钢结构组装型桨轮堰水电站 【技术领域】
本发明涉及一种以钢结构件组装方式建设的水电站，尤其是以“桨轮堰水电站”发明专利技术为基础形成的该类型水电站。
背景技术
以钢结构组装施工方式形成的建筑体大到百米以上的钢结构大厦，众多大跨度钢结构桥梁、车站、体育场，小到普通的钢结构厂房、街亭……等应有尽有，其在当今全球范围各种类型建筑物的建设施工中获得了空前规模的大量应用。
采用钢结构组装建设方式，尤其是采用形成模块化、标准化、系列化的钢结构件组装建设方式特别适合形态与规格长期固定不变的工程产品，其具有规格形态系列化、部件加工工厂化、建设施工组装化、性能质量一致化的“四化”优势；其还具有设计快、生产快、施工快、投产快的“四快”特点，其可简单、大量、快速地复制形态、规格、材料、性能、质量、应用方式完全相同的建筑体，因此如将其在水电站的设计、建设、施工中进行广泛大量的采用将使水电开发速度和工程质量均获得空前加快与提高，并可使建设成本大幅度地降低。
采用完全钢结构件组装方式建设水电站在国际范围前所未有，因为其必须要有与该建设方式相适合的水电站设计规格形态配合才能实施，否则无论如何难于实现，这里所述的适合配合的水电站就是桨轮堰水电站。
桨轮堰水电站发明专利技术(中国发明专利号：200510064669.8)开创了水力发电全新方式、形态与类型，也就是说：从该技术产生之后人们在提出建设水电站时就要进行区分与询问了：您是要建设那种类型的水电站？与现有类型水电站比较，桨轮堰水电站形态独特，优势巨大，可建设地域十分广泛，可形成效益十分巨大。
一、需要桨轮堰水电站解决的水电开发系列难题
自然界有许多河流在各个局部区域拥有十分众多的“小流段”有地理坡度，有长期稳定的中高速水流或一般流速的水流产生，但是在多数情况下其并不具备建设现有类型水轮发电机组所需高坝的地貌条件配合；此外，既是在具有地貌条件配合的情况下，如果广建高坝不仅投资巨大、建设时长，还会带来地质、生态、景观、移民安置等诸多问题的发生。而分段分布梯级建设低坝水堰就可有效消除上述问题；但是采用现有类型水轮机在低坝低水头情况下所能形成的出力能力很低，超低水头压力甚至无法有效推动现有类型水轮机转动。
此外，现有类型水电站是采用单个输水管道进行压力输水使之推动在各个输水管道中设置的水轮机转轮旋转产生水能转换出力的，因单个输水管道所能形成的设备单机过流能力很低，因此如要提高整个水电站的整体过流能力就需采用在同一河流水坝上排列建设若干个或是众多个输水管道及水轮机组并使其共同运行，而该设计方式在低坝、低水头、大流量的河流上采用又极不经济，况且采用单个小水轮机带动各个小发电机的分散设置方式，难于进行出力与调频调控；如采用的单个输水管道设计直径过于高大，在低水头的情况下其形成的水头压力损失程度将进一步加大，因上述各个方面的原因均致使自然界大量有效水能流失无法开发利用，而采用“桨轮堰水电站”的建设形式即可全面简单地解决上述各种难题。
二、桨轮堰水电站的结构与原理
堰：较低的挡水建筑物。桨轮堰水电站是由横置的桨轮式水轮机转轮和由挡水堰体、冲压桨轮口、冲压口闸门等组成的水轮机座结合且使其并列横向设置构成桨轮堰水轮发电机组，桨轮堰同时具有挡水和实现水能转换出力的双重作用，在由上述结构构成的桨轮堰体上还可再加建一定高度的档水堰体，使该桨轮堰形成的挡水蓄水高度进一步加高，使之在相同桨轮堰体内部结构与规格不变的情况下形成更加强大的转轮出力能力。
桨轮堰水轮机的作用方法是：通过其冲压桨轮口将桨轮堰聚集的水能从堰的下部切向冲压桨轮式水轮机的最大力矩处形成最大水能转换出力，因此超长设计的桨轮式水轮机可形成巨大的整体合并压强合力，即使是在超低水头的情况下其也可形成巨大的单机水能转换合成出力能力，并可通过调控冲压口闸门开闭数量等方式进行桨轮堰水电站出力能力的大幅度调控与电力调频。因为其冲压桨轮口的设置位置很低，所以其水头利用能力是十分充分的。
桨轮堰水电站的出力过程与水流冲沙的流动过程相同，因此建设的桨轮堰不会形成泥沙淤积问题。在丰水季节还可通过桨轮堰顶溢流或另外并列设置的泻洪闸进行河流多余水流量的自动下泻，桨轮堰建设高度很低，不会形成阻流等任何危害性的问题产生。
从宏观结构看，同一个较长设计长度的桨轮堰体可由1-多个单独运行的桨轮堰水轮机组并列一体化构成，多并列设置方式适合在宽河流、大流量、季节流量大幅度变化的河流上采用；而在一个较长坡度河流流段上，由上游到下游可连续梯级分布设置多个桨轮堰水电站，使经过该流段的同一股水流水能实现梯级多次出力转换与全部开发利用。
三、桨轮堰水电站的多样化建设方式
桨轮堰水电站可在现有的河流上单独建设，更可在现有水电站的下游配合建设，利用上游水电站下泻的水流再形成二次、三次、四次、……n次梯级发电能力，并且可以利用上游水电站的高坝蓄积水能，同时利用其输电线路进行输电，无需另建，可配合建设的现有电站的数量十分庞大。
通过桨轮堰水电站的连续不间断梯级建设方式，还可同时使一些河流与流段形成梯级串联蓄水水库，可使一些普通的山区溪流与河谷具备优质通航能力或具备通航条件，这在一些交通条件很差的山区可以获得一举多得的开发应用效益，因此桨轮堰水电站发明技术还有配套的“桨轮堰通航河道船闸升降系统”(200710099468.0)发明专利技术，可通过该系统装置的一同建设使中小船只方便地上下翻越各个桨轮堰水电站形成的梯级水库，实现航运。
四、桨轮堰水电站的性能优势与开发应用前景
桨轮堰水电站可以利用全世界广泛存在的各种流量、流速、地貌条件下的水流形成发电能力，其建设方式简单、灵活、多样；桨轮式水轮机具有强大的单机过流能力、多种排列设置方式、堰体高度、桨轮直径、长度……等相关设计参数选择，可形成不同的建设规模，因此其可充分利用各种地况条件下的河流的任何规模流量、流速及其幅度变化的水能进行水电开发，并且调控方便、幅度巨大、建设简单，其发明出现将使水力水电获得更为广泛、高效、方便、廉价、多样的开发利用。
桨轮堰水电站是利用现有形式的水电站无法利用的、难以利用的、广泛存在的中低坡度水流发电，或是利用现有电站的废弃尾水进行发电，因此桨轮堰水电站的广泛建设可形成全新、广泛、巨大、稳定的可再生能源电力新来源，其出现将大幅度地改写可开发性水能蕴藏量的统计数字。
与风力发电方式比较，水力发电每年丰水季节与夏季用电高峰季节同时出现，电力终端用户就在身边，且分布均匀，这一点优势更加显著；因此桨轮堰水电站的规模化快速开发可大幅度缓解能源供应紧张的难题，其需要更加简单、快速的建设开发方式。
五、在桨轮堰水电站开发建设中遇到的难题
但是，桨轮堰水电站系统组成部件配合精度要求较高，在体积与高度均不是很大的整体结构内需要进行较为复杂的结构分布设置并且形成相互紧密的配合，因此其如采用与现有普通水电站相同的“在混凝土建筑体中配合钢结构件的建筑结构设计及各个建筑体均采用单独进行论证设计建设的方式”将遇到设计、建设、施工、质量、成本、效率、解释、验证……等多方面的难题，尤其对于全新技术的初期推广过程来讲上述各个方面的问题将一一重现。
而桨轮堰水电站的组成结构与其相对不大的部件规格和需要以完全相同形态、规格、方式进行大量复制建设的需求，尤其适合采用标准型模块化钢结构件组装的建筑方式来完成。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种可满足上述需求的全新结构与建设形式的桨轮堰水电站，即：“钢结构组装型桨轮堰水电站”发明专利技术方案，其采用将构成桨轮堰水电站主体结构的所有组成部件进行功能区分、区域分割，使其形成若干个模块化钢结构组成件，并使各个模块化钢结构组成件的设计形态与规格实现标准化、系列化，使施工方式实现组装化，使完成的各个操作流程实现规范化，使其具备上述“四化”优势和“四快”特点，本发明将成为突破影响桨轮堰水电站规模化快速开发建设“技术性障碍”的关键性创新。
本发明提出的“钢结构组装型桨轮堰水电站”发明专利技术方案是采用将构成桨轮堰水电站主体功能的全部设备设施分为：①桨轮转轮模块、②挡水堰体模块、③转轮电机装配模块、④传动系统与发电机模块、⑤堰顶堰体模块五大功能结构模块，并均可使其形成可相互配套组装的结构、形态与规格，并且全部实现标准化、系列化设计，在施工过程中只需将相同规格系列的各个部件按照规定的操作流程进行简单的组装施工即可形成一个完整的桨轮堰水电站主体结构。
本发明以下图示的模块结构形态为最基本、最常用的设计，其还可根据不同用户需求、不同规格型号、不同水压能力等设计参数形成与之有局部差异性变化的设计形态，但是任何模块所具有的基本功能、结构、作用应是一致的，对各个模块基本功能结构的描述是：
①桨轮转轮模块——桨轮转轮模块就是桨轮堰水电站采用的桨轮式水轮机转轮，其是形成桨轮堰水电站水能转换出力的部件，其由桨轮轴(1)、桨轮辊(2)、桨轮板(3)配合构成(见示意图1、2)。
桨轮轴(1)与“③转轮电机装配模块”部分的转轮支撑体(11)中部设置的安装轴孔(12)配合安装，并且由其进行固定支撑；此外，桨轮轴(1)与“④传动系统与发电机模块”的传动轴形成相互连接配合。
桨轮辊(2)为两端封闭的圆辊体，其两端的封闭板的边缘与“③转轮电机装配模块”下部设置的冲压桨轮口(6)形成紧密滑动配合，为了加强桨轮板面的强度，在其板、轴之间的间隔空间内分布设置加强板(或杆)。
桨轮板(3)为各个相同规格的板材，其均间距排列在桨轮辊上，桨轮板一般为平板形状，在一个桨轮型水轮机上设置的桨轮板的设置数量、排列密度、设计强度、选择材料、设计宽度等可依不同水流强度、桨轮堰高度、机组出力能力等实际要求确定，并可形成性能差距的系列产品。在两个桨轮板之间的间隔空间内分布设置加强板(4)并且使其整体环绕。
同一个桨轮转轮模块可由1-多个转轮支撑体(11)进行分割与支撑，即采用在同轴上串联1-多个桨轮转轮的设计形态，不同桨轮转轮模块的设计宽度、强度、外直径、辊直径等设计可根据其利用水能流程、出力能力等实际要求确定并且使其形成系列化、标准化。
②挡水堰体模块——挡水堰体模块的主要作用是阻挡集中水力，并与在其前部设置的桨轮转轮模块形成紧密配合，其可使桨轮转轮实现最大出力能力的转换和出力能力的调控。
该部分是构成整个桨轮堰体的最大模块，因此对于更大规格设计的产品，在其中还可进行局部分割使其方便运输，在安装时再进行组合；挡水堰体模块结构构成包括：(见示意图3的虚线以下结构)挡水堰体(5)、冲压桨轮口(6)、冲压口闸门(7)、闸门调控装置(8)，对其各个功能结构具体的描述是：
挡水堰体：挡水堰体(5)的作用是挡水与支撑挡水，实现阻挡、蓄积、集中水力的目标，挡水堰体(5)由横向的挡水体与纵向的支撑体一体化形成(见示意图3)，其挡水体的高度应该小于其支撑体的纵向长度；在较为宽阔或十分宽阔的河流内排列设置的挡水堰体，在其各个挡水堰体的两侧还需设置拥有更大支撑体积的混凝土加强体与挡水堰体(5)间隔配合辅助共同支撑(见示意图7中的◆体)，并且使其形成若干个独立运行的机组。
冲压桨轮口：冲压桨轮口(6)顺水流纵向设置在挡水堰体(5)的挡水体的下部，其将挡水堰体蓄积的水力通过冲压桨轮口准确地切向地作用在桨轮转轮模块的下部。在一个挡水堰体挡水体下可分布设置多个冲压桨轮口(6)，即是由若干个间隔支撑墙板将一个宽大的冲压桨轮口进行分割，从而形成分布设置的多个冲压桨轮口，其与③桨轮电机装配模块下设置的冲压桨轮口连接形成一体化结构，在各个分设的冲压桨轮口内可分别设置冲压口闸门。
冲压口闸门：冲压口闸门(7)可设置在挡水堰体(5)挡水体的前部或中部或后部，冲压口闸门(7)分别设置在各个分设的冲压桨轮口(6)内，并且与冲压桨轮口(6)的边框或内部设置结构形成可完全密闭的配合，冲压口闸门(7)采用旋转蝶阀式开启封闭结构与调控方式，或采用上下提升、左右推拉式等适合的开启封闭结构与调控方式，可依照具体情况选择采用设置位置或闸门形式，并可形成不同的系列化产品提供选择。
闸门调控装置：闸门调控装置(8)与挡水堰体(5)配合安装设置，闸门调控装置的调控方式与冲压口闸门(7)的设置形态与选择的设备类型配合，如采用旋转蝶阀式开启封闭结构与调控方式，闸门调控装置(8)即采用左右旋转式；采用上下提升开启封闭结构与调控方式则采用螺旋提升式或液压提升式结构等，其采用的调控装置为常规产品，可形成不同设计方式结构的系列产品，实现电动与自动化调控。
③桨轮电机装配模块——桨轮电机装配模块的作用是固定支撑安装“①桨轮转轮模块”和“④传动系统与发电机模块”并且与②挡水堰体模块的冲压桨轮口(6)形成一体化配合 (见示意图4)，在桨轮电机装配模块转轮支撑体(11)的安装轴孔(12)的前部设置活动体(13)(见示意图4)，通过活动体(13)形成的可开启与封闭通道可使桨轮轴(1)(或其轴座)方便进出安装轴孔(12)，实现桨轮转轮方便安装卸出的操作目标；在桨轮电机装配模块的下部设置与冲压桨轮口(6)形成连接配合的、相同的、并且可使其一体化配合的冲压桨轮口(6)，即在模块分割时将冲压桨轮口(6)进行了分割，因此在组装时再将其复原成为一个一体化的结构；在设计时也可采用将其不进行分割的设计结构，即将其直接一体化设置在②挡水堰体的模块上；在其下部设计为与桨轮旋转体外部旋转弧面紧密配合的圆弧形结构(见示意图1中★的表示位置)使其形成完全配合；桨轮电机装配模块可通过螺钉紧固等方式使之与挡水堰体(5)形成一体化连接。
④传动系统与发电机模块——传动系统与发电机模块包括：发电机(14)以直接连接传动的方式(见示意图5)，或是通过简单的传动齿轮(15)配合进行间接传动的方式，后者可形成一定的传动比设计和使发电机的安装位置设置更高，这可避免下游回水的侵袭，同时形成一定的传动比设计。在传动系统与发电机模块的下部设置发电机安置机位和电器安装箱(16)。此外，在上述安装的挡水堰体模块、转轮电机装配模块、传动系统与发电机模块模块的下部均需形成牢固的建设安装基础(17)，并且在其基础建设中形成可与上述模块形成配合钢结构连接件。
⑤堰顶堰体模块——堰顶堰体模块是加建在已经建设完成的桨轮堰体顶部上的、具有一定高度和强度的档水堰体(见示意图3的虚线以上结构)，其可使原始设计的桨轮堰体再进一步加高形成更高的挡水蓄水设置，使之在相同桨轮堰体设计规格不变的情况下形成更加强大的水力推动转轮出力的能力。堰顶堰体由顶上堰体(9)与其下部的支撑连板(10)配合构成，其支撑连板(10)可与已经建设完成的挡水堰体(5)和桨轮装配模块的转轮支撑体(11)形成一体化配合，并可通过支撑连板(10)的连接作用使挡水堰体(5)和桨轮装配模块相互形成更加稳固的一体化装配，因此堰顶堰体模块是在建设基本完成后进行装配的，通过堰顶堰体的顶上堰体(9)的高度设置与变化可十分方便地改变某一桨轮堰水电站的整体蓄水高度设计；在顶上堰体(9)与支撑连板(10)之间加设加强连板。
【附图说明】
图1为桨轮堰主体结构的侧向剖面结构示意图。
图2为桨轮转轮模块的侧向剖面结构示意图。
图3为挡水堰体模块(下)与堰顶堰体模块(上)配合结构的侧向剖面结构示意图。
图4为转轮电机装配模块的侧向(局部剖面)结构示意图。
图5为传动系统与发电机模块配合桨轮堰主体结构的前部主视结构示意图；其为发电机直接连接传动方式结构示意图。
图6为传动系统与发电机模块中发电机与传动齿轮连接的间接传动方式结构示意图。
图7为宽阔河流设置的混凝土加强堰体与挡水堰体间隔辅助共同支撑俯视示意图。
实施方式
在建设桨轮堰主体结构时候，首先牢固建设部件安装基础(17)，然后将②挡水堰体模块安装在安装基础上，并且与其钢结构连接件进行配合紧固，然后将③转轮电机装配模块与②挡水堰体模块进行配合组装固定，完成后将①桨轮转轮模块装配进入②挡水堰体模块内，完成后将④传动系统与发电机模块与桨轮转轮的轴进行连接配合，最后将⑤堰顶堰体模块安装在②挡水堰体模块和④转轮电机装配模块上，并且使其形成固定配合，同时使上述两大部分结构形成更加牢固的装配连接完成。
由此可见，本发明采用的模块化、标准化、系列化的钢结构件组装建设方式将大幅度加快与提高水电建设开发速度和工程质量。