一种悬挂式水轮低水头尾水发电系统 |
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| 申请号 | CN201711163975.6 | 申请日 | 2017-11-21 | 公开(公告)号 | CN107747526B | 公开(公告)日 | 2024-05-14 |
| 申请人 | 顾坚毅; 顾云骥; | 发明人 | 顾坚毅; 顾云骥; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种悬挂式 水 轮低 水头 尾水发电系统，包括 支撑 柱，支撑柱的顶部安装有 钢 桁架承载梁，钢桁架承载梁底部安装设备 基板 ，设备基板安装发 电机 组， 发电机组 包括 齿轮 箱、发电机、固定悬臂和活动悬臂等，活动悬臂向下悬挂连接水轮总成，水轮总成迎水面前方安装浮动型导流水栅，活动悬臂朝向水流安装有流量调节器，流量调节器包括上臂、下臂、上下活动拉杆和流量调节板。本发明优点是采用悬挂式水轮设计，可适应大坝型 水电 站尾水渠环境或其它复杂的江河流河床环境，特别设计的新型水轮总成和水栅，可充分采集水能使之转化为机械能及 电能 ，特别设计的转速机械 自动调节 与电动调节相结合方式，可有效控制尾水流速和流量，进而保证发电机的额定转速。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种悬挂式水轮低水头尾水发电系统，其特征在于：包括支撑柱，所述支撑柱的顶部安装有钢桁架承载梁，所述钢桁架承载梁上部内侧安装有起重行车，所述钢桁架承载梁底部安装有设备基板，所述设备基板安装有发电机组，所述发电机组包括安装在设备基板上的固定悬臂，所述固定悬臂设有可沿其上下移动的活动悬臂；所述活动悬臂悬挂连接有水轮总成，所述水轮总成包括水轮主轴以及与水轮主轴固定套接的叶片座，在所述叶片座的外圆面上周向均布有一组叶片，所述叶片沿叶片座轴向延伸，所述水轮主轴穿过安装在活动悬臂上的轴承座与伞型传动齿轮组连接，所述伞型传动齿轮组与键齿型动力传递轴连接，所述键齿型动力传递轴与增速齿轮箱连接，所述增速齿轮箱与发电机连接；所述活动悬臂朝向水流安装有流量调节器，所述流量调节器包括安装在固定悬臂上的上臂和安装在活动悬臂上的下臂，所述下臂与上下活动拉杆的下部连接，所述上臂制有通孔，所述上下活动拉杆的上部穿过通孔与上臂活动连接，所述上下活动拉杆的下端通过联轴器与位于下臂下端迎水面的流量调节板连接。 |
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| 说明书全文 | 一种悬挂式水轮低水头尾水发电系统技术领域背景技术[0002] 我国自然地理为西高东低，江河在崇山峻岭中绵延数千里，落差极大，拥有极为丰富的水力资源。大力发展绿色、环保、可再生能源是国家高度重视、积极支持的能源战略。国家高度重视水电建设，近几十年来，修建了46700多座大小不同的大坝型水电站。然而，大坝型电站的负面效应是严重影响了原始自然生态环境。从客观上讲，目前可利用的大坝电站选址资源业已基本枯竭。因此，国家对新建大坝型电站严格控制。另外，由于大坝电站会严重影响自然生态环境，如何在不建大坝型电站的条件上发展低水头新型水电站，已成为新形势下开发水电的必然方向和重要趋势。 [0003] 据申请人了解，大坝型电站多采用高水头形式发电，而大坝型电站的副产品——发电后的大量尾水被直接排放，这样极其宝贵的水能资源被白白浪费。尾水同样蕴含巨大的、且永不枯竭的能量。而且，尾水具有水质单纯，水头低，流速流量稳定，流速快，流量大，尾水渠规整等突出的特点，极具再利用价值。此外，大坝型电站周边的交通和生活也十分方便。据统计，我国大、中型水电站有46758座，这些大坝型电站的装机容量为20664万千瓦，理论上讲，如果这些大坝型电站的尾水能量再被增加利用1%，就相当于新增206.64万千瓦装机容量，即每天可有4959.36万千瓦时，每年按200天满负荷发电，就有991872万千瓦时发电量，如果每万千瓦时折合标准煤3.45吨，则相当于342.2万吨标准煤，按每吨标准煤600元计算，为人民币20.53亿元。换言之，如果尾水能量利用率每提高1%，则可新增产值近20.53亿元/年。例如，广西龙滩水电站，投资282亿元（1998年价格），装机容量630万千瓦，年发电量187亿千瓦时，约合标准煤645万吨，发电价值38.7亿人民币，如果尾水发电能量年利用率达到1%，则可增产近3870万元。因此，无论从宏观或微观看，尾水发电站现实的经济价值和长久的经济价值不可估量。 [0004] 截至目前，尚未发现有专门用于尾水发电的水电站。其主要原因，一是囿于传统水电的开发思维，人们还没有充分认识到尾水开发的价值；二是人们对低水头尾水发电的研究较少，低水头尾水发电新技术尚未形成；三是缺少尾水发电站的新型专用设备；四是传统水轮叶片表面光滑，线型表征相对简单，难以满足低水头尾水水能采集的需要。 发明内容[0006] 为了达到以上目的，本发明提供了一种悬挂式水轮低水头尾水发电系统，旨在充分利用大坝电站尾水能量发电。该系统包括对称布置在尾水渠两侧的至少两根支撑柱，支撑柱的顶部安装有钢桁架承载梁，钢桁架承载梁上部内侧安装有起重行车，钢桁架承载梁底部安装有设备基板，设备基板安装有发电机组，发电机组包括安装在设备基板上的固定悬臂，固定悬臂设有可沿其上下移动的活动悬臂，活动悬臂悬挂连接有水轮总成，水轮总成包括水轮主轴以及与水轮主轴固定套接的叶片座，在叶片座的外圆面上周向均布有一组叶片，叶片沿叶片座轴向延伸，水轮主轴穿过安装在右活动悬臂上的轴承座与伞型传动齿轮组连接，伞型传动齿轮组与键齿型动力传递轴连接，键齿型动力传递轴与增速齿轮箱连接，键齿型动力传递轴可同步活动悬臂作上下运动，增速齿轮箱与发电机连接，活动悬臂朝向水流安装有流量调节器，流量调节器包括安装在固定悬臂上的上臂和安装在活动悬臂上的下臂，下臂与上下活动拉杆的下部连接，上臂制有通孔，上下活动拉杆的上部穿过通孔与上臂活动连接，上下活动拉杆的下端均在下臂端部通过联轴器与位于下臂下端迎水面的流量调节板连接。 [0007] 进一步的，固定悬臂的横截面为长方形，且内部中空，固定悬臂的中空腔体左、右两侧内壁上分别设有沿高度方向延伸的静态凹型导轨，活动悬臂的左、右外侧壁上分别设有与静态凹型导轨相配合的动态凸型导轨，活动悬臂的顶部安装有穿过固定悬臂中空腔体的上下行螺杆，上下行螺杆与安装在固定悬臂顶部的上下行减速齿轮箱的齿轮相啮合，上下行减速齿轮箱与上下行步进电机连接。 [0008] 由于尾水水平面或江河流水平面的水位高度是变化的，随着水平面的上下变化，水轮总成必须同步上下移动。本发明的水轮总成的上下移动是通过活动悬臂的上下运动实现的。活动悬臂嵌套于固定悬臂的中空内腔中，可相对于固定悬臂内壁上的静态凹形导轨做上下运动。这样，受上下行步进电机及上下行减速齿轮箱的驱动，左右活动悬臂可分别沿固定悬臂的中空内腔同步作上下运动。而上下行步进电机及上下行减速齿轮箱的工作受电站总控制器的指令控制。 [0009] 进一步的，叶片呈帆形，叶片沿叶片座轴向延伸，帆形叶片包括曲面形主板，曲面形主板具有正迎水面和负迎水面，正迎水面为向内弯曲的凹弧面，负迎水面为向外凸出的凸弧面，凸弧面上均匀设有一组径向延伸的加强筋，凹弧面上均匀设有一组由叶片根部至梢部径向延伸的导流翅片板；曲面形主板的外端具有梢钩，加强筋的内端具有叶片铰链孔，在叶片座上对应设有叶片座铰链孔，叶片铰链孔与叶片座铰链孔对应后采用螺栓固定连接；水轮主轴上位于叶片两端分别安装有同轴离心惯性匀速轮；在叶片座的外圆面上均匀设有数组叶片角限位块。 [0010] 上述结构中，凹弧面上均匀设有一组导流翅片板，自叶片根部径向延伸至叶片梢端的导流翅片板的作用是优化正迎水面流体的流向，兜住流体的正压力，并使流体导向叶片梢部，加大叶片梢部的力矩，同时，也强化叶片的整体钢性。叶片尾部具有梢钩，用于兜住正迎水面流体，使其充分做功，提高叶片采集水能的效率。叶片固定铰接于叶片座，便于拆装叶片，使叶片维修更换和运输方便。叶片角限位块设置于叶片的转动轨迹上并可与叶片负迎水面相抵触，用于确定叶片与水轮主轴径向的角度，并支撑叶片。 [0011] 另外，本发明的帆形叶片具有不同于大坝电站高压蜗壳内旋浆叶片的物理特性，叶片处于非密封的无压开放空间，不会产生气蚀现象；其次，来水流体方向垂直于水轮主轴及叶片，对叶片没有轴向的分力，流体的动力几乎全部成为使水轮主轴旋转的动量矩，由此采集尾水能量的效率极高。 [0012] 进一步的，流量调节板包括舵杆和固定嵌入舵杆下部的调节板，调节板的两侧分别设有若干加强筋，加强筋的横截面为楔形，舵杆通过导流板轴与联轴器连接。 [0013] 当流体流速、流量过大导致水轮转速增快时，流量调节板向内偏转，遮挡部分对水轮的来水流量；当流体流速、流量减小导致水轮转速减慢时，流量调节板向外偏转，增加部分对水轮的来水流量。这样，通过流量调节板偏转角度的变化进行量化调节，保证水轮转速在正常范围内。 [0014] 又进一步的，在流量电动调节方式（电调）中，上下活动拉杆为圆柱型结构，圆柱型上下活动拉杆的下部与下臂固定连接，且圆柱型上下活动拉杆的下端通过活动联轴器与流量调节板的导流板轴活动连接；导流板轴固定于舵杆上端，导流板轴上固定套接被动伞型齿轮，被动伞型齿轮与传动轴杆的下端伞型齿轮啮合，传动轴杆的上端齿轮与安装在下臂上的流量调节器减速齿轮箱的齿轮相啮合，流量调节器减速齿轮箱与安装在下臂上的流量调节器步进电机连接。 [0015] 上述结构中，流量调节器步进电机分别与电站总控制器的控制端相连，电站总控制器的信息采集端与水位传感器以及流量、流速传感器和发电机相连，水位传感器用于动态实时测定水平面高低情况，流量、流速传感器用于采集动态尾水（江河水）流体的流量和流速，发电机转速信息传递给电站总控制器。水位传感器和流量、流速传感器将采集的数据传递给电站总控制器，电站总控制器根据采集的发电机转速、水位、流量、流速数据控制调节流量调节器步进电机的输出，流量调节器步进电机带动流量调节器减速齿轮箱正向或反向工作，进而控制传动轴杆的正向或反向工作，在传动轴杆驱动下，被动伞型齿轮控制调节板绕导流板轴作扇形向左或向右摆动，径向变化偏转角度，最终准确控制流体的流量和流速与发电机额定转速的匹配。 [0016] 又进一步的，在流量机械自动调节方式（自动机调）中，上下活动拉杆为键齿形上下活动拉杆，其上部为键齿形结构，中下部为具有不同直径的圆柱体结构，下端为螺杆结构，键齿形上下活动拉杆的下部与下臂活动连接，且键齿形上下活动拉杆的下端通过固定联轴器与流量调节板的导流板轴固定连接，键齿形上下活动拉杆的上部与伞型传动轴杆组的一端伞形齿轮键齿型内径活动套接啮合，伞型传动轴杆组的另一端与离心自动调速器的下端伞型齿轮相连，离心自动调速器活动套接于键齿型动力传递轴的上部，且由固定连接于固定悬臂外侧的离心自动调速器托架同轴活动托起。离心自动调速器包括圆柱型外壳，圆柱型外壳顶面、底面的中部分别制有同轴的轴承套安装孔，圆柱型外壳的顶面轴承套安装孔中设有上固定轴承套，底面轴承套安装孔中设有下固定轴承套，键齿型动力传递轴穿过上、下固定轴承套；在圆柱型外壳的内壁上设有燕尾槽形的上下行导轨，上下行导轨中设置有可沿其上下运动的固定摩擦块，与固定摩擦块配合设有离心惯性活动摩擦块，离心惯性活动摩擦块的上端通过摆杆连接销与上摆杆的下端铰接，下端通过摆杆连接销与下摆杆的上端铰接；上摆杆的上端通过摆杆连接销与活动套接于键齿型动力传递轴上的上活动套圈铰接，上活动套圈悬挂于位于圆柱型外壳上面板下方的同轴的L形圆板上，L形圆板与圆柱型外壳上面板固定连接，上活动套圈的凸出外圈底法兰面与L形圆板之间设有平面轴承，上活动套圈的内径具有与键齿型动力传递轴相啮合的键齿槽；下摆杆的下端通过摆杆连接销与活动套接于键齿型动力传递轴上的下活动套圈铰接。 [0017] 再进一步的，固定摩擦块的垂直截面为上大下小的楔形，固定摩擦块的上端垂直设置有间距调速螺杆，间距调速螺杆穿过圆柱型外壳顶面后与调速螺母、锁紧螺母连接；离心惯性活动摩擦块与活动套接于键齿型动力传递轴的凸形活动套圈稳定块活动连接；固定摩擦块、离心惯性活动摩擦块的配合面上设有摩擦材料；在键齿型动力传递轴上位于圆柱型外壳下方套有伞型齿轮连接座，伞型齿轮连接座上固定设有离心自动调速器伞型齿轮。 [0018] 更进一步的，在上臂上位于通孔旁同轴套有流量调节板偏角预调器，流量调节板偏角预调器包括偏角调节基板、键齿套圈拨杆、U形簧片、簧片座、微调螺母座、微调螺杆和偏角调节基板锁紧螺丝。偏角调节基板设置于上臂的上表面，键齿套圈拨杆包括键齿套圈和连接在键齿套圈外圆上的拨杆，键齿形上下活动拉杆的上端依次穿过位于偏角调节基板一端的贯穿孔和键齿套圈，偏角调节基板的另一端设有两个相对于键齿套圈拨杆对称的U形簧片，U形簧片的外侧边套有簧片座，簧片座活动连接微调螺杆，微调螺杆穿过微调螺母座，微调螺母座与基板偏角调节基板固定连接，U形簧片的内侧边轻抵触在拨杆上，偏角调节基板的中部制有一弧形的偏角调节基板角度调整槽，偏角调节基板角度调整槽中设有与上臂锁紧的偏角调节基板锁紧螺丝，偏角调节基板锁紧螺丝穿过偏角调节基板角度调整槽后与上臂锁紧连接。 [0019] 流量机械自动调节（自动机调）的工作原理（方式）是，离心自动调速器与流量调节板偏角预调器两个部件紧密配合，首先，是根据流量、流速、发电机转速的参数情况，由流量调节板偏角预调器调整流量调节板偏角，实现流量、流速与发电机额定转速需要的常态的基本平衡匹配，并使流量、流速稍大于发电机转速的需要；其次，由离心自动调速器进行匹配调节（用间距调速螺杆调节固定摩擦块与离心惯性活动摩擦块的间隔距离），当发电机转速超过额定转速时，离心惯性活动摩擦块在离心力的作用下，与固定摩擦块结合，驱动圆柱型外壳旋转，带动圆柱型外壳下端的离心自动调速器伞型齿轮旋转，经过伞型齿轮组的传递，驱动流量调节板内转，减少流量通过，使水轮转速降低，及发电机转速降低，此时，离心惯性活动摩擦块由于离心力减小，在重力的作用下，与固定摩擦块脱离；同时，在离心自动调速器工作时，流量调节板偏角预调器的U形簧片由拨杆驱动受力，该力是要使流量调节板回归预调偏角位置，由此往复。在离心自动调速器与流量调节板偏角预调器两个力的密切配合下，并在水轮总成离心惯性轮的惯性力作用下，可很好地消除流速流量变化对发电机转速的脉动，满足发电机额定转速的需要。 [0020] 由于尾水的流速、流量或江河水的流量、流速大小是变化的，随着这些变化，流体的能量也会发生一定变化，这将影响水轮总成的转速，导致水轮转速不稳定。还由于发电机转速频率的限定（国标额为50赫兹），要求水轮转速必须恒定在一定范围内，因此需要对流体流速、流量进行控制。本发明对发电机的转速控制，采用机械式自动调节和电动式调节两种方式，这两种调节方式都是驱使流量调节板绕轴转动产生的偏角变化来实现流体流量的控制，进而实现对发电机转速的控制。可采用自动机调为主，电调为辅，二者结合的方式实现对发电机转速的控制。 [0021] 进一步的，钢桁架承载梁位于水轮总成面对来水的前方悬挂有浮动型导流水栅，浮动型导流水栅的总浮力大于总质量。浮动型导流水栅包括上端固定于钢桁架承载梁的水栅固定悬臂以及活动套于水栅固定悬臂的水栅活套浮筒，水栅活套浮筒内部中空，水栅活套浮筒的顶面具有水口，该水口用于向水栅活套浮筒中注水或从水栅活套浮筒中抽水，通过注水或抽水，使浮动型导流水栅达到想要的水位高度。 [0022] 上述结构的水栅利用自身浮力自动适应水平面的高低，使水栅总成不受水位高低影响，并自动与水轮总成的高低对应。水栅不仅能够优化水流流向，特别是克服了水体的紊流，使水流流体垂直指向水轮，增大流体对水轮的正压力，提高水轮效率，还能在水流的横截面上拦截并导入更多的水流流体通过水轮，提高水轮采集水能的效率。 [0023] 更进一步的，水栅固定悬臂、水栅活套浮筒左右各一个，左、右水栅活套浮筒之间连接有水栅连接主梁，水栅连接主梁上均匀固定悬挂有一组水栅板，该组水栅板的中间部分水栅板沿头尾直线垂直指向水轮总成，两侧部分水栅板呈一定过渡夹角指向水轮总成的中部；水栅板呈流线型，阻力很小，内部中空。 [0024] 另外，活动悬臂有两个，分别设置在水轮总成的左右两侧，且水轮总成的左、右轴承座分别安装在左、右活动悬臂上，对应左、右活动悬臂设有左、右固定悬臂；水轮主轴的右端穿过位于右活动悬臂下端的右轴承座与伞型传动齿轮组相连，伞型传动齿轮组包括固定在水轮主轴上的动力齿轮和活动套接在水轮主轴上的被动齿轮（该被动齿轮起平衡稳定作用）；键齿型动力传递轴的下端固定套有第一伞型齿轮，上端与增速齿轮箱结合部位活动套有第二伞型齿轮，第一伞型齿轮与伞型传动齿轮组的动力齿轮、被动齿轮相啮合，第二伞型齿轮与增速齿轮箱的伞型齿轮相啮合，键齿型动力传递轴的上部位于第二伞型齿轮下方设有传动轴套。这样，水轮主轴通过动力齿轮将动力传递至键齿型动力传递轴，再传递至增速齿轮箱的伞型齿轮。 [0025] 本发明的优点是构思独特、新颖、巧妙，设计合理，对尾水发电的工况因素作出了充分的考虑并对应设计，提出了充分利用低水头尾水能量发电的全新水电技术及方案。所发明的悬挂式水轮设计方案，可适应大坝型水电站尾水渠环境或其它复杂的江河流河床环境，优化了新型水轮发电机组在低水头流体中的工作环境，避免了复杂河床环境的干扰；同时，发明创造了对转速预调节和机械自动调节的技术，特别设计的转速机械自动调节与电动调节相结合方式，可有效控制尾水流速和流量，进而保证发电机的额定转速，例如机械自动调节为主，电动微调为辅，通过控制流量进而控制发电机的转速，使输出电流稳定，工作效率高，可靠性好；还有，特别设计的新型水轮总成和水栅，可充分采集水能使之转化为机械能及电能；发明了浮动型导流水栅，通过该水栅有效地消除了将通过水轮总成的流体紊流，增强了水能的动力，提高了水轮吸收水能的效率。总之，本发明特别针对了大坝电站尾水发电，也适用于非尾水的峡谷、低水头的江河流发电，是一种全新的水电技术，不仅弥补了国内外低水头尾水利用的空白，也弥补了低水头大流量江河流水能开发的空白。附图说明 [0026] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。 [0027] 图1为本发明一个实施例的主视图。 [0028] 图2为图1的左视图。 [0029] 图3为图1的俯视图。 [0030] 图4为本发明中钢桁架承载梁的主视图。 [0031] 图5为图4的俯视图。 [0032] 图6为图4的左视图。 [0033] 图7为本发明中发电机组的主视图。 [0034] 图8为离心自动调速器与键齿型动力传递轴连接部位放大图。 [0035] 图9为图8的分解示意图。 [0036] 图10为本发明中键齿型动力传递轴的横向剖视图。 [0037] 图11为键齿形上下活动拉杆与流量调节板连接部位放大图。 [0038] 图12为图11的主视图。 [0039] 图13为图7的B‑B向剖视图。 [0040] 图14为图7的E‑E剖视图。 [0041] 图15为本发明中流量调节板的主视图。 [0042] 图16为图15的俯视图。 [0043] 图17为实施例一中流量调节板的主视图。 [0044] 图18为本发明中水轮总成的主视图。 [0045] 图19为图18的左视图（轮廓线透视叠加图）。 [0046] 图20为本发明中叶片的主视图。 [0047] 图21为图20的简化左视图（未含导流翅片板）。 [0048] 图22为本发明中离心惯性匀速盘的主视图。 [0049] 图23为图22的C‑C向剖视图。 [0050] 图24为本发明中水轮主轴及叶片座的主视图。 [0051] 图25为图24的左视图。 [0052] 图26为本发明中叶片梢钩、导流翅片板的左视图。 [0053] 图27为本发明中叶片工作状态图。 [0054] 图28为本发明中浮动型导流水栅的主视图。 [0055] 图29为图28的俯视图。 [0056] 图30为图28的左视图。 [0057] 图31为实施例一中发电机组工作状态图。 [0058] 图32为图7的A‑A向剖视图。 [0059] 图33为本发明中离心自动调速器的结构示意图。 [0060] 图34为图33的F‑F向剖面图。 [0061] 图35为图33的局部放大图。 [0062] 图36为图35的D‑D向剖视图。 [0063] 图37为本发明中流量调节板偏角预调器一个状态示意图。 [0064] 图38为本发明中流量调节板偏角预调器另一状态示意图。 [0065] 图39为本发明中设备基板的结构示意图。 [0066] 图40为本发明中固定悬臂、活动悬臂剖面关系图。 [0067] 图中：1.支撑柱，2.钢桁架承载梁，3. 发电机组，4. 浮动型导流水栅，5.水平下弦梁，6. 斜腹杆，7. 弓形上弦梁，8. 直腹杆，9. 下横梁，10.上横梁，11.左上下行步进电机，12.左上下行减速齿轮箱，13.上部横梁，14.左固定悬臂，15.设备基板，16.左支撑杆，17.左活动悬臂，18.左流量调节板，19.水轮总成，20.右流量调节板，21.伞型传动齿轮组，22.右活动悬臂，23.键齿型动力传递轴，24.右支撑杆，25.离心自动调速器，26.传动轴套，27.发电机，28.增速齿轮箱，29.右固定悬臂，30.右上下行螺杆，31.右上下行减速齿轮箱，32.右上下行步进电机，33.左上下行螺杆，34.上臂，35.圆柱型上下活动拉杆，36.流量调节器步进电机，37.活动联轴器，38.下臂，39.舵杆，40.导流板轴，41.被动伞型齿轮，42.传动轴杆， 43.调节板，44.加强筋，45.固定悬臂后上支撑杆，46.固定悬臂后下支撑杆，47.上臂支撑杆，48.离心惯性匀速轮，49.叶片铰链，50.水轮主轴，51.叶片座，52.叶片，53. 叶片角限位块，54.曲面形主板，55.加强筋，56.叶片铰链孔，57.叶片座铰链孔，58.导流翅片板，59.梢钩，60. 流量调节板偏角预调器，61.上固定轴承套，62.圆柱型外壳，63.上下行导轨，64.摆杆连接销，65.下固定轴承套，66.伞型齿轮连接座，67.伞型齿轮，68.下活动套圈，69.下摆杆，70.凸型活动套圈稳定块，71.离心惯性活动摩擦快，72.固定摩擦块，73.上摆杆，74.上活动套圈，75.间距调速螺杆，76.调速螺母，77.锁紧螺母，78.摩擦材料，79.簧片座，80.微调螺杆，81.微调螺母座，82.U形簧片，83.偏角调节基板，84.偏角调节基板角度调节槽，85.偏角调节基板锁紧螺丝，86.键齿套圈拨杆，87.键齿形上下活动拉杆，88.固定联轴器，89.水栅固定悬臂，90.水栅垂直加强梁，91.水栅连接主梁，92.悬挂螺栓，93.水栅活套浮筒， 94.水栅板，95.水口，96.水栅固定悬臂套孔，97.水栅连接副梁，98.水栅水平加强梁，99.起重行车，100.平面轴承，101.L形圆板，102.离心自动调速器托架，103.垫圈，104.紧固圈， 105.固定悬臂中空腔体，106.静态凹型导轨，107.动态凸型导轨。 具体实施方式[0068] 实施例一 [0069] 本实施例的悬挂式水轮低水头尾水发电系统，其结构如图1至图3所示，包括四根钢筋混凝土支撑柱1，支撑柱1两两对称布置在尾水渠两侧（建于尾水渠的两岸或建于尾水渠中，当前迎水的两支撑柱1建于尾水渠中时，二者面对水流方向呈喇叭口状，以起到导向和扩大蓄集来水的作用，增强流速，提高水能），支撑柱1的横截面为椭圆形，其高度视尾水渠水深和发电机组悬挂水轮等条件确定。支撑柱1的下端与地基相连，上端与钢桁架承载梁2相连，用于支撑钢桁架承载梁2。钢桁架承载梁2上部内侧安装有起重行车99，钢桁架承载梁2底部安装有设备基板15，设备基板15的结构如图39所示，设备基板15安装有发电机组3。 起重行车99安装于钢桁架承载梁2中间的空中，起重行车99包括行车本身及轨道，轨道延钢桁架承载梁水平长度方向铺设，行车的起重机械可沿X、Y方向轨道行走。 [0070] 如图4至图6所示，钢桁架承载梁2包括两根平行设置的水平下弦梁5，水平下弦梁5沿宽度方向水平设置，单根水平下弦梁5上均匀设有九根呈弓形排列的直腹杆8，这九根直腹杆8的顶端与一弓形上弦梁7的凹弧面相连，弓形上弦梁7与水平下弦梁5之间连接有八根斜腹杆6，单根斜腹杆6连接相邻两直腹杆8的上、下端，构成网状结构，以提高钢桁架承载梁2的强度和稳定性，在两根水平下弦梁5之间设置有十五根下横梁9，两根弓形上弦梁7之间设置有九根上横梁10（两根水平下弦梁5之间、两根弓形上弦梁7之间也可通过交叉结构钢相连），钢桁架承载梁2采用钢结构，自重轻、跨度大、负载大，各种梁之间采用螺栓固定或焊接连接，制造方便，便于运输和拆装。另外，两弓形上弦梁7相向内倾，倾角为30度，这样能保证钢桁架承载梁2的总体稳定性。钢桁架承载梁2用于承载发电机组3，横跨于尾水渠上方，跨度视现场条件和发电机组等情况确定，钢桁架承载梁2与支撑柱1结合可适应各种复杂的大坝电站尾水渠等应用环境。 [0071] 如图7和图13所示，发电机组3包括安装在设备基板15上的左固定悬臂14和右固定悬臂29，左、右固定悬臂中空腔体105在设备基板15中的位置如图39所示，左固定悬臂14的底端设有可沿其上下移动的左活动悬臂17，右固定悬臂29的底端设有可沿其上下移动的右活动悬臂22，左活动悬臂17、右活动悬臂22的底端之间悬挂连接有横向布置的水轮总成19，水轮总成19的左、右轴承座分别安装在左、右活动悬臂上，对应左活动悬臂17（右活动悬臂22）连接左固定悬臂14（右固定悬臂29）。水轮总成19可随活动悬臂作上下运动，水轮总成19采用悬挂式设计，无需对各类河床进行大的改造，能适应各种复杂的河床周边环境，能有效地优化水轮总成19在动态尾水流体中的工作环境。水轮总成19的主轴穿过安装在右活动悬臂22上的右轴承座与伞型传动齿轮组21连接，伞型传动齿轮组21包括固定套接在水轮主轴上的动力齿轮和活动套接在水轮主轴上的被动齿轮，被动齿轮起平衡稳定作用，键齿型动力传递轴23的而机构如图10所示，键齿型动力传递轴23的下端固定套有第一伞型齿轮，上端与增速齿轮箱28结合部位活动套有第二伞型齿轮，第一伞型齿轮与伞型传动齿轮组21的动力齿轮、被动齿轮相啮合，第二伞型齿轮与增速齿轮箱28的伞型齿轮相啮合，键齿型动力传递轴23可同步右活动悬臂22作上下运动，键齿型动力传递轴23的上部位于第二伞型齿轮下方设有传动轴套26，增速齿轮箱28与发电机27连接。其中，左固定悬臂14（右固定悬臂 29）、左活动悬臂17（右活动悬臂22）的横截面均为长方形，左固定悬臂14（右固定悬臂29）内部中空，左活动悬臂17（右活动悬臂22）的尺寸略小于左固定悬臂14（右固定悬臂29）的尺寸，这样左活动悬臂17（右活动悬臂22）嵌套于左固定悬臂14（右固定悬臂29）的中空腔体中并可沿中空腔体上下移动。如图40所示，左固定悬臂14（右固定悬臂29）的中空腔体左、右两侧内壁上分别设有沿高度方向延伸的静态凹型导轨106，左活动悬臂17（右活动悬臂22）的左、右外侧壁上分别设有与静态凹型导轨106相配合的动态凸型导轨107，左活动悬臂17（右活动悬臂22）的顶部活动连接下螺杆套，下螺杆套中装有左上下行螺杆33（右上下行螺杆 30），左上下行螺杆33（右上下行螺杆30）的上端活动套接在上螺杆套中，上螺杆套的外圈与左固定悬臂14（右固定悬臂29）的顶端固定连接，左上下行螺杆33（右上下行螺杆30）的上端设有齿轮，齿轮与安装在左固定悬臂14（右固定悬臂29）顶部的左上下行减速齿轮箱12（右上下行减速齿轮箱31）的齿轮相啮合，左上下行减速齿轮箱12（右上下行减速齿轮箱31）与左上下行步进电机11（右上下行步进电机32）驱动连接。当左上下行步进电机11（右上下行步进电机32）驱动左上下行螺杆33（右上下行螺杆30）旋转时，带动左活动悬臂17（右活动悬臂22）作上下运动，左上下行步进电机11、右上下行步进电机32受电站总控制器指令控制，当左活动悬臂17（右活动悬臂22）相对于左固定悬臂14（右固定悬臂29）静止时，采用电磁制动装置锁定。另外，在左固定悬臂14的顶部与右固定悬臂29的顶部之间连接有上部横梁13，上部横梁13用于增强发电机组3的整体性和稳定性，在钢桁架承载梁2上位于固定悬臂下部位置设有设备基板15，设备基板15水平垂直左、右固定悬臂设置，设备基板15上安装发电机 27和增速齿轮箱28，设备基板15的左侧与左固定悬臂14的下部之间连接有左支撑杆16，右侧与右固定悬臂29的下部之间连接有右支撑杆24。 [0072] 本实施例采用流量电调方式。左活动悬臂17的底端安装有朝向水流的左流量调节器，右活动悬臂22的底端安装有朝向水流的右流量调节器。左、右流量调节器结构一致，均为电动调节型流量调节器。左流量调节器（右流量调节器）包括安装在左固定悬臂14（右固定悬臂29）上的上臂34和安装在左活动悬臂17（右活动悬臂22）上的下臂38，下臂38与圆柱型上下活动拉杆35的下部固定连接，上臂34制有通孔，圆柱型上下活动拉杆35的上部穿过通孔与上臂34活动连接，圆柱型上下活动拉杆35的下端通过活动联轴器37与安装在下臂38下端迎水面的左流量调节板18（右流量调节板20）连接，左流量调节板18、右流量调节板20前缘向前，并位于水轮总成19主轴轴线下部的左、右两侧（见图14和图31）。左流量调节板18、右流量调节板20均包括舵杆39和一端固定嵌入舵杆39下部的调节板43，调节板43的两侧分别设有三根加强筋44，加强筋44的横截面为楔形，舵杆39通过导流板轴40与活动联轴器37活动连接（见图15和图16）。电动调节型流量安调节器的结构中，圆柱型上下活动拉杆 35的下端通过活动联轴器37与导流板轴40活动连接，活动联轴器37相对于圆柱型上下活动拉杆35固定，相对于导流板轴40活动，导流板轴40固定于舵杆39上端，导流板轴40上固定套接被动伞型齿轮41，被动伞型齿轮41与传动轴杆42的下端伞型齿轮啮合（见图17），传动轴杆42的上端齿轮与安装在下臂38上的流量调节器减速齿轮箱的齿轮相啮合，流量调节器减速齿轮箱与安装在下臂38上的流量调节器步进电机36连接。另外，在左固定悬臂14、右固定悬臂29的上部与设备基板16之间连接有固定悬臂后上支撑杆45，在左固定悬臂14、右固定悬臂29的下部与设备基板16之间连接有固定悬臂后下支撑杆46，在上臂34与设备基板16之间连接有上臂支撑杆47。 [0073] 如图18和图19所示，水轮总成19包括水轮主轴50和叶片座51，叶片座51呈圆筒状，叶片座51两端有水轮主轴50的轴孔，叶片座51固定套在水轮主轴50上，在叶片座51的外圆面上周向均布有八个叶片52，叶片52沿叶片座51轴向延伸，叶片52通过叶片铰链49铰接于叶片座51。叶片52呈帆形，由于对低水头尾水来说，叶片52采集水能能量与叶片表面积成正比，叶片表面积大，在采集能量时会弥补低水头水压偏低的不足，因此，本实施例叶片表面积十分巨大，长12米，宽1.8米，表面积达到21.6平方米。帆形叶片52包括曲面形主板54，曲面形主板54具有正迎水面和负迎水面，正迎水面为向内弯曲的凹弧面，负迎水面为向外凸出的凸弧面，凸弧面上均匀设有七个径向延伸的加强筋55，加强筋55的内端具有叶片铰链孔56（见图20和图21）。 [0074] 在叶片座51的外圆上设有7组铰链座，每组有八个铰链座，每组铰链座相对于主轴圆心等角度均布，7组铰链座相对于主轴轴线等距离均布，铰链座设有叶片座铰链孔57（见图24和图25），叶片铰链孔56与叶片座铰链孔57一一对应后采用螺栓固定连接，在叶片座51的外圆面上均匀设有七组叶片角限位块，每组有8个叶片角限位块53。 [0075] 每一叶片迎水面凹弧面上均匀设有七个自叶片根部至叶片梢部径向延伸的导流翅片板58，该导流翅片板用于优化正迎水面流体的流向，兜住流体的正压力，并使流体导向叶片梢部，加大叶片梢部的力矩，同时进一步强化叶片整体刚性，另导流翅片板58与加强筋55一一对应，曲面形主板54的外端具有梢钩59，梢钩59的作用是在叶片力矩最大处兜住动力流体，使流体充分做功（见图26和图27）。 [0076] 水轮主轴50上位于叶片52两端分别安装有离心惯性匀速轮48（见图22和图23）。由于尾水流体的流速、流量会存在不规则的变化，这些变化会导致水轮转速的脉动变化，而水轮转速必须额定于规定转速，这就需要离心惯性匀速轮48，从结构上增大转动惯量，消除转速的脉动，稳定水轮的转速。离心惯性匀速轮48的质量集中分布于外圆上，且质量够大，当离心惯性匀速轮48旋转工作时，就会形成离心惯性力矩，以保持转速均匀，有效地保证水轮总成19的匀速线性旋转。 [0077] 钢桁架承载梁2位于水轮总成19面对来水的前方悬挂有浮动型导流水栅4。如图28至图30所示，浮动型导流水栅4包括上端固定于钢桁架承载梁2的水栅固定悬臂89以及活动套于水栅固定悬臂89的水栅活套浮筒93，水栅固定悬臂89、水栅活套浮筒93左右各有一个，左、右水栅活套浮筒93之间连接有水栅连接主梁91，水栅连接主梁91上均匀固定悬挂有13个水栅板94，水栅板94采用不锈钢材质，该组水栅板中的中间部分水栅板94沿头尾直线垂直指向水轮总成19，两侧部分水栅板94略镜像地有角度过渡变化，两侧水栅板的头端略外开向左侧或右侧，尾端略内收呈一定夹角指向水轮总成19的中部，这种设计能更多的纳入水能，尾水经过水栅后消除了水的紊流，有效提高了水流流体的能量被吸收率。水栅板94呈流线型，阻力小。水栅板94、水栅活套浮筒93内部中空，具有浮力，使得浮动型导流水栅4的总浮力大于总质量，使水栅总成可浮于水平面，且高度可调。在水栅活套浮筒93的顶面中部具有水栅固定悬臂套孔96，水栅固定悬臂89的下端穿过水栅固定悬臂套孔96设置于水栅活套浮筒93中，水栅活套浮筒93的顶面具有水口95，用于调节水栅总成至额定吃水深度。另外，水栅板94通过悬挂螺栓92固定悬挂于水栅连接主梁91，左、右水栅活套浮筒93之间还设有与水栅连接主梁91平行的水栅连接副梁68，水栅连接副梁68的两端连接有水栅水平加强梁98，该主梁和副樑之间有连接杆。左、右水栅活套浮筒93之间位于水栅连接主梁91上方设有弧形的水栅垂直加强梁90，水栅连接副梁97、水栅垂直加强梁90、水栅水平加强梁98是为了加强浮动型导流水栅的刚性。 [0078] 实施例二 [0079] 本实施例与实施例一的不同之处在于：左、右流量调节器结构不一致，左流量调节器为电动调节型流量调节器，右流量调节器为机械调节型流量调节器，二者关系是，以机械调节为主调，电动调节为补偿微调（见图7）。电动调节型流量调节器的结构详见实施例一。 [0080] 机械调节型流量调节器的结构如图7和图32所示。上下活动拉杆为键齿形上下活动拉杆87，键齿形上下活动拉杆87的上部为键齿形结构，中下部为具有不同直径的圆柱体结构，下端为带外螺纹的螺杆结构。键齿形上下活动拉杆87的下部与下臂38活动连接，且键齿形上下活动拉杆87的下端通过固定联轴器88与导流板轴40固定连接。键齿形上下活动拉杆87的上部与伞型传动轴杆组的一端伞形齿轮键齿型内径活动套接啮合，伞型传动轴杆组的另一端与离心自动调速器25的下端伞型齿轮67相连；键齿形上下活动拉杆87的下部的圆柱型部分与下臂38前端部活动连接，接受下臂38上下运动的驱动，如图11和图12所示；键齿形上下活动拉杆87的下端与流量调节板上端的固定联轴器88螺旋固定连接，如图11和图12所示。 [0081] 离心自动调速器25活动套接于键齿型动力传递轴23的上部，并由固定连接于固定悬臂外侧的离心自动调速器托架102同轴活动托起（见图8）。如图33和图34所示，离心自动调速器25包括圆柱型外壳62，圆柱型外壳62的顶面、底面的中部分别制有同轴的轴承套安装孔，圆柱型外壳的顶面轴承套安装孔中设有上固定轴承套61，底面轴承套安装孔中设有下固定轴承套65，键齿型动力传递轴23穿过上固定轴承套61、下固定轴承套65。在圆柱型外壳62的内壁上设有燕尾槽形的上下行导轨63，上下行导轨63中设置有可沿其上下运动的固定摩擦块72（B块），与固定摩擦块72配合设有离心惯性活动摩擦块71（A块），离心惯性活动摩擦块71的上端通过摆杆连接销64与上摆杆73的下端铰接，下端通过摆杆连接销64与下摆杆69的上端铰接。上摆杆73的上端通过摆杆连接销64与活动套接于键齿型动力传递轴23上的上活动套圈74铰接，上活动套圈74悬挂于位于圆柱型外壳上面板下方的同轴的L形圆板101上，L形圆板101与圆柱型外壳上面板固定连接，上活动套圈74的凸出外圈底法兰面与L形圆板101之间设有平面轴承100，上活动套圈74的内径具有与键齿型动力传递轴23相啮合的键齿槽。下摆杆69的下端通过摆杆连接销64与活动套接于键齿型动力传递轴23上的下活动套圈68铰接。固定摩擦块72的垂直截面为上大下小的楔形，固定摩擦块72的上端垂直设置有间距调速螺杆75（见图35和图36），间距调速螺杆75穿过圆柱型外壳62顶面后与调速螺母76、锁紧螺母77连接。在间距调速螺杆75和调速螺母76的作用下，固定摩擦块72可沿上下行导轨63作上下运动，当固定摩擦块72向上运动时，固定摩擦块72与离心惯性活动摩擦块 71之间的间隙增大；当固定摩擦块72向下运动时，固定摩擦块72与离心惯性活动摩擦块71之间的间隙减小。因此，固定摩擦块72与离心惯性活动摩擦块71结合的时间不同与水轮转速有关，调节固定摩擦块72与离心惯性活动摩擦块71结合的时间，就能起到调节水轮转速的作用。 [0082] 离心惯性活动摩擦块71与活动套接于键齿型动力传递轴23上的凸形活动套圈稳定块70活动连接，固定摩擦块72、离心惯性活动摩擦块71的配合面上设有摩擦材料78。在键齿型动力传递轴23上位于圆柱型外壳62下方套有伞型齿轮连接座66，伞型齿轮连接座66上设有离心自动调速器伞型齿轮67，离心自动调速器托架102套在伞型齿轮连接座（66）上，在离心自动调速器托架102的圈与离心自动调速器伞型齿轮67之间设置垫圈103，在离心自动调速器伞型齿轮67下方设置紧固圈104（见图8和图9）。 [0083] 离心自动调速器25的工作原理是：A块在动力键齿型传递轴23的带动下，产生离心径向运动的趋势。当水轮转速大于额定转速时，A块与B块结合，二者之间的摩擦力使离心自动调速器25的圆柱型外壳62绕键齿型动力传递轴23旋转，由于在圆柱型外壳62的下端固定连接有键齿型伞型齿轮67，就能通过伞型传动轴杆组将动力传递至右流量调节板20的舵杆39，使右流量调节板20绕导流板轴40顺时针偏转，遮挡部分流体，减少动力流体能量，由此使键齿型动力传递轴23转速降低。由于键齿型动力传递轴23转速降低，A块离心惯性力减小，导致A块与B块自动分离，右流量调节板20偏角回到额定转速的调节预设平衡力点。以此往复，实现水轮（发电机）转速恒定。 [0084] 在上臂34上位于通孔处设有流量调节板偏角预调器60。如图37和图38所示，流量调节板偏角预调器60包括偏角调节基板83、键齿套圈拨杆86、U形簧片82、簧片座79、微调螺母座81、微调螺杆80和偏角调节基板锁紧螺丝85，偏角调节基板83设置于上臂34的上表面，键齿套圈拨杆86包括键齿套圈和连接在键齿套圈外圆上的拨杆，键齿形上下活动拉杆87的上端依次穿过位于偏角调节基板83一端的贯穿孔和键齿套圈，偏角调节基板的另一端设有两个相对于键齿套圈拨杆86的拨杆对称布置的U形簧片82，U形簧片82的外侧边套有簧片座79，簧片座79活动连接微调螺杆80，微调螺杆80穿过微调螺母座81，微调螺母座81与偏角调节基板83固定连接，U形簧片82的内侧边轻抵触在拨杆上，偏角调节基板83的中部制有一弧形的偏角调节基板角度调整槽84，偏角调节基板角度调整槽84用于大角度调整，偏角调节基板角度调整槽84中设有可锁紧的偏角调节基板锁紧螺丝85，偏角调节基板锁紧螺丝85穿过偏角调节基板角度调整槽84后与上臂34锁定连接。 [0085] 流量调节板偏角预调器60用于协调水轮总成19的转速和流量初始配比关系。流量调节板偏角预调器60安装时，通过键齿套圈拨杆86可拨动键齿型上下活动拉杆87，键齿型上下活动拉杆87的下端固定有右流量调节板20，由此，可确定右流量调节板20的初始偏角。右流量调节板20的偏角，能够确定水轮转速与流量的基本匹配关系。如果所需右流量调节板20的偏角较大，首先要大角度转动偏角调节基板83后采用偏角调节基板锁紧螺丝锁死，然后通过微调螺杆80，推动U形簧片82作用于键齿套圈拨杆86，进一步调整偏角，直至水轮转速稳定在额定转速。此时，两个U形簧片82均应贴住键齿套圈拨杆86。采用U形簧片82的目的是U形簧片82受力时具有一定范围的缓冲及恢复空间，这正是离心自动调速器25所需要的。 [0086] 上述结构中，右流量调节板20的偏角受两个力约束：一是U形簧片82的弹簧力，弹簧力可通过微调螺杆80实现调节，当弹簧力的方向是右流量调节板20“开”的方向，可增加流量，使水轮转速增加；二是离心自动调速器25的离心惯性力，当离心惯性力的方向是右流量调节板20“关”的方向，可减少流量，使水轮转速降低，且对转速有判断力。这两个力的方向相反，经过安装调试，使可使右流量调节板20的偏角处于额定转速所需的范围中。 [0087] 实施例三 [0088] 本实施例与实施例一的不同之处在于：右活动悬臂22的底端安装有右流量调节器，在左活动悬臂17下不安置流量调节器；右流量调节器为机械调节型流量调节器。 [0089] 本发明的悬挂式水轮低水头尾水发电系统，从经济上讲，尾水电站充分借助了前级大坝电站巨额投入所形成的水源蓄积资源、优良水质资源（经过了前级大坝电站的过滤）、尾水渠道资源、电网输变电资源、交通及生活服务资源、移民拆迁资源等一系列有利资源，借力大坝尾水二次发电，几乎只需直接的设备投入成本，即可获得可观的电能及收益。例如，10万kw的大坝电站，平均投资约10亿元（按每万kw1万元造价计算）。而配套尾水电站（5000kw），5000万元X70%(按每万kw7000元造价计算）=3500万元就可以建成，是前者投资的 3.5%，建设时间为1年。年发电产值745万元，投资回报率20%，5年内可收回全部投资。因此，在经济效益上，投入产出比上是及其划算的，具有极高的投入产出比。另外，尾水电站亦可以阵列布局，效益更高。 [0090] 从设备制造上讲，没有特别的技术障碍。钢桁架承载梁的制造、支撑柱的制造、悬挂臂的制造、悬挂臂升降系统的制造、水轮总成的制造、导流系统的制造、流量调节系统的制造、变速齿轮箱的制造、转速电调系统的制造、发电机系统的制造、输变电系统的制造等主要构件的制造，在技术上都是成熟的、可靠的。 [0091] 从技术控制方面讲，大坝电站与尾水电站作为前后级电站（可以是股东一家人），尾水流量、流速、尾水的水深等重要参数是可预知的，为尾水电站的发电调节提供了基础依据。加上尾水电站本身自调系统，尾水电站的调速调频问题、并网问题，均能得到很好的解决。 [0092] 从应用范围上讲，其应用除了直接针对的大坝型电站尾水外，对许多天然的江河流环境也可应用。另外，其中的一些专门技术，如水轮技术、调速技术、水栅技术在其它领域也可借鉴和变形扩展应用。 [0093] 总之，46700多大坝电站的尾水是水能富矿。开发尾水电站，是启动了一个规模十分庞大的绿色能源产业链，对我国的能源战略，对环境保护，对产业结构调整，对诸多企业的转型等具有十分重要的意义，具有十分广阔的前景。 [0094] 除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，例如流量调节器的调节方式，可以为电动调节与机械调节单独选择，也可以采用同时进行的方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。 |
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