CN105041554B - 一种活塞式水能转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种活塞式水能转换器，包括至少两个并列的缸体，所述至少两个缸体共用一根曲轴，每一所述缸体上面可拆卸的连接有缸盖，所述缸盖设有进水阀门和出水阀门；在一所述缸体内所述活塞处在上止点时，所述进水阀门开启高压水流射入所述缸体推动活塞下行做功，所述活塞与曲轴相连，所述曲轴一端连接所述飞轮，所述飞轮对外输出动能；在所述活塞下行至下止点时，关闭所述进水阀门，同时打开所述出水阀门；此时在另一所述缸体内所述活塞正处于上止点，所述活塞下行对外做功，本缸体内所述活塞上行至上止点排出低压水流，如此循环往复，实现水的势能转化为机械能，提高了微型水力发电机的发电效率及负载变化时电压稳定性。

Description

一种活塞式水能转换器

技术领域

本发明属于水力发电领域，具体涉及一种活塞式水能转换器。

背景技术

现在广泛应用的主流水力发电机是的形式，有冲击式与反击式等发电方式，水轮机发电以水轮机为原动机将水能转化为电能的发电机，水流经过水轮机时，将水能转换成机械能，水轮机的转轴又带动发电机的转子，将机械能转换成电能而输出，是水电站生产电能的主要动力设备。大型发电机组如三峡水利发电站水轮机的效率可以达到90％，但是微型水力发电机水轮机的效率平均在70％左右，转化效率还是差强人意的。

大型水力发电机采用随功率自动变化的水流量调节器，来保持发电电压的稳定。微型水力发电机一般应用在山区，由于自动水流调节器的价格比较高，微型水力发电机一般不会配备自动水流调节器，而采用手动水流调节器，很难实现电压的稳定。

因此非常有必要开发一种低成本高效率的水能转换器解决微型水力发电机发电不稳的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述微型发电机现有技术方面的不足，而提供一种活塞式水能转换器，实现提高微型水力发电机的发电效率及负载变化时电压稳定性。

本发明的技术方案是：一种活塞气缸式水能转换器，包括至少两个并列的缸体，一根曲轴，所述曲轴的一端装有飞轮；所述曲轴包括至少三个主轴颈和至少两个连杆轴颈；

所述缸体上面可拆卸的连接有缸盖；所述缸盖为圆柱体，所述缸盖内铸有两道隔板，两道所述隔板沿所述缸盖的中心轴线对称分布，两道所述隔板之间设有进水阀门，所述隔板与所述缸体内壁之间分别设有出水阀门；

所述缸体分别固定在所述主轴颈上，每一所述缸体内包括活塞和第一连杆；所述活塞与所述缸体间隙配合；所述活塞与所述第一连杆的小头通过活塞销连接；所述第一连杆的大头与连杆大头端盖通过连杆大头螺栓固定套在所述曲轴的连杆轴颈上；

上述方案中，所述进水阀门一端通过花键轴连接于所述缸盖的内壁上，另一端通过光轴连接于所述缸盖的内壁上，所述花键轴与所述光轴位于所述进水阀门直径方向对称轴线的两端；所述花键轴一端伸出所述缸盖外侧与进水阀门传动装置连接。

进一步的，所述出水阀门通过长轴固定于所述缸盖上，所述长轴贯穿所述出水阀门的对称轴线，所述长轴与所述出水阀门通过平键连接；所述长轴一端伸出所述缸盖外侧与出水阀门传动装置连接。

进一步的，所述进水阀门传动装置包括从动轮、第二连杆、套筒和齿条，所述从动轮通过链条与所述曲轴连接，所述从动轮与所述齿条通过所述第二连杆相连，所述齿条可滑动安装在所述套筒内，所述套筒固设在所述缸体外侧，所述齿条与所述花键轴伸出所述缸盖外侧的一端间歇啮合。

进一步的，所述出水阀门传动装置具有与所述进水阀门传动装置相同的结构。

进一步的，所述花键轴、所述长轴和所述光轴通过圆柱滚子轴承装配在所述缸盖的内壁上。

上述方案中，所述缸体外侧固设有机油泵，所述机油泵通过皮带与所述曲轴连接；所述缸体内底部设有油底壳，所述机油泵与所述油底壳通过油管连接。

上述方案中，所述活塞上端装有至少一道活塞环。

上述方案中，所述缸盖与所述缸体通过由八个均布式螺栓连接。

本发明的有益效果是：

1、本发明与往复活塞式发动机主体结构类似具有结构紧凑、刚性强、原理简单、机械方面能量损失小、单位质量发出功率大等优点。

2、本发明主要做功对象是水，水分子直径比气体分子直径要大得多，因此所述缸体与所述活塞之间的加工精度不需要很高，大大降低成本；相同体积水的质量相对于空气质量要大很多倍，则水的惯性比较大，水能转换器的转速低，排出去的低压水动能比较小，水能利用率进一步提高；同时由于转速低，对所述曲轴及各运动配合副之间加工要求也比较低，大大减少加工成本；所述缸体、缸盖及曲轴通过铸造加工，毛坯成本低且易于完成。

3、本发明具有至少两个并列的缸体，所述至少两个缸体共同固定在一根曲轴上，可以一个缸体在做功时，另一个缸体在排水，如此循环往复实现水的势能与机械能转化。

4、本发明在所述曲轴的一端安装所述飞轮，所述飞轮为转动惯量很大的盘形零件，其作用如同一个能量存储器，可使曲轴转速更加稳定，当使用功率变化时对水能转换器转速影响要比水轮机小的多。

5、本发明所述进水阀门传动装置和所述出水阀门传动装置为曲柄滑杆机构，分别由所述曲轴通过链条驱动，实现进水阀门与出水阀门适时开启或关闭。

6、本发明所述机油泵通过皮带由所述曲轴驱动，从油底壳中吸油为曲轴的主轴颈与连杆轴颈等处润滑。

7、本发明所述活塞上端装有至少一道活塞环，所述活塞环会自动胀紧，起到用于密封作用，装入所述活塞环后，所述缸体的缸壁加工精度不用太高，便可密封，可以降低制造成本。

8、本发明在水被排出去之前，高压水始终全部垂直作用于所述活塞上，这比水流推动叶片涡轮对水能的利用率提高很多，这也是本发明可以显著提高微型水力发电机效率的原因。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构剖视图。

图2为本发明一实施例的缸盖结构正视图。

图3为本发明一实施例的缸盖结构左视图。

图4为本发明一实施例的缸盖结构俯视图。

图5为本发明一实施例的曲轴结构俯视图。

图6为本发明一实施例的阀门传动装置结构示意图。

图中，1、缸盖；101、隔板；2、缸体；3、进水阀门；4、出水阀门；5、活塞；6、螺栓；7、活塞销；8、第一连杆；9、连杆大头螺栓；10、连杆大头端盖；11、曲轴；1101、主轴颈；1102、连杆轴颈；12、花键轴；13、长轴；14、光轴；15、平键；16、从动轮；17、第二连杆；18、套筒；19、齿条；20、机油泵；21、油底壳；22、飞轮；23、活塞环。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示为本发明所述活塞式水能转换器的一种实施方式，在该实施方式中，包括两个并列的缸体2，所述两个缸体2共同固定在一根曲轴11上，可以在一个所述缸体2在做功时，另一个所述缸体2在排水，如此循环往复实现水的势能与机械能转化。但本发明不仅仅限于此，所述缸体2的个数可为两个以上。

在本实施例中，每一所述缸体2上面可拆卸的连接有缸盖1，所述缸盖1与所述缸体2通过由八个均布式螺栓6连接；所述缸盖1为圆柱体，所述缸盖1内铸有两道隔板101，两道所述隔板101沿所述缸盖1的中心轴线对称分布，将所述缸盖1分为三分，两道所述隔板101之间为高压进水道，在靠近所述缸盖1底部处设有进水阀门3，两侧为低压排水道，在靠近所述缸盖1底部处分别设有出水阀门4。

如图5所示，所述曲轴11包括两个主轴颈1101和至少两个连杆轴颈1102；所述两个缸体2分别固定在所述两个主轴颈1101上，每一所述缸体2内包括活塞5和第一连杆8；所述活塞5与所述缸体2间隙配合；所述活塞5与所述第一连杆8的小头通过活塞销7连接；所述第一连杆8的大头与连杆大头端盖10通过连杆大头螺栓9固定套在所述曲轴11的连杆轴颈1102上。

所述曲轴11的一端固定连接有飞轮22。所述飞轮22为转动惯量很大的盘形零件，其作用如同一个能量存储器，可使所述曲轴11转速更加稳定，当使用功率变化时对水能转换器转速影响要比水轮机小的多。

如图2和3所示，所述进水阀门3一端通过花键轴12连接于所述缸盖2的内壁上，另一端通过光轴14连接于所述缸盖2的内壁上，所述花键轴12与所述光轴14位于所述进水阀门3直径方向对称轴线的两端；所述花键轴12一端伸出所述缸盖1外侧与进水阀门传动装置连接。

如图4所示，所述出水阀门4通过长轴13固定于所述缸盖2上，所述长轴13贯穿所述出水阀门4的对称轴线，所述长轴13与所述出水阀门4通过平键15连接；所述长轴13一端伸出所述缸盖1外侧与出水阀门传动装置连接。

所述花键轴12、所述长轴13和所述光轴14通过圆柱滚子轴承装配在所述缸盖1的内壁上。

如图6所示，所述进水阀门传动装置包括从动轮16、第二连杆17、套筒18和齿条19，所述从动轮16通过链条与所述曲轴11连接，所述从动轮16与所述齿条19通过所述第二连杆17相连，所述齿条19可滑动安装在所述套筒18内，所述套筒18固设在所述缸体2外侧，所述齿条19与所述花键轴12伸出所述缸盖1外侧的一端间歇啮合。

所述出水阀门传动装置具有与所述进水阀门传动装置相同的结构，所述出水阀门传动装置的齿条与所述长轴伸出所述缸盖1外侧的一端间歇啮合。

所述进水阀门传动装置和所述出水阀门传动装置为曲柄滑杆机构，分别由所述曲轴11通过链条驱动，实现所述进水阀门3与所述出水阀门4适时开启或关闭。

所述缸体2外侧固设有机油泵20，所述机油泵20通过皮带与所述曲轴11连接；所述缸体2内底部设有油底壳21，所述机油泵20与所述油底壳21通过油管连接。所述机油泵20通过皮带由所述曲轴11驱动，从油底壳21中吸油为所述曲轴11的主轴颈与连杆轴颈等处润滑。

所述活塞5上端装有至少一道活塞环23。所述活塞环23会自动胀紧，起到密封作用，装入所述活塞环23后，所述缸体2的缸壁加工精度不用太高，便可密封，可以降低制造成本。

本发明在活塞式发动机的基础上进行改进，将活塞式发动机进气行程改为进高压水流对活塞做功，将进气行程与做功行程合二为一，省略发动机压缩行程，将排气行程改为排低压水流行程，实现水的势能转化为机械能，所述活塞式水能转换器由于自身结构能够较好的解决负载变化带来的转速变化的问题，因此很好的解决了微型水力发电机发电不稳的问题。

本发明工作原理：本发明为双缸结构，从上而下沿着高压水做功变成低压水排出的能量传递路线依次为：在一所述缸体2内所述活塞5处在上止点时，所述进水阀门3开启高压水流射入所述缸体2推动所述活塞5下行做功，所述活塞5与曲轴连杆机构相连，所述曲轴11一端连接所述飞轮22，所述飞轮22对外输出动能；在所述活塞5下行至下止点时，关闭所述进水阀门3，同时打开所述出水阀门4；此时在另一所述缸体2内所述活塞5正处于上止点，所述活塞5下行对外做功，在与所述飞轮22的惯性共同作用下，本缸体2内所述活塞5上行至上止点排出低压水流，如此循环往复，实现水的势能转化为机械能。

本发明在工作时为卧倒式布置，这样的布置方式使排除低压水自然流出，所述活塞5几乎不做功。

本发明所述缸体2的缸径比较大，转速较低，可对外输出大扭矩。本发明与往复活塞式发动机主体结构类似具有结构紧凑、刚性强、原理简单、机械方面能量损失小、单位质量发出功率大等优点。

本发明主要做功对象是水，水分子直径比气体分子直径要大得多，因此所述缸体2与所述活塞5之间的加工精度不需要很高，大大降低成本；相同体积水的质量相对于空气质量要大很多倍，则水的惯性比较大，水能转换器的转速低，排出去的低压水动能比较小，水能利用率进一步提高；同时由于转速低，对所述曲轴11及各运动配合副之间加工要求也比较低，大大减少加工成本；所述缸体2、所述缸盖1及所述曲轴11通过铸造加工，毛坯成本低且易于完成。

本发明在水被排出去之前，高压水始终全部垂直作用于所述活塞5上，这比水流推动叶片涡轮对水能的利用率提高很多，这也是本发明可以显著提高微型水力发电机效率的原因。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种活塞气缸式水能转换器，其特征在于，包括至少两个并列的缸体(2)，一根曲轴(11)，所述曲轴(11)的一端装有飞轮(22)；所述曲轴(11)包括至少三个主轴颈(1101)和至少两个连杆轴颈(1102)；

所述缸体(2)上面可拆卸的连接有缸盖(1)；所述缸盖(1)为圆柱体，所述缸盖(1)内铸有两道隔板(101)，两道所述隔板(101)沿所述缸盖(1)的中心轴线对称分布，两道所述隔板(101)之间设有进水阀门(3)，所述隔板(101)与所述缸体(2)内壁之间分别设有出水阀门(4)；

所述缸体(2)分别固定在所述主轴颈(1101)上，每一所述缸体(2)内包括活塞(5)和第一连杆(8)；所述活塞(5)与所述缸体(2)间隙配合；所述活塞(5)与所述第一连杆(8)的小头通过活塞销(7)连接；所述活塞(5)上端装有至少一道活塞环(23)；所述第一连杆(8)的大头与连杆大头端盖(10)通过连杆大头螺栓(9)固定套在所述曲轴(11)的连杆轴颈(1102)上；

所述进水阀门(3)一端通过花键轴(12)连接于所述缸盖(2)的内壁上，另一端通过光轴(14)连接于所述缸盖(2)的内壁上，所述花键轴(12)与所述光轴(14)位于所述进水阀门(3)直径方向对称轴线的两端；所述花键轴(12)一端伸出所述缸盖(1)外侧与进水阀门传动装置连接；

所述出水阀门(4)通过长轴(13)固定于所述缸盖(2)上，所述长轴(13)贯穿所述出水阀门(4)的对称轴线，所述长轴(13)与所述出水阀门(4)通过平键(15)连接；所述长轴(13)一端伸出所述缸盖(1)外侧与出水阀门传动装置连接；

所述进水阀门传动装置包括从动轮(16)、第二连杆(17)、套筒(18)和齿条(19)，所述从动轮(16)通过链条与所述曲轴(11)连接，所述从动轮(16)与所述齿条(19)通过所述第二连杆(17)相连，所述齿条(19)可滑动安装在所述套筒(18)内，所述套筒(18)固设在所述缸体(2)外侧，所述齿条(19)与所述花键轴(12)伸出所述缸盖(1)外侧的一端间歇啮合。

2.根据权利要求1所述的活塞气缸式水能转换器，其特征在于，所述出水阀门传动装置具有与所述进水阀门传动装置相同的结构。

3.根据权利要求2所述的活塞气缸式水能转换器，其特征在于，所述花键轴(12)、所述长轴(13)和所述光轴(14)通过圆柱滚子轴承装配在所述缸盖(1)的内壁上。

4.根据权利要求1所述的活塞气缸式水能转换器，其特征在于，所述缸体(2)外侧固设有机油泵(20)，所述机油泵(20)通过皮带与所述曲轴(11)连接；所述缸体(2)内底部设有油底壳(21)，所述机油泵(20)与所述油底壳(21)通过油管连接。

5.根据权利要求1所述的活塞气缸式水能转换器，其特征在于，所述缸盖(1)与所述缸体(2)通过由八个均布式螺栓(6)连接。