用于高水头、大容量的立轴串联式混流水轮机的发电方法
阅读说明：本技术 用于高水头、大容量的立轴串联式混流水轮机的发电方法 (Power generation method for high-water-head large-capacity vertical shaft series-connection type mixed-flow water turbine ) 是由 梁波 何峰 郑涛平 桂绍波 胡定辉 李玲 于 2021-06-01 设计创作，主要内容包括：本发明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,……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具有完全相同的规格尺寸,且同轴共速。该方法实现了对高水头、大流量水能按级数等比例分配和消纳,从而提高了混流水轮机在高水头条件下发电的稳定性。(The invention discloses a power generation method for a vertical shaft series-connection type mixed-flow water turbine with high water head and large capacity. It comprises the following steps: the water flow enters the first-stage mixed-flow runner, 1/N water head is absorbed, and the main shaft is driven to rotate through the rotation of the first-stage mixed-flow runner; the water flow flowing through the first-stage mixed-flow runner distributes a 1/N water head through a water distribution runner in the single common runner, enters the second-stage mixed-flow runner coaxial with the first-stage mixed-flow runner, absorbs the 1/N water head, and drives the main shaft to rotate through the rotation of the second-stage mixed-flow runner; by analogy, … … to level N; n is the number of stages of the vertical shaft series-connection type mixed-flow water turbine and is more than or equal to 2; in addition, the mixed-flow rotating wheels at all stages have the same specification and size and are coaxial and at the same speed. The method realizes the equal-proportion distribution and consumption of water energy with high water head and large flow according to the series, thereby improving the stability of the mixed flow water turbine in generating under the condition of high water head.)
技术领域
本发明涉及水力发电
技术领域
，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。背景技术
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。
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。
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。
发明内容
本发明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。
为实现上述目的，本发明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：
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；
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；
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；
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具有完全相同的规格尺寸，且同轴共速。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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的座环，所述座环另一端连接有弯肘式尾水管。
本发明的优点在于：
1.单一共流道内的各级分水流道能够自动分配1/N水头。
2.串联同轴的N级混流式转轮分别消纳各自的1/N水头，共同驱动主轴转动，转化为电能。
本发明的用于高水头、大流量的立轴串联式混流水轮机的发电方法一方面实现了对高水头、大流量水能按级数等比例分配和消纳，提高了混流水轮机在高水头条件下发电的稳定性。
附图说明
附图1为本发明所提出的用于高水头、大流量的立轴串联式混流水轮机的发电方法中的串联式两级混流水轮机沿轴向的剖视结构示意图；
附图2为本发明所提出的用于高水头、大流量的立轴串联式混流水轮机的发电方法中的串联式三级混流水轮机沿轴向的剖视结构示意图；
图中：发电机1、主轴2、导轴承3、推力轴承4、串联式混流水轮机5、混流式转轮5-1、分水通道5-2、一级导水机构5-3、二级导水机构5-4、三级导水机构5-5、蜗壳5-6、转轮腔体5-7、上空腔5-8、座环5-9、尾水管5-10、进水管5-11；
其中：一级导水机构5-3包括：一级导叶5-3-1、一级支臂5-3-2、一级控制环5-3-3、一级接力器5-3-4；
二级导水机构5-4包括：二级导叶5-4-1、二级支臂5-4-2、二级控制环5-4-3、二级接力器5-4-4；
三级导水机构5-5包括：三级导叶5-5-1、三级支臂5-5-2、三级控制环5-5-3、三级接力器5-5-4。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。
实施例1：
如图1所示，本实施例描述的用于高水头、大流量的立轴串联式混流水轮机的发电方法中的串联式(两级)混流水轮机，其单机容量800MW，用来开发900m水头，发电步骤如下：
步骤1)，900m水头、流量约95m3/s水流经过进水管5-11进入蜗壳5-6，蜗壳5-6为水体沿圆周方向流动起到导向作用，并加速产生旋转水流，将液体动能转换为静压能；水流经过一级导水机构5-3中的一级导叶5-3-1时，一级导水机构5-3通过调节一级导叶5-3-1倾角，调节一级水流量大小；穿过一级导叶5-3-1的水流进入一级混流式转轮5-1，并将1/2静压能转换为一级混流式转轮5-1的动能，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保持圆周方向旋转，来到二级导水机构5-4中的二级导叶5-4-1，同样二级导水机构5-4通过调节二级导叶5-4-1倾角，调节二级水流大小；穿过二级导叶5-4-1的水流进入与一级混流式转轮5-1同轴的二级混流式转轮5-1，并将剩余的1/2静压能转换为二级混流式转轮5-1的动能，通过二级混流式转轮5-1转动，驱动主轴2转动。
由于上述两级混流式转轮5-1采用完全相同的规格、尺寸，比如相同叶形、转轮直径5m情况下，在同轴的情况下具有相同的转速，如400r/min，所以两级混流式转轮5-1处于完全相同的克服发电阻力做功状态，而且具有相同的水力驱动和水力做功,如水轮机405MW/单级，考虑水轮机效率损失，发电机功率则为800MW，从而实现两级情况下各消纳水头50％，即每级混流式转轮5-1各消纳水头450m。上述两级混流式转轮5-1共同驱动主轴2转动，带动发电机1发电。
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架设在两个导轴承3和推力轴承4上，且两个导轴承3沿主轴2均匀分布。所述主轴2中部连接有用于驱动主轴2转动的串联式(两级)混流水轮机5，所述串联式(两级)混流水轮机5包括轴向布置的两级混流式转轮5-1，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之间均通过能够产生圆周旋转水流的分水通道5-2串联，从而形成单一共流道。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，该压力钢管能够产生圆周旋转水流，自动实现水头50％分配，还可以将水头损失减少到最小。水流在单一共流道内依次通过串联的两级混流式转轮5-1，实现按50％分配和消纳高水头，则每级混流式转轮5-1各消纳水头450m。
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，所述一级导水机构5-3包括设置在上腔体5-8外侧、与所述一级导叶5-3-1连接的一级支臂5-3-2，所述一级支臂5-3-2另一端连接有一级控制环5-3-3，所述一级控制环5-3-3通过其上连接的一级接力器5-3-4控制一级导叶5-3-1的开度和启闭。
所述二级导叶5-4-1位于二级所述混流式转轮5-1对应的分水通道5-2中，所述二级导水机构5-4包括设置在其对应的分水通道5-2外侧、与所述二级导叶5-4-1连接的二级支臂5-4-2，所述二级支臂5-4-2另一端连接有二级控制环5-4-3，所述二级控制环5-4-3通过其上连接的二级接力器5-4-4控制二级导叶5-4-1的开度和启闭。
另外，为了方便各级导水机构、各级混流式转轮的安装及拆卸检修，采用的不完全对称的导水机构布置方式，即将所述一级支臂5-3-2、一级控制环5-3-3和一级接力器5-3-4均布置在所述上腔体5-8上侧；所述二级支臂5-4-2、二级控制环5-4-3和二级接力器5-4-4均布置在所述二级导水机构5-4对应的分水通道5-2下侧；
所述串联式(两级)混流水轮机5还包括与蜗壳5-6连接的进水管5-11及与最后一级所述混流式转轮5-1连接的座环5-9。所述进水管5-11作为水流入口，所述座环5-9另一端连接有弯肘式尾水管5-10，作为水流出口。
所述推力轴承4位于主轴2的底端，用于承受和传递每级混流式转轮5-1的轴向水推力，并用于每级混流式转轮5-1沿上、下两个方向拆装。
运行过程中，水流沿所述进水管5-11、蜗壳5-6、单一共流道、座环5-9和尾水管5-10形成的整个流道轨迹线无锐角，整个流道无反击水流，没有整体脱流或局部脱流现象产生。
实施例2：
如图2所示，本实施例描述的用于高水头、大流量的立轴串联式混流水轮机的发电方法中的串联式(三级)混流水轮机，其单机容量1000MW，用来开发1000m水头，发电步骤如下：
步骤1)1000m水头、流量约108m3/s的水流经过进水管5-11进入蜗壳5-6，蜗壳5-6为水体沿圆周方向流动起到导向作用，并加速产生旋转水流，将液体动能转换为静压能；水流经过一级导水机构5-3中的一级导叶5-3-1时，一级导水机构5-3通过调节一级导叶5-3-1倾角，调节一级水流量大小；穿过一级导叶5-3-1的水流进入一级混流式转轮5-1，并将1/3静压能转换为一级混流式转轮5-1的动能，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保持圆周方向旋转，来到二级导水机构5-4中的二级导叶5-4-1，同样二级导水机构5-4通过调节二级导叶5-4-1倾角，调节二级水流大小；穿过二级导叶5-4-1的水流进入与一级混流式转轮5-1同轴的二级混流式转轮5-1，并将余下的1/3静压能转换为二级混流式转轮5-1的动能，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保持圆周方向旋转，来到三级导水机构5-5中的三级导叶5-5-1，同样三级导水机构5-5通过调节三级导叶5-5-1倾角，调节三级水流大小；穿过三级导叶5-5-1的水流进入与二级混流式转轮5-1同轴的三级混流式转轮5-1，并将最后的1/3静压能转换为三级混流式转轮5-1的动能，通过三级混流式转轮5-1转动，驱动主轴2转动。
由于上述三级混流式转轮5-1采用完全相同的规格、尺寸，比如相同叶形、转轮直径6m情况下在同轴的情况下具有相同的转速，如500r/min，所以三级混流式转轮5-1处于完全相同的克服发电阻力做功状态，而且具有相同的水力驱动和水力做功，如水轮机338MW/单级，考虑水轮机效率损失，发电机功率则为1000MW，从而实现三级情况下各消纳水头33.3％，即每级混流式转轮5-1各消纳水头333.3m。上述三级混流式转轮5-1共同驱动主轴2转动，带动发电机1发电。
所述用于高水头、大容量的立轴串联式(三级)混流水轮机与实施例1中的串联式(两级)混流水轮机主要区别在于：二级所述混流式转轮5-1轴向上又增加了三级混流式转轮5-1，二级转轮腔体5-7与三级转轮腔体5-7之间又增加了一段分水通道5-2及对应的三级导水机构5-5，来共同等比例消纳高水头。
具体地，所述三级导水机构5-5包括设置在其对应的分水通道5-2外侧、与所述三级导叶5-5-1连接的三级支臂5-5-2，所述三级支臂5-5-2另一端连接有三级控制环5-5-3，所述三级控制环5-5-3通过其上连接的三级接力器5-5-4控制三级导叶5-5-1的开度和启闭。同样地，为了方便三级导水机构、三级混流式转轮的安装及拆卸检修。所述三级支臂5-5-2、三级控制环5-5-3和三级接力器5-5-4均布置在所述三级导水机构5-5对应的分水通道5-2下侧。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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