专利名称：低水头、动态可变间距、潜水水力发电机的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及产生和分配水电电力的系统，特别是一种微型水力发电系统，以便从低流量河流和类似地方发电。
背景技术：
水电站一般分为“低”或“高”水头。低水头通常指小于10英尺(3米)的高度变化。过去，垂直落差低于2英尺(0.6)米通常不能提供可用的水电系统。高流速可以补偿低水头，但是必须有较大型的而且更昂贵的涡轮。特别是，现有技术的涡轮在非常低水头和低流动性下不能高效运转。
可用的电力量依赖于动态水头、水流量和涡轮/发电机组合的效率。为获得瓦特可用功率的理想，水头应当按英尺倍增，乘流量GMP，乘0.18倍效率。涡轮效率范围为25％至50％，在较高水头有较高效率。为获得初步理想，采用0.30(表示30％)作为效率的乘数。
更理想的和迄今还未能实现的目标是利用河流的自然流动产生动力，而不通过坝阻挡流动，或只是低坝(低于6米高)来形成人工水头。问题是河流的自然水流和溪流很可能是可变的。在某些地区，一年最干燥的月份中河流流量平均是一年最潮湿月份中流量的十分之一。因此，小型水力发电站被认为作为可靠电量来源几乎没有什么价值。
当在小型场所进行同步发电时，完全利用所有自然河流不是简单的问题。在水力涡轮以低河流流量放水运转期间，存在必须考虑的的机器容量的较低限制，常常导致低效率、不良定义和常常不稳定的性能。过去，不推荐这样的运转长时间进行，机电零件制造商也不保证长期进行这样的运转。
在低水头涡轮情况中，这些涡轮的水头量级小于15米，该限制被固定在最大额定机器排流量的约40％。但是如果利用异步(感应)发电机，则经济因素允许在多个同样小的动力推动机组之间划分特定场所的预定可用水电潜在生产能力，其导致在每年可用河流流量的更重要时期以及在该年的剩余时期更好地运转利用。该潜在生产能力不是正好用于一台机器的50％，而是用于两台相同机器的约80％，当具有相同工程设计的三台相同设备之间结合预定电势时，则达到95％。
这些要求对于新英格兰和美国中大西洋地区的河流水文特征是有代表性的。如果包含的发电机组是密封舱装配式的，其或者位于涡轮转子的上游或下游，无论垂直还是水平布置，则可以进一步提高异步发电的经济性。这些发电机可制成水冷式，具有水润滑套式轴承，密封舱填充有处理过的水，并且基本完全与周围介质的污染水隔离。在安装前，这样的设备填充有清洁的中性水。该水润滑轴承，而且冷却电绕组，发电机可安装在浸没于水中的任何高度。压力补偿装置将保证保持注水的任何膨胀，注水的膨胀是在设备到达其最高温度时发生的，这防止由于设备在停止后进行冷却时温度落差而使周围受污染的水或碱性水流入。
US4345159中公开了尝试利用自然河道发电的早期水动防水壁组件，其中提供了筑坝或类似结构联合的组件，该筑坝或类似结构通过非航行坝、可移动式坝、在为航行程序限定的闸门处的室、渠道跌水或辅助闸门限定水通道。所述的系统包括选择性位移主体，以当布置在相对筑坝结构的运转位置时实现异步发电。包括流动控制装置，如弧形闸门、chanoine旋闸门、人字闸门盒和类似闸门，该流动控制装置可工作而允许组件进行大修或处于闲置状态。根据极高度可变液压压头的要求，多个异步发电机可以在任何一个防水壁中结合起来以提高发电质量。
US4476396示出了与低水头坝和泄洪道装置一起使用的水力发电系统。呈驳船形式的船包含压载箱、泵和使船选择性浮动或得以浸没在泄洪道中的联合结构。船包括多个水平水道和贯穿延伸的通流管通道，各自包含发电的涡轮，船具有这样的结构，使其浮入坝泄洪道的闸门内，其中水流过船通道驱动涡轮发电。靠近泄洪道限定的锚装置和限定在船上的成形支座合作以保持浸没工作位置。
为了控制洪水，在主河流中存在多个坝装置，这样的坝包括用于控制水位的多个闸门控泄洪道。安装在这种泄洪道内的低水头水力发电机为了发电而有效利用水流。
众所周知，在具有洪水控制坝和泄洪道的河流内利用低水头水力发电系统。由于许多原因该系统没有得到普遍使用。低水头发电系统目的是可以利用水流的流动，US3978345、US4142823、US4163904和US4301377公开了这样的装置。还可在底水头安装中还使用虹吸式水力发电系统，US4117676中公开了该装置的实例。但是，在每年发生的河流洪峰中，这样的水力发电设备会干涉通过泄洪道的水流，起到闸门作用，严重影响坝的洪水控制目的。由于此原因，考虑到高水位时出现的问题，以前水力发电设备没有与低水头坝和洪水控制型泄洪道一同被利用。
因此需要向世界许多地区提供稳定、有效和经济的电力。使用自然水道提供电力仍然是人们希望的但是难以实现的方案。甚至在有广阔电网电气化的国家，由于降压变压器成本很高而且收入低，因此电网常常不能连接到小社区。当地水电系统提供的电力比起太阳能、风力和柴油系统，每千瓦的长期成本要低得多。但是，由于没有可靠的水力技术，或者有可靠的水利技术而该技术通常花费过高而可靠性仍然值得怀疑，因此尚未广泛打开该市场。
发明内容
本发明目的是提供一种水力发电机，其具有基座，该基座适于安装在流动水流中，垂直于水流形成上游侧和下游侧。转子安装成在基座内绕其轴旋转，多个铰接叶片安装在转子上并从转子沿径向向外伸展。将叶片设计成在转子的一部分旋转期间在上游侧打开到完全伸展位置，而在转子的一部分旋转期间闭合到嵌套位置，其中由上游侧流向下游侧的水流冲击叶片而使其打开到完全伸展位置以驱动转子。转子或转子和叶片可完全浸没在水中。
在优选实施例中，基座包括叶片接纳槽，用于在部分转子转转周期接纳叶片并使叶片折叠入嵌套、关闭位置，其中叶片的选择与槽有关。转子伸展至水道的宽度。特别是，基座包括上游壁和下游壁，其中上游壁高于下游壁。
最好，转子延伸到水道的宽度，并且叶片伸展至转子的长度。转子可包括限定叶片完全伸展位置的限位挡块。安装在转子或叶片上的端盖形成相邻叶片间的封闭腔。最好，每个叶片呈相对于上游侧的凹曲形虹吸排水道可以被包含在基座上游侧和下游侧之间。
设置发电机，通过转子的旋转驱动用于带动发电机的驱动轴。
在操作中，基座和转子浸没在流动的水流中，转子水平安装，多个铰接叶片在水溢出顶部时张开拦截水，当叶片旋转中下降时存住水，在叶片下降预定量时释放水，接着闭合，以允许最小损失的浸没旋转。
本发明的一种有效应用是用于改造高水头坝，以建造坝下游的船用梯，其中通过浸没式水力发电机建成鱼道的每一台阶。该鱼道考虑了河流的整个流量。
本发明的水力发电机能够在低水头流中发出可靠有效的电力。在优选实施例中，组件采用低垂直落差来提供有效可靠的发电机，而不需要坝。在一个实施例中，一米的垂直落差和十米的电机长度能够产生0.2兆瓦特的发电量。电机在与自然水流相同的速度下运转，因此有益于某些生物如鲑鱼。系统提供合乎环境需要的、有效的具有可靠电力的非污染源，该可靠电力能够在消费点附近产生。这使得本发明的系统有益于在世界上那些不易得到电网的地区。该系统还有益于在电网支持地区中增加发电量，这只需要新电厂的一小部分成本，而且没有污染。
在一个实施例中，可以一米落差(或其它合适的增量)连续放置多个成套装置，以提供发电时使鲑鱼迁移的鱼道。这会使现有坝留在适当位置，同时提供满足设置功能鱼道需求的解决方案。在该实例中，鱼道本身发电。
在本发明优选实施例中，包括基座，用于支撑伸至水道的宽度的大体水平的心轴。叶片连接到采用铰链的心轴上。动力轴由心轴支撑。在优选实施例中，叶片在上游侧呈凹曲形。组件放置在水道中，并横跨水道的宽度，使得造成上游侧的水位升高。迫使水溢出成套装置的顶部，向上冲击叶片冲而远离心轴。这使叶片通过铰链向上方和向着心轴外展开，直到其到达限位挡块。叶片接着将流动能量传递给心轴并使其旋转。一旦叶片穿过中心并处于下游侧，它可以通过收缩板向着心轴部分折叠。这防止了由每个叶片携带的水由叶片带回到上游侧，使系统的效率达到最大。
在优选实施例中，设置虹吸式断口而使空气流入转子组件的端部。
这些叶片以自然的水流速旋转，并隔开以使鲑鱼通过该组件游向上游。
优选组件包括水平安装的圆柱形转子，转子具有多个铰接叶片，叶片连接于转子以沿相同的径向摆动。提供一种手段，用于在水溢出系统时，操作叶片而将水阻挡在截留槽内，从而使叶片旋转，同时叶片完全浸没在水中。使用旋转转子来提供发电的动力。
图1示出了水力发电机的工作机构和其上安装转子的基座；图2示出了组件的横截面，水沿流动箭头作用于机构上；图3示出了容置轴承的端盖，该轴承支撑基座上的转子；图4示出了一种待配置铰接叶片的心轴；图5是正视图，包括发电机、旋转式电力传输模块、轴封、排水环、轴承和联接法兰。
图6示出了待连接于图4所示心轴上的单个铰接叶片。
图7示出了水力发电机运转横截面，图中示有鱼，以便表示本装置如何运转而不伤害到鱼；图8示出了使用本水力发电机改进水电坝的系统。
具体实施例方式
图1示出了基本工作组件。设置基座10，使其适于安装在水道的底面。基座的纵轴延伸至水道宽度或跨距，并垂直于流动方向。在优选实施例中，基座由重惰性材料如钢筋混凝土构成。基座还可以由呈空心的高强度塑料构成，以便在安装地点在该空心中填充混凝土。基座包括成形槽12，用于接纳心轴和叶片组件14。基座的上游侧面16高于下游侧面18，叶片组件确保水流入心轴22的旋转轴20上方的系统。轴向动力轴24连接心轴。箭头26表示旋转方向。
通常，心轴22由具有高刚性和高断裂韧度的材料制成，这样的材料如玻璃纤维合成物、高强度塑料或耐蚀金属。心轴由图1所示的中心圆柱组成，或在图4所示的替代实例中，由圆柱形芯轴33、径向延伸板32和轴向挡水板或端壁31组成。心轴必须由具有足够强度的材料构成，以便承受水施加的力。
如图1所示，叶片28延伸至心轴的长度，并向着基座的上游侧面16呈凹曲形。叶片由在标准温度和压力条件下浮在水中的高强度材料制成，该材料能够模制成要求的形状，或者根据形状、强度和浮力要求来制造。将凹曲形设计成当叶片处于基座槽12中时使叶片套在心轴上，如图1所示。
叶片28各自单独通过铰链30连接于心轴22，如图6所示。铰链可具有独立结构，并且栓接或铆接于心轴和叶片；或以构造传统销接式铰链的方式，将铰链模塑在心轴延伸板的端部和叶片的对接端，供单销装配。叶片可以具有一个位于叶片末端的小断面，该断面具有相对凹陷34，如图6所示，为的是有助于水将叶片冲离心轴。图6所示的叶片被显示为连接图4的板式心轴，如连接于每个单独板32。但是应该明白，叶片可以类似地连接于任何心轴结构。
驱动轴24(图1)可以是独立嵌入式部件，或如图4所示，是与心轴组件成整体的部件33。
图2示出了基本工作机构的横截面。图中表示了当叶片铰接在心轴板32上时，它们必须以提供叶片的支撑物或限位挡块40的方式工作。在图2中，示出了铰链30连接于叶片的上游(凹入)侧，使得叶片的对接端必须停靠在心轴延伸板的末端，以提供限位挡块。
如图2所示，水由上游侧流入组件，冲击第一嵌套叶片28a。这迫使水上升，超过心轴的轴线，沿箭头42所示的顺时针方向驱动心轴。当叶片28a离开槽12的上边缘44时，水迫使叶片到达完全伸展的位置，如叶片28b、28c和28d上示出的位置。叶片会保持在完全伸展位置，一直到迫使其套在基座的槽12内，如叶片28e、28f、28g和28h所示。这迫使心轴腔内的所有水在流动方向上，是从组件向外流的。它还确保，当叶片旋转回到叶片28a的位置时，排出组件内的碎片或动物活体，而不伤害生命或组件。
转子组件包括端盖53，如图3和7所示。转子轴51(图3)延伸穿过端盖，并且由足够额定值的轴承52支撑，以支撑转子组件重量、水重量和水流冲击作用于其上的力。在优选实施例中，轴承安装在端盖内。端盖应该由高强度材料制成，如玻璃纤维合成物、高强度塑料或耐蚀金属。端盖应当使虹吸断口54并入其中，该断吸槽54由端盖的顶部56延伸至刚好在心轴的中心轴区域下面的区域58。断吸槽仅在端盖顶部56和心轴的中心轴51下面的区域58开口。区域58处的开口向着组件的内部，或者在由旋转叶片占据的空腔内。
图5示出了完整心轴组件的正视图，图中未示出基座前壁16。整个组件具有在发电机端部的两个轴承66、67。在该端部可以或不必使用两轴承。带有双轴封的排水环74设置在电力传输模块59(图中显示为轴60)、滑轮鼓69和合成绳索类(但是可以为齿轮或皮带)或链轮和环链以及转子组件之间。通过将板焊接成标号68所示的箱形而构造排水环、鼓套和发电机套。整个组件的尺寸将随要求的电力输出改变。图中示出了鼓和合成绳索组件69，因为众所周知它是最耐蚀、运转噪音最小的动力传递系统。
多绳索对于传递大量级动力也许是必要的，绳索64通常由高强度合成材料构成。将鼓63和69直径大小设置成提供发动机62合适的运转速度。发电机组件也安装在板箱61内。发电机机架61具有轴封以防止潮气进入发电机组件内。
在组件与驱动发动机处相对的端部，具有用键固定在转子组件的轴上的联接法兰73，该联接法兰73允许附加转子组件串联于同一发动机。连接轴应当具有与下一单位联接法兰匹配的螺栓图形。
操作。参照图2、5和7，操作原理见图5。在这些附图中，可看出操作的基本原理。基座10安装在河流、沟渠和鱼道中。通常包括心轴22和叶片28的旋转组件安装在基座10上。假设河流的堤坝与水利发电机的端部会合，设备会引起上游侧的水平面升高，下游侧的水平面暂时下降。河流的堤坝必须高到足以适应河流上游水平面的上升。由于将该设备设计成模块式，具有一个或多个联接法兰73，见图5，使水力发电机的总长度改变而尽可能接近河流或溪流的宽度。
当迫使水溢出装置顶部时(图7)，河流的水流或流动能量将向上冲扫有浮力的铰接叶片28，使其远离心轴22(图2和图7)。叶片向外伸展，直至对接端40(图2)靠着心轴板32。在这一点，通过水施加在叶片上的力，使叶片保持在完全伸展位置。一旦有关的叶片移动通过上中心点或“12点钟”位置，或者相应板32与心轴22向外垂直，叶片不受河流水流冲击力的作用，但是受到由水重量或势能施加的向下力的作用。
叶片是以这样一种方式安装在心轴上的在叶片下移高差时，促使水在叶片之间受最佳拦截。另外，端盖53(图5)阻挡水流出叶片的边缘。水的势能直接转变成转子组件的旋转机械能。当有关叶片到达下水位时，其将停止增加转子组件的能量，但是由于其它叶片目前处于峰变换水平，因此转子组件将继续转动。由于叶片在标号30处(图2)绞接，因此当叶片又移向上游侧时其回折而靠着心轴。
为了防止浪费大量势能损失，提供虹吸断口54(图3)，其允许空气流向正好在下面的转子组件末端和流向心轴下游侧。这使得心轴延伸板之间所容纳的水流出，防止旋转心轴和叶片将其吸回。
旋转的转子组件直接连接轴60，轴60用于驱动的发电机62(见图5)。由于大多数发电机并不设计成潜水式的，因此必须将发电机安装在最高水位。由于驱动轴低于水位，因此提供传动系统或皮带和皮带轮系统63、64、69(图5)以使发电机位于水位以上。
在优选实施例中，如图5所示，使用滚筒和绳索式滑轮系统，这不需要润滑，比齿轮噪音小，比起皮带来打滑的可能性更小。齿轮、滚筒和绳索或皮带和带轮都需要保持干燥。为实现干燥，设置轴封62以防止水流入轮箱内。填隙式排水环61的使用，由小电泵(未示)抽吸，或者钻孔以排放到发电机的下游侧，将提供特极保护。设定驱动轴的滚筒和发电机的驱动轴的直径大小，使其为发电机提供最适宜的轴速。发电机架具有轴封以阻止雨水和洪水。
图8示出了使用水力发电机改进水电坝的系统。坝80在流动水道84的上游侧形成水库82。图示实例是高水头系统，坝的高度足以防止鱼“爬”到坝上，即从下游侧84游到上游侧82。本发明可用于提供鱼道88，其中通过沿斜坡92连续放置本发明的多个水力发电机组件90a、b、c...n形成一连串低水头台阶，设立图7所示结构的船用梯。
如上所述，可以了解到本发明是一种水力发电机系统或水力发电机，其具有适于垂直于水流安装在流动水流中以形成上游侧和下游侧的基座。转子安装成绕基座的轴旋转，多个铰接叶片安装在转子上并从转子径向向外伸展。叶片被设计成在转子的一部分旋转期间在上游侧张开到完全伸展位置，而在转子的一部分旋转期间使叶片闭合到嵌套位置，其中从上游侧流向下游侧的水流冲击叶片，并使其张开到完全伸展位置以驱动转子。转子或转子和叶片可完全被浸没。
在优选实施例中，基座包括叶片接纳槽，用于在部分转子旋转循环中接纳并使叶片折叠到嵌套闭合位置，其中叶片的选择与槽有关。通常，基座包括上游壁和下游壁，其中上游壁高于下游壁。
最好，转子延伸至水道的宽度，叶片延伸至转子的长度。转子可包括用于限定叶片完全伸展位置的限位挡块。安装在转子或叶片上的端盖在相邻叶片间形成封闭腔。最好，每个叶片相对于上游侧呈内凹曲线形。
基座的上游侧和下游侧之间可以包含虹吸排水道。
设置发电机并通过转子的旋转驱动用于带动发电机的驱动轴。
在操作中，基座和转子浸没在流动的水流中，转子水平安装，多个铰接叶片在水溢出顶部时，张开拦截住水，并在旋转中下降时存住水，在其下降到预定量时放掉水，以及闭合，从而允许以最小损失浸没旋转。
本发明的一种有效应用是用于改造高水头坝，以建造坝下游的船用梯，其中通过潜水水力发电机建成鱼道的每一台阶。
尽管上文已详细描述了本发明的实施例和特征，但是应该容易理解，本发明包括落在权利要求所述范围和精神内的所有改进、修改和增加。
权利要求
1.一种水力发电机系统，包括a)、基座，适于安装在流动水流中，并通常垂直于水流形成上游侧和下游侧；b)、安置在基座内绕其轴旋转的，预定长度的并具有外端和直径的转子；以及c)多个铰接叶片，安装在转子上并从转子沿径向向外伸展，所述叶片适于在转子的一部分旋转期间，在上游侧张开到完全伸展位置，而在转子的一部分旋转期间，闭合到嵌套位置，其中由上游侧流向下游侧的水流冲击叶片，并使其张开到完全伸展位置以驱动转子。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述转子完全浸没在水中。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述转子和所述叶片完全浸没在水中。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述基座包括叶片接纳槽，用于在部分转子转转循环中接纳叶片并使叶片折叠入嵌套、闭合位置，其中所述叶片的选择与所述槽有关。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述转子伸展至水道的宽度。
6.如权利要求1所述的系统，其中所示叶片伸展至所述转子的长度。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述转子还包括限定所述叶片完全伸展位置的限位挡块。
8.如权利要求1所述的系统，还包括位于所述转子外端的端盖，所述端盖使相邻叶片之间呈封闭。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述端盖安装在所述基座上。
10.如权利要求8所述的系统，其中所述端盖安装在所述转子上。
11.如权利要求1所述的系统，还包括在所述基座上游侧和下游侧之间的虹吸排水道。
12.如权利要求1所述的系统，其中每个叶片呈相对于上游侧的凹曲形。
13.如权利要求1所述的系统，其中设置发电机，通过所述转子的旋转驱动用于带动发电机的驱动轴。
14.如权利要求1所述的系统，其中所述基座包括上游壁和下游壁，其中上游壁高于下游壁。
15.如权利要求1所述的系统，其中所述转子呈圆柱形，所述叶片直接连接于所述转子的外曲线壁。
16.如权利要求1所述的系统，其中所述圆柱体分段切割，用于限定在其长度上延伸的多个板，并且其中所述叶片各自连接于所述转子上的板。
17.一种水力发电机系统，其中使用水驱动式转子驱动发电机发电，包括a、基座，适于安装在流动水流中，并通常垂直于水流形成上游侧和下游侧；b、安置在基座内绕其轴旋转的，预定长度的并具有外端和直径的浸没式转子；以及c、多个铰接叶片，安装在转子上并从转子沿径向向外伸展，所述叶片适于在转子的一部分旋转期间，在上游侧张开到完全伸展位置，而在转子的一部分旋转期间，闭合到嵌套位置，其中由上游侧流向下游侧的水流冲击叶片，并使其张开到完全伸展位置以驱动转子；d、基座内的槽，用于在部分旋转周期，在嵌套位置接纳和保持叶片；e、位于转子外端外部的端盖，用于在相邻叶片和端盖之间形成封闭腔。
18.如权利要求1所述的系统，其中所述转子还包括限位挡块，用于限定叶片的完全伸展位置。
19.如权利要求17所述的系统，其中所述端盖安装在所述基座上。
20.如权利要求17所述的系统，其中所述端盖安装在所述转子上。
21.如权利要求17所述的系统，还包括在所述基座上游侧和下游侧之间的虹吸排水道。
22.如权利要求17所述的系统，其中每个叶片呈相对于所述上游侧的凹曲形。
23.一种发电的方法，包括将装置浸没在流动水流中，该装置包括水平安置的可旋转式圆柱形装置，具有多个铰接叶片，该叶片张开以在水溢出顶部时拦截水，当叶片在旋转期间下降时保存水，在叶片下降预定量时释放水，接着闭合，以允许最小损失地浸没旋转。
24.如权利要求23所述的方法，还包括使水位改变预定高度的步骤。
25.一种改造水电坝的方法，包括a、在坝的下游建造鱼道，通过浸没式水力发电机建造鱼道的每个台阶。b、设置考虑了河流整个流量的鱼道尺寸；以及c、经由水坝引导水流，使水流经过一连串水利发电机向下流过鱼道。
全文摘要
水利发电机系统包括转子，转子绕其基座上的轴旋转，多个叶片铰接于转子并由转子沿径向向外伸展。将这些叶片设计成在转子的部分旋转转中在上游侧张开到完全延伸位置，其中水由上游侧流向下游侧的水流冲击叶片并使其张开道完全伸展位置以驱动转子。转子或转子和叶片可完全浸没在水中。
文档编号F03B13/10GK1795330SQ200480014699
公开日2006年6月28日 申请日期2004年4月7日 优先权日2003年5月27日
发明者尤金·G·利格曼 申请人:尤金·G·利格曼