链条式水轮机发电系统技术方案

本发明专利技术提出了一种链条式水轮机发电系统，相比现有技术的反击式（轴流式、混流式）或者冲击式（水斗式）水轮机，链条式水轮机发电系统，纯粹靠水流动能发电，发电时不对水流速度产生阻碍，同样的功率条件下，其引水管截面小，施工容易；其发电机工作在高转速下，所以，发电机体积重量和造价大幅降低；其水轮机可以随下游水位的变化自动调整高度，所以不会造成水头的浪费；链条式水力发电系统，理论上可以使水流动能得到100%的吸收，发电效率高。

Chain turbine power generation system

The invention provides a chain turbine power generation system. Compared with the counterattack (axial flow type, mixed flow type) or impact (bucket type) turbine and chain turbine power generation system in the prior art, the chain turbine power generation system relies solely on water kinetic energy to generate electricity without hindering the flow speed. Under the same power condition, its diversion pipe section is small and its construction is easy. At high speed, the volume, weight and cost of the generator are greatly reduced; the turbine can automatically adjust its height with the change of downstream water level, so it will not cause waste of water head; the chain-type hydraulic power generation system can theoretically absorb water kinetic energy by 100% and generate electricity efficiently.

【技术实现步骤摘要】
链条式水轮机发电系统
本专利技术涉及一种链条式水轮机发电系统，属于发电及新能源

技术介绍
水力发电作为传统的发电形式，以其容量大，环保，综合效益高等特点，历来受到世界各国的高度重视。我国国土辽阔，水力资源非常丰富，但由于种种原因，丰富的水力资源并未得到合理的利用，水力发电占总发电量的比例偏低。水力发电是将水的动能转换成旋转机械能，再将旋转机械能转换成电能的过程。这个转换过程是通过水轮机实现的；水轮机的种类繁多，轴流式和混流式水轮机，实际上其转轮是在转轮前水流的推动下旋转的，其转轮前水流速度与转轮后水流速度相差不大，转轮前水流速度和压力代表着输入能量，转轮的旋转速度代表着吸收的能量，转轮后水流速度则代表了流失的能量；可以想象，转轮前水流速度与转轮后水流速度是不会有很大差别的；所以为了降低转轮后的水流速度，以减少能量的流失，只能将转轮前的水流速度尽可能降低；采用低转速的水轮发电机发电；但这样自然带来一个问题，就是，因为水流速度的降低，使得水流的流量也大幅降低；而流量的降低使总的能量降低；为了加大流量增加总能量，只得加大引水管通径和加大水轮机转轮直径；这必然造成制造成本的大幅提高和增加运输安装的难度；即使这样，水轮机转轮后流出的水的速度也不可能为零，意味着这部分水的动能流失是不可避免的；针对这个问题，现有技术采用尾水管对这部分流失的能量进行回收，但回收效果有限，所以，理论上这种水轮机效率不会太高。轴流式和混流式水轮机，为了减少转轮后水流动能的流失，通过增大转轮对水流的阻力而将水流速度降低，以三峡70万千瓦发电机组为例：其额定水头80.6米，额定流量991.8立方米/秒，额定容量710MW。如果水流没有任何阻力，自80.6米处自由落体，其速度为：1/2*M*V2=M*g*80.6；V=√80.6*9.8*2=39.75米/秒；因其额定流量为991.8立方米/秒，引水管直径为12.8米，所以其流通截面=(12.8/2)*(12.8/2)*3.14=128.6m2，计算得出其实际水流速度为：V=991.8/128.6=7.7米/秒；而同样的水头下，本专利技术的链条式水力发电系统，因其无需对水流进行降速，只需要直径5.4米的引水管就可以满足流量910立方米/秒，发电72万千瓦的需求，引水管流通截面23m2，只是128.6m2的17.8%。冲击式水斗型水轮机，是利用高速水流冲击叶轮水斗产生旋转推力的原理来工作的，这与本专利技术的链条式水力发电系统的基本工作原理相同，理想情况下，其理论上是可以做到对水流动能100%吸收的。但是，其为了达到获得高速水流的目的，需要缩小喷嘴口径来增加喷口压力，利用压力产生高速水流，这样无疑会增加对水流的阻力，降低喷口前水流速度；而且其只适于在高水头低流量的情况下使用；因为，其水斗的尺寸受到加工制造能力和安装现场的限制，不可能做得太大，因此其单位时间通过的水流量非常有限，有限的水流量要产生大的能量，只有提高水流的速度，而低水头是不可能产生高速度的；所以其不适于低水头大流量的场合；显然，转轮前的水流速度越高，转轮后的水流速度越低，水轮机的效率越高；如果转轮后的水流速度为零，则效率为100%；然而，现有技术的水轮机是无法做到这一点的；本专利技术的链条式水力发电系统，其链条式水轮机长长链条上的众多叶片，在很长的距离上同时受到从上部出水管下部开口流出的具有水平速度的水流冲击，水流动能被分散吸收，所以其有效地规避了冲击式水斗型水轮机的缺点。水流冲击链条叶片的过程，其实就是两个弹性物体的碰撞过程，根据动量守恒定律和机械能守恒定律得出如下方程：设水流的质量为m；叶片链条发电机等效质量为M；碰撞前链条速度为V1；碰撞前水流速度v1；碰撞后链条速度V2；碰撞后水流速度v2；则得：方程1：1/2MV12+1/2mv12=1/2MV22+1/2mv22；方程2：MV1+mv1=MV2+mv2；联立以上2方程：将v2=（MV1+mv1-MV2）/m带入方程1；得：1/2MV12+1/2mv12=1/2MV22+1/2m（（MV1+mv1-MV2）/m）2；等式两端同时除以1/2m，得：M/mV12+v12=M/mV22+（M/mV1+v1-M/mV2）2；M/mV12+v12=M/mV22+（M/mV1+v1）2-2*（M/mV1+v1）*M/mV2+M2/m2*V22；（M/m+M2/m2）V22-2*M/m（M/mV1+v1）V2-M/mV12-v12+（M/mV1+v1）2；（M/m+M2/m2）V22-2*M/m（M/mV1+v1）V2+（M/mV1+v1）2-M/mV12-v12；对此一元二次方程求解：V2=v2=（MV1+mv1-MV2）/m；如果水流的质量为m=10；叶片链条发电机等效质量为M=10000；碰撞前链条速度V1=19；碰撞前水流速度v1=38；解方程得：碰撞后水流速度V2=0.03796米/秒；碰撞后链条速度v2=19.376米/秒；链条碰撞前后动能差7219.99；碰撞前链条速度V1=18；碰撞前水流速度v1=38；解方程得：碰撞后水流速度V2=-1.96米/秒；碰撞后链条速度v2=18.04米/秒；链条碰撞前后动能差7200.79；碰撞前链条速度V1=20；碰撞前水流速度v1=38；解方程得：碰撞后水流速度V2=2.036米/秒；碰撞后链条速度v2=20.036米/秒；链条碰撞前后动能差7199.27；以上计算数据说明：水流速度大于或者小于链条速度的2倍时，碰撞后水流速度的绝对值均大于碰撞前水流速度正好是链条速度2倍时的速度绝对值；而水流速度等于链条速度的2倍时，碰撞后的水流速度趋近于零；且链条等效质量越大，碰撞后的水流速度越趋近于零；碰撞后的水流速度为零，说明其全部动能传递给了叶片和链条；叶片链条碰撞前后的动能差，也说明在水流速度是链条速度的2倍时叶片链条碰撞前后的动能差最大，即吸收的动能最多。根据这个原理，如果将链条速度调整为水流速度的一半，则发电系统的效率将是100%；因为本专利技术的链条式水力发电系统，发电时不会对水流速度产生阻碍，所以其不仅适用于高水头低流量，更适合于低水头大流量的场合；理论上，在理想条件下，其在各种场合下都能做到对水流动能的100%吸收。
技术实现思路
本专利技术的技术方案是这样实现的：链条式水轮机发电系统，由链条式水轮机、引水管、流量控制阀门、出水管、浮箱、固定链条传动机构、升速齿轮、发电机组成。链条式水轮机，由链条、链轮、叶片、L型叶片挡块组成。叶片随上部链条一起运动时，因L型挡块的阻碍，其在水流的冲击下，只能在垂直于水平面的角度上向右移动；当行至右侧链轮处时，叶片在链轮的主轴阻挡下自然翻转，转至右侧链轮下部时，在链条带动和水流冲击的共同作用下，叶片自然呈水平状态向左移动。行至左侧链轮处时，叶片因自身重力自然下垂，转过左侧链轮后，因自身重力下垂后垂直于水平面，由于L形挡块的阻挡，叶片在水流冲击下保持垂直状态向右移动。引水管用于将具有一定势能的水引入，其末端装有流量控制阀门，用于调节入水流量，其固定安装在坝体之上。出水管水平安装在链条式水轮机的上面，其一端与引水管相连，但可以相对引水管上下移动。出水管的下面设有长条形开口，管中高速流动的水，会从该开口中流出，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种链条式水轮机发电系统，其特征在于：包括链条式水轮机、安装在链条式水轮机上部的出水管、与出水管相连的引水管、安装在引水管上的流量控制阀门、用于承载链条式水轮机和出水管，随水位起伏升降的浮箱、用于在水位变化时传递动力的固定链条传动机构、发电机。

【技术特征摘要】
1.一种链条式水轮机发电系统，其特征在于：包括链条式水轮机、安装在链条式水轮机上部的出水管、与出水管相连的引水管、安装在引水管上的流量控制阀门、用于承载链条式水轮机和出水管，随水位起伏升降的浮箱、用于在水位变化时传递动力的固定链条传动机构、发电机。2.根据权利要求1所述的链条式水轮机，其特征在于：链条式水轮机包括2根链条、若干个链轮、若干个叶片和L型挡块；链条和链轮的结构与常规普通链条和链轮相同，只是安装叶片的链节转轴有所不同；每个链条式水轮机具有两根封闭的链条；每根链条根据长短不同配有不同数量的链轮，两根链条对称平行设置，链轮也是平行对称设置，末端两个平行对称设置的链轮，相互通过一根主轴连接，主轴安装在基座上，该链轮主轴同轴安装一个动力输出链轮；除去末端的两个链轮之外，其他平行对称设置的链轮，相互之间没有主轴连接；每个链轮单独通过支架固定在基座上；链轮叶片是一个两侧具有转轴的平板，其转轴插入两侧链节的转轴的中心孔中，装有叶片的链节转轴上，其中心孔外缘固定有一个L型的挡块，L型挡块与链节连片固定，用于限制叶片的转动角度；叶片随上部链条一起运动时，因挡块的阻碍，其只能在水流的冲击下，以垂直于水平面的角度向水流方向移动；如果水流方向向右，当叶片行至右侧链轮处时，叶片在链轮的主轴阻挡下自然翻转，转至右侧链轮下部时，叶片在链条带动和水流冲击的共同作用下，自然呈水平状态向左移动；行至左侧链轮处时，叶片因自身重力自然下垂，转过左侧链轮后，叶片因自身重力自然下垂，下垂后的叶片因有L形挡块的阻挡，其在水流的冲击下只能保持垂直状态向右移动；链条式水轮机运行时，其做功叶片在链条封闭环形...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖敏，
申请(专利权)人：大连嘉宏至伟新技术开发有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21