[发明专利]低水头大流量川渠水轮机

说明书

本发明提供一种低水头大流量川渠水轮机，包括导水座、水轮与闸门片，导水座具有顶板与底板，上、下游侧分别为进水口与出水口，中间为水轮间，另两外侧为第一侧板与第二侧板，分别朝内部延伸第一导水壁与第二导水壁至水轮间边缘；水轮具有转轴与复数叶片，设置于导水座的水轮间；闸门片为圆柱壳形片，可穿过导水座顶板而滑动于水轮上游边缘，而闸门片滑动调整闸门开度可调整流水断面积，并控制进水流量及关闭机组，能够依据流量调节上游水位于高水位状态，使流量变化情况均能稳定、高效率运转，达到结构简单且易于安装，适合直接设置于河川及渠道中。

技术领域

本发明涉及一种低水头、大流量、流量变化均有高效率的竖轴水轮机结构，特别是指一种结构简单、安装容易及操作简便，而能够直接组装于河道及渠道等场所进行发电的低水头大流量川渠水轮机。

背景技术

水轮机是水力发电站中将水流的位能转化为动能再转化为机械能的设备。一般最常见中、高水头传统型之中、大型的水力发电站，系将河水以拦河坝将水流集中，让水通过引水管线引至厂房内水轮机，冲击水轮机水轮，并由水轮机带动与其连接的发电机产生电能，即一般的传统管线式水轮机，主要代表机型如佩尔顿(Pelton)及法兰西斯式(Francis)等水轮机，所述的这些传统管线式水轮机的虽效率高达0.8～0.93，但并不适合直接设置于河水或渠道中，故建厂少不了会含括拦水、引水管线及厂房等土木设施而增加不少工程费，在低水头大流量的水力条件情况下，如采用所述的这些传统管线式水轮机尺寸会很变得相当庞大，故市场少有这种低水头大流量的水力条件传统管线式水轮机商品，如特别订制费用昂贵，并不经济，也几乎没有建厂商转案例。

一般5公尺至30公尺低水头的传统管线式水轮发电机组包括管状式(Tubular)、灯泡式(Bulb)及克普兰式(Kaplan)等水轮机组，大都需以压力水管等引至河水或渠道外侧设置水轮机，5公尺以下低水头大流量水力条件下，所述的这些水轮机实际上已不适合直接设置于河水或渠道中。

近年来也有些尚未商业发展成功的水力机组可直接设置于河水或渠道中，且可适用于低水头情况，该些机组中，部分模仿及改善自传统管线的阻力型机组的效率虽较高，但市场上商品只能处理较小流量，在低水头大流量的情况时，设置常无法满足流量通过需求，需变更加大渠道以设置多组所述的这些水轮机组，且仍常有多余流量需处理溢流问题，如特别订制大尺寸机组，也会因价格高昂而经济性欠佳；部分能于低水头通过大流量的该些非阻力型机组大都效率不佳，约在0.1～0.4，因产出能量少而经济性欠佳，且这些机组仍各有其设置条件的限制，故仍需考量其是否可符合其机组设置条件才能运用，该些机组包括效率及机组结构等仍有很大的改善空间。

而有一种水轮机称作贯穿流式水轮机，能于低水头情况通过稍大水量，其不像大多数水从径向或轴向流入的水轮机类型，而是让水直接穿过机组水轮扇叶，作为一种水车衍生类型，即水流自水轮机的单侧边小角度切向进入，后流入水轮之中，然后水会从水轮机的相反侧扇叶间隙离开机组。此种设计会使得水流入及流出水轮时，除入水时会有冲击力外，水排出时的反力也有二次推动水轮转动效益。这种贯穿流式水轮机型式最早是由美国的Banki Donat教授发展出来，并于1919年取得US1436933A号专利，而其后更有其他业者于1986年改良导翼设计取得US4579506A的专利，并发展出横轴贯穿流式(Cross-flow)而广泛成功的商业运用，该水轮机型属于低水头的传统管线式水轮发电机组，不适合直接设置于河水或渠道中，而此类贯穿流式水轮机均系以横轴设计，且转轮的入水口范围不大，只让较小流量流入，使水轮部分露于空气中，以获取较高效率，商业产品效率约0.85～0.75，其后有更多的改变自横轴贯穿流式的机种研究，如改变该型水轮机的水轮入水口范围加大，让更多水量进入水轮而减少水轮的空气区比例，此反而导致效率下降；如改变该型水轮机的水轮全部浸于水中运转，则效率更低。故贯穿流式水轮机的发展都以横轴式发展，如改变该型水轮机构直接设置于渠道上运用时，一般会以类似水车方式，其悬挂的水轮大部分位于水面上，也方便发电机设于岸旁，该型水轮全部浸于水中运转效率变低，故少有直接将水轮设置全部浸没于河川、渠道中运用案例。