本發(fā)明涉及水力發(fā)電領域，特別是涉及潮汐能利用發(fā)電領域。

背景技術：

隨著經濟高速發(fā)展，能源需求量與日俱增，特別在電力行業(yè)經常會出現電力供應不足現象，所以充分利用能源十分必要，潮汐能作為清潔能源已得到廣泛應用。潮汐電站通常采用燈泡貫流式機組為發(fā)電裝置，此裝置在結構上只于發(fā)電機燈泡側設有活動導葉，以實現泄水工況對來流流量的有效調控，充水工況則不能達到有效控制效果；機組運行時，水流推動單級葉輪轉動即由尾水管排出，不再進行處理，其能量沒有得到有效利用，造成了浪費。

水輪機是動力原動機，運行工況及負載多變，這對機組靈活控制進水量提出要求。燈泡貫流式機組作為現階段潮汐電站普遍使用的發(fā)電裝置，在結構上只在泄水工況對進水流量進行控制，充水工況僅依靠閘門調控，降低了機組工況切換的靈活性。貫流式水輪機運行過程中，來流沖擊單級轉輪轉動即由尾水管排出，其能量不能得到有效吸收，這是由于水輪機構造形式受到限制，沒有形成對來流能量高效利用的環(huán)境。

本發(fā)明利用擴張導流管對水流收集并加速，通過活動導葉方便靈活控制進水流量，構造多級轉輪吸收來流能量，提供了一種吸收潮汐能的轉動裝置，提高了水能的利用效率。

技術實現要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種結構簡單且方便控制的用于提高水能利用效率的一種吸收潮汐能的多級葉輪轉動裝置。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：

一種吸收潮汐能的多級葉輪轉動裝置，其特征在于：包括擴張導流管、組合葉輪轉動體以及支架，所述擴張導流管采用臥式布置，包括兩級擴口段和一級中間段，所述擴口段的導流管截面積沿軸線發(fā)生變化，呈喇叭狀，兩級擴口段對稱分布在中間段兩側，喇叭口朝向兩端；所述中間段導流管截面積為定值，夾在兩級擴口段中間；在所述中間段內布置所述組合葉輪轉動體，組合葉輪轉動體的軸線與擴張導流管中心軸線重合；所述組合葉輪轉動體包括兩級發(fā)電機艙、兩級導葉、兩級旋轉葉輪和一級固定葉輪；所述兩級導葉分別設置在所述兩級發(fā)電機艙外表面，所述一級固定葉輪位于所述兩級發(fā)電機艙的中間，在每級發(fā)電機艙與固定葉輪之間設置一個旋轉葉輪，每個旋轉葉輪與對應的發(fā)電機艙內的發(fā)電機連接，所述導葉用于導向流入兩級旋轉葉輪中前一級旋轉葉輪中的水流姿態(tài)，所述固定葉輪用于導向流入兩級旋轉葉輪中后一級旋轉葉輪中的水流姿態(tài)。

所述導葉為具有轉軸的活動導葉，導葉相對于擴張導流管保持非旋轉狀態(tài)，可根據自身轉軸調節(jié)安放角度，改變流體流量和流動方向。

所述兩級發(fā)電機艙呈子彈頭型結構，對稱布置在組合葉輪轉動體兩側。

所述兩級活動導葉對稱布置在兩級旋轉葉輪兩側；所述兩級旋轉葉輪分別與兩根同軸線主軸固定連接，對稱布置在固定葉輪兩側；所述固定葉輪通過支架安裝在擴張導流管中間段中心位置，與主軸互不影響運動狀態(tài)。

所述活動導葉葉片截面為細長的水滴形狀，與發(fā)電機艙相鄰。

所述兩級旋轉葉輪的葉片截面均為兩端薄中間厚的月牙形，安裝方式完全相同；所述固定葉輪與兩級旋轉葉輪結構相同，布置方式相反，且相對于擴張導流管保持非旋轉狀態(tài)。

所述兩級旋轉葉輪分別固定在兩根轉軸上，獨立旋轉；所述兩根轉軸穿過相鄰的一級活動導葉，一端通過軸承固定葉輪，一端與發(fā)電機艙內的發(fā)電機或齒輪箱相連。

本發(fā)明多級葉輪轉動裝置，流體進入擴張導流管后，首先經過第一級擴口段，然后再經過中間段。在中間段依次經過第一級子彈頭型發(fā)電機艙、第一級導葉、第一級旋轉葉輪、固定葉輪、第二級旋轉葉輪、第二級導葉和第二級發(fā)電機艙，最后由第二級擴口段流出。

以充水工況為例解釋該技術方案的發(fā)電原理。海水由海洋側流向水庫側，水庫水位上升。受擴張導流管擴口段管外壁型線干擾，進水口附近水體流場發(fā)生變化，進入管道的水體體積增大。水流進入導流管擴口段，過水斷面逐漸收縮。由連續(xù)性方程可知，不可壓縮流體在管道流動時，管徑越小，斷面上平均流速越大；同時，由伯努利方程，管內流體位置勢能不變，動能增大，壓力勢能降低，即擴張導流管的中間段會生成一個低壓區(qū)域，內外壓差產生抽吸作用，使水流加速。活動導葉根據電站運行工況調節(jié)安放角度，對水流過流量及進入葉輪流道角度進行控制，使作用在葉片的轉動力矩盡量大，且實際工作過程中，任意工況下的兩級活動導葉開度同步。水流經活動導葉后改變流場，沖擊旋轉葉輪葉片，產生阻力差，與葉片進行動量交換，推動其旋轉，帶動兩級葉輪旋轉。各級旋轉葉輪轉動帶動齒輪及各軸旋轉，帶動發(fā)電機輸出功率，尾流由擴張導流管另一擴口段排出管道。兩級旋轉葉輪流經的水體流速不同，獨立旋轉，充分利用水能。

泄水工況，水體運動過程相反，但技術方案原理相同。

與現有技術相比，本發(fā)明多級葉輪轉動裝置，利用擴張導流管對水流收集并加速，再通過活動導葉方便靈活控制進水流量，構造多級轉輪吸收來流能量，解決現有潮汐電站水電機組雙向運行時流量控制、來流能量浪費的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明主要結構示意圖；

圖2為圖1左視圖；

圖3為本發(fā)明支架剖面圖；

圖4為本發(fā)明擴張導流管細節(jié)圖；

圖5為本發(fā)明組合葉輪轉動體細節(jié)圖；

圖6為本發(fā)明活動導葉全開工作狀態(tài)示意圖；

圖7為本發(fā)明活動導葉全關工作狀態(tài)示意圖；

圖8為本發(fā)明活動導葉剖面圖；

圖9為本發(fā)明葉輪示意圖；

圖10為本發(fā)明葉輪葉片剖面圖；

圖11為充水工況水體流動及葉輪葉片受力情況示意圖；

圖12為泄水工況水體流動及葉輪葉片受力情況示意圖。

圖中：1擴張導流管；2組合葉輪轉動體；3支架；11擴口段；12中間段；21發(fā)電機艙；22活動導葉；23旋轉葉輪；24固定葉輪。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明結構包括了擴張導流管1、組合葉輪轉動體2以及支架3。其中，擴張導流管包括兩級擴口段11和一級中間段12，組合葉輪轉動體包括兩級發(fā)電機艙21、兩級活動導葉22、兩級旋轉葉輪23和固定葉輪24，支架安裝在擴張導流管中間段，用來支撐組合葉輪轉動體。充水工況，水流由海洋側流向水庫側，水流流經第一級發(fā)電機艙21，過流面積減小，流速增大；經過第一級活動導葉22，受導葉葉片安放角度影響，過流量與流速方向發(fā)生改變；水流對第一級旋轉葉輪23葉片進行沖擊，產生動力矩，推動其旋轉，通過轉軸帶動第一級發(fā)電機艙21中布置的齒輪及發(fā)電機旋轉，輸出功率，水流流速有所下降。進入固定葉輪24流場區(qū)域，由于葉輪經支架固定安裝于導流管中間段，受葉輪結構及葉片排布方式影響，水流再次達到整流效果；并對第二級旋轉葉輪23葉片進行沖擊，發(fā)生動量交換，推動其旋轉，旋轉方向與第一級旋轉葉輪相同，旋轉葉輪通過第二根轉軸帶動第二級發(fā)電機艙21中布置的齒輪及發(fā)電機旋轉，輸出功率。兩級葉輪獨立旋轉，充分利用了不同階段不同流速的水體動能。尾水流經第二級活動導葉22、第二級發(fā)電機艙21，由擴張導流管第二級擴口段12排出管道。

如圖2所示，擴張導流管1和組合葉輪轉動體2共軸布置，支架3下端安裝基礎為到流管中間段12、上端支撐部分為發(fā)電機艙21、固定葉輪24。

如圖3所示，支架剖面圖為中部飽滿、兩端漸細的紡錘形狀，其流線型結構有利于降低水阻，減小支架對來流流場的影響。

如圖4所示，擴張導流管整體為先漸縮后漸擴的噴嘴結構。受漸縮的擴口段11影響，進入管道的水體體積增加、流速增大。由于過水斷面逐漸收縮，中間段12會生成低壓區(qū)，由此擴口段入口處和中間段12存在壓差，產生抽吸作用，使進入水流進一步加速。

如圖5所示，發(fā)電機艙外罩呈子彈頭流線型，可降低水阻損失，提高水能利用率；活動導葉根部可繞軸旋轉以改變進水口大小，進而控制來流流量。實際發(fā)電時，水流經過活動導葉22，沿導葉實際安放角度進入葉輪區(qū)域，沖擊第一級旋轉葉輪23葉片，產生徑向分力矩，推動葉輪逆時針方向轉動(以圖2視圖角度觀察)。第一級旋轉葉輪與主軸固定連接，主軸延伸至第一級發(fā)電機艙21，艙內布置的齒輪機構將垂直面旋轉行為轉換為水平面旋轉行為，帶動發(fā)電機動作轉換為符合發(fā)電要求的電能。隨后水流改變方向沖擊固定葉輪24葉片，葉片糾正梳理來流方向，使其按照自身彎曲角度沖向第二級旋轉葉輪。與之前過程相同，第二級旋轉葉輪同樣逆時針轉動(以圖2視圖角度觀察)，帶動主軸、第二級發(fā)電機艙21內齒輪機構和發(fā)電機動作，輸出電能。尾流經過第二級活動導葉排出導流管。工作過程中，來流率先推動第一級旋轉葉輪轉動，再對第二級旋轉葉輪做功，中途必定產生能量損失，即兩級旋轉葉輪動作不同步。由此，兩個發(fā)電機轉速不同，各自獨立工作，互不影響。

如圖6所示，活動導葉22全開情況下過流量最大，但在這種開度下工作，導葉進口有很大沖角易形成脫流，且水流經過導水機構，在轉輪前不能形成環(huán)量，水利損失很大。因此實際工作時不允許以此導葉位置運行。

如圖7所示，活動導葉22全關情況時過流量為零，停機工況下阻擋來流進入葉輪區(qū)域，便于機組運行狀態(tài)的調控。

如圖8所示，活動導葉葉片截面為細長的水滴形狀，前圓后尖，表面光滑。此結構可有效減小水流阻力，且全關狀態(tài)下相鄰導葉頭部、尾部緊密配合，具有良好地隔斷水流作用。實際工作過程中，兩級活動導葉可繞軸旋轉，改變開度，且人為設定開度保持同步。這樣，既保證導葉控制流量功能，又簡化了控制過程。

如圖9所示，兩級旋轉葉輪與固定葉輪的葉輪結構形狀完全相同。發(fā)電過程中，旋轉葉輪葉片受水流沖擊，產生阻力差，逆時針旋轉(以圖2視圖角度觀察)，固定葉輪相對于擴張導流管保持非旋轉狀態(tài)。

如圖10所示，葉輪葉片截面為兩端薄中間厚的月牙形狀，有利于吸收來流作用在凹面的側向旋轉沖擊動能，提高能量轉換效率。同時，葉片的彎曲弧度不大，可有效減少水流越過彎道時的能量損失。

如圖11所示，充水工況，水流沖擊第一級、第二級旋轉葉輪葉片的作用力在垂直向上方向存在分量，推動兩級旋轉葉輪均逆時針旋轉(以圖2視圖角度觀察)?；顒訉~和固定葉輪主要起導向作用，前者改變來流方向，形成環(huán)量，將更多的軸向沖擊動能轉變?yōu)閭认蛐D沖擊動能；后者修正第一級旋轉葉輪的尾流流場，使其按照自身彎曲角度沖向第二級旋轉葉輪，繼續(xù)做功。

如圖12所示，泄水工況中水體流動狀態(tài)及葉輪葉片受力情況與充水工況基本一致，唯一區(qū)為水體運動方向：充水工況水流由海洋側流向水庫側，泄水工況相反。