CN105909455B - 一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机 - Google Patents

一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机，包括导流罩、发电模块、蓄电模块，其特征在于，还包括悬浮导向固定装置，该悬浮导向固定装置包括悬浮板、竖直肋板和拴绳；所述悬浮板的外形为等边三角形，悬浮板的一角正对水来流方向设置，其纵向截面为流线尖翼型；所述竖直肋板垂直设置于悬浮板的下部，该竖直肋板在悬浮板的竖直投影与悬浮板的顶角角平分线重合；所述竖直肋板外形为五边形，该竖直肋板正对水来流方向的横截面为流线尖翼型；所述拴绳的一端与吊耳拴接，其另一端与河岸拴接；所述导流罩的上端、发电模块的上端分别与悬浮导向固定装置构成组装式连接。本发明能够将河流中水流的机械能转化为蓄电池中的电能，供电子产品充电使用。

Description

一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机
技术领域
本发明属于流体机械及水利水电工程设备技术领域，特别是涉及一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机。
背景技术
当今经济社会发展对能源的依赖程度不断加大，能源已经成为经济社会可持续发展的关键因素。传统能源主要是煤炭、石油、天然气等不可再生的能源，占全球能源消费总量重达80％以上，但石化能源供应也日趋紧张，与此同时，石化能源的开发利用也改变了人类赖以生存的自然环境，因此，可再生的清洁能源已成为能源开发的重点。
我国水能资源居世界首位，相对于其他清洁能源而言，水电资源开发成本低，开发技术成熟，机组水力性能好，出力较高，是实现可持续发展的首选能源。
外出旅游、探险、科考、作业时，受环境影响需要携带发电设备，然而公知的一些发电设备往往体积较大，比较笨重，不利于随身携带，而适用于野外的便携式发电设备因主要依靠太阳能发电，往往功率较小，当光照不足时容易受到限制。
中国专利201120347406.9公开了“一种悬浮式的水力发电装置”，它包括多组水轮机组、发电机组及连接两者的传动机构，还包括浮箱及其固定装置，所述水轮机组的各水轮机两侧固接所述浮箱且该相邻的浮箱之间固定连接为一体，所述各水轮机两侧的浮箱之间通过浮箱固定架连接；所述水轮机组的各水轮机的传动轴由固定在所述浮箱上的水轮机传动轴固定座固定且其相互之间通过万向节连接后和所述传动机构连接。虽然该装置具有可利用现有河道把水轮机直接安装在水面上，不需在江河中拦河筑坝、不堵塞河道、不影响船舶航行的优点，但还存在以下明显的不足：一是由于所述浮箱且该相邻的浮箱之间固定连接为一体，所述各水轮机两侧的浮箱之间通过浮箱固定架连接，在潮汐或者河水中水流方向发生变化时，不能顺应水流方向的变化而做出相应的角度调整,导致水能不能被充分的利用；二是该装置结构较为复杂,体积较大,加工工艺复杂,成本高,不适用于野外出行、外出旅游时携带和使用。
中国专利201510692421.X公开了一种“海上垂直轴复合支撑式发电平台”，它包括一海上浮动平台和若干垂直轴涡轮风力发电塔，垂直轴涡轮风力发电塔固设于海上浮动平台上部，海上浮动平台悬浮于海面上，海上浮动平台下部固设有若干利用潮汐发电的水力发电装置；海上浮动平台为三角形平台，海上浮动平台底部的三个角落处分别固设有一悬浮仓和一液压伸缩支架，悬浮仓与一抽水装置连接，抽水装置用于同时向悬浮仓内抽入海水或同时将悬浮仓内的海水抽出。虽然该平台具有可利用风力和潮汐进行复合式发电、利用悬浮仓和液压伸缩支架来将海上浮动平台悬浮固定在海面上，从而保证风力发电和潮汐发电正常进行的优点，但还存在以下明显的不足：一是所述海上浮动平台架设难度大，固定困难，且成本高昂，不适用于野外出行时使用；二是装置的可移植性差，更适合应用在水的流态复杂多变的潮汐能发电中，而在水流流动方向相对比较单一的河道中，装设三角形平台和若干水力发电装置会大大增加工程成本，且装置的总体发电效率会大大降低。
因此，如何克服现有技术所存在的不足已是当今流体机械及水利水电工程设备技术领域中亟待解决的重点难题之一。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术所存在的不足而提供一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机，本发明能够在野外旅行时，将附近的河流中水流的机械能转化为蓄电池中的电能，供电子产品充电和满足小型用电器的用电。
根据本发明提出的一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机，包括导流罩、发电模块、蓄电模块，所述发电模块与蓄电模块为组装式连接，其特征在于，还包括悬浮导向固定装置，所述悬浮导向固定装置包括悬浮板、竖直肋板和拴绳；所述悬浮板的外形为等边三角形，其边长为60cm、其中心厚度为30mm，悬浮板的一角正对水来流方向设置，其纵向截面为流线尖翼型；所述竖直肋板垂直设置于悬浮板的下部，该竖直肋板在悬浮板的竖直投影与悬浮板的顶角角平分线重合；所述竖直肋板外形为五边形、其中心厚度为20mm；所述竖直肋板的下端设有与吊耳孔相同大小的圆孔，且圆孔的相对位置与导流罩吊耳及转轮室吊耳的位置相向对称；所述竖直肋板正对水来流方向的横截面为流线尖翼型；所述拴绳的一端与吊耳拴接，其另一端与河岸拴接；所述导流罩吊耳、转轮室吊耳分别与悬浮导向固定装置构成组装式连接。
本发明提出的一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机的进一步的优选方案是：
所述发电模块包括转轮室、吊耳、导叶、水轮机叶轮、转轴、轴承、永磁发电机、永磁发电机防水罩和隔水橡胶；所述转轮室为两端开口的圆柱形空筒，该转轮室的进水端与进水流道的圆形截面连接；所述转轮室的底面直径为d＝12cm、高h＝18cm；所述导叶设置在转轮室的进水口；所述水轮机叶轮包括导水锥、叶片以及转轴,在导叶与永磁发电机之间设置水轮机叶轮；所述转轴与水轮机叶轮通过转轴与永磁发电机连接；所述轴承为转轴的径向和轴向的限位；所述永磁发电机防水罩中设置永磁发电机；所述发电机防水罩与转轴之间设置隔水橡胶；所述转轮室的正上方设置与转轮室连接一体的吊耳。
所述水轮机叶轮的导水锥的外轮廓为纺锤形状。
所述叶片为扭曲形状，其翼型从叶根至叶缘呈逐渐增大的形状，其数量为6片。
所述发电机防水罩的外形沿水流流动方向的横截面的尺寸由小变大，其曲面方程为一个抛物面方程，该曲面方程的公式为z＝2(x2+y2)/3，其中坐标系建立如下：z轴与转轮室圆筒的中心线重合且以水流动方向为其正方向，x轴和y轴建立在与转轮室底面平行且过防水罩顶点的平面内，其中x轴和y轴相互正交于防水罩的顶点处。
所述蓄电模块包括整流器、滤波器、稳压器和蓄电池；所述整流器、滤波器、稳压器、蓄电池和永磁发电机依次串联连接；所述蓄电池的容量为15000mA。
本发明的实现原理是：本发明运用导流罩、发电模块、蓄电模块和悬浮导向固定装置的协同作用来集聚水流机械能，并将其以较高效率转化为电能储存在蓄电池中。具体过程是：所述悬浮导向固定装置使发电设备漂浮在河面上，并通过拴绳将其固定于岸边；由流体力学可知，河流中的最大流速一般位于河面上，且由于竖直肋板的存在，在水流的冲击下，使得整个装置自始至终都正对来流方向，以获取最多的水流能量；所述导流罩将水流的流速在逐渐变窄的流道中不断被放大，在水轮机的导叶处汇合并进入水轮机的转轮室，水流冲击转轮叶片，通过转轮叶片转换能量带动输出轴旋转，将水流机械能转化为水轮机动能带动发电机发电；所述蓄电模块将发电机所发出的交流电经过整流、滤波及稳压以后存入蓄电池，供电子设备充电及常规用电。
本发明与现有技术相比其显著优点在于：
一是本发明的一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机为一种野外便携式的水力发电设备，充分体现了便携这一特性，其折叠存放时的长度不超过20cm、宽度不超过35cm、高度不超过25cm；所述转轮室采用高强度PVC塑料制成，减轻了整个装置的重量。
二是本发明的悬浮导向固定装置由PVC发泡板制成，边缘处采用流线尖翼型设计，改善了水流的流态，进一步提高了发电效率；本发明的导流罩吊耳、转轮室吊耳分别与悬浮导向固定装置构成组装式连接，便于拆卸，大大减小了存放所需的空间。
三是本发明的水轮机叶片采用6个扭曲叶片，由于叶片翼型从叶根至叶缘逐渐增大，因此能够产生较大的叶片扭矩，从而提高出力，正对河流水流的特点，当水流流速在0.2m/s以上就可以产生发电效果。
四是本发明的水力发电机携带和使用十分方便，通过进水流道、水轮机叶轮和过流部件的协同设计，使得本发明的发电总效率显著提高，适用于替代现有各种野外水能发电设备。
附图说明
图1是本发明提出的一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机的结构的主视图。
图2是本发明提出的一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机的结构的俯视图。
图3是本发明提出的一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机的发电模块结构的示意图。
图4是本发明提出的一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机的水轮机转轮结构的示意图。
图5是本发明提出的一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机的悬浮导向固定装置的空间结构的示意图。
图6是本发明提出的一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机的悬浮导向固定装置悬浮板尺寸的示意图。
图7是本发明提出的一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机的悬浮导向固定装置悬浮板顶角角平分线处的纵向截面图。
图8是本发明提出的一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机的悬浮导向固定装置竖直肋板尺寸的示意图。
图9是本发明提出的一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机的悬浮导向固定装置竖直肋板的中间横截面的示意图。
图10是本发明提出的一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机的蓄电模块的电路示意图。
附图标记说明：导流罩(1)、发电模块(2)、蓄电模块(3)和悬浮导向固定装置(4)、转轮室(2-1)、吊耳(2-2)、导叶(2-3)、水轮机叶轮(2-4)、转轴(2-5)、轴承(2-6)、永磁发电机(2-7)、发电机防水罩(2-8)、隔水橡胶(2-9)、整流器(3-1)、滤波器(3-2)、稳压器(3-3)、蓄电池(3-4)、悬浮板(4-1)、竖直肋板(4-2)、拴绳(4-3)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
结合图1和图2，本发明提出的一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机，包括导流罩(1)、发电模块(2)、蓄电模块(3)，所述发电模块(2)与蓄电模块(3)为组装式连接，还包括悬浮导向固定装置(4)，所述悬浮导向固定装置(4)包括悬浮板(4-1)、竖直肋板(4-2)和拴绳(4-3)；所述悬浮板(4-1)的外形为等边三角形，其边长为60cm、其中心厚度为30mm，悬浮板(4-1)的一角正对水来流方向设置，其纵向截面为流线尖翼型；所述竖直肋板(4-2)垂直设置于悬浮板(4-1)的下部，该竖直肋板(4-2)在悬浮板(4-1)的竖直投影与悬浮板(4-1)的顶角角平分线重合；所述竖直肋板(4-2)外形为五边形、其中心厚度为20mm；所述竖直肋板(4-2)的下端设有与吊耳孔相同大小的圆孔，且圆孔的相对位置与导流罩吊耳(1-2)及转轮室吊耳(2-2)的位置相向对称；所述竖直肋板(4-2)正对水来流方向的横截面为流线尖翼型；所述拴绳(4-3)的一端与吊耳(1-2)拴接，其另一端与河岸拴接；所述导流罩吊耳(1-2)、转轮室吊耳(2-2)分别与悬浮导向固定装置(4)构成组装式连接。
实施例1。结合图1、图2、图3和图4，本发明提出的一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机的具体装配及要求进一步公开如下：
本发明所述发电模块包括转轮室(2-1)、吊耳(2-2)、导叶(2-3)、水轮机叶轮(2-4)、转轴(2-5)、轴承(2-6)、永磁发电机(2-7)、发电机防水罩(2-8)和隔水橡胶(2-9)；所述转轮室(2-1)为一两端开口的圆柱形空桶，该转轮室(2-1)的进水端与导流罩(1)圆形截面相连接，其内安放发电部件；所述导叶(2-3)安装于转轮室(2-1)入口处；所述水轮机叶轮(2-4)安装在导叶后3～5cm处；所述水轮机叶轮(2-4)包括导水锥(2-4-1)，叶片(2-4-2)以及转轴(2-5)；所述导水锥(2-4-1)外轮廓为纺锤形；所述叶片(2-4-2)呈一定扭曲状，叶片数为6片，叶片翼型从叶根到叶缘逐渐增大，用于增大扭矩；所述转轴(2-5)用于连接叶轮(2-4)和永磁发电机(2-7)，使叶轮(2-4)带动永磁发电机(2-7)转子转动发电；所述轴承(2-6)用于转轴(2-5)的径向和轴向限位；所述永磁发电机(2-7)设置于发电机防水罩(2-8)中；所述发电机防水罩(2-8)的外形沿水流动方向横截面由小变大，其曲面方程为一个抛物面，用于改善转轮后水的流态；所述隔水橡胶(2-9)用于述发电机防水罩(2-8)和转轴(2-5)之间的密封，避免发电机进水损坏；所述于转轮室(2-1)的正上方设有吊耳(2-2)，用于安装悬浮导向固定装置(4)；
结合图5、图6、图7、图8和图9，本发明所述悬浮导向固定装置(4)包括悬浮板(4-1)、竖直肋板(4-2)和绳子(4-3)；所述悬浮板(4-1)为一水平等腰三角形，其中心厚度为30mm，主要用于提供整个装置所需的浮力；所述悬浮板(4-1)顶角为60°，顶角正对来流方向；所述悬浮板(4-1)正对来流板缘处厚度由小变大，呈流线尖翼型，用于改善装置附近水流的流态，提高水轮机的能量转换效率；所述竖直肋板(4-2)垂直安装于悬浮板(4-1)的下部，该竖直肋板(4-2)在悬浮板(4-1)的竖直投影与悬浮板(4-1)的顶角角平分线重合；所述竖直肋板(4-2)的下端设有与吊耳孔相同大小的圆孔，且圆孔的相对位置与导流罩吊耳(1-2)及转轮室吊耳(2-2)的位置相向对称；所述竖直肋板(4-2)正对水来流方向的横截面为流线尖翼型，用于改善装置附近水流的流态，提高水轮机的能量转换效率；所述绳子(4-3)的一端与吊耳(1-2)拴接，另一端与河岸拴接；所述导流罩(1)的上端和转轮室(2-1)的上端分别与悬浮导向固定装置(4)构成组装式连接。
结合图10，本发明所述蓄电模块(3)包括整流器(3-1)、滤波器(3-2)、稳压器(3-3)和蓄电池(3-4)；所述整流器(3-1)、滤波器(3-2)、稳压器(3-3)、蓄电池(3-4)和永磁发电机(2-7)依次串联连接；所述蓄电池(3-4)容量为15000mA。
实施例2。本发明提出的一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机的应用方式及要求进一步公开如下：
本发明所述悬浮导向固定装置使发电设备漂浮在河面上，并通过拴绳(4-3)将其固定于岸边，由流体力学可知，河流中的最大流速一般位于河面上；且由于竖直肋板(4-2)的作用，使得整个装置自始至终都正对水来流方向，装置能最大化的获取水流能量；所述导流罩(1)采用渐缩型的圆形截面流道，能够将水流的流速在逐渐变窄的流道中不断被放大，在水轮机的导叶(2-3)处汇合并进入水轮机的转轮室(2-1)，水流冲击水轮机叶轮(2-4)，通过水轮机叶轮(2-4)转换能量带动输出轴旋转，将水流机械能转化为水轮机动能带动永磁发电机(2-7)发电；所述蓄电模块(3)将永磁发电机(2-7)所发出的交流电经过整流、滤波及稳压以后存入蓄电池(3-4)，供电子设备充电及常规用电。
本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。
本发明经反复试验验证，取得了满意的试用效果。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种设有悬浮导向固定装置的水力发电机技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (5)

1.一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机，包括导流罩(1)、发电模块(2)、蓄电模块(3)，所述发电模块(2)与蓄电模块(3)为组装式连接，发电模块(2)的转轮室(2-1)的进水端与导流罩(1)相连接，其特征在于，还包括悬浮导向固定装置(4)，所述悬浮导向固定装置(4)包括悬浮板(4-1)、竖直肋板(4-2)和拴绳(4-3)；所述悬浮板(4-1)的外形为等边三角形，其边长为60cm、其中心厚度为30mm，悬浮板(4-1)的一角正对水来流方向设置，所述悬浮板(4-1)正对来流的板缘处厚度由小变大，其纵向截面为流线尖翼型；所述竖直肋板(4-2)垂直设置于悬浮板(4-1)的下部，该竖直肋板(4-2)在悬浮板(4-1)的竖直投影与悬浮板(4-1)的顶角角平分线重合；所述竖直肋板(4-2)外形为五边形、其中心厚度为20mm；所述竖直肋板(4-2)的下端设有与吊耳孔相同大小的圆孔，且圆孔的相对位置与导流罩吊耳(1-2)及转轮室吊耳(2-2)的位置相向对称；所述竖直肋板(4-2)正对水来流方向的横截面为流线尖翼型，使得整个装置自始至终都正对水来流方向；所述拴绳(4-3)的一端与导流罩吊耳(1-2)拴接，其另一端与河岸拴接；所述导流罩吊耳(1-2)、转轮室吊耳(2-2)分别与悬浮导向固定装置(4)构成组装式连接，所述转轮室(2-1)采用高强度PVC塑料制成；所述发电模块(2)包括永磁发电机防水罩(2-8)；所述发电机防水罩(2-8)的外形沿水流流动方向的横截面的尺寸由小变大，其曲面方程为一个抛物面方程，该曲面方程的公式为z＝2(x2+y2)/3，其中坐标系建立如下：z轴与转轮室圆筒的中心线重合且以水流动方向为其正方向，x轴和y轴建立在与转轮室底面平行且过永磁发电机防水罩(2-8)顶点的平面内，其中x轴和y轴相互正交于永磁发电机防水罩(2-8)的顶点处。
2.根据权利要求1所述的一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机，其特征在于所述发电模块(2)还包括转轮室(2-1)、转轮室吊耳(2-2)、导叶(2-3)、水轮机叶轮(2-4)、转轴(2-5)、轴承(2-6)、永磁发电机(2-7)和隔水橡胶(2-9)；所述转轮室(2-1)为两端开口的圆柱形空筒，该转轮室(2-1)的进水端与导流罩(1)的圆形截面连接；所述转轮室(2-1)的底面直径为d＝12cm、高h＝18cm；所述导叶(2-3)设置在转轮室(2-1)的进水口；所述水轮机叶轮(2-4)包括导水锥(2-4-1)、叶片(2-4-2)以及转轴(2-5),在导叶(2-3)与永磁发电机(2-7)之间设置水轮机叶轮(2-4)；该水轮机叶轮(2-4)通过转轴(2-5)与永磁发电机(2-7)连接；所述轴承(2-6)为转轴(2-5)的径向和轴向的限位；所述永磁发电机防水罩(2-8)中设置永磁发电机(2-7)；所述发电机防水罩(2-8)与转轴(2-5)之间设置隔水橡胶(2-9)；所述转轮室(2-1)的正上方设置与转轮室(2-1)连接一体的转轮室吊耳(2-2)。
3.根据权利要求2所述的一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机，其特征在于所述水轮机叶轮(2-4)的导水锥(2-4-1)的外轮廓为纺锤形状。
4.根据权利要求3所述的一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机，其特征在于所述叶片(2-4-2)为扭曲形状，其翼型从叶根至叶缘呈逐渐增大的形状，其数量为6片。
5.根据权利要求4所述的一种带有悬浮导向固定装置的水力发电机，其特征在于所述蓄电模块(3)包括整流器(3-1)、滤波器(3-2)、稳压器(3-3)和蓄电池(3-4)；所述整流器(3-1)、滤波器(3-2)、稳压器(3-3)、蓄电池(3-4)和永磁发电机(2-7)依次串联连接；所述蓄电池(3-4)的容量为15000mA。
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