CN106968870A - 浮管式水力发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种浮管式水力发电机，包括浮升装置、导流增速壳体、发电机和叶轮，发电机的两端分别设有前段椎体和后段椎体，后段椎体包括壳体，壳体内设有增速器和机械密封结构，增速器的输入轴穿过后段椎体并与叶轮连接，增速器的输出轴与发电机的转轴连接。本发明在使用时具有两次提速的效果，一是利用导流增速壳体的增速效果增加作用在叶轮上的水流的速度，另一是利用增速器将增速后的转速通过增速器的输出轴作用在发电机的转轴上，故最终作用在发电机转轴上的转速经过了较大倍数的提高，因此本发明的方案在水流速度较低的情况下也能实现发电机的可靠发电，降低了发电机使用时对水流本身的需求，适于大规模的推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及能源领域的一种水力发电装置，具体涉及一种浮管式水力发电机。
背景技术
水能是人类可利用的最古老的可再生能源之一。从流水中获取能源发电的方式很多，有大坝式、引水式、潮汐等水电站，浮船、浮筒、波浪式发电机等等。已建电站大多属于利用天然落差和流量，修建的大坝式电站。我国经三次大的水力资源全国性普查，水能资源理论蕴藏量694400MW，技术可开发的水能资源541640MW、经济可开发的水能资源401795MW。到目前中国水电总装机容量已达到2.3亿千瓦，水电资源开发利用率提高到34％。但还有大量的水力资源靠传统方式很难有效利用。水电事业的快速发展，为国民经济和社会发展做出了重要贡献，也带动了装备制造业的繁荣。然而社会经济发展、能源需求飙升，继续筑霸建站经济可开发水力资源有限；移民成本上升、自然生态改变、环境之争等问题也日趋显现。使传统电站的发展逐渐陷入‘建’与‘停’的两难。立足于自然水力资源的高效利用，迫切需要多种效率高、成本低、亲自然的能源转换方式。
利用平流水原始流速发电的设备，在国内外也相继出现。类似浮船、浮筒等半浮于水面上的，支架式仿古水车型发电装置开始大量复制。国内在长江、黄河、都江堰等地都有过装置安装。但因其对水的流速要求高，发电量低，性价比、实用性都不甚理想，至今未见大范围商品化推广使用。因此目前急需开发一种高效实用，且在较低水流速度的情况下也能实现可靠发电的水力发电设备。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种浮管式水力发电机，该发电机在水流速度较低的情况下也能实现可靠发电，降低了发电机对水流本身的要求，适于大规模的推广使用。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
浮管式水力发电机，包括浮升装置、导流增速壳体、设置在导流增速壳体内的发电机和叶轮，发电机的两端沿水流方向分别设有前段椎体和后段椎体，后段椎体包括壳体，壳体内设有增速器和机械密封结构，增速器的输入轴穿过后段椎体并与叶轮连接，增速器的输出轴与发电机的转轴连接。
本发明的原理是：在采用本方案的发电机进行发电时，水流进入到导流增速壳体内并在导流增速壳体的作用下初次加速，经初次加速后的水流作用在叶轮上并推动叶轮转动，叶轮转动的同时带动与叶轮连接的增速器的输入轴转动，在增速器的增速作用下，增速器的输出轴以高于输入轴一定倍数的转速带动发电机的转轴转动，从而使得发电机的转轴以较高的转速旋转，发电机进行发电。
本发明的有益效果在于：本发明在使用时具有两次提速的效果，一方面是利用导流增速壳体的增速效果增加作用在叶轮上的水流的速度，使得叶轮可以以较高的速度转动，另一方面是利用增速器的增速效果，将叶轮的转速作为增速器的输入转速，在经过增速器的增速作用后，将增速后的转速通过增速器的输出轴作用在发电机的转轴上，故最终作用在发电机转轴上的转速经过了较大倍数的提高，因此本发明的方案在水流速度较低的情况下也能实现发电机的可靠发电，降低了发电机使用时对水流本身的需求，适于大规模的推广应用。
优选的，增速器的增速倍数为5-10倍。若是该倍数取得过高，势必增加增速器的体积，进而会加大整个浮筒式发电机的体积，若是该倍数过小，则在一些水流速度较低的情况下，发电机的发电性能将受到影响，将增速器的增速倍数设置在5-10倍，是经过多次的实地试验后确定的，经过该倍数的加速后可以满足绝大多数水流情况下发电机的使用。
优选的，还包括将发电机固定在导流增速壳体上的电机支架，电机支架采用高分子材料制成，电机支架为三脚架，三脚架包括抱箍和三个支撑脚，抱箍套设在发电机的外壳上用于固定发电机，支撑脚为流线型结构，支撑脚的截面为对称翼型，后掠角为5-40°。将电机支架采用高分子材料制成，在满足发电机安装强度的条件下，能极大的降低电机支架的整体质量，进而使得整个结构的重量减轻，同时将支撑脚设计为流线型，支撑脚的截面为对称翼型，后掠角为5-40°，可减小三脚架对水流产生的阻力。
优选的，发电机为三相无刷交流发电机，发电机可用于离网供电和并网供电。当发电机用于离网供电时，将发电机的输出端连接到外部的智能充电控制器，智能充电控制器具有最大功率跟踪技术，可对外部的蓄电池充电，用电时由蓄电池通过逆变器逆变成220V50Hz交流电后再使用，或将发电机的输出端经电线直接连接到外部的控制逆变一体机，无需蓄电池，直接输出380/220V50Hz交流电，直接使用。当发电机用于并网供电时，发电机输出端由经电线连接到并网逆变器，将电能输入(国家)电网，同时有补偿性的供用户使用。
优选的，还包括顶端锥形螺栓，顶端锥形螺栓穿过前段椎体并将前段椎体固定在发电机的前端盖上。采用顶端锥形螺栓将前段椎体固定在发电机的前段盖上，使得前段椎体的安装和拆卸均十分的方便。
优选的，前段椎体采用高分子材料制成，且由注塑机注塑而成，发电机的外壳采用合金铝材制成，后段椎体的壳体采用合金铝材制成，前段椎体、发电机和后段椎体组成的外形整体为流线型。高分子材料和合金铝材均是轻量化的材料，由此可降低整个装置的重量，同时使得前段椎体、发电机和后段椎体组成的外形整体为流线型，减小水流经过时的阻力。
优选的，导流增速壳体包括导流增速壳体前段、导流增速壳体中段和导流增速壳体后段，导流增速壳体前段和导流增速壳体后段均为圆锥形结构，导流增速壳体中段为圆环形结构，导流增速壳体中段的一端与导流增速壳体前段圆锥形结构的小端连接，导流增速壳体中段的另一端与导流增速壳体后段圆锥形结构的小端连接，在导流增速壳体后段锥形结构的大端还设有挡水圈。
当水流进入到导流增速壳体内时，水流先在导流增速壳体前段流动，随着水流在导流增速壳体前段内的流动半径逐渐减小，水流的动能将逐渐增大，经加速后的水流作用在叶轮上推动叶轮旋转，导流增速壳体后段也为圆锥形结构，使得水流在流出时能迅速的扩散，前后段产生较大压差，流经导流增速壳体中段的水流流速大幅提高，同时在导流增速壳体后段锥形结构的大端设置的挡水圈，可有效阻隔导流增速壳体后段外周水流产生的紊流和涡流，保证从导流增速壳体后段流出的水流的顺畅性。
优选的，浮升装置包括若干个浮筒和浮筒支架，浮筒为圆筒结构，浮筒位于进水方向的一端采用半椭球型封头，浮筒的另一端采用平面封头，浮筒支架上设有浮筒抱箍，浮筒支架一端通过浮筒抱箍与浮筒连接，浮筒支架另一端与导流增速壳体连接，相邻两个浮筒之间通过浮筒桁架进行连接。本方案采用浮筒来实现将整个装置漂浮在水面的效果，同时将浮筒位于进水方向的一端采用半椭球型封头，由于浮筒在面向进水方向的一端会经常受到水流的冲击，故半椭球型的封头可增大受力的面积，提高了浮筒的使用寿命。
优选的，在浮筒内部填充有保丽龙小球，保丽龙小球的直径为1-6mm。
优选的，在导流增速壳体的进水端还设有拦渣网，拦渣网由钢丝焊接成锥形结构，拦渣网锥形结构的锥度为60-80°，拦渣网锥形结构的大端与导流增速壳体连接，拦渣网锥形结构的小端设有拉环。拦渣网可有效避免水流中的杂物进入到导流增速壳体内部而影响到发电机的正常工作。同时将拦渣网设置成锥形结构，当杂物被拦渣网挡住时，杂物可沿着锥形结构下落，减少杂物在拦渣网上的堆积。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明浮管式水力发电机的主视图；
图2为本发明浮管式水力发电机的左视图；
图3为本发明浮管式水力发电机的右视图；
图4为本发明浮管式水力发电机导流增速壳体的剖视图。
说明书附图中的标记如下：导流增速壳体前段1、导流增速壳体中段2、导流增速壳体后段3、拦渣网4、浮筒抱箍5、浮筒支架6、浮筒7、浮筒桁架8、前固定耳9、后固定耳10、拦渣网固定孔11、电机支架12、前段椎体13、发电机14、后段椎体15、叶轮16、尾椎17、导线18、顶端锥形螺栓19。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如附图1至附图4所示，浮管式水力发电机，包括导流增速壳体，导流增速壳体材料为高分子材料，运用注塑机在模具中压塑而成，导流增速壳体的内部为光滑轴对称曲面，导流增速壳体从左到右依次包括导流增速壳体前段1、导流增速壳体中段2和导流增速壳体后段3，流增速壳体前段和导流增速壳体后段3均为圆锥形结构，导流增速壳体中段2为圆环形结构，导流增速壳体前段1的左端为圆锥形结构的大端，右端为圆锥形结构的小端并与导流增速壳体中段2的左端连接，导流增速壳体后段3的左端为圆锥形结构的小端并与导流增速壳体中段2的右端连接，导流增速壳体后段3的右端为圆锥形结构的大端并安装有挡水圈。当水流进入到导流增速壳体内时，水流先在导流增速壳体前段1流动，随着水流在导流增速壳体前段1内的流动半径逐渐减小，水流的动能将逐渐增大，导流增速壳体后段3也为圆锥形结构，使得水流在流出时能迅速的扩散，前后段产生较大压差，流经导流增速壳体中段2的水流流速大幅提高，同时在导流增速壳体后段3锥形结构的大端设置的挡水圈，可有效阻隔导流增速壳体后段3外周水流产生的紊流和涡流，保证从导流增速壳体后段3流出的水流的顺畅性。在导流增速壳体前段1的左端还设有前固定耳9，在导流增速壳体后段3的右端还设有后固定耳10。
在导流增速壳体的内部设有发电机14，发电机14位于导流增速壳体前段1，发电机14包括前端盖、外壳、定子和转子，发电机14上引出有导线18，发电机14的外壳采用合金铝材制成，定子和转子设置在外壳内，发电机14通过电机支架12固定连接在导流增速壳体上，电机支架12采用高分子材料制成，电机支架12为三脚架，三脚架包括抱箍和三个支撑脚，抱箍套设在发电机14的外壳上用于固定发电机14，支撑脚为流线型结构，支撑脚的截面为对称翼型，后掠角为5-40°。将电机支架12采用高分子材料制成，在满足发电机14安装强度的条件下，能极大的降低电机支架12的整体质量，进而使得整个结构的重量减轻，同时将支撑脚设计为流线型，支撑脚的截面为对称翼型，后掠角为5-40°，可减小支撑脚对水流产生的阻力。
在发电机14的左端连接有前段椎体13，在发电机14的右端连接有后段椎体15，前段椎体13的成分为高分子材料，由注塑机注塑而成，其中前段椎体13的大端与发电机14连接，后段椎体15的大端也与发电机14连接，在将前段椎体13与发电机14进行连接时，采用顶端锥形螺栓19，发电机14的前端盖上开设有螺纹安装孔，顶端锥形螺栓19穿过前段椎体13并将前段椎体13固定在前端盖的螺纹安装孔上。采用顶端锥形螺栓19将前段椎体13固定在发电机14的前段盖上，使得前段椎体13的安装和拆卸均十分的方便。
后段椎体15包括壳体，壳体采用合金铝材制成，在壳体内设有增速器和机械密封结构，机械密封结构用于防止水流进入到发电机14内影响发电机14的工作，增速器的增速倍数为5-10倍，增速器的右端为输入轴，增速器的左端为输出轴，增速器的输出轴与发电机14的转轴进行连接，而在增速器的输入轴上连接有叶轮16，叶轮16的材料成分为高分子材料，运用注塑机在模具中注塑而成，叶轮16的右端设有尾椎17，用于对叶轮16进行轴向限位。当水流作用在叶轮16上并推动叶轮16旋转时，叶轮16带动增速器的输入轴转动，经过增速器的增速作用后，增速器输出轴将以输入轴5-10倍的速度带动发电机14的转轴转动，由此实现发电机14的发电。将增速器的增速倍数设置在5-10倍，是经过多次的实地试验后确定的，经过该倍数的加速后可以满足绝大多数水流情况下发电机14的使用。
本实施例中，发电机14为三相无刷交流发电机14，发电机14可用于离网供电和并网供电。当发电机14用于离网供电时，将发电机14的输出端连接到外部的智能充电控制器，智能充电控制器具有最大功率跟踪技术，可对外部的蓄电池充电，用电时由蓄电池通过逆变器逆变成220V50Hz交流电后再使用，或将发电机14的输出端经电线直接连接到外部的控制逆变一体机，无需蓄电池，直接输出380/220V50Hz交流电，直接使用。当发电机14用于并网供电时，发电机14输出端由经电线连接到并网逆变器，将电能输入(国家)电网，同时有补偿性的供用户使用。
在导流增速壳体的上端还设有若干的浮筒7，每个浮筒7对应设有一个浮筒支架6，浮筒支架6上设有浮筒抱箍5，浮筒支架6上端通过浮筒抱箍5与浮筒7连接，浮筒支架6另一端分别通过前固定耳9和后固定耳10连接在导流增速壳体上，浮筒7为圆筒结构，在浮筒7内部填充有保丽龙小球，保丽龙小球的直径为1-6mm，在浮筒7左端位于进水方向的一端采用半椭球型封头，浮筒7的另一端采用平面封头，由于浮筒7在面向进水方向的一端会经常受到水流的冲击，故半椭球型的封头可增大受力的面积，提高了浮筒7的使用寿命。相邻两个浮筒7之间还通过浮筒桁架8进行连接。浮筒支架6、浮筒抱箍5和浮筒桁架8均为高分子材料制成。
在导流增速壳体前段1的左端还安装有拦渣网4，拦渣网4由钢丝焊接成锥形结构，拦渣网4锥形结构的锥度为60-80°，拦渣网4锥形结构的大端设有螺栓，在将拦渣网4进行固定时，螺栓插入导流增速壳体前段1的拦渣网固定孔11，由螺母紧固，拦渣网4锥形结构的小端设有拉环。拦渣网4可有效避免水流中的杂物进入到导流增速壳体内部而影响到发电机14的正常工作。同时将拦渣网4设置成锥形结构，当杂物被拦渣网4挡住时，杂物可沿着锥形结构下落，减少杂物在拦渣网4上的堆积。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.浮管式水力发电机，包括浮升装置、导流增速壳体、设置在导流增速壳体内的发电机和叶轮，其特征在于：发电机的两端沿水流方向分别设有前段椎体和后段椎体，后段椎体包括壳体，壳体内设有增速器和机械密封结构，增速器的输入轴穿过后段椎体并与叶轮连接，增速器的输出轴与发电机的转轴连接。
2.根据权利要求1所述的浮管式水力发电机，其特征在于：增速器的增速倍数为5-10倍。
3.根据权利要求1或2所述的浮管式水力发电机，其特征在于：还包括将发电机固定在导流增速壳体上的电机支架，电机支架采用高分子材料制成，电机支架为三脚架，三脚架包括抱箍和三个支撑脚，抱箍套设在发电机的外壳上用于固定发电机，支撑脚为流线型结构，支撑脚的截面为对称翼型，后掠角为5-40°。
4.根据权利要求3所述的浮管式水力发电机，其特征在于：发电机为三相无刷交流发电机，发电机可用于离网供电和并网供电。
5.根据权利要求4所述的浮管式水力发电机，其特征在于：还包括顶端锥形螺栓，顶端锥形螺栓穿过前段椎体并将前段椎体固定在发电机的前端盖上。
6.根据权利要求5所述的浮管式水力发电机，其特征在于：前段椎体采用高分子材料制成，且由注塑机注塑而成，发电机的外壳采用合金铝材制成，后段椎体的壳体采用合金铝材制成，前段椎体、发电机和后段椎体组成的外形整体为流线型。
7.根据权利要求1所述的浮管式水力发电机，其特征在于：导流增速壳体包括导流增速壳体前段、导流增速壳体中段和导流增速壳体后段，导流增速壳体前段和导流增速壳体后段均为圆锥形结构，导流增速壳体中段为圆环形结构，导流增速壳体中段的一端与导流增速壳体前段圆锥形结构的小端连接，导流增速壳体中段的另一端与导流增速壳体后段圆锥形结构的小端连接，在导流增速壳体后段锥形结构的大端还设有挡水圈。
8.根据权利要求1所述的浮管式水力发电机，其特征在于：浮升装置包括若干个浮筒和浮筒支架，浮筒为圆筒结构，浮筒位于进水方向的一端采用半椭球型封头，浮筒的另一端采用平面封头，浮筒支架上设有浮筒抱箍，浮筒支架一端通过浮筒抱箍与浮筒连接，浮筒支架另一端与导流增速壳体连接，相邻两个浮筒之间通过浮筒桁架进行连接。
9.根据权利要求8所述的浮管式水力发电机，其特征在于：在浮筒内部填充有保丽龙小球，保丽龙小球的直径为1-6mm。
10.根据权利要求1所述的浮管式水力发电机，其特征在于：在导流增速壳体的进水端还设有拦渣网，拦渣网由钢丝焊接成锥形结构，拦渣网锥形结构的锥度为60-80°，拦渣网锥形结构的大端与导流增速壳体连接，拦渣网锥形结构的小端设有拉环。
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