电网90。功率转换器包括具有线路侧电抗器(reactor)93的有源前端、DC母线96和电动机侧两级转换器94。功率转换器通过断路器(disconnect)100和升压变压器(step-up transformer)99连接至电网。功率转换器DC母线96通过断开开关97附接至储能装置98。在操作期间，主动管理DC母线96的电压，以独立于电动发电机95的电力消耗或产生而向储能装置98充电或放电。

参照图33，电动发电机95(例如，永磁电动发电机)和储能装置98使用并联且独立的功率转换器连接至公用电网90。可以使用包含保护功能的各个断路器91连接转换器。使用AC/AC功率转换器102连接电动发电机95。储能装置98通过DC母线断路器(组)97连接至并网逆变器(grid-tie inverter)101。升压变压器99将逆变器101的输出增加至电网电压。可选地，断路器100放置在变压器99和电池逆变器101之间。

参照图34，中/高电压双馈感应电机103和储能装置98连接至公用电网90。如图31所示，电机的转子绕组(rotor winding)连接至具有连接的储能装置的级联多级AC/AC功率转换器。电机的定子绕组通过断路器104连接至电网。

参照图35，中/高电压双馈感应电机103和储能装置98连接至公用电网90。如图32所示，电机的转子绕组(rotor winding)连接至具有连接的储能装置的低电压双级AC/AC功率转换器。电机的定子绕组通过断路器104连接至电网。

参照图36，中/高电压双馈感应电机103和储能装置98连接至公用电网90。电机的转子绕组连接至AC/AC功率转换器102。电机的定子绕组通过断路器104连接至电网。如图33所示，储能装置98连接至单独且独立的DC/AC逆变器101。

参照图37，多个电动发电机95以允许使用直接在线接触器105与正向/反向选择接触器106/107进行直接同步连接的布置连接至公用电网90，该正向/反向选择接触器106/107互锁以防止同时闭合。再生功率转换器102可用于使电机在泵送或发电模式下达到同步速度，或以可变的非同步速度运行。移相输入变压器92通过断路器91将转换器102的有源前端连接至电网。断路器矩阵108允许使用任何功率转换器来操作或启动任何电机。

参考图38，示出了本发明技术的总体布置图。在发电模式下，水在被引导通过带有导流叶片89的无基坑适配器(pitless adaptor)218之前将通过截止阀42(此处为球形)沿压力管道2向下流动。水沿着内部垂直通道向下流动，直到它到达水流逆变器115。在水进入泵水轮机之前，水流逆变器将较高压力的内部通道流引导至外环空间。在泵水轮机37下面是电动发电机8。辅助装置外壳121位于电动发电机8下方。泵水轮机37位于下蓄水池的表面之下的埋入深度144处。还要注意尾流门143和泵水轮机扩压器组件209。

参考图39，示出了泵水轮机转轮轮叶210和扩压器叶片65的示例。

参考图40a、图40b和图40c，显示了本发明的实施例，其中分析预测的性能参数列在图40c中。图40a示出了具有轮叶210和扩压器叶片65的转轮27的子午截面图。图40b示出了转轮27和扩压器叶片65的3D模型。

图41示出了具有辅助起重活塞的本发明的实施例。

参考图42a，可逆式泵水轮机被示出处于其在井眼17底部的操作位置。主电力管道145将电力输送到主电源连接器73中，主电源连接器优选位于辅助装置外壳121内。集流环120(如果使用的话)也优选位于辅助装置外壳121内。推力轴承122和下导向轴承222显示在辅助装置外壳121的上方。电动机/发电机转子123可包括加热管(例如，电动发电机的管轴)72，在转子123内蒸发的经蒸发的工作流体从加热管上升以在转轮27内冷凝。定子124和转子123通过外砌轴封件80a、上导向轴承125和内砌轴封件80b与水隔离。在泵送模式下，转轮27接收来自尾水管211的水，并通过泵扩压器叶片65将其排出。在发电模式下，转轮27接收来自泵扩压器叶片65的水，并将其排入尾水管211。注意，如图5a和图5b中所示，活动导叶28也可以被并入并用于调节发电流和功率输出。

参考图42b，当堆叠在图42a的顶部时，其示出了泵水轮机设施的竖直范围，示出了水流逆变器115，该水流逆变器优选地位于泵水轮机和电动发电机组件1的正上方、将高压流从压力管道2引导至泵水轮机37的外部高压水通道并通过扩压器叶片65。尾水导流叶片89在尾水管道40和环空间202之间引导水。这种布置将较高压力的水置于压力管道2内、而不是压力管道外，并因此消除了压力管道2的外部压力，否则压力管道2需要具有较大的壁厚以抵抗屈曲。空气平衡减压阀7经由环空间202释放尾水管道甩负荷期间出现的高压力管道压力。图42b还示出了拦废物筛201和尾流门143。

参考图43，示出了根据本发明的潜水式可逆式泵水轮机37。尾水管211在发电模式下用作扩压器29，在泵送模式下用作入口喷嘴，尾水管位于带有叶片65的扩压器29的内部。转轮27通过支撑电动机/发电机转子123的电动机发电机轴72(和加热管)附接到轴。电动机/发电机定子124可以传导冷却到泵水轮机和电动发电机组件1周围的水中。电力可以通过电连接器73传送到机器和从机器传送。

参考图44a，通过截面A-A至截面K-K示出了根据本发明的水流逆变器115的几何形状。从相邻截面之间的平滑过渡可以看出，这样形成的水通道在将截面A-A中心的内部通道移动到截面K-K的外环空间的过程中导致最小的压头损失，同时将截面A-A的外环空间中的流动移动到截面K-K的中心的内部通道。每个流动路径的截面可以在水流逆变器的长度上保持均匀，同时压力梯度可以最小化以防止水流分离和伴随的压头损失。

参考图44b，示出了根据本发明的水流逆变器相对于压力管道2和泵水轮机37处于其优选位置。

参考图45，根据本发明的可逆式泵水轮机和电动发电机组件1被显示为具有位于上方的(而不是被埋入的)现有技术的立式空气冷却电动发电机。这种构造为转轮27提供了埋入，而不需要潜水式发电机和相关的机械轴密封件，此外也不需要大量挖掘混凝土。截止阀42(此处为球形)利用压力密封衬79控制进入井眼17的流动。泵水轮机轴233将转轮27与发电机转子123连接。发电机定子124优选地具有足够大的直径，以允许在不移除发电机定子124的情况下移除转轮27用于维护。导向轴承125可以是水润滑的。无基坑适配器218可用于将尾水管211和尾水导流叶片89密封在井眼内。

参考图46a，示出了根据本发明的泵水轮机转轮的高、中、低特定速度实施例的子午截面。图46b示出了中等特定速度实施例的子午截面。

从前述内容可以容易地理解，本发明的基本概念可以以各种方式实施。其包括水控制和致动器技术以及完成适当的水控制或致动的设备。在本申请中，水控制技术作为结果的一部分被公开，该结果由所描述的各种装置和使用所固有的步骤来实现。它们只是按照预期和描述使用设备的自然结果。此外，在公开一些设备时，应当理解的是，这些设备不仅实现某些方法，还可以通过多种方式进行改变。重要的是，关于所有前述内容，所有这些方面应该理解为包括在本公开中。

包括在本申请中的讨论目的在于用作基础描述。读者应当意识到具体的讨论可以没有明确地描述全部可能的实施例，许多替代方案是隐含的。它也可能没有完全解释本发明的一般性质，并且可能没有明确地显示出每个特征或元素如何能够实际代表更广泛的功能或代表多种替代或等效元素。同样，这些隐含地包括在本公开中。在以面向设备的术语描述本发明的情况下，设备的每个元件隐含地执行功能。不仅装置权利要求可以包括在所描述的设备中，方法或工艺权利要求也可以包括在内，以解释本发明和各元件执行的功能。说明书和术语都不旨在限制包括在本专利申请中的权利要求的范围。

还应该理解的是，在不脱离本发明的实质的情况下可以做出各种变化。这样的变化也隐含地包括在说明书中。它们仍然包括在本发明的范围之内。包含所示的明确实施例、各种隐含的可选实施例和广泛的方法或工艺等的广泛公开都包含在本公开中，并且可以依赖于本专利申请的权利要求。应当理解的是，在本次提交中完成了这样的语言变化和广泛的权利要求。本专利申请将寻求在申请人的权利范围内对广泛的权利要求进行审查，并旨在独立地和作为整体系统产生涵盖本发明的许多方面的专利。

进一步地，本发明和权利要求的各种元件中的每一个也可以以各种方式实现。本公开应当被理解为包含每种这样的变化：任何装置实施例的变型、方法或工艺实施例、或甚至仅仅这些实施例的任何元件的变型。特别地，应当理解的是，由于本公开涉及本发明的元件，用于各元件的词汇可以由等同的装置术语或方法术语表示-即使只有功能或结果是相同的。应当认为这些等同的、更广泛的或者甚至更通用的术语包括在各按或动作的描述中。在需要时可以替换这些术语以明确本发明所赋予的隐含的广泛覆盖。仅作为一个示例，应当理解的是，所有动作都可以表示为用于采用该动作的手段或作为引起该动作的因素。类似地，所公开的每个物理元件应该被理解为包含该物理元件促进的动作的公开。关于这个最后一方面，仅作为一个示例，“致动装置”或“致动器”的公开应当被理解为包含“致动”的行为的公开--不论是否明确地讨论--并且，相反地，是对“致动”的行为的充分公开，这样的公开应当被理解为包含“致动器”甚至是“致动装置”的公开。这样的变化和可选的术语应当被理解为充分的包括在本说明书中。

根据通过引用并入本文的材料并结合工业实践，向流体赋予功的泵、鼓风机或压缩机的旋转元件通常被称为“叶轮”，而从流体中提取功的水轮机的旋转元件通常被称为“转轮”或“涡轮”(turbine wheel)。这些术语在可以沿任一方向运行的可逆式机器(如泵或水轮机)的情况下可以互换使用。

本专利申请中提及的任何法律、法规、规则或规定的实施；或本专利申请中提到的专利、出版物、或其他文献都通过引入合并于此。此外，就使用的各术语而言，应当理解的是，除非在本申请中它的使用与翻译和通用词典定义不一致，否则应当被理解为包含各术语和所有定义、可选的术语和同义词，例如在兰登书屋(Random House Webster)的韦氏无删节词典(Unabridged Dictionary)，第二版在此引入作为参考。最后，列于根据专利申请通过参考合并的文献的列表中所列的所有文献或随该申请提交的其他信息声明，在此附上并在此引入作为参考，但是，就上述内容而言，如果通过引用并入的此类信息或陈述可能被认为与本发明的专利不一致，则这些陈述明确不应被视为由申请人作出。请注意，根据可适用的法律，引用的非专利文献的作品例如科学或技术文件等，可能会受到版权保护和/或任何其他书面作品的适当保护。未经版权所有者的明确许可，受版权保护的文本不得在其他电子或印刷出版物中被复制或使用、或重新散布。

美国出版物

国外专利

非专利文献

Claims (20)

1.一种向流体赋予功并使所述流体重定向的装置，所述装置包括：

叶轮入口，所述流体作为叶轮入流在由所述装置限定的子午平面中沿第一方向流过所述叶轮入口；

叶轮，所述叶轮建立在所述叶轮入口的下行流，所述叶轮限定叶轮旋转轴线，并且所述叶轮被配置为沿环形流动路径接触和重定向所述叶轮入流以产生具有轴向速度分量和切向速度分量两者的叶轮排出，

其中，在所述子午平面中，所述轴向速度分量相对于所述叶轮入流的所述第一方向基本上为180度，

所述装置还包括扩压器，所述扩压器具有与所述叶轮旋转轴线对齐的扩压器轴线，所述扩压器围绕所述叶轮旋转轴线建立并且具有扩压器入口和扩压器出口，所述扩压器入口具有扩压器入口环形径向尺寸，所述扩压器出口具有扩压器出口环形径向尺寸，其中所述扩压器出口环形径向尺寸大于所述扩压器入口环形径向尺寸；和

作为所述扩压器的一部分而建立的弯曲的扩压器叶片，所述扩压器叶片使所述叶轮排出重定向以减少所述切向速度分量。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述扩压器具有外扩压器半径，所述叶轮具有外叶轮半径，并且所述外扩压器半径不大于所述外叶轮半径。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述扩压器建立在所述叶轮入口周围。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述叶轮入口包括泵入口喷嘴。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述泵入口喷嘴包括引流管。

6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述泵入口喷嘴同轴地位于所述扩压器内。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置选自由鼓风机、泵和压缩机组成的组。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置能够作为水轮机来操作。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置是水轮机和泵。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述叶轮包括环形叶轮。

11.根据权利要求1所述的装置，还包括将所述扩压器的流出部连接到泵出口管的水流逆变器。

12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述扩压器包括相似长度的叶片。

13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述扩压器包括叶片，所述叶片中的至少一个叶片的长度不同于至少一个其他叶片的长度。

14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述扩压器包括扩压器叶片。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述扩压器包括分流叶片。

16.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置还能够被操作为潜水式可逆式泵水轮机。

17.根据权利要求16所述的装置，还包括电动发电机、压力管道连接件和尾水连接件。

18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述电动发电机位于所述叶轮上方、所述压力管道连接件上方和所述尾水连接件上方。

19.根据权利要求1所述的装置，其中，还包括压力管道，所述所述压力管道的至少一部分能够从建立有所述装置的井眼中移除。

20.根据权利要求1所述的装置，其中，还包括无基坑适配器，所述无基坑适配器通过加压密封件密封到井筒。

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