水力机械的制作方法

水力机械的制作方法
【专利摘要】本发明描述了例如水轮机和水泵的具有集成低水头损失截止阀的水力机械。该水轮机的阵列便于在有限的可用空间内利用先已存在的门控式水控结构进行发电。特别适合与集成损失截止阀共同使用的可调螺距水轮机转轮提供了比现有技术的低水头水电项目的水轮机更高的功率输出和比转速。根据本发明的阵列的泵，随着阵列内每一个单独的泵均具有集成的低水头损失的用于关断和防止回流的阀，在有限的空间提供了高的排流能力。
【专利说明】水力机械
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2011年5月16日提交的、申请号为61519041的美国专利申请的优 先权。

【技术领域】
[0003] 本发明涉及水力发电装置和水泵装置及其构建方法。本发明尤其涉及水力发电装 置的改造、并涉及最初建在船闸、水坝和起初没有安装水电设施的水库上的先已存在的门 控水利控制结构、并涉及将水泵装置(尤其是高容量雨水泵）纳入有限的空间，例如用于城 市地区。在水力机械的截流阀和轴流式水轮机转轮方面所公开的改进对于流体输送和发电 具有多种应用，这里将描述该许多可能的应用实例中的少数几个。

【背景技术】
[0004] 水力机械，尤其水轮机，已经以阵列形式应用，以便在有限的上游/下游尺寸和最 小的设备重量和尺寸下达到规定的流量。例如相关的专利包括欧伯梅尔（obermeyer)的 US 4755690、欧伯梅尔的 US 4804855、赫斯（Hess)的 US 5825094、温克勒（Winkler)的 US 6146096和欧伯梅尔等人的US 6281597 B1等。
[0005] 水轮机阵列内的各水轮机的流量控制已经通过多种方法实现，欧伯梅尔的US 4755690公开了通过尾水管内的蝶形阀来实现流量控制。这种阀门需要比较大的驱动器，从 而导致阀门在尾水管上产生反压力并削减了发电量。
[0006] 这种蝶形阀必须具有足够的刚性并以足够的精度来构造，以便在阀门关闭时使阀 门紧密接触于密封圈。
[0007] 欧伯梅尔的US 4804855描述了多孔环随动阀的使用。赫斯的US 5825094在其说 明书中也合并了具有前面提及的操作限制的多孔环随动阀。欧伯梅尔等人的US 6281597 B1也描述了尾水管端部的滑动门的使用且也在说明书中合并了环随动阀的使用。多孔环 随动阀具有需要多台机器同时启动和停止的缺点，这导致即使只有一个与多孔环随动阀相 关的机器由于机械或电气故障情况而必须停止时，也不得不关闭一个或多个可操作的机 器。垂直环形随动门在低流量时首先开启最低行，随后在尾水更高后（由于较高的流量）开 启较高的行是不可能的。如果没有必要，在很多站点中首先开启较低的行是可取的，因为天 然的尾水海拔是河流流量的函数，尾水的海拔随着流量的下降而降低。与涡轮机的最低行 相关联的水流需要流入尾水渠，以使尾水上升到足以覆盖尾水管的下一个更高的行。为了 将水中大部分的能量转换为有用的电能，通常需要从处于或低于尾水的水平面的尾水管放 水。为了防止尾水管的停滞，尾水的海拔被需要或者不被需要，其他因素是尾水管的残余漩 涡情况、尾水管放水的弗劳德数和尾水管出口附近任何专门的导引装置的使用。在低河流 流速下，垂直多孔环随动阀的缺点可通过使用可独立操作的单孔环随动阀或通过使用水平 驱动的多孔环随动阀来克服。在依据现有的门控结构经济地发展动力势能所需的高能量密 度组件中，通常没有足够可用的空间来安装打开和关闭个别机器所需的独立操作的环随动 阀。环随动阀也会导致旋转组件在启动和关闭时发生不良的振动，并且不适合于泄洪水(在 发电机关闭时在部分开口排水，这正是许多设施在甩负荷后所必须的)。尽管环随动阀远小 于尾水管末端的尾水管门，但也需要有效的力以关闭该环随动阀。
[0008] 尾水管末端的滑动门重量大、价格昂贵，并且需要大的驱动器和水压供应。此外， 导向槽会导致尾水管出口处的水头损失，这是由于跨越这些槽自身时的损耗以及由于需要 容纳滑动门槽而引起的尾水管变窄所导致的损耗。
[0009] 设有环随动门的水力机械阵列需要在每个这样的组件的一侧具有用于装载随动 环的空间、以及每个这样的组件的另一侧具有用于安装截止门的空间。多孔门阀允许使装 配尺寸最小化，但是降低了操作的灵活性，因为所有由单一的多孔环随动门控制的机器必 须作为一个整体一起打开和关闭。如果单个机器出现电气或机械故障，所有由该共同的环 随动阀控制的机器必须关闭。在严格的径流式水电站的情况下，如果没有足够的水来运行 所有的机器，如果水库的连续入流量必须精确的复制于水电站的排出量，即使有足够的水 来运行除了其中一个的所有的机器，也需要所有的机器(基于共同的环随动门）保持关闭。 操作的灵活性是必需的，以适应不同的流速，并最大限度地提高整个系统的利用率。
[0010] 先已存在的下游门可用于控制水力机械的阵列，然而，下游门的使用会导致与在 多孔环随动阀的情况下同样的操作灵活性的降低和径流式运行的发电量的降低。先已存在 的下游门已被用于控制位于现有的叠梁闸门槽处的涡轮机的尾水。
[0011] 现有技术包括放置在尾水管内的发电机。第一个例子是在20世纪80年代初投入 市场的小型潜水勒罗伊?萨默（Leroy Summer)涡轮发电机。这些机器没有导向叶片，水直 接进入转轮（runner)。离开转轮的残余切向动能被由同心锥组成的尾水管部分地回收，内 部的同心锥是用于放置增速器和发电机的壳体。没有对于在尾水管末端处突然结束的发电 机壳体造成的型面损失的回收的尝试。第二个例子是在潮汐电厂使用的用于填充和清空水 闸的可逆涡轮机。一般来说，在流体首先通过转轮然后通过发电机时，这种设施的效率相当 差。
[0012] 莱恩（Laing)的US 3854848,公开了一种具有完整的回流预防机制的潜水泵。
[0013] 可调螺距水轮机转轮，也被称为卡普兰（Kaplan)转轮是公知的现有技术，普遍采 用关于径向轴线可调的叶片。小型且廉价的机器已建有简单的圆柱形排放环。大型立式机 器常常具有球形下半部与圆柱形上半部相结合的排放环。大型灯泡式涡轮机通常设有转 轮中心线的上游和下游都是球形的排放环。这种排放环必须分离，以便移除转轮以进行维 修。可分离的排放环是昂贵的。在可分离的球形排放环周围的动力室结构中提供封闭性 (provision of the block-out)同样也是昂贵的。球形排放环的下游部分的缺点是在临近 向尾水管过渡时出现低压。这些低的压力，在与涡轮机叶片相关联的低压叠加时可引起气 蚀现象，并可能在某些情况下确定涡轮气蚀和功率限制。另外，在引起上述低压的方向上出 现的同样的改变也由于进入尾水管的水流不对准而减少了尾水管的效率。斜流转桨式水轮 机（the Deriaz turbine)将可调节混流式转轮合并入低比转速的润轮机，该低比转速的润 轮机是由于更高的水头和更高的设置而造成的更低的设备气蚀系数所需的。斜流转桨式转 轮叶片向下游(在立式机器的情况下向下)倾斜。可调水轮机叶片向上游倾斜是现有技术中 未知的。
[0014] 例如，在尾水管的下游端的垂直滑动或滚动的门可用于控制流过垂直设置的一行 或多行涡轮机的流量。除了单行涡轮机的情况，这样的布置通常需要首先打开较低的涡轮 机，接着打开下一个较高的涡轮机，如此等等，其结果是仅需要关断最低的涡轮发电机组的 故障就要求关断所有的由同一尾水管门控制的涡轮发电机组。这种布置的另一个缺点是施 加在各个门上的净下游力较高。这导致了昂贵的摩擦减轻装置的使用，例如轮或辊，或者强 劲的门驱动器的使用。在液压驱动器的情况下，意味着很可能需要大型、昂贵并且笨重的液 压蓄能器。
[0015] 半卡普兰(具有固定导向叶片和可调转轮）轴流式水轮机，一般比完全调节的涡轮 机成本更低，同时提供几乎相同的峰值效率和产量，同时在很宽的流量范围内提供可取的 效率。连同半卡普兰轴流式水轮机，必须一起提供阀、门或其他截流装置。总水门可以用于 此目的，然而轴流式涡轮的上游的部分打开的总水门会在启动和关闭时引起严重的振动。 在这样的门下的水流像涡轮机一样驱动转轮的下部，而转轮的上部作为泵(朝向下游）随着 部分关闭的总水门转动。这种情况导致施加于转轮不对称的力，进而损坏轴承或密封圈或 引起足以使叶片接触到排放环的轴挠曲。
[0016] 控制半卡普兰机器的尾水管门可分为几类，每一类各有一定的缺点。用于大型转 轮的环随动门需要一侧安装门叶的环部和另一侧安装门叶的固体部分的显著空间。尾水管 末端的尾水管门产生相对较低的水力损失，但是其尺寸非常大、价格昂贵，且难以在甩负荷 的情况下迅速关闭。更靠近转轮的尾水管门由于必需的开口和导向装置而导致水头损失。
[0017] 半卡普兰水轮机由构造为在完全闭合位置时彼此密封的叶片建成。这是一种廉价 的解决方案，但需要将叶片设计和涡轮机效率折中妥协，并且会由于叶片尖端泄漏而导致 不完全关闭。如果叶片伺服机构在甩负荷后无法关闭叶片，可能发生灾难性故障。叶片伺 服机构通常比例如可设计为仅在重力作用下闭合的尾水管门脆弱。
[0018] 在流量和回流控制轴流式水泵、滑动门以及瓣式止回阀的现有技术已被使用的情 况下，它们中的每个都向水流传递不必要的水头损失、并需要比本来需要的泵(根据本发 明）更大更强的泵。使用遵照与它们关联的水下电机的外侧的圆柱门在现有技术中是未知 的。为了预防回流而将圆锥门同潜水泵一起使用，即在扩散器或"整流叶片"罩、和电机壳 体之间密封在本领域中是未知的，亦如将这样的门与泵的阵列一起使用。
[0019] 至于具有可调转轮的灯泡式和坑式（pit type)轴流式水轮机，通过在转轮周围设 置的球形排放环，使得效率提高且气蚀损坏减少到最低程度。转轮的安装和拆卸以供维修 需要排放环是可分离的，也需要至少使排放环的上半部分可拆卸。这需要比将排放环嵌入 混凝土时所需的排放环更重、更昂贵的排放环。分离还需要动力室内额外的加强钢筋，以承 载在所需要的进入井周围的结构载荷。对于立式卡普兰涡轮机，为了方便从上面安装和拆 卸转轮，尤其是排放环的球面已在流道中心线上方普遍被省略，但以涡轮机效率、气蚀损坏 的风险和鱼类死亡数的增长为代价。
[0020] 在20世纪初期圆柱门普遍用于混流式水轮机组（Francis type turbines)的负 载和速度控制以及用于关断。这些圆柱门位于一组固定导向叶片和混流式(径向流入)转轮 之间。如果使用了发电机，该发电机位于水道以外，并通常由皮带滑轮系统驱动，以便使用 速度更快和更便宜的发电机。
[0021] 最近，圆柱门已用于与结合有径向流入式导向叶片的半卡普兰水轮机、螺旋桨水 轮机结合使用。在至少一个实例中，圆柱门位于所述径向流入式导向叶片的外侧。在至少 另一个实例中，圆柱门紧靠径向流入式导向叶片内侧。在这些情况下，动力通过坚轴传递至 位于水道以外的发电机。
[0022] 明显大于发电机的外径以及延伸至上游水源水平面以上的圆柱门已用于作为具 有集成的潜水发电机的纵向轴流式涡轮机的关断装置。在打开过程中，这样的圆柱门远离 流向水轮机的流动路径而被完全收回。
[0023] 结合任一单个潜水轴流式涡轮机或泵(作为在本文中定义为"水力机械"的整体） 或它们的阵列，使用构造为密封电机壳体或发电机壳体外侧的下游端和锥形分水管或扩散 器罩的内侧的圆柱门，在该领域中是未知的。同样地，在打开位置时圆柱门紧密贴合于发电 机壳体或电机壳体的使用，在该领域中是未知的。
[0024] 可调节的导向叶片或可调转轮与阵列中使用的小型涡轮机结合使用通常是不经 济的。考虑到使用较粗糙的除屑筛，这种机器主要设置有更便宜和更强壮的固定导向叶片 和固定转轮。对于它们的设计同步速度(在同步发电机的情况下）或近似同步速度(在感应 发电机的情况下)，这样的机器在任何给定的有效落差下排出定量的水。对于需要考虑环保 因素的径流式模式水电站，这一特征随着机器的打开和关闭导致流量的阶跃改变。将作为 整体的一组运行机器的速度调整用以补偿个别机器的打开或关闭的流量调整，在现有技术 中是未知的。利用速度调节来控制残余尾水管涡旋，以防止在低尾水条件下尾水管顶端的 流动分离在该领域中也是未知的。
[0025] 根据现有技术的单独或并排式安装的大灯泡式涡轮机，除上面提到的还有一些缺 点。例如直径8米的大直径水平轴转轮，在转轮顶部具有明显低于转轮底部设备气蚀系数 的设备气蚀系数。因此，更靠近转轮底部的输出被转轮顶部的气蚀极限所限制。大直径水平 转轮与水平尾水管结合使用是最有效的，该尾水管的顶部必须低于最低的运行尾水水位。 否则这一要求导致动力室额外不必要的进一步设置、额外的挖掘工作以及额外的混凝土工 程。


【发明内容】

[0026] 根据本发明的一个方面，为水力机械提供一种结构紧凑、集成的截流装置，所述水 利机械例如：泵、涡轮机或具有潜水电动机、发电机或电动-发电机的涡轮泵。在与水轮机 结合的一个优选实施例中，提供了圆柱门，所述圆柱门打开时围绕发电机壳体或其延伸部 的外侧安放。所述圆柱门优选构造为顺从于发电机壳体的外部，从而提供通过圆柱门外侧 流向涡轮机入口、导向叶片和转轮的最小的水流阻力。根据本发明的再一方面，圆柱门和发 电机壳体之间可提供例如6毫米(沿径向测量）的环形间隙，以允许所述发电机的水冷却。 根据本发明的另一方面，附着在圆柱门和发电机壳体上的支承元件用于在圆柱门的打开位 置和闭合位置之间引导圆柱门。根据本发明的又一方面，所述支承元件也可用于分别擦除 发电机壳体外径和圆柱门内径的任何累积和粘附的浮渣。根据本发明的又一方面，所述支 承元件的孔、槽或其它流动许可装置可用于调节发电机壳体和定子外径之间的水流。
[0027] 本发明也适用于轴流和混流泵，对于这些泵由于使用了与本文描述的用于轴流式 涡轮机的几乎完全相同的圆柱门，因此可以以低成本和小空间提供正控制关断。在泵的情 况下，流动通常与涡轮机中的流动相反，即，从扩散器叶片(在涡轮机的情况下为导向叶片） 开始，然后沿电动机(在涡轮机的情况下为发电机)流动。根据本发明的又一方面，泵可配备 圆锥门，圆锥门的上游端以类似于本说明书中其它地方描述的圆柱门密封在发电机壳体的 方式密封在电动机壳体上。这种圆锥门在承受压力不平衡时是有用的，且根据本发明的又 一方面，可以构造为响应于流动方向进行位置移动，并基于反向流自动闭合。根据本发明的 又一方面，弹簧可以用于增加闭合，特别是如果圆锥门必须向上方或向上移动一个斜面才 能关闭。根据本发明的又一方面，这种圆锥门可优选构造为在泵运行时打开至水头损失几 乎为零的位置。根据本发明的这个实施例，当泵关断时，回流使锥形阀朝向叶轮和扩散器挪 动，直到锥形阀位于并密封抵靠至扩散器罩上，同时也密封到所述电动机壳体。根据本发明 的这个实施例，圆锥门本身构造为在打开时供水流通过该门、或同时通过和绕过该门，如附 图所示和本说明书中优选实施例的详细说明所描述的。根据本发明的又一个方面，提供了 一种潜水轴流泵，该潜水轴流泵采用圆柱形或圆锥形截止阀，且在该截止阀关闭时，将扩散 器罩或其延伸部和电机壳体的叶轮端之间进行密封。根据本发明的一个实施例，圆柱形截 止阀提供均衡的液压力且需要一个或多个名义尺寸的驱动器。这种圆柱阀，或"圆柱门"，优 选围绕所述电机壳体或其延伸部的外侧安放。根据本发明的一个实施例，这种锥形阀通过 不平衡的液压力动作，该不平衡的液压力趋于针对回流而关闭锥形阀。这样的构造无需单 独的驱动器。根据本发明的又一个方面，锥形阀最有利地进行定位，当打开时处于距电动机 壳体指定间隔距离，并与电动机壳体的叶轮端相对。在该指定位置上，所述锥形阀充当轴对 称的导向叶片，以用于尽量减少来自电机壳体的下游端的流动分离，同时还与流向该锥形 门的流量对准，因此锥形门仅以最小限度产生阻力。
[0028] 根据本发明的又一方面，提供了并联的泵，它们中的一个或多个配备了如本说明 书上文和其它地方描述的回流防止阀。
[0029] 根据本发明的又一方面，配备有上述的圆柱形或圆锥形阀的两个或更多的轴流潜 水泵可并排放置或一个在另一个之上放置。
[0030] 根据本发明的又一方面，配备有上述圆柱形或圆锥形阀的两个或更多的轴流潜水 泵可以以至少两个泵高和至少两个泵宽的阵列进行布置，以在紧凑的结构因素中提供高的 泵送能力，尤其是在有限的总长度(在流量的总方向测得）内。
[0031] 通过本发明的圆柱门，能够获得紧凑的集成截流装置，尤其是在与可以通过尾水 管进行移除的可调转轮同时使用时，通过使用阵列涡轮机(一个在另一个之上以及并排）促 进了紧凑水力发电设施的建设。对于给定几何形状的的涡轮机，其重量正比于转轮直径的 立方，而功率输出正比于转轮直径的平方。因此对于给定几何形状的涡轮机，每千瓦功率的 重量正比于转轮直径。根据本发明，例如，以制造和安装8个涡轮机且每个涡轮机具有3米 的转轮直径替代制造和安装2个涡轮机且每个涡轮机具有6米的转轮直径将变得更经济、 更实用。基于一致的水道形状，如果涡轮机堆叠成2个高，则动力室的宽度保持不变，长度 缩短了约50 %。将几何形状制造得完全相同的金属部件(如转轮叶片)的重量降低了 50 %。 除了尺寸和重量的减少带来的成本节约，还有利于运输和设备采购。较小的组件还允许在 工厂或其他装配区域进行高效可靠的装配工作，而不必遭受在河流或其他水道工作的危险 和昂贵的后勤。在足够小的上游/下游长度下，已完成组件的轨道或道路运输是可行的。
[0032] 根据本发明的优选实施例，圆柱门以允许其向下游移动至完全闭合位置以及向上 游移动至完全打开位置的方式装配在潜水发电机周围。它在下游位置优选为坐靠于诸如水 道顺从性橡胶圈的顺从的密封元件。在示例实施例中，橡胶圈可固定于涡轮机分水管罩的 法兰和入口整流罩之间。入口整流罩可以跨越于多个单独的涡轮发电机或其他水力机组的 入口之间。圆柱门优选具有圆形下游边缘，使得它形成了从圆柱门外径到分水管毂的光滑 的水道，它同样适于创建光滑的水道表面。例如圆柱门可通过液压缸驱动。如果使用的话， 在由两个对角的液压缸应用于驱动圆柱门这一目的的情况下，该两个缸可以方便地放置在 上游发电机支撑柱的下游的上止点和下止点。在这种方式下，液压缸位于已被发电机支撑 柱扰乱的水流中。该液压缸可以连接到所述发电机的支撑柱。上游发电机支撑柱可用于容 纳电力电缆、控制电缆、润滑线路、增压线路、排水线路、通风管道、梯子等。例如为了使圆柱 门在其行程的整个长度上保持对齐且不考虑会造成圆柱门不对齐和堵塞的水上碎片如木 屑，用于驱动圆柱门的两个或更多的液压缸可以同步液压。有利的是在某些情况下，可以提 供保持叶片以支撑发电机。保持叶片优选为导向叶片的上游延伸部，并在其上游边缘以圆 柱门的闭合路径为界，该圆柱门的闭合路径由导向叶片、分水管毂和圆柱门上平行于其运 动方向的线围成的大致的三角形区域所定义。每个保持叶片的下游边缘是导向叶片，保持 叶片集成在导向叶片上。每个保持叶片的内边缘优选与顺从性设计(非干涉)的导向叶片和 转轮结合以便为涡轮发电机组提供一种集成的截流装置。
[0033] 根据本发明的又一方面，并不是所有的导向叶片均需要连接到保持叶片。例如可 以使用8个导向叶片，其中4个延伸至上游作为保持叶片。可替代地，可以使用12个导向 叶片，其中4个向上游延伸以形成保持叶片。在入口为非轴对称的条件下，例如由于水平和 垂直机器间距是不同造成的，使用不超过4个的保持叶片，且优选位于或靠近12点钟、3点 钟、6点钟和9点钟的位置，以便在保持叶片接近导向叶片的入口时不会妨碍(保持叶片）的 流线的周向调整。
[0034] 根据本发明的又一方面，每个导向叶片可以延伸形成保持叶片并制造为紧密的配 合于圆柱门，它也可以构造为具有硬且尖锐的下游边缘。在这样的构造中，随着圆柱门密 封至分水管罩和入口整流罩之间的弹性座，圆柱门可以擦除任何寄生在保持叶片前缘的碎 屑，然后利用圆柱门的尖锐边缘将这些碎屑切下来。
[0035] 根据本发明的又一方面，保持叶片可以紧密地嵌合于圆柱门，从而在圆柱门打开 和关闭时以引导圆柱门。
[0036] 根据本发明的又一方面，滑动轴承可以设置在圆柱门和任何一个圆柱门导向保持 叶片之间。
[0037] 根据本发明的一个方面，液压圆柱门驱动器可以液压同步，以便防止圆柱门在打 开或关闭期间的卡滞。例如这种同步可通过系列运行的液压缸、活塞式流量分配器、结合电 子阀控制装置使用的位置测量或者齿轮泵式流量分配器等手段来实现。
[0038] 根据本发明的又一方面，圆柱门可设置额外的长度，使得与发电机壳体接触的上 游导向接触和下游导向接触之间的距离从不小于圆柱门直径的大约1/4。
[0039] 根据本发明的又一方面，装配在潜水发电机周围的圆柱门可以与兼容设计(非干 涉）导向叶片和混流式(径向流入）转轮一起提供。
[0040] 根据本发明的又一方面，装配在潜水发电机周围的圆柱门可以与兼容设计的保持 叶片和导向叶片和改进的混流式(径向流入)转轮一起提供。入口导向叶片优选优化的指导 从大致轴向接近方向朝向转轮入口的水流。这种转轮的修改已经通过使用计算流体力学软 件并考虑发电机周围的轴流限制、同时结合考虑由圆柱门的行程所限定的保持叶片和转轮 排入直的尾水管而得出。
[0041] 根据本发明的优选实施例，提供了用于控制通过阵列水轮机中的一个或多个水轮 机的流量的圆柱门。当圆柱门处于打开位置时，圆柱门优选抵靠发电机壳体的外侧并由发 电机壳体的外侧支持。即使在来流平行于水力机械的轴线且速度较高的地方，这种构造也 会导致水轮机的最小水头损失。圆柱门优选将其下游端密封至从液压流的角度与分水管罩 混合的密封面。所述密封面优选由诸如弹性体或聚合物的兼容且耐磨损和耐腐蚀材料组 成。圆柱门优选由诸如同步液压缸的同步驱动器驱动。例如，为了尽量减少水头损失，两个 气缸可以位于上止点和下止点。在这种方式中，气缸可以连接到所需的涡轮机的支撑柱， 由此可定位于支撑柱的流动阴影，从而由该支撑柱-门驱动器组合导致低于附加的水头损 失。这两个同步驱动器在一个轴线上进行对准。第二轴线和第三轴线上的对准可以通过也 位于上止点和下止点的导向装置来完成。沿轴1和轴2旋转的阻止措施能够使得即使在出 现设计为要切除的碎片的情况下，也允许圆柱门紧紧的关闭。在涡轮机的情况下，圆柱门的 对准也可以通过使下游侧的内径沿至少一些入口导向叶片的上游边缘滑动来维持，或在泵 的情况下，也可以通过使下游侧的内径沿扩散器叶片的出口边缘滑动来维持。尽管液压的 令人满意地紧密配合于发电机的圆柱门，还需要提供冷却管道或冷却环以允许发电机壳体 的水冷却，否则该水冷却会被圆柱门阻碍。
[0042] 因为作用在圆柱门所有范围内的位置的净液压力接近于零，圆柱门的驱动器和相 关联的连接点比与滑门相关联的驱动器和连接点小得多。所需的液压泵、控制阀和蓄电池 同样比滑门驱动所需的小得多。同样，液压油泄漏进入水道的风险也降低了。
[0043] 根据本发明圆柱门的使用省去了对在尾水管排出端的尾水管门和其相关的导板 和密封表面的需求。该尾水管因此可终止为相邻于彼此、相邻于下游混凝土梁和相邻于桥 墩或桥台，如果有的话。这种尾水管结构导致了较低的尾水管出口速度以及消除了由其他 需要尾水管门导板处的水道横截面突变引起的水头损失。应当指出，还有其它替代方案来 控制通过水力机械的流量。这些替代方案包括：上游滑动门、尾水管蝶形阀和尾水管的长度 范围内的滑动门。本发明的优点同样至少适用于这些中的每一个。相比上游滑动门，本发 明的圆柱门在打开时更容易从来流的路径移出，重量轻得多，成本较低，并且在其打开或关 闭时，不会引起诱发非对称流动的振动。相比于尾水管蝶形阀，本发明的圆柱门重量更轻和 成本更低，且不会引起尾水管(液压）的损失。相比于尾水管的长度范围内的滑动门，本发 明重量更轻，更便宜，并且不妨碍其它机器在相邻的行的安装，并且不干扰尾水管的水力效 率。
[0044] 根据本发明的又一方面，提供了一种水轮机，其中发电机位于尾水管内并位于转 轮的下游。该发电机优选在其上游端由轴径向支撑，该轴从转轮上游延伸至由分水管毂支 撑的导向轴承。例如，可水润滑的导向轴承。发电机壳体优选在其下游端由多个支柱支撑， 该支柱可以是流线型叶片，并关于四个自由度固定发电机，即对下游的推力、对涡轮机旋转 轴的转矩、对垂直于涡轮旋转轴的平面的平移(在水平方向定向的水轮发电机组的情况下 的垂直和水平)。
[0045] 优选地，所述支柱为发电机提供精确的约束，也就是说，他们并不过度约束发电 机。过度约束可能会导致所述流线型叶片的不可预知的拉伸和压缩状态，该流线型叶片会 造成不可预知的共振频率。例如，来自于焊接、螺栓紧固或外部结构载荷的残余应力可将支 柱的共振频率转变为与诸如转速、叶片通过频率等固有激发频率相对应，从而导致共振和 故障。所述支柱可以构造为不对称的，以起扩散器的作用，从而将残余切向速度转变为回收 穿过转轮的压力梯度的增量能量。省略了与现有技术的水轮机一起使用的紧挨着转轮下游 的用于将发电机敷在尾水管内的拉杆，以容纳圆柱门并最大限度地提高水力效率。在尾水 管中的发电机的横截面拖动可以通过水道的其他方面的反复优化与协调被最小化。与直觉 相反，与水道中的发电机相关联的型面(能量）损失可被最小化以使其大致等于甚至小于最 常见的轴流式水轮机中使用的常规转轮毂整流罩的型面(能量）损失，其中轴流式水轮机构 造为水流离开转轮，并经过转轮毂整流罩，然后进入尾水管。虽然发电机的轮廓面积比转轮 整流罩的轮廓面积大得多，但是越过发电机的较低的速度导致较低的型面(能量）损失。
[0046] 随着更下游处转轮整流罩直径的减小，角动量守恒会使流体即使以很小的角速度 分量离开最靠近转轮毂的涡轮叶片，也能达到高得多的角速度。其结果是，长的转轮毂整流 罩终止于小于约〇. 2D (其中D=橡胶直径）或甚至终止于提供很少或零的净涡轮机效率收 益的尖点。
[0047] 通过尾水管内从叶片出口处的转轮毂直径到发电机壳体的直径的过渡，以向转轮 传递增量吸力的方式，有效地减小离开转轮的切向速度分量。任何残余的切向速度分量可 以在更下游通过使用扩散器叶片来回收，该扩散器叶片处于由这样的扩散器叶片导致的损 失最低的低流速水道的位置。根据本发明的一个方面，这样的扩散器叶片可以位于发电机 周围的圆柱门的打开位置的下游。结合位于其他位置的发电机的尾水管的总长度，这样的 布置可以构造为约4D的尾水管总长度，该尾水管总长度落入常规的轴流式水轮机尾水管 范围内。省略了作为整体装配长度的贡献者的发电机和流量关断门大大方便了将根据本发 明实施例的水轮机安装到有限的空间，例如安装到在先已存在的水控制结构上的叠梁闸门 槽和安装到弧形闸门组件。通过将可用水道的有效垂直(例如从运行的尾水水位到门倒置） 和水平尺寸(例如桥墩之间的距离）分割成涡轮机的离散的行和列，转轮直径可被选择以获 得期望的(可能受限)平行于流动方向上的尺寸。本实施例提供有利的转轮直径和总长度的 比值，同时消除转轮毂整流罩的型面损失、（诱发轮辋发电机的水下转子的拖拽的效率惩罚 现有技术中有利的转轮直径和总长度的比值)、和现有技术中包括轮辋发电机类型的水轮 机发电机组所需要的截止门的效率惩罚。
[0048] 根据本发明的又一方面，提供了一种具有可调节转轮且具有多个叶片3、4或5的 水轮机，例如，每个叶片可围绕一个轴旋转，该轴成角度地与每个相邻叶片的轴等间距地分 隔开，这些轴作为一个整体位于一个共同的圆锥体上，且该圆锥体的顶点位于下游，叶片轻 微地向上游延伸（例如，5度）并且径向地向外延伸。为最小叶片尖端间隙所需要的球形排 放环的表面，优选地在与球形排放环等直径的同轴圆柱相切的位置处向上游延伸同时在下 游被截断。从气蚀的角度来看，转轮入口上游端的速度的轻微增加是可以容忍的，因为水还 没有通过该转轮，压力在这个位置还是比较高的。这种速度增加的最小化可以通过窄化或 收缩转轮上游的分水管毂以容纳靠近机器轴线的较大比例的总流量实现。由于以下原因， 相比于现有技术中的可调轴向水轮机转轮，这样的布置是有利的：
[0049] 1)该转轮可通过尾水管从涡轮机上安装或去除而无需拆卸排放环。这就可以使用 既不需要拆分也不需要可拆卸的便宜的排放环，反过来又允许更便宜的动力室的建造。
[0050] 2)由于转轮不需要从它的操作位置向上方取出，一个机器可以被堆叠在另一个 上，还同时可以保持对所有转轮的维护。因此，由小机器组成的水电装置具有与由较大机器 组成的动力室相同的输出，同时也具有显著减小的布局（footprint)，即，在水平面上的投 影面积。例如，这样导致能够替换转轮一半直径的四台机器(例如两台机器的高X两台机 器的宽)，以一半的长度和一半的布局(在水平面上的投影面积）的较低成本的动力室来实 现相同的水流容量和输出。
[0051] 3)由于水道的横截面面积在转轮出口处增大，并且因为水也不会引起流过球形排 放环和锥形尾水管之间的相对严重的过渡和转轮气蚀极限，因此，功率输出限制得到改善。
[0052] 4)由于离开转轮的水流与尾水管内部更好的对准，因此尾水管的效率以及涡轮效 率得到改进。
[0053] 最终结果是轴流涡轮机制造起来比较便宜，为此，建立所需要的混凝土结构即动 力室不太昂贵，并且具有相比于现有技术的更大的功率输出。
[0054] 根据本发明再一实施例，如本文所述的水轮发电机或泵可以由独立于线路频率的 速度进行操作。在由多个固定几何形状的水力机械组成的装置的情况下，即使各机器的几 何形状不变，通过每台机器的流量可以通过改变其速度而改变。通过这样的调整，运转着的 机器(最好是全部）的流量、运转着的机器的数量可以增加或减少，而无需创建流量的阶跃 改变。速度也可在任一时间点有效地进行优化以达到某些目的，例如，最大限度地提高设备 效率，最大限度地提高设备输出，防止气蚀，保持均匀的流速，并防止在低尾水情况下从尾 水管顶端的分离。此外，可以适时在任何瞬间调整运行速度以达到上述目的的瞬时最佳组 合。
[0055] 位于不同的行的机器，即在不同的高度的机器，可以根据由相对于尾水的不同设 置导致的不同的气蚀极限以不同的速度运行。
[0056] 根据本发明的又一方面，来自于具有感应发电机的水轮机的功率可首先流入一个 或多个再生逆变器的"有源前端"部分，该再生逆变器位于(典型地潜水的）涡轮机组件并从 那里沿着公共直流母线，转向逆变器系统的线路频率接口部分。这种布置导致简化了的多 个涡轮发电机组的可动组件和固定电力传输线之间的可动电力传输装置。例如，代替了从 许多涡轮发电机组的每一个到固定式开关柜系统的三相交流电缆，两个共用的直流电流导 体可以单一的两芯电缆或两芯可移动或可断开母线的形式使用。
[0057] 根据本发明的又一方面，用于运行诸如液压泵和控制装置的辅助设备的功率可以 在一个或多个水轮发电机组中产生，例如可以通过辅助绕组。
[0058] 根据本发明的又一方面，光纤通信电缆可被并入电力电缆以用于控制和监视信 号。
[0059] 根据本发明的又一方面，光纤线以允许其容易更换而无需整体更换电力电缆组件 的方式安装于电力电缆组件中的护套内。
[0060] 根据本发明的又一方面，一组阵列的水轮机可旋转地安装在水道中，使得相对于 固定结构从任一方向流来的水，可允许以相对于涡轮机相同的方向流过阵列的涡轮机。以 这种方式，可以实现相对于安装涡轮机的固定结构任一方向的高的涡轮效率，例如90%。 [0061] 根据一个优选的实施例，这种物理可逆阵列涡轮机也可以结合例如逆变器系统来 实现变速运行。用这种组合，可以在很宽范围内的水头以及任一方向的流量内保持高效率。 这种双向运行在变水头中是可取的，便于从用于填满和排空船闸室的水中回收能量，例如 结合用于潮汐发电站。
[0062] 根据本发明的又一方面，一个安装在另一个之上的水力机械可以根据瞬时设备气 蚀系数以不同的比功率级运行，例如通过调整涡轮发电机组的转速，使较低的水利机械运 行在较高的比功率级。
[0063] 根据本发明的又一方面，一个安装在另一个之上的水轮机可以依次运行，使得较 低的机器首先启动并最后关闭以便能够高效率地利用低于更高的行的水轮机的尾水管的 顶部的尾水来运行设备。在由流过所有较低的水轮机的水流建立的水流之后，尾水可上升 到足以开始运行下一个更高的行的机器。
[0064] 根据本发明的又一方面，一个安装在另一个之上的横向轴流式泵可以顺序运行， 以使随着摄入水平足以导致最低行的涡流夹带的无故障运行，最低行首先运行。由于随着 最低行的运行摄入水平继续上升，一旦摄入水平高到足以防止关于所述下一个更高的行的 涡流夹带，下一个更高行会成组或单个开始运行，这样的顺序也可以抑制气蚀。
[0065] 根据本发明的又一方面，至少一些一个安装在另一个之上的普通横向轴流式水力 机械的装置，也可以安装在大致水平的不同宽度的行，较小的行在底部。在这种方式下，水 力机械装置引入口的形状可以在入口、出口或两者都有制作为接近梯形的流道。
[0066] 根据本发明的又一方面，一个或多个水力机械可动地安装在先已存在的水控门的 上游，其中，结合例如通过液压驱动的空气夹带和去除或用真空泵的方式，至少一个先已存 在的水控门的开口顶部上的压力可以保持为低于大气压力，所述一个或多个水力机械和所 述先已存在的水控门之间的尾水导管可以密封于大气压力。这种布置可以用于将有效尾水 位降至低于所有或一部分受影响的尾水管的出口的物理高程的高程。这种布置在一个堆叠 在另一个之上的水轮机的情况下尤其有利，同样为了在有限尺寸的水道内满足输出目的， 其也是需要的。

【专利附图】

【附图说明】
[0067] 图1示出了现有技术中具有现有技术的圆柱门的水轮机装置；
[0068] 图2示出了在混流式水轮机中使用的现有技术的圆柱门；
[0069] 图3示出了现有技术的灯泡式水轮机动力室；
[0070] 图4a和4b分别示出了具有圆柱门打开着的和圆柱门关闭着的潜水涡轮发电机 组；
[0071] 图5a、5b、5c、5d和5e示出了具有圆柱门的潜水涡轮发电机组的不同视图；
[0072] 图6示出了具有混流式转轮和圆柱门的潜水涡轮发电机组；
[0073] 图7a示出了具有由圆柱门控制高比转速的涡轮机的动力室的正剖面图，所述涡 轮机堆成两个高；
[0074] 图7b示出了图7a的动力室的平面图；
[0075] 图8示出了安装为替换潜水式弧形闸门的圆柱门控潜水涡轮发电机组的组件的 正剖面图；
[0076] 图9a、9b和9c示出了根据本发明的适于高比速转轮运行的示例性转轮轮毂机构 的多个视图；
[0077] 图10示出了具有锥形阀的泵；
[0078] 图11示出了具有锥形阀的泵；
[0079] 图12示出了尾水管内具有圆柱门和发电机的水涡轮机的正剖面图；
[0080] 图13示出了与混流式转轮的一起使用的且具有位于尾水管中的圆柱门和发电机 的潜水水轮机；
[0081] 图14a示出了利用绕垂直轴旋转180度内任一方向的流量的一组阵列水轮机的平 面图；
[0082] 图14b是图14a的阵列涡轮机的入口端视图；
[0083] 图15a、15b和15c分别是具有倾斜叶片枢轴的可调转轮、尾水管内的发电机和示 于打开位置的圆柱门的水轮机的出口端视图、正剖面图和入口端视图；
[0084] 图16a、16b和16c示出了除圆柱门关闭的与图15a、15b和15c的相同的视图；
[0085] 图17示出了具有一行在另一行之上的两行交错排列的涡轮机的水电站的正剖面 图；
[0086] 图18示出了安装在门维修叠梁闸门槽的一组阵列水轮机的正剖面图，与该阵列 水轮机结合显示的是位于阵列涡轮机和下游控制门之间的水道被抽真空；
[0087] 图19示出了与圆柱门和混流式转轮结合使用的多气隙轴向磁通永磁发电机；
[0088] 图20a、20b、20c和20d中示出了与固定螺距转轮结合的具有位于尾水管中的发电 机和圆柱门的水轮机；
[0089] 图21示出了根据本发明的与水轮机相结合的外转子永磁发电机的使用；
[0090] 图22示出了安装有圆柱门且当圆柱门在尾水管内的发电机周围打开时的涡轮机 的剖视图；
[0091] 图23a、23b和23c示出了图22的涡轮机的入口端视图、剖视图和出口端视图；
[0092] 图23d中示出了图23a、23b和23c中的涡轮机在位置1、2、3、4和5的速度三角 形；
[0093] 图24示出了图22和图23a、23b和23c的涡轮机的横截面；
[0094] 图25示出了水道面积近似为穿过图22、23a、23b和23c的水轮机的轴向位置的函 数；
[0095] 图26示出了图22、23a、23b和23c中的圆柱门打开着的水轮机；
[0096] 图27示出了图22、23a、23b和23c中的圆柱门关闭着的水轮机；
[0097] 图28示出了包括类似于图22、23a、23b和23c所示的水轮机的阵列的入口端；
[0098] 图29示出了包括类似于图22、23a、23b和23c所示的水轮机的阵列的出口端。

【具体实施方式】
[0099] 参照图1，示出了现有技术的使用圆柱门的涡轮机装置。图示的现有技术的圆柱门 1的尺寸足够大以允许通过关闭的圆柱门1完全除去水轮机-发电机组。圆柱门1和发电 机2壳体外径之间的大空间限制了这样的圆柱门1的垂直安装的使用，其中圆柱门1在其 闭合位置延伸至水面上方。此外，垂直导轨26的结构需要将它们以在径向上远离分水管入 口 27的方式放置以免引起不能接受的对涡轮输入流的干扰。图示的发电机2的壳体外径 对于经济设计的直驱发电机来说过小，因而需要齿轮增速器28。相较于直驱的替代方案，齿 轮增速器28通常会导致较短的涡轮发电机的寿命以及较低的可靠性。
[0100] 图2示出了现有技术的用于1900年左右的圆柱门控制混流式水轮机的圆柱门1。 这样的圆柱门结构不适合与潜水轴流涡轮机-发电机组一起使用，因为通过导向叶片31的 转轮29和轴30的支撑被长的负载路径所限制，该长的负载路径从尾水管12到当清除圆柱 门1及其行进路径时与轴支撑轴承31相连接的最接近的点。但应注意，在该现有技术例子 中，需要在尾水管12内设置轴承32,以充分支持涡轮轴30。这样的轴承32和相关的支承 结构33与高比功率轴流水轮机结合使用在水力上是不可接受的，在本发明中高比功率轴 流水轮机是能够控制的。
[0101] 图3示出了现有技术的大型灯泡式水轮机装置的横截面。这种机器的安装、检修 和维护决定了它们虽然可以并排放置，但不能堆叠为一个在另一个之上或堆叠为一排在另 一排之上。这种现有技术设计的每千瓦的部件重量和这种现有技术设计的总长度成倍于根 据本发明的相关的设计。
[0102] 参照图4a，由液压缸14操作的圆柱门1被示为打开的。圆柱门1在打开时顺从发 电机外壳2。如图4b所不，圆柱门1在关闭时由其上游边缘密封于发电机外壳2。例如可 以在圆柱门和发电机之间提供6mm的间隙以用于冷却水的流动。保持叶片3b通常位于平 行于来流方向，并在水流变为独立于分水管毂15和分水管罩17之间的地方过渡到导向叶 片3a。
[0103] 如图4b所示，顺从性的圆柱门座34为圆柱门1的下游端在圆柱门闭合时提供了 紧密的密封。
[0104] 现在参照图5a和5c，示出了圆柱门1处于完全打开位置。定子叶片3的保持叶片 部分3b和导向叶片部分3a通过圆柱门的开口可见。图中示出了液压缸14处于其完全缩 回位置。
[0105] 现在参照图5b、5d和5e，示出了圆柱门1处于完全关闭位置，而液压缸14处于其 完全伸展的位置。转轮叶片4和转轮轮毂5在图5e可见。
[0106] 现在参照图6,具有高比转速混流式转轮18的潜水涡轮发电机组，包括轮毂5、叶 片4和带35,并与圆柱门1 (示为闭合)一起示出。因为在传统现有技术的混流式水轮机导 向叶片的情况下，定子叶片3是不动的，它们可能被扭曲以便径向地引导水流（以及切向)， 以便控制进入转轮18的速度的径向分配。尾水管12也同时示出。
[0107] 图7a和7b示出了合并有可调叶片转轮的动力室，该转轮具有根据本发明实施例 的向上游侧倾斜的叶片和用于关断的圆柱门。注意，转轮可以通过尾水管去除而无需拆卸 或拆除排放环11。尾水管12可以借助于半圆柱形尾水管隔板19进行脱水。隔板19的半 圆柱形式最大限度地减少由液体静压载荷赋予隔板19的弯曲力矩。隔板19的开口顶部可 以在隔板19处于恰当位置时进行包括叶片4和轮毂5的转轮的拆卸和更换。
[0108] 图8示出了连同构造为取代潜水式弧形闸门的水轮机组件37的包括圆柱门1和 发电机2的涡轮发电机组。构造为替换潜水式弧形闸门的其他水轮机在我的美国专利申请 号为11/986584的专利中公开。
[0109] 图9a、9b和9c示出了高比转速转轮，其具有叶片4、转轮轮毂5、叶片杆6、连接连 杆8、球形接头7a和7b、导销10和活塞杆21。
[0110] 现在参照图1〇,示出了具有叶轮22、扩散器叶片23、电动机壳体24和锥形门25的 轴流泵，锥形门在该图的上半部分示为打开、在该图的下半部分示为关闭。
[0111] 现在参照图11，示出了另一个具有锥形门25、叶轮22、扩散器叶片23的另一种泵。 锥形门25在该图的上半部分示为打开、在该图的下半部分示为关闭。
[0112] 现在参照图12,保持倾斜叶片4的转轮轮毂5位于球形排放环11中。轴延伸 (shaft extension)39由水润滑导向轴承38定位。主轴由上游导向轴承40、下游导向轴承 41和推力轴承42定位。在机器装配和拆卸过程中，起重延伸（lifting extension) 43可 以代替轴延伸39。
[0113] 现在参照图13,与混流式转轮44 一起使用的且具有位于尾水管12中的圆柱门1 和发电机2的潜水水轮机。例如，这种机器有利于在现有门控制结构开发功率，在门控制结 构处一个或多个该机器或一组阵列的该机器可与先已存在的水控门串联安装。
[0114] 现在参照图14a，利用绕垂直轴旋转180度内任一方向的流量的一组阵列水轮机 示于剖切平面图。这样一组阵列水轮机的尺寸和重量比等效容量的单个水轮机的尺寸和重 量少得多。因此促进了可逆设备的发展。对流量的每个方向保持相同的优化的几何形状为 每个方向提供了最大效率。使用在不太速度下运行的永磁发电机在很宽的有效落差范围内 提供高效率，例如可与潮汐发电厂结合使用。
[0115] 图14b示出了图14a中的阵列涡轮机的入口端视图。
[0116] 现在参照图15a、15b和15c，图15a、15b和15c分别为水轮机的出口端视图、剖视 图和入口端视图，该水轮机包括具有倾斜叶片枢轴的可调转轮4和5、尾水管12中的发电机 2和图示处于打开位置的圆柱门1。发电机2由保持叶片45定位在尾水管12中。图16a、 16b和16c示出了除圆柱门是关闭的与图15a、15b和15c的相同的视图。
[0117] 现在参照图17,示出了具有一行在另一行之上的两行交错排列的涡轮机的水电 站。这种布置可以提供单独的和直接的起重提升以接近较高的机器和较低的机器。位于更 靠下的行的更深的潜水机器能够使用更高比排出量的转轮，更高比排出量的转轮受益于位 于更靠下的行的机器的更长可用尾水管。
[0118] 现在参照图18,示出了安装在门维修叠梁闸门槽的一组阵列水轮机，与该阵列水 轮机结合显示的是位于阵列涡轮机47和下游控制门46之间的水道48被抽真空。这允许 以尾水管下潜并以与更靠下的行51相同的水头运行更靠上的行50。空气抽空可以借助于 自然发生的空气夹带结合空气泄漏防止手段实现，尤其是在门46的密封处防止空气泄漏。 可替代地，以水作为工作流体的诸如液环泵的真空泵49可用于从水道48抽空空气。
[0119] 现在参照图19,示出了与圆柱门1和混流式转轮44相结合使用的多气隙轴向磁通 永磁发电机50。
[0120] 现在参照图20a、20b、20c和20d，示出了与固定螺距转轮52相结合的具有位于尾 水管12中的发电机和圆柱门1的水轮机。该结构的总长度小于位于上游的具有发电机的 机器的长度。总长度对于将这样的机器在有限的上游空间/下游空间安装至既有结构是至 关重要的。
[0121] 现在参照图21，示出了根据本发明的与水轮机相结合的外转子永磁发电机的使 用。相比于具有内部转子的类似机器而言，提供永磁转子53使永磁体更加安全地安装至转 子。这对于通常跟随甩负荷的超速情况尤为重要。定子55的冷却可以容易的由热管和具 有相邻于定子55的恶表面（wicked surfaces) 56的定子轮毂54提供。可替代地，可以允 许水在定子轮毂54内循环。
[0122]现在参照图 22、23a、23b、23c、24、26a、26b、26c、26d、26e、27a、27b、27c、27d 和 27e，示出了安装有圆柱门1以及当圆柱门1在尾水管12内的发电机周围打开时的涡轮机 的不同视图。图示的机器凭借将发电机置于尾水管中而使得总长度短。因为转轮毂整流罩 端部的型面损失不存在了，所以机器的效率得到提高。代替使用转轮毂整流罩，尾水管12 与扩散器毂24协力工作从离开转轮52的水中回收轴向和切向的动能。根据图25,尾水管 12和扩散器毂24的比例都经过精心协调，以在从转轮到尾水管出口的排水区内提供稳定 和渐进的变化，其方式与通过优化的直锥形尾水管提供的变化类似，但是具有从与转轮轮 毂最接近的转轮排水回收残余切向动能的改进性能。轴流式涡轮机的最高效率通常与至少 伴随一些残余向前(在转轮旋转的方向)漩涡发生。这是因为转轮由于拖动产生的能量损耗 正比于转轮速度的立方。少量的向前漩涡的设计导致净效率的收益，即使一部分该切向速 度未在常规的尾水管中回收。因为角动量守恒，离开叶片尖端的水中的向前漩涡在很大程 度上由于尾水管直径在其长度上的变大而恢复。进入尾水管的水靠近尾水管的外壁到达尾 水管的末端，该末端的半径大于水的进口端的半径。因为水进展到更大的半径，其切向速度 自然降低。相反地，离开最靠近转轮轮毂的转轮叶片的水流试图跟着转轮整流罩流到更小 的半径。由于它试图填补转轮轮毂整流罩之后的空隙，水中的任何离开叶片的切向速度成 倍的增加。所导致的涡流中的能量损耗导致转轮毂整流罩被缩短，以达到最佳的整体效率。 图23a、23b和23c示出了图22的涡轮机的入口端视图、剖视图、出口端视图。图23d中示 出了图23a、23b和23c中的涡轮机在位置（station) 1、2、3、4和5的速度三角形。图示的 水轮机结构除了总长度的优势以外，效率优势也是可利用的。沿机器长度的不同位置示出 了有代表性的速度三角形。轮毂和尖端的切向速度均由包括尾水管12和扩散器毂24的扩 散器减小。扩散器叶片23位于速度足够低的区域，从而其自身不会为机器贡献显著损失。 它们提供了矫直水流的效率收益，这样，随着水流跟随着发电机整流罩56,不会有更多的导 致切向加速度和能量损失的切向分量。图24示出图22和图23a、23b和23c的涡轮机的横 截面。扩散器整流罩、尾水管12的圆锥部、尾水管12的圆形到方形部分、发电机整流罩56 和扩散器叶片23之间的尺寸协调导致面积的足够缓慢的逐渐增加，以防止尾水管内的流 动分离。或者，为了重新激活该位置的边界层，仅在发电机整流罩56的上游使用涡流生成 叶片或纹理。图25示出了水道面积近似为穿过图22、23a、23b和23c所示的水轮机的轴向 位置的函数。图26示出了图22、23、23和23c中的圆柱门为打开着的水轮机。图27示出 了图22、23a、23b和23c的圆柱门为关闭着的水轮机。图28示出了包括类似于图22、23a、 23b和23c所示的阵列的水轮机的入口端。图29示出了包括类似于图22、23a、23b和23c 所示的阵列的水轮机的出口端。
【权利要求】
1. 一种潜水水轮机-发电机组，包括在打开位置和闭合位置之间移动的圆柱门，所述 打开位置围绕发电机壳体的周围，所述闭合位置密封到所述发电机壳体、并密封到分水管 罩或其延伸部。
2. -种具有可调叶片的水轮机，其中，所述叶片的轴线不在径向平面上，反而是倾斜 的，使得每个叶片枢转轴线在排放环处的交叉点位于比每个叶片的枢转轴线在其相对于主 轴中心线的最近点处的交叉点的更上游。
3. 根据权利要求2所述的水力涡轮机，其中，所述叶片在5度和25度之间倾斜。
4. 根据权利要求2所述的水轮机，还包括仅在转轮中心线上游的球形排放环。
5. 根据权利要求4所述的水轮机，还包括直径小于在导向叶片和转轮叶片之间出现的 最大轮毂直径的80%的水道内表面。
6. -种具有流量响应轴向滑动的截止阀的泵，所述泵在外部可密封地抵靠流体通道和 在内部可密封地抵靠马达壳体。
7. -种控制多个固定几何形状的水轮机的方法，其中，控制涡轮机速度以控制涡轮机 排水量，进而控制水位。
8. -种在低尾水条件下控制水轮机的方法，其中，控制速度以控制尾水管涡流，并进而 控制尾水管内的流动分离。
9. 一种发电设备，其中，半圆柱形尾水管隔板可用于去除转轮。
10. 至少两个水力机械，每一个都包括 1) 导向叶片上游的水道内表面； 2) 至少两个所述的至少两个水轮机之间的公共压力室； 3) 打开时围绕所述水道内表面可安装的以及闭合时在所述水道内表面和分水管罩或 其延伸部之间可密封的圆柱门。
11. 根据权利要求9所述的装置，其中，所述水力机械是水轮机。
12. 根据权利要求9所述的装置，其中，所述水力机械是泵。
13. 根据权利要求9所述的装置，其中，所述水力机械是可逆的涡轮泵。
14. 至少一个轴流泵，包括 1) 泵叶轮； 2) -组具有从其上游逐渐减少的轮毂的整流叶片； 3) 圆锥门，所述圆锥门在打开时用于防止导向叶片轮毂的流动分离，在关闭时密封导 向叶片轮毂和导向叶片罩之间的水道； 4) 导引装置，以防止圆锥门卡住； 5) 行程限位装置，以在圆锥门打开时限制其向下游运动。
15. 根据权利要求13所述的轴流泵，还包括圆锥门关闭位置恢复装置。
16. 根据权利要求13所述的轴流泵，还包括圆锥门水锤限制阻尼装置。
【文档编号】F03B13/10GK104093970SQ201280035409
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2012年7月15日 优先权日:2011年5月16日
【发明者】亨利·欧伯梅尔 申请人:亨利·欧伯梅尔