TWI867775B

TWI867775B - 具活動葉片的水輪及水力發電設備

Info

Publication number: TWI867775B
Application number: TW112137766A
Authority: TW
Inventors: 楊浤源
Original assignee: 迪暘有限公司
Priority date: 2023-10-02
Filing date: 2023-10-02
Publication date: 2024-12-21

Abstract

一個水輪包括：一個輪體；以及，多片輪葉，該輪葉包括：一組葉片，可轉動地安裝在所述輪體的外部。所述水輪的二端分別伸出一根軸，該軸將所述水輪架設在一個流體通過的地域，以流體推動各該輪葉使該水輪轉動。該水輪配合一個發電機，共同組成一套水力發電設備。該輪葉避免水花過度耗損流體的推力，降低流體的阻力。該發電機接收所述水輪的動能產生電能，提高水力發電的效益。

Description

具活動葉片的水輪及水力發電設備

本發明涉及水力發電的領域，尤指一種水輪，具備多個活動式輪葉，應用在一個水力發電設備。

已知的水力發電設備，係將一個水輪安裝在一個水流過的地域。利用水的流動產生一個力，作用所述水輪的多片輪葉，成為所述水輪自轉的動力來源。該水力發電設備還有一台發電機，該發電機把所述水輪的旋轉動能轉換為電能，儲存或輸出電力至外界。

該輪葉固定在所述水輪的外部，該水輪轉動後，帶動該輪葉浸入水中。流水衝擊該輪葉，推動該水輪繼續轉動。衝撞時，流水局部的動能隨著水花消散，拖慢該水輪的轉動速度。離水時，該輪葉托起流水，水會妨礙該水輪旋轉，相對降低水力發電的效益。

鑒於此，如何提升水力發電的效益，就成為本發明亟待解決的課題。

本案發明人提出新的水輪，主要目的在於：採用樞接或轉動的聯結手段，將多片輪葉安裝在水輪而可活動，既能避免水花過度地耗損流體的推力，降低流體的阻力，兼具水力發電效益的提高。

源於上述目的之達成，本發明的水輪包括：一個輪體；以及，多片輪葉，該輪葉包括：一組葉片，可轉動地安裝在所述輪體的外部。

優選的是，該葉片的一面結合一根桿，該桿一端超出所述葉片的邊緣而與該輪體維持樞接關係。

優選的是，所述輪體的外部形成多排樞孔，該桿超出該葉片部位樞接或轉動地連到相應的樞孔。

優選的是，所述輪體的外部固定多根第一柱與多根第二柱，該第一柱配合該第二柱限制所述葉片擺動的一個角度。

優選的是，所述輪體的外部形成多個固定孔，該固定孔牢固局部的第一柱或第二柱，該第一柱或該第二柱伸出所述輪體的外部而能接觸該葉片的二面之一。

優選的是，所述的角度為1°~45°的範圍。

本發明的水輪，還包括：二片圓環，依同心圓方式，二該圓環牢固所述輪體的二端外圍；以及，多根橫桿，該橫桿跨在二該圓環的外圓周面，其與所述的桿保持樞接關係。

優選的是，該水輪還包括：多根支桿，等分延伸所述輪體二端的外圓周面，該支桿固定所述的圓環。

優選的是，該水輪還包括：多圈補強件，該補強件跨接各該橫桿，不影響該桿轉動。

另外，本發明的一種水力發電設備，包括：一個水輪，其包括前述的結構，所述水輪的二端分別伸出一根軸，該軸將所述水輪架設在一個流體通過的地域，以流體推動各該輪葉使該水輪轉動；一個發電機，其接收所述水輪的轉動能量產生電能；以及，一個傳動系統，將所述水輪的轉動能量傳遞至該發電機。

為使本發明之目的、特徵和優點，淺顯易懂，茲舉一個或以上較佳的實施例，配合所附的圖式詳細說明如下。

10、50:水輪

11:輪體

12:軸

13:樞孔

14:固定孔

15:軸承座

16:圓環

17:支桿

18:橫桿

19:補強件

20:葉片

21:桿

22:第一柱

23:第二柱

24:第一位置

25:角度

26:輪葉

27:第二位置

30:水力發電設備

31:架子

32:發電機

33:傳動系統

34:電線

35:外殼

40:溝渠

41:底部

42:壁

43:流體

44:流入方向

45:流出方向

46:隆起部

47:凹曲面

48:推力

49:作用力

第1圖繪製本發明水輪第一實施例的具體結構。

第2圖表現第一柱配合第二柱限制葉片的擺動幅度。

第3圖描繪第1圖水輪配置在水力發電設備的聯結關係。

第4圖從側面觀察水力發電設備包含水輪在內的構成。

第5圖在第4圖右邊觀察a位置的葉片與流體互動關係。

第6圖從第4圖右下方觀察b位置的葉片與流體互動關係。

第7圖係第4圖正下方仰望c位置的葉片與流體互動關係。

第8圖改為第4圖左下方觀察d位置的葉片與流體互動關係。

第9圖則由第4圖左邊觀察e位置的葉片與流體互動關係。

第10圖繪製本發明水輪第二實施例的具體結構。

接下來，結合附圖，描述本案的實施例。附圖中，用相同的標號表示相同或近似的結構或單元。可預知的是，所述的實施例僅為本案部分的範例，不是全部的實施例。基於所述的範例能夠推演獲得其他的實施例，或視需要更改、變化的構造，均屬本案保護的範圍。

在以下描述中，方向用語如「上」、「下」、「左」、「右」、「前」、「後」、「內」、「外」與「側面」，只是參照附圖的方向。方向用語的使用，是為了更好的、更清楚的描述且理解本案，不明示或暗示所述的裝置或元件必須具備特定的方位、構造和操作，故不能理解為對本案技術內容的限制。

除非特定且明確的規範和限定，在以下描述中，「安裝」、「相連」、「連接」或「設在…上」應做廣義理解，例如固定連接、拆卸式連接、一體連接、機械連接、直接地相連、間接地相連或是兩個元件內部的連接。對屬於本案領域的技術人員而言，憑藉普通知識或經驗能夠理解上述術語在各個實施例，甚至於本案具體的含義。

除非另有說明，在以下描述中，「多個」表示兩個或兩個以上。

第1圖中，本發明一款水輪10的第一實施例，在一個輪體11安裝多片活動式輪葉26、多根第一柱22與多根第二柱23。

在本實施例，一根軸12貫穿該輪體11，所述軸12的二端伸出該輪體11的兩個端面，能架設一個流體通過的地域。所述輪體11的一個外圓周面形成多個樞孔13與多個固定孔14。三個樞孔13為一排，各排樞孔13依等分設置在所述輪體11的外圓周面。二個固定孔14為一組，該組固定孔14在相應的樞孔13周圍。

某些實施例中，二根軸12連到該輪體11的兩端，該軸12伸出所述輪體11的端面，屬於本發明的容許範圍。每排樞孔13有二個或四個，亦在本發明的容許範圍。

在本實施例，該活動式輪葉26包括：三片葉片20為一組，該組葉片20連到所述輪體11的外部。此處所稱的活動式，泛指樞接或轉動。具體而言，一根桿21聯結所述葉片20的二個面之一。該桿21超出該葉片20的部位形成一節外螺紋，螺接該樞孔13的內螺紋卻不鎖緊，使該葉片20與該輪體11互相轉動。或者，該桿21與所述樞孔13的壁面之間鑲嵌一個軸承(圖未示)，該軸承支持所述的葉片20相對該輪體11轉動。

此處所稱的聯結，泛指焊接的技術手段，將該葉片20固定在所述桿21的一邊。

第1圖中，所述第一柱22的根部牢固該固定孔14，其餘部分伸出所述輪體11的外表。該第一柱22與該桿21在所述葉片20的同一邊，故該第一柱22能接觸所述葉片的二面之一。該第二柱23的根部牢固另個固定孔14，其餘部分伸出所述輪體11的外表，能夠接觸所述葉片20的另面。

此處所稱的牢固手段，泛指緊密接觸或焊接，讓所述固定孔14的壁面結合該第一柱22或該第二柱23的根部。

如第2圖所示，該葉片20在所述的第一柱22和該第二柱23之間。以該桿21為中心，該葉片20抵觸該第一柱22擺動至實線的一個第一位置24，該葉片20受阻該第二柱23擺動至虛線的一個第二位置27。第一位置24到第二位置27夾有一個角度25，該角度25大約1°~45°的範圍。

如第3圖所示，在本實施例，所述的地域是一個溝渠40。該溝渠40將二個壁42立在一個底部41的兩側，引導該流體43通過。二該壁42的頂面分別緊固一個軸承座15，該軸承座15結合所述的軸12(見第1圖)，支持該水輪10局部位於所述流體43的上方，其餘的水輪10浸入該流體43中。

在本實施例，該水輪10藉由一個傳動系統33與一個發電機 32維持船動關係，共同組成一個水力發電設備30(見第4圖)。其中，一個架子31跨在二該壁42的頂面，支撐該發電機32平穩地固定在所述水輪10的上方。一個外殼35牢固在所述的架子31至二該壁42之一，除了罩住該發電機32以外，同時支持該傳動系統33維持動能的傳輸關係，利用轉動的水輪10驅使該發電機32產生電能，透過一條電線34輸出至外界。

在本實施例，該傳動系統33是一組嚙接的齒輪，譬如傘齒輪。該組齒輪把所述軸12的旋轉動能，傳遞至該發電機32的轉子。某些實施例中，該傳動系統33是帶輪與皮帶的組合。

在第4圖中，該流體43是水，從一個流入方向44往一個流出方向45流動。所述水的流動速率，通常會順應地域的環境而改變。在本實施例，所述溝渠40的底部41具備一個隆起部46，所述隆起部46的右邊是一個迎水面，該迎水面是凹的曲面，將所述底部41的低點與該隆起部46的高點連在一起，使該流體43順著流入方向44湧入所述的凹曲面47產生一個推力48。該隆起部46面對該水輪10處形成一個凹曲面47，該凹曲面47的二端高於中央部位，提升水越過該隆起部46頂部的流動速度。所述隆起部46的左邊則是近乎垂直的一個壁面，該壁面至所述的底部41存在一個高度落差，亦能增加流出方向45的水的流速。

所述水輪10的局部暴露在水面，驅動多組葉片20在空氣中轉動。所述的空氣對該組葉片20產生一個空氣阻力，該水輪10轉動速度越快，所述的空氣阻力越大。其餘的水輪10浸入水中，該推力48驅使多組葉片20從a位置變換到e位置，使該水輪10繞著軸轉動。所述的水對該組葉片20產生一個作用力49，譬如：水阻力。該推力48大於所述的空氣阻力與該作用力49之總和，使該水輪10能夠自轉運動。

該水輪10轉動時，以桿21為尖端，該葉片20像刀般劈開氣體與液體之間的介面，從而切入水中。所述葉片20接觸水的截面積變少，減少水花的產生量，避免該推力48無謂的消耗。

如第4、5圖所示，該葉片20浸入水的a位置。該推力48施予所述葉片20的二面之一，使該葉片20靠近所述的第一柱22。此刻，所述的流體43通過二該葉片20之空隙，不產生水花。

如第4、6圖所示，該葉片20浸入水的b位置。該推力48施予所述的葉片20抵住該第一柱22，驅使該水輪10相對該溝渠40轉動。此刻，該葉片20相對該輪體11不轉動。雖然，該作用力49施予所述葉片20的另面，不足以抵消所述的推力48，對所述水輪10的轉動不生影響。

如第4、7圖所示，該葉片20浸入水的c位置。該推力48損耗於所述水輪10的轉動，而與該作用力49相當。如此，該葉片20可能回到所述第一柱22和該第二柱23之間。

如第4、8圖所示，該葉片20浸入水的d位置。該作用力49添加水的重力大於該推力48，使該葉片20遠離該第一柱22，並朝向該第二柱23偏擺，當然不能托起水。該流體43通過二該葉片20的空隙，減少水的阻力。

如第4、9圖所示，該葉片20浸入水的e位置。該作用力49推動所述的葉片20抵制該第二柱23，擴大二該葉片20之間的空隙，避免該流體43托住所述水輪10的轉速。

該組葉片20離開水，暴露在空氣中，接收空氣阻力，卻不影響該水輪10持續地轉動。該葉片20像刀片再次切入水裡，接收所述水的推力48，再度從a位置移到e位置，進入下一次的循環運動。

第10圖中，在第一實施例的基礎下，將所述水輪50的第二實施例延伸為一款水車。具體而言，該水輪50多出二片圓環16。依同心圓方式，二該圓環16牢固所述輪體11二端的外圍。此處所稱的牢固，泛指所述輪體11二端的外圓周面等分延伸多根支桿17，透過黏著、鉚接或螺鎖等方式，該支桿17固定所述圓環16的外側。

另外，該水輪50還有多根橫桿18與多圈補強件19。該橫桿18跨在二該圓環16的外圓周面，將所述水車兩側的二該支桿17連在一起，對二該圓環16起到平穩作用。當然，各該桿21的頂端超出所述的葉片20，從而樞接所述的橫桿18，讓該葉片20能夠穩定地轉動。

在本實施例，該補強件19設計為一體。不影響該桿21轉動的條件下，所述的補強件19跨接各該橫桿18，能提升所述水輪50的結構強度。某些實施例中，該補強件19為多根板材銜接為一圈的多角框，亦在本發明的容許範圍。

在不背離本案廣義的概念下，熟習此項技術者能理解，並對上開的實施例進行改變。因此，本案不限於說明書揭示的特定實施例，舉凡根據本案精神與技術範疇所為的修改，均應為申請專利範圍界定的文字內容所涵蓋和保護。

10:水輪