CN102094742A - 虹吸式水轮发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及虹吸式发电装置。该虹吸式发电装置具备：将高水位侧的水导向低水位侧的虹吸管(1)，该虹吸管具备配置在高水位侧的吸入管(2)、和配置在低水位侧的喷出管(4)；设置在所述吸入管内(2)的吸入口(2a)附近的轴流式叶轮(20)；与该轴流式叶轮(20)连结的发电机(16)，该发动机通过驱动所述轴流式叶轮(20)，将高水位侧的水向虹吸管(1)内汲取并形成虹吸，并且虹吸形成后，被接受虹吸管(1)内的水流而旋转的所述轴流式叶轮(20)驱动而进行发电；以及，将一端与所述吸入管(2)连接且将另一端在比所述吸入口(2a)高的位置的高水位侧开口的吸气管(30)。
Description
技术领域
本发明涉及具有形成自我虹吸功能的虹吸式水轮发电装置。
背景技术
近年来，作为地球温室现象的对策，限制二氧化碳等温室气体的排出，推进地球规模的环保。与排出温室气体的石油和煤这样的化石燃料相比，利用自然能量的、风力发电、水力发电和太阳能发电等不排出温室气体，从而这些设备的设置被推进。尤其是，水力发电能够以高效率得到稳定的电力，从而利用率增加。其中，能够降低设备费用成本的小水力的水轮发电装置急增。
作为上述水轮发电装置，存在利用吸入侧和喷出侧的水位差的虹吸管式的水轮发电装置。日本特开2003-232273号公报公开了一种虹吸型水力发电设备，在河川等上设置的移动堰上固定并设置虹吸管、水轮发电机、牵引管等，将上游侧的水通过虹吸管导入水轮发电机，使水轮发电机旋转而发电。另外，日本实开昭64-13272号公报公开了一种虹吸水轮，形成以一端向坝的蓄水池的水中开口且另一端配置在蓄水池的下方的方式与水轮连结成为虹吸管而得到的导水管，在导水管的蓄水池侧的开口部具有使蓄水池的水跨过导水管的顶部而流入下方的水轮的泵。
但是，在上述以往的水轮发电装置中，蓄水池的水位异常降低时，发电停止，因此必须总是监视蓄水池的水位。即，在以往的水轮发电装置中，必须设置具有用于检测蓄水池的水位降低的水位传感器等的水位监视***，由此，存在与初期设备成本和维持管理成本相关的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述以往的虹吸式水轮发电装置的课题而研发的，其目的是提供一种初期设备成本低且维持管理容易的虹吸式水轮发电装置。
本发明的一方式是一种虹吸式发电装置，具备：用于将高水位侧的水导向低水位侧的虹吸管，该虹吸管具备配置在高水位侧的吸入管、和配置在低水位侧的喷出管；设置在所述吸入管内的吸入口附近的轴流式叶轮；与该轴流式叶轮连结的发电机，该发动机通过驱动所述轴流式叶轮，将高水位侧的水向虹吸管内汲取并形成虹吸，并且虹吸形成后，被接受虹吸管内的水流而旋转的所述轴流式叶轮驱动而进行发电；以及，将一端与所述吸入管连接且将另一端在比所述吸入口高的位置的高水位侧开口的吸气管。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的虹吸式水轮发电装置的设置状态的概要图。
图2是图1的虹吸式水轮发电装置中的轴流型外壳的纵剖视图。
图3是图1的虹吸式水轮发电装置中的水轮的主要部位的侧视图。
图4是图1的虹吸式水轮发电装置中的水轮的纵剖视图。
图5是图1的V部分的放大图。
图6是图1的虹吸式水轮发电装置中的轴密封装置的放大图。
图7是表示本发明的实施方式的变形例的纵剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。本发明的技术范围是根据权利要求的保护范围的记载而确定的，不只限于以下的实施方式。此外，在附图的说明中，相同的部件标注了相同的附图标记，并省略重复说明。
如图1所示，本发明的实施方式的虹吸式水轮发电装置具备：用于将高水位侧的蓄水池A的水导向低水位侧的蓄水池放流处B的虹吸管1；作为将水汲取到虹吸管1内的泵而发挥功能并且作为在虹吸形成后利用虹吸管1内的水流进行发电的发电机而发挥功能的水轮10。
如图2至图4所示，水轮10具有：使蓄水池A的处理水流入的吸入钟形口(ベル)11；与吸入钟形口11的上端连接且将从吸入钟形口11流入的水流向上方引导的圆筒状的导向外壳12；与导向外壳12的上端连接且将从吸入钟形口11流入的水流进一步扬水的圆筒状的中间外壳13；与中间外壳13的上端连接且将从中间外壳13流入的水流进一步扬水的圆筒状的喷出外壳14；在喷出外壳14的上部通过螺栓等以能够拆装的方式连结且覆盖喷出外壳14的上部开口的发电机座15；搭载在发电机座15上的发电机16；通过联轴器18与发电机16的驱动轴17连结且在喷出外壳14内垂下的主轴19；以及嵌合在主轴19的下端部且配置在导向外壳12内部的轴流式叶轮20。
主轴19的上部被嵌插在设置于发电机座15的底部的迷宫式密封件21，主轴19的上端被设置于同一发电机座15上的轴承箱22轴支承。此外，中间外壳13以及喷出外壳14的截面形状不限于圆形，也可以是方形、多边形等。
在吸入钟形口11的内周壁卡接有朝向吸入钟形口11的中心延伸的多个支承板25。在支承板25的前端支承有锥形的枢毂26。枢毂26的上部向轴向上方延伸到导向外壳12的内部。在枢毂26的上端面设置有开口26a，在其内部嵌合有陶瓷等的水中轴承27。在枢毂26的下端部设置有细孔26b，能够使水侵入枢毂26内部并润滑水中轴承27。水流引导用的多个导向翼28从枢毂26的上部侧面向径向外侧突出设置，各导向翼28的前端卡接在导向外壳12的内周壁。
在主轴19的下端部中的轴流式叶轮20下方的部位，外插有轴套23，并通过螺母24固定。主轴19通过轴套23被上述枢毂26的水中轴承27轴支承。
喷出外壳14具有沿着蓄水池A的放流堰C在垂直方向上延伸的大致圆筒形状，通过在其侧面突出设置的多个托架14a，被吊设在蓄水池A的水路床面D上的支承座5支承。
喷出分岐管14b从喷出外壳14的上部侧壁沿大致水平方向突出，在喷出分岐管14b的端部连接有配置在放流堰C的上方的喷出弯头管3。在喷出弯头管3的下端连接有沿放流堰C的蓄水池放流处B侧的壁面垂下的喷出管4。
虹吸管1具备：配置在高水位侧的吸入管2；配置在低水位侧的喷出管4；以及使吸入管2的上部和喷出管4的上部连通的喷出弯头管3。吸入管2由水轮10的吸入钟形口11、导向外壳12、中间外壳13以及喷出外壳14构成。即，水轮10的吸入钟形口11、导向外壳12、中间外壳13以及喷出外壳14构成水轮10的轴流型外壳的同时，还构成虹吸管1的吸入管2。吸入钟形口11下端的吸入口11a构成虹吸管1的吸入管2的吸入口2a。发电机座15的底部以及迷宫式密封件21的底壁覆盖喷出外壳14的上部开口，并构成虹吸管1的吸入管2的顶部壁，水轮10的主轴19在被嵌插在迷宫式密封件21的状态下，贯通虹吸管1的顶部壁。
吸入钟形口11的吸入口11a即虹吸管1的吸入管2的吸入口2a在蓄水池A的放流堰C的高度方向中间位置附近朝下开口，喷出管4下端的喷出口4a在比吸入管2的吸入口2a低的蓄水池放流处B的槽底附近的位置朝下开口。吸入口11a是为了降低流入阻抗而朝向下方扩径。在虹吸管1的顶部即喷出弯头管3的上表面设置有虹吸开关6。
如图5所示，在导向外壳12上连接有吸气管30。吸气管30作为整体是形成为大致倒U字状的金属制的弯管，连通蓄水池A的槽内和导向外壳12内的空间。吸气管30的一端30a被连接在比导向外壳12的侧壁的轴流式叶轮20低(即轴流式叶轮20的上游侧的)的位置，吸气管30的另一端30b在比蓄水池A的最高水位(本实施方式的虹吸式水轮发电装置的运转水位上限，更具体地说，蓄水池A的水越过放流堰C时的水位)低且比设置在蓄水池A的槽内的吸入管2的吸入口2a高的位置开口。吸气管30可以使用螺纹连接管连接器或焊接管连接器等连结的碳素钢钢管、不锈钢钢管、或者弯曲加工后的金属管、或者使用不锈钢制柔性管等周知的材料制作，能够容易地变更调节其另一端30b的开口的高度位置。在吸气管30的全部或一部分上也可以使用橡胶或树脂制的挠性管等。
在吸气管30的最顶部设置有用于向吸气管30内导入外部空气的手动阀31。手动阀31被设置在比蓄水池A的最高水位的位置高的位置。
另外，在本实施方式中，在作为主轴19的上部被嵌插的轴密封部的迷宫式密封件21上，如图6所示，连接有注水管32。注水管32是与迷宫式密封件21一起构成本实施方式的轴密封装置33的金属制的弯管，连通蓄水池A的槽内和迷宫式密封件21内的间隙(旋转部和固定部之间的间隙)。注水管32的一端被连接在迷宫式密封件21的侧壁，注水管32的另一端在蓄水池A的槽内在比吸气管30的另一端30b低的位置开口。注水管32与吸气管30同样地可以使用螺纹连接管连接器或焊接管连接器等连结的碳素钢钢管、不锈钢钢管、或者弯曲加工后的金属管、或者使用不锈钢制柔性管等周知的材料制作，在其全部或一部分上也可以使用橡胶或树脂制的挠性管等。
在蓄水池A的水位位于比吸气管30的另一端30b的开口高的位置(吸气管30的另一端30b以及轴流式叶轮20被水浸没的位置)时，将电源连接到发电机16并将发电机16作为电动机工作，则轴流式叶轮20被旋转驱动，水轮10作为泵汲取蓄水池A的水，并供给到虹吸管1内。之后，虹吸管1内的水位上升到喷出外壳14的上端部即虹吸管1的吸入管2的上端部，虹吸管1内的水通过喷出分岐管14b以及喷出弯头管3向喷出管4流下，根据该流下的排水，发生虹吸作用。在虹吸管1内形成虹吸之后，根据虹吸管1内持续流动的水流，轴流式叶轮20被旋转驱动，由此通过主轴19与轴流式叶轮20连结的发电机16被旋转驱动，发电机16开始发电。这样，作为泵的涡轮采用轴流式叶轮20，从而没有必要使用用于形成虹吸的真空泵等辅机。
启动发电机16，使轴流式叶轮20旋转驱动时，蓄水池A的水的一部分通过导向外壳12内的轴流式叶轮20上游侧(在本实施方式中是下侧)产生的负压，经由吸气管30被吸入虹吸管1内。在虹吸管1内形成虹吸之后，蓄水池A的水位只要位于比吸气管30的前端30b的开口高的位置，根据虹吸作用在虹吸管1内产生的负压，水就会持续从吸气管30向虹吸管1内流入。
另外，根据上述虹吸作用在虹吸管1内产生负压时，轴密封装置33的内部也成为负压，从而蓄水池A的水的一部分也从注水管32被吸引，并流入迷宫式密封件21。即，在虹吸管1内形成虹吸时，蓄水池A的水经由注水管32连续地向迷宫式密封件21自动注水。
蓄水池A的水位降低，变得比吸气管30的前端30b的开口低时，大气从吸气管30向虹吸管1内流入，虹吸管1内的虹吸被破坏。由此，水向虹吸管1的吸入管2内的流入即来自吸入钟形口11的水的吸引停止，发电自动地停止。如果将吸气管30的前端30b的开口设定在期望的高度，则蓄水池A的水位降低到该开口的设定位置时，能够使发电自动停止。此外，紧急时，通过打开虹吸开关6，使大气流入虹吸管1内，能够手动停止发电。
此外，在枯叶、垃圾、砂、泥等堵塞吸气管30的情况下，如果通过手动阀31向吸气管30供给吹风用空气，则能够净化吸气管30。
根据本实施方式的虹吸式水轮发电装置，一端30a被连接在吸入管2的吸气管30，其另一端30b在比吸入管2的吸入口2a高的位置开口，高水位侧的蓄水池A的水位变得比吸气管30的前端30b的开口低时，大气从吸气管30向虹吸管1内流入，虹吸管1内的虹吸被破坏，从而通过调节吸气管30的开口高度，能够容易地设定破坏虹吸而自动地停止发电的水位。即，本实施方式的虹吸式水轮发电装置是，在启动发电机16并在虹吸管1内形成虹吸之后，即使不使用水位传感器等监视蓄水池A的水位的降低，蓄水池A的水位变得比吸气管30的开口的高度低时，也能够自动地破坏虹吸停止发电。因此，不需要真空破坏阀、水位传感器等的附带设备，能够实现初期设备成本降低的虹吸式水轮发电装置。
然而，以往存在如下问题：在将迷宫式密封件这样的非接触型的轴密封装置配置在虹吸管的顶部的情况下，形成虹吸时虹吸管内成为负压，外部的空气经由轴密封部的间隙(旋转部和固定部之间的间隙)流入虹吸管内，成为形成虹吸的障碍。另一方面，在如机械密封这样的接触型的轴密封装置中，能够防止像上述那样的空气的流入，必须向轴密封部供给润滑油或冷却水，从而需要另外铺设冷却配管，还要设置切换冷却水的ON/OFF的装置，存在与设备成本和维持管理成本相关的问题。
本实施方式的虹吸式水轮发电装置能够解决这些问题，并能够发挥如下效果。即，根据本实施方式的虹吸式水轮发电装置，轴密封装置33是迷宫式密封件，是非接触型的，从而不需要润滑油或冷却水的供给。另外，由于利用将一端与迷宫式密封件21连接且将另一端在比蓄水池A内的吸气管30的另一端30b低的位置开口的注水管32，使蓄水池A的槽内和迷宫式密封件21内的间隙连通，从而根据虹吸形成时因虹吸作用产生的负压，使轴密封装置33的内部成为负压，由此，汲取蓄水池A的水的一部分，经由注水管32向迷宫式密封件21内的间隙注水。虹吸形成后，大气从吸气管30流入直到破坏虹吸管1内的虹吸，向迷宫式密封件21的注水被维持，迷宫式密封件21的间隙总是充满水，从而能够防止成为虹吸形成的障碍的来自外部的空气的流入。
由此，能够实现可持续维持虹吸的自动注水密封。
另外，根据本实施方式的虹吸式水轮发电装置，启动发电机16旋转驱动轴流式叶轮20时，轴流式叶轮20汲取蓄水池A的水并供给到虹吸管1内。在虹吸管1内形成虹吸之后，通过持续流入虹吸管1内的水流，轴流式叶轮20被旋转驱动，由此发电机16被旋转驱动并进行发电。因此，本实施方式的虹吸式水轮发电装置不需要为了检测例如用于将水吸引到虹吸管内的真空泵、水充满虹吸管内的情况，而在虹吸管的顶部设置满水监视装置、真空破坏阀等附带机器。由于不需要进行这些附带机器的检查·维修，所以运转成本低，能够实现维持管理容易的虹吸式水轮发电装置。
而且，根据本实施方式的虹吸式水轮发电装置，由于用螺栓等将发电机座15连结在喷出外壳14的上部，因此只要拆卸下该螺栓等，就能够将水轮10的关键部位即发电机座15、搭载在该架台上的发电机16、迷宫式密封件21、轴承箱22、通过联轴器18与发电机16的驱动轴17连结的主轴19、嵌合在主轴19的下端部的轴流式叶轮20、外插在主轴19的下端的轴套23、以及固定它们的螺母24在如图3所示地一体连结的状态下，从被图2所示的支承架台5支承的水轮10的轴流型外壳即吸入钟形口11、导向外壳12、中间外壳13以及喷出外壳14向上方拔出。不需要为了进行泵的检修而分解吸入管等，从而水轮发电装置的维持管理用的内部检查和清扫变得容易。由此，能够实现运转成本低且维持管理容易的虹吸式水轮发电装置。
而且，根据本实施方式的虹吸式水轮发电装置，能够有效利用下水处理场的处理水的放流等产生的低落差，能够实现不产生CO2的清洁的可再生能量即水力发电。
以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明不限于上述实施方式，能够进行各种变形。例如，在上述实施方式中，吸气管30作为整体形成为大致倒U字状，但吸气管30的形状不限于此，如图7所示，也可以是L字状。即，将吸气管30的另一端30b的开口配置在比水轮10的导向外壳12被水浸没的水位(即轴流式叶轮20被水浸没的水位)低且比吸入管2的吸入口2a高的位置。根据这样的结构，将水轮10的轴流式叶轮20被水浸没的水位作为发电开始水位(更具体地说是启动发电机16开始虹吸管1内的虹吸形成的水位)，将吸气管30前端30b的开口的位置作为虹吸破坏水位即发电停止水位。由此，能够将蓄水池A的水位控制在发电开始水位和发电停止水位之间地进行发电。此外，轴流式叶轮20被水浸没的检测是通过水位传感器等检测蓄水池A的水位而进行的。
另外，在上述实施方式中，吸气管30的一端30a在比轴流式叶轮20低的位置与导向外壳12的侧壁连接，但连接部位也可以是比虹吸管1的吸入管2中的轴流式叶轮20高的位置(即比轴流式叶轮20更靠下游)。该情况下，通过发电机16驱动轴流式叶轮20并将蓄水池A的水汲取到虹吸管1内时，被汲取的水的一部分从虹吸管1内经由吸气管30漏出到蓄水池A，但吸气管30的内径d2充分地比虹吸管1的吸入管2的内径d1小，即，水轮10所汲取的水的流量与从吸气管30漏出的水的流量相比充分地大，从而水轮10使虹吸管1内的水位上升到吸入管2的上端部，从而能够在虹吸管1内形成虹吸。虹吸形成后，与上述实施方式同样地，根据虹吸作用在虹吸管1内产生的负压，使蓄水池A的水经由吸气管30流入虹吸管1内。
发电机16启动之后，直到在虹吸管1内形成虹吸期间，由于水暂时在吸气管30内逆流(虹吸管1的吸入管2内的水从吸气管30的基端30a向前端30b流动)，所以能够净化堵塞在吸气管30的枯叶、垃圾、砂、泥等。此外，吸气管30的内径d2没有特别限定，但实质上优选是虹吸管1的吸入管2的内径d1的1/5以下(d2≤d1×1/5)。
在上述实施方式中，对在一个蓄水池A中设置一个虹吸式发电装置的例子进行了说明，但上述虹吸式发电装置的设置台数不限于此，也可以是在一个蓄水池A中设置多个上述虹吸式发电装置。在一个蓄水池A中设置多个上述虹吸式发电装置的发电***中，也可以是将吸气管30的开口的高度位置按照各虹吸式发电装置不同的结构。在设置多个虹吸式发电装置的情况下，如果按照虹吸式发电装置个别地设定吸气管30前端30b的开口的高度，就能够实现以最佳台数进行运转。即，例如在设置3台虹吸式发电装置的情况下，在第1虹吸式发电装置中，将吸气管30的开口设定在第1高度位置，在第2虹吸式发电装置中，将吸气管30的开口设定在比第1高度位置低的第2高度位置，在第3虹吸式发电装置中，将吸气管30的开口设置在比第2高度位置低的第3高度位置，位于比第1高度位置高的位置的蓄水池A内的水位缓缓降低并变得比第1高度位置低时，第1虹吸式发电装置发生虹吸破坏，该装置产生的送水自动停止。而且，蓄水池A内的水位降低到比第2高度位置低时，第2虹吸式发电装置也发生虹吸破坏，该装置产生的送水自动停止，只有第3虹吸式发电装置的送水以及发电继续。如果蓄水池A内的水位再次上升，则确认第1或第2虹吸式发电装置中的轴流式叶轮20被水浸没之后，启动各自的发电机16形成虹吸，由此能够再开始发电。这样，与蓄水池A的水位的变化相应地，按照虹吸式发电装置，调整吸气管30前端30b的开口高度，能够将运转的虹吸式发电装置控制在最佳的台数，能够维持发电效率最高的水位的落差，并持续发电。
本发明的第1方式是一种虹吸式发电装置，具备：将高水位侧的水导向低水位侧的虹吸管，该虹吸管具备配置在高水位侧的吸入管、配置在低水位侧的喷出管；设置在所述吸入管内的吸入口附近的轴流式叶轮；与该轴流式叶轮连结的发电机，该发动机通过驱动所述轴流式叶轮，将高水位侧的水向虹吸管内汲取并形成虹吸，并且虹吸形成后，被接受虹吸管内的水流而旋转的所述轴流式叶轮驱动而进行发电；以及，将一端与所述吸入管连接且将另一端在比所述吸入口高的位置的高水位侧开口的吸气管。
另外，本发明的第2方式是在第1方式的虹吸式发电装置中，将所述吸气管的一端在比所述轴流式叶轮低的位置与所述吸入管连接。
而且，本发明的第3方式是在第1方式的虹吸式发电装置中，将所述吸气管的一端在比所述轴流式叶轮高的位置与所述吸入管连接。
而且，本发明的第4方式是在第1至第3方式的虹吸式发电装置的任一项中，将所述吸气管的另一端在比所述轴流式叶轮被水浸没的水位低且比所述吸入口高的位置开口。
而且，本发明的第5方式是在第1至第4方式的虹吸式发电装置的任一项中，在所述吸气管的最顶部设有用于将大气吸入所述吸气管的吸气阀。
而且，本发明的第6方式是在第1至第5方式的虹吸式发电装置的任一项中，还具有：与所述发电机连结且贯通所述虹吸管的顶部壁的主轴；在所述虹吸管的顶部壁上密封所述主轴的非接触型的轴密封装置，该轴密封装置包括将一端与该轴密封装置的轴密封部连接且将另一端在比所述吸气管的开口低的位置的高水位侧开口的注水管。
而且，本发明的第7方式是一种发电***，是将多个上述第1～6方式任一项所述的虹吸式发电装置设置在一个蓄水池的发电***，其特征在于，使各虹吸式发电装置的吸气管的另一端在所述一个蓄水池内开口，并使各开口的高度各不相同。
Claims (7)
1.一种虹吸式发电装置，其特征在于，具备：
用于将高水位侧的水导向低水位侧的虹吸管，该虹吸管具备配置在高水位侧的吸入管、和配置在低水位侧的喷出管；
设置在所述吸入管内的吸入口附近的轴流式叶轮；
与该轴流式叶轮连结的发电机，该发动机通过驱动所述轴流式叶轮，将高水位侧的水向虹吸管内汲取并形成虹吸，并且虹吸形成后，被接受虹吸管内的水流而旋转的所述轴流式叶轮驱动而进行发电；以及，
将一端与所述吸入管连接且将另一端在比所述吸入口高的位置的高水位侧开口的吸气管。
2.根据权利要求1所述的虹吸式发电装置，其特征在于，
所述吸气管的一端在比所述轴流式叶轮低的位置与所述吸入管连接。
3.根据权利要求1所述的虹吸式发电装置，其特征在于，
所述吸气管的一端在比所述轴流式叶轮高的位置与所述吸入管连接。
4.根据权利要求1～3任一项所述的虹吸式发电装置，其特征在于，
所述吸气管的另一端在比所述轴流式叶轮被水浸没的水位低且比所述吸入口高的位置开口。
5.根据权利要求1～3任一项所述的虹吸式发电装置，其特征在于，
在所述吸气管的最顶部设有用于将大气吸入到所述吸气管的吸气阀。
6.根据权利要求1～3任一项所述的虹吸式发电装置，其特征在于，
还具备：与所述发电机连结且贯通所述虹吸管的顶部壁的主轴；以及，
在所述虹吸管的顶部壁上密封所述主轴的非接触型的轴密封装置，该轴密封装置包括将一端与该轴密封装置的轴密封部连接且将另一端在比所述吸气管的开口低的位置的高水位侧开口的注水管。
7.一种发电***，在一个蓄水池中设置多个权利要求1～3任一项所述的虹吸式发电装置，其特征在于，
使各虹吸式发电装置的吸气管的另一端在所述一个蓄水池内开口，并使各开口的高度各不相同。
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