一种水力发电设备的制作方法

1.本发明涉及水力资源利用设备技术领域，具体涉及一种水力发电设备。


背景技术：

2.水力发电是一种重要的发电形式，使用场景丰富多样。现有的水力发电技术能够有效地利用从几米到几百米不等的水头，根据水轮机结构的不同，常用的水力发电机组系统可以分为混流式和轴流式等。水轮机组为了确保运行的效率和稳定性，通常在转轮以外还要安装布置复杂的导水机构。对于大型水电站等预先规划的工程项目，在项目的设计中会为水轮机组预留了充足的布置和安装空间，因此能够安装体积较大的蜗壳和活动导叶等设备。
3.然而，诸如在小型水电站的扩容改造、水电站的供水系统余压发电、光热太阳能电站的管道压能发电、城市输水系统的管道能量回收系统，以及工业工程中的管道内能量回收系统等应用场景中，往往在建设初期，厂房和管道并没有考虑扩容与能量回收问题，导致新增的扩容与能量回收设备没有充足的安装空间，会对改造设备的安装空间有很严格的限制，现有设备难以适用。以常规混流式水轮机组为例，其导水机构包括蜗壳、活动导叶和固定导叶三段过流部件。这三个部件在径向上由外向内布置，尺寸较大，最外侧的蜗壳外径达到转轮半径的2－4倍，需要较大的空间才能合理安装。一旦原有厂房空间设计余量不足，将难以布置改造。而对于常规轴流式水轮机组，其导水机构与混流式水轮机组较为类似，具有同样问题。而对于较少见的管道内潜水式水力发电机组和球形水轮机组而言，尽管其能适应狭窄空间，但其单体处理水头的能力有限，在利用中高压水头时需要串联多级装置，增加了成本与系统复杂度，可靠性较低。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的水力发电设备或可靠性高但占用空间大，或可适应狭窄空间但可靠性偏低的缺陷。
5.为解决上述技术问题，本技术采用的技术方案为：
6.一种水力发电设备，其包括导水装置、转轮和多个活动导叶；
7.导水装置包括主过流通道、隔舌、导水入口和导水出口；
8.主过流通道合围成等宽度的环状结构；环状结构内部形成有过流空间；
9.隔舌设置在所述主过流通道内以阻隔水流的流动，导引水流流向活动导叶；隔舌将主过流通道分隔出上游端和下游端；沿所述环状结构的周向，主过流通道的截面积从所述上游端至所述下游端逐渐变小；
10.所述导水入口开设在所述上游端；
11.导水出口开设在主过流通道朝向所述环状结构内部的一侧；
12.转轮转动连接在所述过流空间中，并与导水出口对齐；所述转轮的转动轴线与所述环状结构的轴线重合；
13.活动导叶连接在导水出口处，且分布于转轮的周围。
14.可选地，在所述导水入口连接有过渡管，过渡管具有渐变流道，过渡管入口端为圆截面，过渡管出口端具有与所述导水入口相吻合的截面。
15.可选地，从所述环状结构的轴向方向观察，过渡管的走向与所述环状结构相切。
16.可选地，主过流通道在轴向上设置有相互连通的水平段和螺旋段，所述水平段位于所述螺旋段的上方，所述螺旋段的底面呈螺旋线状，且所述螺旋段的截面积从所述上游端至所述下游端逐渐变小；导水出口开设在所述水平段朝向所述环状结构内部的一侧。
17.可选地，位于所述下游端的主过流通道的高度与导水出口的高度一致。
18.可选地，在主过流通道内设置有空间螺旋导叶；空间螺旋导叶与所述环状结构的周向之间呈倾斜设置，空间螺旋导叶的倾斜走向顺应主过流通道的截面积从所述上游端至所述下游端逐渐变小的趋势。
19.可选地，在主过流通道沿所述环状结构的周向展开后，空间螺旋导叶与所述环状结构的周向具有夹角α，α满足公式：
[0020][0021]
其中，v为水流的绝对速度，u2为水流围绕轴线的圆周速度，g为重力加速度，h为水流的水头
[0022]
可选地，主过流通道与导水出口之间通过倒角过渡连接。
[0023]
可选地，主过流通道在所述环状结构的上部形成上开口，在所述环状结构的下部形成下开口；在上开口密封连接有上盖；在下开口密封连接有下盖；下盖在中部开设有下盖出口；
[0024]
转轮转动连接在上盖中部，并处于下盖出口上方。
[0025]
可选地，下盖适于从上开口通过。
[0026]
通过采用上述技术方案，本发明具有如下技术效果：
[0027]
1.本发明提供的水力发电设备，使用了一种空间螺旋导水机构，充分地利用垂直空间进行导流发电，使其水平方向上最外侧半径较小，通常可以做到不大于水轮机组转轮半径的两倍，远小于常规水轮机组的3－5倍转轮半径的空间需求，能适应较小水平布置空间的限制，故可用以构建结构紧凑、运行高效的水轮机机组。例如可在较小水平方向上的空间内直接替换现有的常规混流式和轴流式水轮机组导水机构，突破了小型水电扩容改造以及管道余压发电和能量回收系统等应用场景中，水轮机组在水平安装空间内十分受限，难以实施的现状，扩展了目前管道发电系统的应用范围。且整个导水机构安装部署灵活，还兼容固定导叶的导流作用，并具有结构简单、可靠性高、制造成本较低的优点。
[0028]
2.本发明提供的水力发电设备，采用渐变过渡的过渡管，使得管道内因流道截面而产生的能量损失变得最小化，避免了安装水轮机组对原管道系统的影响。
[0029]
3.本发明提供的水力发电设备，其过渡管的走向与所述环状结构相切，这样设置可以使水流直接形成运行环量，避免水流的动能损失。
[0030]
4.本发明提供的水力发电设备，其主过流通道在顶部齐平，可以方便水轮机在导水装置上方进行安装和调试。
[0031]
5.本发明提供的水力发电设备，其位于所述下游端的主过流通道的高度与导水出口的高度一致，可使形成环量的水流最后都从所述下游端的导水出口处流出，使水流沿着隔舌处的向心弯曲的壁面全部流入后续的活动导叶区域内，使水流得到充分利用。
[0032]
6.本发明提供的水力发电设备，增设空间螺旋导叶后，可以导引水流流动方向，使得整个导水机构内形成合适的流动分布，在圆周方向上诱导产生环量，以满足水轮机组高效发电需求。
[0033]
7.本发明提供的水力发电设备，其主过流通道与导水出口之间的相关壁面均通过倒角进行过渡连接，这样可导引水流向内偏转进入后续的活动导叶区域，避免采用直角产生流动死区，而造成明显的流动损失。
[0034]
9.本发明提供的水力发电设备，其下盖可通过上开口，这样设置可使下盖、活动导叶和转轮等水轮机部件均可以从水轮机正上方依次或整体地装入水力发电设备内，因为尾水管等部件通常位于转轮正下方，会妨碍安装作业，而这种仅从正上方装入的安装结构，在水轮机上方架设起吊装置后，便可快速顺畅地展开安装作业，且对于后期对转轮等部件的维修更换也提供了便利。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1为本发明实施例的结构示意主视图(未示出转轮等相关结构)；
[0037]
图2为本发明实施例的结构示意俯视图(未示出转轮等相关结构)；
[0038]
图3为图1中a－a处的剖视截面示意图；
[0039]
图4为图1中b－b处的剖视截面示意图；
[0040]
图5为图1中c－c处的剖视截面示意图；
[0041]
图6为本发明导水装置实施例的流道展开示意图；
[0042]
图7为本发明实施例的结构示意主视剖视图。
[0043]
附图标记说明：
[0044]
1－上游管路、2－过渡管、3－导水装置、4－尾水管、5－下游管路、6－隔舌、7－导水出口、8－倒角、9－主过流通道、10－上开口、11－下开口、12－空间螺旋导叶、13－轴密封装置、14－主轴、15－转轮、16－活动导叶、17－上盖紧固螺栓、18－上盖、19－上开口阶梯结构、20－上开口密封环、21－下开口密封环、22－下开口阶梯结构、23－下盖紧固螺栓、24－下盖、25－下盖出口。
具体实施方式
[0045]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]
在本发明的描述中需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0047]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0048]
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0049]
本实施例提供一种水力发电装置。
[0050]
在一种实施方式中，如图1至7所示，其包括导水装置3、转轮15和活动导叶16。导水装置3包括主过流通道9、隔舌6、导水入口和导水出口7。主过流通道9具有导水入口和导水出口7。如图2所示，主过流通道9合围成等宽度的环状结构，环状结构内部形成有过流空间。在主过流通道9之内沿所述环状结构的轴向设置有阻隔水流流动的隔舌6，使得全部的水流向心流向活动导叶16所在区内。隔舌6将主过流通道9分隔出上游端和下游端。沿着所述环状结构的周向，主过流通道9的截面积从所述上游端至所述下游端逐渐变小；所述截面积为主过流通道9在与流向垂直方向上的横截面；具体以图1来说，主过流通道9在所述环状结构轴向上的高度尺寸从所述上游端至所述下游端逐渐缩短，就是主过流通道9的下边缘呈螺旋状上升后使主过流通道9的高度缩短，显然也可以采用其他的缩短形式，如上下边缘共同缩短，这样使得环状结构的主过流通道9在宽度相等的情况下使得截面积逐步缩小。所述导水入口开设在所述上游端，用以与上游管路1连接。导水出口7沿所述环状结构的周向设置在主过流通道9朝向所述环状结构内部的一侧，使得水流在圆周各处上可向中心处流动。转轮15转动连接在所述过流空间中，并与导水出口7对齐；所述转轮15的转动轴线与所述环状结构的轴线重合。活动导叶16连接在导水出口7处，且围成一圈分布于转轮15的周围。单个活动导叶16可围绕自身轴线旋转，以调整从导水出口7流至转轮15的水流方向与大小。
[0051]
该装置在使用时，其水流从导水入口进入，然后进入主过流通道9。主过流通道9因隔舌6在轴向上将环状结构的主过流通道9进行了分隔，从而使主过流通道9内的水流可沿着一个方向做圆周运动，不仅流动更稳定，且还能产生对后续的活动导叶16和转轮15需要的推动环量。而水流从所述上游端至下游端的流动过程中，主过流通道9在所述环状结构轴向上的高度尺寸逐渐缩短，在所述环状结构等宽的情况下，也即意味着主过流通道9的截面在逐渐缩小，从而使其内水流能更均匀地从呈环形的导水出口7流出，使导水出口7在环状结构的圆周各处的出水量相等，保证圆周方向上各处的流量一致，满足了发电环量要求，且还有利于转轮15的均匀受力。水流在从导水出口7流出后，受到活动导叶引导从而增强环流或控制水流大小，之后便进入转轮，推动转轮的轮叶做功旋转，转轮再带动发电机从而发电。做功之后的水流再从尾水管4流入下游管路5。其中尾水管4内还可再设置能量回收装置，以便回收转轮剩余环量，增强发电效率。
[0052]
该装置不同于一般的平面螺旋渐开线状的导水装置，其使用了一种空间螺旋导水机构，充分地利用垂直空间进行导流发电，使其水平方向上最外侧半径较小，可以做到不大
于水轮机组转轮半径的两倍，远小于常规水轮机组的3－5倍转轮半径的空间需求，能适应较小水平布置空间的限制，故可用以构建结构紧凑、运行高效的水轮机机组。例如可在较小水平方向上的空间内直接替换现有的常规混流式和轴流式水轮机组导水机构，突破了小型水电扩容改造以及管道余压发电和能量回收系统等应用场景中，水轮机组在水平安装空间内十分受限，难以实施的现状，扩展了目前管道发电系统的应用范围。且整个导水机构安装部署灵活，还兼容固定导叶的导流作用，并具有结构简单、制造成本较低的优点。
[0053]
以上述实施方式为基础，在一种优选的实施方式中，在所述导水入口连接有过渡管2，过渡管2具有渐变流道，过渡管2入口端为圆截面，过渡管2出口端具有与所述导水入口相吻合的截面。过渡管2渐变流道的渐变过程可参考图3至5，其从入口端的圆形，最终在出口端转变为圆角矩形、即四角为圆角的矩形。这种过渡变化，使得管道内因流道截面而产生的能量损失变得最小化，避免了安装水轮机组对原管道系统的影响。
[0054]
以上述实施方式为基础，在一种优选的实施方式中，从所述环状结构的轴向方向观察，即图2所示方向，过渡管2的走向与所述环状结构相切。这样设置可以使水流直接形成运行环量，避免水流的动能损失。
[0055]
以上述实施方式为基础，在一种优选的实施方式中，在轴向上设置有相互连通的水平段和螺旋段。所述水平段位于所述螺旋段的上方，从而使主过流通道9的顶部呈平齐状。而主过流通道9的底部、也即所述螺旋段的底面呈螺旋线状，这样使所述螺旋段的截面积从所述上游端至所述下游端逐渐变小。而导水出口7开设在所述水平段朝向所述环状结构内部的一侧。这种结构的主过流通道9其以图1中环状结构的o－a－o’－a’－o的顺序进行展开后，呈图6所示结构。因为尾水管4通常设置在下方，会妨碍位于下方的安装调试作业，而这种主过流通道9在顶部齐平，可以方便发电机等装置机在导水装置3上方进行安装和调试。
[0056]
以上述实施方式为基础，因导水出口7设置在主过流通道9侧面，故主过流通道9的高度包含导水出口7的高度，在一种优选的实施方式中，如图6所示，位于所述下游端(即图6中最右侧)的主过流通道9的高度与导水出口7的高度一致。这样可使形成环量的水流最后都从所述下游端的导水出口7处流出，使水流沿着隔舌6处的向心弯曲的壁面全部流入后续的活动导叶16区域内，使水流得到充分利用。
[0057]
以上述实施方式为基础，在一种优选的实施方式中，如图6所示，在主过流通道9内设置有空间螺旋导叶12；空间螺旋导叶12与所述环状结构的周向之间呈倾斜设置，空间螺旋导叶12的倾斜走向顺应主过流通道9从所述上游端至所述下游端的高度缩短趋势，或者说主过流通道9的截面积从所述上游端至所述下游端逐渐变小的趋势；具体以图6实施方式而言，便是空间螺旋导叶12从左下向右上倾斜，符合了主过流通道9底边的缩短趋势。增设这种空间螺旋导叶12后，可以导引水流流动方向，使得整个导水机构内形成合适的流动分布，在圆周方向上诱导产生环量，以满足水轮机组高效发电需求。
[0058]
以上述实施方式为基础，在一种优选的实施方式中，如图6所示，在主过流通道9沿所述环状结构的周向展开后，空间螺旋导叶12与所述环状结构的周向具有夹角α，α满足公式：
[0059][0060]
其中，v为水流的绝对速度，u2为水流围绕轴线的圆周速度，g为重力加速度，h为水流的水头。
[0061]
这种安放角度的空间螺旋导叶12可以最佳效果诱导流经导水机构3的水流在圆周方向上产生环量，形成合适的流动分布。为了方便空间螺旋导叶12根据水流情况适应性调整倾角，可以将空间螺旋导叶12与主过流通道9侧壁之间形成转动连接关系。
[0062]
以上述实施方式为基础，在一种优选的实施方式中，如图5所示，主过流通道9与导水出口7之间的相关壁面均通过倒角8进行过渡连接。这样可导引水流向内偏转进入后续的活动导叶16区域，避免采用直角产生流动死区，而造成明显的流动损失。
[0063]
以上述实施方式为基础，在一种优选的实施方式中，如图7所示，其还设置有上盖18和下盖24。导水装置3的主过流通道9在所述环状结构的上部形成上开口10，在所述环状结构的下部形成下开口11。上盖18与上开口10密封连接，该密封连接的一种实施方式可采用在上开口10设置上开口阶梯结构19，并配合相应结构的上盖18，在上盖18与上开口10之间设置上开口密封环20后使用上盖紧固螺栓17紧固来完成密封连接。下盖24在中部开设有作为水轮机导水出口的下盖出口25，并与下开口11密封连接，该密封连接可类似于下开口11的密封，通过设置下开口阶梯结构22，并配合相应结构的下盖24，以及相应的下开口密封环21和下盖紧固螺栓23来完成。转轮15通过主轴14转动连接在上盖18中部，并处于下盖出口25上方。为防止主轴14漏水可设置轴密封装置13。活动导叶16转动连接在处于导水出口7处附近的上盖18和下盖24之间，并分布于转轮15的周围。这种设置有上盖18和下盖24的水力发电设备有利于对于转轮15等部件的安装、调试和维修；尤其是转轮15仅是与上盖18连接的，因此一旦出现故障，拆卸上盖紧固螺栓17后，便可使用起吊设备将转轮15吊出进行维修。
[0064]
以上述实施方式为基础，在一种优选的实施方式中，上开口10具有使下盖24通过的形状尺寸，也就使下盖24适于从上开口10通过。具体以图7实施方式举例，本实施方式在上开口10处的上开口阶梯结构19的最小直径，大于(或等于)与下开口11相配合的下盖24的最大直径，这样便可使下盖24通过上开口10。这样设置的优点是这种结构可使下盖24、活动导叶16和转轮15等水轮机部件均可以从水轮机正上方依次或整体地装入水力发电设备3内，因为尾水管4等部件通常位于转轮15正下方，会妨碍安装作业，而这种仅从正上方装入的安装结构，在水轮机上方架设起吊装置后，便可快速顺畅地展开安装作业，且对于后期对转轮15等部件的维修更换也提供了便利。
[0065]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。