用于高水头、大容量的立轴串联式混流水轮机的发电方法技术

本发明专利技术公开了一种用于高水头、大容量的立轴串联式混流水轮机的发电方法。它包括如下步骤：水流进入一级混流式转轮，消纳1/N水头，通过一级混流式转轮转动，驱动主轴转动；流经一级混流式转轮的水流，经单一共流道内的分水流道分配1/N水头，进入与一级混流式转轮同轴的二级混流式转轮，消纳1/N水头，通过二级混流式转轮转动，驱动主轴转动；以此类推，

【技术实现步骤摘要】
用于高水头、大容量的立轴串联式混流水轮机的发电方法


[0001]本专利技术涉及水力发电
，具体地指一种用于高水头、大容量的立轴串联式混流水轮机的发电方法。

技术介绍

[0002]现有的水力发电水轮机包括冲击式水轮机和混流式水轮机。冲击式水轮机适用于高水头条件下，特别是大于700m水头，但冲击式水轮机存在以下弊端：其一，由于冲击式水轮机转轮露出水面，在大气压力下工作，喷嘴射流速度和水斗转轮的转速高，其单机容量受到转轮材料的限制，目前冲击式水轮机的最大单机容量为423MW；其二，在水头高于700m时，河流泥沙含量较大时，冲击式水轮机的泥沙磨损问题严重，设备维护周期和使用寿命大幅缩短。
[0003]混流式水轮机全部工作在水下流道中，具有较低的转速和更大的单机容量，目前最大单机容量可达1000MW；另外，相对于冲击式水轮机，混流式水轮机的效率更高、抗耐受泥沙的性能更优。现有技术中的混流式水轮机包括主轴、发电机、导轴承、推力轴承和单级混流水轮机，主轴上下两端分别架设在导轴承和推力轴承上，单级混流水轮机包括进水管、蜗壳、顶盖、底环、尾水管、转轮及其对应的导水机构；进水管由多段压力钢管通过法兰连接构成，其末端压力钢管与蜗壳相连接，蜗壳内部上侧设置有顶盖，蜗壳内部下侧设置有环形底环，顶盖上贯穿设有导叶机构，导叶机构的一端设有导叶，导叶位于顶盖和环形底环构成的上空腔内，导叶机构控制导叶的开度和启闭，进而控制进入转轮的水流流量；转轮设置在环形底环内下侧构成的转轮腔体内，转轮腔体一端与上腔体贯通，另一端连接作为出水口的尾水管；发电机布置在水轮机的上部，通过主轴和下部水轮机转轮连接，主轴的中间段与转轮相连，转轮转动驱动发电机发电；混流式水轮机运行时，转轮旋转过程中会产生一个沿主轴方向的轴向推力，推力轴承承担水轮机产生的全部推力负荷。随着水头的增大，特别是超过600m水头时，单级混流水轮机的运行稳定区由于水力稳定问题而大幅减小，导致转轮叶片对强度的要求急剧变大。作为水轮机的关键部件，转轮叶片由于刚强度要求过高而使得制造难度急剧变大，难以甚至无法合理选型和制造。
[0004]我国西部地区河流水能开发条件具备的开发水头高达800m～1000m，而且由于河道狭窄，电站厂房布置空间受限，单机容量需要达到500MW～1000MW。我国西部地区河流水能开发条件中前一项的高水头指标大大突破了现有的混流式水轮机的水头，后一项的大容量指标大大突破了现有的冲击式水轮机单机容量。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是要解决在高水头、大容量条件下，提高混流水轮机发电的稳定性，提供一种用于高水头、大流量的立轴串联式混流水轮机的发电方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术研制出了一种用于高水头、大流量的立轴串联式混流水轮机的发电方法，其特别之处在于，包括如下步骤：
[0007]步骤1)，水流进入一级混流式转轮，消纳1/N水头，通过一级混流式转轮转动，驱动主轴转动；
[0008]步骤2)，流经一级混流式转轮的水流，经单一共流道内的分水流道分配1/N水头，并保持圆周方向旋转，进入与一级混流式转轮同轴的二级混流式转轮，消纳1/N水头，通过二级混流式转轮转动，驱动主轴转动；
[0009]步骤3)，流经二级混流式转轮的水流，经单一共流道内的分水流道分配1/N水头，并保持圆周方向旋转，进入与二级混流式转轮同轴的三级混流式转轮，消纳1/N水头，通过三级混流式转轮转动，驱动主轴转动；
[0010]步骤4)，以此类推，
……
至N级；
[0011]所述N为立轴串联式混流水轮机的级数，且N大于等于2；另外上述各级混流式转轮具有完全相同的规格尺寸，且同轴共速。
[0012]进一步地，步骤1)中，所述水流进入一级混流式转轮之前，通过设置在一级混流式转轮入口处的一级导水机构调节一级水流量大小；步骤2)中，所述水流进入二级混流式转轮之前，通过设置在二级混流式转轮入口处的二级导水机构调节二级水流量大小；步骤3)中，所述水流进入三级混流式转轮之前，通过设置在三级混流式转轮入口处的三级导水机构调节三级水流量大小；步骤4)中，所述水流进入N级混流式转轮之前，通过设置在N级混流式转轮入口处的N级导水机构调节N级水流量大小。
[0013]更进一步地，步骤1)中，所述水流经过一级导水机构之前，通过设置在一级导水机构入口处的蜗壳引导水体沿圆周方向流动，并加速产生旋转水流，将液体动能转换为静压能。
[0014]更进一步地，所述水流为高水头、大流量水流，水头高度大于600m，水流流量大于70m3/s。
[0015]更进一步地，所述用于高水头、大容量的立轴串联式混流水轮机包括上端贯穿发电机并为其提供动力的主轴，所述主轴架设在N个导轴承和推力轴承上，所述主轴中部连接有用于驱动主轴转动的串联式混流水轮机，所述串联式混流水轮机包括轴向布置的N级混流式转轮，且每级所述混流式转轮均与主轴连接，相邻的每级转轮腔体之间均通过所述分水通道串联，从而形成单一共流道；水流在单一共流道内依次通过串联的N级混流式转轮，实现按级数等比例分配和消纳高水头。
[0016]更进一步地，所述分水通道为安装在主轴四周，且沿轴向截面呈对称布置的横向U型压力钢管。
[0017]更进一步地，一级所述混流式转轮入口处设有倾角可调的一级导叶，所述一级导叶位于蜗壳和一级转轮腔体之间的上空腔内，并通过一级导水机构调节其水流流量；二级所述混流式转轮入口处设有倾角可调的二级导叶，所述二级导叶位于二级所述混流式转轮对应的分水通道中，并通过二级导水机构调节其水流流量；三级所述混流式转轮入口处设有倾角可调的三级导叶，所述三级导叶位于三级所述混流式转轮对应的分水通道中，并通过三级导水机构调节其水流流量；以此类推，......至N级。
[0018]更进一步地，所述一级导水机构包括设置在上腔体外侧、与所述一级导叶连接的一级支臂，所述一级支臂另一端连接有一级控制环，所述一级控制环通过其上连接的一级接力器控制一级导叶的开度和启闭；所述二级导水机构包括设置在其对应的分水通道外
侧、与所述二级导叶连接的二级支臂，所述二级支臂另一端连接有二级控制环，所述二级控制环通过其上连接的二级接力器控制二级导叶的开度和启闭；所述三级导水机构包括设置在其对应的分水通道外侧、与所述三级导叶连接的三级支臂，所述三级支臂另一端连接有三级控制环，所述三级控制环通过其上连接的三级接力器控制三级导叶的开度和启闭；以此类推，......至N级。
[0019]更进一步地，所述一级支臂、一级控制环和一级接力器均布置在所述上腔体上侧；所述二级支臂、二级控制环和二级接力器)均布置在所述二级导水机构对应的分水通道下侧；所述三级支臂、三级控制环和三级接力器均布置在所述三级导水机构对应的分水通道下侧；以此类推，......至N级，从而方便各级导水机构、各级混流式转轮的安装及拆卸检修。
[0020]更进一步地，所述串联式混流水轮机还包括与蜗壳连接的进水管，及与最后一级所述混流式转轮连接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于高水头、大容量的立轴串联式混流水轮机的发电方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)，水流进入一级混流式转轮(5
‑
1)，消纳1/N水头，通过一级混流式转轮(5
‑
1)转动，驱动主轴(2)转动；步骤2)，流经一级混流式转轮(5
‑
1)的水流，经单一共流道内的分水流道(5
‑
2)分配1/N水头，并保持圆周方向旋转，进入与一级混流式转轮(5
‑
1)同轴的二级混流式转轮(5
‑
1)，消纳1/N水头，通过二级混流式转轮(5
‑
1)转动，驱动主轴(2)转动；步骤3)，流经二级混流式转轮(5
‑
1)的水流，经单一共流道内的分水流道(5
‑
2)分配1/N水头，并保持圆周方向旋转，进入与二级混流式转轮(5
‑
1)同轴的三级混流式转轮(5
‑
1)，消纳1/N水头，通过三级混流式转轮(5
‑
1)转动，驱动主轴(2)转动；步骤4)，以此类推，
……
至N级；所述N为立轴串联式混流水轮机的级数，且N大于等于2；另外上述各级混流式转轮(5
‑
1)具有完全相同的规格尺寸，且同轴共速。2.根据权利要求1所述的用于高水头、大容量的立轴串联式混流水轮机的发电方法，其特征在于：步骤1)中，所述水流进入一级混流式转轮(5
‑
1)之前，通过设置在一级混流式转轮(5
‑
1)入口处的一级导水机构(5
‑
3)调节一级水流量大小；步骤2)中，所述水流进入二级混流式转轮(5
‑
1)之前，通过设置在二级混流式转轮(5
‑
1)入口处的二级导水机构(5
‑
4)调节二级水流量大小；步骤3)中，所述水流进入三级混流式转轮(5
‑
1)之前，通过设置在三级混流式转轮(5
‑
1)入口处的三级导水机构(5
‑
5)调节三级水流量大小；步骤4)中，所述水流进入N级混流式转轮(5
‑
1)之前，通过设置在N级混流式转轮(5
‑
1)入口处的N级导水机构(5
‑
5)调节N级水流量大小。3.根据权利要求2所述的用于高水头、大容量的立轴串联式混流水轮机的发电方法，其特征在于：步骤1)中，所述水流经过一级导水机构(5
‑
3)之前，通过设置在一级导水机构(5
‑
3)入口处的蜗壳(5
‑
6)引导水体沿圆周方向流动，并加速产生旋转水流，将液体动能转换为静压能。4.根据权利要求3所述的用于高水头、大容量的立轴串联式混流水轮机的发电方法，其特征在于：所述水流为高水头、大流量水流，水头高度大于600m，水流流量大于70m3/s。5.根据权利要求4所述的用于高水头、大容量的立轴串联式混流水轮机的发电方法，其特征在于：所述用于高水头、大容量的立轴串联式混流水轮机包括上端贯穿发电机(1)并为其提供动力的主轴(2)，所述主轴(2)架设在N个导轴承(3)和推力轴承(4)上，所述主轴(2)中部连接有用于驱动主轴(2)转动的串联式混流水轮机(5)，所述串联式混流水轮机(5)包括轴向布置的N级混流式转轮(5
‑
1)，且每级所述混流式转轮(5
‑
1)均与主轴(2)连接，相邻的每级转轮腔体(5
‑
7)之间均通过所述分水通道(5
‑
2)串联，从而形成所述的单一共流道。6.根据权利要求5所述的用于高水头、大容量的立轴串联式混流水轮机的发电方法，其特征在于：所述分水通道(5
‑
2)为安装在主轴(2)四周，且沿轴向截面呈对称布置的横向U型压力钢管。7.根据权利要求6所述的用于高水头、大容量的立轴串联式混流水轮机的发电方法，其特征在于：一级所述混流式转轮(5
‑
1)入口处设有倾角可调的一级导叶(5
‑3‑
1)，所述一级导叶(5
‑3‑
1)位于蜗壳(5
‑
6)和一级转轮腔体(5
‑
7)之间的上空腔(5
‑
8)内，并通过一级导水

【专利技术属性】
技术研发人员：梁波，何峰，郑涛平，桂绍波，胡定辉，李玲，
申请(专利权)人：长江勘测规划设计研究有限责任公司，
类型：发明
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