CN1708643A - 水力轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一个涡轮，包括：一个被称作转子(1)的旋转移动部，一套数量不等的叶片(2)，整个装置绕水平轴(6)旋转，用于保持水位的屏障的一个或者多个固定部(4)，一个进水水道(15)和一个出水水道(16)。本发明的特征在于圆柱的可移动件(1)的外形，保证了在其运动空间之外的自由空间，预留了水位保持元件(4)，并在其中安装了变速或刹车的机械组件。这个设计的使得水的动能和水位势能可以在进水水道(15)中被利用。水轮设计用于将河流和潮汐中的水能转变为可能或不可能转变为电能的机械能。

Description

水力轮

技术领域

本发明涉及一种装置，该装置可以利用水道或潮汐中水的势能和动能，以将它转变为电能。

背景技术

目前已经存在的用于沿着水流自然方向利用水的能量的这些轮是称作带有叶片的轮子，叶片具有一定厚度以对抗水的压力，并且安装在一个旋转框架上，旋转框架通常是由叶片两端的两个平行的圆盘组成。这些轮可充分利用水的动能。各种类型的叶片已被生产，称作顶、边和底型等等。最有效的Sagebien水轮是十九世纪发明的，其后，叶片轮的使用显著减少，因为没有叶片轮可以利用水位的势能。

事实上，在十九世纪，他们被具有更快流动和旋转速度的涡轮取代，这种水流速度是由机器(Francis-Kaplan涡轮)显著地改进和抑制。涡轮可以最大限度地利用水位势能。

出现了一些新轮，它们本身借助于由旋转圆柱体组成的它们的轴形成拦水坝，但是由于叶片与圆柱体连接在一起，叶片伸入水中导致压力，这会对水流和组件的几何形状造成损害；这些轮使得水流以一种稳定的状态经过。

发明内容

本涡轮基于一种新的叶片轮运行，该轮被称作一种带叶片的坝型轮，它首次将一个固定的坝和轮集成在一起。除了传统的叶片轮的动能，这种方式使得水的全部势能被利用，而对自然的流没有限制。唯一的损失是与生产操作的精度相关的渗漏率损失，并且该损失在这种情况下被减小到了进水和出水水道中的叶片间隙的水平。

具体实施方式

本发明涉及一种叶片轮，它利用水道或潮汐中水的势能和动能以转变为可转变为电能的机械能。该叶片轮包括：

-一个旋转的可移动部，它被称作转子(1)，并且由围绕水平轴(6)旋转且通过圆盘(3)和(5)装配在两端的叶片(2)构成，

-一个固定部(4)，起到坝的作用，是可保持水位所必须的，

-进水水道(15)和出水水道(16)。

本发明的新颖性在于可动部(1)的圆柱轮周形状，它通过移动可以使空间保持自由，以形成用于保持水位的固定部(4)；进水水道(15)尺寸选择成是该装置的一个组成部分；由于没有限制的自然水流，整个装置可在较低的水位下保持最高的效率；利用从A到B逐步递减的上游的水的动能，以及在从上游压力变为下游压力的过程中的水位势能。

唯一的损失是泄漏率损失，泄漏率损失与生产操作中的精度有联系，在本例中被减至最小。固定坝部(4)允许装配驱动发电机所需要的增速装置，因而减少了通常为此目的而设置的外部装置。

为了更好的理解本发明，以下参照图1和图2描述本发明的第一实施例。

图1的装置包括由叶片(2)的组件构成的旋转部(1)，这些叶片的一端附在外盘(5)上。本实施例包括24个叶片，但叶片的数量可以根据轮的直径和长度变化，该配置与将被处理的水的流速和水位有关，旋转部(1)可以围绕轴(6)移动；叶片(2)的轨道(7)仅使用一个有限的外部空间，使得内部空间可以完全自由地放置用于保持水位的固定部(4)。根据叶片的跨度，可能需要中间支撑盘(5)，这些轮周盘(5)在中部凹陷并且没有轴，叶片另一侧的实心盘将能量传递到旋转轴，旋转运动的范围仅限于一定厚度的圆柱体的外包络线内，该厚度直接由叶片对空间体积的要求和实心盘导出。

外盘(5)可在固定的圆柱部(8)上移动，圆柱部(8)起到导向和移动路径的作用，通过多个滚柱(9)进行接触，滚柱(9)可根据直径和将要传输的力而变化。

叶片(2)有水力的外形，以便一方面为它们的机械强度提供足够刚度，另一方面由于可调的倾斜度可以减少在插入进水水道(15)和在水中移动过程中的负面影响。

轴(6)位于保持水位的坝中使得叶片在最小阻力的位置入水，并且一旦叶片入水，叶片将被进水水道(15)中由机械产生的水流驱动。

如图2中所示，未被支撑叶片(2)的旋转部(1)的循环运动所利用的空间可集成固定部(4)，固定部(4)形成用于保持水位的固定坝，仅在下部给叶片留下通道。

因其较低的几何形状，坝本身组成适合每个结构的水流速度的出口水道。该装置与垂直的混凝土墙(14)相连接，混凝土墙用于侧面的水土保持。

由于它们的机械强度，具有金属框架的这些坝(4)的几何形状使得发电机所必需的皮带和齿轮型增速装置(10)设置在其中，由此整个装置转变为水电发电机，发电机特性由水位高度、水流经的速度、出口水道的倾斜度和几何形状、宽度和高度确定。本实施例中的增速装置包括一个内部带齿的直径较大的轮(10)和一个小齿轮(13)，小齿轮通过本身也是一个增速装置的皮带将能量传输到发电机。

增速装置(10)与一个圆盘闸(11)相连，该闸使得水力轮以设定的程序逐步地运行和停止。当轮停止时，水(除了泄露的水)不再流经。该装置可以在退潮和涨潮时双向地利用潮汐中的能量。

轮的定位允许利用水位。为了可以双向利用，计算涨潮和退潮所需的时间以及叶片的倾角。

轴(6)由一根高强度的金属轴制成，其显著功能是确保装配的精度和保持。固定部(4)通过滚柱(12)安装在轴(6)上，以保证最好的机械装配精度。

图3至图8示出了其他的解决方案，基于同样的固定部和移动部的设计原则的其他实施例。

图3所示的实施例包括16个叶片，为了最大限度的利用水，支持叶片的盘可制成齿状的外形。由于叶片在支持盘之上，可以利用全部可用水。

在同一实施例中，叶片装配有翼C1和C2，它们是通过绕轴旋转的棒和凸轮系统启动的，作为一个鱼类的提升装置(但不可能适合对应装置所需的台阶)。挡出口速度允许时鱼类通常聚集在出水水道的出口处，在本装置中依然如此。但叶片处于位置P10，翼C1打开作为叶片的一个铲斗，一旦其离开水面，第二个翼C2关闭铲斗的顶部。但他们移动回到水中(位置P4)，两个翼回到初始位置，将鱼类放回水中，从而保证了鱼类的在上游的旅程。

无论怎样，依靠叶片之间的空隙和水的自然流速，向下游游动的鱼类可以自己通过该轮，这种顺流的游动也不会带来任何伤害。

图4示出各种不同类型的弯曲叶片的倾斜度，计算将确定最有效的外形和倾斜度。

涡轮的水流速度的变化可有两种方式产生。

根据图5的实施例：

旋转圆柱体(1)由几个部件组成，本实施例由两个部件组成。这些部件可彼此之间在机械上是独立的，当其他部件运转时，任一部件可以停止，这将进一步减少水的流速，在一个固定的状态下，水流会停止。或者各个部件通过安装在连续轮周(5’)上的一个常规的离合器连接/脱离系统(例如，通过磁力键)将各个部件的驱动力连接在一起，支持件(8)和滚柱(9)以与轮周(5)相同方式与各个轮周(5’)相连。

根据图6和图7：

水流速度的变化通过具有可动部的各种形式的叶片实现。

图6所示为叶片的横截面，其不同形状是由一个固定部(17)和作为翼的铰接可动部(18)，(19)形成。

这些叶片装配在圆形轮周(5)上，为了接受控制系统、水力微千斤顶或电动机，该轮周是管型的并具有矩形横截面。

这些翼围绕旋转轴(20)旋转。

铰接的外翼(18)是为了适应水道的外部形状，也是轮周(5)的外部形状。

铰接的内翼(19)是为了适应水道的内部形状，也是轮周(5)的内部形状。

在它们另一端，这些翼通过用于支撑叶片的轮周(5)上的中空凹槽(21)被导向和定位。

图7所示的叶片带有可动部，可以允许水流速度的变化。图7涉及一个具有16个叶片的轮子，也就是说，有16个在两个叶片之间的间隙，即，轮子完整转一圈有16个在两个叶片间的空间。

图示为一个轮子的四分之一，作为叶片的一个部分，在两个中的一个空间可被覆盖或不覆盖的情况下，因此叶片随后装有外翼(18)或者内翼(19)。

图示：

-翼折叠到固定部上：位置D

-翼处于打开位置：位置E

在这种方式下，处于位置E时，两叶片之间的空间不再装有水。

这个实施例中，空间的隔绝将以其大小的1/16减小水流速度，水流速度将以1/16逐步减少，直至减少8/16，也就是说，该轮的名义水流速度的一半。

-使用多种形式的叶片系统，水流速度可以1/16逐步减少，通过装配图6所示的所有叶片，水流速度会逐步较少，如果必须的话，以1/16减少直至该轮完全停止。

该轮的装备可根据不同的情况来确定，与预期水流速度和能量水平的目标保持一致，也可以从两个叶片之间一个间隙开始直到100％的间隙。

图8所示为带有16个叶片的轮的前视图，其中的叶片是V型的。在这个实施例中，每个叶片都是平的，但是这些叶片也可以形成如图4所示的弯曲表面。在本图中，水并没有被阻隔在一个静止的状态，该装置优先以动力效率运行，并且旋转速度较高。计算结果将决定这个解决方案的效率，这类似于具有一个垂直轴同时保持在完全不同的速度范围内的涡轮，涡轮的旋转速度仍然直接与水流速度相关。

如图5所示，如果必须，叶片在三个位置被保持：两个盘(5)和一个盘(3)。

在任何情况下，由于轴的位置和叶片插入水中的需要，整个轮的直径是水位落差的1.5倍加上出水水道的高度(这也是叶片的高度)的两倍，这个高度是保持的水流速度的直接函数。

由于轮的直径，水道中在叶片上的作用受益于非常大的杠杆臂，它可以以最小的能量和减小的速度来运行。

水位的潜力和水的动能/叶片在A和B之间的运动在C处得到最有效的应用(如图1)。

几何尺寸将非常不同：轮的整个直径、宽度、叶片的高度和形状以及保持的水位都与水库或河流的运行参数直接相关，落差可以从很低(从1m的数量级，因为1m是使用该装置的一个经济极限)到高达4m或以上。该装置唯一的限制来自于所使用的各种材料的精度和机械强度所带来的限制。

对于最低的高度，水道(15)变得无关紧要。

图1和图2的实施例中：

-保持的水位H是2m

-叶片高度是60cm

-整个轮的高度是5m

-水流速度是在3.5m³/s数量级

-发电机出口处产生的净功率是50KW

工业应用

由于它们的形状，包括叶片的各个组件的生产都非常简单和经济。

整个装置可以在现场完全被装配。

整个装置的总的高度和产生的能量是两个参数的函数，这两个参数由两个不同的装配组件确定：中心固定盘(水位)(4-8)和叶片(水流速度)(2)。因而有可能将这两个使用不同产品标准的组件结合起来，在能源生产多样化的产品上适用同一个装配标准(两个产品标准的组合)。这将导致系统的工业化和杰出的成本控制，这也适用于该装置中的其他组件：增速装置一发电机。

该概念使得水电设备的各种限制将被克服。在挖掘之后，将是以几个预先安装好的部分简单和快捷地安装水电发电机。这种方式组建的水电发电机有良好限定和保证的特性，开启了一个全新的设备范围，使用当前几乎没有使用的最小的水流速度和梯度，并在设备和使用方面都是很低的成本。

考虑到生态和可持续能源，该装置完全适合用于以较低成本发展微观经济。

环境

水流及其流速范围保持在自然水流的范围内，叶片形状和距离使得活的生物可以不被伤害地通过。作为对钓鱼者和生态保护主义团体的回应，该装置可以让鱼类向着下游方向游动，也允许水流中携带的多数物体可以通过。仍然有必要为大的物体提供一个有较大网眼的保护栅格。

这种结构保持了传统的叶片轮的美学外形，除了水中旋转噪声，没有污染。

Claims (9)

1.一种用于捕获水的势能的装置，其特征在于，包括由下列组件组成的涡轮：

-具有叶片(2)的轮(1)，叶片的形状和旋转部(1)的运动空间允许固定部(4)被安装，

-固定部(4)作为保持水位所需要的坝。

2.一种用于分配进水(15)的装置，该装置由固定部的下部形成，通过引导水流，捕获水的动能。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，包括由支持盘(3-5)构成的有叶片的轮，支持盘具有带齿或不带齿的外形；叶片支持(2)；组件的移动空间，为一个或多个固定部留下一个较大的内部空间。

4.如权利要求1和2所述的装置，其特征在于，包括盘(3-5)，其外形是带齿或不带齿的，以允许装配具有水力形状的叶片。

5.如前面任一权利要求所述的装置，其特征在于，以连续或可逆的水力流(如潮汐)进行相同的操作。

6.如前面任一权利要求所述的装置，其特征在于，通过如图3所示的配有翼C1和C2的叶片，可以为鱼类提供一个提升装置。

7.用于控制水流速度的多形叶片，这些叶片由一个固定的叶片部(17)构成(图6)，还包括：

-一个或两个可动部(18-19)，在打开位置时，使得两个叶片间的空间隔离出来并形成水封，这将相对于轮的叶片的数量成比例地减小流经的水流速度。

8.用于控制水流速度的装置，包括以几个部件形成旋转部(1)，这几个部件通过安置在轮周(5’)上的离合器连接-脱离系统连接在一起。

9.具有如图8所示的倾斜的叶片的装置，该装置优先利用水的动能或叶片能。

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