一種阻力型水輪機(jī)及水力發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水力發(fā)電技術(shù)，具體涉及一種阻力型水輪機(jī)及水力發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]全球化石燃料儲(chǔ)備的枯竭與日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，使得人們不得不重點(diǎn)發(fā)展適宜生態(tài)環(huán)境的可再生替代能源。水能的清潔性、可再生性及其大規(guī)模應(yīng)用技術(shù)的成熟，使水力發(fā)電成為技術(shù)最成熟、最具開(kāi)發(fā)條件和最有發(fā)展前景的清潔發(fā)電方式。目前我國(guó)的水電開(kāi)發(fā)方式主要是筑壩蓄水，增加水的勢(shì)能，提高水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是，這種水電開(kāi)發(fā)方式對(duì)環(huán)境有一定的破壞，而且需要移民，前期投資大。
[0003]公開(kāi)號(hào)為CN 102878007A的中國(guó)專利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種超大型水力發(fā)電站，該超大型水力發(fā)電站雖然也無(wú)需筑壩，但是，該超大型水力發(fā)電站還存在一些問(wèn)題:其水輪機(jī)的葉片為平板狀，水能利用率較低；葉片根部的強(qiáng)度與外沿一致，易從根部折斷；發(fā)電平臺(tái)與水輪機(jī)的高度隨著水位的變化而變化，運(yùn)行中軸系的振動(dòng)較大，易引起系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，以至系統(tǒng)損壞;其功率調(diào)節(jié)通過(guò)葉片的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于河流的清潔性要求較高，不能有過(guò)多的雜質(zhì)出現(xiàn)，否則會(huì)影響其葉片的運(yùn)轉(zhuǎn)以及高度變化裝置，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)茐娜~片。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述問(wèn)題，提供一種水能利用率高、葉片強(qiáng)度好、運(yùn)行中軸系的振動(dòng)小、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)河流水質(zhì)要求低、對(duì)水位變化適應(yīng)性好的阻力型水輪機(jī)及水力發(fā)電系統(tǒng)。
[0005]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種阻力型水輪機(jī)，包括所述轉(zhuǎn)輪體，所述轉(zhuǎn)輪體的外壁上設(shè)有均勻布置的多個(gè)弧形葉片，所述弧形葉片沿著轉(zhuǎn)輪體的軸線方向平行布置，所述弧形葉片的厚度從靠近轉(zhuǎn)輪體側(cè)的根部向端部逐漸減少。
[0006]優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)輪體的上方設(shè)有擋流罩，所述擋流罩的中部裝設(shè)有流量調(diào)節(jié)裝置，所述流量調(diào)節(jié)裝置將擋流罩分割為位于阻力型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪體上側(cè)的弧形罩和位于阻力型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪體前側(cè)的導(dǎo)流斜板，且所述導(dǎo)流斜板的高度和弧形罩之間的高度比值為1.5:1ο
[0007]優(yōu)選地，所述流量調(diào)節(jié)裝置包括殼體、閘門體、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制模塊和流速傳感器，所述閘門體的上端設(shè)有螺旋桿，所述閘門體的下側(cè)形成所述阻力型水輪機(jī)的進(jìn)水通道，所述螺旋桿和殼體螺紋連接，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)輸出端通過(guò)減速機(jī)構(gòu)和螺旋桿相連，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制端、流速傳感器的輸出端分別和控制模塊相連。
[0008]優(yōu)選地，所述導(dǎo)流斜板的最低端位置和轉(zhuǎn)輪體的軸心位于同一水平面上。
[0009]優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)輪體的外壁上設(shè)有弧形葉片的數(shù)量為六片，所述弧形葉片的安裝角度β為60°、葉片弧度α為60°。
[0010]優(yōu)選地，所述弧形葉片的弦長(zhǎng)L與轉(zhuǎn)輪體的直徑的比值為4:1，所述弧形葉片的寬度與弦長(zhǎng)L的比值為2:1，所述弧形葉片端部的厚度和根部的厚度比值為0.05:1?0.1:1。
[0011]一種阻力型水力發(fā)電系統(tǒng)，包括發(fā)電機(jī)和相對(duì)布置的兩面導(dǎo)流墻，所述兩面導(dǎo)流墻之間設(shè)有前述的阻力型水輪機(jī)，所述兩面導(dǎo)流墻之間位于阻力型水輪機(jī)的下方設(shè)有導(dǎo)流底板，所述導(dǎo)流底板由沿著水流方向依次布置的上游澆筑平面、流線型曲面和下游澆筑平面組成，所述上游澆筑平面位于流量調(diào)節(jié)裝置的上游側(cè)，所述流線型曲面位于轉(zhuǎn)輪體的下側(cè)，且所述流線型曲面的高度從流量調(diào)節(jié)裝置下游側(cè)開(kāi)始逐漸降低并在轉(zhuǎn)輪體的正下方達(dá)到最低點(diǎn)，所述流線型曲面的最低點(diǎn)與流量調(diào)節(jié)裝置的殼體最低點(diǎn)之間的垂直高度為所述轉(zhuǎn)輪體直徑的1?2倍，所述阻力型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪體兩端各通過(guò)軸承安裝固定于一面導(dǎo)流墻上，所述發(fā)電機(jī)安裝在導(dǎo)流墻一側(cè)的河岸的洞槽內(nèi)，且所述發(fā)電機(jī)通過(guò)主軸和阻力型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪體相連。
[0012]優(yōu)選地，所述導(dǎo)流墻沿水流方向依次由聚攏弧形導(dǎo)流墻、平直導(dǎo)流墻和擴(kuò)散弧形導(dǎo)流墻連接組成，所述兩面導(dǎo)流墻的聚攏弧形導(dǎo)流墻之間形成從大變小的喇叭狀入水口，所述兩面導(dǎo)流墻的平直導(dǎo)流墻之間相互平行布置，所述兩面導(dǎo)流墻的擴(kuò)散弧形導(dǎo)流墻之間形成從小變大的喇叭狀出水口，所述聚攏弧形導(dǎo)流墻、平直導(dǎo)流墻和擴(kuò)散弧形導(dǎo)流墻三者在水流方向的直線距離均為阻力型水輪機(jī)的直徑D的1.1倍，所述聚攏弧形導(dǎo)流墻、平直導(dǎo)流墻和擴(kuò)散弧形導(dǎo)流墻三者的高度為阻力型水輪機(jī)的直徑D的1.5?2倍。
[0013]優(yōu)選地，所述兩面導(dǎo)流墻靠進(jìn)水側(cè)的一端設(shè)有攔污柵。
[0014]優(yōu)選地，所述主軸外側(cè)設(shè)有剎車裝置，所述剎車裝置的控制端和控制模塊相連。
[0015]本發(fā)明的阻力型水輪機(jī)具有下述優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明轉(zhuǎn)輪體的外壁上設(shè)有均勻布置的多個(gè)弧形葉片，弧形葉片沿著轉(zhuǎn)輪體的軸線方向平行布置，弧形葉片的厚度從靠近轉(zhuǎn)輪體側(cè)的根部向端部逐漸減少，自由水流沖擊到阻力型水輪機(jī)的葉片時(shí)，水流的動(dòng)量矩發(fā)生變化，從而產(chǎn)生作用在轉(zhuǎn)輪葉片上的力，形成對(duì)主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)做功。做功后的水流以很小的速度離開(kāi)葉片而流向下游。弧形葉片有利于增大水流對(duì)葉片的作用力，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明，弧形葉片的能量轉(zhuǎn)換率是平板葉片1.45倍，具有水能利用率高、葉片強(qiáng)度好、運(yùn)行中軸系的振動(dòng)小、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)河流水質(zhì)要求低的優(yōu)點(diǎn)。
[0016]2、本發(fā)明進(jìn)一步在轉(zhuǎn)輪體的上方設(shè)有擋流罩，擋流罩的中部裝設(shè)有流量調(diào)節(jié)裝置，流量調(diào)節(jié)裝置將擋流罩分割為位于阻力型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪體上側(cè)的弧形罩和位于阻力型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪體前側(cè)的導(dǎo)流斜板，因此能夠在不同水位季節(jié)調(diào)節(jié)弧形葉片的進(jìn)水量，具有對(duì)水位變化適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)。
[0017]本發(fā)明的阻力型水力發(fā)電系統(tǒng)包括本發(fā)明的阻力型水輪機(jī)，因此同樣也具有水能利用率高、葉片強(qiáng)度好、運(yùn)行中軸系的振動(dòng)小、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)河流水質(zhì)要求低、對(duì)水位變化適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)低落差的水力發(fā)電，因此可以直接布置在河道上進(jìn)行發(fā)電，不建壩、不移民、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝維護(hù)且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。而且，本發(fā)明的阻力型水力發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)兩面導(dǎo)流墻之間設(shè)有前述的阻力型水輪機(jī)，阻力型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪體兩端各通過(guò)軸承安裝固定于一面導(dǎo)流墻上，發(fā)電機(jī)通過(guò)主軸和阻力型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪體相連，通過(guò)兩面導(dǎo)流墻的引導(dǎo)集聚水流，使得水流能夠更加集中地作用在阻力型水輪機(jī)的弧形葉片上，從而能夠更好地實(shí)現(xiàn)低落差的水力發(fā)電；此外本發(fā)明在轉(zhuǎn)輪體的下方設(shè)有前高后低的流線型導(dǎo)流底板，使進(jìn)入阻力型水輪機(jī)的動(dòng)能增加、流出阻力型水輪機(jī)的動(dòng)能減少，能夠提高阻力型水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換率;本發(fā)明的發(fā)電機(jī)安裝在導(dǎo)流墻一側(cè)的河岸的洞槽內(nèi)，且不會(huì)影響水流特性，也不容易被水打濕，安裝維護(hù)方便。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明實(shí)施例阻力型水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2為本發(fā)明實(shí)施例阻力型水輪機(jī)攔污柵側(cè)的局部剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3為本發(fā)明實(shí)施例阻力型水力發(fā)電系統(tǒng)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021 ]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中轉(zhuǎn)輪體及其弧形葉片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖例說(shuō)明:1、轉(zhuǎn)輪體；11、弧形葉片；12、軸承；13、法蘭;2、擋流罩;21、弧形罩;22、導(dǎo)流斜板;3、流量調(diào)節(jié)裝置;31、殼體;32、閘門體;321、螺旋桿;33、驅(qū)動(dòng)電機(jī);34、控制模塊；35、流速傳感器;4、發(fā)電機(jī);41、主軸;42、剎車裝置;5、導(dǎo)流墻;51、聚攏弧形導(dǎo)流墻;52、平直導(dǎo)流墻;53、擴(kuò)散弧形導(dǎo)流墻;54、攔污柵;6、導(dǎo)流底板;61、上游澆筑平面;62、流線型曲面；63、下游澆筑平面。
【具體實(shí)施方式】
[0023]如圖1、圖2和圖3所示，本實(shí)施例的阻力型水輪機(jī)包括轉(zhuǎn)輪體1，轉(zhuǎn)輪體1的外壁上設(shè)有均勻布置的多個(gè)弧形葉片11，弧形葉片11沿著轉(zhuǎn)輪體1的軸線方向平行布置，弧形葉片11的厚度從靠近轉(zhuǎn)輪體1側(cè)的根部向端部逐漸減少，弧形葉片11有利于增大水流對(duì)葉片的作用力，在工作狀態(tài)下弧形葉片11因阻擋水流流動(dòng)而受到水流的作用力，從而形成與水流方向一致的合力矩，該力矩推動(dòng)轉(zhuǎn)輪體1旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明，弧形葉片11的能量轉(zhuǎn)換率是平板葉片1.45倍，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用成本低、整體占用空間小的優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)施例的阻力型水輪機(jī)的材料一般可以根據(jù)尺寸大小確定，例如轉(zhuǎn)輪直徑2米以上采用合金鋼;直徑2米以下，可采用復(fù)合材料，可利用3D打印技術(shù)直接整體打印。
[0024]如圖1、圖2和圖3所示，轉(zhuǎn)輪體1的上方設(shè)有擋流罩2，擋流罩2減少水流在轉(zhuǎn)輪上部形成阻力矩，擋流罩2的中部裝設(shè)有流量調(diào)節(jié)裝置3，流量調(diào)節(jié)裝置3用于適應(yīng)負(fù)荷變化需求，流量調(diào)節(jié)裝置3將擋流罩2分割為位于阻力型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪體1上側(cè)的弧形罩21和位于阻力型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪體1前側(cè)的導(dǎo)流斜板22，前半部的導(dǎo)流斜板22把水流往下引，后半部的弧形罩21把轉(zhuǎn)輪體1的上半部分罩住，使水流不進(jìn)入轉(zhuǎn)輪體1的上半部，以消除水流對(duì)轉(zhuǎn)輪體1上半部轉(zhuǎn)輪形成的阻力矩，阻力型水輪機(jī)的發(fā)電功率可以通過(guò)流量調(diào)節(jié)裝置3來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷變化需求，因此可以根據(jù)負(fù)荷需求調(diào)節(jié)流量，可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)濟(jì)效益可觀。
[0025]如圖1和圖3所示，流量調(diào)節(jié)裝置3包括殼體31、閘門體32、驅(qū)動(dòng)電機(jī)33、控制模塊34和流速傳感器35，閘門體32的上端設(shè)有螺旋桿321，閘門體32的下側(cè)成阻力型水輪機(jī)的進(jìn)水通道，螺旋桿321和殼體31螺紋連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)33的驅(qū)動(dòng)輸出端通過(guò)減速機(jī)構(gòu)和螺旋桿321相連，驅(qū)動(dòng)電機(jī)33的控制端、流速傳感器35的輸出端分別和控制模塊34相連。本實(shí)施例中，殼體31中設(shè)有滑槽，用于使得閘門體32上下移動(dòng)，需要說(shuō)明的是，殼體31既可以是擋流罩2中的一部分，也可以做成獨(dú)立的結(jié)構(gòu)體并安裝到擋流罩2上;流速傳感器35安裝在轉(zhuǎn)輪體1前0.3m處，控制模塊34則用于根據(jù)流速傳感器35輸出的水流速度的流程控制閘門體32的高度，進(jìn)而控制阻力型水輪機(jī)的進(jìn)水流量，由于該控制方法為常規(guī)的閉環(huán)控制方法，故在此不再贅述。
[0026]本實(shí)施例中，導(dǎo)流斜板22的最低端位置和轉(zhuǎn)輪體1的軸心位于同一水平面上，且導(dǎo)流斜板22的高度和弧形罩21之間的高度比值為1.5:1，通過(guò)該結(jié)構(gòu)能夠確保導(dǎo)流斜板22具有最佳的導(dǎo)流效果。
[0027]如圖4所示，轉(zhuǎn)輪體1的外壁上設(shè)有弧形葉片11的數(shù)量為六片，弧形葉片11的安裝角度β(參見(jiàn)圖4)為60°、葉片弧度α(參見(jiàn)圖4)為60°，通過(guò)上述結(jié)構(gòu)，確保轉(zhuǎn)輪體1外壁上設(shè)有的多片弧形葉片11能夠