CN102828896B

CN102828896B - 变容积式调速水泵水轮机

Info

Publication number: CN102828896B
Application number: CN201210351332.5A
Authority: CN
Inventors: 古亮; 李山; 陈新岗; 刘述喜; 刘伟; 雷绍兰; 胡晓倩; 贺娟
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2032-09-20
Also published as: CN102828896A

Abstract

本发明公开了一种变容积式调速水泵水轮机，包括蜗壳、上盖板、下盖板、转轮、辐板、进水管和出水管；蜗壳的内表面在圆周上划分成进水面、受压工作面、出水面、阻水面、进水面、受压工作面、出水面和阻水面；受压工作面比阻水面的内半径大，进、出水面是两者的圆弧过渡；转轮的外圆面与蜗壳的阻水面滑动接触，转轮上均布多个径向槽，槽内设弹簧和辐板；上盖板套在转轮外，与转轮径向固定、轴向可滑动配合，对蜗壳的上端密封；下盖板与转轮的下端面滑动接触，与蜗壳的内表面径向固定、轴向可滑动配合，对蜗壳的下端进行密封。轴向调节下盖板的位置，就可以调节过水腔高度及其横截面积或过水腔容积，从而调节水流量和轮机旋转力矩及转速。

Description

变容积式调速水泵水轮机

技术领域

本发明涉及一种水泵水轮机，尤其涉及一种变容积式调速水泵水轮机。

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。火力发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，应用之广仅次于火力发电，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：P＝γQ(u₁V_u1-u₂V_u2)/g，其中P是水流对叶轮的功率，γ是水的容重，Q是水在单位时间的流过叶轮的体积，g是重力加速度，u₁和V_u1是入射水流的初速度V₁的切向分量和水流射入点的叶轮旋转线速度，u₂和V_u2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P＝m(u₁V_u1-u₂V_u2)。假定尾水在叶轮轴心处离开，此处线速度V_u2为零，则有P＝mu₁V_u1。与P＝mv²/2比较得：当水流射入处叶轮线速度V_u1＝u₁/2时，转化效率最高。但实际情况是：u₁<V₁,V_u2>0且V_u1＜u₁/2(定桨式)，效率较低。转桨式叶轮可近似满足V_u1＝u₁/2，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，以得到更高水力发电的效率。

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，是新能源发展的重要组成部分，具有巨大的发展空间。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，它既可以方便调速，又可以调峰，在用电高峰期发电又可以在用电低谷期抽水蓄能；以此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。

中国专利公开号201210255277X公开了一种容积式水泵水轮机，径向调节辐板的径向长度，就可以调节过水腔宽度及其横截面积或过水腔容积，从而调节水流量和轮机旋转力矩及转速。此方法克服了一般水轮机的以上缺点，发电-抽水蓄能状态的过渡转换更迅速。但还存在两个不足之处：1.出力不稳定，周期性变化。在转轮旋转过程中，辐板受到高水头压力的部分其面积随转轮旋转而变化，导致出力有波动。2.转轮径向受力大。转轮一个侧面连接进水管，受高水头压力，另一侧面与出水管连接，受负压；其压力差较大，这对转轮轴承十分不利。

因此，有必要开发出力稳定、更合理的水泵水轮机。

发明内容

为了克服现有的利用动量矩守恒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、调速困难和出力不稳定和对水机系统冲击大等缺点,本发明提供了一种采用改变辐板轴向长度的办法来调速的变容积式调速水泵水轮机。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

变容积式调速水泵水轮机，包括蜗壳、上盖板、下盖板、转轮、辐板、进水管和出水管；

所述蜗壳呈柱形直通结构，内表面在圆周上依次划分成进水面、受压工作面、出水面、阻水面、进水面、受压工作面、出水面和阻水面共八个面；两个受压工作面各占圆周的1/4并相对蜗壳的轴线对称布置；两个阻水面的弧长相等并相对蜗壳的轴线对称布置，两个阻水面的中心连线与两个受压工作面的中心连线垂直；受压工作面和阻水面与转轮同轴心，受压工作面的内半径比阻水面的内半径大；进水面和出水面是连接受压工作面和阻水面的平滑过渡面；

所述进水面的外侧连接进水管，所述出水面的外侧连接出水管，进水面和出水面上均设有多个通孔；

所述转轮为圆柱形并设置在蜗壳内，转轮的外圆面与蜗壳的阻水面同轴心且滑动接触，与蜗壳的受压工作面之间形成过水空腔；转轮上均布设有多个径向开的槽Ⅰ，每个槽Ⅰ内设有一弹簧和一辐板，辐板与转轮的两端面齐平，弹簧压在辐板上并使辐板可径向向外伸出且在转轮的旋转带动下始终与蜗壳的内壁滑动接触；

所述上盖板套在转轮的外圆上并与转轮径向固定、轴向可滑动配合，上盖板与蜗壳的上端面滑动接触并对蜗壳的上端进行密封；所述下盖板位于转轮的下方并与转轮的下端面滑动接触，下盖板与蜗壳的内表面径向固定、轴向可滑动配合，下盖板并对蜗壳的下端进行密封；

所述蜗壳的受压工作面、转轮的外圆面、上盖板和下盖板之间形成过水腔。

作为本发明的一种优选方案，所述上盖板开有槽Ⅱ，辐板伸出该槽Ⅱ并与蜗壳的内壁滑动接触。

与现有技术相比，本发明的变容积式调速水泵水轮机具有以下优点：

1、变容积式调速水泵水轮机工作原理是高水头势能对辐板的压力直接作功的能量守恒原理，而不是现有轮机的动量矩守恒的工作原理；当转轮转速很低时，高水头水压几乎无损失地作用于辐板上，直接对辐板或转轮做功，并且尾水(即出水)带走的动能少，能量转化效率高。

2、变容积式调速水泵水轮机，在轴向调节下盖板的位置，就能调节过水腔的横截面积，从而调节水流量、轮机旋转力矩及转速；当高压水从进水管进入轮机，对辐板施加水压，带动转轮旋转，此时轮机工作在联网发电状态；当转轮在电动机的带动下反向旋转，则轮机工作在联网抽水蓄能状态；两个状态都可方便流量调节。

3、受压工作面的弧长度不能太小，以保证进水管和出水管在任何情况下都受到辐板的隔离而不直接连通；并使辐板在此区域受到的水压稳定，保证轮机出力平稳无波动。

4、辐板数量最好是4或6等偶数对称均匀设置，进出水管也相应对称布置，使过水腔中的水对转轮的轴向压力抵消，减小轴承的压力；辐板数量过多时摩擦力增大并可能会使轮机缝隙过多而漏水严重，导致水机效率的容积效率损失过大。

附图说明

图1为变容积式调速水泵水轮机的结构示意图。

附图中：1—槽Ⅰ；2—转轮；3—辐板；4—上盖板；5—出水管；6—进水管；7—进水面；8—蜗壳；9—下盖板；10—受压工作面；11—出水面；12—出水管；13—阻水面；14—进水管。

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，变容积式调速水泵水轮机包括蜗壳8、上盖板4、下盖板9、转轮2、辐板3、进水管6、进水管14、出水管5、和出水管12。

蜗壳8呈柱形直通结构，蜗壳8的内表面在圆周上依次划分成进水面7、受压工作面10、出水面11、阻水面13、进水面、受压工作面、出水面和阻水面八个部分。每个阻水面13与相邻的进水面7和出水面11共占圆弧的1/4，或稍少于1/4，每个受压工作面10占圆弧的1/4。受压工作面10和阻水面13与转轮2同轴心，但受压工作面10的内半径比阻水面13的内半径稍大；进水面7和出水面11是连接受压工作面10和阻水面13的过渡面，进水面7的外侧连接进水管6，出水面11的外侧连接出水管12，进水面7和出水面11上均设有多个通孔。

转轮2为圆柱形，转轮2安装在蜗壳8内，转轮2的外圆面与蜗壳8的阻水面13同轴心且滑动接触，转轮2的外圆面与蜗壳8的受压工作面之间形成过水空腔。转轮2上均布设有多个径向开的槽Ⅰ1，每个槽Ⅰ1内设有一弹簧和一辐板3，辐板3与转轮2两端面齐平，弹簧的一端压在槽Ⅰ1的内端，弹簧的另一端压在辐板3上并使辐板3可径向向外伸出并在转轮2的旋转带动下始终与蜗壳8内壁滑动接触。

上盖板4套在转轮2的外圆面上并与转轮2径向固定、轴向可滑动配合(即上盖板4随转轮2同步旋转，与转轮2在轴向滑动接触)，上盖板4与蜗壳8上端面滑动接触，并对蜗壳8上端进行封堵。上盖板4开有槽Ⅱ，方便辐板3在径向伸出该槽Ⅱ并始终与蜗壳8内壁滑动接触。

下盖板9位于转轮2的下方，并与转轮2的下端面滑动接触。下盖板9与蜗壳8内表面径向固定、轴向可滑动配合(即下盖板9可沿蜗壳8内壁在轴向上下滑动接触)，蜗壳8对转轮2下端面处的蜗壳8柱形直通结构进行封堵。蜗壳8的受压工作面10、转轮2的外圆面、上盖板4和下盖板9之间形成过水腔。

轴向调节下盖板9的位置，就能调节受压辐板3的高度及过水腔的横截面积，就能调节过水腔容积，从而调节过水流量、轮机旋转力矩及转速。当高压水从进水管6和进水管14进入轮机，对辐板3施加水压，带动转轮2旋转，此时轮机工作在联网发电状态；当转轮2在电动机的带动下反向旋转，则轮机工作在联网抽水蓄能状态。

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.变容积式调速水泵水轮机，其特征在于：包括蜗壳（8）、上盖板（4）、下盖板（9）、转轮（2）、辐板（3）、进水管（6、14）和出水管（5、12）；

所述蜗壳（8）呈柱形直通结构，内表面在圆周上依次划分成进水面（7）、受压工作面（10）、出水面（11）、阻水面（13）、进水面、受压工作面、出水面和阻水面共八个面；两个受压工作面（10）各占圆周的1/4并相对蜗壳（8）的轴线对称布置；两个阻水面（13）的弧长相等并相对蜗壳（8）的轴线对称布置，两个阻水面（13）的中心连线与两个受压工作面（10）的中心连线垂直；受压工作面（10）和阻水面（13）与转轮（2）同轴心，受压工作面（10）的内半径比阻水面（13）的内半径大；进水面（7）和出水面（11）是连接受压工作面（10）和阻水面（13）的平滑过渡面；

所述进水面（7）的外侧连接进水管（6），所述出水面（11）的外侧连接出水管（12），进水面（7）和出水面（11）上均设有多个通孔；

所述转轮（2）为圆柱形并设置在蜗壳（8）内，转轮（2）的外圆面与蜗壳（8）的阻水面（13）同轴心且滑动接触，与蜗壳（8）的受压工作面之间形成过水空腔；转轮（2）上均布设有多个径向开的槽Ⅰ（1），每个槽Ⅰ（1）内设有一弹簧和一辐板（3），辐板（3）与转轮（2）的两端面齐平，弹簧压在辐板（3）上并使辐板（3）可径向向外伸出且在转轮（2）的旋转带动下始终与蜗壳（8）的内壁滑动接触；

所述上盖板（4）套在转轮（2）的外圆上并与转轮（2）径向固定、轴向可滑动配合，上盖板（4）与蜗壳（8）的上端面滑动接触并对蜗壳（8）的上端进行密封；所述下盖板（9）位于转轮（2）的下方并与转轮（2）的下端面滑动接触，下盖板（9）与蜗壳（8）的内表面径向固定、轴向可滑动配合，下盖板（9）并对蜗壳（8）的下端进行密封；

所述蜗壳（8）的受压工作面（10）、转轮（2）的外圆面、上盖板（4）和下盖板（9）之间形成过水腔；

所述上盖板（4）开有槽Ⅱ，辐板（3）伸出该槽Ⅱ并与蜗壳（8）的内壁滑动接触。