一种用于微水头水力发电的水工结构及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种用于微水头水力发电的水工结构——曲线型明渠(简称曲渠)，与天然河道或人工渠道相连接，对原河流流动进行了改道，包括上层进口段、上层曲线型明渠段、中层水轮机室和下层出口段，上层进口段与上层曲线明渠段弧形过渡连接，上层进口段的过流面积逐渐减小，水流受到边壁收缩作用实现一级增速，所述中层水轮机室设置于上层曲线型明渠段的旋转中心底部或其上方，中层水轮机室的边缘与曲线型明渠段的挡墙对水流环向引流并二级增速，二级增速段的过流面积逐渐减小，所述中层水轮机室中固定由水轮机，出口段垂直设置于中层水轮机室的下方。本发明专利技术还公开了一种用于微水头水力发电的水工结构的设计方法，包括基本参数的设定、断面划分、各断面水深和底宽的拟定、各断面旋转半径的确定、曲线型明渠段的平面图和断面单线图的绘制。该水工结构能够将水流的压强势能和微小位置势能转换成动能，最终转换成电能，增加中东部的水力能源的利用效率，减轻中东部的能源压力。中东部的能源压力。中东部的能源压力。

A hydraulic structure and its design method for micro head hydropower generation

【技术实现步骤摘要】
一种用于微水头水力发电的水工结构及其设计方法


[0001]本专利技术涉及水工构筑物领域，具体涉及一种用于微水头水力发电的水工结构及其设计方法。

技术介绍

[0002]水力能源是一种清洁能源，利用水力能源进行发电将会减少煤炭资源的消耗以及对环境的污染。目前的水力发电方式主要是通过筑坝蓄水提高水位，利用水的位能做功，带动水轮发电机组发电。这样的大型水电项目一般选址在水力能源丰富的地区，如中国云南省西部。大型水电站工程不仅一次性投资大，后期运行成本逐年上升，对生态环境的影响也会越发严重。中小型水电项目因其引起的严重生态破坏问题而不断受到清理和整改。
[0003]对于地势较为平缓的中东部平原地区，虽然水力能源丰富，但由于水头较低，一直未充分开发利用，导致大量水力能源并未用于中东部地区电能供应。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了充分利用中东部地区的水力能源，提供了一种用于微水头水力发电的水工结构及其设计方法，该水工结构将原本无法进行水力发电的低水头缓慢水流经过进口段流至曲线型明渠段，通过多级增速且获得环量，带动水轮机室内的水轮机进行发电，其将水流的压强势能和微小位置势能转换成动能，进而将动能转换成旋转机械能，最后得到电能。
[0005]为了达到上述技术效果，本专利技术通过以下技术方案实现的：
[0006]一种用于微水头水力发电的水工结构——曲线型明渠(简称曲渠)，其与天然河道或人工渠道相连接，对原河流流动进行了改道。包括上层进口段、上层曲线型明渠段、中层水轮机室和下层出口段，上层进口段与上层曲线明渠段弧形过渡连接，上层进口段的过流面积逐渐减小，水流受到边壁收缩作用实现一级增速，所述中层水轮机室设置于上层曲线型明渠段的旋转中心底部或其上方，中层水轮机室的边缘与曲线型明渠段的挡墙对水流环向引流并二级增速，二级增速段的过流面积逐渐减小，所述中层水轮机室中固定由水轮机，出口段垂直设置于中层水轮机室的下方。
[0007]本专利技术还提供了用于微水头水力发电的水工结构的设计方法，包括以下步骤：
[0008]S1、基本参数的设定：由于矩形断面明渠过水能力较好，且设计、施工简便，应用较为广泛，所以本次设计选用矩形过水断面。设定进入曲线型明渠中的流量为Q，水轮机叶片的旋转半径为R；
[0009]S2、断面划分：绘制平面计算简图，从出口段面开始，按顺时针方向每隔一定角度将进口段和曲线型明渠段划分为N个断面，与曲线型明渠段末端相连的出水边为鼻端，从鼻端到各个断面之间的中心角为包角；
[0010]S3、各断面水深和底宽的拟定：
[0011](a)利用矩形断面的天然河道或人工渠道均匀流水深H的迭代公式：
[0012][0013]式中，n为粗糙系数，i为坡度，B为矩形断面的天然河道或人工渠道的底宽；
[0014](b)构建曲线型明渠段各断面平均水深h的计算公式：
[0015]h＝H(2)；
[0016](c)构建曲线型明渠段各断面底宽b
i
的定义：
[0017][0018]式中，h为平均水深，υ
i
为各断面的平均流速；
[0019]S4、各断面旋转半径的确定：
[0020](d)构建各断面旋转半径r
i
的定义：
[0021][0022]式中，r
b
为水轮机室的内径，r0为出口断面旋转半径，d为曲线型明渠段壁厚；
[0023](e)构建各断面旋转半径Δr的增量计算公式：
[0024][0025]式中，为流速倒数增量。
[0026]由式(4)和式(5)得到各断面旋转半径的计算公式：
[0027]r
i+1
＝r
i
+Δr(6)
[0028]由式(4)得到各断面底宽。
[0029]S5、根据各断面旋转半径和底宽、曲线型明渠段壁厚、曲线型明渠段壁高h
w
进行曲线型明渠段的平面图和断面单线图的绘制。
[0030]3、根据权利要求2所述的用于微水头水力发电的水工结构的设计方法，其特征在于，在所述步骤S3中构建水深计算公式之前，为了简化计算，提出2个假设，包括：
[0031](1)各断面水深径向沿程减小，且减小的幅度较大，故取平均水深h进行设计，而各断面平均水深h
i
环向沿程减小，渠底近乎水平以及水轮机室对水流具有阻滞作用，使其减小的幅度很小，可近似认为不变，即
[0032]h
i
＝h(7)；
[0033](2)各断面流量Q
i
径向沿程减小，且减小的幅度很小，可近似认为不变，即
[0034]Q
i
＝Q(8)。
[0035]本专利技术的有益效果是：该水工结构将原本无法进行水力发电的低水头缓慢水流经过进口段流至曲线型明渠段，通过多级增速且获得环量，带动水轮机室内的水轮机进行发电，其将水流的压强势能和微小位置势能转换成动能，进而将动能转换成旋转机械能，最后得到电能；本专利技术能够带动小型低压涡轮发电机对微水头水力发电资源进行开发，可作为小水电项目的补充，减小长江经济带小水电生态环境影响，解决西部海拔高水量丰富发电量多而东部海拔低水量匮乏发电量少的问题；本专利技术无需大型土木工程，投资小，施工简
单，后期维护方便，对原有生态环境影响极小，对人工修筑渠道改装成本很小，由于整个装置结构简单，故发电转换效率较高，能量损耗低，使微水头水力能源得到充分利用。
附图说明
[0036]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]图1是用于微水头水力发电的水工结构的结构示意图；
[0038]图2是用于微水头水力发电的水工结构的平面计算简图；
[0039]图3是实施例中的曲线型明渠段的两种布局方式示意图；
[0040]图4是所述曲渠1的断面单线图；
[0041]图5是所述曲渠2的断面单线图；
[0042]图6是本实施例中水轮机的安装结构示意图；
[0043]图7是本实施例中毕托管、静压管和动压管的布局示意图；
[0044]图8是各测点速度曲线图；
[0045]图9是本实施例中曲渠1和曲渠2的发电效果图。
[0046]附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0047]1‑
天然河道或人工渠道，2
‑
上层进口段，3
‑
上层曲线型明渠段，4
‑
中层水轮机室，5
‑
下层出口段。
具体实施方式
[0048]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于微水头水力发电的水工结构——曲线型明渠(简称曲渠)，其特征在于，与天然河道或人工渠道相连接，对原河流流动进行了改道，包括上层进口段、上层曲线型明渠段、中层水轮机室和下层出口段，上层进口段与上层曲线明渠段弧形过渡连接，上层进口段的过流面积逐渐减小，水流受到边壁收缩作用实现一级增速，所述中层水轮机室设置于上层曲线型明渠段的旋转中心底部或其上方，中层水轮机室的边缘与曲线型明渠段的挡墙对水流环向引流并二级增速，二级增速段的过流面积逐渐减小，所述中层水轮机室中固定由水轮机，出口段垂直设置于中层水轮机室的下方。2.一种用于微水头水力发电的水工结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、基本参数的设定：由于矩形断面明渠过水能力较好，且设计、施工简便，应用较为广泛，所以本次设计选用矩形过水断面，设定进入曲线型明渠中的流量为Q，水轮机叶片的旋转半径为R；S2、断面划分：绘制平面计算简图，从出口段面开始，按顺时针方向每隔一定角度将进口段和曲线型明渠段划分为N个断面，与曲线型明渠段末端相连的出水边为鼻端，从鼻端到各个断面之间的中心角为包角S3、各断面水深和底宽的拟定：(a)利用矩形断面的天然河道或人工渠道均匀流水深H的迭代公式：式中，n为粗糙系数，i为坡度，B为矩形断面的天然河道或人工渠道的底宽；(b)构建曲线型明渠段各断面平均水深h的计算公式：h＝H(2)；(c)构建曲线型明渠段各断面底宽b
i

【专利技术属性】
技术研发人员：尹锐，谢建斌，姚激，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：