水流量调节装置及其水轮机的制作方法

1.本发明涉及一种水轮机技术，特别是指一种具有水流量调节装置及使用该装置的水轮机。


背景技术：

2.贯穿流式水轮机又称双击式水轮机(cross
‑
flow turbine)，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，当时的喷嘴无法控制流量，而其后更有其他业者于1986年改良导翼设计取得us4579506a的专利贯穿流式，该型水轮因而广泛成功的商业运用。
3.请参阅图1所示，其是现有的us4579506a号专利所公开的banki贯穿流式水轮机的基本构造图。水流90从经过流道通过流量控制板11而进入水轮10。进入的水量大小由该流量控制板11来进行控制。贯穿流式水轮机中，水从入水口经由喷嘴口流出，并利用压力差来推动水轮进行转动。由于水轮10是属于横轴摆设，水流通过水轮10而向下流出，水轮10的部分区域会暴露在空气中。图1所示的结构中，流量控制板11通过油压控制来改变进入水轮的流量，其运转效率约为83％。
4.在另一贯穿流式水轮机的现有技术中，如图2所示，流量控制板13改由下方导流板的一部分进行改造而成。在该技术中，流量控制板13的构造相对简化，通过螺杆即可以控制流量控制板13的开闭动作。虽然图2的技术简化了开闭的结构，但是水流方向以及平顺度变差，因此最高效率约在77％左右。


技术实现要素：

5.有鉴于现有技术中，流量控制板不同开度使水流进入水轮的水流方向以及平顺度变差，因此仍有可改善的空间。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种水流量调节装置，控制进入一水轮的一局部区域的流量，其特征在于，包括有：
8.一喷嘴流道结构，其具有一进水口以及一喷嘴口；以及
9.一调整机构，设置于该喷嘴流道结构的一侧，用以改变该喷嘴口的大小，该调整机构还包括有：
10.一调节闸板，其第一侧连接有沿着一第一轴向的一第一转动元件，该调节闸板以该第一转动元件进行转动，以改变该喷嘴口的大小；
11.一从动闸板，具有一第三侧用以和该调节闸板的一第二侧相枢接，该从动闸板的
一第四侧上具有一第二转动元件，该第二转动元件在该调节闸板改变该喷嘴口的大小时沿与该第一轴向垂直的第二轴向进行位移运动；以及
12.一驱动部，用以产生致使该调节闸板转动所需的动力。
13.所述的水流量调节装置，其中，该驱动部还包括有：
14.一动力单元；
15.一推杆，与该动力单元相连接；以及
16.一连杆，其一端与该推杆相耦接，另一端则与该调节闸板耦接。
17.所述的水流量调节装置，其中，该调节闸板具有一曲度，当该喷嘴口被该调节闸板封闭时，该调节闸板贴近于该喷嘴口侧的水轮。
18.一种水轮机，其特征在于，包括有：
19.一水轮，设置在一轮机壳体内，该转轴具有沿一第一轴向设置的一轴体，该水轮以该轴体为转轴进行转动；
20.一喷嘴流道结构，其具有一进水口以及一喷嘴口，该喷嘴口对应该水轮的一局部区域；以及
21.一调整机构，设置于该喷嘴流道结构的一侧，用以改变该喷嘴口的大小，该调整机构还包括有：
22.一调节闸板，其第一侧连接有沿着该第一轴向的一第一转动元件，该调节闸板以该第一转动元件进行转动，以改变该喷嘴口的大小；
23.一从动闸板，具有一第三侧用以和该调节闸板的一第二侧相枢接，该从动闸板的一第四侧上具有一第二转动元件，该第二转动元件更于该调节闸板改变该喷嘴口的大小时沿与该第一轴向垂直的第二轴向进行位移运动；以及
24.一驱动部，用以产生致使该调节闸板转动所需的动力。
25.所述的水轮机，其中，该驱动部还包括有：
26.一动力单元；
27.一推杆，与该动力单元相连接；以及
28.一连杆，其一端与该推杆相耦接，另一端则与该调节闸板耦接。
29.所述的水轮机，其中，该轮机壳体具有一开口，该水轮设置于该轮机壳体内，使该开口与该水轮相对应，该喷嘴流道结构的喷嘴口与该开口相连通。
30.所述的水轮机，其中，该调节闸板具有一曲度，当该喷嘴口被该调节闸板封闭时，该调节闸板贴近于该喷嘴口侧的水轮。
31.所述的水轮机，其中，该水轮为横轴或竖轴水轮。
32.本发明提供一种水轮机的水流量调节装置，通过将喷嘴流道一侧的导板改成或设置可以活动的调节闸板，通过其转动的角度，改变流道喷嘴口的大小，进而控制进入水轮的流量。此外，调节闸板通过简化的驱动机构就可以进行转动以改变喷嘴口大小。由于本发明的调节闸板，位于水轮的一侧，因此在其转动改变流到大小的过程中，仍然可以维持较佳的水流方向与平顺度。
附图说明
33.图1为现有的旋转导翼控制流量的贯穿流式banki贯穿流式水轮机的基本构造图。
34.图2为现有的可调导流板控制流量的贯穿流式水轮机的基本构造图。
35.图3a为本发明的水轮机的一实施例剖面示意图。
36.图3b为本发明图3a所示的水轮机的一实施例中调节喷嘴口大小示意图。
37.图4为本发明的调节闸板与从动闸板局部立体示意图。
38.图5a与图5b为本发明的驱动部另一实施例示意图。
39.图6为本发明的利用于横轴水轮机示意图。
40.图7a为本发明的利用于竖轴贯穿流水轮机立体示意图。
41.图7b为本发明的利用于竖轴贯穿流水轮机的一应用实施例在xy平面上的截面示意图。
42.附图标记说明：2
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水流量调节装置；20
‑
喷嘴流道结构；200
‑
进水口；201
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喷嘴口；21
‑
调整机构；210、210’、210
”‑
驱动部；210a
‑
转柄；210b
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螺杆210b；210c
‑
动力单元；210d
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推杆；210e
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连杆；210f、210g
‑
轴座；210h
‑
推杆；210i
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驱动杆；210j
‑
动力单元；211
‑
调节闸板；212
‑
从动闸板；213
‑
上导板；214
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第一转动元件；215、215
’‑
第二转动元件；215a
‑
轴套；215b
‑
轴体；216
‑
枢接件；217
‑
滑轨；218
‑
轴座；22
‑
水轮；90
‑
水流；91
‑
上游段；92
‑
下游段；s
‑
壳体；3
‑
水轮机；30
‑
壳体；300
‑
上端部；301
‑
下端部；302
‑
出口；31
‑
观察窗；32
‑
进气调钮；33
‑
水位观察连通管；4
‑
竖轴贯穿流水轮机；40
‑
壳体；41
‑
喷嘴流道、41a
‑
第一喷嘴流道；41b
‑
第二喷嘴流道；410
‑
进水口；411
‑
喷嘴口；42
‑
出水流道；43～45
‑
导流隔板；46
‑
水轮；47
‑
转轴。
具体实施方式
43.在下文将参考随附图式，可更充分地描述各种例示性实施例，在随附图式中展示一些例示性实施例。然而，本发明概念可能以许多不同形式来体现，且不应解释为限于本文中所阐述的例示性实施例。确切而言，提供此等例示性实施例使得本发明将为详尽且完整，且将向熟习此项技术者充分传达本发明概念的范畴。类似数字始终指示类似元件。以下将以多种实施例配合图式来说明所述水流量调节装置及其水轮机，然而，下述实施例并非用以限制本发明。
44.请参阅图3a所示，该图为本发明的具有水流量调节装置的水轮机实施例示意图。在本实施例中，该水流量调节装置2包括有一喷嘴流道结构20以及一调整机构21。该喷嘴流道结构20，其具有一进水口200以及一喷嘴口201，该喷嘴口201对应一水轮22的一局部区域w。该水轮22在本实施例中，为贯穿流式水轮(cross
‑
flow turbine)。
45.该调整机构21，用以改变该喷嘴口201的大小，进而控制进入水轮22的水量。本实施例中，有别于现有调整水量的方式，本实施例是利用水道上方的导板结构的设计，通过上导板213的位置变化来调整喷嘴口201的大小，进而改变进入水轮22的水量。该调整机构21更包括有一驱动部210、一调节闸板211以及一从动闸板212。该驱动部210在本实施例中是一个手动的螺杆调节结构。其上方具有一转柄210a，转柄210a中心连接有一螺杆210b。本实施例中，螺杆210b螺接于水轮机的壳体s上，一端穿过壳体s而与该调节闸板211耦接在一起。使用者可以通过对该转柄210a进行顺时针或逆时针的转动，控制该螺杆210b上升或下降。
46.该调节闸板211，与该驱动部210耦接，该调节闸板211的第一侧连接有沿着一第一
轴向x的一第一转动元件214，该调节闸板211凭借该驱动部210提供的动力以该第一转动元件214进行转动，以改变该喷嘴口201的大小。在本实施例中，驱动部210的螺杆210b端部可转动地和该调节闸板211耦接在一起。该从动闸板212，具有一第三侧用以和该调节闸板211的一第二侧相枢接。本实施例中，从动闸板212和调节闸板211通过一枢接件216连接在一起，使得该从动闸板212和该调节闸板211之间是可以转动的关系。该从动闸板213的一第四侧上具有一第二转动元件215，该第二转动元件215更于该调节闸板212改变该喷嘴口201的大小时沿着与该第一轴x向垂直的第二轴y向进行位移运动。如图4所示，在一实施例中，第二转动元件215设置在一滑轨217上，其包括有一轴套215a以及一轴体215b，轴套215a滑设在滑轨217上，以在该滑轨217上进行线性位移运动。而轴体215b与轴套215a枢接在一起，轴体215b可以在轴套215a上转动。轴体215b也和该从动闸板212连接在一起。因此当从动闸板212随着调节闸板211转动时，一方面可以该第二转动元件215转动之外，另外也会带动该第二转动元件215在滑轨217上移动。在一实施例中，调节闸板211上具有一轴座218，螺杆210b的端部与该轴座218转动地连接在一起。
47.请参阅图3a与图3b所示，当转柄210a顺时针转动时，该螺杆210b也跟着顺时针转动，在转动的过程中，螺杆210b端部向该调节闸板211方向移动，因此螺杆210b的端部会推动调节闸板211向下移动。由于调节闸板211的一端具有该第一转动元件214因此在调节闸板211随着螺杆210b向下移动时，会以该第一转动元件214为转轴进行逆时针转动，进而改变该喷嘴口201大小。如果螺杆210b持续向下转动，则调节闸板211会完全封闭喷嘴口201，以形成如图3b所示的状态。
48.另外在该调节闸板211逆时针转动的过程中，由于从动闸板212也和该调节闸板211枢接在一起，因此在调节闸板逆时针转动过程中，从动闸板212的第三侧，也就是和调节闸板211枢接的处也会被带动向下移动。在从动闸板212的第四侧的第二转动元件215，因为具有转动与移动的自由度，因此在从动闸板212被调节闸板211向下带动的过程中，第四侧的第二转动元件215会向正y轴向移动，同时从动闸板212会以该第二转动元件215为转动轴心，顺时针摆动，进而缩小了流道的宽度，如图3a到图3b所示。反之，当转柄210a逆时针转动时，该螺杆210b也跟着逆时针转动，在转动的过程中，螺杆210b端部往上回拉，将该调节闸板211向z方向拉提移动，致使调节闸板211以该第一转动元件214为转轴顺时针转动，也同时带动从动闸板212以第二转动元件215为转轴进行逆时针方向转动，同时，第二转动元件215也往负y方向移动。
49.要说明的是，前述驱动部并不限于图3a所示的螺杆210b与转柄210a加上手动转动的方式。在另一实施例中，可以通过马达与齿轮组合，将动力传给螺杆210b，使得螺杆210b可以通过马达的正反转动产生顺时针或逆时针的转动。马达与齿轮的组合，为所属技术领域具有通常知识的人所惯用的手段，在此不作赘述。此外，如图5a与图5b所示，该图为本发明的驱动部另一实施例示意图。本实施例中，该驱动部210’包括有一动力单元210c、一推杆210d以及一连杆210e。该动力单元210c可以为一油压缸或气压缸，通过液体或气体的进出作为驱动的动力。该推杆210d，与该动力单元210c相耦接。本实施例中，该推杆210d可以在该动力单元210c由液体或气体的进出，凸申或者是收入于该动力单元210c内。该连杆210e，其一端与该推杆210d相耦接，另一端则凭借一轴座210f与该调节闸板211耦接，使得该连杆210e的端部可以在该轴座210f上转动。
50.当要缩小水轮22上方的开口大小时，如图5b所示，液体或气体进出该动力单元210c时，控制该推杆210d向外移动，进而产生一推力于该调节闸板211上，使得调节闸板211以第一转动元件214为转轴进行逆时针转转动，进而可以调节水轮22上方的开口，调节进入水轮的水量。反之，当要增加开口大小时，控制液体或气体进出该动力单元210c使得该推杆210d，向上拉提该调节闸板211以形成如图5a的状态。调节喷嘴口大小的主要目的在于，当来源水流量不同时，喷嘴控制流量可将上游水位保持一定高度，增加位能差，可增加发电能量。
51.此外，要说明的是，虽然前述的实施例，不管是利用螺杆或者是推杆的方式，都是利用作用力作用在调节闸板211上，使调节闸板211转动，但是实际上并不以此方式为限制。所属领域的具有通常知识的人，可以根据上述的精神使作用力作用在调节闸板211与从动闸板212连接的转轴上，或者是作用在从动闸板212上。在另一实施例中，驱动部210也可以通过作用力推动该第二转动元件215移动，进而让从动闸板212移动之后，而让调节闸板211转动。例如：利用前述螺杆210b或者是推杆的方式产生作用力在第二转动元件215上，由于第二转动元件215可以进行线性位移运动，因此作用力可以推动或回拉该第二转动元件215，致使该从动闸板212与调节闸板211转动。或者是在另一实施例中，驱动部210可以通过转动动力元件组合，例如马达与齿轮或者是皮带轮等元件组合，形成动力驱动第一转动元件214转动，而让调节闸板211转动，以调节水轮22上方开口的大小，都是可以控制调节闸板211转动的具体实施方式。
52.请参阅图6所示，该图为本发明的水轮机示意图。本实施例中系将水流量调节装置应用在横轴贯穿流式(cross
‑
flow)水轮机的实施例。水轮机3具有壳体30，其具有一上端部300以及下端部301。在上端部300上，设置有水流量调节装置2，其详细的结构如前所述，在此不作赘述。在水轮22的一侧，具有透光材料，例如：玻璃、强化玻璃、或压克力所制成的观察窗31，以提供使用者观察内部水流与水轮的运作状态。下端部301在本实施例中，作为水轮机的尾水吸出管。在上端部300的壳体上更具有一进气调钮32，用来调节尾水吸出管内的气压与水位。下端部300的底部是水流的出口302。在壳体30上更具有一水位观察连通管33和水轮机3内部相连通，可以观看水轮机3内部的水位高低。
53.在一实施例中，水流通过水轮机3的喷嘴流道结构20的通道进入到水轮22，水流冲击水轮22的叶片220，使得水轮转动。水轮22的转轴221连接有一发电机(图中未示)，因此当水轮转动时，转轴带动发电机的发电机组转动，尽而产生电力。水轮机与发电机组合的方式，为所属技术领域的通常知识的人所熟知，在此不作赘述。
54.请参阅图7a与图7b所示，其中图7a为本发明的利用于竖轴贯穿流水轮机立体示意图；图7b为本发明的利用于竖轴贯穿流水轮机的一应用实施例在xy平面上的截面示意图。该竖轴贯穿流水轮机4包括有一壳体40，壳体的一侧为上游段91，另一侧则为下游段92。壳体40在上游段91侧具有喷嘴流道41，本实施例中，喷嘴流道41在高度方向(z轴向)上分成上下两层，每一层流道具有一第一喷嘴流道41a以及一第二喷嘴流道41b。本实施例中，喷嘴流道41a具有进水口410以及喷嘴口411，其中喷嘴口411对应设置在壳体40内的水轮46。要说明的是水轮46是竖立式的水轮，也就是转轴47的轴向是在水轮机的高度方向(z轴向)，也就是上游段的河道深度方向。
55.在本实施例中，在喷嘴流道41a的一侧，设置有前述的水流量调节装置。其从调节
闸板211以及从动闸板212构成喷嘴流道的一部分，调节闸板211可以通过驱动部210”的手动或者是自动控制的方式，改变喷嘴口411的大小，尽而控制进入水轮46的水量。本实施例中的驱动部包括有动力单元210j、驱动杆210i、推杆210h以及轴座210g。轴座210g设置在该调节闸板上，推杆210h则和该轴座210g枢接在一起，其一端可以在该轴座210g上转动。驱动杆210i则和该推杆210h的另一端枢接，使得驱动杆210i也可以与该推杆210h耦接处的枢轴为转轴转动。该动力单元210可以为马达或者是马达与皮带轮或齿轮等动力传动元件组合在一起。各种驱动元件，为所属技术领域具有通常知识的人可以根据转动的需求予以构思，在此不做赘述。通过马达产生的顺时针或逆时针的转动，可以带动驱动杆210i、推杆210h的转动，进而控制该调节闸板211的开闭。该调节闸板211、从动闸板212以及驱动部210”的运作方式，如前所述在此不做赘述。
56.喷嘴流道41b具有进水口410a以及喷嘴口411a，其中喷嘴口411a对应设置在壳体40内的水轮46。在喷嘴流道41a与41b之间具有导流隔板43与44，其中导流隔板43与该调节闸板211以及从动闸板212构成该喷嘴流道41a，而导流隔板44、壳体40的一部以及导流隔板45构成了喷嘴流道41b。水流90经过喷嘴流道41a、41b进入水轮机4，再分别经由喷嘴口411与411a进入到水轮46，进而推动水轮46转动。通过水轮46的水流经由出水流道42排出水轮机4外。
57.以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。