CN103590962A - 一种用于微水头的水泵水轮机机组 - Google Patents

Abstract

一种用于微水头的水泵水轮机机组，涉及水泵水轮机技术领域，其结构包括管道，管道内设置有水平同转轴安装的发电电动机和水泵水轮机。本申请同时具有水轮机发电及水泵抽水两种工况，同一转轮满足抽水与发电的需要；采用球面形的轮毂和细长型扭曲状的叶片，叶片的截面弦长从叶根侧向叶缘侧逐渐增大的微压型水泵水轮机转轮，适用于范围约0～2.5m的微水头发电或抽水；通过转轮及管道进出口的优化，使管道的长度与转轮的直径比值范围为0.6至3，可方便安装于平板闸门或河床上；本申请采用集成式的结构，便于生产加工、便于机组的组装；可同时利用微水头水能资源和水泵能耗的用于微水头抽水及发电，且结构简单、造价低、无需开发其他工程。

Description

一种用于微水头的水泵水轮机机组

技术领域

 本申请涉及水泵水轮机技术领域，特别是涉及一种用于微水头的水泵水轮机机组。

背景技术

从水生态环境方面看，城市景观水体、生态河流、城市内河涌，由于截流蓄水、开发利用或因网河区联围防洪等因素均会造成水体流动性较差，河流动力减弱，有可能变成“死水”而造成水体自净能力退化，环境恶化而不能满足生态要求。

从清洁可再生能源方面看，微水头水能资源（水力发电）是人类到目前为止找到的最好的清洁可再生绿色能源之一，国家的能源“十二五”规划更是明确把水能资源（水电）开发放在优先位置。一般认为2.50m以下水头（以下称微水头）水能资源，由于其能量密度较低、单点发电（装机）规模较小，若采用传统的开发方式与发电设备，虽然技术成熟，但水头越低经济性越差，难以承受造价昂贵的土建、淹没赔偿及设备等费用。因此，微水头水能资源目前基本上处于未开发状态，也未引起人们的重视。

另外，从水泵抽水的角度看，水泵装置是耗能设备，就算单点抽水的规模较小，就全国范围而言，用于抽水的能耗也是巨大的。

因此，充分利用微水头水能资源和降低水泵能耗是人们亟需解决的技术难题之一。

现有技术中，公开号为CN102966563A的中国发明专利申请公开了一种高效抽水、发电两用的水轮泵，其结构包括泵体、发电机和泵轴，泵体包括水轮腔及泵腔，泵轴分为第一段轴及第二段轴，泵轴的上端连接发电机；第一段轴上固定有两个同向的叶轮，泵腔设有第一进水口及第一出水口；第二段轴上固定有专用转轮，叶轮与专用转轮的安装方向相反，泵体上对应专用转轮设置有导水座，泵体上设置有供水流入泵腔的第二进水口，泵体的底端设置有第二出水口，当要抽水时，可以利用河流或者潮汐泵站提水灌溉农田，当农闲农田不需要水时，又可以连接发电机，利用水能直接带动发电机发电，其虽然整体结构紧凑、操作方便、减少水流损失、增大水头比，提高利用效率，使用范围广；然而由于以上的技术方案中，水泵和水轮机是分开设置的，导致其整体结构复杂，造价高，不适用于大规模的推广应用。

现有技术的水泵水轮机的转轮，一般包括上冠、下环以及设置于上冠和下环之间的叶片，只能应用在水头范围为４～６００ｍ的能力密集的抽水蓄能电站上，不能应用在能量不密集的微水头的水泵水轮机上，其结构较为复杂、体积大且很笨重。

发明内容

本申请的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种可应用于闸门或者河床，可同时利用微水头水能资源和水泵能耗，且结构简单、造价低、无需开发其他额外工程的用于微水头的水泵水轮机机组。

本申请的目的通过以下技术方案实现：

提供一种用于微水头的水泵水轮机机组，包括管道，管道内设置有水平同转轴安装的发电电动机和水泵水轮机，

发电电动机通过多个固定支臂固定于管道内，位于发电电动机上方的其中一个固定支臂与管道壁的连接处开设有用于穿设发电电动机线缆的线缆穿出口，线缆穿出口连接并网变频器及保护控制设备；

水泵水轮机包括专用转轮，所述专用转轮包括球面形的轮毂和设置于轮毂的叶片，轮毂穿设于转轴，叶片设置为细长型扭曲状的叶片、且叶片的叶缘端具有弧形的凹部，叶片的截面弦长从叶根侧向叶缘侧逐渐增大；

管道的长度与专用转轮的直径的比值范围为0.6至3；

上游的水力带动水泵水轮机的专用转轮向一个方向转动则带动发电电动机发电，发电电动机带动所述水泵水轮机的专用转轮向另一个方向转动则向上游抽水。

其中，管道的水流出口设置为渐扩渐缩式的水流出口。

其中，管道的水流进口和/或水流出口设置有用于切断水流的装置。

其中，用于微水头的水泵水轮机机组通过固定装置连接固定于平板闸门或河床上。

其中，水泵水轮机的专用转轮的工作水头为0～2.5m。 

其中，固定支臂沿发电电动机的外壳的外周向均匀分布设置。

其中，固定支臂沿发电电动机的外壳的外周向呈等距离环形分布设置。

其中，固定支臂在发电电动机的外壳的外周面上呈螺旋排列。

其中，管道的长度与专用转轮的直径的比值范围为0.6至1.5。

本申请的有益效果：本申请主要安装于平板闸门或者河床上。本申请由于同时具有水轮机发电及水泵抽水两种工况，同一专用转轮满足抽水与发电的需要；采用专门开发的球面形的轮毂和细长型扭曲状的叶片、且叶片的叶缘端具有弧形的凹部，叶片的截面弦长从叶根侧向叶缘侧逐渐增大的微压型水泵水轮机转轮，适用于范围约0～2.5m的微水头发电或抽水；通过转轮及管道进出口的优化，使管道的长度与专用转轮的直径比值范围为0.6至3，可方便安装于平板闸门或河床上；发电机采用发电电动机，取消同步励磁机控制装置，由于使用了并网变频器，可使发电工况并网简单，机组转速在一定的转速范围内不受限制，可以取消调速设备，简化发电辅助系统，从而使发电机的结构简单，可节省大量的土建费用及设备造价，便于市场上的普及与推广；本申请采用集成式的结构，便于生产加工、便于机组的组装；可同时利用微水头水能资源和水泵能耗的用于微水头抽水及发电，且结构简单、造价低、无需开发其他工程。

附图说明

利用附图对申请作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本申请的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本申请安装于闸门的使用状态图。

图2是本申请安装于河床的使用状态图。

图3是专用转轮的结构示意图。

图中包括有：

1——管道；

2——发电电动机；

3——水泵水轮机、31——叶片、32——轮毂；

4——固定支臂；

5——法兰；

6——闸门；

7——河床。

具体实施方式

结合以下实施例对本申请作进一步描述。

本实施例的一种用于微水头抽水及发电的水泵水轮机机组，如图1和图2所示，包括管道1，管道1内设置有水平同转轴安装的发电电动机2和水泵水轮机3。上游的水力带动水泵水轮机3的专用转轮向一个方向转动则带动发电电动机2发电，发电电动机2带动所述水泵水轮机3的专用转轮向另一个方向转动则向上游抽水。可同时实现发电和抽水两个工况，充分利用微水头水能资源和降低水泵能耗。

电电动机2通过多个固定支臂4固定于管道1内，位于发电电动机2上方的其中一个固定支臂4与管道1壁的连接处开设有用于穿设发电电动机2线缆的线缆穿出口。其中一个固定支臂4同时作为线缆的穿出口及水泵水轮机3的固定导叶，因此不需设水泵水轮机3的活动导叶。

线缆穿出口连接并网变频器及保护控制设备。采用变频技术可降低抽水能耗，绿色环保。发电工况时，专用转轮可变速转动，发电电动机2通过并网变频设备输电至电网；抽水工况时，水泵水轮机3利用电网供电，通过变频设备变频转动。

水泵水轮机包括专用转轮，如图3所示，专用转轮包括球面形的轮毂32和设置于轮毂32的叶片31，轮毂32穿设于转轴，叶片31设置为细长型扭曲状的叶片、且叶片31的叶缘端具有弧形的凹部，叶片的截面弦长从叶根侧向叶缘侧逐渐增大。球面形的轮毂32便于安装叶片31。此种结构的专用转轮是一种专门应用于范围约0～2.5m的微水头发电或抽水的转轮。现有技术的转轮一般都是只适用于4m以上的水头。该水泵水轮机安装于闸门上，可对具体的水体进行低扬程抽水补水、循环流动或微循环流动。

管道1的长度与专用转轮的直径的比值范围为0.6至3。具体地，管道1的长度与专用转轮的直径的比值范围为0.6至1.5。结构小，比例合适，可直接安装于闸门6。

其中，管道1的水流出口设置为渐扩渐缩式的水流出口。有利于回收专用转轮出口的动能能量，提高机组效率。

其中，管道1的水流进口和/或水流出口设置有用于切断水流的装置。对于常规低水头贯流机组来说，设置用于切断水流的装置也是一种保护机组避免飞逸运行的手段之一。本申请不需要通过该装置来保护机组避免飞逸运行，在本申请中，该装置的作用是防止水倒流。具体的，管道1的前部或后部设置有用于切断水流的小闸门。当本申请安装于闸门6时，具体为平板闸门6时，可在平板闸门6安装小闸门，形成门中门。

其中，用于微水头抽水及发电的水泵水轮机3机组通过固定装置连接固定于平板闸门6或河床7上。

其中，水泵水轮机3的专用转轮的工作水头为0～2.5m。0～2.5m属于微水头。

其中，固定支臂4沿发电电动机2的外壳的外周向均匀分布设置。固定支臂4作为固定导叶使用时，可使座环（过流部分）成为一体，同时使水流进入专用转轮前形成环量。

具体地，固定支臂4沿发电电动机2的外壳的外周向呈等距离环形分布设置。

更具体地，固定支臂4在发电电动机2的外壳的外周面上呈螺旋排列。可更好地使水流进入专用转轮前形成环量。

现有技术的活动导叶用于调节流量，以及机组停机时用于切断水流，本申请由于采用变频并网技术，因此，可以不设活动导叶，可以使专用转轮结构简化，成本低，便于制造与加工。  

本申请主要安装于平板闸门6或者河床7上，由于同时具有水轮机发电及水泵抽水两种工况，同一专用转轮满足抽水与发电的需要；采用专门开发的球面形的轮毂和细长型扭曲状的叶片、且叶片31的叶缘端具有弧形的凹部，叶片的截面弦长从叶根侧向叶缘侧逐渐增大的微压型水泵水轮机转轮，适用于范围约0～2.5m的微水头发电或抽水；通过专用转轮及管道1进出口的优化，使管道1的长度与专用转轮的直径比值范围为0.6至3，可方便安装于平板闸门6或河床7上；电机采用发电电动机2，取消同步励磁机控制装置，由于使用了并网变频器，可使发电工况并网简单，机组转速在一定的转速范围内不受限制，可以取消调速设备，简化发电辅助系统，从而使发电机的结构简单，可节省大量的土建费用及设备造价，便于市场上的普及与推广；本申请采用集成式的结构，便于生产加工、便于机组的组装；可同时利用微水头水能资源和水泵能耗的用于微水头抽水及发电，且结构简单、造价低、无需开发其他工程。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本申请作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种用于微水头的水泵水轮机机组，其特征在于：包括管道，管道内设置有水平安装且同转轴设置的发电电动机和水泵水轮机，发电电动机设置于靠近发电方向的位置，水泵水轮机设置于靠近抽水方向的位置；

发电电动机通过多个固定支臂固定于管道内，位于发电电动机上方的其中一个固定支臂与管道壁的连接处开设有用于穿设发电电动机线缆的线缆穿出口，线缆穿出口连接并网变频器及保护控制设备；

水泵水轮机包括有专用转轮，所述专用转轮包括球面形的轮毂和设置于轮毂的叶片，轮毂穿设于转轴，叶片设置为细长型扭曲状的叶片、且叶片的叶缘端具有弧形的凹部，叶片的截面弦长从叶根侧向叶缘侧逐渐增大；

管道的长度与所述专用转轮的直径的比值范围为0.6至3；

上游的水力带动水泵水轮机的专用转轮向一个方向转动则带动发电电动机发电，发电电动机带动所述水泵水轮机的专用转轮向另一个方向转动则向上游抽水。

2.如权利要求1所述的一种用于微水头的水泵水轮机机组，其特征在于：管道的水流出口设置为渐扩渐缩式的水流出口。

3.如权利要求1所述的一种用于微水头的水泵水轮机机组，其特征在于：管道的水流进口和/或水流出口设置有用于切断水流的装置。

4.如权利要求1所述的一种用于微水头的水泵水轮机机组，其特征在于：用于微水头的水泵水轮机机组通过固定装置连接固定于平板闸门或河床上。

5.如权利要求1所述的一种用于微水头的水泵水轮机机组，其特征在于：水泵水轮机的专用转轮的工作水头为0～2.5m。

6.如权利要求1所述的一种用于微水头的水泵水轮机机组，其特征在于：固定支臂沿发电电动机的外壳的外周向均匀分布设置。

7.如权利要求6所述的一种用于微水头的水泵水轮机机组，其特征在于：固定支臂沿发电电动机的外壳的外周向呈等距离环形分布设置。

8.如权利要求7所述的一种用于微水头的水泵水轮机机组，其特征在于：固定支臂在发电电动机的外壳的外周面上呈螺旋排列。

9.如权利要求1所述的一种用于微水头的水泵水轮机机组，其特征在于：管道的长度与专用转轮的直径的比值范围为0.6至1.5。

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