专利名称：堤内倒装水轮泵排气虹吸水电机组的制作方法
技术领域：
本发明涉及潮汐电站、水电站的轴流或贯流转桨式水轮机发电的技术领域，特别是其结构、安装和运行方式。
80年代我国建成两座上规模的江厦和幸福洋潮汐电站。前者采用仿法国朗斯站的具“S”型桨叶的贯流式水轮发电机组，可以在两个流向发电或抽水。后者只用一般的竖井贯流机组。
在海湾出口筑堤建闸吞吐海水构成潮汐蓄能水库，堤畔安装可逆机组如
图1所示①当满潮后水库涨满而外海退潮，打开机前水闸，机组即以“库→海”流向发电是为正向正转发电时段。②迨“库→海”水头递减至不能发电时，打开堤上大闸并调大机组桨叶转角近轴向位置是为正向正转加速排水时段。③至潮将尽时“库→海”水头接近持平乃关闭大闸，这时从电网送电入电机，抽水入海，腾空库容使库内水位负于外海潮尽水位，是为正转抽水时段。过此关闭机组水闸。④迨外海涨潮达海库水位够发电时，打开机组水闸以“海→库”流向为反向反转发电时段。⑤迨水库涨满，海库间水位不足以发电时又打开堤上大闸并调大桨叶转角为反向反转加速灌水时段。⑥近满潮时关闭大闸这时又从电网送电入电机抽水入库使库内水位高过满潮水位是为反转抽水时段。
以上正、反向运行方式，每日两潮堤上大闸和机前水闸要各开关四次，而机组有六种工况，结构复杂，从而单位千瓦投资至一、二倍于常规电站，且灯泡机组埋设海水下，腐蚀和海污的防治及检修又不胜其烦，更加幸福洋潮汐电站故障迭出不能正常运行，遂致多年来未尝有新潮汐电站建成。
至于特低水头(如0.5～3m)水电站，由于水轮机和发电机的造价基本上是现有发电站工作水头的函数，水头越低要得同一出力，过流量越多，机组体积越大，转速越低，造价越高，经济效益越小。故至今开发得也少。
本发明的目的是要提供一种潮汐电站及特低水头电站机组新的结构、安装和运转型式，它能成倍成双倍地降低水电机组和枢纽的造价，而且效率高、维修方便，使潮汐能源和特低水头的水能资源开发走出崎岖，步上坦途。
本发明目的的实现，可概括为“堤(坝)内倒装、水环泵抽气起动、虹吸可逆双速轴(贯)流异步水轮发电机组”。
1、水轮机是设计成出口朝天倒置安装并结合到堤中去的，与常规的截然相反。
2、它的尾水管为倒U型，首段出口朝上再转变折向下游水面下，弯段和末段都被复在堤内，并设计得其驼峰高出上游水面，故开机前是断流的，是为虹吸式，它的断面是逐渐扩展的。
3、水轮机的导叶装置是固定的，整体浇铸的，上下颠倒埋设在堤底，转轮室朝上。为防止金属在海水中腐蚀，导水装置也可用石材或钢筋混凝土浇灌而成。导叶周围是半涡壳与堤基浇在一起，(如用贯流式应是弯肘管渐缩进水。)导流毂内设承插式橡胶导轴承，容易拔起，因此导水部分水下没有活动零部件。
4、水轮机为调桨式，并简化其调桨机构，主轴用厚壁无缝钢管制造，不但减轻重量而桨叶调节连杆是经空心轴通至堤上机房接调节机构的。
5、电机用双速异步电机，并网运行。此电机是变极双速绕组，当库海间水位差高时用高速档发电，水位差较小时切换至低速档发电，而到抽水时扬程很低，也是用低速档抽水。
6、水轮机与电机间用增速传动，容量小时用同步齿形带传动，容量大用元锥螺旋齿轮传动。其传动效率达98%，比直联电机价廉而高效。
7、利用水环泵抽真空起动。对于单流向发电的潮汐电站或低水头电站宜用水环水轮泵，或水能射流泵。因其工作最可靠，虽电网停电或孤立电站都能运行。对于带抽水蓄能的潮汐电站，只能用电动水环泵抽真空起动。
8、堤上大闸改用自动进水闸，它只是一扇门板，回转轴在底部，当涨潮时海面水位高于库内水位推开此木闸门向内倾倒涌水入库，迨满潮后库水将外流，又推闸门自行竖起关闭，如图2所示。它比现有的潮汐电站用电动闸门简单而有效，造价则低数倍。
9、朗斯站的实践证明，双向发电增发电量不多，得不偿失。故本装置虽也具双向发电功能，将少采用。具体运行方式是①涨潮时，海面水位高过库内水位，海水推开自动进水闸涌入水库，至临满潮时库内水位接近满潮位时，既接通电动水环泵向尾水管抽气，使虹吸建立，又从电网送电反接入电机的低速档就带动水轮机反转以电动水泵工况运行，抽海水入库使库水位高过满潮位至一定值后放气入尾水管，即断流停机。这时因扬程甚低，耗电量很少却使次一阶段发电时能博得几倍的电力增益。②之后外海退潮至可发电的水头时开动水环泵为机组的虹吸尾水管抽气，少顷尾水管导通水轮机起动带异步发电机正转并网发电，这时电机处于少极数高速档运转。至水库水位回落外海退潮后期再次涨潮，库海间水位差小了，导致水轮机运转在高效区外，此时切换至多极数低速档使水轮机回复到高效区运行，直至水头过低不能发电时打开虹吸尾水管顶的充气阀，使尾水管充气，库海间断流停机，直待至外海涨潮接近满潮时再从电网送电反接入电机，反转抽水入库为止，完成一个循环。
至于特低水头电站机组结构和潮汐机组相似，但可不用调桨式，调节装置是在固定导叶外加筒闸调节。它的抽气装置改用水环式水轮泵或水能射流泵。
6、应用本发明与江厦机组或幸福洋机组比较有以下特点1.采用倒装结构没有水下挖方，至少没有水下深挖方。
2.机组的涡壳和尾水管都已结合到堤(坝)中去，占地甚少。
3.采用了虹吸式尾水管，自然就省去了尾水闸;更因转体可朝天吊起，水下除导流器和橡胶轴承外已无余物。而开停靠排气、充气，负荷靠转桨调节，因此不用进水闸。只要在涡室前方翼墙两侧各开两道闸槽在大修时置入迭梁即可。况迭梁可多台通用。
4.以调桨机构来调节负荷、流量，水轮机性能与转桨式接近，比调节导叶的定桨式(幸福洋站)好得多。
5.经增速后采用变极双速异步电机并网运行，以低速档作反转电动抽水运行，装置效率高;而双速异步机发电比常规单转速同步电机，可使水轮机始终在高效区运行并扩展至更小水头也能发电从而可多发电10%。
6.除开水轮机转体半在水下外，增速器、电机等都在堤面上运行维修十分方便。
7.堤上大闸改用自动进水闸，免去电动启闭机而且依存水位差自动启闭，绝不失误。而单向发电进水闸又只双向发电进水闸过水断面几分之一，因此水闸投资甚少。
本发明的具体结构、安装和运行方式，由以下的实施例和附图3～6给出。
图3为一台倒置安装在堤(坝)内容量达1000KW的轴流双工水电机组。转轮直径2.5m。其中3-1混凝土半涡室、3-2具24个固定导叶的导流座、3-3导流毂、3-4橡胶导轴承、3-5转桨式转轮、3-6毂内转桨机构、3-7中空主轴、3-8倒U型虹吸尾水管、3-9水封顶盖、3-10双向止推顶轴承座、3-11电脑控制转桨装置、3-12同步齿形带增速传动、3-13异步双速发电(电动)机、3-14充气阀、3-15吸、压气咀。
图4为该机组的运行工况图a、临满潮抽水增益库容、水头时段。
b、退潮初停电时段。
c、高速档发电时段。
d、低速档发电时段。
e、涨潮中停电时段。
历经五个时段完成一个循环。
图5为本机组在平原河流低水头电站的结构安装图。不同于潮汐电站的是水头比较稳定，不必用双速电机并可用定桨式转轮，但导叶外圆加筒闸调节。因电网常停电宜用同步电机。更因电网停电不能用电动水环泵要改用最可靠的水环式水轮泵或水能射流泵抽气起动。射流泵进口接至涡室内壁，吸气管竖直通至尾水管驼峰顶部钟罩内，扩散管出口通出尾水管外设闸阀司其开停。开机前先旋开闸阀则射流泵工作，射流腔内形成的负压吸出尾水管中空气，使虹吸尾水管内上游水面上升越过驼峰与下游导通，水轮机起动。此法在水头较高时有效。
抽气起动的另一方案采用水环式水轮泵。如图6所示6-1转轮、6-2导流座、6-3筒闸、6-4水环泵体、6-5叶轮、6-6水环泵排气口、6-7吸气口、6-8四通阀。
水环泵吸气口用管接至四通阀A，压气口接至四通阀C，尾水管驼峰顶部抽气阀接至四通阀B，D通大气。
机组起动时先开水环式水轮泵，则图3中的3-15吸口或图5中钟罩上接管至四通阀B，使尾水管里的空气从B·2→1·A→6-7被水环泵吸入从出口6-6→C·3→4·D排出，不几分钟，尾水管上下游导通，水轮机起动发电。当遇上水电站洪水位高过驼峰，这时左旋四通阀90°，则大气经D·3→4·A入水环泵吸气口6-7经压缩后出6-6经四通阀C·2→1·B入尾水管中，压缩空气迫使倒U型尾水管水位降至驼峰以下使水轮机停车。
以水环水轮泵或电动水环泵代替常规机组的进水闸和启闭机，其造价仅为后者的几分之一而已。
权利要求
1.潮汐电站引用双向可逆水轮机属灯泡贯流带“S”型桨叶的转桨式，具有正反向发电、抽水、灌排六个功能，它近笔直地安装于库、海间深水下并前后都有闸门，本发明的特征具有相类功能，但是堤内倒装水环泵排气起动无前后闸门的虹吸轴(贯)流双速异步水轮发电机组。
2.如权利要求1所述的潮汐电站堤内倒装虹吸机组其特征是采用固定导叶的导流器其出口是朝天的，接倒U型虹吸尾水管，库、海水面在虹吸尾水管驼峰之下。
3.如权利要求1所述的潮汐电站堤内倒装虹吸机组其特征起动时是靠机旁附设的水环泵抽气建立虹吸使上下游导通机组起动运行，停机是靠向虹吸尾水管送气断流停机的。
4.如权利要求1所述的潮汐电站堤内倒装虹吸机组其特征是采用变极双速异步发电机，水头高以高速档运行，水头低切换至低速档运行、而抽水扬程低靠低速档反向运行。
全文摘要
本发明涉及潮汐电站、特低水头电站的轴流或贯流转桨式水轮机发电的技术领域。它是把轴流式或贯流式水轮机设计成颠倒安装在堤(坝)内，相应配倒U形虹吸尾水管使驼峰高于上游水面，故水轮机前、后不设水闸而借助电动水环泵或水环式水轮泵抽气起动并利用变极双速异步发电机在水头变幅高达5倍时，机组仍可高效区运行。
文档编号E02B9/08GK1103454SQ93120609
公开日1995年6月7日 申请日期1993年12月1日 优先权日1993年12月1日
发明者肖景泓, 肖冠英 申请人:肖景泓