低水頭豎井貫流雙向高效水輪機轉輪及其機電裝置和配套流道的製作方法

2023-07-24 04:57:06

專利名稱：低水頭豎井貫流雙向高效水輪機轉輪及其機電裝置和配套流道的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種低水頭豎井貫流雙向高效水輪機轉輪及其機電裝置和配套流道，屬於能源利用技術領域。
背景技術：
目前，隨著世界各國的高水頭水力資源逐漸開發罄盡，各國都不約而同地把目光轉向了低水頭水力資源，如海洋潮汐能。進入21世紀後，由於受石油價格大幅上漲的影響和二氧化碳減排的壓力，潮汐能作為一種潔淨可再生能源而再次被世界各國所重視。潮汐發電是利用潮水漲、落產生的水位差所具有勢能來發電，將海水漲、落潮的能量變為機械能轉變為電能(發電)的過程。具體是在海灣或有潮汐的河口建一攔水堤壩，將海灣或河口與海洋隔開構成水庫，再在壩內或壩房安裝水輪發電機組，然後利用潮汐漲落時海水位的升降，使海水通過輪機轉動水輪發電機組發電。由於潮汐發電水頭比較低，主要採用貫流式水輪機。豎井貫流式機組在我國只有數量極少的小容量機組在運行，其主要原因是對豎井貫流式機組的流道設計、機組總體的結構型式、增速器的連接方式及雙調結構的受油器布置如何解決等關鍵技術缺乏深入的研究、設計，致使這種結構簡單、安裝、維護方便，水力性能優良，造價便宜(比燈泡貫流式機組造價低20% 60%)的豎井貫流式機組未能得到開發、推廣使用。因此，開展新型豎井貫流式水輪發電機組研究，降低潮汐電站建設與運營成本，促進潮汐電站發展，任務迫切，意義深遠。

發明內容
本發明針對上述問題的不足，提出一種水輪機能雙向工作，且有較好的能量轉換性能同時造價低的低水頭豎井貫流雙向高效水輪機轉輪。本發明為解決上述技術問題提出的技術方案是:一種低水頭豎井貫流雙向高效水輪機轉輪，包括轉輪輪轂、洩水錐，所述轉輪輪轂沿周向均勻設置有多個截面為對稱翼型的葉片，而轉輪輪轂的洩水一側安裝洩水錐；所述葉片的形狀為中間厚兩邊薄，且葉片最小厚度匕與最大厚度b2之比為0.28 0.35，同時葉片的翼形彎曲角在90° 95°之間；所述葉片初始安放角為66°，調整值在±3°之間。優選的:所述葉片為沿轉輪輪轂沿周向均勻分布設置的三個對稱翼型的葉片。優選的:所述轉輪高度h與水輪機直徑d的比值為0.26，轉輪輪轂的直徑Clci和水輪機直徑d的比值為0.35。優選的:所述轉輪轉速速度為200-300轉/分鐘。一種基於上述所述低水頭豎井貫流雙向高效水輪機轉輪的機電裝置，包括發電機、活動導葉、主軸和水輪機，所述主軸依次連接著水輪機、發電機，將水輪機的機械能傳遞給發電機；所述轉輪安裝在水輪機出水一側，而活動導葉安裝在位於轉輪進水一側的水輪機進口前；所述水輪機與發電機之間設置有增速器。
一種基於上述所述低水頭豎井貫流雙向高效水輪機轉輪的配套機電的配套流道，所述流道包括進水段、豎井段、導葉段、轉輪段、尾水管段四個部分組成；所述發電機和增速器布置在豎井裡面；所述活動導葉布置在導葉段，安裝在位於轉輪進水一側的水輪機進口前；所述主軸連接著水輪機、增速器、發電機，將水輪機的機械能傳遞給增速器和發電機；所述所述水輪機設置在轉輪段中的轉輪室內；所述轉輪安裝在水輪機的主軸末端。本發明的工作原理:本發明適用於雙向潮汐發電電站。在漲潮開始後，外海潮水位與庫水位接近相等時關閉水閘。隨著潮水位上升，形成外高內低的落差，當水頭超過水輪機允許最低工作水頭時，水輪機投入運行，開始發電，此時水流由外海流向水庫，使庫水位上升，但潮水上升較快，故工作水頭也不斷增加，直至高潮時刻。退潮時候，潮位下降，庫水位位於高水位，水頭落至水輪機允許最低的工作水頭，水輪機停止發電。這種潮汐電站的主要優點是，除水庫內外水位相平外，不管在漲潮還是在落潮時均能發電，其發電的時間和發電量都比單向潮汐電站多，能夠比較充分地利用潮汐能量。兩次發電水流方向相反，要求水輪機能雙向工作，並且水輪機的正反向工作都能有較好的能量轉換性能，獲得儘可能多的潮汐能，提高潮汐能的利用率，提高潮汐電站的效益。本發明的低水頭豎井貫流雙向高效水輪機轉輪及其機電裝置和配套流道，相比現有技術，具有以下優點:1.由於水輪機的葉片採用對稱翼型，因此在水流正反向不同工況都可以發電並且其能量轉換性能高。並且由於水輪機設置成能夠雙向工作，因此除水庫內外水位相平外，不管在漲潮還是在落潮時均能發電，其發電的時間和發電量都比單向潮汐電站多，能夠比較充分地利用潮汐能量。兩次發電水流方向相反，要求水輪機能雙向工作，並且水輪機的正反向工作都能有較好的能量轉換性能，獲得儘可能多的潮汐能，提高潮汐能的利用率，提高潮汐電站的效益。在實際工作中轉輪能量轉換效率在正反向發電時候達到80%以上。在水頭為2米時，在正向發電時，轉輪最優效率為88%，在反向發電時轉輪的最優效率為81.5%。同時在水電站開發整體造價相對便宜，本發明所公開的轉輪比目前比較常用的燈泡貫流式機組造價低20% 60%。2.由於葉片初始安放角為66°，調整值在-3° 3°之間，因此轉輪可以根據水頭和流量的變化改變葉片安放角，以滿足合適的運行工況，保證機組在高效率區運行，在設計工況下，正反向能量轉換效率都能達到80%以上，正向發電時，轉輪最優效率為88%，反向發電時轉輪的最優效率為81.5%。3.由於在所述水輪機和發電機之間設置有增速器，·因此減少發電機的體積和造價成本，同時也減少了土石方工程的開挖量。


附圖1 一雙向豎井貫流式水輪機二維流道模型圖，其中圖1(b)是I (a)的俯視圖； 附圖2 —雙向豎井貫流式水輪機三維流道模型 附圖3 —轉輪三維模型圖,其中圖3(b)是3圖(a)的右視 附圖4 一轉輪葉片安放角C0);
附圖5 —轉輪葉片模型及葉片截面圖(垂直放置)；
附圖6 —轉輪葉片模型及葉片截面圖(水平放置)，其中圖6 (a)是轉輪葉片模型的三維模型圖，圖6(b)是6(a)7個截面上翼型空間型線FfF7，圖6 (c)是6(b)其中四個截面上翼型空間型線，圖6(d)是6(b)其中三個截面上翼型空間型線；其中:1為進水段，2為豎井段，3為導葉段，4為活動導葉5為尾水管段，6-主軸，7-活動導葉，8-轉輪，9發電機，10-變速齒輪箱，21-豎井段流道，22-豎井，51-尾水管直錐段，52-尾水管擴散段，53-尾水管出口，81-葉片，82-轉輪輪轂，83-洩水錐。
具體實施例方式附圖非限制性地公開了本發明一個優選實施例的結構示意圖，以下將結合附圖詳細地說明本發明的技術方案。
實施例
本實施例的雙向潮汐發電電站如圖1-6所示，一種低水頭豎井貫流雙向高效水輪機轉輪，包括轉輪輪轂、洩水錐，所述轉輪輪轂沿周向均勻設置有多個截面為對稱翼型的葉片，而轉輪輪轂的洩水一側安裝洩水錐；所述葉片的形狀為中間厚兩邊薄，且葉片最小厚度bl與最大厚度b2之比為0.28 0.35，同時葉片的翼形彎曲角在90° 95°之間；所述葉片初始安放角為66°，調整值在土3°之間。所述葉片為沿轉輪輪轂沿周向均勻分布設置的三個對稱翼型的葉片。所述轉輪高度h與水輪機直徑d的比值為0.26，轉輪輪轂直徑Cltl和水輪機直徑d的比值為0.35。所述轉輪轉速速度為200-300轉/分鐘。如附圖5、6分別為轉輪葉片的垂直和水平放置的模型及葉片截面圖，葉片是的上下表面是由兩個空間扭曲面，工程上採用木模圖來表達水輪機轉輪葉片，控制葉片的加工精度和測量精度。一種基於上述所述低水頭豎井貫流雙向高效水輪機轉輪的機電裝置，如圖1、2所示，包括發電機、活動導葉、主軸和水輪機，所述主軸依次連接著水輪機、發電機，將水輪機的機械能傳遞給發電機；所述轉輪安裝在水輪機出水一側，而活動導葉安裝在位於轉輪進水一側的水輪機進口前；所述水輪機與發電機之間設置有增速器。一種基於上述所述低水頭豎井貫流雙向高效水輪機轉輪的配套機電的配套流道，如圖1、2所示，所述流道包括進水段、豎井段、導葉段、轉輪段、尾水管段四個部分組成；所述發電機和增速器布置在豎井裡面；所述活動導葉布置在導葉段，安裝在位於轉輪進水一側的水輪機進口前；所述主軸連接著水輪機、增速器、發電機，將水輪機的機械能傳遞給增速器和發電機；所述所述水輪機設置在轉輪段中的轉輪室內；所述轉輪安裝在水輪機的主軸末端。本發明的工作原理:本發明適用於雙向潮汐發電電站。在漲潮開始後，外海潮水位與庫水位接近相等時關閉水閘。隨著潮水位上升，形成外高內低的落差，當水頭超過水輪機允許最低工作水頭時，水輪機投入運行，開始發電，此時水流由外海流向水庫，使庫水位上升，但潮水上升較快，故工作水頭也不斷增加，直至高潮時刻。退潮時候，潮位下降，庫水位位於高水位，水頭落至水輪機允許最低的工作水頭，水輪機停止發電。如附圖2所示，在正向發電時，水流從豎井段流向尾水管段，通過水輪機時水流帶動轉輪旋轉，將水流的動能轉換為機械能，再通過發電機將機械能轉換為電能，反向發電時水流方向相反。上面結合附圖所描述的本發明優選具體實施例僅用於說明本發明的實施方式，而不是作為對前述發明目的和所附權利要求內容和範圍的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例 所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發明技術和權利保護範疇。
權利要求
1.一種低水頭豎井貫流雙向高效水輪機轉輪，其特徵在於:包括轉輪輪轂、洩水錐，所述轉輪輪轂沿周向均勻設置有多個截面為對稱翼型的葉片，而轉輪輪轂的洩水一側安裝洩水錐；所述葉片的形狀為中間厚兩邊薄，且葉片最小厚度bi與最大厚度b2之比為0.28 0.35，同時葉片的翼形彎曲角在90° 95°之間；所述葉片初始安放角為66°，調整值在+3°之間。
2.根據權利要求1所述低水頭豎井貫流雙向高效水輪機轉輪，其特徵在於:所述葉片為沿轉輪輪轂沿周向均勻分布設置的三個對稱翼型的葉片。
3.根據權利要求2所述低水頭豎井貫流雙向高效水輪機轉輪，其特徵在於:所述轉輪高度h與水輪機直徑d的比值為0.26，轉輪輪轂的直徑d0和水輪機的直徑d的比值為0.35。
4.根據權利要求4所述雙向潮汐發電電站，其特徵在於:所述轉輪轉速速度為200-300轉/分鐘。
5.一種基於權利要求1所述低水頭豎井貫流雙向高效水輪機轉輪的機電裝置，其特徵在於:包括發電機、活動導葉、主軸和水輪機，所述主軸依次連接著水輪機、發電機，將水輪機的機械能傳遞給發電機；所述轉輪安裝在水輪機出水一側，而活動導葉安裝在位於轉輪進水一側的水輪機進口前；所述水輪機與發電機之間設置有增速器。
6.一種基於權利要求5所述低水頭豎井貫流雙向高效水輪機轉輪的配套機電的配套流道，其特徵在於:所述流道包括進水段、豎井段、導葉段、轉輪段、尾水管段四個部分組成；所述發電機和增速器布置在豎井裡面；所述活動導葉布置在導葉段，安裝在位於轉輪進水一側的水輪機進口前；所述主軸 連接著水輪機、增速器、發電機，將水輪機的機械能傳遞給增速器和發電機；所述所述水輪機設置在轉輪段中的轉輪室內；所述轉輪安裝在水輪機的王軸末端。
全文摘要
本發明涉及一種低水頭豎井貫流雙向高效水輪機轉輪及其機電裝置和配套流道，包括流道和機電部分，所述流道包括進水段、豎井段、導葉段、轉輪段、尾水管段四個部分組成；所述機電部分主要包括發電機、增速器、活動導葉、主軸和水輪機，所述轉輪由葉片、轉輪輪轂、洩水錐三部分組成，而所述轉輪輪轂沿周向均勻設置有多個截面為對稱翼型的葉片；所述葉片的形狀為中間厚兩邊薄，且葉片最小厚度b1與最大厚度b2之比為0.28～0.35，同時葉片的翼形彎曲角在90°～95°之間，而所述葉片初始安放角為66°，調整值在+3°之間間。本發明不僅能雙向工作，而且有較好的能量轉換性能，同時造價更低。
文檔編號F03B11/00GK103233846SQ20121051130
公開日2013年8月7日 申請日期2012年12月4日 優先權日2012年12月4日
發明者葛新峰, 鄭源, 楊春霞, 周大慶, 吳在強 申請人:河海大學