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CN107654330A - 一种不截断河道的水力发电动力装置 - Google Patents

一种不截断河道的水力发电动力装置 Download PDF

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CN107654330A CN201710676956.7A CN201710676956A CN107654330A CN 107654330 A CN107654330 A CN 107654330A CN 201710676956 A CN201710676956 A CN 201710676956A CN 107654330 A CN107654330 A CN 107654330A
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邓军
卫望汝
田忠
张法星
许唯临
刘善均
王韦
张建民
曲景学
周茂林
余挺
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Abstract

本发明提供一种不截断河道的水力发电动力装置，包括至少一个横跨河道通过支承装置安装在河道两岸的传力轴和安装在传力轴上的若干叶片，所述传力轴于河道内位于使安装于其上的叶片位于河道水流内的位置，至少一端与安装在河岸上的发电机组中的传动装置连接；所述叶片的叶型，在水深方向等寛，左右两侧叶面为沿水流方向的流线型曲面，且在水流流经叶片时于一侧叶面上的流速大于另一侧叶面上的流速，使叶片两侧叶面上的压力形成压力差，通过所述传力轴为发电组提供所需机械动力。本发明可实现在不对天然河道截断的前提下完成水力发电，从而避免因截断河流、形成水库对生态环境、动植物、天然输沙等造成的不利影响。

Description

一种不截断河道的水力发电动力装置
技术领域
本发明属于水利水电工程中水力发电技术领域，具体涉及一种不截断河道的水力发电动力装置。
背景技术
水力发电是利用河流等位于高处具有势能的水流至低处，将势能转换成水轮机的动能，再借水轮机为原动力推动发电机产生电能。由于水流按照一定的水文周期不断循环，作为能源具有可再生性，水力发电只是利用水流所携带的能量，无需再消耗其他动力资源，而且上一级电站使用过的水流仍可为下一级电站利用，发电的成本较低，可以提供廉价清洁的能源。但水力发电需要修建拦河大坝集中水流落差，一方面投资巨大，建设周期长，另一方面需要将天然的河道人为截断，对生态环境有一定的影响，库区可能会淹没良田、森林和古迹等文化设施，能影响鱼类的生活和繁衍，甚至会造成移民搬迁。水库建成后，在库区会出现泥沙淤积，在下游造成冲刷等。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种不截断河道的水力发电动力装置，实现在不对天然河道截断的前提下完成水力发电，从而避免因截断河流、形成水库对生态环境、动植物、天然输沙等造成的不利影响，同时节省水电建设工程量和投资成本。
针对以上发明目的，本发明提供一种不截断河道的水力发电动力装置，包括至少一个横跨河道通过支承装置安装在河道两岸的传力轴和安装在传力轴上的若干叶片，所述传力轴于河道内位于使安装于其上的叶片位于河道水流内的位置，至少一端与安装在河岸上的发电机组中的传动装置连接；所述叶片的叶型，在水深方向等寛，左右两侧叶面为沿水流方向的流线型曲面，且在水流流经叶片时于一侧叶面上的流速大于另一侧叶面上的流速，使叶片两侧叶面上的压力形成压力差，通过所述传力轴为发电组提供所需机械动力。
在本发明的上述技术方案中，为使水流流经叶片时于一侧叶面上的流速大于另一侧叶面上的流速，从而使叶片两侧叶面上的压力形成压力差，最终使叶片受到来自水流的向叶片一侧的推力，可通过以下两种方案实现：
一是将叶片左右两侧叶面设计为对称结构形状的叶面，叶片通过安装在传力轴上的安装孔使叶片左右两侧叶面的对称面方向与水流方向呈一定夹角，形成在水流流经叶片时于一侧叶面上的流速大于另一侧叶面上的流速。二是将叶片左右两侧叶面设计为非对称结构形状的叶面，使一侧流线型叶面的流线长于另一侧，从而实现形成压力差。此时，叶片的安装孔设计可以仅满足将叶片安装在传力轴上即可。
本发明优先选择设计为第一种对称结构形状的叶面。
对于本发明所述将将叶片左右两侧叶面设计为对称结构形状的叶面的方案，进一步优化设计为，叶片通过安装在传力轴上的安装孔使叶片对称面的方向与水流方向呈10°～30°夹角。
当叶片左右两侧叶面设计为对称结构形状的叶面时，单个叶片具体体型设计需根据河流具体水文流量条件进行设计，原则为使单个叶片满足对应水流条件下的流线体型设计，优先设计为：所述叶片的横截面轮廓为由多段圆弧光滑衔接围成的头部大尾部小的梭形，其迎水的头部圆弧半径为r1，尾部圆弧半径为r2，两侧与头部圆弧两端衔接的为两段对称的半径为R1的圆弧，两侧与尾部圆弧两端衔接的为两段对称的半径为R2的圆弧，且每侧的两段圆弧光滑衔接。所述半径为R1的圆弧与半径为R2的圆弧衔接处为梭形叶片的宽度最大处，进一步优化设计为，两段圆弧的衔接关系满足以此衔接处最大宽度为直径作中心圆正好与两侧圆弧相切，该处宽度记为中心圆直径D。叶片的设计参数包括叶片总长L，垂向高度H，r1、r2、R1、R2以及中心圆直径D，中心圆圆心距离前端位置L1，距离后端位置L2。具体设计参数的确定应根据实际河道中的水力条件设计，以达到两侧压力条件最有利于实现对活动轴承的推动力的目的。
在本发明的上述技术方案中，同一传力轴上相邻叶片的安装间距最好不小于2倍中心圆直径D。
在本发明的上述技术方案中，叶片安装孔的轴线与叶片中心圆圆心轴线垂直相交，且两轴线的交点最好位于叶片上下为1/2～2/3位置处。
在本发明的上述技术方案中，传力轴沿水深可根据水深和地形条件布置多个，一般布置2～4个。
在本发明的上述技术方案中，沿水深布置的相邻两传力轴之间的垂向距离最好不小于单个叶片的高度H，且最底层叶片最低点距离河道底部的垂向距离最好不小于单个叶片高度H。
在本发明的上述技术方案中，当叶片设计为非对称叶面叶片结构形式时，按照流线较短一侧的形状模拟设计与其对称的一侧从而得到中心圆位置，以用作叶片的安转间距、安装孔的设计位置以及高度的参考，参考方法与对称叶面叶片结构形式相同。
在本发明的上述技术方案中，动力的产生原理如下：
水流流经单个叶片时，由于叶片迎水头部的阻碍导致水流流经的河道横截面变小，叶片的两个流线型侧面的水流流速增加。当叶片左右两侧叶面设计为对称结构形状的叶面时，水流流经单个叶片时，但由于叶片中心线与水流方向存在一定的夹角，根据伯努利定律可知一侧水流的流速整体上要高于另一侧水流，水流作用在叶片上高流速一侧表面的静压小于作用在低流速一侧表面上的静压；当叶片左右两侧叶面设计为非对称结构形状的叶面时，由于叶片不对称，页面两侧的流速不一样，水流作用在叶片表面上高流速一侧表面的静压小于作用在低流速一侧表面上的静压。由于叶片两侧表面压差的存在，使叶片获得向一侧运动的推力，在一定宽度的河道内，根据河道水流条件可以布置多个叶片，这些叶片在相同原理下形成一个系统合力，这个合力带动传力轴在垂直于水流方向运动，通过传立轴运动将机械动力提供给发电机组。传立轴的两端分别设计发电机组，其中一个以受到的传力轴的推力为动力源，另一个发电机组以受到的传力轴的拉力为动力源。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明所述水力发电动力装置不同于传统水力发电中的水轮机，无需通过拦河筑坝抬高水位利用水流落差带动水轮机转动发电，实现了在不截断河流的条件下为发电机组提供动力源，保证了天然河道的连续性，不会对泥沙的输移、局部地区的自然生态环境造成明显的影响，同时也避免了修建大坝，节省水电建设工程量和投资成本。
2、本发明所述水力发电动力装置布置灵活，一方面在沿水深方向可以根据河道水深条件设置合适的层数，调节叶片的高度，另一方面可沿河流方向在不同的位置设置多排。对设置的地形条件没有特殊要求，可实现电能就近输送，避免远距离输送的损耗。
3、本发明所述水力发电动力装置的结构简单，仅仅依靠流经叶片两侧的压力差作为发电动力来源，在实际运行过程中维护成本较低。
附图说明
图1为本发明所述设置单个传力轴的不截断河道的水力发电动力装置在河道上布置的俯视图；
图2为本发明所述设置单个传力轴的不截断河道的水力发电动力装置在河道上的俯视图(河道横截面方向)；
图3为本发明所述设置两个传力轴的不截断河道的水力发电动力装置在河道上的俯视图(河道横截面方向)；
图4为本发明所述不截断河道的水力发电动力装置的叶片结构和其在传力轴上的安装示意图；
图5为本发明所述不截断河道的水力发电动力装置的叶片平行于顶面方向的截面图；
图6为本发明所述不截断河道的水力发电动力装置的叶片在水流中的位置示意图；
图7为本发明所述不截断河道的水力发电动力装置的叶片的受力分析图。
图中，1-传力轴，2-叶片，3-河岸，4-发电机组。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明所述不截断河道的水力发电动力装置做进一步说明。
实施例1
本实施例所述不截断河道的水力发电动力装置结构如图1-2，图4-5所示，包括一个横跨河道通过支承装置安装在河道两岸4的传力轴1和安装在传力轴上的若干叶片2，所述传力轴以与水流方向垂直的方式横垮河岸3安装，且两端分别与河道两岸坡上的发电机组4中的传动装置连接；所述叶片的叶型，在水深方向等寛，左右两侧叶面为沿水流方向的流线型曲面，叶片左右两侧叶面为对称结构形状的叶面，叶片通过安装在传力轴上的安装孔使叶片左右两侧叶面的对称面方向与水流方向呈30°夹角，形成在水流流经叶片时于一侧叶面上的流速大于另一侧叶面上的流速，使叶片两侧叶面上的压力形成压力差，通过所述传力轴为发电组提供所需机械动力。
叶片的具体设计为：叶片平行于顶面的截面形状为由多段圆弧光滑衔接围成的头部大尾部小的梭形，其迎水的头部圆弧半径为r1，尾部圆弧半径为r2，两侧与头部圆弧两端衔接的为两段对称的半径为R1的圆弧，两侧与尾部圆弧两端衔接的为为两段对称的半径为R2的圆弧，且每侧的两段圆弧光滑衔接。所述半径为R1的圆弧与半径为R2的圆弧衔接处为梭形的宽度最大处，两段圆弧的衔接关系满足以此衔接处最大宽度为直径作圆正好与两侧圆弧相切，该处宽度记为中心圆直径D。传力轴上相邻叶片的安装间距不小于2倍中心圆直径。叶片以过中心圆圆心的轴线与在传力轴的轴线垂直且相交的方式固定安装在传力轴上，且两轴线的交点位于叶片高度的2/3高度处。沿水深布置的相邻两传力轴之间的垂向距离不小于单个叶片的高度H，且最底层叶片最低点距离河道底部的垂向距离不小于单个叶片高度H。
本实施例中，叶片周围水流流态见图6，叶片的受力示意图见图7。当水流流经单个叶片时，由于叶片迎水头部的阻碍导致水流流经的河道横截面变小，叶片的两个流线型侧面的水流流速增加。但由于叶片中心线与水流方向存在一定的夹角，根据伯努利定律可知一侧水流的流速整体上要高于另一侧水流，水流作用在叶片上高流速一侧表面的静压小于作用在低流速一侧表面上的静压，由于叶片两侧表面压差的存在，使叶片获得向一侧运动的推力，在一定宽度的河道内，根据河道水流条件可以布置多个叶片，这些叶片在相同原理下形成一个系统合力，这个合力带动传力轴在垂直于水流方向运动，通过传立轴运动将机械动力提供给发电机组。传立轴的两端分别设计发电机组，其中一个以受到的传力轴的推力为动力源，另一个发电机组以受到的传力轴的拉力为动力源。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处为：叶片左右两侧叶面设计为非对称结构形状的叶面，使水流方向左侧流线型叶面的流线长于水流方向右侧，使得水流流经叶片时于左侧叶面上的流速大于右侧叶面上的流速，水流作用在叶片表面上高流速一侧表面的静压小于作用在低流速一侧表面上的静压，压力差形成向一个方向的推力，通过所述传力轴为发电组提供所需机械动力。此时可按照流线较短一侧的形状模拟设计与其对称的一侧从而得到中心圆，以用作叶片的安转间距、安装孔的设计位置以及高度的参考。

Claims (10)

1.一种不截断河道的水力发电动力装置，其特征在于，包括至少一个横跨河道通过支承装置安装在河道两岸(3)的传力轴(1)和安装在传力轴上的若干叶片(2)，所述传力轴于河道内位于使安装于其上的叶片位于河道水流内的位置，至少一端与安装在河岸上的发电机组(4)中的传动装置连接；所述叶片的叶型，在水深方向等寛，左右两侧叶面为沿水流方向的流线型曲面，且在水流流经叶片时于一侧叶面上的流速大于另一侧叶面上的流速，使叶片两侧叶面上的压力形成压力差，通过所述传力轴为发电组提供所需机械动力。
2.根据权利要求1所述的不截断河道的水力发电动力装置，其特征在于，叶片左右两侧叶面为对称结构形状的叶面，叶片通过安装在传力轴上的安装孔使叶片左右两侧叶面的对称面方向与水流方向呈一定夹角，形成在水流流经叶片时于一侧叶面上的流速大于另一侧叶面上的流速。
3.根据权利要求2所述的不截断河道的水力发电动力装置，其特征在于，叶片通过安装在传力轴上的安装孔使叶片对称面的方向与水流方向呈10°～30°夹角。
4.根据权利要求3所述不截断河道的水力发电动力装置，其特征在于，所述叶片的横截面轮廓为由多段圆弧光滑衔接围成的头部大尾部小的梭形，其迎水的头部圆弧半径为r1，尾部圆弧半径为r2，两侧与头部圆弧两端衔接的为两段对称的半径为R1的圆弧，两侧与尾部圆弧两端衔接的为两段对称的半径为R2的圆弧，且每侧的两段圆弧光滑衔接。
5.根据权利要求4所述不截断河道的水力发电动力装置，其特征在于所述半径为R1的圆弧与半径为R2的圆弧衔接处为梭形叶片的宽度最大处，两段圆弧的衔接关系满足以此衔接处最大宽度为直径D作中心圆正好与两侧圆弧相切。
6.根据权利要求5所述不截断河道的水力发电动力装置，其特征在于，同一传力轴上相邻叶片的安装间距不小于2倍中心圆直径D。
7.根据权利要求6所述不截断河道的水力发电动力装置，其特征在于，叶片安装孔的轴线与叶片中心圆圆心轴线垂直相交，且两轴线的交点位于叶片上下为1/2～2/3位置处。
8.根据权利要求1～7中任一权利要求所述不截断河道的水力发电动力装置，其特征在于，传力轴沿水深方向等间距布置2～4个。
9.根据权利要求1～7中任一权利要求所述不截断河道的水力发电动力装置，其特征在，于沿水深布置的相邻两传力轴之间的垂向距离不小于单个叶片的高度H，且最底层叶片最低点距离河道底部的垂向距离不小于单个叶片高度H。
10.根据权利要求8所述不截断河道的水力发电动力装置，其特征在于，于沿水深布置的相邻两传力轴之间的垂向距离不小于单个叶片的高度H，且最底层叶片最低点距离河道底部的垂向距离不小于单个叶片高度H。
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