适用于低水头或超低水头的虹吸式直驱型贯流式水轮机

摘要

本发明公开了一种适用于低水头或超低水头的虹吸式直驱型贯流式水轮机，包括虹吸管，虹吸管内安装有直驱型发电机组，直驱型发电机组的定子固定安装在虹吸管的内壁上，直驱型发电机组的转轮通过轴承与定子连接。本发明的适用于低水头或超低水头的虹吸式直驱型贯流式水轮机，解决了现有技术中存在的虹吸式水轮机主轴穿过虹吸管，造成的动静部件间密封不严的问题。

说明书

技术领域

本发明属于水轮机技术领域，涉及一种适用于低水头或超低水头的虹吸式直驱型贯流式水轮机。

背景技术

我国的沿海地区有着丰富水力资源，然而随着高水头水力资源的逐步开发和沿海地区用电量需求的增长，导致低水头水力资源的开发需求不断上升。与高水头电站相比，低水头电站在出力相同的情况下，机组的尺寸、土建工程的工作量以及单位投资造价都会有所增加。传统的低水头电站大多采用贯流式水轮机组在低水头或超低水头下运行时，存在运行效率低、机组空蚀严重以及运行周期短等诸多问题。虹吸式水轮机具有安装维修方便、运行稳定等优点，非常适用于开发低水头或超低水头的水力资源，但是现有技术中虹吸式水轮机主轴需要穿过虹吸管，造成的动静部件间密封不严。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于低水头或超低水头的虹吸式直驱型贯流式水轮机，解决了现有技术中存在的虹吸式水轮机主轴穿过虹吸管，造成的动静部件间密封不严的问题。

本发明所采用的技术方案是，适用于低水头或超低水头的虹吸式直驱型贯流式水轮机，包括虹吸管，虹吸管内安装有直驱型发电机组，直驱型发电机组的定子固定安装在虹吸管的内壁上，直驱型发电机组的转轮通过轴承与定子连接。

本发明的特征还在于，

虹吸管包括依次连接成一体的进水段、上升段、驼峰段、水平段和下降段，直驱型发电机组安装在水平段。

直驱型发电机组前后两端还设置有入流导流管和出流扩散管，入流导流管和出流扩散管位于虹吸管内部。

入流导流管包括依次连接的入流导流段和入流直管段，入流直管段连接直驱型发电机组的入口。

出流扩散管包括依次连接的出流直管段和出流扩散段，出流直管段连接直驱型发电机组的出口。

进水段的入口处为钟罩型，钟罩型的长度为0.425D，进水段入口处的直径为2D，虹吸管其他直管段的直径为D，水平段的长度不小于1.2D。

出流直管段和入流直管段的直径均与转轮的内径相同，长度均为0.15D，入流导流管和出流扩散管中心线的长度分别为0.5D和0.4D。

转轮的内径为0.83D，外径为0.9D，定子的内、外径分别为0.93D和D。

虹吸管、入流导流管和出流扩散管管壁的最小厚度δ应当满足δ≥D/130。

转轮叶片安装角度α满足：5°≤α≤20°，叶尖与转轮中心的距离小于0.03D，叶尖处翼型弦长大于0.05D，叶片根部翼型弦长大于0.3D。

驼峰段上还设置有单向阀和真空破坏阀，单向阀连接有真空泵。

本发明的有益效果是：本发明在虹吸管水平段内设置有直驱型发电机组，机组由定子和转轮组成，定子固定安装在水平段内壁，转轮与定子通过轴承进行连接，转轮中心不需要设置转轴，避免了转轴伸出虹吸管造成的动静部件之间存在的密封问题；虹吸管除入口段为钟罩型外，其余各段均为圆形直管，且上升段与水平段、水平段与下降段采用折曲弯管进行连接，折曲弯管的弯曲角度均小于20°，这样设计的好处在于确保虹吸管的沿程阻力较小；相比圆弧型弯管，直管加工更加简单方便，成本造价也更具优势。在直驱发电机组前后设置了入流导流装置和出流扩散装置，提高了水流经过转轮的速度和稳定性。

附图说明

图1是本发明适用于低水头或超低水头的虹吸式直驱型贯流式水轮机的结构示意图；

图2是本发明适用于低水头或超低水头的虹吸式直驱型贯流式水轮机中直驱型发电机组的结构示意图；

图3是本发明适用于低水头或超低水头的虹吸式直驱型贯流式水轮机中直驱型发电机组转轮的三维结构示意图；

图4是本发明适用于低水头或超低水头的虹吸式直驱型贯流式水轮机中直驱型发电机组励磁方式示意图；

图5是本发明适用于低水头或超低水头的虹吸式直驱型贯流式水轮机中入流导流、出流扩散管的结构示意图。

图中，1.虹吸管，1-1.进水段，1-2.上升段，1-3.驼峰段，1-4.水平段，1-5.下降段，2.真空破坏阀，3.单向阀，4.入流导流管，4-1.入流导流段，4-2.入流直管段，5.直驱型发电机组，6.出流扩散管，6-1.出流直管段，6-2.出流扩散段，7.定子，8.转轮，9.永磁体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明适用于低水头或超低水头的虹吸式直驱型贯流式水轮机，其结构如图1所示，包括虹吸管1，虹吸管1内安装有直驱型发电机组5，直驱型发电机组5的定子7固定安装在虹吸管1的内壁上，如图2-4所示，直驱型发电机组5的转轮8通过轴承与定子7连接。

虹吸管1包括依次连接成一体的进水段1-1、上升段1-2、驼峰段1-3、水平段1-4和下降段1-5，直驱型发电机组5安装在水平段1-4。

直驱型发电机组5前后两端还设置有入流导流管4和出流扩散管6，入流导流管4和出流扩散管6位于虹吸管1内部。

如图5所示，入流导流管4包括依次连接的入流导流段4-1和入流直管段4-2，入流直管段4-2连接直驱型发电机组5的入口。

出流扩散管6包括依次连接的出流直管段6-1和出流扩散段6-2，出流直管段6-1连接直驱型发电机组5的出口。

进水段1-1的入口处为钟罩型，钟罩型的长度为0.425D，以保证入口的淹没深度应当大于1.5D，进水段1-1入口处的直径为2D，虹吸管1其他直管段的直径为D，水平段1-4的长度不小于1.2D，这是为了保证经过驼峰段的水流得到充分发展，以及给发电机组安装留出足够的空间。

出流直管段6-1和入流直管段4-2的直径均与转轮8的内径相同，长度均为0.15D，入流导流管4和出流扩散管6中心线的长度分别为0.5D和0.4D。

转轮8的内径为0.83D，外径为0.9D，定子7的内、外径分别为0.93D和D，定子7与虹吸管水平段1-4的连接为过盈配合，定子7与转轮8之间则通过轴承连接。

虹吸管1、入流导流管4和出流扩散管6管壁的最小厚度δ应当满足δ≥D/130。

转轮8叶片安装角度α满足：5°≤α≤20°，叶尖与转轮中心的距离小于0.03D，叶尖处翼型弦长大于0.05D，叶片根部翼型弦长大于0.3D。

驼峰段1-3上还设置有单向阀3和真空破坏阀2，单向阀3连接有真空泵。

本发明为了便于直驱发电机组5的密封与绝缘，机组5的整体结构布置为旋转磁场式，即将转轮8布置在定子7的内部，转轮8与定子7为内转子结构布置，永磁体9以内置式布置在转轮8的轮缘处，采用直驱型发电机组，转轮中心不需要设置转轴，解决了转轮主轴伸出虹吸管处密封困难的问题；将直驱发电机组完全布置在虹吸管中，使得虹吸管的整体密封更加方便可行。直驱发电机组采用内转子的布置结构，励磁方式采用永磁体励磁，转轮与发电机组直接相连没有额外的机械传动，形成了紧凑的机组结构，便于本发明整体结构实现紧凑布置。

与常规贯流式水轮机将机组布置在坝内不同，本发明采用虹吸管的水平段1-4安装在坝的上方，进水段1-1的入口在上游水面，下降段1-5的出口位于下游水面下，从坝的上方进行引水的优点在于，减少了土方开挖作业及不必要的厂房建设，本发明涉及的虹吸管和直驱型发电机组的安装、检修与维护更加方便，降低了开发低水头或超低水头水力资源的单位投资造价与运营成本。

本发明在虹吸管驼峰段的最高处设置有真空破坏阀和单向阀，真空破坏阀的作用是防止管内压力过低时虹吸管受到大气压挤压而遭到破坏，机组需要停机时打开真空破坏阀，让空气流入虹吸管从而破坏真空使机组停机；单向阀用于机组启动时连接真空泵来排出虹吸管内的空气。

本发明虹吸管上升段与水平段、水平段与下降段采用折曲弯管进行连接，折曲弯管的转弯角度θ均小于20°，这样可以保证虹吸管阻力系数较小。

本发明直驱型发电机组前后设置的入流导流装置和出流扩散装置通过文丘里效应对虹吸管水平段内转轮处的水流进行加速，且入流导流装置和出流扩散装置均为折曲弯管。

本发明适用于低水头或超低水头的虹吸式直驱型贯流式水轮机的工作原理为：

直驱发电机组5未启动时，上下游水面形成一定的高度差，钟罩型进水段1-1的进口和下降段1-5的出口均淹没在水面下。直驱发电机组5需要启动时，单向阀3连接真空泵来排出虹吸管1内的空气，随着虹吸管1内空气的逐渐排出，管内水位逐渐上升，直至虹吸管驼峰段1-3的空气被完全排出，驼峰段1-3形成负压，转轮被完全淹没后虹吸效应与重力使管内的水开始流动，推动直驱发电机组5开始发电。当直驱发电机组5需要停机时，打开真空破坏阀2，空气进入管内破坏驼峰段3的负压，水流停止流动，直驱发电机组5自动停机，真空破坏阀2的作用还在于，当上下游水面的高度差过大时，防止虹吸管驼峰段3形成的负压在大气压的作用下破坏虹吸管1。

本发明适用于低水头或超低水头的虹吸式直驱型贯流式水轮机，在虹吸管水平段设置直驱型发电机组，转轮与定子通过轴承进行连接，转轮中心不需要设置转轴，避免了传统虹吸式发电机组主轴穿出虹吸管造成的动静部件之间的密封问题。虹吸管进口段为钟罩型，且入口的淹没深度应当大于1.5D，以尽可能平稳来流以及减少入口处的表面漩涡和淹没涡，虹吸管的其余各段均采用圆形直管，而连接上升段、下降段与水平段的折曲弯管的弯曲角度均小于20°，这样可以保证弯管的局部阻力系数较小，从而使流入转轮的水流具有较大的流速和稳定的流态。

本发明具有无土建，成本低，安装、维护与检修方便的优势。