本发明涉及一种低水头、大流量、流量变化均有高效率的竖轴水轮机结构，特别是指一种结构简单、安装容易及操作简便，而能够直接组装于河道及渠道等场所进行发电的低水头大流量川渠水轮机。
背景技术：
水轮机是水力发电站中将水流的位能转化为动能再转化为机械能的设备。一般最常见中、高水头传统型之中、大型的水力发电站，系将河水以拦河坝将水流集中，让水通过引水管线引至厂房内水轮机，冲击水轮机水轮，并由水轮机带动与其连接的发电机产生电能，即一般的传统管线式水轮机，主要代表机型如佩尔顿(pelton)及法兰西斯式(francis)等水轮机，所述的这些传统管线式水轮机的虽效率高达0.8～0.93，但并不适合直接设置于河水或渠道中，故建厂少不了会含括拦水、引水管线及厂房等土木设施而增加不少工程费，在低水头大流量的水力条件情况下，如采用所述的这些传统管线式水轮机尺寸会很变得相当庞大，故市场少有这种低水头大流量的水力条件传统管线式水轮机商品，如特别订制费用昂贵，并不经济，也几乎没有建厂商转案例。
一般5公尺至30公尺低水头的传统管线式水轮发电机组包括管状式(tubular)、灯泡式(bulb)及克普兰式(kaplan)等水轮机组，大都需以压力水管等引至河水或渠道外侧设置水轮机，5公尺以下低水头大流量水力条件下，所述的这些水轮机实际上已不适合直接设置于河水或渠道中。
近年来也有些尚未商业发展成功的水力机组可直接设置于河水或渠道中，且可适用于低水头情况，该些机组中，部分模仿及改善自传统管线的阻力型机组的效率虽较高，但市场上商品只能处理较小流量，在低水头大流量的情况时，设置常无法满足流量通过需求，需变更加大渠道以设置多组所述的这些水轮机组，且仍常有多余流量需处理溢流问题，如特别订制大尺寸机组，也会因价格高昂而经济性欠佳；部分能于低水头通过大流量的该些非阻力型机组大都效率不佳，约在0.1～0.4，因产出能量少而经济性欠佳，且这些机组仍各有其设置条件的限制，故仍需考量其是否可符合其机组设置条件才能运用，该些机组包括效率及机组结构等仍有很大的改善空间。
而有一种水轮机称作贯穿流式水轮机，能于低水头情况通过稍大水量，其不像大多数水从径向或轴向流入的水轮机类型，而是让水直接穿过机组水轮扇叶，作为一种水车衍生类型，即水流自水轮机的单侧边小角度切向进入，后流入水轮之中，然后水会从水轮机的相反侧扇叶间隙离开机组。此种设计会使得水流入及流出水轮时，除入水时会有冲击力外，水排出时的反力也有二次推动水轮转动效益。这种贯穿流式水轮机型式最早是由美国的bankidonat教授发展出来，并于1919年取得us1436933a号专利，而其后更有其他业者于1986年改良导翼设计取得us4579506a的专利，并发展出横轴贯穿流式(cross-flow)而广泛成功的商业运用，该水轮机型属于低水头的传统管线式水轮发电机组，不适合直接设置于河水或渠道中，而此类贯穿流式水轮机均系以横轴设计，且转轮的入水口范围不大，只让较小流量流入，使水轮部分露于空气中，以获取较高效率，商业产品效率约0.85～0.75，其后有更多的改变自横轴贯穿流式的机种研究，如改变该型水轮机的水轮入水口范围加大，让更多水量进入水轮而减少水轮的空气区比例，此反而导致效率下降；如改变该型水轮机的水轮全部浸于水中运转，则效率更低。故贯穿流式水轮机的发展都以横轴式发展，如改变该型水轮机构直接设置于渠道上运用时，一般会以类似水车方式，其悬挂的水轮大部分位于水面上，也方便发电机设于岸旁，该型水轮全部浸于水中运转效率变低，故少有直接将水轮设置全部浸没于河川、渠道中运用案例。
另竖轴贯穿流式的水轮机如设置于河川、渠道中运用，虽因浸于水中会有效率变差情形，但因发电机仍可装设于水面上，设备结构简单、设置简易快速、运转维护简便，且机组可不需新设引水路及厂房，故可节省大量的土木工程费用，其因效率与设置成本取得平衡而有良好经济性，已有渐多设于河川及渠道的技术研究与运用。
为了使竖轴贯穿流式水轮机适合安装于低水头的河川及渠道等地点，如中国台湾专利公报的公告第i472679号「水力发电装置」，水力发电装置包含堵住水道上的流水进行储存且向入水口集水的集水板，与可以增减从入水口流入而作用于竖轴水轮机的旋转叶片前端的水流的通水截面积的可动式闸门，凭借开闭可动式闸门来增减通水截面积，可以改变上游侧的水位和阻尼孔的开口面积而调整流量，或切断向竖轴水轮机的流水而停止旋转叶片的动作。然上述专利在实际操作时，仍具有部分缺失，其虽然具有可动式闸门来增减通水截面积，但可动式闸门的移动方向，是沿着竖轴水轮机的外围成弧形的移动，这使得闸门占用了不少水轮的轮缘面积，让水轮流入及流出范围减少，影响水轮机入流量；另因其水轮的入水流向角度也不是各贯穿流式水轮机研究所建议的较佳角度，故其商业产品效率约0.3～0.4并不高。另该机在通水截面积调整时，并无法针对不同流量产生较稳定的转速，因为在该专利图中可看出，其目的仅在于通过可动式闸门以及开闭门扇的组合，调整冲击水轮机的水量，并非控制水进入水轮的入水角度，故可动式闸门在全关闭的时候，从上游侧的水无法进入水轮机内部，当可动式闸门开启时，水才能从两个相邻的水轮机之间流过，故于不同流量的时候，闸门不同开度使水流进入竖轴水轮的平均入水角度不同，水轮的转速及出力等不均匀的变化，需由其他设备调控，经由上述可以得知，该机仍有可改善的空间。
有鉴于上述的需求，本发明乃设计出一种崭新的低水头大流量川渠水轮机。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供一种结构简单、易于配合环境调整及易于安装及操作，而能够直接设置于河川、拦河堰埧、渠道、潮汐等低水头大流量场所进行发电及具经济性的水轮机结构。
本发明的另一目的，在于提供一种可依据水量状态调节上游水位于固定高水位，在不同流量情况均能稳定、高效率运转的水轮机结构。
为达上述目的，本发明提供一种低水头大流量川渠水轮机，其特征是包括：
一导水座，其内部具有一圆柱形中空的水轮间，水轮间上、下游两侧分别具有一上游段与一下游段，上游段与下游段最外侧分别为一进水口与一出水口；该导水座具有一底板，底板两侧分别具有一第一侧板与一第二侧板，并以一顶板设置于该第一侧板与该第二侧板上，该第一侧板与该第二侧板分别朝内以尖塔状延伸有一第一导水壁与一第二导水壁至水轮间外缘，该第一导水壁与该第二导水壁末端设有滑槽，第一导水壁与第二导水壁以水轮间中心反对称错位设置，使上游段形成一平滑渐缩的流路及一对准水轮间单侧的喷流口，也使下游段形成一平滑渐扩的流路；
一水轮，设置于该导水座的水轮间内，其具有一转轴及复数叶片，转轴两端分别穿过顶板及底板的轴孔，以轴承组连接于该导水座水轮间的底板与顶板上；
一闸门片，为圆柱壳形，能够穿过该导水座顶板而滑动于水轮上游边缘，闸门片两端分别滑动于该第一导水壁与该第二导水壁末端滑槽，如此，闸门片滑动调整闸门开度，调整流水断面积而控制该水轮的进水流量及关闭机组运转，并进一步能够调整上游水位于高水位状态。
所述的低水头大流量川渠水轮机，其中：该导水座的上游段还设有至少一个上游分流板，上游分流板朝向水轮间延伸为一喷口弧板，使上游段形成多条平滑渐缩的流路及对准水轮间单侧的喷流口，能够让上游来水以小角度切向高速平顺稳定冲击水轮。
所述的低水头大流量川渠水轮机，其中：该导水座的下游段进一步设有至少一个下游分流板，下游分流板朝向水轮间延伸为一接口弧板，能够让水轮排出水平顺稳定扩流至出水口。
所述的低水头大流量川渠水轮机，其中：该顶板为可分离或局部可分离，使便于装设水轮；且该顶板设有一供该闸门片穿过及滑动的一弧形穿槽。
所述的低水头大流量川渠水轮机，其中：该闸门片表面进一步设有一加强条，使该闸门片能够利用该上游分流板的喷口弧板末端定位及加强支撑。
所述的低水头大流量川渠水轮机，其中：该闸门片进一步连结一带动机构，带动机构带动该闸门片产生往复位移，该水轮上方连接有加速器及发电机或其他传动机构，以获取能量加以运用。
所述的低水头大流量川渠水轮机，其中：该导水座于顶板与底板之间进一步设有至少一个分层板，分层板在水轮间设有容许水轮及闸门片穿过的圆孔。
所述的低水头大流量川渠水轮机，其中：该导水座上游侧设置挡水板或加高板的设施，以拦阻水路断面，并配合该闸门片控制，以拦蓄上游来水形成较高水位状态，能够增加能量。
所述的低水头大流量川渠水轮机，其中：该水轮分别具有一上环片与一下环片，上环片与下环片之间设置复数环形排列的叶片，且上环片与下环片之间进一步设置有至少一个分层环片，其中该分层环片进一步设有孔洞，使水能通过该分层环片在分层间流动，该下环片进一步设有排水孔，及在该导水座下方设置下层排水空间，令进入水轮中的水能够在自下环片排水孔向下流经下层排水空间流出至出水口外。
所述的低水头大流量川渠水轮机，其中：该水轮为竖轴水轮，该水轮转动方向配置为顺时钟方向或逆时钟方向。
综上所述，本发明确实具有下列优点：
1.上游段形成喷流口，水的位能充分转换为动能，形成高速水流平顺冲击水轮单侧，水轮中的水自另一侧排出形成反作用推力，包括冲击力及反作用推力种力一起作用高效率转动水轮，同时带动所连结的发电机组产出电力。
2.下游段的下游流路的通水断面自上游渐扩至下游，出水口通水断面最宽，让水轮排出的水能快速平均分配及平顺扩散于下游流路中，再流至下游渠道或河川。
3.闸门片往复移动来调整闸门开度，以控制喷流口的流水断面积，并借以控制进水流量及保持上游水位于固定高水位，能让水轮机在不同大小流量情况均能稳定、高效率运转，故能适用于不同季节流量变动大的环境，适用性高，稼动率也高。
为简化图面易于观察及了解，下列图式省略了非本发明主要特征机构，包括连结于水轮上方的加速机、发电机或传动机构及闸门片带动机构等设备。
附图说明
图1是是本发明较佳实施例的立体图。
图2是本发明较佳实施例的立体分解图。
图3是本发明较佳实施例的立体剖面图。
图4是本发明较佳实施例的俯视剖面图。
图5是本发明于机组上游侧设置挡水板的一较佳实施例的纵剖面示意图。
图6是本发明较佳实施例的流体流动及水轮动作示意图。
图7是本发明于闸门板设置加强条的另一较佳实施例的部分示意图。
图8是本发明运用于潮汐情况的另一较佳实施例的部分示意图。
图9是本发明运用于有消能槽情况的另一较佳实施例的设置示意图。
图10是本发明证实能于低水头情况处理大流量的实验数据图。
图11是本发明各不同尺寸机组规模出力情况的机组效率实验数据图。
图12是本发明证实机组在流量变化情况均能高效运转的实验数据图。
附图标记说明：导水座1；底板11；轴孔111；轴承组112；顶板12；轴孔121；轴承组122；弧形穿槽123；第一侧板13；第一导水壁131；滑槽132；第二侧板14；第二导水壁141；滑槽142；上游段15；上游分流板151；喷口弧板152；进水口15a；上游流路15b；喷流口15c；下游段16；下游分流板161；接口弧板162；出水口16a；下游流路16b；分层板17；圆孔171；水轮间18；下层排水空间.19；水轮2。
具体实施方式
为能清楚了解本发明的内容，仅以下列说明搭配图1至图6所示，本发明包括一导水座1、一水轮2与一闸门片3，其中：
该导水座1中间为中空的水轮间18，该水轮间18的上、下游侧分别为上游段15与下游段16，上游段15与下游段16最外侧开口分别为进水口15a与出水口16a；
该导水座1上、下侧包括一底板11与一顶板12，顶板12为可分离或部分可分离，以便于装设水轮2，顶板12与底板11分别设有一轴孔111、121，并分离设有一可结合的轴承组112、122，以配合水轮2的装设，顶板12并设有一弧形穿槽123可供闸门片3穿过及滑动；
该导水座1两侧分别设有一第一侧板13与一第二侧板14，该第一侧板13与该第二侧板14分别朝内部尖塔状延伸有一第一导水壁131与一第二导水壁141至水轮间18边缘，于第一导水壁131与第二导水壁141末端分别设有一可供闸门片3滑动的滑槽132、142；
以及，导水座1上游段15进一步至少一个上游分流板151，上游分流板151朝向该水轮间方向延伸为一喷口弧板152至水轮间18前缘。
该水轮2设置于该导水座1的水轮间18内，其具有一转轴21与复数环形排列的叶片22，转轴21两端分别以轴承组112、122连接于该导水座1的底板11与顶板12上，即水轮2的转轴21分别穿过所述的这些轴孔111、121，所述的这些轴承组112、122将该水轮转轴21连接于底板11与顶板12。
该闸门片3为圆柱壳形而活动穿设于该导水座1的顶板12上，即闸门片3穿过该顶板12的弧形穿槽123，闸门片3两端分别设有一滑条31，所述的这些滑条31滑动于该第一导水壁131与该第二导水壁141末端的所述的这些滑槽132、142，同时，该闸门片3进一步连结一带动机构，该带动机构可以是人力传动或机械动力等装置，可带动该闸门片3产生往复位移。
应注意的是，依据实际应用的地点不同，或不同水量、水深等实际状况的考量，该导水座1于顶板12与底板11之间，进一步设有至少一个分层板17，分层板17于水轮间18设有供水轮2及闸门片3穿过的圆孔171；同时，该水轮2分别具有一上环片23与一下环片24，上环片23与下环片24之间设置所述的这些叶片22，且上环片23与下环片24之间进一步设置有至少一个分层环片25，该分层环片25进一步设有孔洞，让水轮2中的水能于各分层中流通，可增加机组效率。
后续名称定义，以利于说明，「上游流路」15b：由进水口15a到水轮间18上游边缘的流路空间，也即导水座1在上游段15中，由底板11上游段、顶板12上游段、第一侧板13上游段、第一导水壁131上游段与第二侧板14上游段、第二导水壁141上游段、上游分流板151与喷口弧板152所形成的流路空间；「下游流路」16b：由水轮间18下游边缘到出水口16a到的流路空间，也即导水座1在下游段16中，由底板11下游段、顶板12下游段、第一侧板13下游段、第一导水壁131下游段与第二侧板14下游段及第二导水壁141下游段所形成的流路空间；「喷流口」15c：上述「上游流路」15b接近水轮2最窄的区域，其宽度明显小于上游流路15b；
本发明实施时，先于水轮机1的上游侧设置挡水板4及架高段41等拦阻水道(河川或渠道)整个断面，并配合关闭闸门片3及以拦蓄上游的水形成较高水位蓄水池，运转时再依来水量调整闸门片3的开度，水从上游段进水口15a流入通水断面渐缩的上游流路15b，其最接近水轮2的喷流口15c断面窄小，能让流入的水由位能充分转换为动能，配合上游分流板151及延伸的喷口弧板152，能保持高效而恒定的冲击角度，以高速水流冲击、流入及转动水轮2，同时带动上部所连结的发电机组(图中未示)产出电力；水轮2入水区采大范围，可通过大水量增加出力，转动中的水轮2内部水自复数叶片22间隙排出，排出时的反力也第二次推动水轮2转动；水轮2排出的水则排至导水座1的下游段16，而下游段16的导水区域16b明显由小增大，而能够快速地将水轮2排出的水导出至出水口16a下游，提高整体的水流量；
请参阅图5所示，辅助说明本发明效能，设总水头为ho，经扣除水头损失后的有效水头为h，重力加速度为g，喷流口15c流量系数c，喷流口15c断面的理论流速v为：
请参阅图7所示，是本发明于闸门板设置加强条的另一较佳实施例的部分示意图，相较于前述图1至图6的特点在于：该闸门片3上设有一供该上游分流板151的喷口弧板152末端定位的加强条32，如此，当水流量通过闸门片3时，闸门片3可借由上游分流板151的喷口弧板152获得部分支撑，可避免闸门片3变形过大及产生晃动等状况。
请参阅图8所示(请同时配合参阅图2)，是本发明运用于潮汐情况的另一较佳实施例的部分示意图，相较于前述图1至图6的特点在于：该导水座1的下游段16进一步设有至少一个下游分流板161，下游分流板161朝向上游延伸为接口弧板162；「下游流路」16b系指导水座1在下游段16中，由第一侧板13、第二导水壁141与第二侧板14所形成的范围；当水轮2运转时排出的水，排至导水座1的下游段16，因为下游流路16b的流水断面是逐渐扩张，使能平均分配及平顺扩散水流。
本实施例也可应用于潮汐发电的场合，因潮汐发电为上、下游水位高低会于不同时间随潮汐互换，两端会因不同时间而入水口及出水口互换，因此导水座1的结构也以水轮2中心，上、下游完全反对称错位的配置，应注意的是，上游段15设置上游分流板151，以及下游段16设置下游分流板161时，上游分流板151与下游分流板161的设置数量，为依据实际水流的状态来设置，在本实施例图示中虽然是以设置一个上游分流板151与下游分流板161来做说明，但并不限定其设置的数量。
请参阅图9所示，是本发明运用于有消能槽情况的另一较佳实施例的设置示意图，本发明设置于有高低差及消能槽5的场合，上游段设置挡水板41，落差处下游侧会挖设低于河床面(或渠底面)的消能槽5，因本发明设置的水轮底面一般会设置于河床面(或渠底面)高程，而消能槽5有适合空间自下方排水，可在水轮2的下环片24间设有穿孔式或扇叶式排水孔241，并于导水座1下方所形成空间设置一架高的下层排水空间19结构，例如设置排水槽、或垫高空间等，让水轮2中的水可自下环片24的排水孔241向下流至下层排水空间19，再排出至排水口15a下游侧，可增加排水量及机组效率。
请参阅图10所示，是本发明证实能于低水头情况处理大流量的实验数据图，在单位直径(1m)水轮及单位水头(1m)情况下，各不同闸门开度情况的机组可处理通过流量数据如图10，闸门全开于转速约为30rpm的较佳效率情况时，可处理约1.7cms的流量，证实本发明机组于低水头情况下可处理大流量，显示可处理的流量比传统管线式水轮机的流量大，适合直接设置于河川及渠道的场所，虽然效率比传统管线式水轮机差一些，但因结构简单及少了很多土木设施，在低水头大流量的情况下，成本比上传统管线式水轮机低很多，经济性反而比传统管线式水轮机为佳。
请参阅图11所示，是本发明各不同尺寸机组规模出力情况的机组效率实验数据图，本发明各不同尺寸由小而大的不同出力规模机组，其机组效率约介于0.4至0.6区间，效率比传统管线式水轮机差一些，但比其他直接装置于河川或渠道的低水头大流量机组为佳。
请参阅图12所示，是本发明证实机组在流量变化情况均能高效运转的实验数据图，本发明证实单一机组在流量变化大时，即使流量只有最大处理流量25％情况下，仍能于高效区运转，可适用于不同季节流量变化大的河川或渠道。
综上所述，本发明确实具有下列优点：
1.上游段15形成喷流口15c，水的位能充分转换为动能，形成高速水流平顺冲击水轮2单侧，水轮2中的水自另一侧排出形成反作用推力，包括冲击力及反作用推力2种力一起作用高效率转动水轮，同时带动所连结的发电机组产出电力。
2.下游段16的下游流路16b的通水断面自上游渐扩至下游，出水口16a通水断面最宽，让水轮2排出的水能快速平均分配及平顺扩散于下游流路16b中，再流至下游渠道或河川。
3.闸门片3往复移动来调整闸门开度，以控制喷流口的流水断面积，并借以控制进水流量及保持上游水位于固定高水位，能让水轮机在不同大小流量情况均能稳定、高效率运转，故能适用于不同季节流量变动大的环境，适用性高，稼动率也高。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。