CN104595094B - 水力涡轮发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水力涡轮发电机，包括涡轮发电机壳体和设在涡轮发电机壳体内的径流式涡轮装置，涡轮发电机壳体包括进水管、径流式涡轮装置腔室和出水管，进水管包括渐缩进水口和渐扩出水口，径流式涡轮装置腔室包括筒状腔室和密闭封盖在筒状腔室两端的端盖，出水管包括渐缩汇水口和渐扩排水口。径流式涡轮装置包括导流筒和设在导流筒内的径流式涡轮，导流筒包括若干导流叶片，径流式涡轮包括若干涡轮叶片和涡轮轴，径流式涡轮通过涡轮轴穿设在端盖上。本发明水力涡轮发电机采用内置的导流装置调整水流冲击方向，采用内置的径流式涡轮转换输出能量，提高了水流势能转化率，具有尺寸适当，使用维护方便的特点。

Description

水力涡轮发电机
技术领域
本发明涉及一种涡轮发电机，特别涉及一种将水流能量转换为电能的涡轮发电机，属于水力发电设备领域。
背景技术
随着全球工业化的发展，能源问题逐渐凸显，一方面是能源的来源不能满足日益扩大的高耗能产业需求，重要的能源物资逐渐变得紧缺，日趋消耗殆尽，另一方面能源的消耗和开采对环境的影响也累积加深，导致气候变化，影响工业和产业的发展以及人类的生活质量。在这样的背景下，社会需要开发新型的能源形式，这种能源形式应当满足取之不尽，用之不竭，并且对环境没有过度有害影响，例如利用空气冷热对流产生的风能，利用潮汐和水流产生的能量，利用太阳辐射产生的能量等形式。公开号是CN203161423U的专利文件公开了一种水渠道水力发电装置，这种水力发电装置包括叶轮和支架，叶轮上设有轮叶，叶轮输出轴一端固定连接第一齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合传动，第二齿轮带动发电机转子旋转发电，其中轮叶的形状与水渠道形状匹配，从而增大了水对轮叶的冲击力，提高了水流能量的利用率。公开号是CN203822528U的专利文件公开了一种水力发电装置，这种水力发电装置包括水力转动轮、变速装置和发电机等部件，由设在转动轮上方的供水槽提供水流，利用水流的落差冲击转动轮带动电机发电。文件中还特别指出，可以包括多套上述水力发电装置，这些水力发电装置布置在同一垂直的水流落差方向上，从而实现了多级发电的方式，提高了水流能量的使用率。以上两种水力发电设备都是采用水流冲击裸露在外的大型水轮实现能量转换的，但是无法控制水流冲击方向，能量转化率较低，而且设备尺寸大，使用不方便。
发明内容
本发明水力涡轮发电机公开了新的方案，采用导流装置调整水流冲击方向，采用径流式涡轮转换输出能量，提高了水流势能转化率，解决了现有水轮机尺寸大，使用维护不便的问题。
本发明水力涡轮发电机包括涡轮发电机壳体和设在涡轮发电机壳体内的径流式涡轮装置，涡轮发电机壳体包括进水管、径流式涡轮装置腔室和出水管，进水管包括渐缩进水口111和渐扩出水口112，渐缩进水口111与渐扩出水口112密封连通，径流式涡轮装置腔室包括筒状腔室121和密闭封盖在筒状腔室121两端的端盖122，出水管包括渐缩汇水口131和渐扩排水口132，渐缩汇水口131与渐扩排水口132密封连通，进水管通过渐扩出水口112与高势能端的筒状腔室121密封连通，出水管通过渐缩汇水口131与低势能端的筒状腔室121密封连通。径流式涡轮装置包括导流筒210和设在导流筒210内的径流式涡轮，导流筒210包括若干导流叶片211，上述若干导流叶片211的横截面均匀分布在环形面上，径流式涡轮包括若干涡轮叶片221和涡轮轴，上述若干涡轮叶片221的横截面均匀分布在环形面上，径流式涡轮通过涡轮轴穿设在端盖122上。通过渐缩进水口111和渐扩出水口112的流体工质经导流叶片211整流后冲击涡轮叶片221，释放能量后的流体工质通过渐缩汇水口131和渐扩排水口132排出。
本发明水力涡轮发电机采用内置的导流装置调整水流冲击方向，采用内置的径流式涡轮转换输出能量，提高了水流势能转化率，具有尺寸适当，使用维护方便的特点。
附图说明
图1是本发明水力涡轮发电机示意图。
图2是图1中水力涡轮发电机的径流式涡轮装置横截面示意图。
图3是水力涡轮发电机改进型之一示意图。
图4是图3中水力涡轮发电机的径流式涡轮装置横截面示意图。
图5是水力涡轮发电机改进型之二示意图。
图6是水力涡轮发电机改进型之三示意图。
图7是图6中水力涡轮发电机的径流式涡轮装置横截面示意图。
图1～7中，111是渐缩进水口，112是渐扩出水口，121是筒状腔室，122是端盖，131是渐缩汇水口，132是渐扩排水口，210是导流筒，211是导流叶片，220是I级径流式涡轮，221是涡轮叶片，222是I级径流式涡轮轴，231是转子，232是定子轴芯，233是导线，240是II级径流式涡轮，242是II级径流式涡轮轴，250是III级径流式涡轮，252是III级径流式涡轮轴，260是母径流式涡轮，262是母径流式涡轮轴，270是子径流式涡轮，272是子径流式涡轮轴。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明作进一步说明。
如图1和2所示，本发明水力涡轮发电机示意图。水力涡轮发电机包括涡轮发电机壳体和设在涡轮发电机壳体内的径流式涡轮装置，涡轮发电机壳体包括进水管、径流式涡轮装置腔室和出水管，进水管包括渐缩进水口111和渐扩出水口112，渐缩进水口111与渐扩出水口112密封连通，水流在渐缩进水口111内聚集，水压升高，随后从渐扩出水口112内喷射出去，流速升高。径流式涡轮装置腔室包括筒状腔室121和密闭封盖在筒状腔室121两端的端盖122，端盖122与筒状腔室121封盖处可以设置密封圈，密封圈增强了筒状腔室121的密封性。出水管包括渐缩汇水口131和渐扩排水口132，渐缩汇水口131与渐扩排水口132密封连通，水流工质在渐缩汇水口131内汇集，水压升高，随后从渐扩排水口132内排出，流速升高，排出的水流在一定落差处还可以被再次利用，即在设定的一定落差处还可以再设置一级水力涡轮发电机。进水管通过渐扩出水口112与高势能端的筒状腔室121密封连通，出水管通过渐缩汇水口131与低势能端的筒状腔室121密封连通，进水管、筒状腔室121和出水管组成一由上至下的水流通道。径流式涡轮装置包括导流筒210和设在导流筒210内的径流式涡轮，导流筒210包括若干导流叶片211，上述若干导流叶片211的横截面均匀分布在环形面上，导流筒210是一固定不动的筒状导流层，水流经渐扩出水口112内喷出，进入筒状导流层，由导流叶片211调整喷射方向冲击涡轮叶片。径流式涡轮包括若干涡轮叶片221和涡轮轴，上述若干涡轮叶片221的横截面均匀分布在环形面上，径流式涡轮通过涡轮轴穿设在端盖122上，水流冲击涡轮叶片221带动涡轮轴旋转，涡轮轴可以外接发电机转子，将动能转化为电能。图2示出了导流筒210与径流式涡轮的位置关系。以上水流工质能量的转化过程大致是：通过渐缩进水口111和渐扩出水口112的流体工质经导流叶片211整流后冲击涡轮叶片221，释放能量后的流体工质通过渐缩汇水口131和渐扩排水口132排出。
为了降低涡轮轴带动发电机转子旋转过程中机械传动产生的能量损耗，加强发电机设计的结构紧凑性，提高能量的利用率和转化率，本方案基于上述基本的设计还做出了改进，如图3和4所示，涡轮轴是一轴筒结构，涡轮轴上设有转子231，涡轮轴内设有定子轴芯232，流体工质冲击涡轮叶片221带动转子231绕定子轴芯232旋转，定子轴芯232将产生的电流调整后通过导线233输出。以上方案取消了涡轮轴外接发电机转子的传动路线，将发电机的定子结构移至涡轮轴内部固定不动，而将转子设在旋转的涡轮轴上，既精简了设备组成，又提高了能量利用率和转化率。上述利用转子和定子发电的方案中涉及电力转换和调整的内容可以采用本领域通用的设计，也可以根据具体应用场合采用其他专门的设计。
为了进一步增加电力输出，扩大水流资源的利用率，在一些宽水域、高落差应用场合，可以串联使用多台水力涡轮发电机，为了实现这个技术构想，本方案的涡轮发电机采用了多级串联共轴线的设计方案，如图5所示，具体是径流式涡轮装置包括沿轴向共轴布置的I级径流式涡轮220、II级径流式涡轮240和III级径流式涡轮250，I级径流式涡轮220的I级径流式涡轮轴222嵌套在II级径流式涡轮240的II级径流式涡轮轴242内，II级径流式涡轮240的II级径流式涡轮轴242嵌套在III级径流式涡轮250的III级径流式涡轮轴252内，I级径流式涡轮轴222、II级径流式涡轮轴242和III级径流式涡轮轴252分别带动发电端发电。图5示出了上述多级串联共轴线水力涡轮发电机的具体结构，水流进入进水管经过导流筒冲击多级涡轮同时转动做功，其中每级涡轮都可以带动一台发电机运转发电，本方案并不限于图中示出的三级涡轮，还可以是根据实际应用场合合理布置的其它级数的方案。
如上所述，在一些宽水域的应用场合可以采取多级串联的方式提高涡轮发电机的发电量，但是在一些较窄水域应用场合就不宜采用多级串联的方案了，为了解决这个问题，使得在较窄水域也能大幅提高水流能量的利用效率，本方案的水力涡轮发电机还可以采用多级并联共轴线的方案，如图6和7所示，具体是径流式涡轮装置包括母径流式涡轮260和设在母径流式涡轮260内的子径流式涡轮270，母径流式涡轮260是一空心轴筒结构，上述空心轴筒结构的外壁沿空心轴筒结构横截面方向开有若干等距间隔排列的间隙，流体工质通过上述间隙冲击子径流式涡轮270，子径流式涡轮270的子径流式涡轮轴272嵌套在母径流式涡轮260的母径流式涡轮轴262内，母径流式涡轮轴262和子径流式涡轮轴272分别带动发电端发电。图6示出了上述多级并联共轴线水力涡轮发电机的具体结构，水流进入进水管经过导流筒冲击母径流式涡轮转动做功，同时，一部分水流经过上述空心轴筒结构外壁上的间隙流入母径流式涡轮内冲击子径流式涡轮转动做功。本方案并不限于图中示出的母子两级涡轮，还可以是根据实际应用场合合理布置的其它级数的方案。
为了优化水流流动方式，提高水流能量转化效率，本方案的涡轮叶片221的尾缘切平面与上述尾缘处涡轮轴切平面优选呈45°角，径流式涡轮外缘面与导流筒210内缘面的距离优选是0.5cm。在相当一部分情况下，水流的速度和携带的能量达不到有效推动涡轮旋转做功的目的，为了解决这个问题，本方案从涡轮叶片本身的材质出发，扩大水力涡轮发电机的应用范围，具体是涡轮叶片221的材质是环氧树脂复合材料。采用环氧树脂作为涡轮机叶片复合材料可以在水流中低速流动的环境中显著提高涡轮叶片的速度，同时环氧树脂具有稳定性高、柔韧性强和抗疲劳等特点，能满足重量轻、性能高、方便使用、性能可靠的要求，而且环氧树脂材料的采用还能节约涡轮叶片的制造成本。
本方案的水力涡轮发电机采用内置的导流装置调整水流冲击方向，采用内置的径流式涡轮转换输出能量，提高了水流势能转化率。在此基础上，本方案采用了内置转子和定子的方案简化了发电机的传动方式，提高了能量转化效率。为了满足适应不同地理环境的需要，提高水流能量的利用效率，本方案采用了多级串联、并联共轴线涡轮的方案。为了进一步提高水流能量的利用效率，本方案的涡轮叶片采用了环氧树脂复合材料，大幅提高了水力涡轮发电机的适用范围，采用环氧树脂作为涡轮叶片的方案特别适合应用在上述转子涡轮轴和定子轴芯的方案中。基于以上特点，本方案的水力涡轮发电机相比现有的方案具备突出的实质性特点和显著的进步。
本方案的水力涡轮发电机并不限于实施例公开的内容，实施例中出现的技术方案可以单独存在，也可以相互包含，本领域技术人员根据本方案结合公知常识作出的简单替换方案也属于本方案的范围。

Claims (6)

1.水力涡轮发电机，其特征是包括涡轮发电机壳体和设在所述涡轮发电机壳体内的径流式涡轮装置，所述涡轮发电机壳体包括进水管、径流式涡轮装置腔室和出水管，所述进水管包括渐缩进水口(111)和渐扩出水口(112)，渐缩进水口(111)与渐扩出水口(112)密封连通，所述径流式涡轮装置腔室包括筒状腔室(121)和密闭封盖在筒状腔室(121)两端的端盖(122)，所述出水管包括渐缩汇水口(131)和渐扩排水口(132)，渐缩汇水口(131)与渐扩排水口(132)密封连通，所述进水管通过渐扩出水口(112)与高势能端的筒状腔室(121)密封连通，所述出水管通过渐缩汇水口(131)与低势能端的筒状腔室(121)密封连通；所述径流式涡轮装置包括导流筒(210)和设在导流筒(210)内的径流式涡轮，导流筒(210)包括若干导流叶片(211)，所述若干导流叶片(211)的横截面均匀分布在环形面上，所述径流式涡轮包括若干涡轮叶片(221)和涡轮轴，所述若干涡轮叶片(221)的横截面均匀分布在环形面上，所述径流式涡轮通过所述涡轮轴穿设在端盖(122)上；通过渐缩进水口(111)和渐扩出水口(112)的流体工质经导流叶片(211)整流后冲击涡轮叶片(221)，释放能量后的所述流体工质通过渐缩汇水口(131)和渐扩排水口(132)排出，所述径流式涡轮装置包括沿轴向共轴布置的I级径流式涡轮(220)、II级径流式涡轮(240)和III级径流式涡轮(250)，I级径流式涡轮(220)的I级径流式涡轮轴(222)嵌套在II级径流式涡轮(240)的II级径流式涡轮轴(242)内，II级径流式涡轮(240)的II级径流式涡轮轴(242)嵌套在III级径流式涡轮(250)的III级径流式涡轮轴(252)内，I级径流式涡轮轴(222)、II级径流式涡轮轴(242)和III级径流式涡轮轴(252)分别带动发电端发电。
2.根据权利要求1所述的水力涡轮发电机，其特征在于所述涡轮轴是一轴筒结构，所述涡轮轴上设有转子(231)，所述涡轮轴内设有定子轴芯(232)，所述流体工质冲击涡轮叶片(221)带动转子(231)绕定子轴芯(232)旋转，定子轴芯(232)将产生的电流调整后通过导线(233)输出。
3.根据权利要求1或2所述的水力涡轮发电机，其特征在于所述径流式涡轮装置包括母径流式涡轮(260)和设在母径流式涡轮(260)内的子径流式涡轮(270)，母径流式涡轮(260)是一空心轴筒结构，所述空心轴筒结构的外壁沿所述空心轴筒结构横截面方向开有若干等距间隔排列的间隙，流体工质通过所述间隙冲击子径流式涡轮(270)，子径流式涡轮(270)的子径流式涡轮轴(272)嵌套在母径流式涡轮(260)的母径流式涡轮轴(262)内，母径流式涡轮轴(262)和子径流式涡轮轴(272)分别带动发电端发电。
4.根据权利要求1或2所述的水力涡轮发电机，其特征在于涡轮叶片(221)的尾缘切平面与所述尾缘处涡轮轴切平面呈45°角。
5.根据权利要求1或2所述的水力涡轮发电机，其特征在于所述径流式涡轮外缘面与导流筒(210)内缘面的距离是0.5cm。
6.根据权利要求1或2所述的水力涡轮发电机，其特征在于涡轮叶片(221)的材质是环氧树脂复合材料。
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