CN106523248A - 水力卧式螺管转子发电机组及其发电站 - Google Patents

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Abstract

本发明属水力发电技术，公开了水力卧式螺管转子发电机机组及其发电站。其中，整个水力卧式单端螺管转子单发电机机组为卧式，水轮机的叶轮是由力平衡转子‑连接管‑螺管转子浇铸成整体的转轮，力平衡转子与螺管转子之间的水室与机壳上的引水管连通；整个水力卧式双端螺管转子单发电机机组为卧式，水轮机的叶轮是由左螺管转子‑连接管‑右螺管转子浇铸成整体并能驱动转轴同向转动的转轮，左右螺管转子之间的水室与机壳上的引水管连通，设有左右两个排水腔。能构成水力卧式单端或双端螺管转子双发电机机组、承受水流轴向冲击力且轴承轴向受力可为0。应用于水力发电中，因地制宜使用，能发挥以转换水动能或静压能为主来发电，以充分利用自然水资源。

Description

水力卧式螺管转子发电机组及其发电站
技术领域
本发明涉及水力发电技术，，具体来说涉及水力卧式螺管转子发电机组及其发电站。
背景技术
现有水力发电技术中，水轮机发电机组都是1个水轮机驱动1个发电机两大部分组成，其中水轮机由叶轮转子及其机壳组成，叶轮(即涡轮)是负责把水流的能量(静压能和水动能)转换为机械能的核心部件，1个水轮机只有1个转子。除水斗式水轮机组是卧式外，其余基本上是立式。卧式水轮发电机组比立式水轮发电机组最大优点不仅是容易建造安装，而且还有其它优点，可现有技术的大功率水轮发电机组基本上是立式的。
水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机，冲击式水轮机主要是水动能的转换，反击式水轮机主要是静压能的转换。它们采用了水流径向流入轴向流出工作方式。
水斗式水轮机属冲击式水轮机，能利用水动能为主，能承受高水头水流产生的压力冲击，但需设径向射流喷嘴装置，世界上单机最大的水斗式水轮机也只有3.15万千瓦。
包括我国三峡电站这样大装机容量高水头电站，都是普遍主要是利用静压能发电的反击式水轮机，对水动能利用相对少。同等流量下水流从水坝高处坠落进入水轮机所产生的单位面积压力，远远高过直接引水流进入水轮机时由水坝水位深度产生的单位面积压力，显然如充分利用水动能来发电就能比利用静压能来发电发出更多的电能。一个利用水动能来发电为主的三峡电站就能多发出数倍的电力，相当于拥有数个现有技术三峡电站。这无疑对人类充分利用清洁可再生能源实现节能减排，减少环境污染，减少气候变化，保护生态环境等，都起着非常重要的作用。
现有技术大功率水轮机为什么不采用水流轴向流入轴向流出方式冲击式水轮机来充分利用水动能？主要因为兆瓦级水轮机有一个致命弱点，叶片涡轮及其轴承无法承受水流轴向的巨大冲击力，而设置涡壳和导水机构，把叶片涡轮改成由上冠、下环、叶片、泄水锥等部分组成的转轮及其轴承能承受这个巨大冲击力，所以几万千瓦级水轮机，一出世就注定了它以利用静压能发电为主，利用水动能发电为次。
为克服上述技术难题，专利号201510167466.5水轮机发电装置，利用螺管转子代替叶轮作转换水流能量的转轮，提供了利用水动能发电为主的技术方案。因为只有一个螺管转子，导致该技术方案不足之处，在高水头大功率发电中，要把水轮机建成立式，要建地下室，轴承受到的轴向推力依然很大，建数以万千瓦级上水轮机会受到转轴轴承承受能力限制，更不利于水轮机组长时间安全运行。
专利号201510169226.9提供了专利号201510167466.5水轮机发电装置中立式水轮机发电装置的运行方法。
专利号201610813636.7一种螺管转子及其发动机，提供了螺管转子发动机工作时，轴承受到的轴向推力能至少接近零的一种螺管转子。
发明内容
本发明目的：克服现有技术水轮机发电组上述缺点，本发明在上述发明专利基础上，一是提供转轮及其轴承能承受水流轴向冲击力的水力卧式单或双端螺管转子单或双发电机机组；二是提供同一发明构思下能由因地制宜使用水力卧式单或双端螺管转子单或双发电机机组来决定以转换水动能为主或以转换静压能为主来发电的水力发电站。
本发明一通过下述技术方案，来实现发明目的：
水力卧式单端螺管转子单发电机机组，包括水轮机，整个水力卧式单端螺管转子单发电机机组为卧式，水轮机的叶轮是由力平衡转子-连接管-螺管转子浇铸成整体的转轮，力平衡转子与螺管转子之间的水室与机壳上的引水管连通。
水力卧式双端螺管转子单发电机机组，包括水轮机，整个水力卧式双端螺管转子单发电机机组为卧式，水轮机的叶轮是由左螺管转子-连接管-右螺管转子浇铸成整体并能驱动转轴同向转动的转轮，左右螺管转子之间的水室与机壳上的引水管连通，设有左右两个排水腔。
水室或排水腔设有阻止水室中的水从转动间隙泄漏的密封环。
水力卧式单端或双端螺管转子单发电机机组转轴另一端动力连接有一个发电机，构成水力卧式单端或双端螺管转子双发电机机组。
同一发明构思下本发明二通过下述技术方案，来实现发明目的：
一种以转换水动能为主的水力发电站，包括水轮机发电装置的水轮机组，整个水轮机发电组是水力卧式单端螺管转子单或双发电机机组，力平衡转子与螺管转子之间的水室连通引水管入口，通过开、关与调节流量的装置控制流量，使水流至少以接近自由落体方式坠入水室，机组进入稳定工作状态时，水流高速流过螺管转子作功并驱动转轴转动的水流量与坠入水室进水量处于动态平衡，作功后进入排水腔的水从尾水管排出，以此驱动转子带动发电机转动，把水流具有的能量转换为电能输出。
一种以转换水动能为主的水力发电站，包括水轮机发电装置的水轮机组，整个水轮机发电组是水力卧式双端螺管转子单或双发电机机组，左右螺管转子之间的水室连通引水管入口，通过开、关与调节流量的装置控制流量，使水流至少以接近自由落体方式坠入水室，机组进入稳定工作状态时，水流高速流过左右螺管转子作功并驱动转轴同向转动的水流量与坠入水室进水量处于动态平衡，作功后进入左右排水腔的水从左右尾水管排出，以此驱动转子带动发电机转动，把水流具有的能量转换为电能输出。
水坝上设有比原开、关与调节流量的装置位置低的第2开、关与调节流量的装置，并与引水管并联引水。
一种以转换静压能为主的水力发电站，包括水轮机发电装置的水轮机组，整个水轮机发电组是水力卧式单端螺管转子单或双发电机机组，力平衡转子与螺管转子之间的水室连通引水管入口，打开开、关与调节流量的装置使水流入水室，水流高速流过螺管转子作功并驱动转轴转动，作功后进入排水腔的水从尾水管排出，以此驱动转子带动发电机转动，把水流具有的能量转换为电能输出。
一种以转换静压能为主的水力发电站，包括水轮机发电装置的水轮机组，整个水轮机发电组是水力卧式双端螺管转子单或双发电机机组，左右螺管转子之间的水室连通引水管入口，打开开、关与调节流量的装置使水流入水室，水流高速流过螺管转子作功并驱动转轴转动，作功后进入排水腔的水从尾水管排出，以此驱动转子带动发电机转动，把水流具有的能量转换为电能输出。
对发明一来说，由于采取了上述技术措施，本发明的水力卧式单或双端螺管转子单或双发电机机组与现有技术相比较有如下有益效果：
1.结构简单，坚固耐用，容易制造，造价低。
2.水流能轴向流入轴向流出，转轮和轴承能承受高水头大流量水流冲击产生的压力，为制造超大功率水轮机提供了先决条件。
3.能左右输出动力同时驱动左右发电机发电，有利于降低制造超大功率发电机的难度和造价，和找到与超大型水轮机相匹配的负载。
4.把水轮机组制成卧式，容易基础建造、安装与维护。
对同一发明构思的发明二来说，由于水电站采取了上述本发明的水力卧式单或双端螺管转子发电机组，与现有技术相比较有如下有益效果：
1.一样能免焊接转轮叶片、免涡壳与导水机构、以转换水动能为主来发电，但轴承受到来自水力的轴向推力能减少到至少接近零，使转轮及其轴承能承受这个巨大冲击力，水流能以轴向高速流入流出螺管转子，确保了水轮机组能长时间安全运行。
2.能从水电站水坝最高处引溢流坠入水室，这样以转换水动能为主来发电就比以转换静压能为主来发电，在同等水流量下能发出更多的电能。
3.利用双螺管转子双发电机组能建成比现有技术万千瓦级单机功率电站更大的水力发电站。
4.如水电站是水坝上设有比原开、关与调节流量的装置位置低的第2开、关与调节流量的装置，并与引水管并联引水，并采用双发电机组来发电，像三峡电站这样水头要求变化的水电站，汛期就采用现80.6米采水点单发电机来发电，汛后就可以采用尽可能高或溢流水头双发电机来发电。
5.水力发电站由因地制宜使用水力卧式单或双端螺管转子单或双发电机机组来决定以转换水动能为主或以转换静压能为主来发电，从而达到能充分利用可再生的自然水资源。
附图说明
下面对本发明的附图作进一步说明。
图1是水力卧式单端螺管转子单发电机机组示意图：
图1中，1.机壳，2.发电机，3.轴承，4.轴承，5.力平衡转子，6.水室，7.引水管，8.螺管转子，9.排水腔，10.轴承，11.转轴，12.尾水管，13.连接管。
图2是水力卧式单端螺管转子双发电机机组示意图：
图2中，1.机壳，2.左发电机，3.轴承，4.轴承，5.力平衡转子，6.水室，7.引水管，8.螺管转子，9.排水腔，10.轴承，11.转轴，12.尾水管，13.连接管，14.右发电机，15.轴承。
图3是水力卧式双端螺管转子单发电机机组示意图：
图3中，1.机壳，2.发电机，3.轴承，4.轴承，5.左排水腔，6.左螺管转子，7.水室，8.引水管，9.右螺管转子，10.右排水腔，11.转轴，12.轴承，13.右尾水管，14.连接管，15.左尾水管。
图4是水力卧式双端螺管转子双发电机机组示意图：
图4中，1.机壳，2.发电机，3.轴承，4.轴承，5.左排水腔，6.左螺管转子，7.水室，8.引水管，9.右螺管转子，10.右排水腔，11.转轴，12.轴承，13.右尾水管，14.连接管，15.左尾水管，16.右发电机，17.轴承。
图5是发电站用水力卧式单端螺管转子单发电机机组发电的示意图：
图5中，1.机壳，2.发电机，3.轴承，4.轴承，5.力平衡转子，6.水室，7.引水管，8.螺管转子，9.排水腔，10.轴承，11.转轴，12.尾水管，13.连接管，14.水坝，15.开、关与调节流量的装置，16.吸气口。
图6是发电站用水力卧式单端螺管转子双发电机机组发电的示意图：
图6中，1.机壳，2.左发电机，3.轴承，4.轴承，5.力平衡转子，6.水室，7.引水管，8.螺管转子，9.排水腔，10.轴承，11.转轴，12.尾水管，13.连接管，14.右发电机，15.轴承，16.水坝，17.开、关与调节流量的装置，18.吸气口。
图7是发电站用水力卧式双端螺管转子单发电机机组发电的示意图：
图7中，1.机壳，2.发电机，3.轴承，4.轴承，5.左排水腔，6.左螺管转子，7.水室，8.引水管，9.右螺管转子，10.右排水腔，11.转轴，12.轴承，13.右尾水管，14.连接管，15.左尾水管，16.水坝，17.开、关与调节流量的装置，18.吸气口。
图8是发电站用水力卧式双端螺管转子双发电机机组发电的示意图：
图8中，1.机壳，2.发电机，3.轴承，4.轴承，5.左排水腔，6.左螺管转子，7.水室，8.引水管，9.右螺管转子，10.右排水腔，11.转轴，12.轴承，13.右尾水管，14.连接管，15.左尾水管，16.右发电机，17.轴承，18.水坝，19.开、关与调节流量的装置，20.吸气口。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
水力卧式单端螺管转子单发电机机组，包括水轮机，整个水力卧式单端螺管转子单发电机机组为卧式，水轮机的叶轮是由力平衡转子-连接管-螺管转子浇铸成整体的转轮，力平衡转子与螺管转子之间的水室与机壳上的引水管连通。
水力卧式双端螺管转子单发电机机组，包括水轮机，整个水力卧式双端螺管转子单发电机机组为卧式，水轮机的叶轮是由左螺管转子-连接管-右螺管转子浇铸成整体并能驱动转轴同向转动的转轮，左右螺管转子之间的水室与机壳上的引水管连通，设有左右两个排水腔。
水室或排水腔设有阻止水室中的水从转动间隙泄漏的密封环。
水力卧式单端或双端螺管转子单发电机机组转轴另一端动力连接有一个发电机，构成水力卧式单端或双端螺管转子双发电机机组。
水力卧式单或双端螺管转子单或双发电机机组其中的单或双端螺管转子的工作原理虽然来自专利号201610813636.7一种螺管转子及其发动机，螺管同样以顺或逆时针且与轴向夹角45°均匀布置在螺管转子表层，但由于工质是液体，转速相对低，密封不同，在设计上还是有很大区别。
利用水力卧式单端或双端螺管转子单或双发电机机组构造水力发电站，以转换水动能为主或以转换静压能为主关键在于如何使用。下面对专利号201510167466.5水轮机发电装置进行改进，并给出了多个实施例。
一种以转换水动能为主的水力发电站，包括水轮机发电装置的水轮机组，整个水轮机发电组是水力卧式单端螺管转子单或双发电机机组，力平衡转子与螺管转子之间的水室连通引水管入口，通过开、关与调节流量的装置控制流量，使水流至少以接近自由落体方式坠入水室，机组进入稳定工作状态时，水流高速流过螺管转子作功并驱动转轴转动的水流量与坠入水室进水量处于动态平衡，作功后进入排水腔的水从尾水管排出，以此驱动转子带动发电机转动，把水流具有的能量转换为电能输出。
一种以转换水动能为主的水力发电站，包括水轮机发电装置的水轮机组，整个水轮机发电组是水力卧式双端螺管转子单或双发电机机组，左右螺管转子之间的水室连通引水管入口，通过开、关与调节流量的装置控制流量，使水流至少以接近自由落体方式坠入水室，机组进入稳定工作状态时，水流高速流过左右螺管转子作功并驱动转轴同向转动的水流量与坠入水室进水量处于动态平衡，作功后进入左右排水腔的水从左右尾水管排出，以此驱动转子带动发电机转动，把水流具有的能量转换为电能输出。
水坝上设有比原开、关与调节流量的装置位置低的第2开、关与调节流量的装置，并与引水管并联引水。这种水电站，如使用水力卧式单或双端螺管转子双发电机机组，最适宜如三峡电站既要求防洪又要求发电，水头变化的水力发电站。
一种以转换静压能为主的水力发电站，包括水轮机发电装置的水轮机组，整个水轮机发电组是水力卧式单端螺管转子单或双发电机机组，力平衡转子与螺管转子之间的水室连通引水管入口，打开开、关与调节流量的装置使水流入水室，水流高速流过螺管转子作功并驱动转轴转动，作功后进入排水腔的水从尾水管排出，以此驱动转子带动发电机转动，把水流具有的能量转换为电能输出。
一种以转换静压能为主的水力发电站，包括水轮机发电装置的水轮机组，整个水轮机发电组是水力卧式双端螺管转子单或双发电机机组，左右螺管转子之间的水室连通引水管入口，打开开、关与调节流量的装置使水流入水室，水流高速流过螺管转子作功并驱动转轴转动，作功后进入排水腔的水从尾水管排出，以此驱动转子带动发电机转动，把水流具有的能量转换为电能输出。
以转换水动能为主来发电时的水力发电站工作原理。即使机壳与引水管构成6字形入水口，水流而不直接落入水室，由于机壳与螺管转子、引水管构成的水室是密封空间，不论是力平衡转子-连接管-螺管转子浇铸成整体还是左螺管转子-连接管-右螺管转子浇铸成整体，由连接管连接的两端转子横截面积大小相等各在一边相对应，这样从高处坠落的水流产生的压力，由液压传动原理可知，这时会以同样大小传递到水室左右两端转子轴向面积上，且压力大小相等方向相反，起相互抵消作用，使轴承受到来自水力的轴向推力能减少到至少接近零。所以其运行的方法也是：
(1)、续步打开引水管开、关与调节流量的装置的开关放水，使坠入水室中的水量大于螺管转子的***量，出现水滞留水室并充满整个水室空间，发电机到达额定转速n转/分；
(2)、再启动装置的调节流量控制器，对流量实施来回调节，使水流量保持稳定，发电机也保持稳定在额定转速n转/分。
以转换水静压能为主来发电时的水力发电站工作原理与现有技术相同。

Claims (9)

1.水力卧式单端螺管转子单发电机机组，包括水轮机，其特征是：整个水力卧式单端螺管转子单发电机机组为卧式，水轮机的叶轮是由力平衡转子-连接管-螺管转子浇铸成整体的转轮，力平衡转子与螺管转子之间的水室与机壳上的引水管连通。
2.水力卧式双端螺管转子单发电机机组，包括水轮机，其特征是：整个水力卧式双端螺管转子单发电机机组为卧式，水轮机的叶轮是由左螺管转子-连接管-右螺管转子浇铸成整体并能驱动转轴同向转动的转轮，左右螺管转子之间的水室与机壳上的引水管连通，设有左右两个排水腔。
3.根据权利要求1、2所述的水力卧式单端或双端螺管转子单发电机机组，其特征是：水室或排水腔设有阻止水室中的水从转动间隙泄漏的密封环。
4.根据权利要求1、2、3所述的水力卧式单端或双端螺管转子单发电机机组，其特征是：水力卧式单端或双端螺管转子单发电机机组转轴另一端动力连接有一个发电机，构成水力卧式单端或双端螺管转子双发电机机组。
5.一种以转换水动能为主的水力发电站，包括水轮机发电装置的水轮机组，其特征是：整个水轮机发电组是水力卧式单端螺管转子单或双发电机机组，力平衡转子与螺管转子之间的水室连通引水管入口，通过开、关与调节流量的装置控制流量，使水流至少以接近自由落体方式坠入水室，机组进入稳定工作状态时，水流高速流过螺管转子作功并驱动转轴转动的水流量与坠入水室进水量处于动态平衡，作功后进入排水腔的水从尾水管排出，以此驱动转子带动发电机转动，把水流具有的能量转换为电能输出。
6.一种以转换水动能为主的水力发电站，包括水轮机发电装置的水轮机组，其特征是：整个水轮机发电组是水力卧式双端螺管转子单或双发电机机组，左右螺管转子之间的水室连通引水管入口，通过开、关与调节流量的装置控制流量，使水流至少以接近自由落体方式坠入水室，机组进入稳定工作状态时，水流高速流过左右螺管转子作功并驱动转轴同向转动的水流量与坠入水室进水量处于动态平衡，作功后进入左右排水腔的水从左右尾水管排出，以此驱动转子带动发电机转动，把水流具有的能量转换为电能输出。
7.根据权利要求5、6所述的一种以转换水动能为主的水力发电站，其特征是：水坝上设有比原开、关与调节流量的装置位置低的第2开、关与调节流量的装置，并与引水管并联引水。
8.一种以转换静压能为主的水力发电站，包括水轮机发电装置的水轮机组，其特征是：整个水轮机发电组是水力卧式单端螺管转子单或双发电机机组，力平衡转子与螺管转子之间的水室连通引水管入口，打开开、关与调节流量的装置使水流入水室，水流高速流过螺管转子作功并驱动转轴转动，作功后进入排水腔的水从尾水管排出，以此驱动转子带动发电机转动，把水流具有的能量转换为电能输出。
9.一种以转换静压能为主的水力发电站，包括水轮机发电装置的水轮机组，其特征是：整个水轮机发电组是水力卧式双端螺管转子单或双发电机机组，左右螺管转子之间的水室连通引水管入口，打开开、关与调节流量的装置使水流入水室，水流高速流过螺管转子作功并驱动转轴转动，作功后进入排水腔的水从尾水管排出，以此驱动转子带动发电机转动，把水流具有的能量转换为电能输出。
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