1.本发明涉及水工构筑物领域，具体涉及一种用于微水头水力发电的水工结构及其设计方法。
背景技术：2.水力能源是一种清洁能源，利用水力能源进行发电将会减少煤炭资源的消耗以及对环境的污染。目前的水力发电方式主要是通过筑坝蓄水提高水位，利用水的位能做功，带动水轮发电机组发电。这样的大型水电项目一般选址在水力能源丰富的地区，如中国云南省西部。大型水电站工程不仅一次性投资大，后期运行成本逐年上升，对生态环境的影响也会越发严重。中小型水电项目因其引起的严重生态破坏问题而不断受到清理和整改。
3.对于地势较为平缓的中东部平原地区，虽然水力能源丰富，但由于水头较低，一直未充分开发利用，导致大量水力能源并未用于中东部地区电能供应。
技术实现要素：4.本发明为了充分利用中东部地区的水力能源，提供了一种用于微水头水力发电的水工结构及其设计方法，该水工结构将原本无法进行水力发电的低水头缓慢水流经过进口段流至曲线型明渠段，通过多级增速且获得环量，带动水轮机室内的水轮机进行发电，其将水流的压强势能和微小位置势能转换成动能，进而将动能转换成旋转机械能，最后得到电能。
5.为了达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现的：
6.一种用于微水头水力发电的水工结构——曲线型明渠(简称曲渠)，其与天然河道或人工渠道相连接，对原河流流动进行了改道。包括上层进口段、上层曲线型明渠段、中层水轮机室和下层出口段，上层进口段与上层曲线明渠段弧形过渡连接，上层进口段的过流面积逐渐减小，水流受到边壁收缩作用实现一级增速，所述中层水轮机室设置于上层曲线型明渠段的旋转中心底部或其上方，中层水轮机室的边缘与曲线型明渠段的挡墙对水流环向引流并二级增速，二级增速段的过流面积逐渐减小，所述中层水轮机室中固定由水轮机，出口段垂直设置于中层水轮机室的下方。
7.本发明还提供了用于微水头水力发电的水工结构的设计方法，包括以下步骤：
8.s1、基本参数的设定：由于矩形断面明渠过水能力较好，且设计、施工简便，应用较为广泛，所以本次设计选用矩形过水断面。设定进入曲线型明渠中的流量为q，水轮机叶片的旋转半径为r；
9.s2、断面划分：绘制平面计算简图，从出口段面开始，按顺时针方向每隔一定角度将进口段和曲线型明渠段划分为n个断面，与曲线型明渠段末端相连的出水边为鼻端，从鼻端到各个断面之间的中心角为包角；
10.s3、各断面水深和底宽的拟定：
11.(a)利用矩形断面的天然河道或人工渠道均匀流水深h的迭代公式：
[0012][0013]
式中，n为粗糙系数，i为坡度，b为矩形断面的天然河道或人工渠道的底宽；
[0014]
(b)构建曲线型明渠段各断面平均水深h的计算公式：
[0015]
h＝h(2)；
[0016]
(c)构建曲线型明渠段各断面底宽bi的定义：
[0017][0018]
式中，h为平均水深，υi为各断面的平均流速；
[0019]
s4、各断面旋转半径的确定：
[0020]
(d)构建各断面旋转半径ri的定义：
[0021][0022]
式中，rb为水轮机室的内径，r0为出口断面旋转半径，d为曲线型明渠段壁厚；
[0023]
(e)构建各断面旋转半径δr的增量计算公式：
[0024][0025]
式中，为流速倒数增量。
[0026]
由式(4)和式(5)得到各断面旋转半径的计算公式：
[0027]ri+1
＝ri+δr(6)
[0028]
由式(4)得到各断面底宽。
[0029]
s5、根据各断面旋转半径和底宽、曲线型明渠段壁厚、曲线型明渠段壁高hw进行曲线型明渠段的平面图和断面单线图的绘制。
[0030]
3、根据权利要求2所述的用于微水头水力发电的水工结构的设计方法，其特征在于，在所述步骤s3中构建水深计算公式之前，为了简化计算，提出2个假设，包括：
[0031]
(1)各断面水深径向沿程减小，且减小的幅度较大，故取平均水深h进行设计，而各断面平均水深hi环向沿程减小，渠底近乎水平以及水轮机室对水流具有阻滞作用，使其减小的幅度很小，可近似认为不变，即
[0032]hi
＝h(7)；
[0033]
(2)各断面流量qi径向沿程减小，且减小的幅度很小，可近似认为不变，即
[0034]
qi＝q(8)。
[0035]
本发明的有益效果是：该水工结构将原本无法进行水力发电的低水头缓慢水流经过进口段流至曲线型明渠段，通过多级增速且获得环量，带动水轮机室内的水轮机进行发电，其将水流的压强势能和微小位置势能转换成动能，进而将动能转换成旋转机械能，最后得到电能；本发明能够带动小型低压涡轮发电机对微水头水力发电资源进行开发，可作为小水电项目的补充，减小长江经济带小水电生态环境影响，解决西部海拔高水量丰富发电量多而东部海拔低水量匮乏发电量少的问题；本发明无需大型土木工程，投资小，施工简
单，后期维护方便，对原有生态环境影响极小，对人工修筑渠道改装成本很小，由于整个装置结构简单，故发电转换效率较高，能量损耗低，使微水头水力能源得到充分利用。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1是用于微水头水力发电的水工结构的结构示意图；
[0038]
图2是用于微水头水力发电的水工结构的平面计算简图；
[0039]
图3是实施例中的曲线型明渠段的两种布局方式示意图；
[0040]
图4是所述曲渠1的断面单线图；
[0041]
图5是所述曲渠2的断面单线图；
[0042]
图6是本实施例中水轮机的安装结构示意图；
[0043]
图7是本实施例中毕托管、静压管和动压管的布局示意图；
[0044]
图8是各测点速度曲线图；
[0045]
图9是本实施例中曲渠1和曲渠2的发电效果图。
[0046]
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0047]
1-天然河道或人工渠道，2-上层进口段，3-上层曲线型明渠段，4-中层水轮机室，5-下层出口段。
具体实施方式
[0048]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0049]
如图1所示，一种用于微水头水力发电的水工结构，其与天然河道或人工渠道1相连接，对原河流流动进行了改道。包括上层进口段2、上层曲线型明渠段3、中层水轮机室4和下层出口段5，上层进口段2与上层曲线明渠段3弧形过渡连接，上层进口段2的过流面积逐渐减小，水流受到边壁收缩作用实现一级增速，所述中层水轮机室4设置于上层曲线型明渠段3的旋转中心底部或其上方，中层水轮机室4的边缘与曲线型明渠段3的挡墙对水流环向引流并二级增速，二级增速段的过流面积逐渐减小，所述中层水轮机室4中固定由水轮机，出口段5垂直设置于中层水轮机室4的下方。
[0050]
如图2所示，本发明的用于微水头水力发电的水工结构主要有两种布局形式，一种布局形式是装设于岸边(曲渠1)，该布局形式不会影响渠道的通航；一种布局形式是装设在渠道中央(曲渠2)，可节省空间，如应用于污水处理厂的输水渠道。
[0051]
下面对曲渠1进行结构设计，方法如下：
[0052]
s1、基本参数的设定：设定进入曲线型明渠中的流量为q，水轮机叶片的旋转半径为r，本实施例中q取14000l/h，r取60mm。
[0053]
s2、断面划分：绘制平面计算简图，如图2所示，6断面为出口断面，14断面为入口断面，从出口断面开始，按顺时针方向每隔45
°
划分断面，共9个断面，延长7断面与进口段内壁交点处所在断面为15断面(进口断面)。与曲线型明渠段末端相连的出水边为鼻端，从鼻端到各个断面之间的中心角为包角即出口断面的包角为0
°
，入口断面的包角为360
°
。现有的水轮机叶片旋转半径r为60mm，为了使水轮机能够正常运转，座环内径rb取r的1.1倍，即66mm。
[0054]
s3、各断面水深和底宽的拟定：
[0055]
为了简化计算，提出2个假设：
[0056]
(1)各断面水深径向沿程减小，且减小的幅度较大，故取平均水深h进行设计，而各断面平均水深hi环向沿程减小，渠底近乎水平以及水轮机室对水流具有阻滞作用，使其减小的幅度很小，可近似认为不变，即
[0057]hi
＝h(7)；
[0058]
(2)各断面流量qi径向沿程减小，且减小的幅度很小，可近似认为不变，即
[0059]
qi＝q(8)。
[0060]
(a)利用矩形断面的天然河道或人工渠道均匀流水深h的迭代公式：
[0061][0062]
式中，n为粗糙系数，取0.00134，i为坡度，取1.5
×
10-6
，b为矩形断面的天然河道或人工渠道的底宽，取320mm。
[0063]
将上述参数代入式(1)中，得到h＝75mm。
[0064]
(b)构建曲线型明渠段各断面平均水深h的计算公式：
[0065]
h＝h(2)；
[0066]
得到hi＝h＝h＝75mm。
[0067]
(c)构建曲线型明渠段各断面底宽bi的定义：
[0068][0069]
式中，h为平均水深，υi为各断面的平均流速；
[0070]
s4、各断面旋转半径的确定：
[0071]
(d)构建各断面旋转半径ri的定义：
[0072][0073]
式中，rb为水轮机室的内径，r6为出口断面旋转半径，d为曲线型明渠段壁厚；
[0074]
(e)构建各断面旋转半径δr的增量计算公式：
[0075][0076]
式中，为流速倒数增量，取0.159s/m，代入式(5)中，可得到δr＝10mm。
[0077]
由式(4)和式(5)得到各断面旋转半径的计算公式：
[0078]ri+1
＝ri+δr(6)
[0079]
为避免ri出现负值，所以断面尺寸的确定顺序为由6至14逐渐增大，取出口断面旋转半径r6＝5rb/3＝110mm，由式(6)中得各断面旋转半径分别为：
[0080]
r7＝120mm，r8＝130mm，r9＝140mm，r
10
＝150mm，r
11
＝160mm，r
12
＝170mm，r
13
＝180mm，r
14
＝190mm。
[0081]
将上述各断面旋转半径代入式(4)中，可得到各断面底宽分别为：
[0082]
b7＝54mm，b8＝64mm，b9＝74mm，b
10
＝84mm，b
11
＝94mm，b
12
＝104mm，b
13
＝114mm，b
14
＝77mm。
[0083]
s5、曲线型明渠段的平面图和断面单线图的绘制：取曲线型明渠段壁厚d为3mm，取进口断面底宽b
15
为b
14
的2倍，即154mm，为了防止渠道中的水流外溢，取曲线型明渠段壁高hw为80mm，结合各断面旋转半径和底宽，可得曲线型明渠段的平面图和断面单线图，断面单线图如图4所示。
[0084]
曲渠2的设计方法与曲渠1的设计方法不同之处在于，曲渠2的出口断面旋转半径为r6＝4rb/3＝88mm，将该参数代入曲渠1的计算步骤中，可得到曲渠2的断面单线图，如图5所示。
[0085]
本实施例同时对布设于岸边的曲渠1和渠道中央的曲渠2进行了实验。
[0086]
(1)发电机的选用及水轮机室的设计及选择
[0087]
发电机选用微型直流发电机，其参数见下表
[0088]
表1发电机参数
[0089]
电机直径电机高度输出轴直径输出轴长度重量电压电流转速24.5mm34.2mm2.0mm12mm53g1.5-24v0.005-0.5a1000rpm
[0090]
水轮机室包括上端的座环和下端的转轮室，座环外径ra取70mm，厚度取2mm。转轮室采用圆柱体结构，为了使水流衔接连续进入转轮室，其内径即为座环内径rb。为了使水轮机叶片前缘接近与座环上边缘相切，转轮室高度取35mm，水轮机室及水轮机组如图6所示。
[0091]
(2)测速实验
[0092]
为了验证曲渠的增速效果，利用毕托管曲渠1、曲渠2的15至6断面与曲线型明渠段内壁渠底交点迎流方向的流速υ进行测量，各交点分别编号为15，14，13，
…
，6，共10个测点，每个测点重复测量10组，取平均值，毕托管静压管及动压管液柱如图7所示，测量结果见表2，各测点的速度曲线如图8所示。
[0093]
表2速度测量结果
[0094][0095]
由图8可知，对于曲渠1，除测点10和测点6速度减小外，其他各测点速度均逐渐增
大；对于曲渠2，除测点14和测点6速度减小外，其他各测点速度均逐渐增大，说明曲渠具有明显的增速效果。测点14至测点10增速较慢，测点10至测点7增速较快，说明曲渠后半段的增速效果更明显。对于曲渠1，测点6与测点15的速度之比为1.918，对于曲渠2，测点6与测点15的速度之比为2.164，说明曲渠2的增速效果更明显，即适当减小r6可以提高增速效果。
[0096]
(3)发电效果
[0097]
为了更加直观地观测曲渠的发电效果，分别在曲渠1、曲渠2的测点位置装设led示廓灯，其中曲渠1的示廓灯发红光，曲渠2的示廓灯发绿光，通过测量，电压为1.4-2.5v，电流为0.6-0.65a，发电效果如图9所示。由图9可知，曲渠实现了微水头水力发电。
[0098]
如在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0099]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
技术特征：1.一种用于微水头水力发电的水工结构——曲线型明渠(简称曲渠)，其特征在于，与天然河道或人工渠道相连接，对原河流流动进行了改道，包括上层进口段、上层曲线型明渠段、中层水轮机室和下层出口段，上层进口段与上层曲线明渠段弧形过渡连接，上层进口段的过流面积逐渐减小，水流受到边壁收缩作用实现一级增速，所述中层水轮机室设置于上层曲线型明渠段的旋转中心底部或其上方，中层水轮机室的边缘与曲线型明渠段的挡墙对水流环向引流并二级增速，二级增速段的过流面积逐渐减小，所述中层水轮机室中固定由水轮机，出口段垂直设置于中层水轮机室的下方。2.一种用于微水头水力发电的水工结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、基本参数的设定：由于矩形断面明渠过水能力较好，且设计、施工简便，应用较为广泛，所以本次设计选用矩形过水断面，设定进入曲线型明渠中的流量为q，水轮机叶片的旋转半径为r；s2、断面划分：绘制平面计算简图，从出口段面开始，按顺时针方向每隔一定角度将进口段和曲线型明渠段划分为n个断面，与曲线型明渠段末端相连的出水边为鼻端，从鼻端到各个断面之间的中心角为包角s3、各断面水深和底宽的拟定：(a)利用矩形断面的天然河道或人工渠道均匀流水深h的迭代公式：式中，n为粗糙系数，i为坡度，b为矩形断面的天然河道或人工渠道的底宽；(b)构建曲线型明渠段各断面平均水深h的计算公式：h＝h(2)；(c)构建曲线型明渠段各断面底宽b
i
的定义：式中，h为平均水深，υ
i
为各断面的平均流速；s4、各断面旋转半径的确定：(d)构建各断面旋转半径r
i
的定义：式中，r
b
为水轮机室的内径，r0为出口断面旋转半径，d为曲线型明渠段壁厚；(e)构建各断面旋转半径δr的增量计算公式：式中，为流速倒数增量；由式(4)和式(5)得到各断面旋转半径的计算公式：r
i+1
＝r
i
+δr(6)由式(4)得到各断面底宽；
s5、根据各断面旋转半径和底宽、曲线型明渠段壁厚、曲线型明渠段壁高h
w
进行曲线型明渠段的平面图和断面单线图的绘制。3.根据权利要求2所述的用于微水头水力发电的水工结构的设计方法，其特征在于，在所述步骤s3中构建水深计算公式之前，为了简化计算，提出2个假设，包括：(1)各断面水深径向沿程减小，且减小的幅度较大，故取平均水深h进行设计，而各断面平均水深h
i
环向沿程减小，渠底近乎水平以及水轮机室对水流具有阻滞作用，使其减小的幅度很小，可近似认为不变，即h
i
＝h(7)；(2)各断面流量q
i
径向沿程减小，且减小的幅度很小，可近似认为不变，即q
i
＝q(8)。
技术总结本发明公开了一种用于微水头水力发电的水工结构——曲线型明渠(简称曲渠)，与天然河道或人工渠道相连接，对原河流流动进行了改道，包括上层进口段、上层曲线型明渠段、中层水轮机室和下层出口段，上层进口段与上层曲线明渠段弧形过渡连接，上层进口段的过流面积逐渐减小，水流受到边壁收缩作用实现一级增速，所述中层水轮机室设置于上层曲线型明渠段的旋转中心底部或其上方，中层水轮机室的边缘与曲线型明渠段的挡墙对水流环向引流并二级增速，二级增速段的过流面积逐渐减小，所述中层水轮机室中固定由水轮机，出口段垂直设置于中层水轮机室的下方。本发明还公开了一种用于微水头水力发电的水工结构的设计方法，包括基本参数的设定、断面划分、各断面水深和底宽的拟定、各断面旋转半径的确定、曲线型明渠段的平面图和断面单线图的绘制。该水工结构能够将水流的压强势能和微小位置势能转换成动能，最终转换成电能，增加中东部的水力能源的利用效率，减轻中东部的能源压力。中东部的能源压力。中东部的能源压力。
技术研发人员：尹锐 谢建斌 姚激
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2021.12.27
技术公布日：2022/7/4
