CN204113519U - 水流发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水流发电系统，包括沿水流通道串联设置的两套以上的水轮发电机组，水轮发电机组上游的水流通道内设有主阀；水轮发电机组下游的水流通道内设有调节阀；各水轮发电机组结构相同，均包括设置于水流通道处地面基础上的机座，机座上设有机壳，机壳内设有定子和转子，转子的中心线处设有轮毂，轮毂与转子壁之间沿周向均匀设有若干螺旋叶片，螺旋叶片的内端与轮毂固定连接，螺旋叶片的外端与转子壁固定连接；螺旋叶片与水轮发电机组的横断面呈45度角，相临水轮发电机组的螺旋叶片的旋向相反。本实用新型结构简单，成本较低，消除了空蚀的危害，便于制造和使用，极大提高了水能的利用效率。

Description

水流发电系统

技术领域

本实用新型涉及水力发电技术领域。

背景技术

人们都知道，凡是流动着的水体就具有动能，静止不动的死水的动能才为零。所以，水电厂只能做到将上游高能水能过机组的能量转换以后成为低能水并且排放，永远也无法做到将水中的能量100%地转换为电能。只要关闭阀门切断水流，水轮发电机组的工作即刻停止。水轮发电机组包括定子和转子，水流通过水轮发电机组时转子旋转，从而将水能转化为电能。关于现有水力发电的能量转换效率问题，申请人进行了大量研究和反复试验，结论是：水电厂上、下游之间的落差形成了水体的重力势能，现有的立式发电机组   在放水发电运行中蜗牛壳和其内部的导叶损耗了总水能的25%，总水能的37.5%转换为电能，尾水带走剩余的37.5%的能量。现有立式机组密闭工作流道的设计结构还导致了它在工作状态中自动化吸气引起水流空化，这是产生“空蚀”的根源。人们为了减轻空蚀带来的诸多危害，就强制性向密闭流道内补充气体。

现有的水流发电系统不仅成本高，而且效率较低，还有空蚀等缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种能够大幅提高水能转换效率的水流发电系统。

为实现上述目的，本实用新型的本实用新型的水流发电系统包括沿水流通道1串联设置的两套以上的水轮发电机组，沿水流方向，水轮发电机组上游的水流通道1内设有主阀2；水轮发电机组下游的水流通道1内设有调节阀3。

各水轮发电机组结构相同，均包括设置于水流通道1处地面基础4上的机座5，机座5上设有机壳6，机壳6内设有定子7和设于定子7内的灯笼状空心转子8，转子8通过轴承座9安装在机壳6内；转子8的中心线处设有轮毂10，轮毂10与转子8壁之间沿周向均匀设有若干螺旋叶片11，螺旋叶片11的内端与轮毂10固定连接，螺旋叶片11的外端与转子壁固定连接；螺旋叶片11与水轮发电机组的横断面呈45度角，相临水轮发电机组的螺旋叶片11的旋向相反。相临水轮发电机组之间设有间隙。

所述主阀2与水轮发电机组之间设有后备阀12。所述主阀2上游设有水坝13。

所述后备阀12与水轮发电机组之间的水流通道1上设有自动进气阀14；所述调节阀3下游处的水流通道1上也设有自动进气阀14。主阀2、调节阀3、自动进气阀14等装置均为现有技术，其具体结构不再详述。

所述调节阀3与水轮发电机组之间的水流通道1设有用于减弱水的旋转的导流叶片15，设有导流叶片15的水流通道1部分形成变流道16。

水流在通过水轮发电机组的螺旋叶片11时产生旋转，导流叶片15的设置则能够减弱水流的旋转，使水流在向下游流动时更加平稳。

所述水轮发电机组串联设置有2－3级。

如果水轮发电机组仅设置一级，使用螺旋叶片11就不能使水流垂直冲击在下一级螺旋叶片11上，没有实际意义，因此至少要使用两级。级数超过3级，成本较高，且水能利用的效率较低，因此也不推荐采用4级及以上的水轮发电机组。以上游水能总量为100%计算，经分析以及试验验证，一至四级水轮发电机组的能量转换规律为：一级25%，二级37.5%，18.75%，9.375%。如有更多级，每级转换的能量依次减半。

工作时，打开主阀2和后备阀12，水流由水坝13处沿水流通道1向下游流动，在通过水轮发电机组时通过螺旋叶片11推动转子8旋转，从而将水能转化为电能。由于螺旋叶片11与水轮发电机组的横断面呈45度角，相临水轮发电机组的螺旋叶片11的旋向相反，因此从上一级水轮发电机组冲出来的水流正好垂直冲击在下一级水轮发电机组的螺旋叶片11上，大大提高了水能转换效率，也使各级水轮发电机组的能量转换率呈规律性。一至四级水轮发电机组的能量转换规律为：一级25%，二级37.5%，18.75%，9.375%。如有更多级，每级的转换的能量依次减半。如果本实用新型采用三级水轮发电机组，则能够将81.25%的水能转换为电能，与现有技术中37.5%的能量转换率相比，极大提高了水能的利用效率。

本申请人以能量守恒为准则，用全新机械模式的水流实验已经准确地发现了前人的水力发电从理论的起源到常规技术装置的设计，这两个方面都存在着缺陷。实验证明，按照水电厂大坝上、下游之间的自然落差，常规立式水轮前的蜗牛壳和其内部的导叶，它的功能是强迫密闭流道里的压力水流转变成了漩涡水流然后才冲向水轮机的叶片，仅它这个转变压力水流成漩涡的过程就消耗了水流总能量的25%。水轮机截获转换了余剩下的75%能量的一半，即37.5%，流道尾水里放弃了37.5%水能量泄入下游河道。现有常规立式水轮发电机组每流过水轮机1立方米的水体，水电转换效率就是37.5%。现有水轮发电系统在日常放水发电运行中还有严重的空蚀之害，这是在设计上就天生的带来了痼疾，不是加工制造部件不精细的问题。申请人面对空蚀和效率低的两大弊端，相应地发现了全新一代的水、电转换新技术模式，设计出新的水流发电系统，可以大幅提高水能利用效率。

灯笼状无轴式互为反转的水轮机组多级横卧串联递次性转换水流能量的规律性数值是：25%、37.5%、18.75%、9.375%……如果在现有老水电厂里做技术大变革，保持主阀2不动，在它以下做彻底的除旧布新就行了。新一代水轮的灯笼状设计，它天生地就过水通畅无法产生空蚀之害。最少要用两级互为反转的灯笼状水轮机组串联，两级串联，它放水发电尾水管里每排放出一立方米的水体，按照自然落差两级机组水、电转换效率之和为62.5%，尾水里放弃37.5%水流能量（流量）。它的尾水流量和常规的立式机组一样，但它每天比常规的立式机组多得到了三分之二的发电量效率。新一代技术不采用蜗牛壳和导水叶，经济利益是很大的。如果新一代技术投资三级机组串联则可得效率之和为81.25%，尾水里放弃水能是18.75%。三级机组串联的尾水流量比二级机组串联每天少用一半水资源，所以，三级机组串联放水发电把水库里储蓄的水用完要比二级机组串联所花费的时间正好多了一倍，每1立方米尾水才能多提高18.75%的水、电转换效率。如果既要水、电转换效率高，又要每天发电量大（即尾水管排泄水流量大），可以适当增大工作流道的直径或者增加水电厂里泄水发电工作流道的条数都能达到这种目的，在现有老水电厂里搞变革不需要扩大工作流道的直径就行。一般就是二级串联或者三级串联投资为宜，这种新型机组造价低，比新建一座水电厂投资少、效益高、见效快、无空蚀引发的各种弊病，机组寿命又很长。如果工作流道主阀2以下不串联水轮机组，只做纯粹水流的排放，那么，它的管口排泄的水流量就是最大值，水流与管道壁的摩擦损失极小，理论上可以忽略不计。这样就从能量守恒上理顺了水、电转换效率、尾水流量、每天水电厂的发电量三者之间的关系，完整地发展了前人的理论和技术，大、小水电厂统一都要这样做，有很宽松的选择余地，同时也为新建水电厂把这新型技术一步做到位提供了全新的筹算和操作方式。把这个原理应用于火电厂热流体能量的转换，就可以清楚地看到常规汽轮机机械结构的严重弊端：高温高压的蒸汽在密闭的汽缸内高速度流动，汽缸内静叶栅和动叶栅是相互间隔的结构，并且静叶片的蒸汽进口安放角方向与动叶片的蒸汽进口安放角方向正好相反，高温高压热流体在这种“犬牙交错”的流道内每强硬地冲过一层静叶栅和动叶栅，它的流体运行方向就要被折转一次。对比我做的压力水流冲击互为反转的四级串联水轮实验，能最充分说明这个道理；如果强制性不让哪一级水轮转动就浪费了哪一级的转换效率。

常规汽轮机的静叶和动叶形状设计的很圆滑，我实验用的互为反转轮子设计的螺旋形叶片都是与轮子横断面呈45o标准的极限值，从上一级轮子里冲出的流体正好垂直冲击在下一级轮子众叶片的长度前半部分上，很准确，所以流体能量的转换数值才呈规律性。由此可知，把火电厂热流体能量转换的工作流道设计成灯笼状互为反转的多级新型汽轮机组无轴式有断开间隙的新密封技术的串联结构，这样顺其自然就能把热流体能量以新的多级方式递次性转换出来，提高一倍的效率。

凡是流动着的水体它就具有动能，静止不动的死水它们的动能才是零。所以，水电厂只能做到将上游高能水通过机组的能量转换以后成为低能水而排放，永远也无法做到100%的转换。关闭阀门切断水流，水轮机组的工作即刻停止。水流冲击水轮转动作功，对于转换效率，发明人做了大量研究和反复试验的，结论是：由水电厂上、下游之间的落差形成了水体的重力势能，立式机组在放水发电运行中蜗牛壳和其内部的导叶损耗了总水能的25%，机组转换出了37.5%，尾水流走了37.5%，这就是能量守恒的事实真相，人人都能得之检验。立式机组密闭工作流道的设计结构还导致了它在工作状态中的自动化吸气引起水流空化——这就是产生“空蚀”的病源，人们为了减轻空蚀带来的多种危害之苦就强制性往密闭流道内补气。前人的技术成果不但效率很低，缺陷也很多。本实用新型中的水轮发电机组没有大轴，它的众叶片都是与水轮的横断面呈45°角的螺旋叶片11，各叶片在水轮的圆心处都与轮毂10固结，众叶片朝外沿的另一个边都与转子8壁固结，这种水轮的进水口（段）、出水口（段）和水轮内有众叶片与轮毂10这一段，三者的纯净容水横断面面积是完全相等的，这就是灯笼状水轮的结构。只有这一种灯笼状水轮机组互为反转的有机串联结构才能递次性承受水电厂最大的落差、最大的流量，避免产生空蚀之害，确保过水畅通平顺。

本实用新型结构简单，成本较低，消除了空蚀的危害，便于制造和使用。由于螺旋叶片与水轮发电机组的横断面呈45度角，相临水轮发电机组的螺旋叶片的旋向相反，因此从上一级水轮发电机组冲出来的水流正好垂直冲击在下一级水轮发电机组的螺旋叶片上，大大提高了水能转换效率，也使各级水轮发电机组的能量转换率呈规律性。一至四级水轮发电机组的能量转换规律为：一级25%，二级37.5%，18.75%，9.375%。如有更多级，每级的转换的能量依次减半。如果本实用新型采用三级水轮发电机组，则能够将81.25%的水能转换为电能，与现有技术中37.5%的能量转换率相比，极大提高了水能的利用效率。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

图1中左侧为上游，右侧为下游，左侧高于右侧。

图1中箭头所示方向为水流方向。

如图1所示，本实用新型的水流发电系统包括沿水流通道1串联设置的两套以上的水轮发电机组，沿水流方向，水轮发电机组上游的水流通道1内设有主阀2；水轮发电机组下游的水流通道1内设有调节阀3。

各水轮发电机组结构相同，均包括设置于水流通道1处地面基础4上的机座5，机座5上设有机壳6，机壳6内设有定子7和设于定子7内的灯笼状空心转子8，转子8通过轴承座9安装在机壳6内；转子8的中心线处设有轮毂10，轮毂10与转子8壁之间沿周向均匀设有若干螺旋叶片11，螺旋叶片11的内端与轮毂10固定连接，螺旋叶片11的外端与转子壁固定连接；螺旋叶片11与水轮发电机组的横断面呈45度角，相临水轮发电机组的螺旋叶片11的旋向相反。相临水轮发电机组之间设有间隙。

所述主阀2与水轮发电机组之间设有后备阀12。所述主阀2上游设有水坝13。

所述后备阀12与水轮发电机组之间的水流通道1上设有自动进气阀14；所述调节阀3下游处的水流通道1上也设有自动进气阀14。主阀2、调节阀3、自动进气阀14等装置均为现有技术，其具体结构不再详述。

所述调节阀3与水轮发电机组之间的水流通道1设有用于减弱水的旋转的导流叶片15，设有导流叶片15的水流通道1部分形成变流道16。

水流在通过水轮发电机组的螺旋叶片11时产生旋转，导流叶片15的设置则能够减弱水流的旋转，使水流在向下游流动时更加平稳。

所述水轮发电机组串联设置有2－3级。

如果水轮发电机组仅设置一级，使用螺旋叶片11就不能使水流垂直冲击在下一级螺旋叶片11上，没有实际意义，因此至少要使用两级。级数超过3级，成本较高，且水能利用的效率较低，因此也不推荐采用4级及以上的水轮发电机组。以上游水能总量为100%计算，经分析以及试验验证，一至四级水轮发电机组的能量转换规律为：一级25%，二级37.5%，18.75%，9.375%。如有更多级，每级转换的能量依次减半。

工作时，打开主阀2和后备阀12，水流由水坝13处沿水流通道1向下游流动，在通过水轮发电机组时通过螺旋叶片11推动转子8旋转，从而将水能转化为电能。由于螺旋叶片11与水轮发电机组的横断面呈45度角，相临水轮发电机组的螺旋叶片11的旋向相反，因此从上一级水轮发电机组冲出来的水流正好垂直冲击在下一级水轮发电机组的螺旋叶片11上，大大提高了水能转换效率，也使各级水轮发电机组的能量转换率呈规律性。一至四级水轮发电机组的能量转换规律为：一级25%，二级37.5%，18.75%，9.375%。如有更多级，每级的转换的能量依次减半。如果本实用新型采用三级水轮发电机组，则能够将81.25%的水能转换为电能，与现有技术中37.5%的能量转换率相比，极大提高了水能的利用效率。

研发说明：

自古以来为社会文明发展建立功业才是大学问，例如美国人莱特兄弟仅是一般人，竟能制造出人类历史上的飞机。前人没有做成的他们团队能做成，是他们能用心实验发现前人失败的原因并且改变前人的做法才逐渐获得了成功，毫不奇怪。当今火电厂和水电厂都是流体能量转换的工厂，只是工作介质的不同才导致了各自技术特色。火电厂长期以来煤、电转换效率就很低，能源浪费巨大，尽管国际上专家们百倍努力仍远远达不到社会的期望值，鲜为人知的问题究竟在哪里呢？现在终于发现，要想找到新技术把发电厂流体能量转换发电效率提高到全社会都满意认可的期望值，那就必须首先来认真研究水电厂的水、电转换效率，从这里发现新问题和解决问题。本申请人以能量守恒为准则，用全新机械模式的水流实验已经准确地发现了前人的水力发电从理论的起源到常规技术装置的设计，这两个方面都存在着缺陷。实验证明，按照水电厂大坝上、下游之间的自然落差（而不是前人规定的“工作水头”），常规立式水轮前的蜗牛壳和其内部的导叶，它的功能是强迫密闭流道里的压力水流转变成了漩涡水流然后才冲向水轮机的叶片，仅它这个转变压力水流成漩涡的过程就消耗了水流总能量的25%。水轮机截获转换了余剩下的75%能量的一半，即37.5%，流道尾水里放弃了37.5%水能量泄入下游河道。现有常规立式水轮发电机组每流过水轮机1立方米的水体，水电转换效率就是37.5%。现有水轮发电系统在日常放水发电运行中还有严重的空蚀之害，这是在设计上就天生的带来了痼疾，不是加工制造部件不精细的问题。申请人面对空蚀和效率低的两大弊端，相应地发现了全新一代的水、电转换新技术模式，设计出新的水流发电系统，可以大幅提高水能利用（转换）效率，完全满足社会的期望。

这种实用新型灯笼状无轴式互为反转的水轮机组多级横卧串联递次性转换水流能量的规律性数值是：25%、37.5%、18.75%、9.375%……如果在现有老水电厂里做技术大变革，保持主阀2不动，在它以下做彻底的除旧布新就行了。新一代水轮的灯笼状设计，它天生地就过水通畅无法产生空蚀之害。最少要用两级互为反转的灯笼状水轮机组串联，两级串联，它放水发电尾水管里每排放出一立方米的水体，按照自然落差两级机组水、电转换效率之和为62.5%，尾水里放弃37.5%水流能量（流量）。它的尾水流量和常规的立式机组一样，但它每天比常规的立式机组多得到了三分之二的发电量效率。新一代技术不采用蜗牛壳和导水叶，经济利益是很大的。如果新一代技术投资三级机组串联则可得效率之和为81.25%，尾水里放弃水能是18.75%。三级机组串联的尾水流量比二级机组串联每天少用一半水资源，所以，三级机组串联放水发电把水库里储蓄的水用完要比二级机组串联所花费的时间正好多了一倍，每1立方米尾水才能多提高18.75%的水、电转换效率。如果既要水、电转换效率高，又要每天发电量大（即尾水管排泄水流量大），可以适当增大工作流道的直径或者增加水电厂里泄水发电工作流道的条数都能达到这种目的，在现有老水电厂里搞变革不需要扩大工作流道的直径就行。一般就是二级串联或者三级串联投资为宜，这种新型机组造价低，比新建一座水电厂投资少、效益高、见效快、无空蚀引发的各种弊病，机组寿命又很长。如果工作流道主阀2以下不串联水轮机组，只做纯粹水流的排放，那么，它的管口排泄的水流量就是最大值，水流与管道壁的摩擦损失极小，理论上可以忽略不计。这样就从能量守恒上理顺了水、电转换效率、尾水流量、每天水电厂的发电量三者之间的关系，完整地发展了前人的理论和技术，大、小水电厂统一都要这样做，有很宽松的选择余地，同时也为新建水电厂把这新型技术一步做到位提供了全新的筹算和操作方式。把这个原理应用于火电厂热流体能量的转换，就可以清楚地看到常规汽轮机机械结构的严重弊端：高温高压的蒸汽在密闭的汽缸内高速度流动，汽缸内静叶栅和动叶栅是相互间隔的结构，并且静叶片的蒸汽进口安放角方向与动叶片的蒸汽进口安放角方向正好相反，高温高压热流体在这种“犬牙交错”的流道内每强硬地冲过一层静叶栅和动叶栅，它的流体运行方向就要被折转一次。对比我做的压力水流冲击互为反转的四级串联水轮实验，能最充分说明这个道理；如果强制性不让哪一级水轮转动就浪费了哪一级的转换效率，如果强制性不让全部的互为反转四级水轮转动则全部浪费了流体能量的转换效率。

差别是常规汽轮机的静叶和动叶形状设计的很圆滑，我实验用的互为反转轮子设计的螺旋形叶片都是与轮子横断面呈45o标准的极限值，从上一级轮子里冲出的流体正好垂直冲击在下一级轮子众叶片的长度前半部分上，很准确，所以流体能量的转换数值才呈规律性。由此可知，把火电厂热流体能量转换的工作流道设计成灯笼状互为反转的多级新型汽轮机组无轴式有断开间隙的新密封技术的串联结构，这样顺其自然就能把热流体能量以新的多级方式递次性转换出来，效率提高一倍。

人们都知道，凡是流动着的水体它就具有动能，静止不动的死水它们的动能才是0。所以，水电厂只能做到将上游高能水通过机组的能量转换以后成为低能水而排放，永远也无法做到100%的转换。关闭阀门切断水流，水轮机组的工作即刻停止。水流冲击水轮转动作功，对于转换效率，发明人做了大量研究和反复试验的，结论是：由水电厂上、下游之间的落差形成了水体的重力势能，立式机组在放水发电运行中蜗牛壳和其内部的导叶损耗了总水能的25%，机组转换出了37.5%，尾水流走了37.5%，这就是能量守恒的事实真相，人人都能得之检验。立式机组密闭工作流道的设计结构还导致了它在工作状态中的自动化吸气引起水流空化——这就是产生“空蚀”的病源，人们为了减轻空蚀带来的多种危害之苦就强制性往密闭流道内补气。前人的技术成果不但效率很低，缺陷也很多。本实用新型中的水轮发电机组没有大轴，它的众叶片都是与水轮的横断面呈45°角的螺旋叶片11，各叶片在水轮的圆心处都与轮毂10固结，众叶片朝外沿的另一个边都与转子8壁固结，这种水轮的进水口（段）、出水口（段）和水轮内有众叶片与轮毂10这一段，三者的纯净容水横断面面积是完全相等的，这就是灯笼状水轮的结构。只有这一种灯笼状水轮机组互为反转的有机串联结构才能递次性承受水电厂最大的落差、最大的流量，永久性地确保过水畅通平顺，永久无法产生空蚀之害。

以上实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.水流发电系统，其特征在于：包括沿水流通道串联设置的两套以上的水轮发电机组，沿水流方向，水轮发电机组上游的水流通道内设有主阀；水轮发电机组下游的水流通道内设有调节阀；

各水轮发电机组结构相同，均包括设置于水流通道处地面基础上的机座，机座上设有机壳，机壳内设有定子和设于定子内的灯笼状空心转子，转子通过轴承座安装在机壳内；转子的中心线处设有轮毂，轮毂与转子壁之间沿周向均匀设有若干螺旋叶片，螺旋叶片的内端与轮毂固定连接，螺旋叶片的外端与转子壁固定连接；螺旋叶片与水轮发电机组的横断面呈45度角，相临水轮发电机组的螺旋叶片的旋向相反。

2.根据权利要求1所述的水流发电系统，其特征在于：所述主阀与水轮发电机组之间设有后备阀。

3.根据权利要求1或2所述的水流发电系统，其特征在于：所述主阀上游设有水坝。

4.根据权利要求3所述的水流发电系统，其特征在于：所述后备阀与水轮发电机组之间的水流通道上设有自动进气阀；所述调节阀下游处的水流通道上设有自动进气阀。

5.根据权利要求4所述的水流发电系统，其特征在于：所述调节阀与水轮发电机组之间的水流通道设有用于减弱水的旋转的导流叶片，设有导流叶片的水流通道部分形成变流道。

6.根据权利要求1或2所述的水流发电系统，其特征在于：所述水轮发电机组串联设置有2－3级。