随水位自动调节的水轮机及应用

1.一种能随水位高低自动调节的水轮机，包括支撑架、水平轴、叶轮，其中两个支撑架之间水平设置水平轴，水平轴通过轴承与支撑架相连；水平轴上设有叶轮，叶轮包括叶柄和叶片，叶片通过叶柄与水平轴固定连接，其特征在于，在支撑架底设置有浮艇；在水平轴的两端分别设有一个导向架，导向架上设置有一条垂直于水面的开口，水平轴横穿开口设置在两个导向架之间，力矩盘设置在两个导向架内侧的水平轴上；所述的支撑架上还设置有支杆，支杆的长度大于等于叶轮的半径；所述叶轮的组数为3-5组；每组叶轮设有3～7个叶片，每组叶轮设置的叶片数量均相同。
2.根据权利要求1所述的水轮机，其特征在于，所述的导向架是钢结构的架体、高强度塑钢的架体或者是钢筋混凝土的墙体。
3.根据权利要求1所述的水轮机，其特征在于，叶轮组数为3组，每组叶轮均设有5个叶片，同组叶轮的相邻两叶柄的夹角度数为72度，相邻两叶轮的叶柄的夹角度数24度。
4.根据权利要求1所述的水轮机，其特征在于，所述水平轴长3～5米，所述的力矩盘的直径为25-40cm；所述叶柄的长度为2～3米。
5.利用权利要求1所述的水轮机进行发电的方法，步骤如下：
1)将低速永磁发电机固定设置在浮艇上，将水轮机的力矩盘与低速永磁发电机组相连；
2)当水流速度大于等于2m/s时，水轮机的叶轮开始转动；
3)叶轮的转动带动力矩盘转动，力矩盘与低速永磁发电机相连，带动发电机组进行发电。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2)所述的水流速度范围是：2m/s～
20m/s，叶轮的转速为6～7转/min。

随水位自动调节的水轮机及应用\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种随水位自动调节的水轮机及应用，属于水轮机发电技术领域。\n背景技术\n[0002] 水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形——水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。\n[0003] 但是大型水轮机设备并不适合中小型的河流：大型水轮机所需的启动流速远远大于中小型河流中河水的流速；为此本领域的技术人员做出了积极地改造，将水轮机的体积减小，使其水轮机适合中小型河流。实践证明，架设在中小河流中的水轮发电机的利用率也不高，其主要原因在于：因为中小河流都是季节性的流水，在丰水期时，水位较高，超过水轮机的最佳水位，阻碍水力发电机的运转；在枯水期时，水位则较低，水位会低于水轮机的最低水位，使其完全不能利用水流发电。由此可以看出，开发中小水流发电的瓶颈在于水轮机能否适应水位的变化。\n发明内容\n[0004] 为了解决以上所述的技术问题，本发明提供一种能随水位高低自动调节的水轮机，本发明还公开一种利用上述水轮机进行水力发电的方法。\n[0005] 本发明的技术方案如下：\n[0006] 一种能随水位高低自动调节的水轮机，包括支撑架、水平轴、叶轮，其中两个支撑架之间水平设置水平轴，水平轴通过轴承与支撑架相连；水平轴上设有叶轮，叶轮包括叶柄和叶片，叶片通过叶柄与水平轴固定连接，其特征在于，在支撑架底设置有浮艇；在水平轴的两端分别设有一个导向架，导向架上设置有一条垂直于水面的开口，水平轴横穿开口设置在两个导向架之间，力矩盘设置在两个导向架内侧的水平轴上。本发明利用了浮艇将支撑架托起，使其漂浮于水面之上，随水位的变化随时调整；在水平轴的两端设置导向架，起到固定作用，使本发明只可以随水位上下调整，不会随处漂流，确保水轮机工作的稳定性。\n[0007] 所述的支撑架上还设置有支杆，支杆的长度大于等于叶轮的半径。设置支杆的作用在于，当水位下降至低水位时，水轮机在支杆的支撑下避免触底，继续工作。\n[0008] 所述的导向架是钢结构的架体、高强度塑钢的架体或者是钢筋混凝土的墙体。导向架固定设置在河床上，确保水轮机正常工作。采用钢筋混凝土搭建的墙体，还可以起到引导水流的作用，使两个墙体之间的水流的流量和流速增加，进而增加对水轮机的推动力。\n[0009] 所述叶轮的组数为3-5组；所述的每组叶轮设有3～7个叶片，每组叶轮设置的叶片数量均相同。\n[0010] 所述的叶片的形状为簸箕形。\n[0011] 叶轮组数为3组，每组叶轮均设有5个叶片，同组叶轮的相邻两叶柄的夹角度数为\n72度，相邻两叶轮的叶柄的夹角度数24度。优选3组叶轮，使得水平轴的长度适中，确保水平轴在刚性范围内正常工作；每组叶轮均设有5个叶片利于轴系平衡。相邻两叶轮的叶柄的夹角度数24度，从水轮机的侧面可以看出，整个叶轮的360度被15个叶柄所均分，使水轮机受力密度增加，均匀，还不会增加水平轴的负担，确保轴系的平衡稳定。\n[0012] 实验表明，在水平轴上设置3组叶轮，每组叶轮设置5个叶片，共15个角度相措设置的叶柄和叶片，其产生的力矩比一个叶轮设置15个叶片的情况均匀，水能利用率也高，稳定性能好。\n[0013] 所述水平轴长3～5米，所述的力矩盘的直径为25-40cm。\n[0014] 所述叶柄的长度为2～3米。\n[0015] 利用以上的水轮机进行发电的方法，步骤如下：\n[0016] 1)将低速永磁发电机固定设置在浮艇上，将水轮机的力矩盘与低速永磁发电机组相连；\n[0017] 2)当水流速度大于等于2m/s时，水轮机的叶轮开始转动；\n[0018] 3)叶轮的转动带动力矩盘转动，力矩盘与低速永磁发电机相连，带动发电机组进行发电。\n[0019] 步骤2)所述的水流速度范围是：2m/s～20m/s，叶轮的转速为6～7转/min。\n[0020] 本发明的有益效果在于：\n[0021] 1)本发明适合中小型河流发电，水流速度只需大于等于2m/s即可发电；\n[0022] 2)本发明的水轮机的设计紧凑、合理，故障率低，运输、安装和维护简单方便，经济适用。\n[0023] 3)本发明的水轮机可以随河流的水位调节叶轮的转动位置，使其适用于丰水期和枯水期，利用率高。\n附图说明\n[0024] 图1是本发明水轮机的机构示意图；\n[0025] 图2是本发明的叶轮机构示意图。\n[0026] 在图1～2中，1、支撑架；2、水平轴；3、水面；4、力矩盘；5、叶柄；6、叶片；7、支杆；\n8、浮艇；9、导向架；10、开口；11、轴承。\n具体实施方式\n[0027] 下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。\n[0028] 实施例中所述的叶片均为簸箕形。\n[0029] 实施例1、\n[0030] 一种能随水位高低自动调节的水轮机，包括支撑架1、水平轴2、叶轮，其中两个支撑架1之间水平设置水平轴2，水平轴2通过轴承11与支撑架1相连；水平轴2上设有叶轮，叶轮包括叶柄5和叶片6，叶片6通过叶柄5与水平轴2固定连接，其特征在于，在支撑架1底设置有浮艇8；在水平轴2的两端分别设有一个导向架9，导向架9上设置有一条垂直于水面的开口10，水平轴2横穿开口10设置在两个导向架9之间，力矩盘4设置在两个导向架9内侧的水平轴2上。\n[0031] 在所述的支撑架1上还设置有支杆7，支杆7的长度大于等于叶轮的半径。\n[0032] 所述的导向架9是钢筋混凝土的墙体。\n[0033] 叶轮组数为3组，每组叶轮均设有5个叶片，同组叶轮的相邻两叶柄5的夹角度数为72度，相邻两叶轮的叶柄5的夹角度数24度。\n[0034] 从图2可以看出，整个叶轮的360度被15个叶柄5所均分，使水轮机采集的采集密度增加，采集均匀，还不会增加水平轴的负担，确保轴系的平衡稳定。\n[0035] 实验表明，在水平轴2上设置3组叶轮，每组叶轮设置5个叶柄5和叶片6，共15个角度相措设置的叶柄5和叶片6，其产生的力矩比一个叶轮设置15个叶柄和叶片的情况均匀，水能利用率也高，也更加稳定。\n[0036] 所述水平轴2长3米，所述的力矩盘4的直径为30cm。\n[0037] 所述叶柄5的长度为2米。\n[0038] 本实施例的水轮机的工作原理：\n[0039] 当丰水期时，浮艇8在浮力的作用下随着水面上升，托动支撑架1也上升，水平轴2在导向架9的开口10的导向作用下垂直向上运动，同时，水平轴2上的叶轮在水流的推动下正常转动；\n[0040] 在枯水期，浮艇8在浮力的作用下随着水面下降，托动支撑架1也下降，水平轴2在导向架9的开口10的导向作用下垂直向下运动，水位过低时，支杆7首先触底，将叶轮固定支撑在正常工作高度，同时，水平轴2上的叶轮在水流的推动下正常转动。\n[0041] 实施例2、\n[0042] 利用实施例1的水轮机进行发电的方法，步骤如下：\n[0043] 1)将低速永磁发电机固定设置在浮艇8上，将水轮机的力矩盘4与低速永磁发电机组相连；\n[0044] 2)当水流速度大于等于2m/s时，水轮机的叶轮开始转动；水流速度范围是：2m/s～20m/s，叶轮的转速为6～7转/min。\n[0045] 3)叶轮转动带动力矩盘4转动，力矩盘4与低速永磁发电机相连，带动发电机组进行发电。\n[0046] 实施例3、\n[0047] 如实施例1所述的水轮机，区别在于：\n[0048] 在水平轴2上设置5组叶轮，所述的叶轮均设有5个叶片。同组叶轮的相邻两叶柄5的夹角度数为72度，相邻两叶轮的叶柄5的夹角度数14.4度。\n[0049] 从水轮机的侧面可以看出，整个叶轮的360度被25个叶柄5所均分，因此θ角的度数为14.4度。