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一种利用潮汐发电的双向贯流式 水轮机

阅读：748发布：2020-05-27

专利汇可以提供一种利用潮汐发电的双向贯流式水轮机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种利用潮汐发电的双向贯流式水轮机，它包括正向进水流道、竖井、支撑架、双向发电转轮、反向进水流道、发电机和增速器，其特征在于还包括前置等宽活动导叶和后置等宽活动导叶；前置等宽活动导叶设置在正向进水流道和双向发电转轮之间；后置等宽活动导叶设置在双向发电转轮与反向进水流道之间；正向进水流道为正向椭圆形截面，其短轴与长轴之比为黄金分割比；反向进水流道为反向椭圆形截面，其短轴与长轴之比为黄金分割比。本发明采用椭圆形水流道和前后对称等宽活动导叶双重措施，大大提高了水轮机运行效能的复合功效，使得发电机组发电的总效率显著提高，适用于替代各种低水头潮汐电站的贯流式水轮机。，下面是一种利用潮汐发电的双向贯流式水轮机专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种利用潮汐发电的双向贯流式水轮机，它包括正向进水流道（1）、竖井（2）、支撑架（5）、双向发电转轮（7）、反向进水流道（9）、发电机（3）和增速器（4），其中：发电机（3）与双向发电转轮（7）通过增速器（4）连接；发电机（3）和增速器（4）置于竖井（2）中；其特征在于还包括前置等宽活动导叶（6）和后置等宽活动导叶（8）；该前置等宽活动导叶（6）设置在正向进水流道（1）和双向发电转轮（7）之间；该后置等宽活动导叶（8）设置在双向发电转轮（7）与反向进水流道（9）之间；所述前置等宽活动导叶（6）和后置等宽活动导叶（8）的纵向截面均为两端流线尖翼形，对称地布置在双向发电转轮（7）两侧，各导叶两端为球面结构，各导叶内球面与外球面扭曲角度为10°～15°；所述前置等宽活动导叶（6）和后置等宽活动导叶（8）设置的导叶转动中心线（12）与机组转动中心线（19）之间的夹角θ为80°，各导叶构成的封水面与机组转动中心线（19）呈悬空交叉分布，各导叶中间截面型线上20个点在直角坐标系中的坐标如下表1：
表1
序号 x y 序号 x y
6001 -145.99 0 6011 166.95 0
6002 -128 3.15 6012 128 -4.22
6003 -96 7.83 6013 96 -7.83
6004 -64 10.8 6014 64 -11.5
6005 -32 13.62 6015 32 -14.34
6006 0 15.25 6016 0 -15.25
6007 32 14.34 6017 -32 -13.62
6008 64 11.5 6018 -64 -10.8
6009 96 7.83 6019 -96 -7.83
6010 128 4.22 6020 -128 -3.15
拟合后的两条曲线方程分别为：
5 4 3 2
y = 3E-11x + 9E-09x - 7E-07x - 0.0008x + 0.0067x + 14.806；
5 4 3 2
y = -3E-11x - 9E-09x + 7E-07x + 0.0008x - 0.0067x - 14.806；
所述正向进水流道为正向椭圆形截面（15），该正向椭圆形截面（15）的短轴与长轴之比为黄金分割比；从正向进水截面至前置等宽活动导叶（6）段前的进水截面的椭圆形短轴与长轴之比线性递增，在进入前置等宽活动导叶（6）段前的进水截面的短轴与长轴之比转变为1，即由正向椭圆形截面（15）转变为正向圆形截面（16）；所述反向进水流道（9）为反向椭圆形截面（17），该反向椭圆形截面（17）的短轴与长轴之比为黄金分割比；从反向进水截面至后置等宽活动导叶（8）段前的进水截面的椭圆短轴与长轴之比线性递增，在进入后置等宽活动导叶（8）段前的进水截面的短轴与长轴之比转变为1，即由反向椭圆形截面（17）转变为反向圆形截面（18）；所述的竖井（2）的横截面呈流线型。
2.根据权利要求1所述的一种利用潮汐发电的双向贯流式水轮机，其特征在于前置等宽活动导叶（6）和后置等宽活动导叶（8）对称设置在转轮两侧。
3.根据权利要求1所述的一种利用潮汐发电的双向贯流式水轮机，其特征在于前置等宽活动导叶（6）和后置等宽活动导叶（8）设置的导叶转动中心线（12）与机组转动中心线（19）之间的夹角θ为80°，前置等宽活动导叶（6）和后置等宽活动导叶（8）构成的封水面与机组转动中心线（19）呈悬空交叉分布。
4.根据权利要求1所述的一种利用潮汐发电的双向贯流式水轮机，其特征在于所述前置等宽活动导叶（6）与后置等宽活动导叶（8）的两端宽度相等。
5.根据权利要求1所述的一种利用潮汐发电的双向贯流式水轮机，其特征在于前置等宽活动导叶（6）和后置等宽活动导叶（8）分别沿周向均匀对称分布设置，其数量各为10片、
12片或14片。
6.根据权利要求1、2、3、4和5所述的一种利用潮汐发电的双向贯流式水轮机，其特征在于前置等宽活动导叶（6）和后置等宽活动导叶（8）对水流流量和水流方向进行控制，当正向发电时，后置等宽活动导叶（8）角度为保持全开状态；当反向发电时，前置等宽活动导叶（6）角度为保持全开状态，前置等宽活动导叶（6）或后置等宽活动导叶（8）从导叶全开状态（13）至导叶全关状态（14）的角度为88°。
7.根据权利要求1所述的一种利用潮汐发电的双向贯流式水轮机，其特征在于竖井（2）的横截面呈流线型。

说明书全文

一种利用潮汐发电的双向贯流式水轮机

[0001]

技术领域

[0002] 本发明属于流体机械及水电工程设备技术领域，特别是涉及一种利用潮汐发电的双向贯流式水轮机。

[0003]

背景技术

[0004] 随着我国水电资源的大规模开发，属于经济指标好的中、高水头站点已经越来越少，随之开发低水头径流式电站特别是对潮汐能的开发利用已成为研究的热点并进入实用性阶段。公知的贯流式水轮机因其过流量大、转速高和效率高，且高效区宽、结构紧凑和布置简单等优点而成为低水头水能资源开发中的一种最经济和适宜的水轮机型式，如何利用这些优点开发出一种能够应用于潮汐电站的、高效的低水头、大流量双向竖井贯流式机组具有重大意义。

[0005] 中国专利申请201110363608.7公开了一种“大型竖井贯流式水轮发电机组”，该装置是在混凝土竖井的两侧分别设置绕过竖井的水流流道，竖井的横截面呈流线型，水流在水轮机的活动导叶处汇合后进入水轮机的转轮室。但该装置流道采用矩形截面，从进口截面到导叶进口截面为方圆过渡，在三维仿真建模及制造过程中都较复杂，实际应用效果也不佳。

[0006] 公知技术还显示，现有双向潮汐发电电站大多采用活动导叶为前置导叶的结构。如中国专利申请201210511304.5公开了一种“低水头竖井贯流双向高效水轮机转轮及其机电装置和配套流道”，该装置包括流道和机电部分，所述流道部分主要包括进水段、竖井段、导叶段、转轮段和尾水管段；所述机电部分主要包括发电机、增速器、活动导叶、主轴和水轮机。该装置采用前置活动导叶的结构，虽然可通过调节活动导叶和叶片的配合角度，产生较好的正向发电的水力性能，但在反向发电时，因没有后置活动导叶，水流在进入转轮前没有形成一定的环量，不能与叶片较好地配合，导致反向发电水力性能较差。

[0007] 杨春霞发表的论文“采用单侧-双侧活动导叶的潮汐机组双向发电性能研究（Bidirectional Power Performance of a Tidal Unit with Unilateral and Double Guide Vanes）”，研究了采用单侧与双侧活动导叶两种不同形式导叶对贯流式潮汐机组水力性能的影响，当采用双侧活动导叶时，其正向发电效率为85.81%、反向发电效率为80.66%，正向和反向发电的总效率优于采用单侧活动导叶形式；虽然采用双侧活动导叶可提高发电效率，但同时还存在如下不足：当正向或反向发电时，水流经出水导叶进入出水流道后将产生漩涡,既导致正向发电效率降低，又影响反向发电效率提高。

[0008] 针对双向潮汐发电机组运行工况复杂，要求正向水轮机工况和反向水轮机工况都要具备较高的效率，才能保证发电机组总体运行效能达到最高，而现有的水力设计方法尚达不到最大的发电量。如何克服现有技术的不足已成为当今流体机械及水电工程设备技术领域中亟待解决的重点难题之一。

[0009]

发明内容

[0010] 本发明的目的是为克服现现有技术的不足而提供一种利用潮汐发电的双向贯流式水轮机，本发明采用椭圆形流道和前后对称等宽活动导叶，能够提高发电机组发电的总效率，适用于替代各种低水头潮汐电站的贯流式水轮机。

[0011] 根据本发明提出的一种利用潮汐发电的双向贯流式水轮机，它包括正向进水流道、竖井、支撑架、双向发电转轮、反向进水流道、发电机和增速器，其中：发电机与双向发电转轮通过增速器连接；发电机和增速器置于竖井中；其特征在于还包括前置等宽活动导叶和后置等宽活动导叶；该前置等宽活动导叶设置在正向进水流道和双向发电转轮之间；该后置等宽活动导叶设置在双向发电转轮与反向进水流道之间；所述前置等宽活动导叶和后置等宽活动导叶的纵向截面均为两端流线尖翼形，对称地布置在双向发电转轮两侧，各导叶两端为球面结构，各导叶内球面与外球面扭曲角度为10°~15°；所述前置等宽活动导叶和后置等宽活动导叶设置的导叶转动中心线与机组转动中心线之间的夹角θ为80°，各导叶构成的封水面与机组转动中心线呈悬空交叉分布，各导叶中间截面型线上20个点在直角坐标系中的坐标如下表1：表1
序号 x y 序号 x y
6001 -145.99 0 6011 166.95 0
6002 -128 3.15 6012 128 -4.22
6003 -96 7.83 6013 96 -7.83
6004 -64 10.8 6014 64 -11.5
6005 -32 13.62 6015 32 -14.34
6006 0 15.25 6016 0 -15.25
6007 32 14.34 6017 -32 -13.62
6008 64 11.5 6018 -64 -10.8
6009 96 7.83 6019 -96 -7.83
6010 128 4.22 6020 -128 -3.15
拟合后的两条曲线方程分别为：
5 4 3 2
y = 3E-11x + 9E-09x - 7E-07x - 0.0008x + 0.0067x + 14.806；
5 4 3 2
y = -3E-11x - 9E-09x + 7E-07x + 0.0008x - 0.0067x - 14.806；
所述正向进水流道为正向椭圆形截面，该正向椭圆形截面的短轴与长轴之比为黄金分割比；从正向进水截面至前置等宽活动导叶段前的进水截面的椭圆形短轴与长轴之比线性递增，在进入前置等宽活动导叶段前的进水截面的短轴与长轴之比转变为1，即由正向椭圆形截面转变为正向圆形截面；所述反向进水流道为反向椭圆形截面，该反向椭圆形截面的短轴与长轴之比为黄金分割比；从反向进水截面至后置等宽活动导叶段前的进水截面的椭圆短轴与长轴之比线性递增，在进入后置等宽活动导叶段前的进水截面的短轴与长轴之比转变为1，即由反向椭圆形截面转变为反向圆形截面；所述竖井的横截面呈流线型。

[0012] 本发明的工作原理是：将发电机设置在贯流式水轮机的上游的竖井中，竖井的断面呈流线型。当正向发电时，水流进入椭圆形截面的正向进水流道，绕过竖井，在贯流式水轮机的前置等宽活动导叶处汇合并进入贯流式水轮机的转轮室，水流冲击转轮桨叶，通过转轮桨叶转换能量带动贯流式水轮机输出轴旋转，此时后置等宽活动导叶为全开状态，水流通过后置等宽活动导叶，经反向进水流道流出；当反向发电时，水流由反向进水流道流入，水流通过后置等宽活动导叶进入贯流式水轮机的转轮室，水流冲击转轮桨叶，通过转轮桨叶转换能量带动贯流式水轮机输出轴旋转，此时前置等宽活动导叶为全开状态，水流通过前置等宽活动导叶，绕过竖井，经正向进水流道流出。本发明与现有技术相比其显著优点在于：一是本发明采用椭圆形截面的水流道，大大降低了三维建模及制造难度，从而保证了水流在流道中平滑、顺畅和流动对称，提高了水轮机的运行效能。二是本发明既能保证导叶开启时的导叶转动灵活、过流量大和导水性能好，又能保证导叶关闭时的导叶两端的啮合面封水性能更佳。三是本发明采用椭圆形水流道和前后对称等宽活动导叶双重措施，大大提高了水轮机运行效能的复合功效，当正向发电时，通过调节前置等宽活动导叶角度，使水流在进入转轮前形成一定的环量，保持很好的正向发电的水力性能，如在额定水头为2.5米时，本发明可使正向发电效率达到92%；当反向发电时，通过调节后置等宽活动导叶角度，使水流在进入转轮前形成一定的环量，大大提高反向发电效率，如在额定水头为2.5米时，本发明可使反向发电效率达到85%。四是本发明在额定工况时，本发明的叶片安放角为70°、叶片角度调整范围为-4°至+4°，同时运行过程中的转轮桨叶和导叶保持协同作用，从而提高了发电效率，特别是在水头变幅及流量变化大的情况下均能够平稳发电且保持较高的发电效率。五是本发明在水头较低时，如水头为2米时仍然能够正常发电，大大突破了现有技术发电条件的极限值。本发明广泛适用于替代各种低水头潮汐电站的竖井贯流式水轮机。

[0013]附图说明

[0014] 图1是本发明提出的一种利用潮汐发电的双向贯流式水轮机的俯视图。

[0015] 图2是本发明提出的一种利用潮汐发电的双向贯流式水轮机的正视图。

[0016] 图3是本发明提出的前置等宽活动导叶与后置等宽活动导叶的布置结构示意图。

[0017] 图4是本发明提出的前置等宽活动导叶外形结构示意图。

[0018] 图5是本发明提出的后置等宽活动导叶外形结构示意图。

[0019] 图6是本发明提出的导叶中间截面型线示意图。

[0020] 图7是本发明提出的叶片内缘截面型线示意图。

[0021] 图8是本发明提出的叶片外缘截面型线示意图。

[0022] 图9是本发明提出的正向椭圆形进水流道示意图。

[0023] 图10是本发明提出的反向椭圆形进水流道示意图。

[0024] 附图标记说明：正向进水流道（1）、竖井（2）、发电机（3）、增速器（4）、支撑架（5）、前置等宽活动导叶（6）、双向发电转轮（7）、后置等宽活动导叶（8）、反向进水流道（9）、导叶内球面（10）、导叶外球面（11）、导叶转动中心线（12）、导叶全开状态（13）、导叶全关状态（14）、正向椭圆形截面（15）、正向圆形截面（16）、反向椭圆形截面（17）、反向圆形截面（18）；导叶转动中心线（12）和机组转动中心线（19）之间的夹角为θ。

[0025]

具体实施方式

[0026] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

[0027] 结合图1、图2和图6，本发明提出的一种利用潮汐发电的双向贯流式水轮机，它包括正向进水流道（1）、竖井（2）、支撑架（5）、双向发电转轮（7）、反向进水流道（9）、发电机（3）和增速器（4），所述发电机（3）与双向发电转轮（7）通过增速器（4）连接；发电机（3）和增速器（4）置于竖井（2）中；其中：还包括前置等宽活动导叶（6）和后置等宽活动导叶（8）；该前置等宽活动导叶（6）设置在正向进水流道（1）和双向发电转轮（7）之间；该后置等宽活动导叶（8）设置在双向发电转轮（7）与反向进水流道（9）之间；所述前置等宽活动导叶（6）和后置等宽活动导叶（8）的纵向截面均为两端流线尖翼形，对称地布置在双向发电转轮（7）两侧，各导叶两端为球面结构，各导叶内球面与外球面扭曲角度为10°~15°；所述前置等宽活动导叶（6）和后置等宽活动导叶（8）设置的导叶转动中心线（12）与机组转动中心线（19）之间的夹角θ为80°，各导叶构成的封水面与机组转动中心线（19）呈悬空交叉分布，各导叶中间截面型线上20个点在直角坐标系中的坐标如上述表1所示，拟合后的两条曲线方程分别为：
5 4 3 2
y = 3E-11x + 9E-09x - 7E-07x - 0.0008x + 0.0067x + 14.806；
5 4 3 2
y = -3E-11x - 9E-09x + 7E-07x + 0.0008x - 0.0067x - 14.806；
所述正向进水流道为正向椭圆形截面（15），该正向椭圆形截面（15）的短轴与长轴之比为黄金分割比；从正向进水截面至前置等宽活动导叶（6）段前的进水截面的椭圆形短轴与长轴之比线性递增，在进入前置等宽活动导叶（6）段前的进水截面的短轴与长轴之比转变为1，即由正向椭圆形截面（15）转变为正向圆形截面（16）；所述反向进水流道（9）为反向椭圆形截面（17），该反向椭圆形截面（17）的短轴与长轴之比为黄金分割比；从反向进水截面至后置等宽活动导叶（8）段前的进水截面的椭圆短轴与长轴之比线性递增，在进入后置等宽活动导叶（8）段前的进水截面的短轴与长轴之比转变为1，即由反向椭圆形截面（17）转变为反向圆形截面（18）；所述的竖井（2）的横截面呈流线型。本发明适用于单机出力为
100kW～150kW、水头应用范围为2m～4m的水轮机。

[0028] 结合图3、图4和图5，本发明进一步的优选方案是：所述前置等宽活动导叶（6）和后置等宽活动导叶（8）对称设置在转轮两侧；所述前置等宽活动导叶（6）和后置等宽活动导叶（8）设置的导叶转动中心线（12）与机组转动中心线（19）之间的夹角θ为80°，前置等宽活动导叶（6）和后置等宽活动导叶（8）构成的封水面与机组转动中心线（19）呈悬空交叉分布；前置等宽活动导叶（6）与后置等宽活动导叶（8）的两端宽度相等；所述前置等宽活动导叶（6）和后置等宽活动导叶（8）分别沿周向均匀对称分布设置，其数量各为10片、12片或14片；所述前置等宽活动导叶（6）和后置等宽活动导叶（8）对水流流量和水流方向进行控制；当正向发电时，后置等宽活动导叶（8）角度为保持全开状态；当反向发电时，前置等宽活动导叶（6）角度为保持全开状态，前置等宽活动导叶（6）或后置等宽活动导叶（8）从导叶全开状态（13）至导叶全关状态（14）的角度为88°；所述竖井（2）的横截面呈流线型。

[0029] 结合图7，所述双向发电转轮（7）为对称翼形、以其直径1.6m为例、前置等宽活动导叶（6）和后置等宽活动导叶（8）的各叶片内缘截面采用由两端首尾相连接的曲线组成的闭合曲线，各叶片的中间截面型线上共有20个点，各点在直角坐标系中的位置如下表2：表2
序号 x y 序号 x y
7101 -327.15 63.75 7111 324.8 398.56
7102 -280 116.13 7112 280 326.59
7103 -210 172.73 7113 210 265.32
7104 -140 210.59 7114 140 236.06
7105 -70 232.98 7115 70 216.53
7106 0 252.23 7116 0 196.69
7107 70 271.78 7117 -70 177.14
7108 140 291.71 7118 -140 157.21
7109 210 322.97 7119 -210 126.12
7110 280 366.37 7120 -280 90.86
契合后的两条曲线方程分别为：
y = -5E-15x6 - 1E-12x5 - 7E-10x4 + 3E-06x3 - 6E-05x2 + 0.2444x + 252.56y = 4E-14x6 + 1E-11x5 - 2E-10x4 + 9E-07x3 - 8E-05x2 + 0.2632x + 197.23
结合图8，所述双向发电转轮（7）为对称翼形、以其直径1.6m为例、前置等宽活动导叶（6）和后置等宽活动导叶（8）的各叶片外缘截面采用由两端首尾相连接的曲线组成的闭合曲线，各叶片的中间截面型线上共有20个点，各点在直角坐标系中的位置如下表3：
表3
序号 x y 序号 x y
7201 -476.6 293.08 7211 598.04 276.26
7202 -330 316.95 7212 550 270.93
7203 -220 322.75 7213 440 269.41
7204 -110 323.05 7214 330 271.08
7205 0 316.75 7215 220 277.36
7206 110 309.78 7216 110 284.84
7207 220 302.06 7217 0 292.72
7208 330 294.56 7218 -110 297.81
7209 440 286.38 7219 -220 300.37
7210 550 278.62 7220 -330 297.71
契合后的两条曲线方程分别为：
y = 6E-16x6 - 2E-13x5 - 4E-10x4 + 3E-07x3 - 7E-05x2 - 0.0607x + 317.01
y = 7E-16x6 - 5E-13x5 - 7E-11x4 + 3E-07x3 - 7E-05x2 - 0.0642x + 292.39
结合图9，本发明所述正向进水流道（1）为正向椭圆形截面（15），该正向椭圆形截面（15）的短轴与长轴之比为黄金分割比；从正向进水截面至正向活动导叶（6）段前的进水截面的椭圆形短轴与长轴之比线性递增，在进入正向导叶（6）段前的进水截面的短轴与长轴之比转变为1，即由正向椭圆形截面（15）变为正向圆形截面（16）。

[0030] 结合图10，本发明所述反向进水流道（9）为反向椭圆形截面（17），该反向椭圆形截面（17）的短轴与长轴之比为黄金分割比；从反向进水截面至反向活动导叶（8）段前的进水截面的椭圆短轴与长轴之比线性递增，在进入反向导叶（8）段前的进水截面的短轴与长轴之比转变为1，即由反向椭圆形截面（17）转变为反向圆形截面（18）。

[0031] 本发明的实施过程为：将发电机（3）布置在水轮机的上游的竖井（2）中，竖井（2）的断面呈流线型；当正向发电时，水流进入椭圆形截面的正向进水流道（1），绕过竖井（2），在贯流式水轮机的前置等宽活动导叶（6）处汇合、并进入贯流式水轮机的转轮室，水流冲击双向发电转轮（7）桨叶，通过双向发电转轮（7）桨叶转换能量带动贯流式水轮机输出轴旋转，此时后置等宽活动导叶（8）为全开状态，水流通过后置等宽活动导叶（8），经反向进水流道（9）流出；当反向发电时，水流由反向进水流道（9）流入，水流通过后置等宽活动导叶（8）进入贯流式水轮机的转轮室，水流冲击双向发电转轮（7）桨叶，通过双向发电转轮（7）桨叶转换能量带水轮机输出轴旋转，此时前置等宽活动导叶（6）为全开状态，水流通过前置等宽活动导叶（6），绕过竖井（2），经正向进水流道（1）流出。本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。

[0032] 本发明经反复试验验证，取得了满意的应用效果。

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一种利用潮汐发电的双向贯流式水轮机

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