CN101915195A

CN101915195A - 低水头水力发电用冲击式水轮机组

Info

Publication number: CN101915195A
Application number: CN2010102604243A
Authority: CN
Inventors: 韩凤琴; 久保田乔
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2010-12-15

Abstract

本发明公开了一种低水头水力发电用冲击式水轮机，包括转轮室(1)，转轮室(1)下部宽度(3)为上部宽度(2)的1.5倍以上。所述低水头是使用水头为10～100m。所述转轮(5)的最低点距停机时尾水水面(8)的高度为无效水头6Hinv，减小无效水头6Hinv，使得无因次无效水头Hinv/D为0.5，其中D为转轮直径。本发明实现将冲击式水轮机应用在较低水头的电站，可以充分利用其高效率区域宽、变化缓，发挥其结构简单、下游开敞，开挖量少、环境友好的优点，在投资少的情况下也能代替水头在10m～100m的混流式水轮机、轴流水轮机使用，因而扩宽了冲击式水轮机的使用范围。

Description

低水头水力发电用冲击式水轮机组

技术领域

本发明属于水力发电设备机械技术领域，具体涉及到低水头水力发电用冲击式水轮机组，将冲击式水轮机使用水头扩大至低落差范围。

背景技术

冲击式水轮机一般应用于高落差、小流量发电机组使用。传统的冲击式水轮机包括转轮室、喷嘴及喷针和转轮。传统冲击式水轮机工作过程：高水头水流由引水管进入，经由喷嘴射入至转轮水斗内，流体能量由转轮及轴变换成机械能传给发电机转子继而转换成电能，做功后的水流由转轮流出至转轮室下方尾水部，尾水部与大气压下游连通。

高水头使用时，做功后的水流由转轮流出至转轮室下方时，带有动能的水扰动尾水面形成了激烈的波浪，为了避免运行工况时水面的激烈波动碰到转轮的下端，冲击式水轮机转轮最低点距停机时转轮室内水面需要一个Hinv高度，但是此Hinv是无效水头，由此引起的效率下降为η_E＝(H-Hinv)/H，无效水头所占的比例在高水头时是可以忍受的，但在低水头下使用，所占比例会大大增高，实际效率下降明显，这是冲击式水轮机很难推广在低水头下使用的重要原因之一。

冲击式水轮机具有高效率区域宽、变化缓，其结构简单、下游开敞，开挖量少、环境友好的优点，因此冲击式水轮机所需的土木工程规模远比轴流式水轮机、混流式水轮机要小得多，因而成为当代选型热点，近年来市场要求非常旺盛。

发明内容

本发明的目的是提供一种水头在10～100m的发电用冲击式水轮机，它是通过扩大转轮室下部尾水平面面积、降低水轮机的安装高度来实现的。扩大转轮室下部尾水平面面积，是为了减少水轮机运行时尾水表面波浪高度，进而减少对转轮的影响；降低水轮机安装高度目的在于减少水轮机的无效使用水头，进而提高低水头时冲击式水轮机的水力效率。

本发明目的通过以下方案来实现：

低水头水力发电用冲击式水轮机，包括转轮室1，转轮室1的下部宽度3Wlow为上部宽度2W0的1.5倍以上。

所述低水头是使用水头为10～100m。

所述转轮5的最低点距停机时尾水水面8的高度为无效水头6Hinv，减小无效水头6Hinv，使得无因次无效水头Hinv/D为0.5，其中D为转轮直径。适用于不同直径的冲击式水轮机。

转轮5最低点距停机时尾水水面8的高度为无效水头6Hinv。水的能量中含有压能、动能、位能(与位置高度有关)，无效水头6Hinv是指这部分位能的浪费。方案实施要求无因次无效水头Hinv/D为0.5，其中D为水轮机直径，考虑不同转轮直径的使用要求采用无因次无效水头Hinv/D。

转轮室下部宽度的增加减少了尾水池波浪高度、无效水头的减小实际上是增加了这部分位置水头的利用，两者的结合结果会促成水力效率的上升。

但是必须注意无因次无效水头Hinv/D下降至0.5以下是危险的，当无因次无效水头Hinv/D下降至0.5以下时，此时转轮下部除了有对性能影响不大的低密度气泡，转轮下部还会有可能浸入到尾水波浪的高度中，引起振动进而引起性能急剧下降。且需要注意喷嘴喷射流不能接触到水面加重尾水面的波动。

高落差用冲击式水轮机转轮中心下降安装会引起效率的下降，10～100m低落差冲击式水轮机转轮中心下降安装效率反而会上升。

在进行10～100m低水头冲击式水轮机设计时，扩大转轮室下部宽度3增加尾水面积，以减少水轮机运行时的尾水波浪高度；转轮下降安装至离水面最小的距离以减小无效水头6，两者的结合结果会促成水轮机水力效率的上升。

附图说明

图1为冲击式水轮机主视图；

图1中转轮室1，喷嘴4，转轮5，无效水头6，尾水水面8，转轮直径7；

图2为冲击式水轮机转轮室1左视图；

图2中转轮室1上部宽度2亦即W0、下部宽度3亦即Wlow。

具体实施方式

本发明用于低水头水力发电用冲击式水轮机，水头在10～100m。

如图1所示，低水头水力发电用冲击式水轮机，包括转轮室1，其中转轮5的最低点距停机时尾水水面8的高度为无效水头6Hinv，降低冲击式水轮机的安装高程，减小无效水头6Hinv，使得无因次无效水头Hinv/D为0.5，其中D为转轮直径7。图2为冲击式水轮机转轮室1左视图，现有的冲击式水轮机转轮室1左视图为长方形，本发明将转轮室1下部宽度3Wlow增加至上部宽度2Wo的1.5倍以上，有压水流由喷嘴4射至转轮5做功，做功后由转轮出流至尾水水面8，流出至下游。

本发明用于低水头冲击式水轮机组实施过程：水轮机的转轮室的下部宽度3为上部宽度2的1.5倍以上、无因次无效水头Hinv/D由原来的1.5下降至0.5。此时的无效水头Hinv水波浪高度含有的为大量密度较低的气泡，由于气泡密度低即便浸涉到转轮也不会对转轮性能产生影响；无效水头Hinv/D下降至0.5以下是危险的，转轮下部会有可能浸入到尾水波浪的高度中，引起振动进而引起效率急剧下降。

由无效水头Hinv引起的效率下降为η_E＝(H-Hinv)/H，H为使用水头。由上式可以看出H为高水头时即使改变无效水头Hinv效率变化也不会太大，如果使用水头H为100m以下时，水头越低改变无效水头Hinv时效率变化越大。

降低无效使用水头Hinv实施例的水力效率上升计算为以下结果：

使用水头H＝50m，转轮直径D＝5m，原设计无次元无效水头Hinv/D为1.5，得到的无效水头Hinv_，old＝7.5m，水轮机水力效率η_E＝(H-Hinv _old)/H＝85％；现使用无因次无效水头Hinv/D由原来的1.5下降至0.5，无效水头Hinv＝2.5m，得到的水轮机水力效率η_E＝(H-Hinv)/H＝95％；经比较水力效率上升η_E up＝10％。

Claims

1.低水头水力发电用冲击式水轮机，包括转轮室(1)，其特征在于，转轮室(1)下部宽度(3)Wlow为上部宽度(2)W0的1.5倍以上。

2.根据权利要求1所述的低水头水力发电用冲击式水轮机，其特征在于，所述低水头是使用水头为10～100m。

3.根据权利要求1所述的低水头水力发电用冲击式水轮机，其特征在于，所述转轮(5)的最低点距停机时尾水水面(8)的高度为无效水头6Hinv，减小无效水头6Hinv，使得无因次无效水头Hinv/D为0.5，其中D为转轮直径。