WO2017016181A1 - 水轮机 - Google Patents

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Abstract

一种冲击型水轮机，该水轮机由出射装置和转动装置两部分组成。出射装置包括压力引水室（1）及出流口（2）。与出流口（2）相连接的是分别由底板（5）、顶板（4）及其两侧的侧板（6）构成的出射口（7）。在出射口（7）的顶板（4）或底板（5）的出水端铰装转动活门（10），并将转动活门（10）与传动部件传动连接。转动装置包括在主轴的轮盘或轮毂外（29）外表面按圆周方向设置数个两侧之间的表面形状为凹槽形的叶片（19）。在凹槽形叶片（19）的外端和内端分别设置外端引流板（30）和内端引流板（31）。将叶片凹槽内表面与出射装置的出射口（7）相对应。该水轮机既能将水流压能高效转换为旋转机械能，又能适用于低水头大流量的水能环境。

Description

水轮机 所属技术领域
本发明属于水力发电技术领域中的水轮机，尤其涉及一种低水头大流量高效率冲击型水轮机。
背景技术
目前，在水力发电生产中所使用的冲击型水轮机只能适用于高水头小流量水能资源，而无法适应普遍以低水头大流量形式存在的水能资源。并且，该冲击型水轮机存在的不足为：从圆形喷嘴及其内部装置的圆形喷针周围射出的高速水流向其端部中心集中时会产生严重的对撞现象，对射出喷嘴的水流动能造成了严重损失，从而无法将水流压能高效转换为水流动能；在喷嘴内出现杂物卡阻现象时无法清除；从转轮水斗内端排出的水流冲向其前方水斗背面后又严重干扰了转轮的运转，从而使水流动能又无法高效转换为旋转机械能。而且，该转轮的水斗加工制造十分困难。
在低水头大流量水能资源中使用的混流式、轴流式等反击型水轮机在运行中存在着部分水能以轴向水推力形式作用于转轮后无法作功，并且容易导致烧瓦事故；主轴密封漏水随机组开度的增大而增大；转轮叶片间形成的流道内出现杂物卡阻现象时机组会大幅振动出力明显下降；蜗壳及导叶因不断改变水流方向而造成的水力损失较大等诸多不足，使该水轮机的综合运行效率极低。
在CN101871415A和CN101354004A中，轨道内装置调节闸板或闸块以及出水口表面铰装调节闸板构成的射流口，其技术方案均无法满足水流出射前 对出射口内表面平滑的渐变形状及对称型的要求，尤其不能满足水流出射时对出射口要求具有一定管嘴长度的要求，使其射流口只能按孔口出流方式低效出流，而无法以管嘴出射方式高效出射。因此无法将水流压能高效转换为水流动能，并且该结构无法设置在每所有出射口上。叶片外端端面至其后相邻叶片内端之间设置的引流板背面，在运转过程中会将高速射流还未将其动能传递给叶片的状况下直接推向下游，对高速水流的动能转换产生了严重干扰现象，并且该结构还使高速水流无法获得最佳入水角；外形为三角状的凹槽形叶片及其引流板无法满足矩形截面高速射流的入水要求；圆环形、依次排列或对接形成的圆环状以及弧形状凹槽的叶片及其辅助叶片及支撑件均无法同时满足高速射流的最佳入水和出水角度，其四分之一球表面形状的辅助叶片会使部分高速水流沿凹槽冲向其前方的辅助叶片后产生撞击现象，并会阻拦其它部分高速水流的顺利流出；按轴向布置的螺旋形或光滑的凹槽形叶片使高速射流在进入和排出叶片时会产生冲撞现象，因此其技术方案均无法将水流动能有效转换为旋转机械能。由于两套技术方案均效率低且结构复杂，从而无法实施。
发明内容
本发明的目的在于克服目前所使用水轮机存在的不足，而提供一种既能将水流压能高效转换为水流动能，又能将水流动能高效转换为旋转机械能；并且既能适应低水头大流量水能资源，又能将出射口内卡阻的杂物自动排出的冲击型水轮机。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。
该冲击型水轮机由出射装置和转动装置两部分组成，出射装置包括压力 引水室及其一个或数个出流口，与出流口相连接的分别由底板、顶板及其两侧的侧板构成的出射口，并且包括与调速器或动力装置相连接的传动部件，以及与传动部件传动连接的设置在出射口出口部位的活动式折向板等部件；转动装置包括主轴、轴承及其联轴器，装置在主轴上的一个或数个轮盘或轮毂，以及数个两侧间表面形状为凹槽形的叶片等部件，其特征在于：在出射口的顶板或底板的出水端铰装转动活门，并将转动活门与传动部件传动连接；在轮盘或轮毂外表面按圆周方向直接设置数个两侧间表面形状为凹槽形的叶片，在凹槽形叶片的外端端面分别设置外端引流板，凹槽形叶片的内端分别设置内端引流板，并将叶片凹槽内表面的一侧部分与出射装置的出射口相对应。
本发明所述的冲击型水轮机，转动活门还可以是活门和顶板或底板连为一体的结构。
本发明所述的冲击型水轮机，在转动活门的出水端前方还可以设置固定式折向板。
本发明所述的冲击型水轮机，将数个具有转动活门的出射口还可以排列设置后与同一出流口相连接。
本发明所述的冲击型水轮机，外端引流板还可以是引流板的进水部分顶端低于凹槽形叶片的两侧边沿。
本发明所述的冲击型水轮机，外端引流板还可以是引流板的出水部分表面与进水部分表面间呈一夹角。
本发明所述的冲击型水轮机，内端引流板还可以设置在叶片凹槽内端部位的内表面。
本发明所述的冲击型水轮机，内端引流板还可以与叶片的凹槽呈垂直角度或某一夹角的形式布置。
本发明所述的冲击型水轮机，内端引流板的顶端还可以延伸至其前方凹槽形叶片的背面。
本发明所述的冲击型水轮机，内端引流板还可以是轮毂外表面。
本发明所述的冲击型水轮机，转动活门或活动式折向板还可以与重力或弹力机构传动连接。
当压力水流从压力引水室经过出水口进入出射口，并通过传动部件带动转动活门转动时，压力水流即可按所需出射流量的大小射口出射口；当转动活门的开度达到最大调节开度时，出射口的出射形状便能形成完整的对称型出射口，此时压力水流在没有任何干扰的状况下能将水流压能高效转换为水流动能。射出出射口的高速射流作用于凹槽形叶片的一侧时，内外端引流板则可将高速射流顺利引向凹槽的另一侧，并从与其前方叶片及外端引流板的外侧表面间顺利排出，因此在没有任何干扰的状况下将水流动能充分传递给由叶片及其引流板和轮毂或轮盘构成的转轮，从而能将水流动能高效转换为旋转机械能。
活动式折向板可根据转轮的需要，通过其传动部件将进入凹槽形叶片的部分高速射流折向后来调节进入转轮的流量。当水轮机需要紧急停机时，活动式折向板则可将进入转轮的全部高速射流迅速折向后，使水轮机在不受任何推动力的状态下能及时停机。当在对应于出射口的出口部位未装置活动式折向板时，设置在转动活门出水端的固定式折向板在转动活门完全关闭的同时可将从转动活门门缝中泄漏出的射流折向后，使水轮机同样在不受任何推 动力的状态下能及时停机。当转动活门或活动式折向板的动力装置出现故障时，在与其传动连接的重力或弹力机构的作用下转动活门或活动式折向板仍能可靠关闭。
当射流口内出现杂物卡阻现象时，可以将活门和顶板或底板连为一体结构的转动活门开度增大至清污开度后将杂物自动排除。
根据以上所述的构成情况及其工作原理和过程，该水轮机具有如下有益的效果和显著的进步：
1.该水轮机整体结构简单合理，各部件尤其是转动活门和凹槽形叶片及其引流板均具有优越的受力条件，使该水轮机具有安全可靠的性能。并且各部件制造装配难度小，极有利于该技术方案的实施。
2.该水轮机中，转动活门既能满足水流出射前对出射口内表面平滑的渐变形状及对称型的要求，又能满足水流出射时对出射口具有一定管嘴长度的要求，当其调节开度达到最大值时，出射口的出射形状便能形成完整的对称形状，使出射口能够按管嘴出射方式高效出射。因此，该出射口能够将水流压能在没有任何干扰的状况下高效转换为水流动能。
3.该水轮机中转动活门在加装密封件或其配合紧密的情况下无泄漏损失，出流口及与其相连的出射口不存在水流因改变流向而产生的水力损失。
4.该水轮机中，凹槽形叶片外端端面设置的引流板能够完全适应由转动活门等部件构成的矩形出射口射出的矩形截面高速射流的入水要求，并且使引流板和凹槽形叶片能够获得最佳入水角度；凹槽形叶片内端设置的引流板能将高速水流顺利引向凹槽另一侧，并且能够避免其前方凹槽形叶片及其外端引流板背面外侧在运转过程中对高速水流的排出带来的不利影响，从而使 高速水流能够获得最佳出水角度。因此，该转轮能够将水流动能在没有任何干扰的状况下高效转换为旋转机械能。
5.该水轮机中将数个该结构的出射口排列设置后，完全能够满足低水头大流量水流的入水要求。
6.该水轮机中两种不同形式的折向板均能使水轮机可靠停机，并且转动活门或折向板在动力装置出现故障时能依靠重力或弹力机构可靠关闭。
7.该水轮机在运行中出射口内出现杂物卡阻现象时，将转动活门与顶板或底板设置为一体结构时可将杂物自动排除，并且凹槽形的叶片及其引流板间不存在杂物卡阻现象，从而避免了因水轮机解体清污造成的所有发电损失。
根据以上所述的有益效果及显著的进步，该水轮机的运用使水轮发电机组的年发电量在原有基础上能够大幅提升。因此，该技术方案对现有各式低效水轮机的更新改造和继续开发利用以低水头大流量形式存在的丰富的水电资源提供了有利的技术条件。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是由转动活门、活动式折向板和凹槽形叶片及其引流板等部件组成的水轮机纵剖面结构图；
图2是图1中的E-E剖面图；
图3是图2中的F向视图；
图4是将转动活门与顶板设置为一体结构的出射口和凹槽形叶片及其引流板等部件组成的水轮机纵剖面结构图；
图5是图4中的A-A剖面图；
图6是图4中的B-B剖面图；
图7是将三个具有固定式折向板的出射口上下排列设置后与同一出流口相连接的出射装置和凹槽形叶片及其引流板等部件组成的水轮机纵剖面结构图；
图8是图7中的C-C剖面图；
图9是图8中的D向视图。
以上各图中的引用标记：1.压力引水室；2.出流口；3.活动式折向板；4.顶板；5.底板；6.侧板；7.出射口；8.接力器；9.接力器；10.转动活门；11.门轴；12.密封件；13.支撑板；14.检查清污口口盖；15.直线形轨道；16.拉板；17.固定式折向板；18.圆柱销；19.凹槽形叶片；20.主轴；21.机壳；22.泄水道；23.抗磨板；24.转轴；25.控制板；26.连扳；27.传动臂；28.弧线形轨道；29.轮毂；30.外端引流板；31.内端引流板；32.重力块；33.弹簧；34.齿轮传动机构；35.电机；36.传动轴；37.滑块；38.杠杆。
具体实施例
图1、图2和图3示出了本发明的第一个实施例。
如图所示：在压力引水室1的出水端连接有横截面形状为矩形的出流口2，出流口2的出水端固接有由顶板4、底板5及其两侧的侧板6构成的出射口7。在顶板4的出水端通过门轴11铰接装置有转动活门10，在转动活门10及门轴11的下方通过压板装置有覆盖其四周边缘的平板橡胶密封件12，在转动活门10出水端顶部铰接连接有接力器8，接力器8的另一端铰装在其支撑板13顶部的支撑件上，接力器8的压力输液管与调速器液压装置相连接。在顶板4的中部开设有检查清污口并设置有口盖14。在两侧板6及其上下部位分别设 置有直线形轨道15，并通过轨道15在两侧板6的外侧分别装置有能上下滑动的拉板16，在两拉板16对应于出射口7的出口部位固装有活动式折向板3，在两拉板16的顶部通过圆柱销18与接力器9传动连接，接力器9的另一端铰装在其支撑板13顶部的支撑件上，接力器9的压力输液管与液压装置相连接。在两拉板16下方的两侧板6之间装置有重力块32及其传动机构。在通过轴承按水平方向装置的主轴20上装置有由轮毂29和其外表面按圆周方向直接焊接设置的16对两侧间表面形状分别为凹槽形的叶片19构成的转轮。凹槽形叶片19的外端端面分别设置有外端引流板30，并且引流板30的进水部分顶端低于凹槽形叶片19的两侧边沿；引流板30的出水部分表面与进水部分表面间呈一夹角。凹槽形叶片19内端部位的内表面分别设置有内端引流板31，引流板31与叶片19的凹槽呈一夹角的形式布置，并且引流板31的顶端延伸至其前方凹槽形叶片的背面。将叶片19凹槽内表面的内侧部分与出射装置的出射口7相对应。在出射装置和转轮的下方设置有泄水道22，其上方及两侧设置有机壳21，泄水道22的底板表面设置有抗磨板23。
当压力水流从引水室1通过出流口2进入出射口7时，接力器8则可带动转动活门10转动使水流按所需流量射出出射口7，此时活动式折向板3则可通过接力器9上下移动后按转轮所需流量调节进入叶片19的射流流量，当转动活门10的开度达到最大调节开度时，出射口7和叶片19在没有任何干扰的状况下将水流压能高效转换为旋转机械能。
当水轮机需要紧急停机时，活动式折向板3可将进入叶片19的全部高速射流迅速折向后，使水轮机能够在不受任何推动力的况态下及时停机。
当液压装置因故障出现失压现象时，在发出停机信号并打开接力器9停 机腔排泄口的情况下，重力块32则会依靠其重力并通过其传动机构托起两拉板16使折向板3将高速射流全部折向后能可靠停机。
当射流口内出现杂物卡阻现象时，则可打开检查清污口盖14清除杂物。
图4、图5和图6示出了本发明的第二个实施例。
如图所示：在压力引水室的出水端连接有三个按水平方向依次排列的，相互间具有一定间距的，横截面形状均为矩形的出流口2，出流口2的出水端分别固接有由顶板4、底板5及其两侧的侧板6构成的出射口7。在顶板4的中部通过门轴11铰接装置有由活门和前段部分顶板4连为一体结构的转动活门10，在转动活门10上方两侧的侧板6之间设置有直线形轨道15，转动活门10出水端顶部通过按直线形轨道15上下滑动的滑块37铰接连接有齿轮传动机构34，齿轮传动机构34通过传动轴36与电机35传动连接，电机35轴的尾端设置有手轮。在两侧板6间装置有转轴24，转轴24的两端装置有两拉板16，在两拉板16对应于出射口7的出口部位固装有活动式折向板3，在两拉板16的顶部通过传动臂27与接力器8铰接连接，接力器8的压力输气管与气压装置相连接，在两拉板16下方的两侧板6之间装置有弹簧33及其传动机构。在通过轴承按水平方向装置的主轴20上依次装置有三个分别由轮毂29和其外表面按圆周方向分别直接焊接设置的16对两侧间表面形状分别为凹槽形的叶片19构成的转轮，在凹槽形叶片19的外端端面分别设置有平面形外端引流板30，其内端引流板分别由叶片凹槽下方内表面与凹槽呈垂直角度设置的引流板31和其上部轮毂29的外表面两部分组成，并将叶片19凹槽内表面的内侧部分与出射装置的出射口7相对应。在三组出射装置和转轮的下方设置有泄水道22，其上方及两侧设置有机壳21。
当压力水流从出流口2进入出射口7时，齿轮传动机构34或人工操作的手轮则可带动转动活门10转动使水流按所需出射流量射出出射口7，此时活动式折向板3则可通过接力器8来回转动后按转轮所需流量调节进入叶片19的射流流量。
当转动活门10的开度达到最大调节开度时，出射口7和叶片19在没有任何干扰的状况下能将水流压能高效转换为旋转机械能。
当水轮机需要紧急停机时，活动式折向板3则可将进入叶片19的全部高速射流迅速折向后，使水轮机能够在不受任何推动力的况态下及时停机。
当出现气压装置失去压力，电机失去电源及无人值班等故障情况时，弹簧33则会依靠其弹力并通过其传动机构托起两拉板16使折向板3将高速射流全部折向后能可靠停机。
当射流口内出现杂物卡阻现象时，则可将转动活门10的开度增大至排污开度后将杂物自动排出。
图7、图8和图9示出了本发明的第三个实施例。
如图所示：在压力引水室的出水端连接有四个按水平方向依次排列的，相互间具有一定间距的，横截面形状均为矩形的出流口2。将分别由顶板4、底板5及其两侧的侧板6及转动活门10构成的三个出射口7上下按圆周方向排列设置为一体结构后分别与其各自对应的同一出流口2相连接。转动活门10由活门和前段部分顶板4设置为一体结构，在转动活门10上方的两侧板6上分别设置有弧线形轨道28，轨道28内分别装置有与转动活门10出水端顶部通过控制板25传动连接的转轴24，最顶部转轴24与传动臂27之间和转轴24之间分别通过连扳26铰接连接，传动臂27的顶部与接力器8铰接连接， 接力器8的压力输液管与调速器液压装置相连接。转动活门10的出水端前方分别设置有固定式折向板17。在两侧板6的前端顶部设置有圆柱销18，圆柱销18位于两侧板6的外侧分别设置有杠杆38，杠杆38的另一端分别设置有重力块32，并将两杠杆38分别作用于最顶部转轴24的两端。在通过轴承按水平方向装置的主轴20上依次装置有四个分别由轮毂29和其外表面按圆周方向分别直接焊接设置的16对两侧间表面形状分别为凹槽形的叶片19构成的转轮，凹槽形叶片19的外端端面分别设置有平面形外端引流板30，其凹槽内端的内表面分别设置有内端引流板31，引流板31与叶片19凹槽的纵向方向呈垂直角度形式布置；与叶片19凹槽的横向方向呈一夹角形式布置，并将引流板31的顶端延伸至其前方凹槽形叶片的背面。将与同一出流口2相连接的三个出射口7分别与其各自对应的转轮的叶片19凹槽内表面的内侧部分相对应。在四组出射装置和转轮的下方设置有泄水道22，其上方及两侧设置有机壳21。
当压力水流从出流口2进入出射口7时，接力器8通过传动臂27及连扳26带动三个转轴24在弧线形轨道28内来回滑动使三个转动活门10能够同时调节出射口7的出射流量大小，此时由三个出射口7射出的高速射流分别射向同一转轮中其各自对应的叶片19凹槽内表面的内侧部分。
当水轮机需要紧急停机时，接力器8则可使转动活门10完全关闭，并且设置在转动活门10前方的固定式折向板17在转动活门10完全关闭时，将从转动活门10门缝中泄漏出的射流完全折向后，使转轮在不受任何推动力的况态下能够可靠停机。
当液压装置出现故障现象时，重力块32则会依靠其重力并通过杠杆38 关闭三个转动活门10后能及时停机。
当射流口内出现杂物卡阻现象时，则可将转动活门10的开度增大至排污开度后将杂物自动排出。

Claims (11)

  1. 一种冲击型水轮机由出射装置和转动装置两部分组成，出射装置包括压力引水室及其一个或数个出流口，与出流口相连接的分别由底板、顶板及其两侧的侧板构成的出射口，并且包括与调速器或动力装置相连接的传动部件，以及与传动部件传动连接的设置在出射口出口部位的活动式折向板等部件；转动装置包括主轴、轴承及其联轴器，装置在主轴上的一个或数个轮盘或轮毂，以及数个两侧间表面形状为凹槽形的叶片等部件，其特征在于：在出射口的顶板或底板的出水端铰装转动活门，并将转动活门与传动部件传动连接；在轮盘或轮毂外表面按圆周方向直接设置数个两侧间表面形状为凹槽形的叶片，在凹槽形叶片的外端端面分别设置外端引流板，凹槽形叶片的内端分别设置内端引流板，并将叶片凹槽内表面的一侧部分与出射装置的出射口相对应。
  2. 根据权利要求1所述的冲击型水轮机，其特征还在于：转动活门还可以是活门和顶板或底板连为一体的结构。
  3. 根据权利要求1所述的冲击型水轮机，其特征还在于：在转动活门的出水端前方还可以设置固定式折向板。
  4. 根据权利要求1所述的冲击型水轮机，其特征还在于：将数个具有转动活门的出射口还可以排列设置后与同一出流口相连接。
  5. 根据权利要求1所述的冲击型水轮机，其特征还在于：外端引流板还可以是引流板的进水部分顶端低于凹槽形叶片的两侧边沿。
  6. 根据权利要求1所述的冲击型水轮机，其特征还在于：外端引流板还可以是引流板的出水部分表面与进水部分表面间呈一夹角。
  7. 根据权利要求1所述的冲击型水轮机，其特征还在于：内端引流板还可 以设置在叶片凹槽内端部位的内表面。
  8. 根据权利要求1所述的冲击型水轮机，其特征还在于：内端引流板还可以与叶片的凹槽呈垂直角度或某一夹角的形式布置。
  9. 根据权利要求1所述的冲击型水轮机，其特征还在于：内端引流板的顶端还可以延伸至其前方凹槽形叶片的背面。
  10. 根据权利要求1所述的冲击型水轮机，其特征还在于：内端引流板还可以是轮毂外表面。
  11. 根据权利要求1、2或3所述的冲击型水轮机，其特征还在于：转动活门或活动式折向板还可以与重力或弹力机构传动连接。
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