[发明专利]水力机械

说明书

描述了例如水轮机和水泵的具有集成低水头损失截止阀的水力机械。该水轮机的阵列便于在有限的可用空间内利用先已存在的门控式水控结构进行发电。特别适合与集成损失截止阀共同使用的可调螺距水轮机转轮提供了比现有技术的低水头水电项目的水轮机更高的功率输出和比转速。根据本发明的阵列的泵，随着阵列内每一个单独的泵均具有集成的低水头损失的用于关断和防止回流的阀，在有限的空间提供了高的排流能力。

本申请是以下申请的分案申请：申请日为2012年07月15日；申请号为201280035409.6(PCT/US2012/046827)；发明名称为“水力机械”。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年5月16日提交的、申请号为61519041的美国专利申请的优先权。

技术领域

本发明涉及水力发电装置和水泵装置及其构建方法。本发明尤其涉及水力发电装置的改造、并涉及最初建在船闸、水坝和起初没有安装水电设施的水库上的先已存在的门控水利控制结构、并涉及将水泵装置(尤其是高容量雨水泵) 纳入有限的空间，例如用于城市地区。在水力机械的截流阀和轴流式水轮机转轮方面所公开的改进对于流体输送和发电具有多种应用，这里将描述该许多可能的应用实例中的少数几个。

背景技术

水力机械，尤其水轮机，已经以阵列形式应用，以便在有限的上游/下游尺寸和最小的设备重量和尺寸下达到规定的流量。例如相关的专利包括欧伯梅尔 (Obermeyer)的US4755690、欧伯梅尔的US 4804855、赫斯(Hess)的US 5825094、温克勒(Winkler)的US6146096和欧伯梅尔等人的US 6281597 B1 等。

水轮机阵列内的各水轮机的流量控制已经通过多种方法实现，欧伯梅尔的 US4755690公开了通过尾水管内的蝶形阀来实现流量控制。这种阀门需要比较大的驱动器，从而导致阀门在尾水管上产生反压力并削减了发电量。

这种蝶形阀必须具有足够的刚性并以足够的精度来构造，以便在阀门关闭时使阀门紧密接触于密封圈。

欧伯梅尔的US 4804855描述了多孔环随动阀的使用。赫斯的US 5825094 在其说明书中也合并了具有前面提及的操作限制的多孔环随动阀。欧伯梅尔等人的US 6281597B1也描述了尾水管端部的滑动门的使用且也在说明书中合并了环随动阀的使用。多孔环随动阀具有需要多台机器同时启动和停止的缺点，这导致即使只有一个与多孔环随动阀相关的机器由于机械或电气故障情况而必须停止时，也不得不关闭一个或多个可操作的机器。垂直环形随动门在低流量时首先开启最低行，随后在尾水更高后(由于较高的流量)开启较高的行是不可能的。如果没有必要，在很多站点中首先开启较低的行是可取的，因为天然的尾水海拔是河流流量的函数，尾水的海拔随着流量的下降而降低。与涡轮机的最低行相关联的水流需要流入尾水渠，以使尾水上升到足以覆盖尾水管的下一个更高的行。为了将水中大部分的能量转换为有用的电能，通常需要从处于或低于尾水的水平面的尾水管放水。为了防止尾水管的停滞，尾水的海拔被需要或者不被需要，其他因素是尾水管的残余漩涡情况、尾水管放水的弗劳德数和尾水管出口附近任何专门的导引装置的使用。在低河流流速下，垂直多孔环随动阀的缺点可通过使用可独立操作的单孔环随动阀或通过使用水平驱动的多孔环随动阀来克服。在依据现有的门控结构经济地发展动力势能所需的高能量密度组件中，通常没有足够可用的空间来安装打开和关闭个别机器所需的独立操作的环随动阀。环随动阀也会导致旋转组件在启动和关闭时发生不良的振动，并且不适合于泄洪水(在发电机关闭时在部分开口排水，这正是许多设施在甩负荷后所必须的)。尽管环随动阀远小于尾水管末端的尾水管门，但也需要有效的力以关闭该环随动阀。

尾水管末端的滑动门重量大、价格昂贵，并且需要大的驱动器和水压供应。此外，导向槽会导致尾水管出口处的水头损失，这是由于跨越这些槽自身时的损耗以及由于需要容纳滑动门槽而引起的尾水管变窄所导致的损耗。