专利名称：低水头排列式水轮发电机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种低水头排列式水轮发电机，属电力生产设备。
背景技术：
水轮发电机是利用水流落差存在的势能，是水从高处位向下流动形成的动能驱动水轮机做功，从而带动发电机发电的装置。在现有水轮发电机中水位差水流有用管道、涵洞引水输送，存有压力水管、引水室、导水机构等配置构造形成对水轮机叶轮冲击旋转，即是低水头贯流式水轮机水流流径构造也类似于此。
发明内容
本实用新型的目的是在一些小河流、浅滩溪水河床水流流量充沛，但地形地貌制约难以构筑高位坝体，同时冲击水轮机叶轮的配置构造也受到限制；根据上述的水文情况，提供一种不同于现有水流冲击构造的水轮发电机。在河床宽度筑以低坝座，在坝座上平行排列多台水轮机，用坝座形成的低水位差水流，即以主要利用河床水流的动能，其次是水位差的压力能做功，全流径宽平行推动坝座上的各台水轮机叶轮同步旋转，以其产生的机械动能带动发电机转子旋转而获取电能。
为达上述目的，本实用新型采取的方案是在河床用砼材料构筑矩形低坝座，按水轮机顺水流方向的机座底宽定坝宽度。坝座顶面高度需满足水轮机下泻水流与下游水面一个空间距离，使水轮机出水泻流畅通。如河床上游地形地貌条件允许，可酌情抬高坝座，加大空间距离，当下游水面抬高，此位距离空间不至被淹没，保证水轮机出水不受阻。坝座上安装的多台水轮机，上游方向的进水口都淹没在抬高水位后的水平面下，多台的平行排列安装同时是一个拦截水流抬高水位的坝座作用，以此，达成低水头排列式水轮发电机做功的具备条件。
本实用新型的水轮机部分是一种罩壳式结构水轮机，和机壳同宽扁框形的大水流进口。在水流进入机内，用隔层板分成上、下层水道，形成两股与机壳同宽，前、后位置，平扁形的冲击水流，对位同等宽度，前低后高两个平行横置叶轮进行冲击，使两叶轮同时产生旋转力矩。水轮机罩壳两端侧面板上对称安装相同构造，传递力矩的传动带轮箱，箱内是叶轮轴头安装座。在轴的头部配置传动带轮，从前低位的第一轮开始，即同时把两个叶轮的旋转力矩连接叠加，以顺序连接传递的形式到机座上部的中心主轴，最终传递给发电机。在此，各组的带轮用大、小增速的轮匹配，逐级增速传递。
坝座上平行排列安装的各台水轮机同步做功，相同的水流条件，同规格机型是相同的转动速度。以此的前提条件，不以每台水轮机座配置发电机；通过水轮机座同宽的中心主轴的两端轴头，各左、右在两侧带轮箱中增配带轮；用中间连接轴的相互连接方式，邻邻顺序传递，把排列的各水轮机中心主轴力矩汇集，以其增大的力矩，作用于同一台发电机，以提高发电机的发电效率。因而，将单台发电机安装在排列的水轮机中间位置机座上，以使各机的转矩传递距离均匀。然而，在宽度大的河床水面，各水轮机中心主轴长距离转矩连接传递，受到机械转动副的限制，此状态可采用间隔几台水轮机配装一台发电机的形式。发电机发出的电流通过电缆的架设在河岸边的配电室操作。在设备安装地，以当地水文资料为依据，设计坝座的高度和水轮发电机的安装台数及所匹配发电机的额定功率。
本实用新型的运行，当受河床水位涨落的影响，对水轮机叶轮受水冲击旋转速度产生快、慢变化，从而使发电机电压不稳定；采取在水轮机框形进水口前方位置设一道升降闸门，调节进水口水量的大、小。闸门安装在进水口下部的坝体位，当闸门上升，流量减小，叶轮转速减慢，反之，叶轮转速增加。闸门用直杆连接水面漂浮的浮筒体，浮筒随河床水位涨落，其下连接的直杆刚性传递使闸门升、降，达到自动调节进水口水流流量。
如果河床存有水位瞬时上涨的水文情况，上述升降闸门的功能难以达到控制水流流量，进一步的配套方法是在与水轮发电机平行坝座一段设置自动泄洪闸门。同样用浮筒自动控制的构造装置，当河床水位上涨，浮筒随河面水位上升打开闸门泄洪；在水位下落时，浮筒同步下降，闸门在自体重量作用下，自动关紧泄洪口。根据河床水位涨落的水文资料，泄洪闸门的设置宽度，必须满足其最大的泄洪流量。
本实用新型的低水头排列式水轮发电机在于开发利用浅水宽流的水利资源，拓宽水能开发范围，发展小水电建设提供一种新的机型。
图1是本实用新型的单机下游方向位平视图。
图2是图1的A-A位结构剖视图。
图3是图1的P向带传动结构布置图。
图4是带轮箱底板和箱盖面板形状平面图。
图5是单机俯视图。
图6是图5的H向的直立板缺口和连接板结构图。
图7是下游方向位视多机排列布置包括泄洪闸门的平面示意图。
图8是图7的Z向砼低坝座中间柱座结构布置图。
图9是图7的T向砼低坝座边柱结构布置图。
图10是图7的M-M泄洪闸门的侧面剖视图。
具体实施方式
结合附图，对本实用新型的实施例作以下说明。
看图1，砼低坝座7顶面和下游水面之间有一个叶轮57圆径的距离是水流出水下泻的流程空间。叶轮57和叶轮59同置在水轮机座的下部位。带轮箱3在水轮机侧面板58的安装，其箱的横向宽度是按轴头双轮叠装带轮31a、31b的空间定位。两侧带轮箱3顶位同高度连接一横档4，在其上配发电机座板11安装卧式发电机1；不安装发电机1的水轮机座，此横档4同时存在。发电机1配置防护电机罩壳12，在此中心主轴2和发电机1的带轮31同置轮罩壳35。在破切图位，带轮箱3内叶轮57、59和中心主轴2的传动带32是平行轴布置，轴头配装可拆卸的并带密封圈37的轴承座36，是为易损件替换操作的方便。中心主轴2在发电机1下方位，轴上的带轮31e在中心主轴2配合发电机1可在单台水轮机的横档4宽度范围移动，调整发电机1在机座的位置。在机座顶部位，左、右各置的是邻邻传递力矩的连接轴21。
图2的罩壳式水轮机5侧面结构剖视，机壳体由罩壳顶51、底壳板53、中隔板52、下隔板56、直立板54、侧面板58、导流角55、前座直板511、叶轮57和叶轮59以上主体构件组合。在对称侧面板58上有前、后两位置叶轮57、59按各自位置和各自圆径的孔洞。结合图1，侧面板58与带轮箱3之间有一条空缝位，是侧面板58上两孔洞各叠装的法兰圈厚度，其内径相同于各圆径孔洞，是横置安装的叶轮57、59装拆的作业孔。叶轮57的法兰圈位在向下游水面处切除的弧形缺口有利水流下泻。
同在图2，罩壳顶51从进水口端向下游方向倾斜弯曲，在前方位叶轮57位置上以该轮圆径外围造型。罩壳体内的导流角55是上、下层水道的分界点，其延伸的中隔板52结构造型相同于罩壳顶51的向下弧形弯曲，形成对叶轮57半个圆径位冲击水流的上层水道；导流角55折角底面向前倾斜转上沿叶轮59约1/4圆径的造型是一个不存水构造，同时与底壳板53之间形成对叶轮59半径圆冲击水流的下层水道。叶轮59所处位置的冲击水流转半径到下游方向，其下泻水流对位叶轮57，在此段距离增设一层下隔板56的构造形成水道，使叶轮57同时受两股水流冲击。但也使该下泻水流产生出水阻力，此状态使叶轮59在轮转回上游方向时叶面510带水；通过用下隔板56与中隔板52之间位置构造一个与上、下层水道同宽的溢水道512，下斜出水口对位叶轮57上。当叶轮59从水道位转到此处时，轮上留存的水量流进溢水道512，叶轮57同步转动的冲击水流对其产生一个空吸作用，促进溢水道512水量的下泻。
同是图2，两叶轮57、59以圆径面均分六页叶面510，在受水面微凹入弧线造型，是加强水流冲击叶面510的受水承载。对照图1和图5的破切图位，轮宽是直线的构造，轮圆径按以上均等的叶面510分布数，当受水流冲击时，总有圆径转动的受水叶面510对位水道冲击水流。两轮同后侧方向位的轮半径受水冲击，是圆径异面受力，产生的绕轴转动效应。叶轮59是以上游拦截水位深度压强水流产生旋转动能；叶轮57所处上层水道落差水流加之叶轮59下泻的补充冲击水流，同时轮径大于叶轮59，因此，其轮的容积效率、水力效率和机械效率高于叶轮59。水轮机末端水流下泻在叶轮57上，此位的畅通下泻，轮上不存有回转水量，在轮回转到新水流注入，其转动的力矩得以高效。以上两叶轮57、59的效能比较，叶轮57是产生水轮机机械功率的主作用轮。水轮机座宽度以叶轮57、59受水冲击的结构强度为设计基础，当以宽度大的构造对水流的利用效益高。上述叶轮57、59的当此构造，轮转动的过水量大，在所处的低水头水流条件下，产生的是低转速，大转矩的机械功率。
图2结合图3(此图是卸掉带轮箱3箱盖面板33的图示)，带轮箱3似Z字形，从两叶轮57、59位上升到机座顶部，箱圈宽度是按传动带32轮规格要求设定。在圈口，沿圈的边形直角外翻拆边是与相同Z字形的箱盖面板33(看图4)装配的螺孔位置。箱底板33f紧贴侧面板58法兰圈，此位有与法兰圈相同形状造型(同在图4)，使两构件沿圆径的螺栓固定有相同的对位。带轮箱3中叶轮57两端轴头各置装单个带轮31a，看图1和图5，往上顺序到叶轮59带轮31b传递给中心主轴2带轮31c，两端轴头各是大、小轮径搭配相叠是转速递增的配置(带轮31c其中一轮是水轮机座邻邻传递轮)。叶轮57从第一轮位对叶轮59的增速传动匹配，促使叶轮59的转速提高，其下泻水流流量增加，同步提高了叶轮57的转速，相辅相成，达成两轮一个稳定的加速度。
在图2看进水口顶部垂直置装的直立板54，是上游水位及水位涨落高度拦截挡板，顶端和带轮箱3平行同高，安装发电机1的发电机座板11的另一侧搁置在此板顶，直立板54在水流下游面有加固板结构强度的斜撑61。结合图5和图6，直立板54横宽两边延伸超过带轮箱3，在进水口垂直的两边下伸到底壳板53上。此位宽度是相邻水轮机座相互连接位，在水流下游面用连接板6均等搭接此位两平行接缝的直立板54螺栓固定连体。相邻的两机座带轮箱3之间留置的距离是操作传动带32的工作空间。
图6上，直立板54顶部的方形缺口是搁置带轮箱3的位置。再看图2和图5，连接轴座22向外凸安装在此处直立板54位，此座是相跨在相邻两直立板54上均称位置固定，连接轴21两头轴承座23支撑，该轴头与中心主轴2两相同圆径带轮31c、31d连接传递。结合图3，带轮箱3的Z字形上横线位底面横宽箱圈板延伸在连接轴座22底板螺栓紧固定位。
图2加图5说明长槽浮筒81整体中空长度的构造形体，横切面显示其底面圆形，顶面平整，两端是连接升降闸门8直杆83的杆套座83a，长度超出水轮机横宽进水口。相同于浮筒长度的升降闸门8安装在砼坝座并与斜撑62搭体的垂直U形槽轨82中，通过长度定位的直杆83连接浮筒，随上游水位涨落自动调节升降。防污栅栏10设在进水口外升降闸门8之间，(图6)其栅格以不影响进水口水量的要求制造。
看图7，条形的砼低坝座7在岸各边从坝顶直角上升的边柱71构造镶嵌在河床岸体，按水轮机座的直立板54顶高定位，在泄洪闸门9与排列到此相邻的水轮机之间构筑一个各结构安装需要的中间柱座72。图8、图9是边柱71的T向、中间柱座72的Z向的图示，水轮机直立板54与两柱座构造体用螺栓的装配固定机座。结合图2的结构剖视，在坝顶有一条柱位之间全长的梯形沟73，是水轮机座侧面板58叶轮59位法兰圈突出底壳板53以下安装需要的留置空间，沟底有防积水的排水管74通向下游水体。水轮机座座落砼坝顶位在前座直板511和底壳板53的进水口处，前、后两位置用螺栓间隔距离排列固定的方法安装。图7中的泄洪闸门9安装在一侧岸边柱71和中间柱座72之间，对照M-M位的图10剖视面，闸门体垂直两边位嵌入两柱座上的U型导槽92内，与闸门95同宽尺寸的圆形浮筒91在上游水面漂浮；两柱座侧面对称同时安装圆柱脚96，杠杆93的一端在此位，浮筒两端平面上用杠杆93另一端的浮筒套孔93a连接，闸门95顶部两端圆柱头95a套入在杠杆93中间支点位的槽形孔93b中，浮筒随水位涨落升浮，控制闸门95开启或闭合。在闸门95底部有防泄漏的圆形橡胶条94。图示是浮筒控制闸门95开启的临界状态，低于此水位时不对闸门95产生动作，只有当上涨水位高于此状态，闸门95即产生开启泄洪。配合检修的需要下降水位，泄洪闸门9还可设置人工吊装机构操作浮筒对闸门95的开启。配电室13在水轮机座排列连体的一面岸边，是方便发电机1电缆的架设。
图8、图9中，排列到两柱位的水轮机带轮箱3，不存在中心主轴2相邻机座的力矩传递，此处带轮箱3中的顺序传递到中心主轴2为止，直立板54上不需设方形缺口。带轮箱3顶面的顶盖板34根据箱体不同形状设置，在相邻水轮机座的顶盖板34包括连接轴座22加两带轮箱3及距离空间是同一块板盖；两柱位处的箱体顶面按其形状各单独设置。
本实用新型的上述机体部分构造是整体装配式结构，当然也可以用整体式方法制造。
权利要求1.一种低水头排列式水轮发电机，是利用小河、溪流水文条件，按河宽构筑的砼低坝座上多台排列安装，形成低水位差，以水流全宽平推动各台罩壳式水轮机同步做功，传递给发电机获取电能，其特征在于所述的罩壳式水轮机(5)内分上、下层水道，分别冲击两横置叶轮(57)、(59)旋转，在罩壳两侧的带轮箱(3)中用传动带(32)顺序传递力矩到中心主轴(2)，排列的各机中心主轴(2)两端同用传动带(32)邻邻传递，转矩汇集到中间位水轮机座上的发电机(1)带动转子旋转，坝座设置自动调节水流量的升降闸门(8)和泄洪闸门(9)。
2.根据权利要求1所述的低水头排列式水轮发电机，其特征在于所述的罩壳式水轮机(5)从上游进水口向下游倾斜弯曲的罩壳顶(51)下，以导流角(55)分界延伸同向下斜弧形弯曲的中隔板(52)形成上层水道，导流角(55)折角与底壳板(53)之间形成下层水道冲击叶轮(59)，在前、后两叶轮(57)、(59)之间用下隔板(56)增设两轮距离间的水道，使叶轮(57)同时受两股水流冲击，中隔板(52)和下隔板(56)其间构造溢水道(512)是叶轮(59)轮转回水在叶轮(57)冲击水流对其空吸作用的促进下泻。
3.根据权利要求1或2所述的低水头排列式水轮发电机，其特征在于所述的叶轮(57)的圆径大于叶轮(59)，两轮同以圆径均分六页叶面(510)，受水面弧形微凹入，横向直线相同于水轮机内宽构造，在机座前端位叶轮(57)低于在后叶轮(59)的高低差位置，两轮轴头各装配在带轮箱(3)带有密封圈(37)的轴承座(36)上，两轮同是后侧半径受水冲击同方向旋转。
4.根据权利要求1所述的低水头排列式水轮发电机，其特征在于所述的带轮箱(3)似z字形，从叶轮(57)、(59)位到机座顶部同高，传动带(32)从叶轮(57)单装带轮(31a)到叶轮(59)双叠带轮(31b)上升到机座上部中心主轴(2)双叠带轮(31c)，顺序连接增速配置传递转矩，通过中心主轴(2)中间段位带轮(31e)同以增速配比到发电机(1)带轮(31)上，中心主轴(2)的双叠带轮(31c)其中一个是连接连接轴座(22)的设置。
5.根据权利要求4所述的低水头排列式水轮发电机，其特征在于所述的连接轴座(22)在两相邻排列的水轮机直立板(54)上游方向面顶部，框形座体外凸均位相跨安装，座上置装两头轴承座(23)支撑的连接轴(21)，各端轴头的带轮(31d)与中心主轴(2)双叠带轮(31c)其一轮圆径相同配置传递。
6.根据权利要求1所述的低水头排列式水轮发电机，其特征在于所述的升降闸门(8)在排列的各自水轮机进水口前，砼矩形坝座垂直面U型槽轨(82)上升降，用刚性直杆(83)连接在水面与闸门同宽的长槽浮筒(81)，通过浮筒随水位升降控制闸门，上升减少流量，下降增大水流的自动调节进水口流量，使水轮机受水冲击均匀，发电机(1)电压平稳。
7.根据权利要求1所述的低水头排列式水轮发电机，其特征在于所述的泄洪闸门(9)在坝体与水轮机同高的边柱(71)和中间柱座(72)之间，在两柱座的圆柱脚(96)上安装杠杆(93)一端，杆中间槽形孔(93b)套入在柱体U型导槽(92)开、合的闸门(95)顶部圆柱头(95a)，杆的另一端浮筒套孔(93a)装配与闸门(95)同宽的圆形浮筒(91)，是当河床水位瞬时上涨，在上游水面的浮筒上升，开启闸门(95)泄洪的构造装置。
专利摘要本实用新型公开了一种低水头排列式水轮发电机，是利用小河、溪流水文条件，在构筑的砼低坝座上多台排列安装，以其低水位差，水流全宽平推动罩壳式水轮机分上、下层水道，对两横置叶轮冲击做功，在罩壳两侧用传动带连接两轮力矩，顺序传递到中心主轴，排列的各机中心主轴端同用传动带邻邻传递，力矩汇集到中间位机座匹配的发电机做功发电，坝座设自动调节水流量的升降闸门和泄洪闸门，是开发利用浅水宽流水能资源发电的理想机型。
文档编号F03B13/22GK2837542SQ20052004516
公开日2006年11月15日 申请日期2005年9月22日 优先权日2005年9月22日
发明者陈卫国 申请人:陈卫国