CN117646693A - 冲击式水轮机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冲击式水轮机，涉及水利水电工程技术领域，用于解决相关技术中的冲击式水轮机的单机容量较小的问题。冲击式水轮机包括：壳体，具有内腔；转轮组件，设置于内腔中，转轮组件包括主轴和套设于主轴外周的多个转轮，主轴用于和发电机连接，多个转轮沿主轴的轴向间隔设置；配水组件，包括和转轮对应设置的多个配水管，配水管的第一端连通于供水端，配水管的第二端位于内腔中，并绕设于转轮外侧，配水管沿转轮的周向具有多个出水端；转轮被构造为在配水管的出水端所喷出的液体作用力下转动，以驱动发电机发电，冲击式水轮机的单机容量较高，使得水力发电机组的布置简易。

Description

冲击式水轮机

技术领域

本发明涉及水利水电工程技术领域，尤其涉及一种冲击式水轮机。

背景技术

水电技术开发作为电力发展中的重要一环而被广泛布局于具有山川河流的地区，其中，雅鲁藏布大拐弯地区具备高水头和大流量的特点，其中，高水头指水的动能和势能和较高，这样，为了使大拐弯地区的高水能资源得到充分利用，通常该地区也具备较大的装机容量，即，水电站所安装的水轮机的总容量较大，总容量包括水轮机的数量和每台水轮机的额定容量之和。

相关技术中，水轮机包括混流式水轮机和冲击式水轮机，前者所适用的水头高度受限，当其应用于高水头区域水力发电时，需采用三级分段布置，即在地下不同高度的区域分别开挖三个地下厂房来设置混流式水轮机，人力物力成本较高，且发电效率低下；在另外的相关技术中，利用冲击式水轮机进行高水头条件下的水力发电作业，冲击式水轮机包括喷嘴及转轮水斗，转轮上转轴连接有发电机，工作时，高水头水流经喷嘴射入至转轮水斗中，驱动转轮转动来为发电机提供发电动力。

然而，相关技术中的冲击式水轮机的单机容量较小，通常需要设置多个冲击式水轮机，也即增加发电机组，相应地，地下厂房的建设面积也需扩大，成本较高且基建工时较长。

发明内容

本发明提供一种冲击式水轮机，用于提高冲击式水轮机的单机容量，并简化整个水力发电机组的布置，以满足雅鲁藏布江大拐弯地区的水电开发要求。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种冲击式水轮机，应用于水库，所述冲击式水轮机包括：

壳体，具有内腔；

转轮组件，设置于所述内腔中，所述转轮组件包括主轴和套设于所述主轴外周的多个转轮，所述主轴用于和发电机连接，多个所述转轮沿所述主轴的轴向间隔设置；

配水组件，包括和所述转轮对应设置的多个配水管，所述配水管的第一端连通于供水端，所述配水管的第二端位于所述内腔中，并绕设于所述转轮外侧，所述配水管沿所述转轮的周向具有多个出水端；

所述转轮被构造为在所述配水管的出水端所喷出的液体作用力下转动，以驱动所述发电机发电。

在一种可能的实现方式中，所述配水管的多个所述出水端沿所述转轮周向等间距分布，所述出水端上装有喷嘴，所述喷嘴的喷嘴口朝向所述转轮。

在一种可能的实现方式中，所述喷嘴上活动连接有折向器，所述折向器具有出水口，所述折向器被构造为使所述喷嘴口喷出的水流折射至所述出水口。

在一种可能的实现方式中，所述喷嘴包括连通于所述出水端的喷嘴管和位于所述喷嘴管朝向所述转轮一端的喷嘴喉，所述喷嘴喉具有所述喷嘴口，所述折向器铰接于所述喷嘴管的侧壁。

在一种可能的实现方式中，所述配水组件还包括反射板，所述反射板设置于所述喷嘴的侧方，并与所述喷嘴相对固定。

在一种可能的实现方式中，所述反射板为弧形板，所述弧形板的凹面朝向所述折向器的出水口，用于将被所述折向器折射出的水流反射向所述壳体底部。

在一种可能的实现方式中，所述反射板的两侧连接有挡板，以形成反射腔。

在一种可能的实现方式中，所述配水组件还包括支架，所述反射板通过所述支架连接于所述喷嘴管的管壁

在一种可能的实现方式中，还包括隔壁岔管，所述隔壁岔管的管径沿自身轴向逐渐减小，所述隔壁岔管的第一端连通于供水端，所述隔壁岔管的第二端具有沿所述主轴轴向排布的多个分岔管路，且与所述配水管一一对应连通。

在一种可能的实现方式中，所述壳体底部连通有尾水收集装置。

本发明实施例所提供的冲击式水轮机至少具有如下有益效果：

较相关技术单转轮水轮机相比，优化了水轮机的结构，通过主轴连接三个转轮并置于一个壳体中，壳体即转轮室，每个转轮均对应设有环绕的配水管，三层配水管与一分三的隔壁岔管相连，配水管上有多个均匀分布的喷嘴，喷嘴位于壳体的内腔中并指向转轮，与转轮间隔设置，如此，上述结构增大了水斗式水轮机的单机容量，而且该水轮机的制造布置简单，运行稳定性较优。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的冲击式水轮机的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的冲击式水轮机的喷嘴的结构示意图；

图3为旨在示出本发明实施例提供的冲击式水轮机的三维结构示意图；

图4为旨在示出本发明实施例提供的冲击式水轮机的配水组件的三位结构示意图。

附图标记说明：

100-壳体；

200-转轮组件；

210-主轴；220-转轮；

300-配水组件；

310-配水管； 320-喷嘴； 330-折向器；

340-反射板； 350-支架；

400-隔壁岔管；

500-尾水收集装置；

600-发电机。

具体实施方式

正如背景技术所述，雅鲁藏布江大拐弯地区由于具备高水头和大流量的特点需要较大的装机容量的水轮机进行发电，相关技术中，水轮机包括混流式水轮机和冲击式水轮机，前者所适用的水头高度受限，当其应用于高水头区域水力发电时，需采用三级分段工艺，即在地下不同高度的区域分别开挖三个地下厂房来设置混流式水轮机，人力物力成本较高，且发电效率低下；在另外的相关技术中，利用冲击式水轮机进行高水头条件下的水力发电作业，冲击式水轮机包括喷嘴及转轮水斗，转轮上转轴连接有发电机，工作时，高水头水流经喷嘴射入至转轮水斗中，驱动转轮转动来为发电机提供发电动力，存在着冲击式水轮机的单机容量较小以及需要建设大面积厂房，成本较高的问题。

经过申请人研究发现，出现上述问题的原因在于：混流式水轮机一般单机容量大，但适用水头有限，最高不超过800m。高水头常用冲击式水轮机但传统的水斗式水轮机单机容量小，目前世界最高水头的1883m水斗式水轮机，单机容量仅40万kW；相关技术中，冲击式水轮机为单转轮水轮机，其主要应用于高落差小流量的发电机组，冲击式水轮机具有喷嘴及转轮，单转轮水轮机工作过程包括：高水头水流由引水管进入,经由喷嘴射入至转轮水斗内,流体能量由转轮及轴变换成机械能传给发电机转子继而转换成电能,做功后的水流由转轮流出至大气压下游，但单转轮的结构使得水轮机的单机容量较低，无法满足大拐弯地区的应用。

针对上述技术问题，本发明实施例提供一种冲击式水轮机，结构简单、制造方便，通过三转轮同轴串联的设计，实现了大容量水斗式的水轮机结构，单机容量较大，较相关技术中单转轮水轮机结构所需进行多级厂房和多个机组设置而言，简化了机组的布置。

这里将详细地对示例性实施方式进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施方式中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

为了使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

结合图1所示出的冲击式水轮机的结构示意图，本发明实施例提供一种冲击式水轮机，应用于水库，冲击式水轮机包括：

壳体100，具有内腔，可以理解的是，该壳体100即为水轮机的转轮220室；转轮组件200，设置于内腔中，转轮组件200包括主轴210和套设于主轴210外周的多个转轮220，主轴210用于和发电机600连接，多个转轮220沿主轴210的轴向间隔设置，示例性地，位于内腔中的主轴210沿轴向套设有三个转轮220；配水组件300，包括和转轮220对应设置的多个配水管310，配水管310的第一端连通于供水端，示例性地，供水端为水库，配水管310的第一端通过进水管与水库连通，配水管310的第二端位于内腔中，并绕设于转轮220外侧，配水管310沿转轮220的周向具有多个出水端；转轮220被构造为在配水管310的出水端所喷出的液体作用力下转动，以驱动发电机600发电。

如此，通过供水端引入有压水流再依次经配水管310及其上的喷嘴320喷向转轮220中做功，转轮220带动主轴210转动转换为供发电机600发电的机械能，实现高效水力发电，本实施例中，三层转轮220均匀安装在同一主轴210上，也可根据水轮机的工作功率来调整的主轴210上所安装的转轮220数，来实现额定功率与水轮机组工作效率最大化的平衡，由于三层转轮220处于壳体100的同一内腔中，可以简化厂房的布置及高度，减小水电站的建造成本。

通过主轴210上设置多个转轮220的水轮机结构，使水轮机承担流量的能力和机械能输出功率能力大幅度提高，利于机组的大型化。

进一步，转轮220为水斗式转轮220，能充分利用水流的能量，特别适用于水流变化较大的水力发电场景，能够于山川河流的高水头地区水力发电环境相适配。

在一些实施例中，进水管为三层隔壁岔管400，其连通于水库，以将水引入水轮机，配水管310为配水环管，隔壁岔管400的每一层连接于配水环管，配水环管与转轮220对应设置，即配水环管的高度与转轮220适配，根据水力发电功率需求来控制喷嘴320于每层配水环管上的数量。

可以理解的是，隔壁岔管也可以称为分水岔管，分水岔管允许将主要水流分流到不同的方向，以供应于水轮机中多个转轮，不仅助于灵活地调整系统的水能利用，适应不同的负荷需求，而且随着河流水位或水流量的变化，水轮机的工作条件可能需要调整，分水岔管可以用于应对这些变化，确保水轮机的每个转轮都能在较佳工作点运行，分水岔管页增加了水轮机的运行灵活性，使其能够适应变化的水能资源和电力需求。

作为一种可能的实施方式，配水管310的多个出水端沿转轮220周向等间距分布，出水端上装有喷嘴320，喷嘴320的喷嘴口朝向转轮220，即多个喷嘴320周向分布于围绕转轮220且朝向转轮220一侧的配水管310，使得水体可均匀喷射于转轮220，保证转轮220的转动稳定性。

在上述实施例的基础上，可以改进的是，参考图2，喷嘴320上活动连接有折向器330，折向器330具有出水口，折向器330被构造为使喷嘴口喷出的水流折射至出水口，如此，可以调节喷嘴320所喷出的水流方向，减少水流喷射到水轮机转轮220时的冲击力，有助于减小水轮机零部件的磨损，提高设备的寿命，同时，折向器330的设计有助于减小水流在喷嘴320和转轮220之间的损失。通过优化水流的路径，可以减少能量损失，提高水轮机的效率，进一步，通过控制水流方向，折向器330可以帮助提高水轮机的运行稳定性，确保在不同工况下都能获得良好的性能。

进一步地，喷嘴320包括连通于出水端的喷嘴管和位于喷嘴管朝向转轮220一端的喷嘴喉，喷嘴喉具有喷嘴口，折向器330铰接于喷嘴管的侧壁，这样的话，折向器330通过铰接在喷嘴管的侧壁，可以进行调节。这使得操作人员能够灵活地调整折向器330的角度，从而改变水流的方向和强度。这样的调节能力有助于适应不同的水流条件和负荷需求，提高水轮机的适用性；喷嘴320的设计不仅影响水流的引导，还可以影响水轮机的输出功率和效率，使其在不同的工况下都能获得较佳性能，通过合理的水流定向和折向器330的调节，可以降低水轮机对设备的冲击，减小叶片磨损，延长设备寿命。

在一些实施例中，配水组件300还包括反射板340，反射板340设置于喷嘴320的侧方，并与喷嘴320相对固定，当水轮机甩负荷时，调节折向器330挡设于喷嘴320前，水体由折向器330的出水口射出打向反射板340，可利用反射板340将水体反射向壳体100底部从而导出水体，避免高压水体破坏壳体100内腔结果或转轮组件200结构。

在上述实施例的基础上，可以改进的是，进一步结合图3和图4，反射板340为弧形板，弧形板的凹面朝向折向器330的出水口，用于将被折向器330折射出的水流反射向壳体100底部，以提高反射水体的能力。

作为一种可能的实施方式，反射板340的两侧连接有挡板，以形成反射腔，增大反射水体的反射面积。

在一些实施例中，配水组件300还包括支架350，反射板340通过支架350连接于喷嘴管的管壁，另一些例子中，反射板340通过支架350连接于配水管310靠近喷嘴320一侧的管壁，便于反射板340的安装。

在其它可能的实施例中，冲击式水轮机还包括隔壁岔管400，隔壁岔管400的管径沿自身轴向逐渐减小，隔壁岔管400的第一端连通于供水端，隔壁岔管400的第二端具有沿主轴210轴向排布的多个分岔管路，且与配水管310一一对应连通，也就是说，采用一个主管分为三个分管的隔壁岔管400，三个分管的管径相同。

在上述实施方式的基础上，可以改进的是，壳体100底部连通有尾水收集装置500，示例性地，尾水收集装置500为尾水池，如此，打向转轮220的水流可以依靠重力流向尾水池，这样，在包括本发明实施例所提供的冲击式水轮机的水力发电系统中起到调节尾水流动、缓冲环境冲击以及再次利用水能的作用，有助于水力发电站的平稳运行和对环境的可持续管理。

需要说明的是，当机组甩负荷时，也就是水轮机受突发情况影响而迅速减小转速或停止转动发电时，折向器330工作，通过折向器330偏折水流，水流打向弯曲一定角度的反射板340，使水流垂直打向尾水池，各层互不干扰，喷嘴320端部设有针阀，其用于调节水轮机的负荷，通过控制水流的量和速度，从而调整水轮机的输出功率。喷嘴320处的针阀与喷嘴320具有协同作用，喷嘴320用于将水引导到水轮机转轮220上，而针阀则控制喷嘴320的开启程度，影响水流的强度，本发明实施例的折向器330和反射板340的配合设计也可以减小针阀工作压力，延长消能时间。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“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”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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，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，除非另有明确的限定。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发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本说明书中各实施例或实施方式采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

应当指出，在说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等表示的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语未必是指同一实施例。此外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合明确或未明确描述的其他实施例实现这样的特征、结构或特性处于本领域技术人员的知识范围之内。

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)

1.一种冲击式水轮机，其特征在于，应用于水库，所述冲击式水轮机包括：

壳体，具有内腔；

转轮组件，设置于所述内腔中，所述转轮组件包括主轴和套设于所述主轴外周的多个转轮，所述主轴用于和发电机连接，多个所述转轮沿所述主轴的轴向间隔设置；

配水组件，包括和所述转轮对应设置的多个配水管，所述配水管的第一端连通于供水端，所述配水管的第二端位于所述内腔中，并绕设于所述转轮外侧，所述配水管沿所述转轮的周向具有多个出水端；

所述转轮被构造为在所述配水管的出水端所喷出的液体作用力下转动，以驱动所述发电机发电。

2.根据权利要求1所述的冲击式水轮机，其特征在于，所述配水管的多个所述出水端沿所述转轮周向等间距分布，所述出水端上装有喷嘴，所述喷嘴的喷嘴口朝向所述转轮。

3.根据权利要求2所述的冲击式水轮机，其特征在于，所述喷嘴上活动连接有折向器，所述折向器具有出水口，所述折向器被构造为使所述喷嘴口喷出的水流折射至所述出水口。

4.根据权利要求3所述的冲击式水轮机，其特征在于，所述喷嘴包括连通于所述出水端的喷嘴管和位于所述喷嘴管朝向所述转轮一端的喷嘴喉，所述喷嘴喉具有所述喷嘴口，所述折向器铰接于所述喷嘴管的侧壁。

5.根据权利要求3所述的冲击式水轮机，其特征在于，所述配水组件还包括反射板，所述反射板设置于所述喷嘴的侧方，并与所述喷嘴相对固定。

6.根据权利要求5所述的冲击式水轮机，其特征在于，所述反射板为弧形板，所述弧形板的凹面朝向所述折向器的出水口，用于将被所述折向器折射出的水流反射向所述壳体底部。

7.根据权利要求5所述的冲击式水轮机，其特征在于，所述反射板的两侧连接有挡板，以形成反射腔。

8.根据权利要求5所述的冲击式水轮机，其特征在于，所述配水组件还包括支架，所述反射板通过所述支架连接于所述喷嘴管的管壁。

9.根据权利要求1-8任一项所述的冲击式水轮机，其特征在于，还包括隔壁岔管，所述隔壁岔管的管径沿自身轴向逐渐减小，所述隔壁岔管的第一端连通于供水端，所述隔壁岔管的第二端具有沿所述主轴轴向排布的多个分岔管路，且与所述配水管一一对应连通。

10.根据权利要求1-8任一项所述的冲击式水轮机，其特征在于，所述壳体底部连通有尾水收集装置。