CN108869154A - 一种超低水头发电机组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超低水头发电机组，主要涉及发电装置领域。包括水轮机装置总成、传动机构和发电机；所述水轮机装置总成包括外圆筒、中心轴、绞龙叶轮，所述外圆筒两端设有带座轴承，所述带座轴承通过架杆固定在外圆筒两端，所述绞龙叶轮由多段螺旋叶片组成，多段螺旋叶片是整体结构，且焊接于中心轴外壁，所述绞龙叶轮盘绕在中心轴外围，所述带座轴承与中心轴相配合，所述中心轴通过传动机构与发电机的转子转轴传动连接。本发明的有益效果在于：本装置采用螺旋叶片式绞龙叶轮驱动，采用螺旋叶片上下两面的静压差和水流冲击联合作用，在低水头范围内通过传动机构驱动发电机发电，使低水头落差的水能得到有效利用。
Description
技术领域
本发明涉及发电装置领域，具体是一种超低水头发电机组。
背景技术
我国水能资源丰富，不论是资源蕴藏量还是可开发资源，在全世界均居第一位。受到气候、地形、地势等因素的影响，我国水能资源有河道陡峻、落差巨大的突出特点，对开发水力发电十分有利。此外，水资源是一种再生资源，取之不尽用之不竭，水力发电前景广阔。
特别指出的是，我国低头水能资源至今还处于待开发状态。众多溪水、河流等微型水力资源(指装机容量500KW以下)分布于广阔的丘陵地区和偏远农村，据统计仅0.1KW～100KW范围的为水力可开发资源就达到8000万KW。同时伴随各种中小型水利设施、污水处理排放设施的建设，形成了不计其数的低水头落差设施，如河道堰坝、山塘、矿区水库、电站尾水以及城市管廊、工业管道等。可见我国微水利资源十分丰富。大力推广微水电不仅能解决偏远地区供电问题，促进我国农村电气化建设，而且还能实现电站尾水、市政管道等场合的能量回收，有助于加快实现我国节能减排的战略目标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超低水头发电机组，它采用螺旋叶片式绞龙叶轮驱动，采用螺旋叶片上下两面的静压差和水流冲击联合作用，在低水头范围内通过传动机构驱动发电机发电，使低水头落差的水能得到有效利用。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种超低水头发电机组，包括水轮机装置总成、传动机构和发电机；所述水轮机装置总成包括外圆筒、中心轴、绞龙叶轮，所述外圆筒两端设有带座轴承，所述带座轴承通过架杆固定在外圆筒两端，所述绞龙叶轮由多段螺旋叶片组成，多段螺旋叶片是整体结构，且焊接于中心轴外壁，所述绞龙叶轮盘绕在中心轴外围，所述带座轴承与中心轴相配合，所述中心轴通过传动机构与发电机的转子转轴传动连接。
所述中心轴包括空心轴和实心转轴，所述实心转轴位于空心轴两端，所述绞龙叶轮盘绕在空心轴外围。
所述实心转轴与带座轴承相配合，所述空心轴直径dm与外圆筒直径d的比值dm/d＝0.2～0.5；相邻两段螺旋叶片之间的螺距P与外圆筒直径d的比值P/d＝0.6～1.2；绞龙叶轮螺旋长度与外圆筒直径d的比值L/d＝2～5；外圆筒倾斜角度β＝18°～32°。
还包括下游座体，所述下游座体固定在下游水渠底部，所述下游座体上设有底部轴承座，所述底部轴承座内设有推力轴承和滚动轴承，下游的实心转轴末端轴端与推力轴承和滚动轴承相配合，所述推力轴承和滚动轴承通过密封垫圈密封设置在底部轴承座的内腔。
还包括固定设置在水渠两侧壁之间的支撑梁，所述支撑梁上设有顶部轴承座，上游的实心转轴末端轴端与顶部轴承座内的轴承相配合。
所述传动机构为带传动机构，所述带传动机构包括大带轮、小带轮和皮带，所述大带轮设置在上游的实心转轴末端，所述大带轮与小带轮之间通过皮带传动，所述小带轮通过连接转轴与发电机转轴传动连接。
与小带轮连接的连接转轴远离发电机一端设有轴承支座，所述轴承支座固定设置在地面上。所述发电机为永磁发电机，所述永磁发电机内为稀土永磁体转子，所述稀土永磁体转子采用Halbach充磁方式进行充磁。
所述外圆筒的两端设有过滤网，所述外圆筒的外边面设有固定耳。
所述绞龙叶轮外圆设有橡胶凸圈。
所述发电机与变频稳压装置相连，所述变频稳压装置固定设置在地面上。
对比现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本装置采用螺旋叶片式绞龙叶轮驱动，采用螺旋叶片上下两面的静压差和水流冲击联合作用，在低水头范围内通过传动机构驱动发电机发电，使低水头落差的水能得到有效利用。
2、绞龙叶轮盘绕的中心轴轴段为空心轴，空心轴和绞龙叶轮均采用乙烯基酯新材料制作，大大减轻了空心轴和绞龙叶轮重量，减少了材料成本；实心转轴作为传动连接轴，所以将实心转轴设置为金属轴，以增加其使用寿命；外圆筒也采用乙烯基酯材料制作，从而降低整个装置的重量。
3、发电机转子转轴的最佳转速一般在500转以上，因此需要加装变速装置。常规方式是采用齿轮变速，众所周知齿轮变速的效率低、损耗大。本装置采用皮带传动机构进行变速，通过合理设置大带轮与小带轮之间的传动比来实现变速。
4、目前常用的水力发电机均采用励磁异步发电机，效率低。本装置采用永磁同步发电机，为了提高发电效率，现有技术中的永磁发电机内由八个稀土永磁体转子构成，充磁方向如说明书附图图6所示，稀土永磁体转子采用Halbach充磁方式进行充磁，该磁体可以生成完美的正弦气隙磁场分布，同时磁场减弱的一侧磁密很低，减小了漏磁，降低了铁损，提高发电效率。
5、由于水力发电水流变化的影响，很容易造成发电输出电压、频率不稳，为此本装置增加了变频稳压装置，将电压稳定输出，可直接用电或者并网。
附图说明
附图1是本发明具体结构示意图。
附图2是本发明附图1中I部放大图。
附图3是本发明中螺旋叶片受静压力的受力分析图。
附图4是本发明中带座轴承通过架杆固定在外圆筒两端的结构示意图。
附图5是本发明中水轮机装置总成尺寸比例标注结构示意图。
附图6是本发明中永磁发电机内稀土永磁体转子分布与充磁方向示意图。
附图中所示标号：
1、发电机；2、外圆筒；3、中心轴；4、绞龙叶轮；5、带座轴承；6、架杆；7、空心轴；8、实心转轴；9、下游座体；10、底部轴承座；11、推力轴承；12、滚动轴承；13、密封垫圈；14、支撑梁；15、顶部轴承座；16、大带轮；17、小带轮；18、皮带；19、连接转轴；20、轴承支座；21、过滤网；22、橡胶凸圈；23、变频稳压装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
本发明所述是一种超低水头发电机组，主体结构包括水轮机装置总成、传动机构和发电机1；所述水轮机装置总成包括外圆筒2、中心轴3、绞龙叶轮4，所述外圆筒2两端设有带座轴承5，所述带座轴承5通过架杆6固定在外圆筒2两端，带座轴承5能够对中心轴3进行支撑，而且能保证中心轴3转动时能更加稳定、平稳。所述绞龙叶轮4由多段螺旋叶片组成，多段螺旋叶片是整体结构，且焊接于中心轴3外壁，所述绞龙叶轮4盘绕在中心轴3外围，所述带座轴承5与中心轴3相配合，所述中心轴3通过传动机构与发电机1的转子转轴传动连接。本装置采用螺旋叶片式绞龙叶轮4驱动，采用螺旋叶片上下两面的静压差和水流冲击联合作用，在低水头范围内通过传动机构驱动发电机1发电，使低水头落差的水能得到有效利用。静压差受力分析：首先，静压是指物体在静止或者匀速直线运动时表面所受的压强。如说明书附图图3所示，由于水往低处流的运动趋势，显然螺旋叶片上表面的上游静压F上大于下游静压F下，F上与F下之间的合力F合存在两个方向的分力，即F1和F2，F1为垂直于中心轴3轴向的力，会形成转矩而带动中心轴3、绞龙叶轮4转动，F2平行于中心轴3轴向不能形成转矩，从而起不到带动中心轴3、绞龙叶轮4转动的作用，合力F合的分力F1用于驱动中心轴3、绞龙叶轮4转动。在F1和水流冲击的共同作用下驱动中心轴3、绞龙叶轮4转动，进而带动发电机1发电。
所述中心轴3包括空心轴7和实心转轴8，所述实心转轴8位于空心轴7两端，所述绞龙叶轮4盘绕在空心轴7外围。绞龙叶轮4盘绕的中心轴3轴段为空心轴7，空心轴7和绞龙叶轮4均采用乙烯基酯新材料制作，大大减轻了空心轴7和绞龙叶轮4重量，减少了材料成本；实心转轴8作为传动连接轴，所以将实心转轴8设置为金属轴，以增加其使用寿命；外圆筒2也采用乙烯基酯材料制作，从而降低整个装置的重量。
所述实心转轴8与带座轴承5相配合，所述空心轴7直径dm与外圆筒2直径d的比值dm/d＝0.2～0.5；相邻两段螺旋叶片之间的螺距P与外圆筒2直径d的比值P/d＝0.6～1.2；绞龙叶轮4螺旋长度与外圆筒2直径d的比值L/d＝2～5；外圆筒2倾斜角度β＝18°～32°。经过反复试验得知，在上述比值范围内发电机1组的发电效率最佳。
还包括下游座体9，所述下游座体9固定在下游水渠底部，下游座体9能够对装置起到一定的支撑保护作用，而且所述下游座体9上设有底部轴承座10，所述底部轴承座10内设有推力轴承11和滚动轴承12，下游的实心转轴8末端轴端与推力轴承11和滚动轴承12相配合，推力轴承11能够对中心轴3底部的轴肩起到支撑作用，滚动轴承12的设置能够使中心轴3转动更加平稳稳定，所述推力轴承11和滚动轴承12通过密封垫圈13密封设置在底部轴承座10的内腔，密封垫圈13能够起到很好的密封作用。
还包括固定设置在水渠两侧壁之间的支撑梁14，所述支撑梁14上设有顶部轴承座15，上游的实心转轴8末端轴端与顶部轴承座15内的轴承相配合。
所述传动机构为带传动机构，所述带传动机构包括大带轮16、小带轮17和皮带18，所述大带轮16设置在上游的实心转轴8末端，所述大带轮16与小带轮17之间通过皮带18传动，所述小带轮17通过连接转轴19与发电机1转轴传动连接。发电机1转子转轴的最佳转速一般在500转以上，因此需要加装变速装置。常规方式是采用齿轮变速，众所周知齿轮变速的效率低、损耗大。本装置采用皮带18传动机构进行变速，通过合理设置大带轮16与小带轮17之间的传动比来实现变速。
与小带轮17连接的连接转轴19远离发电机1一端设有轴承支座20，所述轴承支座20固定设置在地面上。所述发电机1为永磁发电机，所述永磁发电机内为稀土永磁体转子，所述稀土永磁体转子采用Halbach充磁方式进行充磁。目前常用的水力发电机均采用励磁异步发电机，效率低。本装置采用永磁同步发电机，为了提高发电效率，现有技术中的永磁发电机内由八个稀土永磁体转子构成，充磁方向如说明书附图图6所示，稀土永磁体转子采用Halbach充磁方式进行充磁，该磁体可以生成完美的正弦气隙磁场分布，同时磁场减弱的一侧磁密很低，减小了漏磁，降低了铁损，提高发电效率。
所述外圆筒2的两端设有过滤网21，所述外圆筒2的外边面设有固定耳24。通过设置过滤网21能够避免水渠内的水草、杂物、鱼类等水体动物进入至外圆筒2内，保证了外圆筒2内不存在较大杂物，避免水草、杂物、鱼类等在外圆筒2内缠绕堆积。固定耳24便于将水轮机装置安装于水泥水渠两侧。
所述绞龙叶轮4外圆设有橡胶凸圈22。橡胶凸圈22的设置能够使绞龙叶轮4外圆不再锋利，避免小鱼小虾等生物透过过滤网21进入到外圆筒2内，被锋利的绞龙叶轮4外圆伤害。
所述发电机1与变频稳压装置23相连，所述变频稳压装置23固定设置在地面上。由于水力发电水流变化的影响，很容易造成发电输出电压、频率不稳，为此本装置增加了变频稳压装置23，将电压稳定输出，可直接用电或者并网。
实施例：
本发明所述是一种超低水头发电机组，主体结构包括水轮机装置总成、传动机构和发电机1；所述水轮机装置总成包括外圆筒2、中心轴3、绞龙叶轮4，所述外圆筒2也采用乙烯基酯材料制作，所述外圆筒2两端设有带座轴承5，所述带座轴承5通过架杆6固定在外圆筒2两端，所述绞龙叶轮4由多段螺旋叶片组成，多段螺旋叶片是整体结构，且焊接于中心轴3外壁，所述绞龙叶轮4盘绕在中心轴3外围，所述带座轴承5与中心轴3相配合，所述发电机1为永磁发电机，所述永磁发电机内为稀土永磁体转子，所述稀土永磁体转子采用Halbach充磁方式进行充磁。所述中心轴3通过传动机构与发电机1的转子转轴传动连接。所述中心轴3包括空心轴7和实心转轴8，所述实心转轴8位于空心轴7两端，所述绞龙叶轮4盘绕在空心轴7外围，空心轴7和绞龙叶轮4均采用乙烯基酯新材料制作，实心转轴8作为传动连接轴，所以将实心转轴8设置为金属轴。所述实心转轴8与带座轴承5相配合，所述空心轴7直径dm与外圆筒2直径d的比值dm/d＝0.2～0.5，本实施例取值0.5；相邻两段螺旋叶片之间的螺距P与外圆筒2直径d的比值P/d＝0.6～1.2，本实施例取值0.8；绞龙叶轮4螺旋长度与外圆筒2直径d的比值L/d＝2～5，本实施例取值5；外圆筒2倾斜角度β＝18°～32°，本实施例取值25°。
本装置还包括下游座体9，所述下游座体9固定在下游水渠底部，所述下游座体9上设有底部轴承座10，所述底部轴承座10内设有推力轴承11和滚动轴承12，下游的实心转轴8末端轴端与推力轴承11和滚动轴承12相配合，所述推力轴承11和滚动轴承12通过密封垫圈13密封设置在底部轴承座10的内腔。还包括固定设置在水渠两侧壁之间的支撑梁14，所述支撑梁14上设有顶部轴承座15，上游的实心转轴8末端轴端与顶部轴承座15内的轴承相配合。所述传动机构为带传动机构，所述带传动机构包括大带轮16、小带轮17和皮带18，所述大带轮16设置在上游的实心转轴8末端，所述大带轮16与小带轮17之间通过皮带18传动，所述小带轮17通过连接转轴19与发电机1转轴传动连接。与小带轮17连接的连接转轴19远离发电机1一端设有轴承支座20，所述轴承支座20固定设置在地面上。所述外圆筒2的两端设有过滤网21，所述外圆筒2的外边面设有固定耳24。所述绞龙叶轮4外圆设有橡胶凸圈22。所述发电机1与变频稳压装置23相连，所述变频稳压装置23固定设置在地面上。
Claims (10)
1.一种超低水头发电机组，其特征在于：包括水轮机装置总成、传动机构和发电机(1)；所述水轮机装置总成包括外圆筒(2)、中心轴(3)、绞龙叶轮(4)，所述外圆筒(2)两端设有带座轴承(5)，所述带座轴承(5)通过架杆(6)固定在外圆筒(2)两端，所述绞龙叶轮(4)由多段螺旋叶片组成，多段螺旋叶片是整体结构，且焊接于中心轴(3)外壁，所述绞龙叶轮(4)盘绕在中心轴(3)外围，所述带座轴承(5)与中心轴(3)相配合，所述中心轴(3)通过传动机构与发电机(1)的转子转轴传动连接。
2.根据权利要求1所述一种超低水头发电机组，其特征在于：所述中心轴(3)包括空心轴(7)和实心转轴(8)，所述实心转轴(8)位于空心轴(7)两端，所述绞龙叶轮(4)盘绕在空心轴(7)外围。
3.根据权利要求2所述一种超低水头发电机组，其特征在于：所述实心转轴(8)与带座轴承(5)相配合，所述空心轴(7)直径dm与外圆筒(2)直径d的比值dm/d＝0.2～0.5；相邻两段螺旋叶片之间的螺距P与外圆筒(2)直径d的比值P/d＝0.6～1.2；绞龙叶轮(4)螺旋长度与外圆筒(2)直径d的比值L/d＝2～5；外圆筒(2)倾斜角度β＝18°～32°。
4.根据权利要求2所述一种超低水头发电机组，其特征在于：还包括下游座体(9)，所述下游座体(9)固定在下游水渠底部，所述下游座体(9)上设有底部轴承座(10)，所述底部轴承座(10)内设有推力轴承(11)和滚动轴承(12)，下游的实心转轴(8)末端轴端与推力轴承(11)和滚动轴承(12)相配合，所述推力轴承(11)和滚动轴承(12)通过密封垫圈(13)密封设置在底部轴承座(10)的内腔。
5.根据权利要求4所述一种超低水头发电机组，其特征在于：还包括固定设置在水渠两侧壁之间的支撑梁(14)，所述支撑梁(14)上设有顶部轴承座(15)，上游的实心转轴(8)末端轴端与顶部轴承座(15)内的轴承相配合。
6.根据权利要求1所述一种超低水头发电机组，其特征在于：所述传动机构为带传动机构，所述带传动机构包括大带轮(16)、小带轮(17)和皮带(18)，所述大带轮(16)设置在上游的实心转轴(8)末端，所述大带轮(16)与小带轮(17)之间通过皮带(18)传动，所述小带轮(17)通过连接转轴(19)与发电机(1)转轴传动连接。
7.根据权利要求6所述一种超低水头发电机组，其特征在于：与小带轮(17)连接的连接转轴(19)远离发电机(1)一端设有轴承支座(20)，所述轴承支座(20)固定设置在地面上。所述发电机(1)为永磁发电机，所述永磁发电机内为稀土永磁体转子，所述稀土永磁体转子采用Halbach充磁方式进行充磁。
8.根据权利要求1所述一种超低水头发电机组，其特征在于：所述外圆筒(2)的两端设有过滤网(21)，所述外圆筒(2)的外边面设有固定耳(24)。
9.根据权利要求1所述一种超低水头发电机组，其特征在于：所述绞龙叶轮(4)外圆设有橡胶凸圈(22)。
10.根据权利要求1所述一种超低水头发电机组，其特征在于：所述发电机(1)与变频稳压装置(23)相连，所述变频稳压装置(23)固定设置在地面上。
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