CN107237718A - 一种吸收潮汐能的多级叶轮转动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸收潮汐能的多级叶轮转动装置，包括扩张导流管、组合叶轮转动体、支架。其中，扩张导流管包括扩口段、中间段，组合叶轮转动体包括发电机舱、活动导叶、两级旋转叶轮、固定叶轮。本发明公布的转动装置中，水流由扩张导流管扩口段进入管道，流经活动导叶，对叶轮叶片逐级进行冲击，推动卧轴安放的旋转叶轮转动，形成转动力矩，再由发电机舱轴承系统输出功率，尾水经过活动导叶及扩张导流管排出。该装置在结构上完全对称，符合潮汐能电站进出口水流方向交替变换、水电机组双向运行的发电要求，通过改变活动导叶安放角度，实现对进水流量及输出功率的控制，水流推动两级旋转叶轮转动，其能量得到充分的吸收，潮汐能的利用效率得到提高。

Description

一种吸收潮汐能的多级叶轮转动装置

技术领域

本发明涉及水力发电领域，特别是涉及潮汐能利用发电领域。

背景技术

随着经济高速发展，能源需求量与日俱增，特别在电力行业经常会出现电力供应不足现象，所以充分利用能源十分必要，潮汐能作为清洁能源已得到广泛应用。潮汐电站通常采用灯泡贯流式机组为发电装置，此装置在结构上只于发电机灯泡侧设有活动导叶，以实现泄水工况对来流流量的有效调控，充水工况则不能达到有效控制效果；机组运行时，水流推动单级叶轮转动即由尾水管排出，不再进行处理，其能量没有得到有效利用，造成了浪费。

水轮机是动力原动机，运行工况及负载多变，这对机组灵活控制进水量提出要求。灯泡贯流式机组作为现阶段潮汐电站普遍使用的发电装置，在结构上只在泄水工况对进水流量进行控制，充水工况仅依靠闸门调控，降低了机组工况切换的灵活性。贯流式水轮机运行过程中，来流冲击单级转轮转动即由尾水管排出，其能量不能得到有效吸收，这是由于水轮机构造形式受到限制，没有形成对来流能量高效利用的环境。

本发明利用扩张导流管对水流收集并加速，通过活动导叶方便灵活控制进水流量，构造多级转轮吸收来流能量，提供了一种吸收潮汐能的转动装置，提高了水能的利用效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单且方便控制的用于提高水能利用效率的一种吸收潮汐能的多级叶轮转动装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种吸收潮汐能的多级叶轮转动装置，其特征在于：包括扩张导流管、组合叶轮转动体以及支架，所述扩张导流管采用卧式布置，包括两级扩口段和一级中间段，所述扩口段的导流管截面积沿轴线发生变化，呈喇叭状，两级扩口段对称分布在中间段两侧，喇叭口朝向两端；所述中间段导流管截面积为定值，夹在两级扩口段中间；在所述中间段内布置所述组合叶轮转动体，组合叶轮转动体的轴线与扩张导流管中心轴线重合；所述组合叶轮转动体包括两级发电机舱、两级导叶、两级旋转叶轮和一级固定叶轮；所述两级导叶分别设置在所述两级发电机舱外表面，所述一级固定叶轮位于所述两级发电机舱的中间，在每级发电机舱与固定叶轮之间设置一个旋转叶轮，每个旋转叶轮与对应的发电机舱内的发电机连接，所述导叶用于导向流入两级旋转叶轮中前一级旋转叶轮中的水流姿态，所述固定叶轮用于导向流入两级旋转叶轮中后一级旋转叶轮中的水流姿态。

所述导叶为具有转轴的活动导叶，导叶相对于扩张导流管保持非旋转状态，可根据自身转轴调节安放角度，改变流体流量和流动方向。

所述两级发电机舱呈子弹头型结构，对称布置在组合叶轮转动体两侧。

所述两级活动导叶对称布置在两级旋转叶轮两侧；所述两级旋转叶轮分别与两根同轴线主轴固定连接，对称布置在固定叶轮两侧；所述固定叶轮通过支架安装在扩张导流管中间段中心位置，与主轴互不影响运动状态。

所述活动导叶叶片截面为细长的水滴形状，与发电机舱相邻。

所述两级旋转叶轮的叶片截面均为两端薄中间厚的月牙形，安装方式完全相同；所述固定叶轮与两级旋转叶轮结构相同，布置方式相反，且相对于扩张导流管保持非旋转状态。

所述两级旋转叶轮分别固定在两根转轴上，独立旋转；所述两根转轴穿过相邻的一级活动导叶，一端通过轴承固定叶轮，一端与发电机舱内的发电机或齿轮箱相连。

本发明多级叶轮转动装置，流体进入扩张导流管后，首先经过第一级扩口段，然后再经过中间段。在中间段依次经过第一级子弹头型发电机舱、第一级导叶、第一级旋转叶轮、固定叶轮、第二级旋转叶轮、第二级导叶和第二级发电机舱，最后由第二级扩口段流出。

以充水工况为例解释该技术方案的发电原理。海水由海洋侧流向水库侧，水库水位上升。受扩张导流管扩口段管外壁型线干扰，进水口附近水体流场发生变化，进入管道的水体体积增大。水流进入导流管扩口段，过水断面逐渐收缩。由连续性方程可知，不可压缩流体在管道流动时，管径越小，断面上平均流速越大；同时，由伯努利方程，管内流体位置势能不变，动能增大，压力势能降低，即扩张导流管的中间段会生成一个低压区域，内外压差产生抽吸作用，使水流加速。活动导叶根据电站运行工况调节安放角度，对水流过流量及进入叶轮流道角度进行控制，使作用在叶片的转动力矩尽量大，且实际工作过程中，任意工况下的两级活动导叶开度同步。水流经活动导叶后改变流场，冲击旋转叶轮叶片，产生阻力差，与叶片进行动量交换，推动其旋转，带动两级叶轮旋转。各级旋转叶轮转动带动齿轮及各轴旋转，带动发电机输出功率，尾流由扩张导流管另一扩口段排出管道。两级旋转叶轮流经的水体流速不同，独立旋转，充分利用水能。

泄水工况，水体运动过程相反，但技术方案原理相同。

与现有技术相比，本发明多级叶轮转动装置，利用扩张导流管对水流收集并加速，再通过活动导叶方便灵活控制进水流量，构造多级转轮吸收来流能量，解决现有潮汐电站水电机组双向运行时流量控制、来流能量浪费的问题。

附图说明

图1为本发明主要结构示意图；

图2为图1左视图；

图3为本发明支架剖面图；

图4为本发明扩张导流管细节图；

图5为本发明组合叶轮转动体细节图；

图6为本发明活动导叶全开工作状态示意图；

图7为本发明活动导叶全关工作状态示意图；

图8为本发明活动导叶剖面图；

图9为本发明叶轮示意图；

图10为本发明叶轮叶片剖面图；

图11为充水工况水体流动及叶轮叶片受力情况示意图；

图12为泄水工况水体流动及叶轮叶片受力情况示意图。

图中：1扩张导流管；2组合叶轮转动体；3支架；11扩口段；12中间段；21发电机舱；22活动导叶；23旋转叶轮；24固定叶轮。

具体实施方式

如图1所示，本发明结构包括了扩张导流管1、组合叶轮转动体2以及支架3。其中，扩张导流管包括两级扩口段11和一级中间段12，组合叶轮转动体包括两级发电机舱21、两级活动导叶22、两级旋转叶轮23和固定叶轮24，支架安装在扩张导流管中间段，用来支撑组合叶轮转动体。充水工况，水流由海洋侧流向水库侧，水流流经第一级发电机舱21，过流面积减小，流速增大；经过第一级活动导叶22，受导叶叶片安放角度影响，过流量与流速方向发生改变；水流对第一级旋转叶轮23叶片进行冲击，产生动力矩，推动其旋转，通过转轴带动第一级发电机舱21中布置的齿轮及发电机旋转，输出功率，水流流速有所下降。进入固定叶轮24流场区域，由于叶轮经支架固定安装于导流管中间段，受叶轮结构及叶片排布方式影响，水流再次达到整流效果；并对第二级旋转叶轮23叶片进行冲击，发生动量交换，推动其旋转，旋转方向与第一级旋转叶轮相同，旋转叶轮通过第二根转轴带动第二级发电机舱21中布置的齿轮及发电机旋转，输出功率。两级叶轮独立旋转，充分利用了不同阶段不同流速的水体动能。尾水流经第二级活动导叶22、第二级发电机舱21，由扩张导流管第二级扩口段12排出管道。

如图2所示，扩张导流管1和组合叶轮转动体2共轴布置，支架3下端安装基础为到流管中间段12、上端支撑部分为发电机舱21、固定叶轮24。

如图3所示，支架剖面图为中部饱满、两端渐细的纺锤形状，其流线型结构有利于降低水阻，减小支架对来流流场的影响。

如图4所示，扩张导流管整体为先渐缩后渐扩的喷嘴结构。受渐缩的扩口段11影响，进入管道的水体体积增加、流速增大。由于过水断面逐渐收缩，中间段12会生成低压区，由此扩口段入口处和中间段12存在压差，产生抽吸作用，使进入水流进一步加速。

如图5所示，发电机舱外罩呈子弹头流线型，可降低水阻损失，提高水能利用率；活动导叶根部可绕轴旋转以改变进水口大小，进而控制来流流量。实际发电时，水流经过活动导叶22，沿导叶实际安放角度进入叶轮区域，冲击第一级旋转叶轮23叶片，产生径向分力矩，推动叶轮逆时针方向转动(以图2视图角度观察)。第一级旋转叶轮与主轴固定连接，主轴延伸至第一级发电机舱21，舱内布置的齿轮机构将垂直面旋转行为转换为水平面旋转行为，带动发电机动作转换为符合发电要求的电能。随后水流改变方向冲击固定叶轮24叶片，叶片纠正梳理来流方向，使其按照自身弯曲角度冲向第二级旋转叶轮。与之前过程相同，第二级旋转叶轮同样逆时针转动(以图2视图角度观察)，带动主轴、第二级发电机舱21内齿轮机构和发电机动作，输出电能。尾流经过第二级活动导叶排出导流管。工作过程中，来流率先推动第一级旋转叶轮转动，再对第二级旋转叶轮做功，中途必定产生能量损失，即两级旋转叶轮动作不同步。由此，两个发电机转速不同，各自独立工作，互不影响。

如图6所示，活动导叶22全开情况下过流量最大，但在这种开度下工作，导叶进口有很大冲角易形成脱流，且水流经过导水机构，在转轮前不能形成环量，水利损失很大。因此实际工作时不允许以此导叶位置运行。

如图7所示，活动导叶22全关情况时过流量为零，停机工况下阻挡来流进入叶轮区域，便于机组运行状态的调控。

如图8所示，活动导叶叶片截面为细长的水滴形状，前圆后尖，表面光滑。此结构可有效减小水流阻力，且全关状态下相邻导叶头部、尾部紧密配合，具有良好地隔断水流作用。实际工作过程中，两级活动导叶可绕轴旋转，改变开度，且人为设定开度保持同步。这样，既保证导叶控制流量功能，又简化了控制过程。

如图9所示，两级旋转叶轮与固定叶轮的叶轮结构形状完全相同。发电过程中，旋转叶轮叶片受水流冲击，产生阻力差，逆时针旋转(以图2视图角度观察)，固定叶轮相对于扩张导流管保持非旋转状态。

如图10所示，叶轮叶片截面为两端薄中间厚的月牙形状，有利于吸收来流作用在凹面的侧向旋转冲击动能，提高能量转换效率。同时，叶片的弯曲弧度不大，可有效减少水流越过弯道时的能量损失。

如图11所示，充水工况，水流冲击第一级、第二级旋转叶轮叶片的作用力在垂直向上方向存在分量，推动两级旋转叶轮均逆时针旋转(以图2视图角度观察)。活动导叶和固定叶轮主要起导向作用，前者改变来流方向，形成环量，将更多的轴向冲击动能转变为侧向旋转冲击动能；后者修正第一级旋转叶轮的尾流流场，使其按照自身弯曲角度冲向第二级旋转叶轮，继续做功。

如图12所示，泄水工况中水体流动状态及叶轮叶片受力情况与充水工况基本一致，唯一区为水体运动方向：充水工况水流由海洋侧流向水库侧，泄水工况相反。

Claims (7)

1.一种吸收潮汐能的多级叶轮转动装置，其特征在于：包括扩张导流管(1)、组合叶轮转动体(2)以及支架(3)，所述扩张导流管(1)采用卧式布置，包括两级扩口段(11)和一级中间段(12)，所述扩口段(11)的导流管截面积沿轴线发生变化，呈喇叭状，两级扩口段对称分布在中间段两侧，喇叭口朝向两端；所述中间段(12)导流管截面积为定值，夹在两级扩口段中间；在所述中间段内布置所述组合叶轮转动体(2)，组合叶轮转动体(2)的轴线与扩张导流管(1)中心轴线重合；所述组合叶轮转动体包括两级发电机舱(21)、两级导叶(22)、两级旋转叶轮(23)和一级固定叶轮(24)；所述两级导叶分别设置在所述两级发电机舱外表面，所述一级固定叶轮位于所述两级发电机舱的中间，在每级发电机舱与固定叶轮之间设置一个旋转叶轮，每个旋转叶轮与对应的发电机舱内的发电机连接，所述导叶用于导向流入两级旋转叶轮中前一级旋转叶轮中的水流姿态，所述固定叶轮用于导向流入两级旋转叶轮中后一级旋转叶轮中的水流姿态。

2.根据权利要求1所述的多级叶轮转动装置，其特征在于：所述导叶为具有转轴的活动导叶，导叶相对于扩张导流管保持非旋转状态，可根据自身转轴调节安放角度，改变流体流量和流动方向。

3.根据权利要求1所述的多级叶轮转动装置，其特征在于：所述两级发电机舱(21)呈子弹头型结构，对称布置在组合叶轮转动体两侧。

4.根据权利要求1所述的多级叶轮转动装置，其特征在于：所述两级活动导叶(22)对称布置在两级旋转叶轮两侧；所述两级旋转叶轮(23)分别与两根同轴线主轴固定连接，对称布置在固定叶轮两侧；所述固定叶轮(24)通过支架安装在扩张导流管中间段中心位置，与主轴互不影响运动状态。

5.根据权利要求1-4任一所述的多级叶轮转动装置，其特征在于：所述活动导叶(22)叶片截面为细长的水滴形状，与发电机舱(21)相邻。

6.根据权利要求5所述的多级叶轮转动装置，其特征在于：所述两级旋转叶轮(23)的叶片截面均为两端薄中间厚的月牙形，安装方式完全相同；所述固定叶轮(24)与两级旋转叶轮结构相同，布置方式相反，且相对于扩张导流管保持非旋转状态。

7.根据权利要求6所述的多级叶轮转动装置，其特征在于：所述两级旋转叶轮分别固定在两根转轴上，独立旋转；所述两根转轴穿过相邻的一级活动导叶，一端通过轴承固定叶轮，一端与发电机舱内的发电机或齿轮箱相连。