桨轮堰水电站及其设备设施

摘要

一种“桨轮堰水电站及其设备设施”，其属水力发电全新方法与设备设施种类开发技术领域，其是由桨轮型水轮机、水轮机座及由其排列形成的桨轮堰和适合于桨轮堰水电站形式的发电与调控机组设备设施组成。一个较长的桨轮堰上可由2－多个单独作用运行的桨轮型水轮机组构成；可在一切有水流速度的河段内建设桨轮堰水电站，通过冲压桨轮口将桨轮堰集中加强的水能切向作用于桨轮型水轮机的最大力矩处形成最大转换出力，完成水力发电目标，并可通过冲压口闸门的调控方式实现控制；其出现将使水力水电获得更为广泛、高效、方便、廉价、能力更为巨大、建设方式更加灵活多样的开发利用，同时可有效消除现有水电开发形式产生的社会、环境、生态的负面影响。

说明书

本发明提出的“桨轮堰水电站及其设备设施”属于水力发电全新方法与其设备设施种类开发技术领域。

水力发电是开发可再生能源的重要组成部分，中国是世界第一水能大国，大力拓展水电的可开发、建设、利用领域及发电机组的有效出力能力，对于缓解“煤电油运”压力、减少煤炭资源消耗和环境污染均具有重大意义。

依现有技术要进行水电开发需要建设较高的电站水坝，建高坝投资巨大，而在有些地区建设水坝或是广建高坝会带来地质、环境、景观、生态、移民安置等诸多问题的发生；

另外在自然界有许多河流在局部地段有诸多个“小流段”有地理坡度，有长期稳定的中高速水流产生，或有一般流速的水流产生，但是在多数情况下其并不具备建设现有水轮机组所需高坝的地貌条件或是经济性要求，而分段分布建设低坝低堰就可有效消除上述不足，但是现有水轮机组在低水头条件下运行的出力效率不高；此外，依现有形式的水轮如建设单个或少量机组，其所能形成的设备过流能力极低、一个低水头机组所形成的出力能力也极低，而多建机组投资巨大又极不经济，致使大量有效水能流失，无法开发利用，这些均需要一种全新的水力发电方法和设备设施来解决。

日前，中国发明专利200510059305.0提出了一种以“板链轮式水轮机”为水能转换出力设备的“无坝水电站及其设备设施”技术方案，其实现了在不建坝的条件下实现水力发电的理想目标，用一个“板链轮水轮机组”就可长距离广泛收集利用水能，设备综合造价低；但是其也同时存在着设备结构松散、水能不能得到全面充分出力利用的结构性不足；此外，其实现有效运行一般还需要有较强的水流速度配合，对于更多存在的、在多数时间内水流处于低速缓慢流动形态的中小型河流河段还难于采用，因此其只能满足一部分水能状况条件下的建设需求；

面对地理与水能的地区季节巨大差距，面对优点众多的无坝与低坝型水电站的广泛开发市场与迫切需求，我们还需要开发出另外一种具有上述优势能力与功效的全新种类的水力发电方法和设备设施来满足需求。

本发明的目的就是再提供一种可满足上述需求的、全新种类的水力发电的方法和设备设施——桨轮堰水电站及其设备设施；“堰”在字典中的名词解释是较低的挡水建筑物，桨轮堰即是由桨轮机座横向排列构成的较低挡水建筑物，其可在保留无坝水电站“对河流水流与状况无实质性改变与影响”和“机组过流能力极强”等多数优势功效的基础上，还可形成较之更大的水能出力和有效利用能力，使水能水流获得更充分的利用；并可方便地实现对不同出力能力、对不同水量、水情情况的方便调控，在一个电站范围内将多个桨轮堰串联分布、综合设计同样可将长段范围内的河流水能全部开发利用，其出现将使水力水电获得更为广泛、高效、方便、廉价、能力更为巨大、建设方式更加灵活多样的开发利用，同时可有效消除现有水电开发方式产生的诸多负面影响。

本发明提出的桨轮堰水电站及其设备设施是由(1)桨轮型水轮机、(2)水轮机座及由其排列形成的桨轮堰和(3)适合于桨轮堰水电站形式的发电与调控机组设备设施三大功能部分组成；

对上述桨轮堰水电站及其设备设施主要创新部分的描述是：

(1)桨轮型水轮机部分——桨轮型水轮机是由①桨轮板、②桨轮辊、③桨轮轴等主要功能部件构成(见示意图1)，对其具体的描述是：

①多个或众多个桨轮板：各个相同规格的桨轮板均间距排列在桨轮辊上，桨轮板一般为平板形状，也可采用C、L等更加有利于集中水力、同时有利于其自身强度加强的结构。在一个桨轮型水轮机上设置的桨轮板的数量、排列密度、设计强度、选择材料、设计直径、长度、宽度等可依该机站建设地点所拥有的水流强度、桨轮堰设计的高度与设计利用的水库回水距离、机组出力能力等实际要求确定。

桨轮板一般采用钢材或玻璃钢或其结合为内部主体材料，也可采用合金铝、耐磨涂层等其它耐磨材料和涂层工艺，为了加强各个桨轮板的强度，在其两板之间的间隔空间内分布设置加强板或加强杆。

②桨轮辊：桨轮辊为圆柱型辊体，在辊表面上均匀分布桨轮板，桨轮辊一般采用钢材或玻璃钢或其结合为主体材料，也可采用合金铝等其它材料耐磨材料和工艺，为了加强桨轮板面的强度，在其板、轴之间的间隔空间内分布设置加强板(或杆)。

桨轮辊的设计直径和长度、厚度等设计数据的确定可依建设地点拥有的水流强度、可利用水能流程(堰高度形成的水库回水距离)、河流宽度、出力能力等实际的要求确定，桨轮板与桨轮辊共同构成桨轮型水轮机的基本形态，因此基本形态的桨轮型水轮机的设计长度与规格可依不同的实际需要进行具体设计，其也可形成直径与基本规格的规范系列化、标准化，并进行标准化的生产，一个桨轮型水轮机可由若干个标准化基本形态的桨轮型水轮机形成并同轴串联构成。

③桨轮轴：在桨轮辊的中心设置桨轮型水轮机的动力输出轴(桨轮轴)，桨轮轴的设计直径和长度可依建设地点拥有的水流强度、桨轮型水轮机的设计长度、可利用水能流程、河流宽度、出力能力等的实际要求确定，一个桨轮堰可由一个及多个桨轮型水轮发电机组排列构成并可分别单独或配合运行，因此在其之间设置机组分割体，其可同时起到桨轮轴端头稳固支撑体的作用(见示意图4)。

(2)桨轮机座部分——桨轮机座的主要作用是集中水力，并与桨轮型水轮机形成紧密配合，可使其稳固并实现最大出力能力的转换，还可通过溢水顶板、冲压口闸门的自然、自动或人工调节，控制水流及机组的出力能力变化，其主要功能部分包括：①冲压桨轮口；②冲压口闸门；③挡水堰体；④溢流顶板；⑤桨轮轴座；⑥桨轮堰基础。对桨轮机座组成件的功能结构更具体的描述是：

①冲压桨轮口：在桨轮机座下部设置与桨轮板设计高度相同(或略高些、或略低些)的冲压桨轮口，其可将桨轮堰形成的水力集中切向作用在桨轮型水轮机的最大力矩处形成水能转换最大出力；在冲压桨轮口的前下部桨轮型水轮机旋转弧面与桨轮堰基础之间形成的“极点”处的桨轮堰基础部位，还可设计为与桨轮板旋转弧面紧密配合的圆弧形结构(见示意图2中★的表示位置)。

②溢流顶板：在桨轮机的顶部设置有与桨轮机直径相同或略宽些的溢流顶板，其功能是将冲压桨轮口所无法消化的多余流量直接越过溢流顶板泻于下游，使其不会对桨轮机的运行产生影响(见示意图2，还可配套建设其它泻洪通道等)。

③挡水堰体：挡水堰体与桨轮型水轮机的设计高度相当，通过其作用可将水能集中并高效作用于冲压桨轮口，因此其下部入水口的形态设计成为有利于水力集中的圆弧斜面形态为佳；挡水堰体可阻挡水流对桨轮机的无序冲击，为了加强其强度附加设置堰加强体，在挡水堰体和堰加强体上可方便稳定设置冲压口闸门。

④桨轮轴座：一般情况下桨轮型水轮机的设计长度很长，因此在桨轮机座上间接分布设置可稳定固定桨轮轴的桨轮轴座，其同时可支撑溢流顶板(见示意图2)。

⑤冲压口闸门：其一般设置在挡水堰体与其加强体上并与其配合；在一个桨轮堰上或一个机组上可分别单独设置多个冲压口闸门，并可实现分别单独调控冲压口闸门的开闭和开闭大小。

⑥桨轮堰基础：其可形成与桨轮型水轮机下部旋转面配合的弧型面形态，使桨轮机的水流水能得到更加充分的利用；其可与冲压口闸门配合使其闭合固定与闭合密封；其可使桨轮堰建设基础稳固，其可形成一定的高度，使桨轮型水轮机脱离下游回水水库对桨轮型水轮机的回水干扰，使其顺利运行。

桨轮堰是由一个或由多个桨轮机座(或也包括其它辅助挡水建筑物)排列联合构成；在同一个较长的桨轮堰上还可由2-多个单独作用的桨轮型水轮机组(见示意图4)并列构成。在一个长河段内可分阶段分布设置多个桨轮堰，通过上下游各个桨轮堰实现的水能分段集中设置可使该流段的水能收集加强并全部转换成发电出力利用(见示意图3)。机站其它基础设施的设置：还可同时建设通航水道、分流泻洪控制闸门等设施，其不属于创新范围，不进行表述)

(3)适合于桨轮堰水电站形式的发电与调控机组设备设施部分——桨轮堰水电站一般采用卧式发电机，发电机轴与桨轮机轴可形成直接对接传动，也可采用齿轮相互配合的传动方式，采用齿轮配合的传动方式可方便地使超大型桨轮型水轮机与发电机形成不同的转速能力设计与调控改变；((1)、(2)前两部分是本发明的主要创新部分，其发电与调控设备设施与安装方式(3)均可由普通技术人员在现有成熟技术与成熟产品的基础上进行适当适应性的改造即可，因此，在此不进行更加具体的描述)；

本发明对于桨轮堰水电站及其设备设施基本运行方法的描述是：

可在一切具有一定水流速度或缓慢水流速度的河段内设置桨轮堰水电站，并使桨轮型水轮机及桨轮机座横向排列形成桨轮堰，通过桨轮机座上设置的冲压桨轮口的作用将桨轮堰高所集中加强的水能直接切向作用于桨轮型水轮机的最大力矩处形成最大水能转换出力推动其转动，通过桨轮轴传动将桨轮型水轮机产生的旋转机械动力作用于发电机上完成水力发电目标；

在运行中对于桨轮堰水电站及桨轮型水轮机出力能力和运行速度的调控方法有：

①通过冲压口闸门的开闭与开闭程度的控制实现水轮机出力能力调控：

由于桨轮堰水电站采用的桨轮型水轮机的设计长度一般很长，因此在一个桨轮堰或水轮机上可分别单独设置多个冲压口闸门(闸门或其它形态的水流调控装置)，因此可实现分别单独调控各个冲压口闸门的状态，通过多与少数量冲压口闸门的开闭及其开闭大小的控制可随时方便地调控该冲压口闸门控制段内冲压口的水流强度对桨轮机形成的出力，使水轮机形成不同的出力能力和能力变化。

②通过全部开启与部分关闭水轮机机组实现水流量、出力能力的大幅度调节：

因为在一个桨轮堰上一般设置2-多个单独运行的水轮机，在水量不足的情况下可关闭其中之一、二，使堰库水满，形成更大的单机稳定出力(可与①方式形成配合)。

③加大与削减电网负荷及其它适宜的方式。

本发明提出的桨轮堰水电站及其设备设施由于采用超长度、巨大的桨轮型水轮机，在长宽桨轮板上可形成的压强强度合计十分巨大，因此在低水头的条件下也可形成巨大出力，并可形成强大的设备过流能力；各个串联排列的桨轮堰形成的水电站对自然河流与水流无实质性影响与改变，可将其设计安装流程所处坡段内形成的水能全部高效转换形成发电出力利用；其机组的多设计形态和调控方法可适合多种复杂情况需求变化，从而实现出力效率高、运行成本低，建设适用性更广泛、建设方式灵活多样等前述诸多优势功效集成的发明目的，并且可有效消除现有水轮机存在的空蚀、磨蚀、振动、效率区等系列作用原理形成的功能性缺点。

下面结合示意图说明桨轮堰水电站及其设备设施的主要功能结构。

图1为桨轮型水轮机的横向剖面结构的示意图。

图2为桨轮型水轮机与桨轮机座配合形成的桨轮堰主体的横向剖面结构示意图。

图3为在一个河道水流流程内设置若干个桨轮型水轮机组形成的串联分布形态的桨轮堰水电站的宏观侧视示意图。

图4为在一个河段内设置的桨轮堰及桨轮堰电站的宏观俯视示意图。

图1中：1.桨轮轴    2.桨轮辊    3.桨轮板加强板    4.桨轮板。

图2中：5.通过溢流顶板泻流的季节过多水流    6.挡水堰体及其加强体7.冲压口闸门    8.冲压桨轮口及冲击水流    9.桨轮堰基础    10.桨轮型水轮机11.桨轮轴座    12.溢流顶板。

图3中：13.桨轮堰    14.桨轮堰形成的水库回水水面    15.河道两边的山体16.地理坡度。

图4中：17.桨轮堰水电站发电机安装机房    18.河道水岸    19.桨轮机传动轴(桨轮轴)    20.一堰多机组型桨轮堰上设置的机组分割体    21.桨轮机座加强体22.河流水流方向。