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一种河床无坝式水 力发电系统

阅读：417发布：2020-05-31

专利汇可以提供一种河床无坝式水力发电系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种河床无坝式水力发电系统，它涉及一种水力发电系统，以解决现有传统水电站存在制造成本高，工程量大、漂浮船式无坝水电站存在只能在大江大河中实施，水能资源利用率相对受限，以及潮汐电站存在造价昂贵，不能大规模利用的问题，它包括水轮机、导流体、导流板、两个Π型框架、两套轴承平台、两套发电平台，两套发电机、两套增速齿轮组和两套升降机构；每个Π型框架上安装有一套轴承平台、一套发电平台、一套发电机、一套增速齿轮组和一套升降机构；水轮机包括转轴和多个折弯叶片，每套轴承平台的上部安装有与轴承平台连接的发电平台，每套发电平台上安装有发电机；电机与蜗轮连接，螺杆与发电平台连接。本发明用于水力发电。，下面是一种河床无坝式水力发电系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种河床无坝式水力发电系统，其特征在于：所述发电系统包括水轮机、导流体（17）、导流板（18）、两个Π型框架（1）、两套轴承平台（6）、两套发电平台（7），两套发电机（20）、两套增速齿轮组（21）和两套升降机构；
所述两个Π型框架为钢筋混凝土框架，两个Π型框架（1）正对设置，每个Π型框架（1）上安装有一套轴承平台（6）、一套发电平台（7）、一套发电机（20）、一套增速齿轮组（21）和一套升降机构；轴承平台（6）安装在Π型框架的两个立柱（1-2）之间，水轮机包括转轴（4）和多个折弯叶片（5），每个折弯叶片（5）为二段式折弯叶片，转轴（4）水平设置，转轴（4）的两端通过轴瓦（9）分别安装在两个轴承平台（6）上；多个折弯叶片（5）沿转轴（4）的周向阵列布置在转轴（4）上，水轮机下方由上至下依次布置有弧形导流板（18）和导流体（17），弧形导流板（18）固定在位于河底布置的导流体（17）的上端，转轴4的两端分别连接有一套增速齿轮组（21），每套轴承平台（6）的上部安装有与轴承平台（6）连接的发电平台（7），每套发电平台（7）上安装有发电机（20），增速齿轮组（21）与相应的发电机（20）传动连接；每套升降机构包括电机（12）、蜗轮（11）和螺杆（10），螺杆（10）竖直设置，电机（12）安装在设置在Π型框架（1）的上方的支撑板（28）上，电机（12）与蜗轮（11）连接，蜗轮（11）与螺杆（10）啮合，螺杆（10）的下端与发电平台（7）连接，轴承平台（6）和发电平台（7）能沿Π型框架的两个立柱（1-2）上下滑动。
2.根据权利要求1所述的一种河床无坝式水力发电系统，其特征在于：所述轴瓦（9）为弹性金属塑料轴瓦。
3.根据权利要求1或2所述的一种河床无坝式水力发电系统，其特征在于：所述发电系统还包括两个滤网（22），两套轴承平台（6）的底部分别安装有滤网（22）。
4.根据权利要求2所述的一种河床无坝式水力发电系统，其特征在于：所述发电系统还包括两个水泵（14），两套轴承平台（6）的底部分别安装有一个水泵（14）。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种河床无坝式水力发电系统，其特征在于：所述发电系统还包括四套滑轨（24）和四套滑轮组（15），每个Π型框架的两个立柱（1-2）上分别安装有一套滑轨（24），每套轴承平台（6）的与两个立柱（1-2）相对的侧面上分别安装有滑轮组（15），两个滑轮组（15）分别置于两个滑轨（24）上。
6.根据权利要求5所述的一种河床无坝式水力发电系统，其特征在于：每个Π型框架的两个立柱（1-2）的中部各加工有一个凹槽（3），每套轴承平台（6）的与两个立柱（1-2）相对的侧面上分别加工有与凹槽（3）相匹配的定位凸棱（8），定位凸棱（8）置于凹槽（3）内且定位凸棱（8）能上下滑动。
7.根据权利要求6所述的一种河床无坝式水力发电系统，其特征在于：每个Π型框架的两个立柱（1-2）上加工检修门（27）。
8.根据权利要求6或7所述的一种河床无坝式水力发电系统，其特征在于：所述发电机（20）为永磁发电机。
9.根据权利要求8所述的一种河床无坝式水力发电系统，其特征在于：所述发电系统还包括两套抱闸制动器（16），转轴（4）的两端的端部分别安装有一套抱闸制动器（16）。
10.根据权利要求9所述的一种河床无坝式水力发电系统，其特征在于：所述发电系统还包括四个电子式液位开关（13）、两个行程开关（23）和两个埋置式检温计（26），位于水轮机上部的每套轴承平台（6）上分别安装有两个电子式液位开关（13），每个支撑板（28）的下表面上分别安装有一个行程开关（23），每个轴瓦（9）上安装有一个埋置式检温计（26）。

说明书全文

一种河床无坝式水 力发电系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种水力发电系统，具体涉及一种河床无坝式水力发电系统，属于水力发电领域。

背景技术

[0002] 传统的水电站发电，需要建坝蓄水、引渠、征林、征地、移民、阻塞鱼类通道、改变自然生态和气候环境等，工程量巨大、投资巨大，易发生水土流失、地质灾害；风力发电具有间歇性和不稳定性，影响电网稳定和电能质量；光伏发电占用土地面积大、造价高、能源效率低、电网调度频繁、技术还不够成熟、国家补贴投入大；漂浮船式无坝水电需要水深10米以上、流速≥1米/秒的区域，只能在大江大河中实施，水能资源利用率相对受限；潮汐电站，由于造价昂贵，尚未能大规模开发利用；又如利用波浪能发电，尚处于试验研究阶段。

发明内容

[0003] 本发明是为解决现有传统水电站存在制造成本高，工程量大、漂浮船式无坝水电站存在只能在大江大河中实施，水能资源利用率相对受限，以及潮汐电站存在造价昂贵，不能大规模利用的问题，进而一种河床无坝式水力发电系统。

[0004] 本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

[0005] 本发明的一种河床无坝式水力发电系统包括水轮机、导流体、导流板、两个Π型框架、两套轴承平台、两套发电平台，两套发电机、两套增速齿轮组和两套升降机构；

[0006] 所述两个Π型框架为钢筋混凝土框架，两个Π型框架正对设置，每个Π型框架上安装有一套轴承平台、一套发电平台、一套发电机、一套增速齿轮组和一套升降机构；轴承平台安装在Π型框架的两个立柱之间，水轮机包括转轴和多个折弯叶片，每个折弯叶片为二段式折弯叶片，转轴水平设置，转轴的两端通过轴瓦分别安装在两套轴承平台上；多个折弯叶片沿转轴的周向阵列布置在转轴上，水轮机下方由上至下依次布置有弧形导流板和导流体，弧形导流板固定在位于河底布置的导流体的上端，弧形导流板与折弯叶片构成水封槽，转轴的两端分别连接有一套增速齿轮组，每套轴承平台的上部安装有与轴承平台连接的发电平台，每套发电平台上安装有发电机，增速齿轮组与相应的发电机传动连接；每套升降机构包括电机、蜗轮和螺杆，螺杆竖直设置，电机安装在设置在Π型框架的上方的支撑板上，电机与蜗轮连接，蜗轮与螺杆啮合，螺杆的下端与发电平台连接，轴承平台和发电平台能沿Π型框架的两个立柱上下滑动。

[0007] 本发明的有益效果是：

[0008] 1、本发明与传统水力发电相比，本发明不仅规避了传统水电站需要建坝蓄水、引渠、征林、征地、移民、阻塞鱼类通道、改变自然生态和气候环境等，工程量巨大、投资巨大，易发生水土流失、地质灾害等弱点，还可以在流域规划和开发基础上，在区域河段内多级、集中开发电站。

[0009] 2、本发明与风力发电相比，可满足电网稳定和清洁发电要求。

[0010] 3、本发明与光伏发电相比，占用土地面积小，直接在河床建站，造价低，能源利用率高，充分利用河床水资源发电，能源利用率提高了40%以上。

[0011] 4、本发明与漂浮船式无坝聚能水力发电站相比，能在广泛的中小河流中实施，水能资源利用率高、电站建设普及率高，适用条件比较广泛。

[0012] 5、本发明与潮汐电站，造价低，能大规模开发利用。

[0013] 6、为了更充分利用中小河流水资源，本发明将改变上述水电站建设模式，提出适合严寒地区及其他地域、适合开发中小河流的河床无坝式发电系统，以构筑安全、清洁的分布式能源系统。本发明可以在河岸两侧构建Π型钢筋砼框架，吊挂、固定、调节卧式水轮机的转轴和发电机，使水轮机的转轴和叶片既能截流河水，又能增加自然河流的位能、动能和压能，根据河流水位增设控制系统控制河水流量，将水流能量转化为机械能和电能。

[0014] （1）、本发明发电系统不建坝蓄水、不移民动迁、不占用耕地、不砍伐树木、不破坏生态、不改变水体环境、不影响泄洪，电站建设投资相对低（12000元/千瓦），可有效利用严寒及其他地区中小河流水利资源，也可以大范围实施和推广使用。

[0015] （2）、本发明发电系统用于水力发电具有不耗水、无耗材、低耗能、无排放、低噪声、原生态，运行成本低的优点，不必设置水能调度，水轮标高随河床水位可调节，可实现长周期稳定运营目标。

[0016] （3）、本发明发电系统可以构建分布式能源，可以直接并入电网配电系统，可以节省电网变电和输电成本。附图说明

[0017] 图1是本发明的整体结构示意图，图2是图1的A-A剖视图，图3是图2的B-B剖视图，图4是Π型框架上设置的检修门结构示意图。

具体实施方式

[0018] 具体实施方式一：结合图1-图4说明，本实施方式的一种河床无坝式水力发电系统包括水轮机、导流体17、导流板18、两个Π型框架1、两套轴承平台6、两套发电平台7，两套发电机20、两套增速齿轮组21和两套升降机构；

[0019] 所述两个Π型框架为钢筋混凝土框架，两个Π型框架1正对设置，每个Π型框架1上安装有一套轴承平台6、一套发电平台7、一套发电机20、一套增速齿轮组21和一套升降机构；轴承平台6安装在Π型框架的两个立柱1-2之间，水轮机包括转轴4和多个折弯叶片5，每个折弯叶片5为二段式折弯叶片，转轴4水平设置，转轴4的两端通过轴瓦9分别安装在两套轴承平台6上；多个折弯叶片5沿转轴4的周向阵列布置在转轴4上，水轮机下方由上至下依次布置有弧形导流板18和导流体17，弧形导流板18固定在位于河底布置的导流体17的上端，转轴4的两端分别连接有一套增速齿轮组21，每套轴承平台6的上部安装有与轴承平台6连接的发电平台7，每套发电平台7上安装有发电机20，增速齿轮组21与相应的发电机20传动连接；每套升降机构包括电机12、蜗轮11和螺杆10，螺杆10竖直设置，电机12安装在设置在Π型框架1的上方的支撑板28上，电机12与蜗轮11连接，蜗轮11与螺杆10啮合，螺杆10的下端与发电平台7连接，轴承平台6和发电平台7能沿Π型框架的两个立柱1-2上下滑动。

[0020] 本实施方式的折弯叶片优先选用弹簧式折弯板，水平转轴、弧形导流板、二段式折弯叶片构成河床无坝式截流坝体（或水封槽），提高了水流能量，降低了水轮轴承荷载，取消了拦河、筑坝、蓄水、引渠的固定模式；本实施方式为方便检修水轮机的折弯叶片，在两个Π型框架上分别设置了检修滑槽25；导流板与水轮机的折弯叶片形成水封槽，提高了枯水期水能利用率，水能利用率提高了25%以上。本实施方式通过螺杆、蜗轮及电机控制，将河道水位落差由0.7米提高至2.7米。本实施方式的增速齿轮组可为增速齿轮箱，使用时，转轴的转动将动力传递给增速齿轮组，增速齿轮组的增速将动力传递给发电机，发电机实现发电。轴承平台和发电平台的上下滑动能带动水轮机上下移动。本实施方式的导流体可以为钢筋混凝土导流体。

[0021] 具体实施方式二：结合图1和图2说明，本实施方式所述轴瓦9为弹性金属塑料轴瓦。本实施方式取消了机油润滑机构，避免了机油污染水体现象，弹性金属塑料轴瓦许用压2
力控制在20Mpa/cm 以下，许用线速度控制在20m/s以下，最大许用PV值控制在80Mpa·m/s以下，干动摩擦系数为0.12～0.20。其它与具体实施方式一相同。

[0022] 具体实施方式三：结合图3说明，本实施方式所述发电系统还包括两个滤网22，两套轴承平台6的底部分别安装有滤网22。如此设置，防止轴瓦内进入杂质，影响转轴的运行。其它与具体实施方式一或二相同。

[0023] 具体实施方式四：结合图3说明，本实施方式所述发电系统还包括两个水泵14，两套轴承平台6的底部分别安装有一个水泵14。如此设置，轴瓦采用水润滑方式润滑节能环保。其它与具体实施方式二相同。

[0024] 具体实施方式五：结合图2说明，本实施方式所述发电系统还包括四套滑轨24和四套滑轮组15，每个Π型框架的两个立柱1-2上分别安装有一套滑轨24，每套轴承平台6的与两个立柱1-2相对的侧面上分别安装有滑轮组15，两个滑轮组15分别置于两个滑轨24上。如此设置，保障了轴瓦安全和轴承平台的稳固性，同时轴承平台和发电平台能稳定的上下滑动，实现随着河床水位控制运行标高，达到发电目的。其它与具体实施方式一、二或四相同。

[0025] 具体实施方式六：结合图2说明，本实施方式的每个Π型框架的两个立柱1-2的中部各加工有一个凹槽3，每套轴承平台6的与两个立柱1-2相对的侧面上分别加工有与凹槽3相匹配的定位凸棱8，定位凸棱8置于凹槽3内且定位凸棱8能上下滑动。如此设置，凸棱和凹槽的导向式耦合，实现轴承平台和发电平台的纵向和横向定位。其它与具体实施方式五相同。

[0026] 具体实施方式七：结合图1和图4说明，本实施方式的每个Π型框架的两个立柱1-2上加工检修门27。如此设置，方便检修水轮机的轴瓦和发电机。其它与具体实施方式六相同。

[0027] 具体实施方式八：结合图3说明，本实施方式所述发电机20为永磁发电机。如此设置，采用永磁结构、无励磁绕组、无碳刷、无滑环，减小了发电机体积和重量。其它与具体实施方式六或七相同。

[0028] 具体实施方式九：结合图1和图2说明，本实施方式所述发电系统还包括两套抱闸制动器16，转轴4的两端的端部分别安装有一套抱闸制动器16。如此设置，当水轮发电机在运行中出现甩负荷情况时，控制系统启动抱闸和平台提升系统，抑制水轮机发生飞车事故。其它与具体实施方式八相同。

[0029] 具体实施方式十：结合图1和图2说明，本实施方式所述发电系统还包括四个电子式液位开关13、两个行程开关23和两个埋置式检温计26，位于水轮机上部的每套轴承平台6上分别安装有两个电子式液位开关13，每个支撑板28的下表面上分别安装有一个行程开关23，每个轴瓦9上安装有一个埋置式检温计26。如此设置，电子式液位开关可以与各自的电路控制，达到水轮机和发电机运行标高，随着河床水位跟踪控制运行标高和转速的目的，也起到了自动和迅速安全度汛的目的；电子式液位开关与行程开关配合使用，保障了轴瓦安全和水轮机平台的稳固性；埋置式检温计用于监视轴瓦的运行情况。其它与具体实施方式九相同。

[0030] 工作过程

[0031] 天然河道横断面上流速的分布形态,是河流的重要特性之一,它具有的特征是：3
水体的密度是空气的773.4多倍（纯水在4℃时的密度最大，为1000Kg/m，空气在20摄氏
3
度时的密度是1.205Kg/m），水体流动的动力是空气流动（风力）的773.4多倍。河流作为流体的一种形态，具有三种形式的机械能，即质量为m的水体具有的三种机械能为：

[0032] (1)流体受重力作用在不同高度处所具有的能量称为位能，即U＝m×g×z；

[0033] (2)在流动的流体内部任意一处都有相应的压强，流体所具有的这种能量称为压能或流动功，即E＝（m×g×p）/γ；

[0034] (3)流体以一定速度流动时所具有的能量称为动能，即W＝1/（2×m×ν2）。

[0035] 式中：

[0036] m—水的质量；

[0037] m＝ρ（密度）V（体积）＝1×103×(2/1000)＝2千克；

[0038] g—重力加速度，取g=9.8m/s2；

[0039] z—水体相对某一基准平面的位置高度（m）；

[0040] γ—水的容重，取γ＝9810N/m3；

[0041] ν—水流过水断面的平导流速（m/s）；

[0042] p—水体内某一点的压力（Pa）,p＝γ·h；h为高度，m。

[0043] 上述三种能量均为流体在截面处所具有的机械能，三者之和称为某截面上的总机械能。本发明中的水力发电，主要是利用蕴藏于水体中三种机械能，将流体中的机械能转换为电能。

[0044] 另外，通过对自由河道过水断面分析可知，对于自由表面的河流，在河流表面中心线上的水质点流速最高，与河床固体表面接触的水质点流速为零，水质点的流速按抛物线规律分布，可见水体流动的动能具有优化利用和合理利用价值。

[0045] 譬如，根据水文统计资料，某内陆江河水流最高流速约为2.7m/s，在设计中拟取用流速为1.7m/s～2.2m/s左右。另根据水力发电单机功率P=ρ·g·Q·h/η和流量Q=ν·S关系式,发电水头h（2.5m）、水的密度ρ、重力加速度g及机组效率η一定的情况下，流量Q中的流速ν和过流截面S起到重要作用。由于卧式转轴结构和尺寸已定，落差和过流截面基本上是常数，所以水流的流速ν是非常重要参数，本发明可拟建规模按500kw-1000kw/座水力发电机组。

[0046] （1）实施区域

[0047] 本发明可在具有河流多、河道宽、河水浅、流量小、淹没大、季节性封冻、水电建设投资高、水能资源还未得到利用情况下流出国界的资源环境和特点的区域实现水资源可持续利用。

[0048] （2）水电站厂址选择

[0049] a.选择江（河）道不易变迁、河床比较稳固的区段。

[0050] b.选择枯水期江（河）水面宽度12米以上、水深度大于1.0米、水体流速大于2.2m/s以上的区段。

[0051] c.选择电站送出线路较短、变电所接入条件较好的区段。

[0052] d.选择交通运输相对便利、移动通讯畅通的区段。

[0053] e.选择不影响水运航道、防洪设施、取水设施、桥梁构筑物、电网送电线路的区段。

[0054] f.河床要相对平坦，河道不易有200mm以上不稳固的大块石头。

[0055] （3）工厂化加工配件

[0056] 卧式转轴，二段式折弯叶片，轴承平台，发电平台，升降螺杆，滑轮组，抱闸制动器，增速齿轮组，滤网和导流板。

[0057] （4)采购产品

[0058] 卧式弹性金属塑料轴瓦，螺杆、蜗轮及电机，电子式液位开关，水泵，永磁发电机，行程开关等。

[0059] （5）施工程序

[0060] a.夏季施工：河道两侧的Π型框架，凹槽，导流体，导流板和电缆管，滑轮轨道，检修滑道。其主要工程量为：桩基施工，Π型框架现浇钢筋砼，送出线路及变电所母线设备施工。

[0061] b.冬季施工：在河道封冻期运输和吊装轴承平台和发电机平台，卧式转轴，螺杆，螺杆，蜗轮，电机，增速齿轮组和永磁发电机。

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