CN107339189B - 一种水力发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开提供一种发电装置，所述发电装置包括水轮组件、发电机、蓄电池，所述水轮组件与所述发电机连接，所述蓄电池和所述发电机通过导线连接，所述水轮装置包括水轮装置、外壳和转动轴，所述水轮装置和所述转动轴设置在所述外壳内部，所述水轮装置包括水轮主体，所述外壳包括出水水道，所述出水水道和所述水轮主体连接，实现对水流的流量控制从而达到对水能的有效利用；本发明通过所述水轮装置和所述外壳形成内部空间，所述内部空间调节水流，实现水流变化过程中对能量的有效转化。

Description

一种水力发电装置
技术领域
本发明涉及发电设备领域，具体涉及一种水力发电装置。
背景技术
经过多年的发展，我国可再生能源的开发利用已取得了很大进展。其中能源包括太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能等；如何开发利用能源一直使开发利用再生能源的重要课题之一。
水能是一种取之不尽、用之不竭、可再生的清洁能源。水力发电通过利用河流、湖泊、海洋等位于高处具有势能的水流至低处，将其中所含势能转换成水轮机之动能，再借水轮机为原动力，推动发电机产生电能。利用水力(具有水头)推动水力机械(水轮机)转动，将水能转变为机械能，如果在水轮机上接上另一种机械(发电机)随着水轮机转动便可发出电来，这时机械能又转变为电能。水力发电在某种意义上讲是水的位能转变成机械能，再转变成电能的过程。
现有技术中为了利用天然水能，常常需要人工修筑能集中水流落差和调节流量的水工建筑物，如大坝、引水管涵等，现在大部分水轮发电机都需要恒定的水流水速来进行发电工作，对于过大或过小变化水流，水轮机无法进行有效的能量转动，造成能量的损失或机器的损坏。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种水力发电装置，所述水力发电装置包括水轮组件、发电机、蓄电池，所述水轮组件与所述发电机连接，所述蓄电池和所述发电机通过导线连接，所述水轮组件包括水轮装置、外壳、转动轴和永磁组件，所述水轮装置和所述转动轴设置在所述外壳内部，所述水轮装置包括水轮主体，所述外壳包括出水水道，所述出水水道和所述水轮主体连接实现对水流的流量控制从而达到对水能的有效利用，所述永磁组件设置在所述水轮主体和所述转动轴上。
较佳的，所述水轮主体包括杆体和盘座，所述杆体和所述盘座同轴设置并固定连接，所述出水水道包括隔水部，所述隔水部、所述杆体和所述盘座形成内部空间；所述水轮主体还包括环形隔板，所述环形隔板与所述盘座固定连接，并设置在所述内部空间内。
较佳的，所述杆体包括溢流部、直体部、球头部，所述直体部和所述球头部分别设置在所述溢流部两端，所述溢流部与所述隔水部对应设置。
较佳的，所述永磁组件包括第一永磁组和第二永磁组，所述第一永磁组包括第一环体和第二环体，所述第一环体设置在所述水轮主体上，所述第二环体设置在所述转动轴上，所述第二环体与所述第一环体沿竖直方向磁力相吸；所述第二永磁组包括若干第一磁块和若干第二磁块，所述第一磁块设置在所述转动轴上，所述第二磁块设置在所述水轮主体内，所述第一磁块和所述第二磁块沿所述转动轴轴径方向磁力相斥。
较佳的，所述转动轴包括轮齿，所述水轮主体包括齿槽，所述转动轴与所述水轮主体通过所述轮齿和所述齿槽连接，所述第一磁块设置在所述轮齿上，所述第二磁块设置在所述齿槽内。
较佳的，所述水轮组件还包括导流装置，所述导流装置设置在所述外壳内，所述导流装置用于控制水流冲击所述水轮装置的角度。
较佳的，所述水轮装置还包括第一扇体，所述第一扇体包括若干弧形片，所述弧形片一端固定在所述水轮主体上，所述弧形片以所述水轮主体轴线为中心均匀设置。
较佳的，所述弧形片中心线轨迹为：
其中，所述盘座的中心为原点，(x1，y1)为所述弧形片中心线上的点坐标，n为所述导流板的数量，m为所述弧形片的数量，r为所述杆体横截面半径，R为所述导流板到所述原点的距离，θ为所述导流板的最大调节角度。
较佳的，所述水轮装置还包括第二扇体，所述第二扇体包括若干扇叶，所述扇叶以所述杆体轴线为中心均匀设置在所述水轮本体的一端。
较佳的，所述水轮装置还包括出水孔道，所述出水孔道设置在所述水轮装置内，所述出水孔道一端设置出水管，所述出水管为螺旋型管。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，通过所述水轮装置和所述外壳形成内部空间，所述内部空间调节水流，实现水流变化过程中对能量的有效转化；2，通过所述第一永磁组，实现所述水轮装置和所述转动轴的连接，减少所述水轮装置和所述转动轴的机械摩擦，降低能量转化损耗；3，通过所述第二永磁组，实现所述水轮装置的偏移校正，避免所述水轮装置偏移造成的能源转化率降低；4，通过所述第二永磁组，降低水流对所述水轮装置不均匀冲击产生的震动，避免震动造成的能量损失。
附图说明
图1是本发明所述水力发电装置实施例一的侧视结构图；
图2是本发明所述水力发电装置实施例一的俯视结构图；
图3是本发明所述水力发电装置实施例二的侧视结构图；
图4是本发明所述水力发电装置实施例三的侧视结构图。
图中数字表示：
1-水轮组件；2-发电机；3-蓄电池；11-外壳；12-导流装置；13-水轮装置；14-转动轴；15-永磁组件；111-蜗壳水道；112-进水水道；113-出水水道；1111-空心管道；1112-密封板；121-导流板；122-控制装置；131-水轮主体；132-第一扇体；133-第二扇体；151-第一永磁组；152-第二永磁组；1131-隔水部；1311-杆体；1312-盘座；1313-出水孔道；1321-弧形片；1511-第一环体；1512-第二环体；1521-第一磁块；1522-第二磁块。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例一
本发明涉及一种水力发电装置，其结构图如图1和图2所示，其包括水轮组件1、发电机2、蓄电池3，所述水轮组件1与所述发电机2连接，通过所述水轮组件1的运动实现所述发电机2发电，所述蓄电池3和所述发电机2通过导线连接，所述蓄电池3用于存储所述发电机2所产生的电量。
所述水轮组件1包括外壳11、导流装置12、水轮装置13、转动轴14，所述导流装置12、所述水轮装置13、所述转动轴14设置在所述外壳11内部。
所述外壳11包括蜗壳水道111、进水水道112和出水水道113，所述蜗壳水道111包括空心管道1111和密封板1112，所述进水水道112与所述空心管道1111连接，所述出水水道113与所述密封板1112连接。所述空心管道1111为蜗壳结构，横截面为圆形，所述空心管道1111的横截面直径由所述进水水道112位置向出水水道113位置逐渐变小，所述空心管道1111的横截面圆心所形成的中心线在同一水平面上，且所述中心线到所述外壳11中心的距离由所述进水水道112位置向出水水道113位置方向逐渐变小；所述密封板1112与所述空心管道1111连接，所述空心管道1111和所述密封板1112在所述外壳11中心形成空心部，所述空心管道1111向所述外壳11中心一侧设置开口，使所述空心管道1111的空心部分与所述空心部连接，所述进水水道112中心线在所述空心管道1111中心线连接并处于同一平面上，所述出水水道113垂直于所述空心管道1111中心线平面设置，并且所述出水水道113中心线通过所述外壳11的中心。
所述导流装置12包括导流板121和控制装置122。所述导流板121与所述控制装置122连接，所述导流板121以所述外壳11中心为圆心环形阵列设置，所述导流板121设置在所述空心部内，并与所述密封板1112活动连接，优选的，所述导流板121通过轴与所述密封板1112连接，所述控制装置122与所述轴连接，所述控制装置122控制所述轴的转动从而实现所述导流板121绕所述轴进行摆动。
所述转动轴14垂直设置于所述空心管道1111中心线平面，并且所述转动轴14轴线通过所述外壳11的中心。所述出水水道113与所述转动轴14同轴。所述转动轴14包括轮齿，所述水轮装置13包括齿槽，所述转动轴14与所述水轮装置13通过所述轮齿和所述齿槽连接，所述转动轴14还包括限位环，所述限位环用于限制所述水轮装置的空间位置。
所述水轮装置13设置在所述空心部内，且所述水轮装置与所述转动轴同轴设置，所述水轮装置13包括水轮主体131、第一扇体132、第二扇体133。所述水轮主体131包括杆体1311和盘座1312，所述盘座1312形状为圆环型，所述杆体1311与所述盘座1312同轴设置并固定连接一体，所述第一扇体132固定在所述盘座1312上，所述第二扇体133固定在所述杆体1311上。所述杆体1311包括配合部，所述配合部设置所述齿槽，通过将所述转动轴14装入所述配合部，所述轮齿和所述齿槽的配合连接，实现所述转动轴14和所述杆体1311的连接，并且在所述杆体1311转动时，通过所述轮齿和所述齿槽的连接，实现所述转动轴14的转动。
所述杆体1311包括出水孔道1313，所述出水孔道1313的一端为进水端，所述出水孔道1313另一端为出水端，所述进水端设置在所述内部空间内的所述杆体表面上，所述出水端设置出水管1314，所述出水管1314为螺旋型管。
所述密封板1112设置凹槽，所述盘座1312可放置在所述凹槽内；所述出水水道113内部设置隔水部1131，所述隔水部1131和所述水轮主体在所述出水水道113的内部形成内部空间，所述内部空间通过所述杆体1311和所述隔水部1131之间的缝隙及设置在所述杆体1311的所述出水孔道1313与外部空间连接。
所述第一扇体132固定在所述盘座1312上，所述第一扇体132包括若干弧形片1321，所述弧形片1321一端固定在所述杆体1311上，所述弧形片1321以所述杆体1311轴线在所述盘座1312表面的点为圆心环状均匀设置，所述出水孔道1313的所述进水端设置在相邻所述弧形片1321之间的所述杆体1311表面上。
以所述盘座1312圆心为原点，所述弧形片1321中心线在所述杆体1311上的端点向原点的连线方向为A轴，水平面上垂直于所述A轴的方向为B轴，建立坐标系。其中所述弧形片1321中心线轨迹方程为：
其中，以所述盘座的中心为原点，(x1，y1)为所述弧形片中心线上的点坐标，x1为所述弧形片中心线上点在A轴上的坐标，y1为所述弧形片中心线上点在B轴上的坐标，n为所述导流板的数量，m为所述弧形片的数量，r为所述杆体横截面半径，R为所述导流板到所述原点的距离，θ为所述导流板的最大调节角度。
通过所述中心线轨迹方程设置所述弧形片1321形状，所述弧形片1321沿所述转动轴轴径方向越向轴心位置所述弧形片1321的弧度就越小，使得所述水流冲击所述弧形片1321的位置弧度较大，实现所述弧形片1321对所述水流冲击势能的有效收集，由于所述弧形片1321对所述水流的反作用力，导致所述水流产生一定的回流，所述弧形片1321形状设置在靠近所述轴心处弧度较小，实现回流的所述水流较平稳的引导至所述出水孔道1313，减少回流造成的能量损失。
所述第二扇体133包括若干扇叶，所述扇叶以所述杆体1311轴线为中心环状均匀设置在所述杆体1311的一端。所述隔水部1131保证所述内部空间的水流对所述扇叶的有效冲击，避免水流从所述扇叶边缘流过，造成水流能量的损失。所述扇叶形状优选设置为所述水流向越靠近所述杆体1311轴线位置的所述扇叶部分进行冲击，能量转化效率就越高。
实施例二
图3为本发明所述水力发电装置的优选结构图；所述水轮组件1还包括永磁组件15，所述永磁组件15包括第一永磁组151和第二永磁组152，所述第一永磁组151包括第一环体1511和第二环体1512，所述第一环体1511和所述第二环体1512为永磁体，所述第一环体1511设置在所述杆体1311上表面上，所述第二环体1512设置在所述转动轴14上，所述第二环体1512优选设置在所述第一环体1511对应位置，所述第二环体1512与所述第一环体1511沿竖直方向磁力相吸；
所述第二永磁组152包括若干第一磁块1521和若干第二磁块1522，所述第一磁块1521设置在所述轮齿上，所述第二磁块1522设置在所述齿槽内，优选的所述第二磁块1522与所述第一磁块1521一一对应设置，所述第一磁块1521和所述第二磁块1522沿所述转动轴14轴径方向磁力相斥。
非工作状况下，通过所述第一环体1511和所述第二环体1512的磁力下，所述第一环体1511和所述第二环体1512连接，当水流进入所述空心部内，由于所述水轮装置13自身重力和所述水流冲击力的影响下，对所述水轮装置13产生向下的压力，所述压力与所述第一永磁组151的磁力产生平衡，实现所述水轮装置13在竖直方向的磁悬浮平衡状态。
当所述水流经过所述导流板121按一定角度冲击所述水轮装置13时，由于在所述蜗壳水道111各位置的水压有所不同，导致所述水流对所述水轮装置13的冲击力有所不同，从而使所述水轮装置13受力不均，部分所述齿槽靠近对应的所述轮齿，部分所述齿槽远离对应的所述轮齿，造成所述水轮装置13的偏移。通过所述第二永磁组152的磁力作用，对于相互靠近的所述齿槽和所述轮齿，由于距离缩短所述第二永磁组152之间的磁力增加，对于相互远离的所述齿槽和所述轮齿，由于距离增加所述第二永磁组152之间的磁力降低，通过磁力的变化实现对所述水轮装置13位置的调整，校正所述水轮装置13的偏移状态，避免因所述水轮装置13的偏移造成的能量损失及机械磨损。在所述第二永磁组152作用下，在轴径方向上，所述齿槽和所述齿轮之间具有一定的间隙，在所述第二永磁组152对所述水轮装置位置进行调整时，所述齿槽和所述齿轮之间在轴径方向上不会产生直接的机械接触，实现所述水轮装置13的减震效果，避免水流变化产生的震动对所述水力发电装置的影响。
实施例三
如图4所示，图4为本发明所述水力发电装置的优选结构图，在实施例一和实施例二的基础上进行改进，具体在于将实施例一和实施二进行结合改进。
所述水力发电装置工作具体流程为；当水流从所述进水水道112进入所述蜗壳水道111时，所述水流通过所述导流板121冲击所述弧形片1321，所述控制装置122调节所述导流板121改变所述水流冲击所述弧形片1321的角度，使所述水流推动所述水轮装置13转动，所述蜗壳水道111的结构调节所述水流因在所述蜗壳水道111内流动的距离不同而造成的各处水压不同的状况，缓解所述水流对各所述弧形片1321的冲击力不均而造成的所述水轮装置13的偏斜；通过所述第二永磁组152实现对所述水轮装置13位置的调整，校正所述水轮装置13的偏移状态。
当水流较小时，所述水流通过所述导流板121流向所述弧形片1321，对所述弧形片1321产生推动力，所述水流在对所述弧形片1321产生推动力时，所述弧形片1321对所述水流施加反作用力，所述水流在所述反作用力的影响下会产生较强的回流，造成水流的能量损失，本发明所述出水孔道1313的所述进水端设置在相邻所述弧形片1321之间的所述杆体1311表面上，实现所述水流在冲击所述弧形片1321后直接通过所述进水端进入所述出水孔道1313，并经过所述出水孔道1313的出水端进入所述出水管，减少因回流效果引起的能量损失；所述出水管为螺旋型，且所述出水管的弯曲弧度方向与所述弧形片1321的弧形方向相同，所述出水管出水口位置优选的在进水口的下方避免所述水流的能量损失，所述出水管的形状优选的从所述进水口到所述出水口管径逐渐变小实现所述水流的水压从所述进水口至所述出水口逐渐增加，提高所述水流从所述出水口流出的速度；通过所述水流从所述出水管的流出，所述水流对所述出水管有一定的反冲力作用，所述反冲力推动所述杆体1311进行转动；当所述水流进行所述内部空间后，所述水流通过所述杆体1311和所述隔水部1131之间的缝隙流出所述内部空间，所述水流冲击所述第二扇体133，推动所述第二扇体133进行转动，在水流对所述弧形片1321的冲击力，对所述出水管的反冲力，对所述第二扇体133的推动力的作用下，使所述杆体1311进行转动，所述杆体1311转动通过所述轮齿和所述齿槽连接，带动所述转动轴14进行转动，进而使所述发电机2进行发电。
当水流过大时，水流量的过多造成所述内部空间水量的沉积，所述盘座1312下表面设置环形隔板，随着所述内部空间水位的提升，所述环形隔板、所述杆体1311和所述盘座1312所形成的空间内空气无法排出，由于浮力作用，造成所述水轮装置13的沿所述转动轴14轴向上移，所述盘座1312脱离所述凹槽，所述水流可通过所述盘座1312和所述凹槽之间的空间的快速进行所述内部空间，所述杆体1311在下端设计有由上向下横截面积逐渐变小的形状，当所述水轮装置13上抬，所述杆体1311和所述隔水部1131之间的空隙加大，实现所述水流快速从所述内部空间流出，通过进水和出水水流流量的影响，改变所述内部空间内水位的高低，从而改变所述水轮装置上移高度，所述水流装置自身结构通过所述水轮装置13上移高度的改变，调节所述内部空间进水流量和出水流量，使所述内部空间内水压稳定，确保所述水轮装置13有效工作。
在水流由小变大的状态下，在水流较小时，为保证水流有效的冲击所述弧形片1321并通过所述出水孔道1313流动，避免水流从所述盘座1312和所述凹槽之间的缝隙流动，所述盘座1312放置在所述凹槽内时，所述盘座1312和所述凹槽之间具有一定的密封性，造成在所述转动轴14转动时，所述盘座1312和所述凹槽之间具有一定的相对摩擦作用，当水流增大时，所述水流引起的转动轴14的转速增加，同时由于所述盘座1312和所述凹槽之间的接触脱离，所述盘座1312和所述凹槽之间产生一定的流体支承，减少所述摩擦力实现所述转动轴14转速的进一步提高，降低因摩擦力而造成的水流能量损失，避免所述转动轴14和所述水轮装置13直接接触做相对运动，实现降低所述水力发电装置的机械损耗。
实施例四
所述杆体1311具体结构为：所述杆体1311包括溢流部、直体部、球头部，所述溢流部上端设置所述直体部，下端设置所述球头部，所述配合部和所述齿槽设置在所述直体部内，所述第二扇体设置在所述球头部上，所述溢流部整体呈倒圆台状，为对称结构，所述溢流部横截面左右两侧边均为弧形曲线，所述弧形曲线与所述隔水部1131对应设置，所述内部空间内的水流从所述溢流部和所述隔水部1131之间的空间流出。
以所述轴线在所述溢流部上表面的点为原点，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴建立坐标系，所述弧形曲线轨迹为
其中，x2为所述弧形曲线上的点在X轴上的坐标，y2为所述弧形曲线上的点在Y轴上的坐标，M为所述水轮装置的重量，S为所述隔板与所述杆体之间的横截面积，ρ为水流密度，D为所述出水水道内径，d1为所述直体部直径，d2为所述隔水部内径。
通过公式设置所述溢流部两侧边弧形曲线的形状，使得所述溢流部上端的横截面直径变化量较大，所述溢流部下端的横截面直径变化量较小，即所述溢流部表面自上端向下端弯曲程度逐渐变小，所述溢流部和所述隔水部1131之间形成有效的流通空间，便于水流通过。所述溢流部形状设置保证随所述水轮装置13上移距离的增加，所述溢流部和所述隔水部1131之间的空间增大，实现在进入所述内部空间水流改变的情况下，所述内部空间进水和出水的水量平衡，稳定所述内部空间水压。
在所述水流仅通过所述进水管进入所述内部空间时，由于进入所述内部空间的水量较少，通过所述溢流部形状设置，所述溢流部和所述隔水部1131之间的空间较小，保证水流从所述内部空间流出时具有一定的水压，实现水流对所述第二扇体133的有效推动；在所述进水水道112的水流突然增大导致所述水轮装置13上移时，由于水流通过所述盘座1312和所述凹槽之间产生的缝隙进入所述内部空间致使进入所述内部空间的水量增加，通过所述溢流部形状设置，所述溢流部和所述隔水部1131之间有足够的空间将所述水量排出，避免所述内部空间内水量的过量汇集，实现所述内部空间进水和出水的水量平衡，保证所述内部空间水压的稳定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种水力发电装置，其特征在于，包括水轮组件、发电机、蓄电池，所述水轮组件与所述发电机连接，所述蓄电池和所述发电机通过导线连接；所述水轮组件包括水轮装置、外壳、转动轴和永磁组件，所述水轮装置和所述转动轴设置在所述外壳内部；所述水轮装置包括水轮主体；所述外壳包括出水水道；所述出水水道和所述水轮主体连接，用于控制水流的流量；所述永磁组件设置在所述水轮主体和所述转动轴上；所述水轮主体包括杆体和盘座，所述杆体和所述盘座同轴设置并固定连接，所述出水水道包括隔水部，所述隔水部、所述杆体和所述盘座形成内部空间；所述水轮主体还包括环形隔板，所述环形隔板与所述盘座固定连接，并设置在所述内部空间内；所述水轮组件还包括导流板，所述导流板设置在所述外壳内，以所述外壳中心为圆心环形阵列设置，所述导流板用于控制水流冲击所述水轮装置的角度；所述水轮装置还包括第一扇体，所述第一扇体包括若干弧形片，所述弧形片一端固定在所述水轮主体上，所述弧形片以所述水轮主体轴线为中心均匀设置；所述弧形片中心线轨迹为：其中，所述盘座的中心为原点，(x1，y1)为所述弧形片中心线上的点坐标，n为所述导流板的数量，m为所述弧形片的数量，r为所述杆体横截面半径，R为所述导流板到所述原点的距离，θ为所述导流板的最大调节角度。
2.如权利要求1所述的水力发电装置，其特征在于,所述杆体包括溢流部、直体部、球头部，所述直体部和所述球头部分别设置在所述溢流部两端，所述溢流部与所述隔水部对应设置。
3.如权利要求1所述的水力发电装置，其特征在于，所述永磁组件包括第一永磁组和第二永磁组，所述第一永磁组包括第一环体和第二环体，所述第一环体设置在所述水轮主体上，所述第二环体设置在所述转动轴上，所述第二环体与所述第一环体沿竖直方向磁力相吸；所述第二永磁组包括若干第一磁块和若干第二磁块，所述第一磁块设置在所述转动轴上，所述第二磁块设置在所述水轮主体内，所述第一磁块和所述第二磁块沿所述转动轴轴径方向磁力相斥。
4.如权利要求3所述的水力发电装置，其特征在于,所述转动轴包括轮齿，所述水轮主体包括齿槽，所述转动轴与所述水轮主体通过所述轮齿和所述齿槽连接，所述第一磁块设置在所述轮齿上，所述第二磁块设置在所述齿槽内。
5.如权利要求1所述的水力发电装置，其特征在于,所述水轮装置还包括第二扇体，所述第二扇体包括若干扇叶，所述扇叶以所述杆体轴线为中心均匀设置在所述水轮本体的一端。
6.如权利要求1所述的水力发电装置，其特征在于,所述水轮装置还包括出水孔道，所述出水孔道设置在所述水轮装置内，所述出水孔道一端设置出水管，所述出水管为螺旋型管。
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