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1、(10)申请公布号 CN 103742334 A (43)申请公布日 2014.04.23 CN 103742334 A (21)申请号 201310738483.0 (22)申请日 2013.12.27 F03B 3/18(2006.01) F03B 13/26(2006.01) (71)申请人 河海大学 地址 210098 江苏省南京市鼓楼区西康路 1 号 申请人 南京河海科技有限公司 (72)发明人 杨春霞 郑源 张玉全 朱延涛 刘惠文 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 楼然 (54) 发明名称 一种带有前后对称等宽活动导叶的贯流式水 轮机 (57。
2、) 摘要 本发明提出的一种带有前后对称等宽活动导 叶的贯流式水轮机， 它包括正向进水流道、 竖井、 支撑架、 双向发电转轮、 反向进水流道、 发电机和 增速器， 其特征在于还包括前置等宽活动导叶和 后置等宽活动导叶， 该前置等宽活动导叶设置在 正向进水流道和双向发电转轮之间 ； 该后置等宽 活动导叶设置在双向发电转轮与反向进水流道之 间 ； 所述前置等宽活动导叶和后置等宽活动导叶 的纵向截面均为两端流线尖翼形， 对称地布置在 双向发电转轮两侧。本发明不仅能够提高发电机 组的正向发电效率， 而且能够提高发电机组的反 向发电效率， 使得发电机组发电总效率进一步提 高， 适用于各种低水头潮汐电站的贯。
3、流式水轮机。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103742334 A CN 103742334 A 1/1 页 2 1. 一种带有前后对称等宽活动导叶的贯流式水轮机， 它包括正向进水流道 （1） 、 竖井 （2） 、 支撑架 （5） 、 双向发电转轮 （7） 、 反向进水流道 （9） 、 发电机 （3） 和增速器 （4） ， 其中 ： 发 电机 （3） 与双向发电转轮 （7） 通过增速器 （4） 连接 ； 发电机 （3） 和增速器。
4、 （4） 置于竖井 （2） 中 ； 其特征在于还包括前置等宽活动导叶 （6） 和后置等宽活动导叶 （8） ； 该前置等宽活动导 叶 （6） 设置在正向进水流道 （1） 和双向发电转轮 （7） 之间 ； 该后置等宽活动导叶 （8） 设置在 双向发电转轮 （7） 与反向进水流道 （9） 之间 ； 所述前置等宽活动导叶 （6） 和后置等宽活动导 叶 （8） 的纵向截面均为两端流线尖翼形， 对称地布置在双向发电转轮 （7） 两侧， 各导叶两端 为球面结构， 各导叶内球面与外球面扭曲角度为 10 15； 所述前置等宽活动导叶 （6） 和 后置等宽活动导叶 （8） 设置的导叶转动中心线 （12） 与机组转。
5、动中心线 （15） 之间的夹角 为 80， 各导叶构成的封水面与机组转动中心线 （15） 呈悬空交叉分布， 各导叶中间截面型 线上 20 个点在直角坐标系中的坐标如下表 1 ： 表 1 序号xy序号xy 6001-145.9906011166.950 6002-1283.156012128-4.22 6003-967.83601396-7.83 6004-6410.8601464-11.5 6005-3213.62601532-14.34 6006015.2560160-15.25 60073214.346017-32-13.62 60086411.56018-64-10.8 6009967.。
6、836019-96-7.83 60101284.226020-128-3.15 拟合后的两条曲线方程分别为 ： y = 3E-11x5 + 9E-09x4 - 7E-07x3 - 0.0008x2 + 0.0067x + 14.806 ； y = -3E-11x5 - 9E-09x4 + 7E-07x3 + 0.0008x2 - 0.0067x - 14.806。 2. 根据权利要求 1 所述的一种带有前后对称等宽活动导叶的贯流式水轮机， 其特征在 于所述前置等宽活动导叶 （6） 与后置等宽活动导叶 （8） 的两端宽度相等。 3. 根据权利要求 1 所述的一种带有前后对称等宽活动导叶的贯流式水。
7、轮机， 其特征在 于前置等宽活动导叶 （6） 和后置等宽活动导叶 （8） 分别沿周向均匀对称分布设置， 其数量 各均为 10 片、 12 片或 14 片。 4. 根据权利要求 1、 2 或 3 所述的一种带有前后对称等宽活动导叶的贯流式水轮机， 其特征在于前置等宽活动导叶 （6） 和后置等宽活动导叶 （8） 对水流流量和水流方向进行控 制 ； 当正向发电时， 后置等宽活动导叶 （8） 角度为保持全开状态 ； 当反向发电时， 前置等宽 活动导叶 （6） 角度为保持全开状态， 前置等宽活动导叶 （6） 或后置等宽活动导叶 （8） 从导叶 全开状态 （13） 至导叶全关状态 （14） 的角度为 88。
8、。 5. 根据权利要求 1 所述的一种带有前后对称等宽活动导叶的贯流式水轮机， 其特征在 于竖井 （2） 的横截面呈流线型。 权 利 要 求 书 CN 103742334 A 2 1/4 页 3 一种带有前后对称等宽活动导叶的贯流式水轮机 技术领域 0001 本发明属于流体机械及水电工程设备技术领域， 特别是涉及一种带有前后对称等 宽活动导叶的贯流式水轮机。 0002 背景技术 0003 随着我国水电资源的大规模开发， 属于经济指标好的中、 高水头站点已经越来越 少， 随之开发低水头径流式电站特别是对潮汐能的开发利用已成为研究的热点并进入实用 性阶段。公知的贯流式水轮机因其过流量大、 转速高和。
9、效率高， 且高效区宽、 结构紧凑和布 置简单等优点而成为低水头水能资源开发中的一种最经济和适宜的水轮机型式， 如何利用 这些优点开发出一种能够应用于潮汐电站的、 高效的低水头、 大流量双向竖井贯流式机组 具有重大意义。 0004 目前贯流式水轮机多采用斜向导水机构， 活动导叶分布在锥形面上， 称为锥形导 叶。由于贯流式机组没有蜗壳， 固定导叶通常只起到支撑作用而不改变液流的环量， 转轮 所需的环量均由活动导叶提供， 活动导叶的性能对机组运行效能有直接的影响。公知技 术显示， 现有双向潮汐发电电站大多采用活动导叶为前置导叶的结构。如中国专利申请 201210511304.5公开了一种 “低水头竖。
10、井贯流双向高效水轮机转轮及其机电装置和配套流 道” ， 该装置包括流道和机电部分， 所述流道部分主要包括进水段、 竖井段、 导叶段、 转轮段 和尾水管段 ； 所述机电部分主要包括发电机、 增速器、 活动导叶、 主轴和水轮机。 该装置采用 前置活动导叶的结构， 虽然可通过调节活动导叶和叶片的配合角度， 产生较好的正向发电 的水力性能， 但在反向发电时， 因没有后置活动导叶， 水流在进入转轮前没有形成一定的环 量， 不能与叶片较好地配合， 导致反向发电水力性能较差。 0005 杨春霞发表的论文 “采用单侧 - 双侧活动导叶的潮汐机组双向发电性能研究 （Bidirectional Power Per。
11、formance of a Tidal Unit with Unilateral and Double Guide Vanes） ” ， 研究了采用单侧与双侧活动导叶两种不同形式导叶对贯流式潮汐机组 水力性能的影响， 当采用双侧活动导叶时， 其正向发电效率为 85.81%、 反向发电效率为 80.66%， 正向和反向发电的总效率优于采用单侧活动导叶形式 ； 虽然采用双侧活动导叶可 提高发电效率， 但同时还存在如下不足 ： 当正向或反向发电时， 水流经出水导叶进入出水流 道后将产生漩涡 , 既导致正向发电效率降低， 又影响反向发电效率提高。 0006 如何克服现有技术的不足已成为当今流体机械及水。
12、电工程设备技术领域中亟待 解决的重点难题之一。 0007 发明内容 0008 本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种带有前后对称等宽活动导叶 的贯流式水轮机， 本发明不仅能够提高发电机组的正向发电效率， 而且能够提高发电机组 说 明 书 CN 103742334 A 3 2/4 页 4 的反向发电效率， 使得发电机组发电总效率进一步提高， 适用于各种低水头潮汐电站的贯 流式水轮机。 0009 根据本发明提出的一种带有前后对称等宽活动导叶的贯流式水轮机， 它包括正向 进水流道、 竖井、 支撑架、 双向发电转轮、 反向进水流道、 发电机和增速器， 其中 ： 发电机与 双向发电转轮通过增速器连。
13、接 ； 发电机和增速器置于竖井中 ； 其特征在于还包括前置等宽 活动导叶和后置等宽活动导叶， 该前置等宽活动导叶设置在正向进水流道和双向发电转轮 之间 ； 该后置等宽活动导叶设置在双向发电转轮与反向进水流道之间 ； 所述前置等宽活动 导叶和后置等宽活动导叶的纵向截面均为两端流线尖翼形， 对称地布置在双向发电转轮两 侧， 各导叶两端为球面结构， 各导叶内球面与外球面扭曲角度为 10 15 ； 所述前置等宽 活动导叶和后置等宽活动导叶设置的导叶转动中心线与机组转动中心线之间的夹角 为 80， 各导叶构成的封水面与机组转动中心线呈悬空交叉分布， 各导叶中间截面型线上 20 个点在直角坐标系中的坐标如。
14、下表 1 ： 表 1 序号xy序号xy 6001-145.9906011166.950 6002-1283.156012128-4.22 6003-967.83601396-7.83 6004-6410.8601464-11.5 6005-3213.62601532-14.34 6006015.2560160-15.25 60073214.346017-32-13.62 60086411.56018-64-10.8 6009967.836019-96-7.83 60101284.226020-128-3.15 拟合后的两条曲线方程分别为 ： y = 3E-11x5 + 9E-09x4 - 7E。
15、-07x3 - 0.0008x2 + 0.0067x + 14.806 ； y = -3E-11x5 - 9E-09x4 + 7E-07x3 + 0.0008x2 - 0.0067x - 14.806。 0010 本发明的工作原理是 ： 将发电机设置在贯流式水轮机的上游竖井中， 竖井的断面 呈流线型。当正向发电时， 水流进入正向进水流道， 绕过竖井， 在贯流式水轮机的前置等宽 活动导叶处汇合、 并进入贯流式水轮机的转轮室， 水流冲击转轮桨叶， 通过转轮桨叶转换能 量带动贯流式水轮机输出轴旋转， 此时后置等宽活动导叶为全开状态， 水流通过后置等宽 活动导叶， 经反向进水流道流出 ； 当反向发电时。
16、， 水流由反向进水流道流入， 水流通过后置 等宽活动导叶进入贯流式水轮机的转轮室， 水流冲击转轮桨叶， 通过转轮桨叶转换能量带 动贯流式水轮机输出轴旋转， 此时前置等宽活动导叶为全开状态， 水流通过前置等宽活动 导叶， 绕过竖井， 经正向进水流道流出。 0011 本发明与现有技术相比其显著优点在于 ： 一是本发明既能够保证导叶开启时的导 叶转动灵活、 过流量大和导水性能好， 又能够保证导叶关闭时的导叶两端的啮合面封水性 能佳。二是本发明采用了翼形两端尖的等宽导叶， 导流效果更好， 不会产生漩涡、 脱流等现 象， 从而降低了导叶段的水力损失， 提高了水轮机发电效率 ； 当正向发电时， 通过调节前。
17、置 等宽活动导叶角度， 使水流在进入转轮前形成一定的环量， 保持很好的正向发电的水力性 能， 如在额定水头为 2.5 米时， 本发明可使正向发电效率达到 89% ； 当反向发电时， 通过调节 后置等宽活动导叶， 使水流在进入转轮前形成一定的环量， 大大提高反向发电效率， 如在额 说 明 书 CN 103742334 A 4 3/4 页 5 定水头为 2.5 米时， 本发明可使反向发电效率达到 82%。三是本发明在额定工况时， 本发明 的叶片安放角为 70、 叶片角度调整范围为 -4至 +4， 同时运行过程中的转轮桨叶和导 叶保持协同作用， 从而提高了发电效率， 特别是在水头变幅及流量变化大的情。
18、况下均能够 平稳发电且保持较高的发电效率。四是本发明在水头较低时， 如水头为 2 米时仍然能够正 常发电， 大大突破了现有技术发电条件的极限值。本发明广泛适用于各种低水头潮汐电站 的贯流式水轮机。 0012 附图说明 0013 图 1 是本发明提出的一种带有前后对称等宽活动导叶的贯流式水轮机结构的俯 视图。 0014 图 2 是本发明提出的一种带有前后对称等宽活动导叶的贯流式水轮机结构的正 视图。 0015 图 3 是本发明提出的前后对称等宽活动导叶的布置结构示意图。 0016 图 4 是本发明提出的对称等宽活动导叶中间截面翼型结构示意图。 0017 图 5 是本发明提出的前置等宽活动导叶外形。
19、结构示意图。 0018 图 6 是本发明提出的后置等宽活动导叶外形结构示意图。 0019 图 7 是本发明提出的对称等宽活动导叶开度调节范围示意图。 0020 附图标记说明 ： 正向进水流道 （1） 、 竖井 （2） 、 发电机 （3） 、 增速器 （4） 、 支撑架 （5） 、 前置等宽活动导叶 （6） 、 双向发电转轮 （7） 、 后置等宽活动导叶 （8） 、 反向进水流道 （9） 、 导叶 内球面 （10） 、 导叶外球面 （11） 、 导叶转动中心线 （12） 、 导叶全开状态 （13） 、 导叶全关状态 （14） 、 导叶转动中心线 （12） 和机组转动中心线 （15） 之间的夹角为。
20、 。 0021 具体实施方式 0022 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。 0023 结合图 1、 图 2 和图 4， 本发明提出的一种带有前后对称等宽活动导叶的贯流式 水轮机， 它包括正向进水流道 （1） 、 竖井 （2） 、 支撑架 （5） 、 双向发电转轮 （7） 、 反向进水流道 （9） 、 发电机 （3） 和增速器 （4） ， 所述发电机 （3） 与双向发电转轮 （7） 通过增速器 （4） 连接 ； 发电机 （3） 和增速器 （4） 置于竖井 （2） 中 ； 其中 ： 还包括前置等宽活动导叶 （6） 和后置等宽 活动导叶 （8） ， 该前置等宽活动导叶 （6） 设。
21、置在正向进水流道 （1） 和双向发电转轮 （7） 之 间 ； 该后置等宽活动导叶 （8） 设置在双向发电转轮 （7） 与反向进水流道 （9） 之间 ； 所述前置 等宽活动导叶 （6） 和后置等宽活动导叶 （8） 的纵向截面均为两端流线尖翼形， 对称地布置 在双向发电转轮 （7） 两侧， 各导叶两端均为球面结构， 各导叶内球面与外球面扭曲角度为 10 15 ； 所述前置等宽活动导叶 （6） 和后置等宽活动导叶 （8） 设置的导叶转动中心线 （12） 与机组转动中心线 （15） 之间的夹角 为 80， 各导叶构成的封水面与机组转动中心 线 （15） 呈悬空交叉分布， 各导叶中间截面型线上 20 个。
22、点在直角坐标系中的坐标如上述表 1 所示， 拟合后的两条曲线方程分别为 ： y = 3E-11x5 + 9E-09x4 - 7E-07x3 - 0.0008x2 + 0.0067x + 14.806 ； 说 明 书 CN 103742334 A 5 4/4 页 6 y = -3E-11x5 - 9E-09x4 + 7E-07x3 + 0.0008x2 - 0.0067x - 14.806。 0024 本发明进一步的优选方案是 ： 所述前置等宽活动导叶与后置等宽活动导叶的两端 宽度相等 ； 前置等宽活动导叶 （6） 和后置等宽活动导叶 （8） 分别沿周向均匀对称分布设置， 其数量各为 10 片、。
23、 12 片或 14 片 ； 前置等宽活动导叶 （6） 和后置等宽活动导叶 （8） 对水流流 量和水流方向进行控制 ； 当正向发电时， 后置等宽活动导叶 （8） 角度为保持全开状态 ； 反向 发电时， 前置等宽活动导叶 （6） 角度为保持全开状态， 前置等宽活动导叶 （6） 或后置等宽活 动导叶 （8） 从导叶全开状态 （13） 至导叶全关状态 （14） 的角度为 88 ； 竖井 （2） 的横截面 呈流线型。 0025 结合图 3 和图 4， 本发明所述前置等宽活动导叶 （6） 和后置等宽活动导叶 （8） 的纵 向截面均为两端流线尖翼形， 对称地布置在双向发电转轮 （7） 的两侧 ； 导叶两端为。
24、球面结 构， 内球面 （10） 与导叶轮毂相连， 外球面 （11） 与导叶控制环相连 ； 所述前置等宽活动导叶 （6） 和后置等宽活动导叶 （8） 设置的导叶转动中心线 （12） 与机组转动中心线 （15） 之间的 夹角 为 80， 导叶构成的封水面与机组转动中心线 （15） 呈悬空交叉分布。 0026 结合图 5、 图 6 和图 7， 本发明所述前置等宽活动导叶 （6） 和后置等宽活动导叶 （8） 对水流流量和水流方向进行控制 ； 当正向发电时， 后置等宽活动导叶 （8） 角度为保持全开 状态 ； 当反向发电时， 前置等宽活动导叶 （6） 角度为保持全开状态， 前置等宽活动导叶 （6） 或后。
25、置等宽活动导叶 （8） 从导叶全开状态 （13） 至导叶全关状态 （14） 的角度为 88， 其斜 向导水机构的过流量大， 则能量转换效率高。 0027 本发明的具体实施过程为 ： 将发电机 （3） 设置在水轮机的上游的竖井 （2） 中， 竖井 （2） 的断面呈流线型 ； 当正向发电时， 水流进入正向进水流道 （1） ， 绕过竖井 （2） ， 在贯流式 水轮机的前置等宽活动导叶 （6） 处汇合、 并进入贯流式水轮机的转轮室， 水流冲击双向发电 转轮 （7） 桨叶， 通过双向发电转轮 （7） 桨叶转换能量带动贯流式水轮机输出轴旋转， 此时后 置等宽活动导叶 （8） 为全开状态， 水流通过后置等宽。
26、活动导叶 （8） ， 经反向进水流道 （9） 流 出 ； 当反向发电时， 水流由反向进水流道 （9） 流入， 水流通过后置等宽活动导叶 （8） 进入贯 流式水轮机的转轮室， 水流冲击双向发电转轮 （7） 桨叶， 通过双向发电转轮 （7） 桨叶转换能 量带水轮机输出轴旋转， 此时前置等宽活动导叶 （6） 为全开状态， 水流通过前置活动导叶 （6） ， 绕过竖井 （2） ， 经正向进水流道 （1） 流出。 0028 本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域的公知技术， 可参考公知技术 加以实施。 0029 本发明经反复试验验证， 取得了满意的应用效果。 说 明 书 CN 103742334 A 6 1/3 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103742334 A 7 2/3 页 8 图 4 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103742334 A 8 3/3 页 9 图 7 说 明 书 附 图 CN 103742334 A 9 。