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带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式 水轮机系统

阅读：2发布：2021-06-13

专利汇可以提供带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统，包括贯流式水轮发电机组，其特征在于，还包括伯努利螺线形尾水流增流装置和尾水流状态控制器，伯努利螺线形尾水流增流装置由受力感应单元、增流传动单元、增流释放单元和带伯努利螺线形转轮叶片的伯努利螺线形转轮单元依次平行轴向设置，伯努利螺线形转轮叶片是根据伯努利螺线沿伯努利螺线形转轮轮毂轴向逐渐拉伸，呈空间交叉扭曲形状均匀布置在伯努利螺线形转轮轮毂的周向内壁上，尾水流状态控制器分别控制贯流式水轮发电机组转轮叶片的叶片角度β1的大小、伯努利螺线形转轮叶片的叶片角度β2的大小以及感应驱动杆的移动距离x的大小。本发明能够将尾水流中的剩余动能用于发电。，下面是带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统，包括带尾水管(11)的贯流式水轮发电机组，其特征在于，还包括伯努利螺线形尾水流增流装置(13)和尾水流状态控制器(12)，所述伯努利螺线形尾水流增流装置(13)由受力感应单元、增流传动单元、增流释放单元和带伯努利螺线形转轮叶片(13-15)的伯努利螺线形转轮单元依次平行轴向设置；
所述伯努利螺线形尾水流增流装置(13)设置在贯流式水轮发电机组的尾水管(11)的出口端，所述尾水流状态控制器(12)分别控制贯流式水轮发电机组转轮叶片(8)的叶片角度β1的大小、伯努利螺线形转轮叶片(13-15)的叶片角度β2的大小以及感应驱动杆(13-2)的移动距离x的大小，且所得偏差Δβ1、Δβ2和Δx能够对结果进行校正；所述伯努利螺线形转轮单元包括导流罩进水侧(13-14)、伯努利螺线形转轮叶片(13-15)、伯努利螺线形转轮轮毂(13-16)、导流罩(13-17)、导流罩出水侧(13-18)、转轮支撑(13-19)，所述伯努利螺线形转轮叶片(13-15)、伯努利螺线形转轮轮毂(13-16)置于导流罩(13-17)内，所述伯努利螺线形转轮叶片(13-15)是根据伯努利螺线沿伯努利螺线形转轮轮毂(13-16)轴向逐渐拉伸，呈空间交叉扭曲形状均匀布置在伯努利螺线形转轮轮毂(13-16)的周向内壁上，不同轴向距离的翼型截面曲线关键点坐标如下表所示，X、Y分别代表关键点的空间坐标值，距离轮毂前缘轴向50cm处的坐标如表1所示：
表1
序号 X Y 序号 X Y
1 70.780 -35.680 11 71.740 -3.960
2 81.080 -37.420 12 81.820 -2.280
3 91.360 -39.180 13 91.900 -0.620
4 101.660 -40.920 14 101.980 1.060
5 111.940 -42.660 15 112.060 2.720
6 122.240 -44.400 16 122.140 4.400
7 132.540 -46.140 17 132.220 6.060
8 142.820 -47.880 18 142.300 7.740
9 153.120 -49.620 19 152.400 9.400
10 163.400 -51.360 20 162.480 11.080
拟合后的两条曲线方程为：
左弦：y＝-0.1693x-23.707；
右弦：y＝0.1657x-15.841；
距离轮毂的前缘轴向100cm处的坐标如表2所示：
表2
序号 X Y 序号 X Y
1 77.640 50.560 11 64.360 68.800
2 88.700 58.380 12 73.640 78.560
3 99.740 66.220 13 82.900 88.320
4 110.800 74.060 14 92.160 98.060
5 121.860 81.900 15 101.420 107.820
6 132.900 89.740 16 110.680 117.580
7 143.960 97.580 17 119.940 127.340
8 155.020 105.420 18 129.220 137.100
9 166.060 113.260 19 138.480 146.840
10 177.120 121.100 20 147.740 156.600
拟合后的两条曲线方程分别为：
左弦：y＝0.7092x-4.5166；
右弦：y＝1.0531x+1.0168；
距离轮毂的前缘轴向200cm处的坐标如表3所示：
表3
拟合后的两条曲线方程分别为：
左弦：y＝-0.0788x-21.727；
右弦：y＝0.0726x-17.61。
2.根据权利要求1所述的带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统，其特征在于，增流式水轮机系统的输出功率P与贯流式水轮发电机组转轮叶片(8)的叶片角度β1、伯努利螺线形转轮叶片(13-15)的叶片角度β2和感应驱动杆(13-2)的移动距离x的关系式为：式中：ρ为水的密度，ρ取值为1000kg/m3、Q为通过增
流式水轮机系统的流量；增流式水轮机系统的控制参数如表4所示。
表4
3.根据权利要求2所述的带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统，其特征在于，所述伯努利螺线形尾水流增流装置(13)的受力感应单元包括受力感应板(13-1)和感应驱动杆(13-2)，所述增流传动单元包括齿轮(13-3)、齿条(13-5)、增流平衡弹簧(13-
4)，所述增流释放单元包括上活动连杆(13-7)、下活动连杆(13-6)、上滑轮(13-8)、下滑轮(13-9)、上轨道(13-11)、下轨道(13-12)、上控流板(13-10)、下控流板(13-13)；所述受力感应板(13-1)与感应驱动杆(13-2)连接，所述感应驱动杆(13-2)与齿轮(13-3)固定连接，所述齿轮(13-3)与齿条(13-5)啮合，所述齿条(13-5)的右端与增流平衡弹簧(13-4)的左端连接，所述齿条(13-5)的左端分别与上活动连杆(13-7)的一端和下活动连杆(13-6)的一端连接，所述上活动连杆(13-7)通过上滑轮(13-8)与上控流板(13-10)连接，所述下活动连杆(13-6)通过下滑轮(13-9)与下控流板(13-13)连接，所述上控流板(13-10)与上滑轮(13-8)镶嵌在上轨道(13-11)中，所述下控流板(13-13)与下滑轮(13-9)镶嵌在下轨道(13-12)中。
4.根据权利要求3所述的带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统，其特征在于，所述尾水流状态控制器(12)包括功率控制器、信号处理器、液压控制器(17)和执行机构，所述执行机构包括推盘(15)和转动杆(14)，所述贯流式水轮发电机组轮毂(10)和伯努利螺线形转轮轮毂(13-16)内分别设置执行机构，所述推盘(15)通过转动杆(14)分别与贯流式水轮发电机组转轮叶片(8)、伯努利螺线形转轮叶片(13-15)的中心连接，所述转动杆(14)绕贯流式水轮发电机组转轮叶片(8)及伯努利螺线形转轮叶片(13-15)中心转动，所述液压控制器活塞杆(16)与推盘(15)连接，所述伯努利螺线形尾水流增流装置(13)中的受力感应板(13-1)受信号处理器的控制信号控制。
5.根据权利要求4所述的带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统，其特征在于，所述伯努利螺线形转轮叶片(13-15)的数量为2～5片。
6.根据权利要求5所述的带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统，其特征在于，所述伯努利螺线形转轮轮毂(13-16)的直径Dh与伯努利螺线形转轮叶片(13-15)的最小直径D4的比值为1.12～1.62。
7.根据权利要求6所述的带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统，其特征在于，所述伯努利螺线形转轮叶片(13-15)的最大直径D5与伯努利螺线形转轮叶片(13-15)的最小直径D4的比值为2.12～2.64。
8.根据权利要求7所述的带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统，其特征在于，所述导流罩(13-17)的进口内径D1与伯努利螺线形转轮叶片(13-15)的最小直径D4的比值为4.10～5.50。
9.根据权利要求8所述的带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统，其特征在于，所述导流罩(13-17)的进口外径D2与伯努利螺线形转轮叶片(13-15)的最小直径D4的比值为4.34～5.65。
10.根据权利要求9所述的带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统，其特征在于，所述导流罩(13-17)的出口直径D3与伯努利螺线形转轮叶片(13-15)的最小直径D4的比值为5.46～6.78。
11.根据权利要求10所述的带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统，其特征在于，所述受力感应板(13-1)的面积a满足关系式：式中：A为上控流板(13-10)或下控流板(13-13)的面积、Q0为额定功率时的流量、F为额定功率时受力感应板(13-1)受到的力。
12.根据权利要求11所述的带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统，其特征在于，所述感应驱动杆(13-2)的长度为50～90cm，所述齿轮(13-3)的齿数为35～55个，所述齿条(13-5)的长度30～90cm，所述增流平衡弹簧(13-4)的长度为20～35cm。
13.根据权利要求12所述的带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统，其特征在于，所述转动杆(14)与推盘(15)采用螺栓连接，螺栓的数量为3～6个；所述转动杆(14)的结构为直角结构，所述转动杆(14)的数量分别与贯流式水轮发电机组转轮叶片(8)及伯努利螺线形转轮叶片(13-15)的数量相等。

说明书全文

带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式 水轮机系统

技术领域

[0001] 本发明属于水力发电技术领域，特别是涉及一种带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统。

背景技术

[0002] 我国低水头水力资源十分丰富，该资源一般处于江河中下游的经济发达地区。近些年，这些地区经济发展迅速，用电需求增速飞快。但是这些地区一般都是能源紧张地区，可开发的中、高水头水力资源早在20世纪90年代以前就已开发完毕。为了满足该地区经济迅速发展的需要，人们又转而开发低水头资源。贯流式水电站是开发低水头水力资源最好的方式，一般应用于25m水头以下。它与中、高水头电站、低水头立式轴流电站相比，具有流道简单、过流通道的水力损失小、机组结构紧凑、建设周期短、投资小、收效快、淹没移民少等优点。

[0003] 但是，贯流式水轮发电机组结构复杂、体型庞大、机械效率偏低，统计资料表明：贯流式水轮机转轮出口水流的动能约占总水头的45％以上，最大可达90％。虽然有尾水管回收这部分动能，但是由于尾水管的水力设计以及考虑实际工程的开挖量问题，其回收能量的能力还是非常有限的。

[0004] 中国专利申请200810072478.X公开了一种“组合式水能发电装置”，该装置包括若干列安装框，所述各列安装框沿纵向设有若干个横向通水孔道，所述各列安装框上对应设有用以启闭该列安装框的升降阻水板，所述各横向通水孔道上分别设有叶轮，设于同一列的各叶轮转轴后端分别经一对圆锥换向齿轮与一竖向动力传动轴传动连接，以经竖向动力传动轴带动设于竖向动力传动轴上端的发电机工作。该装置虽然可根据河道实际情况，组合形成相适应的坝体式水力发电装置，且结构简单，水流量易于控制，但是该装置并未考虑不同工况时，叶轮的效率会有较大的差别，由此造成整个装置的效率不高，水力性能较差。

[0005] 中国专利申请201410205181.1公开了一种“岸基聚能式波浪能发电装置”，该装置能够聚集波浪能并把波浪转换成管道内的海流，利用海流驱动涡轮发电。同时，岸边收缩水道呈喇叭口型，开口处是椭圆形而透平处是圆形，两者有很大的面积比，因此透平处的水流速度是开口处数倍，起到聚能的作用。该装置施工简单，发电机与海水不接触，可靠性高，而且有效地提高了水流的转换效率。但是，该聚能装置进出口面积固定，不能根据来流速度的大小，动态调整聚能的多少，导致输出的电能频率不稳，品质较差。

[0006] 中国专利申请201510601845.0公开了一种“导流聚能式海浪、潮汐、洋流及风力四合一发电系统”，该系统在基座上设若干个沿圆周均布的弧形导流板，当海浪、潮汐、洋流经过本装置时，海水将在弧形导流板的导向作用下形成海水涡流，由于海水涡流作用使其上方的空气同时形成空气涡流，在海水涡流推动叶轮、空气涡流推动风叶的共同作用下传动管高速旋转，传动管将动能传递给增速机，增速机驱动发电机高速旋转产生电能。该装置克服了现有发电方式单一、发电效率低的问题，实现了大功率发电。但是本装置仅依靠横截面形状为半月牙形的弧形导流板来导流、聚能，其聚能效果微乎其微，因此不能充分利用水能，造成资源的浪费。

[0007] 综上所述，现有的组合式水力发电装置仅为不同数量发电装置的串联，并未考虑工况的改变所造成的装置效率降低的问题，因此均未能充分发挥装置的最大性能。同时，聚能装置仅仅依靠断面面积的缩小来增流，并不能根据来流流量的大小动态调整增流的多少，导致输出的电能频率不定，性能不佳。如何克服现有技术的不足已成为当今水力发电技术领域中亟待解决的重要难题之一。

发明内容

[0008] 本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统，本发明的伯努利螺线形尾水流增流装置可根据上游贯流式水轮发电机组排出的尾水流量大小动态调整增流效果，并通过尾水流状态控制器来分别控制贯流式水轮发电机组和伯努利螺线形尾水流增流装置，从而保证伯努利螺线形尾水流增流装置能够充分利用贯流式水轮发电机组排出的尾水流能量，在提高水能利用率的同时又能够使外部发电机输出品质优良的电能。

[0009] 根据本发明提出的一种带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统，包括带尾水管的贯流式水轮发电机组，其特征在于，还包括伯努利螺线形尾水流增流装置和尾水流状态控制器，所述伯努利螺线形尾水流增流装置由受力感应单元、增流传动单元、增流释放单元和带伯努利螺线形转轮叶片的伯努利螺线形转轮单元依次平行轴向设置；所述伯努利螺线形尾水流增流装置设置在贯流式水轮发电机组的尾水管的出口端，所述尾水流状态控制器分别控制贯流式水轮发电机组转轮叶片的叶片角度β1的大小、伯努利螺线形转轮叶片的叶片角度β2的大小以及感应驱动杆的移动距离x的大小，且所得偏差Δβ1、Δβ2和Δx能够对结果进行校正，从而实现增流式水轮机系统的动态调整；所述伯努利螺线形转轮单元包括导流罩进水侧、伯努利螺线形转轮叶片、伯努利螺线形转轮轮毂、导流罩、导流罩出水侧、转轮支撑，所述伯努利螺线形转轮叶片、伯努利螺线形转轮轮毂置于导流罩内，所述伯努利螺线形转轮叶片是根据伯努利螺线沿伯努利螺线形转轮轮毂轴向逐渐拉伸，呈空间交叉扭曲形状均匀布置在伯努利螺线形转轮轮毂的周向内壁上，不同轴向距离的翼型截面曲线关键点坐标如下表所示，X、Y分别代表关键点的空间坐标值，距离轮毂前缘轴向50cm处的坐标如表1所示：

[0010] 表1

[0011]序号 X Y 序号 X Y
1 70.780 -35.680 11 71.740 -3.960
2 81.080 -37.420 12 81.820 -2.280
3 91.360 -39.180 13 91.900 -0.620
4 101.660 -40.920 14 101.980 1.060
5 111.940 -42.660 15 112.060 2.720
6 122.240 -44.400 16 122.140 4.400
7 132.540 -46.140 17 132.220 6.060
8 142.820 -47.880 18 142.300 7.740
9 153.120 -49.620 19 152.400 9.400
10 163.400 -51.360 20 162.480 11.080

[0012] 拟合后的两条曲线方程为：

[0013] 左弦：y＝-0.1693x-23.707；

[0014] 右弦：y＝0.1657x-15.841；

[0015] 距离轮毂的前缘轴向100cm处的坐标如表2所示：

[0016] 表2

[0017]

[0018]

[0019] 拟合后的两条曲线方程分别为：

[0020] 左弦：y＝0.7092x-4.5166；

[0021] 右弦：y＝1.0531x+1.0168；

[0022] 距离轮毂的前缘轴向200cm处的坐标如表3所示：表3

[0023]序号 X Y 序号 X Y
1 -297.340 1.720 11 -293.440 -38.900
2 -282.040 0.500 12 -278.200 -37.800
3 -266.740 -0.700 13 -262.940 -36.680
4 -251.420 -1.900 14 -247.700 -35.580
5 -236.120 -3.120 15 -232.460 -34.480
6 -220.820 -4.320 16 -217.200 -33.360
7 -205.520 -5.520 17 -201.960 -32.260
8 -190.200 -6.740 18 -186.720 -31.156
9 -174.900 -7.940 19 -171.460 -30.060
10 -159.600 -9.140 20 -156.220 -28.940

[0024] 拟合后的两条曲线方程分别为：

[0025] 左弦：y＝-0.0788x-21.727；

[0026] 右弦：y＝0.0726x-17.61。

[0027] 所述增流式水轮机系统的输出功率P与贯流式水轮发电机组转轮叶片的叶片角度β1及伯努利螺线形转轮叶片的叶片角度β2和感应驱动杆的移动距离x的关系式为：式中：ρ为水的密度，ρ取值为1000kg/m3、Q为通过增流式
水轮机系统的流量；增流式水轮机系统的控制参数如表4所示：

[0028] 表4

[0029]

[0030]

[0031] 所述伯努利螺线形尾水流增流装置的受力感应单元包括受力感应板和感应驱动杆，所述增流传动单元包括齿轮、齿条、增流平衡弹簧，所述增流释放单元包括上活动连杆、下活动连杆、上滑轮、下滑轮、上轨道、下轨道、上控流板、下控流板；所述受力感应板与感应驱动杆连接，所述感应驱动杆与齿轮固定连接，所述齿轮与齿条啮合，所述齿条的右端与增流平衡弹簧的左端连接，所述齿条的左端分别与上活动连杆的一端和下活动连杆的一端连接，所述上活动连杆通过上滑轮与上控流板连接，所述下活动连杆通过下滑轮与下控流板连接，所述上控流板与上滑轮镶嵌在上轨道中，所述下控流板与下滑轮镶嵌在下轨道中。

[0032] 所述尾水流状态控制器包括功率控制器、信号处理器、液压控制器和执行机构，所述执行机构包括推盘和转动杆，所述贯流式水轮发电机组轮毂和伯努利螺线形转轮轮毂内分别设置执行机构，所述推盘通过转动杆分别与贯流式水轮发电机组转轮叶片、伯努利螺线形转轮叶片的中心连接，所述转动杆绕贯流式水轮发电机组转轮叶片及伯努利螺线形转轮叶片中心转动，所述液压控制器活塞杆与推盘连接，所述伯努利螺线形尾水流增流装置中的受力感应板受信号处理器的控制信号控制。

[0033] 本发明的实现原理是：增流式水轮机系统启动后，水流首先经过贯流式水轮发电机组的进水流道，绕过竖井和灯泡体，在贯流式水轮发电机组的导叶处形成速度环量后汇合并进入转轮，水流冲击贯流式水轮发电机组转轮叶片，通过贯流式水轮发电机组转轮叶片将水流的能量转换为旋转机械能，同时通过置于灯泡体内的组合轴承带动发电机转子旋转，将机械能转换为电能，随后水流进入到贯流式水轮发电机组的尾水管，由于尾水中有大量的剩余动能，因此水流继续进入到伯努利螺线形尾水流增流装置；由受力感应板根据来流流量Q的大小，将信号传递给尾水流状态控制器，信号处理器对信号进行处理并反馈，反馈的信号对感应驱动杆进行控制，由感应驱动杆依次带动齿轮、齿条、上活动连杆、下活动连杆，进而对上控流板、下控流板的位置进行调节，实现实时改变增流效果的目的；最后水流通过导流罩进水侧进入伯努利螺线形转轮单元，对伯努利螺线形转轮叶片做功，使剩余的动能转换为伯努利螺线形转轮的旋转机械能，然后将力矩传递给与之相连的外部发电机进行发电，从而实现将机械能再次转换为电能，对贯流式水轮发电机组转轮出口处存在的大量剩余动能进行充分利用。在所述增流式水轮机系统运行过程中，尾水流状态控制器根据流量的大小，通过功率控制器计算出实时的贯流式水轮发电机组及伯努利螺线形转轮单元的最佳叶片角度，与实时的贯流式水轮发电机组转轮叶片的叶片角度β1及伯努利螺线形转轮叶片的叶片角度β2比较，所得偏差Δβ1和Δβ2经PI校正环节后转换为电流信号传递给液压控制器；液压控制器通过与实时的电流对比，控制液压控制器活塞杆进行运动，进而带动推盘运动，通过转动杆最终对贯流式水轮发电机组及伯努利螺线形转轮单元的叶片角度进行调节，使贯流式水轮发电机组和伯努利螺线形转轮单元在不同流量下均可以保持最高效率，从而保证整个增流式水轮机系统在不同工况下的水能利用率最高，输出功率最大。

[0034] 本发明与现有技术相比其显著优点是：

[0035] 第一，本发明提出的带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统是在贯流式水轮发电机组的基础上，增设伯努利螺线形尾水流增流装置和尾水流状态控制器，有效地解决了现有技术普遍存在的贯流式水轮机尾水动能剩余过大的难题，为贯流式水轮发电机组的发展提供了新的解决方案，填补了本领域的技术空白。

[0036] 第二，本发明提出的伯努利螺线形尾水流增流装置，能够根据上游流量的大小，自适应地调节两个控流板的位置，使其在不同的流量下，产生对应的增流效果，为伯努利螺线形转轮单元更好地利用尾水能且输出品质优良的电能提供保障。

[0037] 第三，本发明提出的伯努利螺线形转轮单元的结构简单，尺寸小，加工方便，经济成本低，且伯努利螺线形转轮叶片型线过渡均匀自然，能保持较高的效率，可作为现有技术的升级换代产品。

[0038] 第四，本发明提出的尾水流状态控制器既能够调节控制伯努利螺线形尾水流增流装置的增流效果，又能够根据流量的不同，动态调整贯流式水轮发电机组和伯努利螺线形转轮单元的叶片角度，从而使增流式水轮机系统在不同流量下的水流能利用率最高、输出功率最大。附图说明

[0039] 图1是本发明提出的带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统的整体结构示意图。

[0040] 图2是本发明提出的伯努利螺线形尾水流增流装置处于全关闭状态时的结构示意图。

[0041] 图3是本发明提出的伯努利螺线形尾水流增流装置处于半开启状态时的结构示意图。

[0042] 图4是本发明提出的伯努利螺线形尾水流增流装置处于全开启状态时的结构示意图。

[0043] 图5是本发明提出的伯努利螺线形转轮的立体结构示意图。

[0044] 图6是本发明提出的伯努利螺线形转轮单元的流道尺寸标注位置示意图。

[0045] 图7是本发明提出的尾水流状态控制器的工作原理方框流程示意图。

[0046] 图8是本发明提出的液压控制器与执行机构的连接位置示意图。

[0047] 附图中的编号说明：进水流道1、竖井2、组合轴承3、导叶4、灯泡体5、发电机6、管形座7、贯流式水轮发电机组转轮叶片8、转轮9、轮毂10、尾水管11、尾水流状态控制器12、伯努利螺线形尾水流增流装置13、受力感应板13-1、感应驱动杆13-2、齿轮13-3、增流平衡弹簧13-4、齿条13-5、上活动连杆13-7、下活动连杆13-6、上滑轮13-8、下滑轮13-9、上控流板13-
10、下控流板13-13、上轨道13-11、下轨道13-12、导流罩进水侧13-14、伯努利螺线形转轮叶片13-15、伯努利螺线形转轮轮毂13-16、导流罩13-17、导流罩出水侧13-18、转轮支撑13-
19、转动杆14、推盘15、液压控制器活塞杆16、液压控制器17、伯努利螺线形转轮叶片13-15的最小直径D4、伯努利螺线形转轮叶片13-15的最大直径D5、导流罩13-17的进口内径D1、导流罩13-17的进口外径D2、导流罩13-17的出口直径D3、伯努利螺线形转轮轮毂13-16的直径Dh。

具体实施方式

[0048] 下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

[0049] 结合图1，本发明提出的一种带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统，包括带尾水管11贯流式水轮发电机组，还包括伯努利螺线形尾水流增流装置13和尾水流状态控制器12，所述伯努利螺线形尾水流增流装置13由受力感应单元、增流传动单元、增流释放单元和带伯努利螺线形转轮叶片13-15的伯努利螺线形转轮单元依次平行轴向设置；所述伯努利螺线形尾水流增流装置13设置在贯流式水轮发电机组的尾水管11的出口端，所述尾水流状态控制器12分别控制贯流式水轮发电机组转轮叶片8的叶片角度β1的大小、伯努利螺线形转轮叶片13-15的叶片角度β2的大小以及感应驱动杆13-2的移动距离x的大小，且所得偏差Δβ1、Δβ2和Δx能够对结果进行校正，从而实现增流式水轮机系统的动态调整；所述伯努利螺线形转轮单元包括导流罩进水侧13-14、伯努利螺线形转轮叶片13-15、伯努利螺线形转轮轮毂13-16、导流罩13-17、导流罩出水侧13-18、转轮支撑13-19，所述伯努利螺线形转轮叶片13-15、伯努利螺线形转轮轮毂13-16置于导流罩13-17内，所述伯努利螺线形转轮叶片13-15的数量为2～5片，所述伯努利螺线形转轮叶片13-15是根据伯努利螺线沿伯努利螺线形转轮轮毂13-16轴向逐渐拉伸，呈空间交叉扭曲形状均匀布置在伯努利螺线形转轮轮毂13-16的周向内壁上，不同轴向距离的翼型截面曲线关键点坐标如下表所示，X、Y分别代表关键点的空间坐标值，距离轮毂前缘轴向50cm处的坐标如表1所示：

[0050] 表1

[0051]序号 X Y 序号 X Y
1 70.780 -35.680 11 71.740 -3.960
2 81.080 -37.420 12 81.820 -2.280
3 91.360 -39.180 13 91.900 -0.620
4 101.660 -40.920 14 101.980 1.060
5 111.940 -42.660 15 112.060 2.720
6 122.240 -44.400 16 122.140 4.400
7 132.540 -46.140 17 132.220 6.060
8 142.820 -47.880 18 142.300 7.740
9 153.120 -49.620 19 152.400 9.400
10 163.400 -51.360 20 162.480 11.080

[0052] 拟合后的两条曲线方程为：

[0053] 左弦：y＝-0.1693x-23.707；

[0054] 右弦：y＝0.1657x-15.841；

[0055] 距离轮毂的前缘轴向100cm处的坐标如表2所示：

[0056] 表2

[0057]序号 X Y 序号 X Y
1 77.640 50.560 11 64.360 68.800
2 88.700 58.380 12 73.640 78.560
3 99.740 66.220 13 82.900 88.320
4 110.800 74.060 14 92.160 98.060
5 121.860 81.900 15 101.420 107.820
6 132.900 89.740 16 110.680 117.580
7 143.960 97.580 17 119.940 127.340
8 155.020 105.420 18 129.220 137.100
9 166.060 113.260 19 138.480 146.840
10 177.120 121.100 20 147.740 156.600

[0058] 拟合后的两条曲线方程分别为：

[0059] 左弦：y＝0.7092x-4.5166；

[0060] 右弦：y＝1.0531x+1.0168；

[0061] 距离轮毂的前缘轴向200cm处的坐标如表3所示：

[0062] 表3

[0063]

[0064]

[0065] 拟合后的两条曲线方程分别为：

[0066] 左弦：y＝-0.0788x-21.727；

[0067] 右弦：y＝0.0726x-17.61；

[0068] 所述贯流式水轮发电机组包括进水流道1、竖井2、灯泡体5、发电机6、组合轴承3、管形座7、导叶4、转轮9、贯流式水轮发电机组转轮叶片8、轮毂10、尾水管11，所述发电机6与转轮9通过组合轴承3连接，所述发电机6与组合轴承3置于灯泡体5中，所述灯泡体5以管形座7为主支撑，机组所受到的所有力和力矩都通过支撑传递到混凝土基础上。

[0069] 结合图2、图3和图4，本发明所述的伯努利螺线形尾水流增流装置的受力感应单元包括受力感应板13-1和感应驱动杆13-2，所述增流传动单元包括齿轮13-3、齿条13-5、增流平衡弹簧13-4，所述增流释放单元包括上活动连杆13-7、下活动连杆13-6、上滑轮13-8、下滑轮13-9、上轨道13-11、下轨道13-12、上控流板13-10、下控流板13-13；所述受力感应板13-1的面积a满足关系式：式中：ρ为水的密度，ρ取值为1000kg/m3、A为上控流板
13-10或下控流板13-13的面积、Q0为额定功率时的流量、F为额定功率时受力感应板13-1受到的力；所述受力感应板13-1与感应驱动杆13-2连接，所述感应驱动杆13-2的长度为50～
90cm，所述感应驱动杆13-2与齿轮13-3固定连接，所述齿轮13-3的齿数为35～55个，所述齿轮13-3中心与壁面固定，使齿轮13-3只可旋转不可左右移动，所述齿轮13-3与齿条13-5啮合，所述齿条13-5的长度30～90cm，所述齿条13-5的右端与增流平衡弹簧13-4的左端连接，所述增流平衡弹簧13-4的长度为20～35cm，所述齿条13-5的左端分别与上活动连杆13-7的一端和下活动连杆13-6的一端连接，所述上活动连杆13-7通过上滑轮13-8与上控流板13-
10连接，所述下活动连杆13-6通过下滑轮13-9与下控流板13-13连接，所述上控流板13-10与上滑轮13-8镶嵌在上轨道13-11中，所述下控流板13-13与下滑轮13-9镶嵌在下轨道13-
12中。

[0070] 结合图5和图6，本发明所述的伯努利螺线形转轮轮毂13-16的直径Dh与伯努利螺线形转轮叶片13-15的最小直径D4的比值为1.12～1.62；所述伯努利螺线形转轮叶片13-15的最大直径D5与伯努利螺线形转轮叶片13-15的最小直径D4的比值为2.12～2.64；所述导流罩13-17的进口内径D1与伯努利螺线形转轮叶片13-15的最小直径D4的比值为4.10～5.50；所述导流罩13-17的进口外径D2与伯努利螺线形转轮叶片13-15的最小直径D4的比值为4.34～5.65；所述导流罩13-17的出口直径D3与伯努利螺线形转轮叶片13-15的最小直径D4的比值为5.46～6.78。

[0071] 结合图7，本发明所述的尾水流状态控制器12包括功率控制器、信号处理器、液压控制器17和执行机构，所述伯努利螺线形尾水流增流装置13中的受力感应板13-1受信号处理器的控制信号控制，所述尾水流状态控制器12分别控制贯流式水轮发电机组转轮叶片8的叶片角度β1的大小、伯努利螺线形转轮叶片13-15的叶片角度β2的大小以及感应驱动杆13-2的移动距离x的大小，且所得偏差Δβ1、Δβ2和Δx能够对结果进行校正，从而实现增流式水轮机系统的动态调整；增流式水轮机系统的输出功率P与贯流式水轮发电机组转轮叶片8的叶片角度β1、伯努利螺线形转轮叶片13-15的叶片角度β2及感应驱动杆13-2的移动距离x的关系式为：式中：Q为通过增流式水轮机系统的流
量；所述增流式水轮机系统的控制参数如表4所示：

[0072] 表4

[0073]

[0074]

[0075] 尾水流状态控制器12的配置要求为：所述功率控制器可采用PLC功率控制器等；所述信号处理器可采用数字信号处理器等；所述液压控制器17可采用电气液压控制器等。

[0076] 结合图8，本发明所述的贯流式水轮发电机组轮毂10和伯努利螺线形转轮轮毂13-16内分别设置执行机构，所述执行机构包括推盘15与转动杆14，所述推盘15为圆盘形结构，所述推盘15通过转动杆14分别与贯流式水轮发电机组转轮叶片8及伯努利螺线形转轮叶片
13-15的中心连接，所述转动杆14为直角结构，所述转动杆14的数量分别与贯流式水轮发电机组转轮叶片8及伯努利螺线形转轮叶片13-15的数量相等，所述转动杆14绕贯流式水轮发电机组转轮叶片8及伯努利螺线形转轮叶片13-15的中心转动，所述转动杆14与推盘15采用螺栓连接，螺栓的数量为3～6个，所述液压控制器活塞杆16和执行机构的推盘15连接，所述推盘15的运动方向与活塞杆22的运动方向一致。

[0077] 本发明提出的一种带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统的应用实施例如下：

[0078] 实施例1的设计方案与本发明上述的总体技术方案完全相同，其主要部件的设计参数公布如下：

[0079] 本发明的伯努利螺线形转轮叶片13-15的数量为2片；伯努利螺线形转轮叶片13-15的最小直径D4为30cm；伯努利螺线形转轮轮毂13-16的直径Dh为45cm；伯努利螺线形转轮叶片13-15的最大直径D5为75cm；导流罩13-17的进口内径D1为150cm、导流罩13-17的进口外径D2为160cm、导流罩13-17的出口直径D3为180cm；受力感应板13-1的面积a为20cm2；推盘15的直径为400cm；转动杆14的短边长150cm、长边长250cm；液压控制器活塞杆16的长度为
350cm；感应驱动杆13-2的长度为60cm；齿轮13-3的齿数为40个；增流平衡弹簧13-4的长度为25cm；流量为3m3/s、β1为63.75°、β2为50°时，增流式水轮机系统的输出功率为608kW。

[0080] 实施例2的设计方案与本发明上述的总体技术方案完全相同，其主要部件的设计参数公布如下：

[0081] 本发明的伯努利螺线形转轮叶片13-15的数量为3片；伯努利螺线形转轮叶片13-15的最小直径D4为50cm；伯努利螺线形转轮轮毂13-16的直径Dh为75cm；伯努利螺线形转轮叶片13-15的最大直径D5为125cm；导流罩13-17的进口内径D1为250cm、导流罩13-17的进口外径D2为260cm、导流罩13-17的出口直径D3为300cm；受力感应板13-1的面积a为25cm2；推盘
15的直径为400cm；转动杆14的短边长160cm、长边长260cm；液压控制器活塞杆16的长度为
350cm；感应驱动杆13-2的长度为60cm；齿轮13-3的齿数为40个；增流平衡弹簧13-4的长度为30cm；流量为3.6m3/s、β1为61.5°、β2为47°时，增流式水轮机系统的输出功率为616.4kW。

[0082] 实施例3的设计方案与本发明上述的总体技术方案完全相同，其主要部件的设计参数公布如下：

[0083] 本发明的伯努利螺线形转轮叶片13-15的数量为5片；伯努利螺线形转轮叶片13-15的最小直径D4为70cm；伯努利螺线形转轮轮毂13-16的直径Dh为105cm；伯努利螺线形转轮叶片13-15的最大直径D5为175cm；导流罩13-17的进口内径D1为350cm、导流罩13-17的进口外径D2为360cm、导流罩13-17的出口直径D3为420cm；受力感应板13-1的面积a为30cm2；推盘
15的直径为420cm；转动杆14的短边长160cm、长边长250cm；液压控制器活塞杆16的长度为
350cm；感应驱动杆13-2的长度为50cm；齿轮13-3的齿数为50个；增流平衡弹簧13-4的长度为35cm；流量为4m3/s、β1为60°、β2为45°时，增流式水轮机系统的输出功率为618kW。

[0084] 本发明的实施过程为：增流式水轮机系统启动后，水流首先经过贯流式水轮发电机组的进水流道1，绕过竖井2和灯泡体5，在贯流式水轮发电机组的导叶4处形成速度环量后汇合并进入转轮9，水流冲击贯流式水轮发电机组转轮叶片8，通过贯流式水轮发电机组转轮叶片8将水流的能量转换为旋转机械能，同时通过置于灯泡体5内的组合轴承3带动发电机6转子旋转，将机械能转换为电能，随后水流进入到贯流式水轮发电机组的尾水管11，由于尾水中有大量的剩余动能，因此水流继续进入到伯努利螺线形尾水流增流装置13；由受力感应板13-1根据来流流量Q的大小，将信号传递给尾水流状态控制器12，信号处理器对信号进行处理并反馈，反馈的信号对感应驱动杆13-2进行控制，由感应驱动杆13-2依次带动齿轮13-3、齿条13-5和上活动连杆13-7、下活动连杆13-6，进而对上控流板13-10、上控流板13-13的位置进行调节，实现实时改变增流效果的目的。当流量较大时，感应驱动杆13-2向右运动，感应驱动杆13-2带动齿轮13-3顺时针转动，齿条13-5左移，通过上活动连杆13-7与下活动连杆13-6使控流板之间的开口变大；当流量减小时，增流平衡弹簧13-4使齿条13-5左移，进而使控流板之间的开口减小，其增流效果也随之增加；之后水流通过导流罩进水侧13-14进入伯努利螺线形转轮单元，对伯努利螺线形转轮叶片13-15做功，使剩余的动能转换为伯努利螺线形转轮的旋转机械能，然后将力矩传递给与之相连的外部发电机进行发电，从而实现将机械能再次转换为电能，最后水流经过导流罩出水侧13-18流出。在所述增流式水轮机系统运行过程中，尾水流状态控制器12根据流量大小，通过功率控制器计算出实时的贯流式水轮发电机组及伯努利螺线形转轮单元的最佳叶片角度，与实时的贯流式水轮发电机组转轮叶片8的叶片角度β1及伯努利螺线形转轮叶片13-15的叶片角度β2比较，所得偏差Δβ1和Δβ2经PI校正环节后转换为电流信号传递给液压控制器17；液压控制器17通过与实时的电流对比，控制液压控制器活塞杆16进行运动，进而带动推盘15运动，通过转动杆14最终对贯流式水轮发电机组及伯努利螺线形转轮单元的叶片角度进行调节，从而保证整个增流式水轮机系统在不同工况下的水能利用率最高，输出功率最大。

[0085] 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。

[0086] 本发明经反复试验验证，取得了满意的试用效果。

[0087] 以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种带有伯努利螺线形尾水流增流装置的增流式水轮机系统技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

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