一種阻力型水輪機及水力發電系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及水力發電技術，具體涉及一種阻力型水輪機及水力發電系統。
【背景技術】
[0002]全球化石燃料儲備的枯竭與日益嚴重的環境問題，使得人們不得不重點發展適宜生態環境的可再生替代能源。水能的清潔性、可再生性及其大規模應用技術的成熟，使水力發電成為技術最成熟、最具開發條件和最有發展前景的清潔發電方式。目前我國的水電開發方式主要是筑壩蓄水，增加水的勢能，提高水輪機的轉速。但是，這種水電開發方式對環境有一定的破壞，而且需要移民，前期投資大。
[0003]公開號為CN 102878007A的中國專利文獻公開了一種超大型水力發電站，該超大型水力發電站雖然也無需筑壩，但是，該超大型水力發電站還存在一些問題:其水輪機的葉片為平板狀，水能利用率較低；葉片根部的強度與外沿一致，易從根部折斷；發電平臺與水輪機的高度隨著水位的變化而變化，運行中軸系的振動較大，易引起系統的結構不穩定，以至系統損壞;其功率調節通過葉片的伸縮來實現，對于河流的清潔性要求較高，不能有過多的雜質出現，否則會影響其葉片的運轉以及高度變化裝置，嚴重時甚至會破壞葉片。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題:針對現有技術的上述問題，提供一種水能利用率高、葉片強度好、運行中軸系的振動小、使用壽命長、對河流水質要求低、對水位變化適應性好的阻力型水輪機及水力發電系統。
[0005]為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為:
一種阻力型水輪機，包括所述轉輪體，所述轉輪體的外壁上設有均勻布置的多個弧形葉片，所述弧形葉片沿著轉輪體的軸線方向平行布置，所述弧形葉片的厚度從靠近轉輪體側的根部向端部逐漸減少。
[0006]優選地，所述轉輪體的上方設有擋流罩，所述擋流罩的中部裝設有流量調節裝置，所述流量調節裝置將擋流罩分割為位于阻力型水輪機的轉輪體上側的弧形罩和位于阻力型水輪機的轉輪體前側的導流斜板，且所述導流斜板的高度和弧形罩之間的高度比值為1.5:1ο
[0007]優選地，所述流量調節裝置包括殼體、閘門體、驅動電機、控制模塊和流速傳感器，所述閘門體的上端設有螺旋桿，所述閘門體的下側形成所述阻力型水輪機的進水通道，所述螺旋桿和殼體螺紋連接，所述驅動電機的驅動輸出端通過減速機構和螺旋桿相連，所述驅動電機的控制端、流速傳感器的輸出端分別和控制模塊相連。
[0008]優選地，所述導流斜板的最低端位置和轉輪體的軸心位于同一水平面上。
[0009]優選地，所述轉輪體的外壁上設有弧形葉片的數量為六片，所述弧形葉片的安裝角度β為60°、葉片弧度α為60°。
[0010]優選地，所述弧形葉片的弦長L與轉輪體的直徑的比值為4:1，所述弧形葉片的寬度與弦長L的比值為2:1，所述弧形葉片端部的厚度和根部的厚度比值為0.05:1?0.1:1。
[0011]一種阻力型水力發電系統，包括發電機和相對布置的兩面導流墻，所述兩面導流墻之間設有前述的阻力型水輪機，所述兩面導流墻之間位于阻力型水輪機的下方設有導流底板，所述導流底板由沿著水流方向依次布置的上游澆筑平面、流線型曲面和下游澆筑平面組成，所述上游澆筑平面位于流量調節裝置的上游側，所述流線型曲面位于轉輪體的下側，且所述流線型曲面的高度從流量調節裝置下游側開始逐漸降低并在轉輪體的正下方達到最低點，所述流線型曲面的最低點與流量調節裝置的殼體最低點之間的垂直高度為所述轉輪體直徑的1?2倍，所述阻力型水輪機的轉輪體兩端各通過軸承安裝固定于一面導流墻上，所述發電機安裝在導流墻一側的河岸的洞槽內，且所述發電機通過主軸和阻力型水輪機的轉輪體相連。
[0012]優選地，所述導流墻沿水流方向依次由聚攏弧形導流墻、平直導流墻和擴散弧形導流墻連接組成，所述兩面導流墻的聚攏弧形導流墻之間形成從大變小的喇叭狀入水口，所述兩面導流墻的平直導流墻之間相互平行布置，所述兩面導流墻的擴散弧形導流墻之間形成從小變大的喇叭狀出水口，所述聚攏弧形導流墻、平直導流墻和擴散弧形導流墻三者在水流方向的直線距離均為阻力型水輪機的直徑D的1.1倍，所述聚攏弧形導流墻、平直導流墻和擴散弧形導流墻三者的高度為阻力型水輪機的直徑D的1.5?2倍。
[0013]優選地，所述兩面導流墻靠進水側的一端設有攔污柵。
[0014]優選地，所述主軸外側設有剎車裝置，所述剎車裝置的控制端和控制模塊相連。
[0015]本發明的阻力型水輪機具有下述優點:
1、本發明轉輪體的外壁上設有均勻布置的多個弧形葉片，弧形葉片沿著轉輪體的軸線方向平行布置，弧形葉片的厚度從靠近轉輪體側的根部向端部逐漸減少，自由水流沖擊到阻力型水輪機的葉片時，水流的動量矩發生變化，從而產生作用在轉輪葉片上的力，形成對主軸的轉動力矩，推動轉輪旋轉做功。做功后的水流以很小的速度離開葉片而流向下游。弧形葉片有利于增大水流對葉片的作用力，理論計算和實驗證明，弧形葉片的能量轉換率是平板葉片1.45倍，具有水能利用率高、葉片強度好、運行中軸系的振動小、使用壽命長、對河流水質要求低的優點。
[0016]2、本發明進一步在轉輪體的上方設有擋流罩，擋流罩的中部裝設有流量調節裝置，流量調節裝置將擋流罩分割為位于阻力型水輪機的轉輪體上側的弧形罩和位于阻力型水輪機的轉輪體前側的導流斜板，因此能夠在不同水位季節調節弧形葉片的進水量，具有對水位變化適應性好的優點。
[0017]本發明的阻力型水力發電系統包括本發明的阻力型水輪機，因此同樣也具有水能利用率高、葉片強度好、運行中軸系的振動小、使用壽命長、對河流水質要求低、對水位變化適應性好的優點，從而能夠實現針對低落差的水力發電，因此可以直接布置在河道上進行發電，不建壩、不移民、結構簡單、便于安裝維護且運行穩定可靠。而且，本發明的阻力型水力發電系統通過兩面導流墻之間設有前述的阻力型水輪機，阻力型水輪機的轉輪體兩端各通過軸承安裝固定于一面導流墻上，發電機通過主軸和阻力型水輪機的轉輪體相連，通過兩面導流墻的引導集聚水流，使得水流能夠更加集中地作用在阻力型水輪機的弧形葉片上，從而能夠更好地實現低落差的水力發電；此外本發明在轉輪體的下方設有前高后低的流線型導流底板，使進入阻力型水輪機的動能增加、流出阻力型水輪機的動能減少，能夠提高阻力型水輪機能量轉換率;本發明的發電機安裝在導流墻一側的河岸的洞槽內，且不會影響水流特性，也不容易被水打濕，安裝維護方便。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明實施例阻力型水輪機的結構示意圖。
[0019]圖2為本發明實施例阻力型水輪機攔污柵側的局部剖視結構示意圖。
[0020]圖3為本發明實施例阻力型水力發電系統的立體結構示意圖。
[0021 ]圖4為本發明實施例中轉輪體及其弧形葉片的結構示意圖。
[0022]圖例說明:1、轉輪體；11、弧形葉片；12、軸承；13、法蘭;2、擋流罩;21、弧形罩;22、導流斜板;3、流量調節裝置;31、殼體;32、閘門體;321、螺旋桿;33、驅動電機;34、控制模塊；35、流速傳感器;4、發電機;41、主軸;42、剎車裝置;5、導流墻;51、聚攏弧形導流墻;52、平直導流墻;53、擴散弧形導流墻;54、攔污柵;6、導流底板;61、上游澆筑平面;62、流線型曲面；63、下游澆筑平面。
【具體實施方式】
[0023]如圖1、圖2和圖3所示，本實施例的阻力型水輪機包括轉輪體1，轉輪體1的外壁上設有均勻布置的多個弧形葉片11，弧形葉片11沿著轉輪體1的軸線方向平行布置，弧形葉片11的厚度從靠近轉輪體1側的根部向端部逐漸減少，弧形葉片11有利于增大水流對葉片的作用力，在工作狀態下弧形葉片11因阻擋水流流動而受到水流的作用力，從而形成與水流方向一致的合力矩，該力矩推動轉輪體1旋轉帶動發電機發電，理論計算和實驗證明，弧形葉片11的能量轉換率是平板葉片1.45倍，具有結構簡單、使用成本低、整體占用空間小的優點。本實施例的阻力型水輪機的材料一般可以根據尺寸大小確定，例如轉輪直徑2米以上采用合金鋼;直徑2米以下，可采用復合材料，可利用3D打印技術直接整體打印。
[0024]如圖1、圖2和圖3所示，轉輪體1的上方設有擋流罩2，擋流罩2減少水流在轉輪上部形成阻力矩，擋流罩2的中部裝設有流量調節裝置3，流量調節裝置3用于適應負荷變化需求，流量調節裝置3將擋流罩2分割為位于阻力型水輪機的轉輪體1上側的弧形罩21和位于阻力型水輪機的轉輪體1前側的導流斜板22，前半部的導流斜板22把水流往下引，后半部的弧形罩21把轉輪體1的上半部分罩住，使水流不進入轉輪體1的上半部，以消除水流對轉輪體1上半部轉輪形成的阻力矩，阻力型水輪機的發電功率可以通過流量調節裝置3來進行調節，以適應電網負荷變化需求，因此可以根據負荷需求調節流量，可連續運轉，經濟效益可觀。
[0025]如圖1和圖3所示，流量調節裝置3包括殼體31、閘門體32、驅動電機33、控制模塊34和流速傳感器35，閘門體32的上端設有螺旋桿321，閘門體32的下側成阻力型水輪機的進水通道，螺旋桿321和殼體31螺紋連接，驅動電機33的驅動輸出端通過減速機構和螺旋桿321相連，驅動電機33的控制端、流速傳感器35的輸出端分別和控制模塊34相連。本實施例中，殼體31中設有滑槽，用于使得閘門體32上下移動，需要說明的是，殼體31既可以是擋流罩2中的一部分，也可以做成獨立的結構體并安裝到擋流罩2上;流速傳感器35安裝在轉輪體1前0.3m處，控制模塊34則用于根據流速傳感器35輸出的水流速度的流程控制閘門體32的高度，進而控制阻力型水輪機的進水流量，由于該控制方法為常規的閉環控制方法，故在此不再贅述。
[0026]本實施例中，導流斜板22的最低端位置和轉輪體1的軸心位于同一水平面上，且導流斜板22的高度和弧形罩21之間的高度比值為1.5:1，通過該結構能夠確保導流斜板22具有最佳的導流效果。
[0027]如圖4所示，轉輪體1的外壁上設有弧形葉片11的數量為六片，弧形葉片11的安裝角度β(參見圖4)為60°、葉片弧度α(參見圖4)為60°，通過上述結構，確保轉輪體1外壁上設有的多片弧形葉片11能夠