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

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，能源需求量與日俱增，特別在電力行業(yè)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電力供應(yīng)不足現(xiàn)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(yīng)用。潮汐電站通常采用燈泡貫流式機(jī)組為發(fā)電裝置，此裝置在結(jié)構(gòu)上只于發(fā)電機(jī)燈泡側(cè)設(shè)有活動(dòng)導(dǎo)葉，以實(shí)現(xiàn)泄水工況對(duì)來流流量的有效調(diào)控，充水工況則不能達(dá)到有效控制效果；機(jī)組運(yùn)行時(shí)，水流推動(dòng)單級(jí)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)即由尾水管排出，不再進(jìn)行處理，其能量沒有得到有效利用，造成了浪費(fèi)。

水輪機(jī)是動(dòng)力原動(dòng)機(jī)，運(yùn)行工況及負(fù)載多變，這對(duì)機(jī)組靈活控制進(jìn)水量提出要求。燈泡貫流式機(jī)組作為現(xiàn)階段潮汐電站普遍使用的發(fā)電裝置，在結(jié)構(gòu)上只在泄水工況對(duì)進(jìn)水流量進(jìn)行控制，充水工況僅依靠閘門調(diào)控，降低了機(jī)組工況切換的靈活性。貫流式水輪機(jī)運(yùn)行過程中，來流沖擊單級(jí)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)構(gòu)造形式受到限制，沒有形成對(duì)來流能量高效利用的環(huán)境。

本發(fā)明利用擴(kuò)張導(dǎo)流管對(duì)水流收集并加速，通過活動(dòng)導(dǎo)葉方便靈活控制進(jìn)水流量，構(gòu)造多級(jí)轉(zhuǎn)輪吸收來流能量，提供了一種吸收潮汐能的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，提高了水能的利用效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)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(jí)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種吸收潮汐能的多級(jí)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，其特征在于：包括擴(kuò)張導(dǎo)流管、組合葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)體以及支架，所述擴(kuò)張導(dǎo)流管采用臥式布置，包括兩級(jí)擴(kuò)口段和一級(jí)中間段，所述擴(kuò)口段的導(dǎo)流管截面積沿軸線發(fā)生變化，呈喇叭狀，兩級(jí)擴(kuò)口段對(duì)稱分布在中間段兩側(cè)，喇叭口朝向兩端；所述中間段導(dǎo)流管截面積為定值，夾在兩級(jí)擴(kuò)口段中間；在所述中間段內(nèi)布置所述組合葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)體，組合葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)體的軸線與擴(kuò)張導(dǎo)流管中心軸線重合；所述組合葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)體包括兩級(jí)發(fā)電機(jī)艙、兩級(jí)導(dǎo)葉、兩級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪和一級(jí)固定葉輪；所述兩級(jí)導(dǎo)葉分別設(shè)置在所述兩級(jí)發(fā)電機(jī)艙外表面，所述一級(jí)固定葉輪位于所述兩級(jí)發(fā)電機(jī)艙的中間，在每級(jí)發(fā)電機(jī)艙與固定葉輪之間設(shè)置一個(gè)旋轉(zhuǎn)葉輪，每個(gè)旋轉(zhuǎn)葉輪與對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)連接，所述導(dǎo)葉用于導(dǎo)向流入兩級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪中前一級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪中的水流姿態(tài)，所述固定葉輪用于導(dǎo)向流入兩級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪中后一級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪中的水流姿態(tài)。

所述導(dǎo)葉為具有轉(zhuǎn)軸的活動(dòng)導(dǎo)葉，導(dǎo)葉相對(duì)于擴(kuò)張導(dǎo)流管保持非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，可根據(jù)自身轉(zhuǎn)軸調(diào)節(jié)安放角度，改變流體流量和流動(dòng)方向。

所述兩級(jí)發(fā)電機(jī)艙呈子彈頭型結(jié)構(gòu)，對(duì)稱布置在組合葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)體兩側(cè)。

所述兩級(jí)活動(dòng)導(dǎo)葉對(duì)稱布置在兩級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪兩側(cè)；所述兩級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪分別與兩根同軸線主軸固定連接，對(duì)稱布置在固定葉輪兩側(cè)；所述固定葉輪通過支架安裝在擴(kuò)張導(dǎo)流管中間段中心位置，與主軸互不影響運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

所述活動(dòng)導(dǎo)葉葉片截面為細(xì)長的水滴形狀，與發(fā)電機(jī)艙相鄰。

所述兩級(jí)旋轉(zhuǎn)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(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪結(jié)構(gòu)相同，布置方式相反，且相對(duì)于擴(kuò)張導(dǎo)流管保持非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

所述兩級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪分別固定在兩根轉(zhuǎn)軸上，獨(dú)立旋轉(zhuǎn)；所述兩根轉(zhuǎn)軸穿過相鄰的一級(jí)活動(dòng)導(dǎo)葉，一端通過軸承固定葉輪，一端與發(fā)電機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)或齒輪箱相連。

本發(fā)明多級(jí)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，流體進(jìn)入擴(kuò)張導(dǎo)流管后，首先經(jīng)過第一級(jí)擴(kuò)口段，然后再經(jīng)過中間段。在中間段依次經(jīng)過第一級(jí)子彈頭型發(fā)電機(jī)艙、第一級(jí)導(dǎo)葉、第一級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪、固定葉輪、第二級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪、第二級(jí)導(dǎo)葉和第二級(jí)發(fā)電機(jī)艙，最后由第二級(jí)擴(kuò)口段流出。

以充水工況為例解釋該技術(shù)方案的發(fā)電原理。海水由海洋側(cè)流向水庫側(cè)，水庫水位上升。受擴(kuò)張導(dǎo)流管擴(kuò)口段管外壁型線干擾，進(jìn)水口附近水體流場發(fā)生變化，進(jìn)入管道的水體體積增大。水流進(jìn)入導(dǎo)流管擴(kuò)口段，過水?dāng)嗝嬷饾u收縮。由連續(xù)性方程可知，不可壓縮流體在管道流動(dòng)時(shí)，管徑越小，斷面上平均流速越大；同時(shí)，由伯努利方程，管內(nèi)流體位置勢(shì)能不變，動(dòng)能增大，壓力勢(shì)能降低，即擴(kuò)張導(dǎo)流管的中間段會(huì)生成一個(gè)低壓區(qū)域，內(nèi)外壓差產(chǎn)生抽吸作用，使水流加速?；顒?dòng)導(dǎo)葉根據(jù)電站運(yùn)行工況調(diào)節(jié)安放角度，對(duì)水流過流量及進(jìn)入葉輪流道角度進(jìn)行控制，使作用在葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩盡量大，且實(shí)際工作過程中，任意工況下的兩級(jí)活動(dòng)導(dǎo)葉開度同步。水流經(jīng)活動(dòng)導(dǎo)葉后改變流場，沖擊旋轉(zhuǎn)葉輪葉片，產(chǎn)生阻力差，與葉片進(jìn)行動(dòng)量交換，推動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)兩級(jí)葉輪旋轉(zhuǎn)。各級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪及各軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出功率，尾流由擴(kuò)張導(dǎo)流管另一擴(kuò)口段排出管道。兩級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪流經(jīng)的水體流速不同，獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，充分利用水能。

泄水工況，水體運(yùn)動(dòng)過程相反，但技術(shù)方案原理相同。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明多級(jí)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，利用擴(kuò)張導(dǎo)流管對(duì)水流收集并加速，再通過活動(dòng)導(dǎo)葉方便靈活控制進(jìn)水流量，構(gòu)造多級(jí)轉(zhuǎn)輪吸收來流能量，解決現(xiàn)有潮汐電站水電機(jī)組雙向運(yùn)行時(shí)流量控制、來流能量浪費(fèi)的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明主要結(jié)構(gòu)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(kuò)張導(dǎo)流管細(xì)節(jié)圖；

圖5為本發(fā)明組合葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)體細(xì)節(jié)圖；

圖6為本發(fā)明活動(dòng)導(dǎo)葉全開工作狀態(tài)示意圖；

圖7為本發(fā)明活動(dòng)導(dǎo)葉全關(guān)工作狀態(tài)示意圖；

圖8為本發(fā)明活動(dòng)導(dǎo)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(dòng)及葉輪葉片受力情況示意圖；

圖12為泄水工況水體流動(dòng)及葉輪葉片受力情況示意圖。

圖中：1擴(kuò)張導(dǎo)流管；2組合葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)體；3支架；11擴(kuò)口段；12中間段；21發(fā)電機(jī)艙；22活動(dòng)導(dǎo)葉；23旋轉(zhuǎn)葉輪；24固定葉輪。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明結(jié)構(gòu)包括了擴(kuò)張導(dǎo)流管1、組合葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)體2以及支架3。其中，擴(kuò)張導(dǎo)流管包括兩級(jí)擴(kuò)口段11和一級(jí)中間段12，組合葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)體包括兩級(jí)發(fā)電機(jī)艙21、兩級(jí)活動(dòng)導(dǎo)葉22、兩級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪23和固定葉輪24，支架安裝在擴(kuò)張導(dǎo)流管中間段，用來支撐組合葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)體。充水工況，水流由海洋側(cè)流向水庫側(cè)，水流流經(jīng)第一級(jí)發(fā)電機(jī)艙21，過流面積減小，流速增大；經(jīng)過第一級(jí)活動(dòng)導(dǎo)葉22，受導(dǎo)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(duì)第一級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪23葉片進(jìn)行沖擊，產(chǎn)生動(dòng)力矩，推動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)第一級(jí)發(fā)電機(jī)艙21中布置的齒輪及發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，輸出功率，水流流速有所下降。進(jìn)入固定葉輪24流場區(qū)域，由于葉輪經(jīng)支架固定安裝于導(dǎo)流管中間段，受葉輪結(jié)構(gòu)及葉片排布方式影響，水流再次達(dá)到整流效果；并對(duì)第二級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪23葉片進(jìn)行沖擊，發(fā)生動(dòng)量交換，推動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向與第一級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪相同，旋轉(zhuǎn)葉輪通過第二根轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)第二級(jí)發(fā)電機(jī)艙21中布置的齒輪及發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，輸出功率。兩級(jí)葉輪獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，充分利用了不同階段不同流速的水體動(dòng)能。尾水流經(jīng)第二級(jí)活動(dòng)導(dǎo)葉22、第二級(jí)發(fā)電機(jī)艙21，由擴(kuò)張導(dǎo)流管第二級(jí)擴(kuò)口段12排出管道。

如圖2所示，擴(kuò)張導(dǎo)流管1和組合葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)體2共軸布置，支架3下端安裝基礎(chǔ)為到流管中間段12、上端支撐部分為發(fā)電機(jī)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(xì)的紡錘形狀，其流線型結(jié)構(gòu)有利于降低水阻，減小支架對(duì)來流流場的影響。

如圖4所示，擴(kuò)張導(dǎo)流管整體為先漸縮后漸擴(kuò)的噴嘴結(jié)構(gòu)。受漸縮的擴(kuò)口段11影響，進(jìn)入管道的水體體積增加、流速增大。由于過水?dāng)嗝嬷饾u收縮，中間段12會(huì)生成低壓區(qū)，由此擴(kuò)口段入口處和中間段12存在壓差，產(chǎn)生抽吸作用，使進(jìn)入水流進(jìn)一步加速。

如圖5所示，發(fā)電機(jī)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(dòng)導(dǎo)葉根部可繞軸旋轉(zhuǎn)以改變進(jìn)水口大小，進(jìn)而控制來流流量。實(shí)際發(fā)電時(shí)，水流經(jīng)過活動(dòng)導(dǎo)葉22，沿導(dǎo)葉實(shí)際安放角度進(jìn)入葉輪區(qū)域，沖擊第一級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪23葉片，產(chǎn)生徑向分力矩，推動(dòng)葉輪逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)(以圖2視圖角度觀察)。第一級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪與主軸固定連接，主軸延伸至第一級(jí)發(fā)電機(jī)艙21，艙內(nèi)布置的齒輪機(jī)構(gòu)將垂直面旋轉(zhuǎn)行為轉(zhuǎn)換為水平面旋轉(zhuǎn)行為，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)動(dòng)作轉(zhuǎn)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(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪。與之前過程相同，第二級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪同樣逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(以圖2視圖角度觀察)，帶動(dòng)主軸、第二級(jí)發(fā)電機(jī)艙21內(nèi)齒輪機(jī)構(gòu)和發(fā)電機(jī)動(dòng)作，輸出電能。尾流經(jīng)過第二級(jí)活動(dòng)導(dǎo)葉排出導(dǎo)流管。工作過程中，來流率先推動(dòng)第一級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再對(duì)第二級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪做功，中途必定產(chǎn)生能量損失，即兩級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪動(dòng)作不同步。由此，兩個(gè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不同，各自獨(dú)立工作，互不影響。

如圖6所示，活動(dòng)導(dǎo)葉22全開情況下過流量最大，但在這種開度下工作，導(dǎo)葉進(jìn)口有很大沖角易形成脫流，且水流經(jīng)過導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，在轉(zhuǎn)輪前不能形成環(huán)量，水利損失很大。因此實(shí)際工作時(shí)不允許以此導(dǎo)葉位置運(yùn)行。

如圖7所示，活動(dòng)導(dǎo)葉22全關(guān)情況時(shí)過流量為零，停機(jī)工況下阻擋來流進(jìn)入葉輪區(qū)域，便于機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)控。

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

如圖9所示，兩級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪與固定葉輪的葉輪結(jié)構(gòu)形狀完全相同。發(fā)電過程中，旋轉(zhuǎn)葉輪葉片受水流沖擊，產(chǎn)生阻力差，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(以圖2視圖角度觀察)，固定葉輪相對(duì)于擴(kuò)張導(dǎo)流管保持非旋轉(zhuǎn)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(cè)向旋轉(zhuǎn)沖擊動(dòng)能，提高能量轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，葉片的彎曲弧度不大，可有效減少水流越過彎道時(shí)的能量損失。

如圖11所示，充水工況，水流沖擊第一級(jí)、第二級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪葉片的作用力在垂直向上方向存在分量，推動(dòng)兩級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪均逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(以圖2視圖角度觀察)?；顒?dòng)導(dǎo)葉和固定葉輪主要起導(dǎo)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(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閭?cè)向旋轉(zhuǎn)沖擊動(dòng)能；后者修正第一級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪的尾流流場，使其按照自身彎曲角度沖向第二級(jí)旋轉(zhuǎn)葉輪，繼續(xù)做功。

如圖12所示，泄水工況中水體流動(dòng)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(yùn)動(dòng)方向：充水工況水流由海洋側(cè)流向水庫側(cè)，泄水工況相反。