專利名稱：改良的水力渦輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及水力渦輪機(jī)，其在驅(qū)動尤其是用于發(fā)電的機(jī)械組件及類似組件， 具有達(dá)致更高效率及更好的能量轉(zhuǎn)化性質(zhì)的改良的水流入及流出功能。本發(fā)明集中于控制液體以軸向方向流入渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，并沿徑向軸線流出。
背景技術(shù)：
水力渦輪機(jī)有多種配置、形狀及尺碼，種類由相對簡單的，至水力發(fā)電廠里使用計算機(jī)控制配合多個渦輪最復(fù)雜的。常見的水力渦輪機(jī)類別是法蘭西斯式水輪機(jī)、卡普蘭水輪機(jī)、佩爾頓水輪機(jī)、班基式水輪機(jī)及斜流式水輪機(jī)。該等水力渦輪機(jī)把來自液體的能量轉(zhuǎn)化機(jī)械能量，再轉(zhuǎn)化至電能?，F(xiàn)有水力渦輪機(jī)的配置存有差異，尤其是關(guān)于水的流入及流出方向、轉(zhuǎn)輪的使用、離心力對水流的影響及對水流的阻礙。在一些水力渦輪機(jī)配置中，尤其是佩爾頓水輪機(jī)、班基式水輪機(jī)及斜流式水輪機(jī)類別，轉(zhuǎn)輪的使用一般為低，只有若干部分的轉(zhuǎn)輪在任何時刻被使用以轉(zhuǎn)化能量。由于該等渦輪機(jī)的特定能量轉(zhuǎn)化(kw/kg)較低，該等渦輪機(jī)對低水頭位置通常昂貴，即需要使用大量的材料，才能得到同等輸出量。由于離開該等水輪機(jī)的水流的扭力性質(zhì)所致，因空穴而出現(xiàn)的能量流失常見于法蘭西斯式水輪機(jī)及卡普蘭水輪機(jī)。該等空穴難以處理，致使該等水輪機(jī)不適用于扭力效果更嚴(yán)重的高水頭應(yīng)用。長遠(yuǎn)而言，空穴亦對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪造成損害。而且，在其它水輪機(jī)設(shè)計，水頭致使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的水中的離心力與自然水水力對抗。因此，可供能量轉(zhuǎn)化的凈力受限制于離心力。其對法蘭西斯式水輪機(jī)及卡普蘭水輪機(jī)亦然。減少轉(zhuǎn)輪的特定能量轉(zhuǎn)化系數(shù)(kw/kg)，致使該等水輪機(jī)不適用于低水頭應(yīng)用。此外，在一些現(xiàn)有設(shè)計如卡普蘭水輪機(jī)及班基式水輪機(jī)，水輪軸按設(shè)計沿著水道設(shè)置，對水流造成阻礙。這致使效率及能源輸出量減低。因此，對低、中、高水頭應(yīng)用的更高特定能量轉(zhuǎn)化系數(shù)(kW/kg)、轉(zhuǎn)輪更高效的能量轉(zhuǎn)化過程及更多面的設(shè)計為一般優(yōu)選。因此，本發(fā)明的目的是提供水力渦輪機(jī)組件的另類配置，其給出高生產(chǎn)力、使用更為多面，容許所有在低、中、高水壓水頭應(yīng)用的運(yùn)作，并使運(yùn)作高效。本發(fā)明的另一目的是提供改良的水力渦輪機(jī)組件，其生產(chǎn)最少量的及/或不會生產(chǎn)漩渦及空穴，因而造成低量的維修需要。本發(fā)明的改良的水力渦輪機(jī)名為DAENG水力渦輪機(jī)，乃參照Dual Axis Engineering，即本申請的申請人。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一水力渦輪機(jī)組件，其通過轉(zhuǎn)輪使用的最大化具有更高能量轉(zhuǎn)化的性質(zhì)。本發(fā)明的另一目的是提供一水力渦輪機(jī)組件，其中水向著離心力的相同方向流出，其在由轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)輪所產(chǎn)生的徑向方向上起作用，引致更高的能量轉(zhuǎn)化。
此外，本發(fā)明的另一目的是提供一水力渦輪機(jī)組件，其不會在渦輪機(jī)出口對水產(chǎn)生扭力作用，造成最少量的且甚至不會產(chǎn)生空穴。本發(fā)明的該等及其它目的通過提供以下物件實現(xiàn)一水力渦輪機(jī)(1)，其最少包括一進(jìn)水接頭O)、一內(nèi)側(cè)外殼C3)及一外側(cè)外殼 ⑷；及一設(shè)置成內(nèi)向著所述進(jìn)水接頭( 末端并設(shè)置于外側(cè)外殼(4)及內(nèi)側(cè)外殼(3)之間的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(6)，所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(6)機(jī)械連接至一水輪軸(7)，其設(shè)有通過水輪軸(7) 轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生機(jī)械能量的裝置；其特征在于所述進(jìn)水接頭( 及渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(6)被設(shè)置成使水沿著與水輪軸(7)相同的軸線但從對面末端進(jìn)入所述渦輪機(jī)，通過一彎曲錐形組件(11)的使用改變其方向至徑向方向， 進(jìn)入轉(zhuǎn)輪葉旋槳(8)之間的空穴及向徑向方向離開轉(zhuǎn)輪(6)，而不會被水輪軸(7)阻礙。優(yōu)選地，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(6)具有多個葉旋槳，葉旋槳表面設(shè)置成使進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水穿過葉旋槳之間的空隙，被引導(dǎo)至向著與轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)輪的離心力的相同方向流出轉(zhuǎn)輪。然而，亦應(yīng)為優(yōu)選的是，一控制圓環(huán)(9)與渦輪機(jī)組件結(jié)合，以控制渦輪機(jī)的能量輸出量。而且，亦應(yīng)為優(yōu)選的是，轉(zhuǎn)輪于渦輪機(jī)運(yùn)作期間的所有時間被設(shè)置為濕潤狀態(tài)。亦應(yīng)為優(yōu)選的是，水力渦輪機(jī)可以于由低至高水頭運(yùn)作的廣泛范圍運(yùn)作。


本發(fā)明實施例現(xiàn)將參照

(僅為舉例說明)，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例配置的水力渦輪機(jī)組件的立體圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例配置的水力渦輪機(jī)組件的局部橫剖視立體圖。圖3是本發(fā)明具有單一圓盤的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及水輪軸設(shè)置的立體圖。圖4是渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及水輪軸設(shè)置的另一立體圖，轉(zhuǎn)輪具有多個圓盤。圖5是水力渦輪機(jī)軸的局部橫剖視立體圖，其顯示了本發(fā)明使用的水流方向及控制圓環(huán)的應(yīng)用設(shè)定至100%的位置，以管理本發(fā)明的能量輸出量。圖6是水力渦輪機(jī)軸的局部橫剖視立體圖，其顯示了本發(fā)明使用的水流方向及控制圓環(huán)的應(yīng)用設(shè)定至67%的位置，以管理本發(fā)明的能量輸出量。圖7是水力渦輪機(jī)軸的局部橫剖視立體圖，其顯示了本發(fā)明使用的水流方向及控制圓環(huán)的應(yīng)用設(shè)定至33%的位置，以管理本發(fā)明的能量輸出量。圖8是水力渦輪機(jī)軸的局部橫剖視立體圖，其顯示了本發(fā)明使用的水流方向及控制圓環(huán)的應(yīng)用設(shè)定至0%的位置，以管理本發(fā)明的能量輸出量。圖9是設(shè)定于開放羽流形態(tài)(open plume configuration)的本發(fā)明的另一水力渦輪機(jī)組件。
具體實施例方式參照附圖，先從圖1可見本發(fā)明的一個改良的水力渦輪機(jī)組件的立體圖。水力渦輪機(jī)(1)包括一進(jìn)水接頭O)、一水輪軸(7)、一渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(未有展示)及多個機(jī)殼。水輪軸(7)的末段，設(shè)有通常與發(fā)電有關(guān)的機(jī)械及電子裝置，其轉(zhuǎn)化水壓能量至機(jī)械能量，再轉(zhuǎn)化至電能。該裝置通常包括一發(fā)電器(未有展示)。水力渦輪機(jī)的一般原理運(yùn)作如下 水流通過進(jìn)水接頭( 被引導(dǎo)至一渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(未有展示)的葉旋槳(未有展示)，因此在葉旋槳制造了力矩，致使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)代表把水流的壓力能量轉(zhuǎn)化成水輪軸的機(jī)械能量。能量減弱的流出水被引導(dǎo)流出時，跟隨包圍渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的外殼的大致形狀。本發(fā)明的外殼成螺旋狀，貼切地名為螺旋外殼(5)?？梢灶A(yù)計的是，本發(fā)明的另類渦輪機(jī)組件亦可如圖9所示以開放羽流形態(tài)安裝。在該情況下，毋須使用該外殼，而是把一外側(cè)水墻(1 與一內(nèi)側(cè)水墻(1 各自設(shè)置于一側(cè)。然而該等墻壁毋須為渦輪機(jī)組件的部分， 而是土木支撐結(jié)構(gòu)的部分。在此開放羽流形態(tài)中，渦輪機(jī)直接固定到該等墻壁，毋需使用早前論述的螺旋外殼。本發(fā)明的實施例中，水(軸向地)以與水輪軸的相同軸線但從其另一末端進(jìn)入渦輪機(jī)，并徑向地通過渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪離開。本優(yōu)選實施例致使水自由流動而沒有水輪軸(7)造成的阻礙，而且向著轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生的離心力的相同方向流出轉(zhuǎn)輪。離心力對水流有一正面作用，其具有優(yōu)勢地容許渦輪機(jī)于低水頭應(yīng)用運(yùn)作。該等性質(zhì)為改良渦輪機(jī)組件提供多面性。參照附圖2、3及4，其中圖2是根據(jù)本發(fā)明配置的水力渦輪機(jī)組件的局部橫剖視立體圖。該圖顯示的渦輪機(jī)組件(1)包括進(jìn)水接頭O)、一外側(cè)外殼(4)及螺旋外殼(5)。所示的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(6)包括一處于轉(zhuǎn)輪(6)中部的一彎曲錐形組件(11)、多個沿著轉(zhuǎn)輪周圍或周邊設(shè)置的葉旋槳(8)。進(jìn)水接頭( 設(shè)置為使水軸向地進(jìn)入渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(6)。彎曲錐形組件(11) 一般設(shè)置為使水進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的方向由軸向方向變至徑向方向，而不會造成空穴。 每個轉(zhuǎn)輪葉旋槳的表面的位置設(shè)置為引導(dǎo)進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水向由轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生的離心力的相同方向流出。在優(yōu)選實施例中，轉(zhuǎn)輪可以由單一的葉旋槳(8)(見圖3)制成或由多個具有與葉旋槳近似的配置的圓盤(見圖4)制成。仍然參照附圖2，一出口環(huán)(10)設(shè)置于渦輪機(jī)組件內(nèi)，以包圍渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪并允許其自由轉(zhuǎn)動。出口環(huán)亦具有作為內(nèi)側(cè)外殼(3)與外側(cè)外殼(4)之間的接合點的功能，并引導(dǎo)水向螺旋外殼(5)的一般方向離開渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，以限制或消除任何對水流的阻礙。一控制圓環(huán)(9)被設(shè)置于外側(cè)外殼的空穴里，控制圓環(huán)被設(shè)計至可以滑入或滑出渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，使渦輪機(jī)的能量輸出量可以被控制?？刂茍A環(huán)以軸向方向滑入，致使轉(zhuǎn)輪圓盤按需要完全關(guān)閉或開放。一個或以上的圓盤完全關(guān)閉而未受影響的圓盤完全開放時，最高效的控制點得以實現(xiàn)。附圖5、6、7及8分別顯示了渦輪機(jī)設(shè)置在100%、67(%、33(%及0(%的負(fù)荷位置時的控制圓環(huán)的位置。如圖中所示，控制渦輪機(jī)的輸出能量可以更輕易地進(jìn)行。圖3顯示了渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及水輪軸的設(shè)置的分解圖。轉(zhuǎn)輪(6)使用現(xiàn)有技術(shù)的合適連接器被合適地連接至軸的末端。該圖亦顯示了轉(zhuǎn)輪的葉旋槳(8)及彎曲錐形組件(11) 的設(shè)置。軸向進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水會被錐形組件引導(dǎo)至葉旋槳的表面，致使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動。令人非常相信的是，該安排及組件令空穴產(chǎn)生的機(jī)會甚低。圖4顯示了渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及水輪軸的設(shè)置的另一分解圖，其中轉(zhuǎn)輪由多個圓盤制成。該設(shè)置容許對渦輪機(jī)輸出量的更多控制。圖5顯示了本發(fā)明如何實現(xiàn)具有如此優(yōu)點的水流。水通過連接點軸向進(jìn)入轉(zhuǎn)輪， 并通過轉(zhuǎn)輪徑向流出。在轉(zhuǎn)輪的出口，會余下非常少量的能量。水以能量的殘余部分通過出口環(huán)(10)離開轉(zhuǎn)輪，再流向螺旋外殼(5)。具有該等性質(zhì)的渦輪機(jī)會有以下優(yōu)點1.轉(zhuǎn)輪使用可以更大化，得到更高的能量轉(zhuǎn)化。這會導(dǎo)致更高的特定能量轉(zhuǎn)化 (kff/kg)的性質(zhì)。2.由于轉(zhuǎn)輪擬于所有時間以濕潤狀態(tài)運(yùn)作，渦輪機(jī)不受限于雙相狀態(tài)的問題。該雙相狀態(tài)難以控制，并一般導(dǎo)致效率流失。因此，提出的渦輪機(jī)與在先渦輪機(jī)運(yùn)作相比，會有更高等的效率。3.水自由進(jìn)入渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，并不會像現(xiàn)有的幾個渦輪機(jī)般被水輪軸阻礙。本發(fā)明的渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪會容許更多的水流量，故此與在先技術(shù)的類似尺寸的轉(zhuǎn)輪相比，給出更高的能量輸出量。4.水以與轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生的離心力的相同方向流出轉(zhuǎn)輪。在一些現(xiàn)有的渦輪機(jī)，離心力與水流相反，故此對輸出量造成負(fù)面影響，而在一些其它設(shè)計，離心力具有中性作用。 然而，本發(fā)明的離心力與水流的方向相同，并對水流有正面影響，故此造成正凈力，故此提供更高的特定能量轉(zhuǎn)化，并容許處于低水頭的運(yùn)作。5.水以徑向方向流出時沒有扭力作用，出現(xiàn)于渦輪機(jī)的漩渦及空穴為最少量。在現(xiàn)有的渦輪機(jī)組件，由于葉旋槳外觀不完善，在結(jié)合軸轉(zhuǎn)動的情況下，水徑向流出會導(dǎo)致水流扭曲。扭曲水流的螺旋形特性會造成漩渦及空穴，并限制高水頭應(yīng)用，其中的效果會更加嚴(yán)重。有利地，由于水頭對漩渦及空穴的形成影響不大，本發(fā)明適合于由極低水頭至極高水頭的廣泛應(yīng)用。附圖5、6、7及8顯示了控制圓環(huán)(9)的位置，其中控制圓環(huán)用于控制渦輪機(jī)的輸出量。通過控制轉(zhuǎn)輪圓盤的開關(guān)，設(shè)合多種能量需求的合適設(shè)置即可輕易實現(xiàn)。圖9顯示設(shè)定于開放羽流形態(tài)的渦輪機(jī)組件的設(shè)置。渦輪機(jī)組件因此可以多種設(shè)置方式設(shè)定，合適于位置的需求。可以預(yù)計的是，本發(fā)明的性質(zhì)可以實現(xiàn)，以代替現(xiàn)有水力渦輪機(jī)，或用于新的水力渦輪機(jī)安裝。應(yīng)當(dāng)理解，雖然本發(fā)明的優(yōu)選實施例于此詳細(xì)說明，可以于此作出多個轉(zhuǎn)變、 改動及修改。故此，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不限于附圖所示發(fā)明的細(xì)節(jié)，該等微小細(xì)節(jié)的變化為熟知該行技術(shù)的人清楚所知。
權(quán)利要求
1.一水力渦輪機(jī)(1)，其至少包括一進(jìn)水接頭O)、一內(nèi)側(cè)外殼C3)及一外側(cè)外殼；及一設(shè)置成內(nèi)向著所述進(jìn)水接頭( 末端并設(shè)置于外側(cè)外殼(4)及內(nèi)側(cè)外殼C3)之間的一渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(6)，所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(6)機(jī)械連接至一水輪軸(7)，其于此提供裝置以通過水輪軸(7)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生機(jī)械能量；其特征在于所述進(jìn)水接頭( 及渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(6)被設(shè)置成水沿著與水輪軸(7)相同的軸線但從對面末端進(jìn)入所述渦輪機(jī)，通過一彎曲錐形組件(11)的使用改變其方向至徑向方向，進(jìn)入轉(zhuǎn)輪葉旋槳(8)之間的空穴及向徑向方向離開轉(zhuǎn)輪(6)，而不會被水輪軸(7)阻礙。
2.如權(quán)利要求1所述的水力渦輪機(jī)組件，其進(jìn)一步特征在于進(jìn)水接頭(2)被設(shè)置成讓水軸向進(jìn)入渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(6)。
3.如權(quán)利要求2所述的水力渦輪機(jī)組件，其進(jìn)一步特征在于所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(6)由單一或多個圓盤組成，各所述圓盤固定設(shè)有多個葉旋槳(8)。
4.如權(quán)利要求3所述的水力渦輪機(jī)組件，其進(jìn)一步特征在于一控制圓環(huán)(9)被設(shè)置于外側(cè)外殼內(nèi)并觸及渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(6)，所述控制圓環(huán)(9)可以滑入及滑出渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪 (6)，通過阻擋流入一個或以上的圓盤的水控制流入渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水，以管理渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的能量輸出量。
5.如權(quán)利要求4所述的水力渦輪機(jī)組件，其進(jìn)一步特征在于一出口環(huán)(10)包圍所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(6)并允許其自由轉(zhuǎn)動；所述出口環(huán)(10)亦具有作為內(nèi)側(cè)外殼C3)與外側(cè)外殼 (4)之間的接合點的功能，并引導(dǎo)水沿螺旋外殼(5)的方向離開渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(6)。
6.如前述任一權(quán)利要求所述的水力渦輪機(jī)組件，其進(jìn)一步特征在于渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(6) 所有時間被設(shè)置為濕潤狀態(tài)。
7.如權(quán)利要求6所述的水力渦輪機(jī)組件，其進(jìn)一步特征在于轉(zhuǎn)輪使用于最大負(fù)荷位置被完全最大化。
8.如權(quán)利要求7所述的水力渦輪機(jī)組件，其進(jìn)一步特征在于所述水力渦輪機(jī)可以使用于低、中、高水頭應(yīng)用。
9.如權(quán)利要求4所述的水力渦輪機(jī)組件，其進(jìn)一步特征在于所述水力渦輪機(jī)亦可以被設(shè)定為開放羽流渦輪機(jī)形態(tài)。
10.如權(quán)利要求9所述的水力渦輪機(jī)組件，其進(jìn)一步特征在于一外側(cè)水墻(12)與一內(nèi)側(cè)水墻(13)組合成作為設(shè)置于開放羽流形態(tài)的土木支撐結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開的一個改良的水力渦輪機(jī)組件(1)，其提供高生產(chǎn)力、高運(yùn)作多面性及生產(chǎn)最少量的及/或不會生產(chǎn)空穴，致使效率改良。本發(fā)明提出的一個新型水力渦輪機(jī)組件，其具有更高能量轉(zhuǎn)化方法及由低至高水頭應(yīng)用的廣泛范圍的能力。水力渦輪機(jī)組件(1)至少包括一進(jìn)水接頭(2)、一內(nèi)側(cè)外殼(3)及一外側(cè)外殼(4)，一設(shè)置成內(nèi)向著所述進(jìn)水接頭(2)末端的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(6)，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(6)機(jī)械連接至一水輪軸(7)，其設(shè)有通過水輪軸(7)轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生機(jī)械能量的裝置；特征在于進(jìn)水接頭(2)及渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(6)被設(shè)置成使水沿著與水輪軸(7)相同的軸線但從對面末端進(jìn)入所述渦輪機(jī)，并通過渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(6)向徑向方向離開。渦輪機(jī)可以以普通或開放羽流形態(tài)安裝。
文檔編號F03B3/00GK102422013SQ201080018986
公開日2012年4月18日 申請日期2010年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月29日
發(fā)明者卡西米·阿利 申請人:第一水力公司