CN1231664C - 水力涡轮机系统 - Google Patents

Abstract

本发明是水力涡轮机系统。现有技术的装置单位效率不高，对生态环境负面影响大，结构不尽合理。本水力涡轮机系统中空的基座上部有一个和储存有压力的水相连通的进流管。水力涡轮机进流口处装置了数片和涡轮机中流体的螺旋涡流流线相平行的固定支撑弧面导叶。进流口的上方设有一个喇叭形的出流口。在基座中装置了一个可滑动，易悬浮的针阀调节液流量。出流口内安装着一个经由垂直传动轴和发电机相连接的涡轮机转轮。涡轮机转轮中央有一个转动轴，它直接连接在传动轴的下端，并装有很多片的涡轮叶片。涡轮叶片的上缘形成一个抛物面。一个和喇叭形出流管形状相似的流槽环连接在叶片中段外缘的四周并延伸入出流管中。涡轮叶片，转动轴和流槽环将出流口均分为数个三维逐渐扩散的通流道。

Description

水力涡轮机系统

技术领域

本发明是一种水力涡轮机系统。

背景技术

水电涡轮机系统已被用为电力的来源很久。正如美国专利4,441,029，5,780,935和6,239,505中所陈述，这种机械装置的效率逐年有所改进。

可是，现有系统中所用的由阀门和叶片操作，将发电机传动轴安置于液流中的构造仍有它一定的缺点。不能有效地渗气并更新由坝后深水处流过系统的水中缺氧和其他不足之处是它们缺点中的一部份。更明确地，它们不能有效地同时渗气和拌和出口的水。这是因为现有系统没有正确地装设好涡轮机转轮和退水渠的相关位置和不恰当地要用尽所有的动能。

另一个现有工艺中水力涡轮系统的缺陷是转轮上的叶片不易有效地调整以适用于不同的运转情况。现有系统另外的一个缺点是它们包括很多耸出的表面和密集的机组部件，造成很大的鱼类死亡。

发明内容

因此本发明的一个主要目的是提供一个水力涡轮系统使它的转轮叶片部份浸没在尾水面下以达到最大限度的渗气和紊流搅拌。

本发明进一步的目的是提供一个水力涡轮系统使它的叶片上缘弧线构筑在一个抛物面中，而且叶片中段外缘围绕着一个流槽环使叶片稳定及减少漏水的损失。

本发明更进一步的目的是提供一个水力涡轮系统让水流向上在反重力加速方向通过由等距叶片，转动轴和流槽环所形成的逐渐扩散流道向外溢流，最有效地应用水流中的动能和位能。

本发明更进一步的目的是提供一个水力涡轮系统在涡轮机进口处装置数片和涡轮机中流体特有的螺旋涡流流线相平行的固定支撑曲面导叶，减少对流体的阻碍和扰乱，及增强水流动能的有效应用。

本发明更进一步的目的是提供一个水力涡轮系统使它的叶片上缘构驻于一个抛物面中以供给一个高度提高理论上的动能回收率，而且用部份的动力对出口流体渗气。

本发明更进一步的目的是提供一个有浮力的流量控制针阀使它的操作位置可以有效地受一个容积泵所控制。

本发明更进一步的目的是提供一个水力涡轮系统使它可以很容易保养和维修。

本发明更进一步的目的是提供一个水力涡轮系统它基本上没有密集尖锐耸出的边缘，进而减少鱼类的死亡。

本机械特别是对专利号6,239,505的一项改进。

这些和其它的实体，对那些在这项工艺方面有技能的人是明确的。

在本发明的水力涡轮机的基座部件上有一个进流口和一个出流口，出流口在进流口的上方，如此设置导致流体向上流出基座部份。有一个有上，下端的垂直转动轴和垂直细长的传动轴，涡轮机转动轴的直径由下向上逐渐按非线性曲线加大，可导致向上的水流在涡轮顶端出口处同时向外流动。转动轴的下方装置在基座部份上出流口的部位。转动轴上装置有数片弧形叶片的转轮，它们被装置并延伸到出流口之内。叶片的上缘形成抛物线形的弧面。该转动轴和传动轴通常是由发电机轴负承。

叶片间的空间呈上大下小的楔形造成逐渐扩散的出口流体通道。叶片的弧形内缘按装在转动轴的表面形成一道螺线方向。叶片的定位可促使向上的液流从垂直于由上缘形成的抛物弧面流出。

一个和逐渐扩散形的出流管相配合的流槽环被用来装置在叶片中段的外缘上。

在基座的中空部装设了一个可上下滑行的针阀，它可以从最低位置流体进口全开的部位向上移动到将入流口全部关闭。流体可从一条管道引入针阀底部基座内用来调整针阀的位置。连接在基座的底部还有另一条流管，它是用来随时平衡两者之间的液压的。

使用本涡轮机的方法包括将涡轮一部份浸没在储水坝下方尾水面下，一部份延伸在尾水上方，如此可造成叶片射流喷撒水滴带气进入尾水体内，在此同时潜没部份的叶片造成旋转紊流搅和。如此紊流搅和的操作是设计好让水曝气的方法。水滴重入水体和水中气泡的形成都可增加水和空气的接触面，有效地促进渗气作用。

直接和水力发电相关的主要环境问题之一是它对下游水质的影响。蓄水可引起相当大的水质变迁使它和原来自然河流水质不同。最明显的水质变化是由水库中温度和水中含氧量的分层化。当水力发电站从水库底层(Hypolimnion depth：水深在10米或三十英尺以下)取水时，一般是这种做法，它对下游的水质影响最突出，这是由于底层水中一般都缺氧或根本没有溶解氧。根据当地的情况，在这样深度的水中一般都含有很高量的氮气。传统的水力发电系统多浪水流从进水口到尾水池通过潜流方式进入下游水道。这样做严重地限制了排出水流的曝气和移去饱和气体的可能性。

在本涡轮机10中，水向上流穿过转轮自由地出口进入尾水池14近水面16的大气中。这项基础性的设计改变，加强了自然曝气过程，空气输入和紊流搅拌进而增加溶解氧的吸入和超饱和气体，譬如氮气的排出，以帮助改良下游水流的水质。

为了达成最佳效果的气泡输入和空气和水的搅拌，涡轮机的叶片80须要浸没在水面16以下，部份暴露在大气中，像图3所示。涡轮机转轮77暴露的部份和叶片80允许水滴144(图3)的形成，增加空气和水的接触面。当水滴重回入水中时，它们带入气泡116(图3)到尾水14中增强空气输入。浸没在水中涡轮叶片部用叶片的动作和剩余的流体动能产生紊流搅拌的行动(参阅图3中箭头118)。如此进一步增加空气和水的接触和加强吸气及除气的过程。

因为液流在涡轮10中是向上的方向，它可能取得某些优越性。其中之一是它可以将出口水流中的剩余动能减少到最小限度和提高水力发电的效率。为达到类似的部份动能回收，传统的系统需要又长又昂贵的尾水管。本发明本身就可让部份出水的功能回收。在设计这个转轮-扩散器时，基本的考虑是不产生水流不从转轮的叶片表面分离。在流体动力学中，可用来设计这个扩散器的理论包括临界层分离理论和重力流场中能量不减原理。

临界层分离理论可以简略叙述如后：当临界层内在垂直于液流方向的流速梯度值(y＝0)消失时，液流即达到了它的分离点。

${\left[\frac{{\∂V}_x}{\∂Y}\right]}_{y=0}=0$

在此处V_x＝x-方向的流速，x垂直于y-方向。

通过此理论在水平管道流系统上的应用，在液流方向扩散角被局限于不超出7到9度。在液流向下的系统中，这个角度受到更大的限制。这帮助解释为什么传统向下出流的水力发电系统需要用很长的尾水管才能从涡轮排水液流中回收较大的动能。因为流体在涡轮机10中是向上流的，基本能量守恒定律可以用来防止液流分离。因此，虽然一个流体系统中的能量可能是势能，动能，和/或弹性(压)能的组合，并且它们可能由于液流情况的改变从一种能量形态部份或全部转换到另一种形态，而维持它的总量不变。

$[\mathrm{\ρgz}+\frac{{\mathrm{\ρv}}^2}{2}+P]=K$

在此处ρ＝水的质量密度；

g＝重力加速常数；

Z＝标高；

V＝流速；

P＝压力；及

K＝定值常数

当水流通过一个设计优良的涡轮机转轮时，水流中所含的压力水头全部转换成对涡轮-发电机所做的功。基于这个原理，人们可以估算流速减少，随标高增加的函数关系(动能转换成势能)或者反过来也是一样。当水向上流过涡轮机转轮时可用如后的关系式：

[流速减量]²＝[2×重力加速×标高增量]

      Δ(V)²＝2gΔz

在此处Δ＝增量值；

      V＝流速

      G＝重力加速常数；及

      Z＝标高

这个方程式可以用在由邻近叶片80所形成的扩散型液流通道的初步设计。这个关系式唯一适用于装置在近自由水面，向上过流的反力式涡轮机如图10中所示。在像那些传统式的水力发电系统中，流体通过有限的过流断面，处于闭管式操作情况下的涡轮，它是不适用的。

在涡轮机转轮77的实际设计过程中，人们可以用质量收衡原理来估算最大允许出流口面积。这个原理通常用连续方程式，用过流断面和垂直于该断面的流速来表达。它的形式可写成：

[流速×面积]_在断面i＝[流速×面积]_在断面e

[v_n×A]_i＝[v_n×A]_e

在此处V_n＝垂直于液流断面A流速分量

在进口断面-i处的流量和面积乘积是取决于水电厂的供水情况。出口断面-e处的流速可用上述能量不灭原理计算。仅剩下出口断面-e的面积是未知数，此时可容易的决定。这计算出来的面积给的是出口断面的极限值。选择一个比计算值较小的出口流面，在大多数的情况下，可以自动地满足临界层分离理论和液流在重力场中的要求。一旦出口流速知道后，动能的回收效率也可以决定了。

将叶片80上抛物线形边缘82和圆形边缘相比较，可决定出叶片80，它的边缘82可形成一个抛物线形曲面，产生较高的出口流速，尤其是靠中心的出流部份，这样可能会给更有效水的喷撒。此外，抛物线形的拱顶的涡轮中央部份没有圆球形拱顶升出尾水面那么高，因此不牺牲那么多的有效水头。

半园形的拱顶提供比较大的出流面积，因此，较小的出水速度，可以达到理论动能回收率约[{1-(1/21.73)}×100＝95.4％]。这比传统的尾水管用1比4面积比：[{1-(1/16)}×100＝94％]，设计的动能回收率还要高。但是半圆形拱顶相对的造成较大的有效水头的损失。用抛物线形拱顶设计的叶片80，在相似涡轮大小和尺寸情况下，给一个理论动能回收值相当于：[{1-(1/8.65)}×100＝89.4％]，但是只牺牲很小部分的有效水头。尤其是当我们将转动轴78按类似竖立的抛物线型曲线由下至上逐渐增大它的直径后，使得出口流体向外流动得较快，不会滞集在涡轮上方形成不利的反作用水头。从另一方面看，抛物线形拱顶叶片设计存有较多的剩余动能，为改良下游水质而渗气和紊流搅和做功。

针阀已在广泛的液流情况下高效操作见着。在涡轮10里，针阀56是设计用来在垂直方向操作并成为均匀径向分布进流的集成部份。将针阀56的底部空室38用一个小的传压管50和涡轮液流系统本身相连接，针阀56可被平衡到近乎自然漂浮的状态。这样使得针阀56可用非常小的外来液压进行操作。需要用来操作针阀56的液压流体(可用水)是从流管42和46中由容积泵44供给。

当针阀进行打开的操作时，针阀鼓下面的水压可由可逆运转式的容积泵44径管道46逐步抽减。这样可以造成空室38的下部部份真空。让作用在针阀56上部的大气压力将阀向下推向打开的位置。如此更进一步保证针阀易于用极小的外力来操作。

传统水力发电系统让高压水围绕着涡轮和发电机之间的传动轴进入涡轮发电机组。这种安排需要在传动轴的四周用上高压密封装置以防向发电机室漏水，而且要周期性地重装“填充箱”中的密封材料。取决于原设计中采用的特定方法，这种周期性的维修工作可以频繁而困难，而且造成不受欢迎的停电。由于采用垂直向上出流和自由水面排水的安排，涡轮机10的发电机传动轴是被安装在涡轮机转轮上方并高出平常尾水面16。此项新设计提供了好些明显的优点。它消除了高压水沿动力传递转动轴向发电机室渗水的可能性。它对系统的按装和维修提供更容易的通道。它增加了部件结构系统的灵活性。

由于允许无尾水管自由水面排水，本新型涡轮系统没有液流气蚀。暴露于涡轮机出口尾水管中流体动力冲击和气蚀(部份真空)是造成通过水轮机系统的鱼类受伤和死亡的主要原因。

和水力发电相关的鱼类死亡可能是多种因素的综合，它包括外伤(撞击在像旋转栅门之类阻碍液流的部件上)，内伤(通过气蚀低压区)，和下游水中缺氧。由于氮气过饱和而造成的气泡病也被引述为一种可能的原因。通过减少阻碍液流的部件使用和气蚀的消除，涡轮机10将减少鱼类的外伤和内伤。由于通过曝气和剥气改进了下游渠道中的水质，鱼类死亡也将减少。鉴于这些基础设计上的改进，鱼类死亡的减少是可以预期的。

从上文所述，可见本发明最少可达成它所有宣称的目的。

附图说明

图1是本发明的透视图；

图2是小尺度部件分解图；

图3是大尺度涡轮叶片装置透视图；

图4是图3延2B-2B线的选择视面，显示叶片上缘图；

图5是图3延2C-2C线的选择视面，显示叶片底缘图；

图6是流槽环的透视图，在安装完整的单元中，它固定装置在叶片上；

图7是本发明的上部垂直剖面，显示部份浸没和运转情况图；

图8是图7延3A-3A线的选择视面图，显示和螺旋流线平行导叶分布情况；

图9显示一组由汇流和涡流形成的螺旋流线图；

图10是螺旋涡流流线的概念图；

图11是本发明纵向放大剖面图，显示如图13中所示，当针阀在最大开放的位置；

图12是像图11一般的剖面图，显示针阀完全关闭；

图13是本发明涡轮机缩小比尺的剖面图，显示它在水电坝址装设在尾水环境中的一种情况。

具体实施方式

实施例：

数字代码10标明本发明水力涡轮并展示在图1到图13中。参照图13所示，本水力涡轮机10是被装设在储水坝18的下方，尾水14中的一个地基12上面。传统的水坝18典型的储存着水20，到达比水面16高的水平面22。数码24标示着字母H用来代表水表面22和16之间的水头。

发电机室26装置在地基板12上，机室内装设有传统的发电机28。发电机28有一个垂直的输入传动轴30。

涡轮机10包括一个中空园柱形基座32和底盘34(图2，图11和图12)。基座32有一个法兰盘36，它被用很多个传统的螺钉和螺帽37固定在基座板34上(图1)。园柱形基座内部有一个园柱空室38(图7)，空室有个底板40(图11和图12)。基座32内园柱空室38的下部和一个流体管道42相通联，该管道又和一个可逆操作的正压移动式或容积泵44相联接，它又转而经由流管46通往流源。泵44可用传统的方法来控制它的操作，泵流的方向可用人工或电脑来控制。流管42上装有一个阀门48。阀门48也可以像泵44一样的遥控。

在此处来讨论一下联接在园柱空室38底部40和涡轮流体进口之间，装有阀门52的一段小细管50。阀门52可以和阀门48同样的操作法。小管50的管径一般在5毫米上下，和管径48相比，后者约在20毫米到25毫米之间。

针阀中心轴54(图12)被装置在基座板34的中心部位。针阀56本身可沿着中心轴54穿过一个垂直园孔58(图7)上下滑动。针阀56的上部60呈中凹形，在这中凹曲面和垂直园周墙交接面64之间有一个环绕整个园周的密封圈62。

一个园环形涡壳的进流管66和园柱形基座32结合在一起，这可以从图3，图11和图12中看得清楚。涡壳园环进流管66和园柱空室38及进流管68上的法兰盘63可以用传统的螺钉和螺帽61相通连，进流管68的另一端接通到拦水坝18内的水库20中。

参照图2和图7所示，按装在涡壳园环进流管66上方直立的螺钉70是用来连接出流槽72底部法兰盘74的。出流槽72的上部向外扩张呈喇叭口形76并形成涡轮机的出流部份。图11显示出针阀打开的位置，图12显示出针阀关闭的位置。针阀可从图11的位置移动到图12的位置经由，首先关闭小细管50上的阀门52，再打开流管42上的阀门48。泵44这时开始操作并将流体压送入园柱形空室38的底部。促使针阀56沿着针阀轴54在园柱形空室38中上升滑行。针阀56可以上升到任何想要的地部，直到像图5所示最高关闭的位置。当针阀移动到想要的位置时，阀门48就关闭上，并将阀门52打开，如此可让流管66和空室38中的液压互相平衡。针阀56可以从图5所示关闭的位置移动到图4中打开的位置使用和以上相反的步骤，其中，前将小细管50上的阀门52关闭，流管42上的阀门48打开，泵44反相从空室38中抽出液体。当针阀到达想要的位置，泵停止运转，阀门48关闭，同时将阀门52打开。

参照图1到图13所示，涡轮机的转轮77有一个垂直设置部分直径由下向上逐渐加大的转动轴78，数片涡轮叶片80用焊接或其他方法固定在轴上。一如图5中所示，轴78的底端有个凹入的园锥口79，它正好和针阀轴54上端凸出的园锥体相结合。

涡轮机叶片80(图3)上缘82，呈抛物弧线形。所有叶片上缘共同形成一个抛物线弧面。数码84注明叶片的上缘。叶片的内缘86由它的上缘随螺线向下延伸到下端88。叶片内缘的螺旋线路顺转动轴78的外表面向下延伸。叶片有一个下缘90，它从内缘86的下端88向外水平延伸。每个叶片的中段外缘92顺着出流槽72呈喇叭口形的表面76(图2)由外下端90向上，向外延伸。数码94注明叶片上缘82的较低一端。

流槽环95(图6)是用任何方便的方法安装在叶片80的中段外缘92上。流槽环95有一个喇叭形的表面95A，它和出流槽72的喇叭形表面相配合，流槽环外表面95A上并按需要安装一个或数个防漏环95C。防漏环的使用，可以减少因流槽环95和出流槽72紧密配合所形成的液体黏性阻力。流槽环95有一个开敞的中心。流槽环95使叶片80得到加固，并减少可能的短路漏水。流槽环内表面95B的深度大致和叶片80的中段外缘92的长度相似。

参照图4所示，箭头96标明径向变值邻近两叶片80上缘84的周界距离。同样的，箭头98(图5)标明叶片80下缘88周界距离。在邻近的叶片80之间存在着一个楔形的空间99B(图4和图5)，它是由叶片上缘82的抛物面，叶片的表面，通过叶片底缘90的平面，和转动轴上在两条螺旋线86之间曝露的表面所形成。箭头98代表的距离要比箭头96标明的距离小，所以两个邻近叶片和转动轴78及流槽环95间的空间体积从底端逐渐增大到上端，主要是因为上缘82径向长度99(图4)比下缘90的径向长度99A(图5)大的缘故。

参照图7和图8所示，涡壳园环进流管66连接出流槽72的部位安装了数个呈曲面型的导叶65。从流体动力学理论上知道进流管66中的流体随螺旋流线67方向流动(图9)。当流体从涡壳进流管进入涡轮机的涡轮77后，它开始向上流动。原先的螺旋流线和向上流线的向量和形成如图10所示的向上螺旋涡流69。为了避免对流线的阻碍和扰乱，导叶65采取了和螺旋涡流流线吻合的弧形。它们投影在与径向平行的垂直面上的水平尺寸随涡壳园环进流管管径的渐减而配合减小，以达到每一个导叶在与径向平行的垂直面上的投影面积和进流管的径向断面面积比保持接进常值，帮助更均匀地分布涡壳园环进流管进入涡轮机的流量。

发电机的输入传动轴30的下端可用一个惯用的连接器100和涡轮机的转轮77相连接(图1)。

Claims (7)

1、一种水力涡轮机系统，其特征是一个有进流口的基座部分(32)，被直接联接在一个环绕在它外围的涡壳进流管(66)上；在进流口处装置了一组数个导叶(65)；在基座进流口的上方有一个向上向外呈喇叭形的出流槽(72)，并被放在能让流体从基座上方出口的位置；一个有上端和下端的垂直转动轴(78)；一组数片彼此间隔的弧形叶片(80)，它的内缘边(86)固定在流体出口处的转动轴上，而中段边缘和向上，向外呈喇叭形的出流槽的形状相对称；一个和喇叭形的出流槽相对称，被固定在叶片中段外缘上，并部份延伸入出流口内的流槽环(95)；以及在基座进流口的下方圆柱空室(38)中有一个中空的圆柱形针阀(52)，用来调节和控制进流流量。

2、根据权利要求1所述的水力涡轮机系统，其特征是该组导叶呈弧形和涡轮机中向上向内的螺旋涡流流线相吻合；该组叶片均匀间隔分布固定在基座进流口处涡壳进流管内；它们投影在与径向平行的垂直面上的水平尺寸随涡壳园环进流管管径的渐减而配合减小。

3、根据权利要求1所述的水力涡轮机系统，其特征是该组弧形叶片下缘径向长度比该上缘短；它有一条被固定在转动轴上的弧形内缘，并在该转动轴的外部表面向螺线方向延伸；该组叶片被安置在流体出口处的位置使得从该基座向上的液体从垂直于由叶片上缘划定的抛物线形球面的方向向上和向外流出。

4、根据权利要求1所述的水力涡轮机系统，其特征在于该组弧形叶片的中段外缘固定在一个喇叭形流槽环上；后者和出流槽的喇叭形表面相配合；流槽环外表面上并按需要安装一个或数个防漏环籍以减少因流槽环和出流槽紧密配合所形成的液体黏性阻力。

5、根据权利要求1所述的水力涡轮机系统，其特征是转动轴按类似竖立的抛物线型曲线由下至上逐渐增大它的直径。

6、根据权利要求1所述的水力涡轮机系统，其特征是基座部份在流体进口的下方有一个园柱形的空室，该空室中装有一个垂直圆柱形针阀，它可以合适地从低处开启的位置移动到将上面提到该进流口关闭的高处关闭的位置，并在进流口和该针阀的下方设有一条连接管使得该针阀的上面和下面的液压大致平衡。

7、根据权利要求2所述的水力涡轮机系统，其特征是该组弧形导叶在径向的内缘以圆柱形针阀外缘为界。

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