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冲击式水 力 涡轮机

阅读：94发布：2023-03-12

专利汇可以提供冲击式水力涡轮机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及水力涡轮机，以及能够防止尘芥缠绕、噪音及取水量、放流水的剧烈变化，即使水量变化也可维持高效率，水量跟踪运行容易进行且可抑制总成本的通用水轮机的开发。设计出了配设有带能量保有水飞散防止肋的转轮叶片 (6)的冲击式水轮机，其由涡流速度调整可动门 (1a)限制水流截面积将压力能量的大约一半转化成速度动能，作为半压力半动能保有涡流(9b)储存在在螺旋管内，以围绕共通芯的方式设有与转轮轴方向平行地滑动的环形主阀 (2)和环形副阀(3)，通过移动阀位置，为应对负荷跟踪运行和紧急停止，在内部构建迂回水轮机转轮的能量保有逃逸放出水路，使用抑制噪音的旋转圆盘状内向辐射涡旋水流(9c)，消除伴随旋转的对叶片的冲击，随着实现能量转换而使流速降低以维持整流的弯曲形状，通过水流的自静作用使尘芥流下。，下面是冲击式水力涡轮机专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种冲击式水力涡轮机，其特征在于，
在从导水管导入的接收元压力水流(9a)流入螺旋管(1)之前，用涡流速度调整可动门(1a)限制水流截面积，将其能量的大约一半转换为速度动能并作为半压力半动能保有涡流(9b)储存在螺旋管内，
在螺旋管的转轮侧的辐射口上游侧圆筒基材(1b)与辐射口环形阀基材侧(1d)之间，以转轮轴芯为共通芯并以包围转轮的方式相邻地设有环形主阀(2)和与主阀相同的环形副阀(3)作为主要控制阀，
其中，所述环形主阀(2)介由环形主阀滑动机构(2a)并通过环形主阀防水机构(2b)与转轮轴方向平行地自由滑动地设置在辐射口上游侧圆筒基材(1b)，所述环形副阀(3)介由环形副阀滑动臂(3b)和环形副阀滑动机构(3a)设置在螺旋管的转轮侧的辐射口下游侧圆筒基材(1c)，
全负荷时，水流将环形副阀(3)和辐射口环形阀基材侧(1d)的阀结构完全闭塞，使环形主阀(2)和环形副阀(3)的开口尺寸(Lc)与最大设定流量相适合，从其间隙使旋转圆盘状内向辐射涡旋水流(9c)转换成总运动惯性能朝向转轮叶片辐射涡流接受口(6a)辐射，形成转轮旋转力产生叶片水流(9)，由此容易进行水量跟踪运行，
部分负荷时，水流使环形副阀(3)从基于全负荷时水流状况的2个环形阀的滑动设定位置向环形主阀(2)的方向滑动，以达到部分负荷时所需的旋转圆盘状内向辐射涡旋水流(9c)的能量流量，通过减小开口尺寸(Lc)来确保所需能量，同时环形副阀(3)和辐射口环形阀基材侧(1d)的阀构成部开口尺寸(Ld)相反地以相同移动量成为部分打开状态，能量保有逃逸放出水流(9d)被放出，能够在不改变导水路的水量、即水路式发电设备的取水量、放流水的情况下，广泛地实现向负荷跟踪的部分负荷运行转移的均衡控制运行，此外设计改良配设为兼具在紧急停止时的剧烈动作时同样可防止导水路的水锤效应的紧急回避阻尼功能，将小型水力发电不可缺少的具备多功能的旋转圆盘状内向辐射涡旋水流(9c)辐射。
2.根据权利要求1所述的冲击式水力涡轮机，其特征在于，
到达所述转轮叶片辐射涡流接受口(6a)的总运动惯性能获取旋转圆盘状内向辐射涡旋水流(9c)从共用轴芯的环形主阀(2)辐射，同时均匀无间隙地连续作用于整个叶片，因此除了可避免由水量和负荷变动导致的反作用所引起的变动，还可消除冲击式涡轮机特有的由转轮旋转产生的冲击力的反复，抑制噪音和金属疲劳造成的损坏，此外，为防止剧烈的反射行为，以在牢固支撑于转轮上冠(5)的转轮叶片上形成从总运动惯性能逐渐转换为机械动力的整流的方式，在水流与叶片间取得移动体移动方向与离心力的相关平衡，以逐渐降低水速转换为转轮旋转能的方式画出平滑曲线的转轮上冠和叶片即使在水量变化的情况下也可维持整流，提高维持高效率的效果，
弗朗西斯式水轮机中使用的带状结构由于会造成尘芥缠绕而不采用，安装有如下经如下设计改良，且为小型水力发电不可缺少的具备多功能的转轮叶片:为防止水流因旋转离心力而向叶片外飞散，设有转轮叶片水流溢出防止肋(6b)，旋转前后的肋间保持有一定间隔以使尘芥缠绕在该肋的状态下向下游侧与水流一起被自然排除，最初承受辐射涡流并将水流切断分配至各叶片的转轮叶片辐射涡流接受口(6a)是尘芥缠绕的场所，但通过使辐射涡流的进入方向与切断刀头所成的角度成为120度左右且向下游侧的倾斜角，从而尘芥会随着涡流的摇晃逐渐向下游侧移动，最终到达转轮叶片水流放出门(6c)与叶片上的水流一起被自然排除。

说明书全文

冲击式水 力 涡轮机

技术领域

[0001] 本发明涉及从水落差能或流水动能获得旋转动力的装置。

背景技术

[0002] 作为当前主流的弗朗西斯式水轮机主要利用反冲作用，在其他水轮机中，在最适负荷运行下效率最高，适用落差为30至500m，水量为0.1至2000立方m/s左右，将基准单位设为(m，kW，rpm)时比速度为50至350，实绩最多。但是对于小规模机械设备，由涡轮主翼、导叶等切断水流的部位多、总长较长，会有细长或薄且结实的尘芥类缠绕而导致异常震动、产生噪音、效率或输出降低，最严重时甚至会失控从而造成紧急停止。

[0003] 珀耳顿冲击式水轮机及斜击式水轮机是利用冲击作用的水轮机，从小负荷至额定负荷效率稳定且较高，通过针阀的控制适于负荷跟踪及水量跟踪运行，适用落差为90至2000m，水量为0.05至20立方m/s左右，将基准单位设为(m，kW，rpm)时比速度为8至60(6 喷嘴冲击式)，能够通过设置多个冲击射流而与其数量相应地增大水量，设置实绩第二多，切断水流的部位少，尘芥不易缠绕，维护劳力少，但转轮水斗受到伴随旋转的高速喷射水流的作用而依次移动，由此引起的噪音和冲击力从0到100％反复变化，因此需要对策来抑制由金属疲劳导致的损伤。

[0004] 横流式水轮机为如下结构:在与珀耳顿水轮机相同的冲击式水轮机中，叶片与轴平行，水流向直角方向流动，先流向叶片列的内侧，其后从相反方向流出，能够处理与平行的叶片长度成比例的水量，因此能够处理大量的水，适用落差为2.5至200m，水量为0.04至13立方m/s左右，将基准单位设为(m，kW，rpm)时比速度为8至55，从旋转叶片流出时高落差的高速水流会形成乱流，损失阻力变大，与其他冲击水轮机同样地需要对策以应对因反复水冲击而引起的噪音以及牢固的叶片列，但为了确保内部水流腔而难以实现高强度设计，不适于大型设备。

[0005] 转浆式水轮机是利用水流撞击到叶片发生转向而产生的反冲击力的水轮机，其通过从小负荷至额定负荷改变叶片角度，能够稳定地维持高效率，还能够实现负荷跟踪及水量跟踪运行，能够制成适用落差为1至100m，水量为0.1至6000立方m/s左右，将基准单位设为(m，kW，rpm)时比速度为100至900，通过采用尘芥不易缠绕的结构形态，能够减少维护劳力，但使叶片角度准确改变的结构与控制较为复杂，小型设备大多为实验机。现有技术文献
 专利文献

[0006] 专利文献1::US－861A号专利公报专利文献2::US－2599A号专利公报
专利文献3::US－233692号专利公报
专利文献4::US－409865号专利公报
专利文献5::DE－347271C号专利公报
专利文献6::JP－1760751号专利公报
专利文献7::JP－4845550号专利公报
专利文献8::JP－2002－000431号申请公开
专利文献9::JP－2013－007376号申请公开
非专利文献

[0007] 非专利文献1:by R.W.Shortridge「Francis and His Trbine」February 1989年历史书非专利文献2:新能量财团编「关于中小水力发电技术的实务研修会第1回水力发电所的建设计划」1994年资料
非专利文献3:日本机械学会编「机械工学便览基础篇α4流体工学、应用系统篇γ2流体机械」2008年版
非专利文献4:涡轮机械协会编「水力涡轮机」2007年版

发明内容

发明要解决的问题:

[0008] 作为当前主流的石油煤化石能源对地球环境产生巨大的负荷，作为其对策，转换为自然能源利用为当务之急。对于尚未开发的无数川河，其能源具有利用前景，但要应对的对象是大自然，在成本核算和维护方面或住宅区域的噪音对策等环境方面等存在很多困难，现状是尚未进行普及。

[0009] 第一点:对于规模较小的水轮机，在从自然的湖沼或河川等取水时，完全排除流淌而来的尘芥类较为困难，细长或薄且结实的尘芥缠绕，会导致噪音的产生甚至紧急停止，由此带来的维护劳力或运行停止期间的增加等成为课题。

[0010] 第二点:对于不具备水库等大容量储水设备的小规模的管道式发电设备，负荷跟踪运行、因故障导致的紧急停止及重新运行会引起水轮机水量变化，相应地对河川的取水量或放流水会被随时任意地改变，这将急剧改变河川原本的水量或水速，很可能对游泳者或钓鱼者及其他用水者造成危害，并且因水锤效应会对水路或控制阀等带来过大的压力变化而成为破损的原因，必须避免。

[0011] 第三点:此外，河川流量会因降雨降雪而增加或因自然原因而时刻减少等，受天气影响发生很大变化，因此为了确保河川维持水量，同时最大限度地活用保有能源，需要对大幅度水量变化也能稳定对应，且水量跟踪运行容易的水轮机。

[0012] 第四点:存在耐久性和环境噪音问题，但是若用昂贵的材料制造得较为坚固，则重量也会增加建设费用会增多，若要抑制建设费用，则维护费用会增加，冲击式水轮机特有的各转轮叶片所承受的伴随旋转的冲击能的变化较大，即使作为噪音也无法忽视，现有的水轮机难以克服所有这些问题。解决问题的方案:

[0013] 本发明提供解决如下四个课题的构成。即，第一课题:减少尘芥缠绕、切断水流的部位，通过自净作用使尘芥与水流一起流下。第二课题:为应对负荷跟踪运行和紧急停止，在涡轮机内构建迂回水轮机转轮的旁通流道。第三课题:为维持稳定、广泛的高效率特性，在水力涡轮机的开发中进行水量跟踪运行，该水轮机使用旋转圆盘状内向辐射涡旋水流，随着实现向旋转动力的能量转换而降低流速，同时维持整流。第四课题:消除现有冲击式水轮机中存在的冲击作用伴随转轮旋转伴而反复产生的问题，无需特别考虑金属疲劳与噪音对策，控制建设费用同时提高耐久性，实现省力省资源化。发明效果

[0014] 通过安全安心的水力涡轮机的发明，迅速发展自然界中蕴藏的储备水利能源的开发。本发明的水轮机旨在完全消除尘芥缠绕、切断水流的部位或总长，与水流一起通过自净作用而流下；为应对负荷跟踪运行及紧急停止，构建迂回水轮机转轮的旁通流道；维持稳定、广泛的高效率。附图说明

[0015] 图1是包含作为本发明的水力涡轮机的中心轴的剖面、转轮的侧面、以中心轴的直角面为剖面的主要结构图。图2是转轮叶片的放大细节图，是表示于叶片的各剖面位置描绘光滑的曲线的说明图。
图3是通过控制本涡轮机的主阀及副阀来控制水流使运行状态变化的说明图。
图4是表示转轮叶片上的水流的样态的说明图。
图5是表示能够通过作为本发明的水力涡轮机的构成要素的变更来改变规格的说明图。
图6是表示还能够对应横轴水力涡轮机的说明图。
图7是表示水力涡轮机内各部分的涡流引起的能量转换的概念图。
图8是考察作用域涡轮机叶片的旋转圆盘状内向辐射涡旋水流引起的能量转换各种因素的基本概念图。

具体实施方式

[0016] 与现有的弗朗西斯式水轮机相同从螺旋管朝向转轮，使涡流向旋转方向流入的形状相似，但弗朗西斯式水轮机主要是使压力水作用于转轮，而在本发明中，在使从导水管导入的接收元压力水流流入螺旋管之前，用涡流速度调整可动门限制水流截面积，将其能量的大约一半转换为速度动能，作为半压力半动能保有涡流储存在螺旋管内，在螺旋管的转轮侧的辐射口上游侧圆筒基材与辐射口环形阀基材侧之间以转轮轴芯作为共通芯并以包围转轮的方式相邻地设有环形主阀和与主阀相同的环形副阀作为主要控制阀。其中，环形主阀介由环形主阀滑动机构并通过环形主阀防水机构而与转轮轴方向平行地自由滑动地设置在辐射口上游侧圆筒基材上，环形副阀介由环形副阀滑动臂和环形副阀滑动机构设置在螺旋管的转轮侧的辐射口下游侧圆筒基材上。全负荷时水流将环形副阀和辐射口环形阀基材侧的阀构成完全闭塞，使环形主阀与环形副阀的开口尺寸与最大设定流量相适合，从其间隙使旋转圆盘状内向辐射涡旋水流转换为总运动惯性能朝向转轮叶片辐射涡流接受口辐射，形成转轮旋转力产生叶片水流进行水量跟踪运行。

[0017] 另外，为防止尘芥缠绕，不设置弗朗西斯式水轮机所使用的可变导叶，部分负荷时水流使环形副阀从基于全负荷时水流状况的两个环形阀的滑动设定位置向环形主阀的方向滑动，以达到部分负荷所需的旋转圆盘状内向辐射涡旋水流的能量流量，通过减小开口尺寸来确保所需能量，同时环形副阀和辐射口环形阀基材侧的阀构成部相反地以相同移动量成为部分打开状态，能量保有逃逸放出水流被放出，能够在不改变导水路的水量、即水路式发电设备的取水量的情况下，安全且广泛地实现向负荷跟踪的部分负荷运行转移的均衡控制运行，此外兼具在紧急停止时的剧烈动作时同样可防止导水路的水锤效应的紧急回避阻尼功能，构成小型水力发电不可缺少的具备多功能的使旋转圆盘状内向辐射涡旋水流辐射的水力涡轮机的外廓部。

[0018] 到达转轮叶片辐射涡流接受口的总运动惯性能获取旋转圆盘状内向辐射涡旋水流从共用轴芯的环形主阀辐射，同时均匀无间隙地连续作用于整个叶片，因此除了可避免由水量和负荷变动导致的反作用所引起的变动，还可消除冲击式涡轮机特有的由转轮旋转产生的冲击力的反复，抑制噪音和金属疲劳造成的损坏。此外，为防止剧烈的反射行为，以在牢固支撑于转轮上冠的转轮叶片上形成从总运动惯性能逐渐转换为机械动力的整流的方式，在水流与叶片间取得移动体移动方向与离心力的相关平衡，以逐渐降低水速转换为转轮旋转能的方式画出平滑曲线的转轮上冠和叶片即使在水量变化的情况下也可维持整流，提高维持高效率的效果。

[0019] 弗朗西斯式水轮机中使用的带状结构由于会造成尘芥缠绕而不采用，使用配设有经设计改良的转轮叶片的涡轮转轮。该转轮叶片为如下构成:为防止水流因旋转离心力而向叶片外飞散，设有转轮叶片水流溢出防止肋，旋转前后的肋间保持有一定间隔以使尘芥缠绕在该肋的状态下向下游侧与水流一起被自然排除，最初承受辐射涡流并将水流切断分配至各叶片的转轮叶片辐射涡流接受口是尘芥缠绕的场所，但通过使辐射涡流的进入方向与切断刀头所成的角度成为120度左右且向下游侧的倾斜角，从而尘芥会随着涡流的摇晃逐渐向下游侧移动，最终到达转轮叶片水流放出门与叶片上的水流一起被自然排除。应予说明，转轮叶片水流溢出防止肋再加上叶片的平滑曲线以及牢固的涡轮机上冠的平滑曲线，有助于提高叶片的结构强度。实施例

[0020] 以下使用附图、表、公式以及图表对实施例进行详细说明，但对于与发明相关的主要部分以外的部分，省略了一些理所当然应该有的部分和已知的部分。图1中为如下构成:由导水管导入的接收元压力水流9a在流入螺旋管1前由涡流速度调整可动门1a部限制水流截面积，将其能量的大约一半转换为速度动能，作为半压力半动能保有涡流储存在螺旋管1内，在螺旋管的转轮侧的辐射口上游侧圆筒基材1b与辐射口环形阀基材侧1d之间，相邻地设置有与转轮轴方向平行地自由滑动的环形主阀2和与主阀2相同的环形副阀3作为主要控制阀，通过控制改变各自的相互间隔，将旋转圆盘状内向辐射涡旋水流9c转换为总运动惯性能并辐射到转轮叶片6，形成转轮旋转力产生叶片水流，为了实现安全稳定的旋转、防止导水路的水锤效应、维持稳定的流速，能够自由控制能量保有逃逸放出水流的量。

[0021] 应予说明，对于两个环形阀，主阀2介由环形主阀滑动机构2a还具备环形主阀防水机构2b，设置在辐射口上游侧圆筒基材1b上；环形副阀3也介由环形副阀滑动臂3b和环形副阀滑动机构3a，以转轮轴芯为共通轴芯与主阀2平行且自由精密滑动地设置在螺旋管的转轮侧的辐射口下游侧圆筒基材1c上。

[0022] 转轮侧面图中立体表示转轮叶片6整齐牢固地安装在转轮上冠5上，介由轮毂和固定键盘将旋转能从转轮轴4可靠地传递至发电机等水轮机负荷8的情况，明示了转轮叶片辐射涡流接受口6a、转轮叶片水流溢出防止肋6b、转轮叶片水流放出门6c的位置构成和形状以便考察。

[0023] B－b剖面图示出了螺旋管1的螺旋中心轴与辐射口上游侧圆筒基材1b和环形主阀2的中心轴位置共用转轮轴4和转轮上冠5的中心轴位置，在转轮上冠5上根据转轮直径的规模于旋转方向以等间隔整齐紧密地配置有20片以上的转轮叶片6以防止尘芥缠绕，此外，还示出了在接收元压力水流9a流入螺旋管1前涡流速度调整可动门1a的配设情况。

[0024] 图2使用剖面位置的透视图从上游侧依次向下游侧详细示出了转轮叶片的形状，示出了牢固支撑于转轮上冠5的转轮叶片6为确保叶片上的整流而平滑弯曲，同时随着向下游侧的转轮叶片水流放出门6c移动，向与旋转方向相反的方向增强弯曲的情况，还示出了为提高效率，防止因转轮旋转的离心力使叶片上的整流向外侧飞散的现象，进一步具备转轮叶片水流溢出防止肋6b的情况。

[0025] 图3通过包含轴芯的剖面图示出了作为本发明特征的水力涡轮机的水流的4种形式。即，全负荷时，水流将环形副阀3和辐射口环形阀基材侧1d的阀构成完全闭塞，将环形主阀2和环形副阀3的开度与最大设定流量相适合，从其间隙将旋转圆盘状内向辐射涡旋水流9c转换成总运动惯性能向转轮叶片辐射涡流接受口6a辐射，作为转轮旋转力产生叶片水流
9在平滑弯曲的转轮叶片6上不受水量变化影响地维持整流，逐渐转换成机械旋转力到达转轮叶片水流放出门6c，作为旋转能转换后的放出水流9e向转轮排出。

[0026] 部分负荷时，水流从基于全负荷时水流状况的环形阀的滑动设定位置，以达到环形副阀3を部分负荷时所需的旋转圆盘状内向辐射涡旋水流9c的能量流量的方式，使环形副阀3向环形主阀2的方向滑动使其开口尺寸Lc变小由此确保所需能量，同时环形副阀3和辐射口环形阀基材侧1d的阀构成部开口尺寸Ld当然以相同距离移动成为部分打开状态，能量保有逃逸放出水流9d被放出，能够在不改变导水路的水量、即水路式发电设备的取水量、放流水的情况下，安全自由地进行负荷跟踪的部分负荷运行，能够使水路式小型水力发电中不可缺少的水力涡轮机均衡控制运行变得容易。

[0027] 无负荷遮断停止时，水流从基于部分负荷时水流状况的环形阀的滑动设定位置使环形副阀3进一步向环形主阀2的方向滑动以密闭与环形主阀2的间隙，从而旋转圆盘状内向辐射涡旋水流9c的流量完全消失，同时环形副阀3和辐射口环形阀基材侧1d的阀构成部以相同尺寸成为全开状态，能量保有逃逸放出水流9d被放出，能够在不改变导水路的水量、即水路式发电设备的取水量的情况下安全无负荷地持续运行至转轮停止。

[0028] 全水流停止时，从基于无负荷时水流状况的环形阀的滑动设定位置使环形副阀3和环形主阀2在密闭的状态下同时向辐射口环形阀基材侧1d方向逐渐滑动，能够保持旋转圆盘状内向辐射涡旋水流9c的流量完全没有的状态，同时环形副阀3和辐射口环形阀基材侧1d的阀构成部也成为密闭状态，从而能够在导水路到螺旋管的整个区域停止水流。应予说明，该操作伴随有取水河川等的取水量的改变，因此必须确认安全慎重实施。

[0029] 图4示出了如下情况:在作为本发明特征的水力涡轮机的带肋转轮叶片6上，沿着其弯曲旋转圆盘状内向辐射涡旋水流9c通过转轮叶片辐射涡流接受口6a被分分割至各叶片，通过总运动惯性能作为转轮旋转力产生叶片水流9被引导至转轮上冠5和转轮叶片水流溢出防止肋6b，同时在平滑弯曲的转轮叶片6上不受水量变化的影响而维持整流，逐渐转换成机械旋转力而流速降低，因此流水截面积逐渐增大地到达转轮叶片水流放出门6c，作为旋转能转换后放出水流9e向转轮放出。上游剖面示于I－i，中游剖面示于J－j，下游剖面示于K－k，并以1片叶片为例详细表示了减小效率因负荷变动而变化的效果。应予说明，图4示出了如下设计:通过设置转轮叶片辐射涡流接受口6a相对于辐射涡流的进入方向成为120度左右的倾斜角，从而尘芥随水流的摇晃而渐渐移动，最终缠绕于转轮叶片水流溢出防止肋6b，并在叶片上与水流一起自然流下排除。

[0030] 图5示出了作为本发明特征的水力涡轮机的2种基本变形例。示出了导入高落差用涡轮机时的转轮叶片6的形状变化的情况，转轮叶片辐射涡流接受口6a为共用，从高速且高冲击的高运动惯性能水流作为转轮旋转力产生叶片水流9被引导至转轮上冠5和转轮叶片水流溢出防止肋6b，同时与平滑弯曲的转轮叶片6维持整流，逐渐转换成机械旋转力而成为低速、低运动惯性能水流，流路截面积需要更大，因此通过增大转轮叶片水流放出门6c的宽度的比例，增大其旋转直径Lb来对应旋转能转换后的放出水流9e的大容量化。

[0031] 不需要第2种的部分负荷运行，通过系统互联以售电为目的的发电设备仅需要水量跟踪运行，不需要恒定保持取水量的水力涡轮机均衡控制运行，采用基于可取水量的恒定运行，只要获得了相关机构的同意，即可建设省略了均衡控制用环形副阀3的设备，将其水力涡轮机在运行时和停止时的水流情况表示为均衡控制省略型涡轮机运行时和停止时。

[0032] 图6示出了如下情况:上述作为本发明特征的水力涡轮机的轴方向仅可表示为纵型，但在标准型的供给稳定的横轴轴承的普及中一般商用小型发电设备大多为横轴型，此外还出于保守管理等操作性的理由，通过对横轴型涡轮机也设置放出水壳体7，从而设备设置用结构体上表面7a的规模变大，阻止螺旋管1向轴方向膨胀的结构体的大小变得不能忽视，但对于小规模发电设备，这种方式在总成本方面是有利的，因而可以对应。

[0033] 图7是示意性表示涡轮机内部涡流的图，从导水管导入的接收元压力水流9a在流入螺旋管1前由涡流速度调整可动门1a部限制水流截面积将其能量的大约一半转换成速度动能，作为半压力半动能保有涡流9b储存在螺旋管1内，通过螺旋管的转轮侧的辐射口上游侧圆筒基材1b从环形主阀2转换成总运动惯性能辐射为旋转圆盘状内向辐射涡旋水流9c，被转轮叶片辐射涡流接受口6a分割至各叶片，通过总运动惯性能作为转轮旋转力产生叶片水流9被引导至转轮上冠5和转轮叶片水流溢出防止肋6b，同时于平滑弯曲的转轮叶片6维持整流并逐渐转换成机械旋转力，到达转轮叶片水流放出门6c，转换成转轮的旋转能，从而实现目的。应予说明，在箭头的表示中，实心箭头表示压力水流，空心箭头表示半压力半动能保有涡流，单纯棒状箭头通过其大小表示动能逐渐消失转换成转轮的旋转能的情况。

[0034] 图8是局部放大图，明确示出了从环形主阀2与环形副阀3的间隙辐射旋转圆盘状内向辐射涡旋水流9c的开口尺寸Lc和从环形副阀3与辐射口环形阀基材侧1d的间隙放出能量保有逃逸放出水流9d的阀构成部开口尺寸Ld，将从本冲击式水力涡轮机设计中必需的环形主阀2与环形副阀3的开口尺寸Lc部辐射的、转换成总运动惯性能后的旋转圆盘状内向辐射涡旋水流9c的流速设为V，若将与从辐射点向轴芯方向(半径线)所成的角度设为θ，则其旋转速度成分由Vω(V×sinθ)表示，辐射水量的流速由Vu(V×cosθ)表示，若将环形主阀2的内径设为La、将圆周率设为π，则理论辐射能量Pv为La×π×Lc×Vu×V×V÷2，表示作为本发明特征的基本规格的设定考察。

[0035] 以下示出本发明的水力涡轮机的特征的设计例。首先，将所使用的符号和单位详细示于表1。

[0036] 表1

[0037] 通过式1，由1－1栏求出设定水路有效落差H中的理论放出旋转圆盘状内向辐射涡旋水流9c的辐射流速V，由1－2栏求出转轮的旋转数N。应予说明，关于框内的列，配置于邻接的行的符号与数值分别对应。

[0038] 式1

[0039] 通过式2求出1秒内作用与整个转轮叶片的水量Q，明示了其设定例值点A(圆内)、其它设定例值点B(圆内)的位置m是否与表2的横轴表示流量、纵轴表示有效落差的适合水轮机例等的位置相当。应予说明，点A和点B在式3、式4中全部为共通的设定例值，各为相同点。

[0040] 式2

[0041] 通过式3求出涡轮机输出P。

[0042] 式3

[0043] 根据上述计算结果例，通过式4求出本水力涡轮机的特征比速度Ns。

[0044] 式4

[0045] 对于本涡轮机的比速度，将基准单位设为(m，kW，rpm)时，根据环形主阀2和环形副阀3的开口尺寸(间隙宽度)Lc而变化，kc为将环形主阀2的内径设为La时的开口比kc＝Lc/La，是比速度的基本原则的相似律常数，根据本计算例，将其最大开口比kc设为5％时，求出比速度Ns为63。应予说明，该数值并非基于实测值，但作为实证值大约最大可为70，最小可为10左右。

[0046] 表2(图表)不是本涡轮机的特征的约束运行特性曲线的例子。横轴表示基于约束运行的实际旋转速度N相对于无约束单位旋转速度Nr的比例N/Nr，纵轴表示基于控制阀调节(kc的控制)的作用于转轮叶片的水量Q相对于单位水量Qr的比例Q/Qr，连接任意的设定同一效率点，将本涡轮机的效率(η)曲线绘成图表，该表为所绘图表的一个例子，并非基于实测值，是与珀耳顿冲击式水轮机的特性相似的曲线，随着限制水量Q螺旋管内的半压力半动能保有涡流9b的流速降低，在结构上，从主阀辐射的方向与辐射点的半径线所成的角度θ(参照图8)变小，产生旋转力的旋转速度成分Vω(V×sinθ)变小，因此旋转力降低，将该部分用虚线表示为ηf曲线，为弥补其降低的部分，可通过缩小图7所示す涡流速度调整可动门1a来提高涡流9b相对于辐射流速的旋转流速比例从而进行改善，为实线表示的曲线。

[0047] 表2

[0048] 表3(图表)中，调查各种资料考察基本的水轮机的适应例以及基于各种模拟计算考察本发明的冲击式水力涡轮机的适应性并用实线表示。现有的弗朗西斯式水轮机(Francis Turbine)和珀耳顿冲击式水轮机(Pelton Turbine)的适应领域中可部分采用，横流式水轮机和戈尔斜击式水轮机(Turgo Turbine)的适应领域中大致可全面采用。

[0049] 表3

[0050] 表4(图表)中，对收益力薄弱的小型水力发电中本申请涡轮机和现有已产生实际效益的涡轮机在建设事业上20年间的现金流量，以容易辨别的方式每两年合计一次，并考虑直到20年后的所有情况进行模拟，将结果绘成图表。a是采用容易维护和制定噪音对策的本申请水力涡轮机的例子，b是采用在特定条件下效率良好且已产生实际效益，但需要考虑维护和噪音对策的现有水力涡轮机的例子。

[0051] 横轴表示从建设完成日起模拟期间的年数，纵轴表示总流动资金，虚线的折线图Mk表示建设资金和用于因折旧产生的设备更新的储备资金的推移，实线的折线图Ml表示给与建设资金出资者的股息金额的累计，后侧的堆叠区域图中，Ma表示给与A社(例)的电力销售收入金额，Mb表示给与B社(例)的电力销售收入金额，Mc表示给与C社(例)的电力销售收入金额，累计总金额与总销售额相当。前侧的堆叠条形图中，Md表示各种补偿金、权利金、资产纳税金等費用，Me表示设备运营人工费，Mf表示设备运营杂费，Mg表示设备维护修缮费，Mh表示出资者股息，Mi表示所得税金等，Mj表示折旧费，Me～Mj的累计总金额与費用总额相当，若高出堆叠区域图的上限则表示财务赤字。通过采用这样的3种混合图表进行评价，能够一目了然地把握运营内容。

[0052] 根据本图表，a是采用容易维护和制定噪音对策的本申请水力涡轮机的例子，出资者股息的累计金额Ml为每2年的总销售额的2倍左右，b是采用现有水力涡轮机的例子，在特定条件下效率良好且已产生实际效益，但因维护而停止运行的天数多，虽然高效，但总销售收入没有增长，需进一步努力，而a的运营业绩稳步提高。应予说明，本模拟是表示相似的比较例，根据设备规模、现场情况而有所变化，因此对于详细的表示文字、金额进行了缩小，未使用可辨别的记载。

[0053] 表4产业上的可利用性

[0054] 能够最有效地利用本发明的形式克服了期待今后可得到普及的小型水力发电设备等必需要解决的课题，无论水多水少均可效率良好，从轻荷到额定负荷甚至紧急停止也能够安全安心且容易地应对，噪音、维护劳力少，可作为今后的水力发电设备的动力源而广泛引用。附图标记说明

[0055] 1 螺旋管1a 涡流速度调整可动门
1b 辐射口上游侧圆筒基材
1c 辐射口下游侧圆筒基材
1d 辐射口环形阀基材侧
2 环形主阀
2a 环形主阀滑动机构
2b 环形主阀防水机构
3 环形副阀
3a 环形副阀滑动机构
3b 环形副阀滑动臂
4 转轮轴
5 转轮上冠
6 转轮叶片
6a 转轮叶片辐射涡流接受口
6b 转轮叶片水流溢出防止肋
6c 转轮叶片水流放出门
7 放出水外壳
7a 设备设置用结构体上表面
8 发电机等的水轮机负荷
9 转轮旋转力产生叶片水流
9a 接收元压力水流
9b 半压力半动能保有涡流
9c 旋转圆盘状内向辐射涡旋水流
9d 能量保有逃逸放出水流
9e 旋转能转换后的放出水流
9f 完全闭合主副控制阀时水流停止状态时的总压力能量水
9g 结束所用能量转换后的放流水
La 环形主阀2的内径(旋转圆盘状内向辐射涡旋水流的直径)
Lb 转轮叶片水流放出门6c的旋转直径
Lc 环形主阀(2)和环形副阀(3)的开口(间隙)尺寸(旋转圆盘状内向辐射涡旋水流的厚度)
Ld 环形副阀(3)和辐射口环形阀基材侧(1d)的阀构成部(能量保有水逃逸放出阀)开口尺寸
V 旋转圆盘状内向辐射涡旋水流9c的流速
Vu 旋转圆盘状内向辐射涡旋水流9c的辐射水量分的流速成分
Vω 旋转圆盘状内向辐射涡旋水流9c的旋转速度成分
θ 旋转圆盘状内向辐射涡旋水流9c的辐射方向与从辐射点向轴芯方向(半径线)所成的角度

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冲击式水力涡轮机

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