CN102748190A - 可调速容积式水泵水轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调速容积式水泵水轮机，包括蜗壳、转轮、弹簧和辐板；蜗壳呈两端封闭的圆筒结构，蜗壳的外壁在圆周上划分成进水面、受压工作面、出水面和阻水面；进水面和出水面上均设有多个通孔，转轮偏心安装在蜗壳内，转轮的轴心可沿受压工作面和阻水面的弧长的中心连线方向平移；转轮上均布设有多个径向开的槽，每个槽内设有一弹簧和一辐板，弹簧压在辐板上并使辐板与蜗壳内壁可滑动接触。可调速容积式水泵水轮机的转轮轴心可沿受压工作面和阻水面弧长的中心连线方向平移调整其偏心程度，以调节过水流量和转轮的旋转力矩及转速，轮机工作在联网发电状态；当偏心超调后，转轮受到反向力矩的作用，轮机可工作在联网抽水蓄能状态。

Description

可调速容积式水泵水轮机

技术领域

本发明涉及一种容积式水泵水轮机，尤其涉及一种可调速容积式水泵水轮机。 

背景技术

当今世界上的主要的常规发电技术包括火力发电、水力发电、原子能发电等。火电消耗大量的煤炭这种不可再生资源，成本随煤炭存储量的减少而增长，而且污染环境。核电机组运行费用低，但一旦发生核燃料泄漏事故，将造成严重的后果，而且燃烧废料的后期处理难。风力发电稳定性和连续性较差，影响并网后电力系统的平衡和安全稳定。水力发电具有启动灵活、爬坡速度快，提高电网运行的协调性以及安全稳定性等特点，应用之广仅次于火电，具有很高的机械效率。

常用的水轮机按结构分为反击式和冲击式水轮机，其原理是把水流的动量或冲量传递给转轮使转轮旋转来推动水轮机组发电。以冲击式水轮机为例：水轮机在稳定工况下的基本方程是：                                                

，其中

是水流对叶轮的功率，

是水的容重，

是水在单位时间的流过叶轮的体积，

是重力加速度，

和

是入射水流的初速度

的切向分量和水流射入点的叶轮旋转线速度，

和

是尾水离开叶轮时的切向速度和叶轮出水点的旋转线速度。把水的容重、密度与加速度的关系和单位时间的水流质量m、密度和体积的关系带入基本方程，可得

。假定尾水在叶轮轴心处离开，此处线速度

为零，则有

。与

比较得：当水流射入处叶轮线速度

时，转化效率最高。但实际情况是：

<

,

>0且

（定桨式），效率较低。转桨式叶轮可满足

，但结构复杂，调节不方便。因此，有必要开发转化效率更高的水轮机，以提高水力发电的效率。

中国专利公开号CN1292457A公开了一种容积式水轮机，该容积式水轮机利用堵截的方法使水流对转轮单向施加压力而旋转。采用直接传动低速发电机做功，使水头势能几乎不损失的水头静压为转轮做功。由于转换原理是能量守恒，因此效率比常用水轮机稍高。但其水轮机有两个显著缺点：1、不能调速，因此不便于同步并网；2、只能作为发电机的原动机而不能兼作水泵抽水蓄能。

抽水蓄能电站在电力系统中最可靠、最经济、寿命周期长、容量大、技术最成熟，是新能源发展的重要组成部分。它能降低核电机组运行维护费用，延长机组寿命，减少风电对电网的冲击，提高电网的协调性与安全稳定性。因此，有必要开发一种水泵水轮机，它可以方便调速，在用电高峰期发电又可以在用电低谷期抽水蓄能。以提高电力系统的稳定性和可靠性。四机分置式和三机直联式抽水蓄能成本高。二机可逆式是由一台可逆式水泵水轮机和一台发电电动机组成，这种机组可以双向旋转，它向一个方向旋转时作发电运行，而向另一个方向旋转时作抽水运行。两个状态的转换需要转轮先停止，再反向旋转，因此响应速度慢，对水机系统冲击大，抽水量也不易控制。

因此，有必要开发状态过渡转换更迅速，抽水量容易控制的可调速水泵水轮机。

发明内容

为了克服现有的利用动量冲量转化原理的用水对叶轮冲击力或者反冲力来推动水轮机发电的难以达到更高效率、调速困难和传统的水泵水轮机状态过渡缓慢和对水机系统冲击大等缺点,本发明提供了一种可调速容积式水泵水轮机。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

可调速容积式水泵水轮机，包括蜗壳、转轮、弹簧和辐板；

所述蜗壳呈两端封闭的圆筒结构，蜗壳的外壁在圆周上划分成四个面，依次为进水面、受压工作面、出水面和阻水面；进水面和出水面的弧长相等，受压工作面和阻水面的弧长相等；所述进水面和出水面上均设有多个通孔；所述进水面与进水压力管道连接，使高压水通过进水压力管道流入蜗壳内；所述出水面与尾水管连接，使尾水通过尾水管排出蜗壳；

所述转轮的外径小于蜗壳的内径，所述转轮偏心安装在蜗壳内，转轮的轴心可沿受压工作面和阻水面的弧长的中心连线方向平移；转轮的端面与蜗壳的内端面滑动接触，转轮的外表面与蜗壳的内表面之间形成过水空腔；

所述转轮上均布设有多个径向开的槽，每个槽内设有一弹簧和一辐板，辐板与槽滑动配合，辐板与转轮的高度相等；弹簧压在辐板上并使辐板与蜗壳内壁可滑动接触。

与现有技术相比，本发明的可调速容积式水泵水轮机具有以下优点：

1、可调速容积式水泵水轮机，转轮轴心可沿受压工作面和阻水面弧长的中心连线方向平移调整其偏心程度，以调节过水流量和转轮的旋转力矩及转度，轮机工作在联网发电状态；当偏心超调后，转轮受到反向力矩的作用，轮机可工作在联网抽水蓄能状态；两个状态都可方便流量调节。

2、转速低时，尾水带走的动能少，能量转化效率高。

3、两端封闭的圆筒结构的蜗壳包括进水面、受压工作面、出水面和阻水面；进水面和出水面上钻有多个通孔是为了提高蜗壳的机械强度；如果其机械强度足够大，则可在辐板有限制的情况下去掉整个进水面和出水面以降低对水流的阻力；受压工作面和阻水面的弧长度不能太小，以保证进水压力管道和尾水管在任何情况下都受到辐板的隔离而不直接连通。

附图说明

图1为可调速容积式水泵水轮机横截面的结构示意图。

附图中： 1—进水压力管； 2—进水面； 3—通孔； 4—辐板； 5—槽； 7—弹簧； 8—转轮； 9—阻水面； 11—出水面； 12—尾水管； 13—受压工作面； 14—过水空腔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，可调速容积式水泵水轮机包括蜗壳、转轮8、弹簧7和辐板4。

其中，蜗壳呈两端封闭的圆筒结构，蜗壳的外壁在圆周上划分成四个面，依次为进水面2、受压工作面13、出水面11和阻水面9。进水面2和出水面11的弧长相等，受压工作面13和阻水面9的弧长相等。进水面2和出水面11上均设有多个通孔3，进水面2上的通孔3作为进水孔，出水面11上的通孔3作为出水孔。进水面2与进水压力管道1连接，使高压水通过进水压力管道1流入蜗壳内；出水面11与尾水管12连接，使尾水通过尾水管12排出蜗壳。

转轮8的外径小于蜗壳的内径，转轮8偏心安装在蜗壳内，转轮8的轴心可沿受压工作面13和阻水面9的弧长的中心连线方向平移。转轮8的端面与蜗壳的内端面滑动接触，转轮8的外表面与蜗壳的内表面之间形成过水空腔14。

转轮8上均布设有多个径向开的槽5（本实施例中，在转轮8上均布设有八个径向开的槽5）。每个槽5内设有一弹簧7和一辐板4，辐板4与槽5滑动配合，辐板4与转轮8的高度相等。弹簧7的一端压在槽5的内侧壁上，另一端压在辐板4上，并使辐板4与蜗壳内壁可滑动接触。

转轮8、受压工作面13、阻水面9和辐板4对轮机的进水和出水进行隔离。蜗壳的内径和转轮8的外径相差不大。

蜗壳的内径、蜗壳的厚度、转轮8的直径以及辐板4的数量等由进水面2、受压工作面13、出水面11和阻水面9的相对宽度以及摩擦、水头、流量和震动等情况确定。转轮8的轴心可沿受压工作面13和阻水面9的弧长的中心连线方向平移调整。如果蜗壳的受压工作面13处的辐板4的伸出长度比阻水面9处的辐板4的伸出长度长，则当进水压力管道1来水，与受压工作面13接触的辐板4的面积大，受到较大的水压力，而与阻水面9接触的辐板4面积小，受到较小的水压力，两者的压力差使得辐板9带动转轮8旋转。调节转轮8相对于蜗壳的偏心程度就可以调节流过转轮过水空腔14的水流量和转轮8的旋转速度。如果转轮8的外圆与蜗壳内圆的阻水面9的中点处滑动接触，偏心程度越大，转速转矩就越快，转矩就越大，而当两轴心同轴偏心为零，转速为零。此后如果转轮8的轴心向受压工作面13的弧中点处继续超调移动，转轮8就受到反向力矩的作用。如果受压工作面13处的辐板4伸出较长，该轮机工作在联网发电状态，那么阻水面9处的辐板4伸出较长时，该轮机则工作在联网水泵抽水蓄能状态。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.可调速容积式水泵水轮机，其特征在于：包括蜗壳、转轮（8）、弹簧（7）和辐板（4）；

所述蜗壳呈两端封闭的圆筒结构，蜗壳的外壁在圆周上划分成四个面，依次为进水面（2）、受压工作面（13）、出水面（11）和阻水面（9）；进水面（2）和出水面（11）的弧长相等，受压工作面（13）和阻水面（9）的弧长相等；所述进水面（2）和出水面（11）上均设有多个通孔（3）；所述进水面（2）与进水压力管道（1）连接，使高压水通过进水压力管道（1）流入蜗壳内；所述出水面（11）与尾水管（12）连接，使尾水通过尾水管（12）排出蜗壳；

所述转轮（8）的外径小于蜗壳的内径，所述转轮（8）偏心安装在蜗壳内，转轮（8）的轴心可沿受压工作面（13）和阻水面（9）的弧长的中心连线方向平移；转轮（8）的端面与蜗壳的内端面滑动接触，转轮（8）的外表面与蜗壳的内表面之间形成过水空腔（14）；

所述转轮（8）上均布设有多个径向开的槽（5），每个槽（5）内设有一弹簧（7）和一辐板（4），辐板（4）与槽（5）滑动配合，辐板（4）与转轮（8）的高度相等；弹簧（7）压在辐板（4）上并使辐板（4）与蜗壳内壁可滑动接触。

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