专利名称：立、卧轴多压点型桨轮式水轮机及其电站辅助设施的制作方法
技术领域：
本发明涉及的立、卧轴多压点型桨轮式水轮机及其电站辅助设施属于水利发电技术方法及其设备、设施技术领域。
开创水力发电全新作用原理和作用方法的“桨轮机发电法”及其采用的“桨轮式水轮机(或简称为桨轮机)”的诸多性能优势均已在中国发明专利“桨轮机发电方法及桨轮机法电站”(发明专利号03153720.0)中有了详细的说明，其出力方式是将电站水能集中垂直压在桨轮的最大力矩处以轮切向出力，在机内水流与轮桨板是以同向、同速、直线方式运动，无现有水轮机叶轮叶片形态与其推动水流形成的剧烈冲击性摩擦，无水流急转弯、漩涡和长时间固定于水轮机某一部位处的间隙漏损等负压区形成的条件和造成的水能损失，从设计结构和作用原理上消除了现有水轮机存在的空蚀、磨蚀、振动、漏损、效率区、效率低等诸多固有难题生成的根源，其可使水电站的出力效率大幅提高，建设与维护费用大幅降低，并可使水能消耗大幅度下降，尤其可使中小水电站在低负荷时间阶段运行时的水能消耗成数倍地减少；因无空蚀问题，自然无安装高程的限制，其设施均在地上或下挖很少，使工程简单价低，其设备可在坝外的河道上充分布置，可适合各种水头高度及其变化；从应用方面看，如将其应用在现有水轮机不适应的泥沙含量高，水头、负荷变化幅度大的电站上采用，则更可显示出其独特性能优势。其有单桨轮机和双桨轮机两种机型；在其中，单桨轮机型在结构设计、生产制造、设备安装、使用控制、产品成本等多方面比双桨轮机型更加具有优势，其出现使中小水电站有了十分理想的水轮机机型；但是如何使单桨轮机适合于更大型的、出力需求更大的水电站；如何使单桨轮机在相同出力的情况下体积更小，安装更方便、投资更节省；如何使单桨轮机更加方便、广泛地适合多种不同条件的水电站的多种水头、多种出力及其巨大变化的需求；此外，据权威报道，在中国目前拥有的近5万座小水电站中，有60％左右是在20-30年前建设的，目前均已进入了设备更新期，因此如何使桨轮机更加方便与广泛地适合对现有的多种不同类型、规格、水头、出力情况的水电站在基本不改变其现有建筑结构和设备安装格局的情况下，方便地对其进行桨轮机法电站方式的技术改造，使原有电站业主也能及时享受到因技术进步带来的多方面更高效益，是对桨轮机发电法及其桨轮式水轮机发明设计者提出的更高要求；本发明的目的就是针对上述需求与要求提出的一种桨轮式水轮机的多样化机型设计，即——立、卧轴多压点型桨轮式水轮机及其电站辅助设施，与现比较，其可使桨轮式水轮机设计结构、作用方式、适应情况更加全面、广泛和多样化，使其类型和性能更加全面，使其效能更加巨大，投资更加节省；其同时也包括适宜上述要求的、与各种多样化机型相配合的多种形式的电站辅助设施。
本发明提出的立、卧轴多压点型桨轮式水轮机及其电站辅助设施(可简称为多压点型桨轮机)因为是对单桨轮机而言的，所以下面所述的多压点型桨轮机均是指单桨轮机，其作用原理与水流出力方法与桨轮机发电法描述的情况完全符合，因此其也属于桨轮机发电法发明专利方法的权利要求范围。
本发明所述的立、卧轴多压点型桨轮式水轮机及其电站辅助设施是通过以下结构设置实现的①设有立轴型桨轮式水轮机和卧轴型桨轮式水轮机两种机型；立轴桨轮式水轮机可与立轴发电机连接，卧轴桨轮式水轮机可与卧轴发电机连接；②在桨轮机的桨轮上配合安装有两个或多个与单桨轮机压水原理、方式相同或相似的压水结构体；③在多数情况下，与一个桨轮配合的两-多个压水结构体可共同与一个压力输水管相连接，从而形成为一个并联或串联的、可适应于立式或卧式的“一体化的输水压水结构体”；④上述“一体化的输水压水结构体”的排列设置方式可与现有的水斗式水轮机的各种设置方式大致相同，或可使其设计与安装方式更加多样化，如采用立式组合压力管道的设置方式，向在其下设置的立轴型桨轮周边设置的两-多个压水结构体内一同输水(如
图1所示的形式)；⑤所述的“一体化的输水压水结构体”更可采用将现有的水轮机蜗壳、或是将现有的水斗式水轮机的原有管道为基础，将其进行结构改造，从而形成桨轮式水轮机需要的“改造型的一体化输水压水结构体”(如图2所示，其为蜗壳改造后的“一体化的输水压水结构体”设计)；也可采用全新设计形成，即可在坝外沿河道设置的方式(如图1所示的形式)等，因此可见，压力输水管的设置方式是以实用为根本，形式可多样，只要功能符合要求，无固定的形式要求；⑥各种形式的“一体化的输水压水结构体”和其适合的调速器、水流控制阀门与节流装置等一同构成了桨轮式水轮机的电站辅助设施。
⑦通过桨轮机与各个压水结构体的配合，使可转动的桨轮板与固定的压水结构体机壳壁之间形成紧密配合，从而形成动态的封闭结构，在其接触的末端称为极点(在图中极点用★标注)，在极点位置，运动的桨轮板与固定的压水结构体形成完全的紧密封闭，极点位置的机壳还可采用形成弧线结构体的方式将极点功能放大，作用时间延长；⑧在极点的前面是零压泄水口，水流经过极点换能后从泄水口泄出，如泄水口设置在水面之上，在泄水口处需要设置可起到护水，即可使运动到此处的桨轮板间继续保持有水存在，并同时可使其内存留的水保持零压力的挡水泄水板，(本发明将其简称为零压挡水板)，零压挡水板可采用向上、向下出水的方式，或采用弹力、重力物控制等多种方式实现上述设计功能；由此可见，在坝外河道水面下设置的桨轮机的泄水口处可形成开敞式(如图1所示)，因为河道水可自然形成相对零压力的桨轮板间的存流水，无需设置零压挡水板。
⑨桨轮式水轮机的总体设计方式可通过采用增加与减少水轮机直径、采用增加与减少其上设置的压水结构体的数量，或采用在相同设置情况下，通过调速器控制水压与水流等多种方式及其结合，方便地实现对水轮机设计能力范围内一切出力要求的调节与控制。
⑩因桨轮机桨轮板的排列密度、设计形状、规格尺寸、轮毂直径、安装设计、水力情况的不同，性能测试结果也会有小的差异，可逐步系列化产品开发，形成30-40个大小规格不等的系列产品类型。
本发明对立、卧轴多压点型桨轮式水轮机及其电站辅助设施作用原理和作用方法的描述是电站水库的高压水通过压力输水管输送到立轴或卧轴多压点型桨轮式水轮机上设置的各个压水结构体处，通过各个压水结构体的作用，使多点压力水流一同以相同方向轮切向方式压迫在同一个桨轮上，在极点处桨轮板与压水结构体形成动态形式的封闭，从而形成内高压与外低压的水力不平衡；因极点的前面就是零压泄水口，因此高压水在从高压向低压的流动过程中推动桨轮板与其一同运动，从而形成水流与桨轮板的同向、同速运动方式，且全部是利用水的势能出力，通过极点换能后，由于后面跟进的桨轮板又到达极点位置形成新的封闭，因此使前面的间隙水失去高压动力，并从泄水口泄出；因为高压水流在泄出时已经完全消能，根据能量转换与守恒定律可认为，桨轮机出力方式可实现水能的完全彻底转换。
由于一个桨轮上有两个及其以上个极点高压与泄水口零压配合形成的水力出力叠加，因此可形成两个及多个动力的合力共同推动一个桨轮机转动，从而带动发电机发电，并通过与其配合的水轮机调速器、控制阀门、水流控制导叶等电站辅助设施实现多压点型桨轮式水轮机的全部功能要求；本发明因为采用了立、卧式多压点和多种压力管道的排列设计，因此可方便地实现(1)可适合大、中、小型水电站和其需要的大、中、小出力需求，可适合各种水头及其变化的水电站采用；(2)与现比较，可方便地实现使其在相同出力的情况下使水轮机体积更小、效率更高、安装更方便；或是在相同体积下使其出力更大、投资更节省的目的；(3)可方便地实现使桨轮式发电法更加方便、广泛地适合各种不同安装条件的水电站和其不同出力需求、不同水头高度及其变化需求；(4)可使其方便与广泛地适合对现有的多种类型、规格、出力要求的水电站，尤其是对现有中小型水电站在原有电站建筑结构和设备设置格局基本上不改变的情况下，对其方便地进行桨轮机发电法及采用桨轮式水轮机的技术改造；由此可见，由于本发明的设计实现，可使桨轮式水轮机的适应能力更全面、更完善，可使桨轮机发电法真正全面广泛地进入实际应用阶段。
下面结合示意图说明两种多压点型桨轮式水轮机及其电站辅助设施的功能和结构。
图1是立轴、四压点型桨轮式水轮机及其电站辅助设施的结构俯视示意图。
图1中1.压水结构体 2.压力水流流动方向箭头 3.桨轮板 4.桨轮的动力输出轴 5.零压泄水口 6.固定架示意 ★极点；×表示水流由上向下运动的方向。
从图1图示中可看出电站高压水流通过立式一体化输水压水结构体的压力管道输水，向在其下设置的、在立轴型桨轮机周边设置的四个压水结构体内一同输入高压水(图中的×表示水流由上向下运动的方向)，通过压水结构体的结构与位置作用，使高压水流与桨轮板一同向着零压泄水口处运动，当运动过程通过极点后，由于再后面的桨轮板与压水结构体机壳又形成新的封闭，因此运动到泄水口位置的压力水失去压力从泄水口流出，从而完成了水能向机械能转换的过程，其产生的动力由桨轮的动力输出轴输出，其可与立轴式发电机连接转动发电。
图2是将现有的混流式或转桨式水轮机的蜗壳，通过内部结构的部分改造形成的四压点型桨轮式水轮机，示意图是对其中部的剖面俯视。
图2中7.改进型的压水结构体 8.零压泄水口 9.桨轮的动力输出轴 10.桨轮板 11.压力水流方向箭头 12.原有的水轮机蜗壳； ★表示极点；×表示水流由上向下运动的方向。
从图1图示中可以看出电站高压水流通过对原有水轮机蜗壳改造后的水轮机蜗壳(改造型的一体化输水压水结构体)分别进入了设置的四个改进型的压水结构体内，其出力作用方式与图1的情况完全相同，其尾水(换能后的水)从泄水口向下泄出，流入原有水电站的尾水管内，排向下游(图中的×表示水流由该处向下运动的方向)，因为在相同出力的情况下桨轮机发电法的水流量可大幅度下降，因此其泄水口位置将出现无水状态，因此在其泄水口处要设置零压挡水板；此外，在其进水口处可设置类似于导叶的水流控制装置，方便调节控制出力和速度。
由于一个桨轮上有两个及以上个极点高压与泄水口零压配合形成的出力叠加，因此可形成合力带动发电机发电，并通过与其配合的水轮机调速器、控制阀门、水流控制导叶等电站辅助设施实现多压点型桨轮式水轮机的全部功能要求。
权利要求
1.一种立、卧轴多压点型桨轮式水轮机及其电站辅助设施，其作用原理与水流出力方法与桨轮机发电法描述的情况完全符合，其特征在于①设有立轴型桨轮式水轮机和卧轴型桨轮式水轮机两种机型；立轴桨轮式水轮机可与立轴发电机连接，卧轴桨轮式水轮机可与卧轴发电机连接；②在桨轮机的桨轮上配合安装有两个或多个与单桨轮机压水原理、方式相同或相似的压水结构体；③在多数情况下，与一个桨轮配合的两-多个压水结构体可共同与一个压力输水管相连接，从而形成为一个并联或串联的、可适应于立式或卧式的一体化的“输水压水结构体”；④上述一体化的输水压水结构体的排列设置方式可与现有的水斗式水轮机的各种设置方式大致相同，或可使其设计与安装方式更加多样化；⑤所述的一体化的输水压水结构体更可采用将现有的水轮机蜗壳、或是将现有的水斗式水轮机的原有管道为基础，将其进行结构改造，从而形成桨轮式水轮机需要的“改造型的一体化输水压水结构体”；也可采用全新设计形成，即可在坝外沿河道设置的方式等，压力输水管的设置方式是以实用为根本，形式可多样，只要功能符合要求，无固定的形式要求；⑥各种形式的一体化输水压水结构体和其适合的调速器、水流控制阀门与节流装置等一同构成了桨轮式水轮机的电站辅助设施。⑦通过桨轮机与各个压水结构体的配合，使可转动的桨轮板与固定的压水结构体机壳壁之间形成紧密配合，从而形成动态的封闭结构，在其接触的末端称为极点，在极点位置，运动的桨轮板与固定的压水结构体形成完全的封闭，极点位置的压水结构体机壳还可采用形成弧线结构体的方式将极点功能与作用时间延长；⑧在极点的前面是零压泄水口，水流经过极点换能后从泄水口泄出，如泄水口设置在水面之上，需要设置零压挡水板，也适合原有电站改造后的情况采用；在坝外河道水面下设置的桨轮机的泄水口处可形成开敞式。⑨桨轮式水轮机的总体设计方式可通过采用增加与减少水轮机直径、采用增加与减少其上设置的压水结构体的数量，或采用在相同设置情况下，通过调速器控制水压与水流等多种方式及其结合，方便地实现对水轮机设计能力范围内一切出力要求的调节与控制。⑩因桨轮机桨轮板的排列密度、设计形状、规格尺寸、轮毂直径、安装设计、水力情况的不同，性能测试结果也会有小的差异，可逐步系列化产品开发，形成30-40个大小规格不等的系列产品类型。
2.一种立、卧轴多压点型桨轮式水轮机及其电站辅助设施作用原理和作用方法，其作用原理与水流出力方法与桨轮机发电法描述的情况完全符合，其特征在于电站水库的高压水通过压力输水管输送到立轴或卧轴多压点型桨轮式水轮机上设置的各个压水结构体处，或电站高压水流通过对原有水轮机蜗壳改造后的水轮机蜗壳分别进入了设置的改进型的压水结构体内，通过各个压水结构体的作用，使多点压力水流一同以相同方向轮切向方式压迫在同一个桨轮上，在极点处桨轮板与压水结构体形成动态形式的封闭，从而形成内高压与外低压的水力不平衡；因极点的前面就是零压泄水口，因此高压水在从高压向低压的流动过程中推动桨轮板与其一同运动，从而形成水流与桨轮板的同向、同速运动方式，且全部是利用水的势能出力，通过极点换能后，由于后面跟进的桨轮板又到达极点位置形成新的封闭，因此使前面的间隙水失去高压动力，并从泄水口泄出，或通过泄水口处设置的零压挡水板泄出；由于一个桨轮上有两个及其以上个极点高压与泄水口零压配合形成的水力出力叠加，因此可形成两个及多个动力的合力共同推动一个桨轮机转动，从而带动发电机发电，并通过与其配合的水轮机调速器、控制阀门、水流控制导叶等电站辅助设施实现多压点型桨轮式水轮机的全部功能要求。
全文摘要
一种立、卧轴多压点型桨轮式水轮机及其电站辅助设施，其是对桨轮机发电方法采用的桨轮式水轮机的机型多样化完善设计，有立轴型和卧轴型桨轮式水轮机，在桨轮上配合安装有两个或多个与单桨轮机原理、作用方式相同，结构相似的压水结构体；压力输水管更可将现有的水轮机蜗壳、或将现有的水斗式水轮机的原有管道为基础，将其进行改造形成桨轮式水轮机需要的压力输水管和压水结构体一体化结构，由于一个桨轮上有两个及以上个极点高压与泄水口零压配合形成的出力叠加，因此可形成合力带动发电机发电，并通过与其配合的水轮机调速器、控制阀门、水流控制导叶等电站辅助设施实现多压点型桨轮式水轮机的全部功能要求。
文档编号F03B1/00GK1560463SQ20041000445
公开日2005年1月5日 申请日期2004年2月25日 优先权日2004年2月25日
发明者陈晓通 申请人:陈晓通