专利名称：用于极低水头的涡轮和水力发电站的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种极低水头水力发电站的涡轮以及一种极低水头的水力发电站。
背景技术：
在水力发电站中，大坝内蓄聚的水或者是抽吸到进水口的水中所贮存的势能用来驱动涡轮的叶轮。此时，势能就转换成机械能。该涡轮反过来再驱动发电机，从而将机械能转换成电能。
根据装设地点的不同，水力发电站也有不同。特别是其上游水位与其下游水位之间的落差，或者是水头，约小于30米的低水头水力发电站可以是明显不同，更为特别的是那些水头约小于10米的极低水头水力发电站则更为不同。
图1和2均示意性地展示了常规的一种利用极低水头的水力发电站5的部分示图。其包括一个进水通路10，该进水通路的入口由一个格筛12进行保护。此外，还有一个筛冲洗系统，图中未示出，来防止格筛12被堵塞。进水通路10大体为收缩的形式，从而将水导向轴D上的涡轮14的叶轮13。在涡轮14上游的进水通路10中带有一个导流器16，其用来引导水流正确地流过涡轮14中叶轮13的叶片17。低水头或者是极低水头水力发电站5的涡轮14通常为转桨式水轮机(Kaplan turbine)，其形状为螺旋形并且通常都包括有可调节叶片17。尾水管18将水从涡轮14的出口导向尾水9。涡轮14可通过导流器16的关闭而停下来，其中该导流器16通常都带有可移动的边门。
在图1中，涡轮14的中轴D基本为垂直布置。涡轮14驱动布置在水流外部的一台发电机20。
在图2中，涡轮14的中轴D基本为水平布置。发电机(图中未示出)布置在水流中的球管形壳体22中。
转桨式水轮机通常对应一个特定的叶轮13转速而有最佳的效率。进水通路10旨在使水流加速到一个适于叶轮13为最佳效率转速的速度上。从叶轮13出来的水流的速度要高于水力发电站5上游的流速。尾水管18用来使叶轮13出来的水流减速并尽可能地回收涡轮14出来的水流中的动能。
通常来讲，对于给定类型的水力发电站来说，涡轮14的特性参数比值K对应于叶轮13出来的水流的动能与水头势能之比。该比值K，用％来表示，由下式给出K＝100*V2/2gH其中V为从叶轮13出来的水流的平均速度，g为重力加速度常数，H为水头高度。比值K表示从叶轮13出来的水流中所包含的动能形式的能量除以涡轮所能获得的能量，因此其表示的是尾水管18所能回收的能量。
比值K越高，尾水管18所实现的减速也越大。对于常规的低水头转桨式水轮机来说，Joachim Raabe先生在其“Hydro Power”的著作中指出，对70米、15米和2米水头来说比值K分别为30％、50％和80％。在极低压涡轮中，如果使叶轮13的出口回收很高的动能就会导致尾水管的尺寸非常大，因为它们的开角会受到液流分离的限制。
由此，在形成水力发电站5的进水通路10和尾水管18时就需要构造很大的土木工程建筑。这种建筑的高成本大大增加了水力发电站的成本，并极大地限制了系数K特别高的低水头和极低水头水力发电站的建设。
发明内容
本发明旨在提供一种适用于极低水头的水力发电站涡轮，其具有进水通路，并且尾水管的尺寸很小，甚至没有。
为了实现这一目的，本发明提供了一种用于水力发电站的涡轮，其适用于水头小于10米，优选为1-5米的极低水头水流中，其包括一螺旋形叶轮，流出叶轮的水流的动能与水头的势能之比小于20％。
根据本发明的一个实施例，叶轮的直径大于3米。
根据本发明的一个实施例，叶轮的旋转速度小于50转/每分钟。
根据本发明的一个实施例，该涡轮包括一个与通道相交的装载器(CARTER)，其包括一个柱形部分，叶轮包括叶片布置在柱形部分的位置处；一毂，叶片就装在该毂上；一固定盒，毂可转动地安装在固定盒上；以及相对于水流位于叶轮上游的一个导流器，其包括多个将固定盒与装载器连接起来的型条。
根据本发明的一个实施例，该通道相对于水流在柱形部分的上游包括一个收缩部分并且相对于水流在柱形部分的下游包括一个张开部分，其中随着叶轮旋转轴而变化的装载器的厚度与叶轮直径的比值小于0.5。
根据本发明的一个实施例，该导流器包括以星形绕着固定盒布置的多个型条，该涡轮相对于水流在导流器的上游包括一个过滤筛冲洗系统，同时包括至少一个组装后能绕固定盒旋转的臂从而扫掉导流器上的大块物体。
根据本发明的一个实施例，该涡轮包括有对叶片进行导向从而使涡轮的流量适应于水头流量和/或关闭装载器通道的装置。
根据本发明的一个实施例，该涡轮包括一个由叶轮驱动的液压泵。
本发明还提供了一种用在水头小于10米例如在1-5米之间的极低水头的水流中的水力发电站，其包括一涡轮，该涡轮包括一螺旋形叶轮，叶轮出口水流的动能与水头的势能之比小于20％。
根据本发明的一个实施例，该水力发电站包括一个支撑体，其限定一流路，由此形成水头并且涡轮就布置在这里；以及相对于支撑体使涡轮处于一个第一位置和至少一个第二位置之间的装置。其中的第一位置是涡轮完全关闭流路的位置，其中的第二位置是涡轮部分关闭流路的位置。
结合下面的附图并参考特定实施例的非限定性说明，本发明的前述以及其它对象、特征和优点将会更加清楚。其中图1和2，如前所述，示意性地展示了常规的用于极低水头的水力发电站的剖示图；图3示意性地展示本发明水力发电站的剖示图；图4以更为详细地方式展示了本发明水力发电站一实施例的剖示图；图5所示为图4水力发电站的顶视图；图6所示为图4水力发电站中涡轮沿一个包含有涡轮轴的平面的详细剖示图；图7所示为图6中涡轮沿方向F的示图；图8所示为图6中涡轮在没有导流器时沿方向F的示图；图9所示为图6中涡轮一部分的剖示图；图10所示为图9沿涡轮轴线的一个垂直平面的剖示图；图11到13所示为本发明水电站在不同使用位置的情况。
具体实施例方式
图3示意性地展示了本发明水力发电站25的剖示图，其比例与图1和2中的水力发电站5基本相同。水力发电站25装备于极低的水头，其水头基本与图1或2的水头相同，即小于10米，并且优选为1到5米。
本发明的水力发电站25用到了中轴D上的涡轮30，其包括一个装载器32，该装载器32中布置了一个叶轮34，其直径很大并能以几十圈/每分钟的旋转速度工作。该转速与水力发电站25上游的正常流速相一致。这就能使进水通道以及布置在装载器32这里的尾水管的尺寸减到最小。由此，装载器32就能包括在一个厚度很小的平行六面体中，该平行六面体由一个混凝土支架36支撑，其尺寸与常规的水力发电站的土木工程建筑相比要小许多。例如，当水头接近1.5米并且流量为30m3/s时，本发明的水力发电站25能够获得280kW的电力，此时涡轮30的直径接近5米，并且旋转速度为20圈/分钟。此时，比值K等于11％，装载器32基本包括在一平行六边形中，其沿中轴D的厚度大约等于1.9米，其宽度即垂直壁40、41之间的距离大约等于6.4米，其沿着中轴D垂直方向的高度大约等于6.9米。通常来讲，本发明的涡轮30能使水力发电站用在水头低于10米的极低水头上。涡轮30的比值K，如前定义，对于此水头来说小于20％。
图4和5分别展示了本发明水力发电站25一详细实施例的剖示图和顶示图。其中水流方向如箭头所示。涡轮30的装载器32相对于水流由支撑体36保持在其位置上，其中的支撑体36包括底座38和两个垂直壁40、41。装载器32适于在平行槽42、43中滑动，这些槽相对于垂直方向倾斜设置并形成在垂直壁40、41中。涡轮30的中轴D相对于垂直方向的倾角取决于槽42、43相对于垂直方向的倾角。该角度要根据水头的大小、水流的深度、叶轮34的直径以及装载器32的厚度来选择。在前面的实施例中，叶轮34的旋转轴相对于垂直方向大约倾斜34度。两个液压杆44、45能够使装载器32滑到槽42、43中。图4和5中装载器32的位置对应于水力发电站25正常操作的位置。平台46(在图4中为部分示出)能让涡轮30跨骑，特别是供维修之用。
涡轮30的叶轮34包括可调节叶片48，其连接到毂50上。毂50可相对于一固定盒52绕着轴D组装上去，其中固定盒52则由导流器54连接到装载器32上。导流器54包括一个固定型条56的组件，这些型条从固定盒52径向延伸到装载器32。型条56将水流导向叶片48，这样水流就会沿着正确的方向到达叶片48。此外，型条56的数目以及两型条56之间的间隔应能使型条56用作涡轮30中叶轮34的保护筛，从而防止大块物体到达叶轮34。导流器54的清洁则由一旋转型的筛冲洗系统来实现，其包括三个移动臂60，这些移动臂60可绕着固定盒52旋转地组装上去。用来使筛冲洗系统旋转起来的设备在图中没有展示。
图6展示了图4中涡轮30的一个更为详细的剖示图。装载器32与通道62相交，其包括一个收缩的上游部分64，例如为圆锥形，其用作进水通道；一个柱形的中部66；以及一个张开的下游部分68，其例如用作尾水管。叶轮34的叶片48基本处于通道62的柱形部分66的位置处。
图7和8所示为图6中涡轮30沿方向F的示图，其中图8中没有导流器54。装载器32由一平行六边形块70形成，其包括两个块72、74以便连接液压杆44、45。叶轮34包括八个可调节的叶片48，如虚线所示其在取向上可部分交叠。
如图6所示，毂50包括一个内圆柱部分78，其通过一个滚柱轴承设备82可旋转地组装到一个固定管件80上。内圆柱部分78通过前后的环形平壁86、87连接到外部84上。每一个叶片48均由毂50通过位于外部84位置处的第一轴承88以及位于内圆柱部分78位置处的第二轴承90支撑起来。轴承88、90为每一个叶片48均形成有一个枢轴E。
中空的管件82通过螺钉91连接到固定盒52上。液压泵92布置在固定盒52中。液压泵92由一旋转轴94驱动，其端部通过螺钉96连接到毂50的后壁87上。液压泵92通过管子(图中未示出)连接一液压马达(图中未示出)上，其中的管子用来传送带压的液压流体。液压泵和电机组件形成了一个常规的流体静力传动装置。该液压马达驱动一发电机(图中未示出)。该液压马达和发电机最好与涡轮30分开。例如，将液压泵92连接到液压马达上的管子可布置在导流器54的固定型条56中从而将液压泵92连接到装载器32上。
在正常操作下，当足够的水流通过装载器32的通道62时，叶轮34的叶片48绕轴D旋转。此时，毂50旋转并驱动液压泵92的轴94。然后，液压泵92驱动液压马达，其反过来再驱动发电机。
图9所示为可绕轴D可旋转地组装到固定的中空管件78上的毂50的更为详细的示图。其中仅部分地展示了一个叶片48。对于每一个叶片48来说，毂50外壁84位置处的轴承88包括有凹槽98以便放置密封圈(图中未示出)，从而能在确保毂50的内腔不进水的情况下使这个与轴承88相连的叶片48旋转。滚柱轴承设备82包括有能够使毂50绕管件78旋转的球轴承，同时该滚柱轴承还能使载荷沿轴D转移。实际上，叶轮34上的水流沿轴D产生一驱动力矩并沿轴D从水流的上游到下游产生一负载。密封设备98可防止水进入到这个将内柱形部分78与管件80分开的空间中。
图10与图9一起更为详细地展示了叶轮34中叶片48的取向机构。在图10中，只展示了与其中两个叶片48相连的轴承88、90，其中一个叶片48为完全展示出来，另一个则是部分展示出来。叶片48的取向机构包括一个环形部件100，如图9中部分展示地那样，其布置在轴线D的一个垂直平面中。环形部件100由一些沿着毂50后壁87周圈分布的支撑部件102保持。支撑部件102允许环形部件100绕轴D旋转。这样的转动可通过两个液压杆104、106(图9中未示出)来获得。油在液压杆104的压力下得到馈送，图中未展示。每一个液压杆104、106均包括一个柱体108，其通过一枢轴连接109和一个杆110组装在毂50的外部84上，该杆110能在柱体108中滑动并通过一枢轴连接111连接到环形部件100上。
每一个叶片48包括一片体112，其以一柱形连接件114为延伸。该柱形连接件114的自由端组装在轴承90中，柱形连接件114连接到片体112的一端安装在轴承88中。每一个叶片48通过一杠杆116绕其轴旋转，该杠杆116在柱形连接件114的位置处连接到叶片48上，并且杠杆的另一端做成柱杆状。帽120能够使杠杆116的杆形端118移动，并且其包括有两个中心孔122，杆形端118能在该孔中滑动。每一个叶片48均与一个连接124相连，该连接124包括两个平行臂126、127，每一个臂均具有一个凹槽128、129，该凹槽沿一方向延伸，该方向落在中轴D的一个垂直平面内。帽120能够在凹槽128、129中滑动。帽120可进一步相对于连接124沿着凹槽128、129的一个垂直轴线枢轴转动地安装上来。连接124通过一枢轴130连接到环形部件100上。
叶片48的方向能使涡轮30的水流适应于水头的水流。这种对叶片48进行取向的机构能使叶片48的枢轴转动同步进行。驱动液压杆104、106能使环形部件100绕轴D旋转。环形部件100的旋转使连接124、帽120以及杠杆116位移，并最终使每一个叶片48绕其轴旋转。
叶片48的轮廓应能使相邻叶片根据连续的接触线彼此交叠。如此布置就能使每一个叶片覆盖相邻的叶片，叶片48的关闭就能使装载器32中通道62中的水流停下来，从而使涡轮30停下来。由此就不必使用停止门或者是可调节的导流器。叶片一旦关闭，一浮体可在两叶片48之间闯入。凹槽128、129能使其中一个叶片48保持在半关位置，而另一个叶片则完全关闭。该浮体在下一次打开叶片48时取消。叶片48的液压形状在设计上应使这些叶片受到的绕其轴E的液压扭矩使叶片48朝着关闭的方向被驱动。通过这种布置只需释放液压杆104和106就能使涡轮30停下来。
叶轮34数米的直径应使叶轮出口水流的平均流速相对于水头相当的低。这能使形成尾水管的通道62下游部分68在尺寸上达到最小。通过叶轮34的速度低即意味着与现有常规的用于低水头或极低水头的水力发电站的涡轮相比其旋转速度非常低。
根据本发明的一种变化，轴96所提供的扭矩的传送可通过加速齿轮来实现。
根据本发明的另一种变化，可在固定盒52的位置处或者是毂50中，直接用一台能够由一低速旋转轴驱动的低速发电机来代替液压泵92。
图11和12所示为本发明涡轮30在使用时的两个位置，该涡轮在使用中能够去掉导流器54上聚集的大块物体。实际上，根据大块物体密度的不同，过滤筛自动冲洗系统会将导流器54上聚集的大块物体移到导流器54的顶部或底部。液压杆44、45可使涡轮30移到图11所示的一个较低的位置处。这个较低的位置能使那些聚集在导流器54顶部的大块物体排掉，然后再如箭头135所示被水流带走。液压杆44、45将涡轮30移到如图12所示的一个较高位置处。该较高的位置能使那些聚集在导流器54底部的大块物体排掉，然后再如箭头136所示被水流带走。
图13所示为本发明的水力发电站，其中涡轮30处于一个上限位置处，此时其大部分处于水流之上。此时，例如为了维护的需要可从平台46上进入到毂50和固定盒52中。为了更好地进行维护操作，可将涡轮30从支撑件36上完全取下来。
根据本发明的一个变化，收缩的上游部分64，其用作进水通道，以及张开的下游部分68，其用作尾水管，均很小并且可具有不同的尺寸。收缩的上游部分64和/或张开的下游部分68也不一定存在，此时通道62就完全是一个筒形。
本发明具有许多优点。
第一，其能使装载器中用来形成进水通道的收缩部分减到最小，甚至是没有，更为特别的是装载器中用来形成尾水管的张开部分更是如此。这样能减少装载器沿叶轮轴向的尺寸，同时用来将装载器装在其上的支撑的尺寸也更为紧凑。此外，由于收缩和张开部分的尺寸很小，因此它们可做到装载器这里，此时该装载器大体上由各个机械部分机械焊接形成。收缩和张开部分不必由尺寸较大并且生产成本很高的混凝土结构来形成。由此，本发明的水力发电站的制造成本得以降低。此外，由于本发明的水力发电站体积小，因此很容易安装在现有的工地上。
第二，由于流过叶轮水流速度很小，这种大尺寸低转速的叶轮就使得本发明的涡轮特别适用于鱼的通过，不论鱼是往上游还是往下游迁移。由此就不必在水力发电站的旁边再建一个保留给鱼专用的鱼梯。
第三，根据本发明的一个特定实施例，叶轮的叶片能够调节并且可彼此关闭从而用作一个闸门使通过涡轮的水流停下来。由此就不必再在涡轮上游建一个专用于使水流停下来的闸门或者是一个移动的导流器。这样就进一步地降低了本发明水力发电站的尺寸。
第四，根据本发明的一个特定实施例，该导流器可用作叶轮保护筛，从而避免大块物体碰到叶轮。由此就不必再在涡轮的上游提供一个专用的保护筛。这样能够进一步减少本发明水力发电站的尺寸。
权利要求
1.一种用于水力发电站(25)的涡轮(30)，其设置于水流中水头小于10米，优选为1-5米的极低水头的位置，其包括一螺旋形叶轮(34)，流出叶轮的水流的动能与水头的势能之比小于20％。
2.根据权利要求1的涡轮，其中叶轮(34)的直径大于3米。
3.根据权利要求1的涡轮，其中叶轮(34)的旋转速度小于50转/每分钟。
4.根据权利要求1的涡轮，其包括一个被一通道(62)穿过的装载器(32)，其包括一个柱形部分(66)，在柱形部分位置处布置有包括叶片(48)的叶轮(34)；一毂(50)，叶片(48)就装在该毂上；一固定盒(52)，毂可转动地安装在固定盒上；以及相对于水流位于叶轮上游的一个导流器(54)，其包括多个将固定盒与装载器连接起来的型条(56)。
5.根据权利要求4的涡轮，其中的通道(62)相对于水流在柱形部分(66)的上游包括一个收缩部分(64)并且相对于水流在柱形部分的下游包括一个张开部分(68)，其中随着叶轮旋转轴(D)而变化的装载器的厚度与叶轮直径的比值小于0.5。
6.根据权利要求4的涡轮，其中的导流器包括以星形绕着固定盒(52)布置的多个型条(56)，该涡轮相对于水流在导流器(54)的上游包括一个过滤筛冲洗系统，同时包括至少一个能绕固定盒(32)旋转组装上去的臂(66)从而扫掉导流器上的大块物体。
7.根据权利要求4的涡轮，其包括有对叶片(48)进行导向从而使涡轮的流量适应于水头流量和/或关闭装载器(32)通道(62)的装置(100、104、106、116、120、124)。
8.根据权利要求1的涡轮，其包括一个由叶轮(34)驱动的液压泵(92)。
9.一种用在水流中水头小于10米例如在1-5米之间的极低水头的位置的水力发电站(25)，其包括一涡轮(30)，该涡轮包括一螺旋形叶轮(34)，叶轮出口水流的动能与水头的势能之比小于20％。
10.根据权利要求9的水力发电站，其包括一个限定流路的支撑体(36)，流路中有水头形成并且布置有涡轮(30)，以及用来使涡轮(30)处于相对于支撑体(36)的一个第一位置和至少一个第二位置之间的装置(42、43、44、45)，其中的第一位置是涡轮完全关闭流路的位置，其中的第二位置是涡轮部分关闭流路的位置。
全文摘要
本发明涉及用于水力发电站(25)的涡轮(30)，其用于水头小于10米而且优选为1－5米的极低水头的水道中，其包括一螺旋形叶轮(34)，从叶轮来的水流在出口的动能与水头的势能之比小于20％。
文档编号F03B3/14GK1898469SQ200480038790
公开日2007年1月17日 申请日期2004年11月18日 优先权日2003年11月20日
发明者雅克·冯克奈尔 申请人:雅克·冯克奈尔