CN111379653A

CN111379653A - 永磁悬浮水轮机装置

Info

Publication number: CN111379653A
Application number: CN201910025083.2A
Authority: CN
Inventors: 李岭群
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2020-07-07

Abstract

本发明公开了一种永磁悬浮水轮机装置，包括：筒状结构的轮体，其下部设有喷口环基，喷口环基上设置有出水喷口，轮体中部设置有进水口；主轴，设置于轮体中部，与轮体一体转动，其上部配置为与上结构架连接，其下部配置与进水座连接；永磁悬浮环，上环固定在轮体上，下环与上环间隔，配置为设置于下结构架上。本发明的永磁悬浮水轮机装置解决了现有技术中的冲击式水轮机从机械原理上就有1/3水的动量没有被利用以及反击式水轮机的转化效率一般也在90％以下等问题，提高了水轮机效率。

Description

永磁悬浮水轮机装置

技术领域

本发明涉及水力发电领域，进一步的涉及一种永磁悬浮水轮机装置。

背景技术

当下水电站使用的水轮机，有两大技术类型：一是反击式水轮机，二是冲击式水轮机。前者在工作过程中，水轮机的工作转轮淹没在水中，依靠水流的反作用力推动叶轮转动工作，故称反击式水轮机；后者在工作过程中，水轮机的工作转轮始终在空气中，依靠固定喷口内射出的水流冲击水轮机的轮叶，使其转动工作，故称冲击式水轮机。

反击式水轮机的缺点是，结构复杂、体积大、重量大、安装和维检极不方便，造价高而效率低，实际效率一般在90％以下。

冲击式水轮机的主要缺点是效率低，且不适合水头低的水电站。实际工作效率一般在70％以下。

这种冲击式水轮机，其叶轮转动、喷水口固定的分离式结构，其工作效率较低的原因是它的动量喷速，不是喷水口的水流喷速，而是由水流喷速V_喷与叶片转动线速度V_叶的差才是计算动量的喷速，其叶轮的动量F为：

F＝M(V_喷-V_叶) ①

而动量F与叶片线速度V_叶的积为水轮机所做的功率P。

P＝FV_叶 ②

当V_叶＝0米/秒时，叶轮不做功，此时水动量F转化的推力最大，但线速度V_叶为0，故功率为0，P＝0。

当V_叶＝V_喷时，叶轮的线速度V_叶与水的喷速V_喷相等，此时水动量F在叶轮上转化的推力为0，故功率为0，P＝0。

所以，在V_叶/V_喷＝0～1之间必定有一个确定的叶轮线速度V_叶，然而现实中并未见有所应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

现行水轮机转化效率低、体积大、重量大，安装及维检技术复杂。

(二)技术方案

本发明提供了一种永磁悬浮水轮机装置，包括：

筒状结构的轮体，其下部设有喷口环基，喷口环基上设置有出水喷口，轮体中部设置有进水口；

主轴，设置于轮体中部，与轮体一体转动，其上部配置为与上结构架连接，其下部配置与进水座连接；

永磁悬浮环，上环固定在轮体上，下环与上环间隔，配置为设置于下结构架上。

在进一步的实施方案中，所述轮体的底面上，包括轮毂以及环绕主轴设置有轮辐，所述轮体的进水口对应的为轮辐状进水口；所述进水座顶面包括与所述轮辐状进水口配套的轮辐状出水口，以使进水座内的水流入轮体。

在进一步的实施方案中，该装置还包括：推力轴承，位于主轴上部，设置于主轴和上结构架之间。

在进一步的实施方案中，主轴顶部还配置为连接有法兰盘，该法兰盘配置为与发电机扭接，以在主轴转动时扭动发电机同步转动。

在进一步的实施方案中，出水喷口的总成呈流线型，以减小转动时空气的阻力。

在进一步的实施方案中，出水喷口环绕沿所述轮体均匀且对称布置。

在进一步的实施方案中，主轴下部设有转动密封套，该转动密封套通过法兰盘与轮体连接，并且该转动密封套环套在进水座上部。

在进一步的实施方案中，轮体的进水口截面积大于出水喷口的截面积。

在进一步的实施方案中，进水座配置为固定于机房进水管道基座上，通过法兰盘孔用螺栓锚固。

(三)有益效果

现有技术中的冲击式水轮机从机械原理上就有1/3水的动量没有被利用，而反击式水轮机的转化效率一般也在90％以下，本发明的永磁悬浮水轮机装置解决了该问题，提高了水轮机效率；

本发明的永磁悬浮水轮机装置在容纳反击式水轮机和冲击式水轮机两者优点的同时，又创造性的应用“离心力压强产生的势能”，该势能与水头势能叠加在一起，构成了喷口内压力势能，进而该叠加势能在永磁悬浮水轮机装置的喷口处形成了高速喷射水流，使水轮机的转化效率达到95％以上。同时也将水轮机的结构重量降低40～60％。

附图说明

图1是本发明实施例的永磁悬浮水轮机装置装配立面示意图。

图2是本发明实施例轮体底面的平面示意图。

图3是本发明实施例轮体立面示意图。

图4是本发明实施例进水座与转动密封套的剖视示意图。

图5是本发明实施例进水座与转动密封套的平面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明采用轮体与喷口一体化结构轮盘。在轮盘转动做功时充分利用了水头势能和轮盘转动时盘内水体产生的离心势能。在轮盘的中央设进水口，在轮盘的边缘靠下底面处设有出水喷口，进水口的中央是主轴，由于盛水轮盘的重量大，当其重量超过主轴的推力轴承载荷时，在轮盘底部增加永磁悬浮环，以承担轮盘的全部或部分载荷。

当一定压强的水体，通过导水管道从轮盘中央的上面或下面进水口流进密封轮盘时，在水充满盘内空间的过程中，也从轮缘靠下底面的喷口中喷出水柱，在所喷出水柱的反冲力作用下，轮盘开始转动，在轮盘转动的同时，盘内水体由内向外产生了离心力压强，转速越高压强越大。这一压强是由内侧水体跟随着轮盘一起转动形成的离心压力产生的，我们将其称为离心势能。这样，在轮盘内的出水口附近水体的压强，就是坝内水头压强与离心势能产生的压强之和。其中：

水头重力势能压强计算公式为：

F₁＝ρgH₁ ③

离心势能压强计算公式为：

上式③与④的合力为：

公式⑤得到轮盘喷口内侧附近的压强F，将该压强换算成水柱高度H。即：

式中水的密度ρ≈1，故该式可简化为：

依据流体介质高度与流速的关系公式

得：

该喷速V_喷是所喷出水柱相对于喷口的流速，由于喷口在轮盘上，随着轮盘做圆周运动，所以它不是推动轮盘转动的动量喷速V，其动量喷速是喷口喷速V_喷减去喷口处的线速度V_线，

即：

V＝V_喷-V_线

由此求得了永磁悬浮水轮机装置反冲动量公式：

F＝M(V_喷-V_线) ⑧

进而得到了永磁悬浮水轮机装置功率公式：

P＝FV_线

＝MV_线(V_喷-V_线) ⑨

发明人已研究了多种轮盘，实测了每一种轮盘反冲动量F和轮盘输出功率P，所测得的值与理论计算值有一定的偏差，因此引进了修正系数∝(0.7～1之间)。

即：

F＝∝M(V_喷-V_线) ⑩

永磁悬浮水轮机装置的轮盘主轴的转速n用以下公式计算：

该转速n(转/分)，一定要与发电机转速匹配，式中R代表轮盘主轴中心到喷口中心的半径长度(米)；g代表重力加速度(约9.8米/秒²)；H代表叠加水头高度(米)，π为圆周率(可以选取为3.1416)。

本发明是原始创新技术，理论还在探索当中，在设计轮盘时，还需要做模拟实验，以确定每一个一体化轮盘的修正参数系数∝的数值。实验证明，本发明永磁悬浮水轮机装置的水坝水头势能转化效率大于95％，此转化率大型水轮机、中型水轮机、小型水轮机无差别，远远高于传统水轮机的转化效率。

实施例

图1是本发明实施例的永磁悬浮水轮机装置装配立面示意图。从图1中可以看到主轴1位于轮体2的中央。主轴1的上部通过推力轴承3与上结构架4连接。主轴1的下部通过密封轴承5与进水座6连接。进水座6与机房预先设置的进水导管基座连接(略)。在轮体2的下部设有喷口环基7，在该环基上设有出水喷口8。在轮体2下部，对应进水座6的位置，设有转动密封套9，该套通过法兰盘与轮体2连接。在轮体2的下部设有永磁悬浮环10，其上环固定在轮体2上，其下环固定在下结构架11上。其上环与下环为同极相斥上下对正，两者之间设有间隙，以保证转动时不摩擦。轮体2的上结构架4与下结构架11固定在机房的钢筋混凝土墙壁12上。上结构架4与下结构架11按公知的力学原理设计制造。

图2是本发明实施例轮体2底面的平面示意图。该图的中心位置是主轴1，环绕主轴1的是轮辐状进水口13，其轮辐14的作用是连接轮毂15和轮面16，以保证轮体2底面的结构强度。出水喷口8的总成要流线型设计，以减小转动时空气的阻力，同时也要对称分布，以保证动平衡。进水口13的面积大，出水喷口8的面积小，其具体比例要依据公知的伯努利方程计算。

图3是本发明实施例轮体2立面示意图。轮体2是密封的壳体结构，是容纳水体的空间，可由金属或非金属材料按公知的机械原理设计制造。轮体外表面要光滑，以减小转动时与空气的摩擦阻力。主轴1顶部的法兰盘17是与发电机连接用的部件。

图4是本发明实施例进水座6与转动密封套9的剖视示意图。而图5是本发明进水座6与转动密封套9的平面示意图。从图4和图5中可以看到，转动密封套9环套在进水座6上部，两者之间的间隙为上端的间隙18小，下端的间隙19大。两者的同轴度控制在0.05mm～0.1mm。上端间隙18的平均值控制在0.1mm，以减小漏水量，下部间隙19的平均值控制在约2mm，以方便安装和降低加工难度。转动密封套9固定在上方的轮体2下表面，通过法兰盘孔20用螺栓锚固，而进水座6固定在机房预先设置的进水管道基座上(图略)，通过法兰盘孔21用螺栓锚固。转动密封套9与进水座6之间还可以上下串动，其距离不小于200mm，以方便总装和运行。在进水座6的顶端设有轮辐状出水口22，其出水口22的截面积与正上方轮体2下盘面的轮辐状进水口13的截面积相等，以保证出水与进水流速相同。

请参看图1，泄水的下水位面23，距喷水口8的距离小于0.1米，以最大限度地减小水坝的势能损耗。从当下技术损耗1～15％降低到0.03％。

本发明实施例的永磁悬浮水轮机装置的工作过程可以按照如下描述进行：水库的水通过进水管基座中央的进水管口，流入进水座6，再经过该座顶端的轮辐状出水口22和轮体2下底面轮辐状进水口13进入轮体2内，在充满轮体2的密封空间的同时，也从喷口喷出水柱，轮体2在所喷出水柱的反冲动量作用下开始转动，并通过轮体2中的主轴1顶部的法兰盘17扭动发电机同步转动，当水轮机达到设计的发电转速时，发电机开始发电运行。该水轮机设计的发电转速，也就是主轴最大出力转速。

在本说明书中，“约”、“大约”、“大致”用语表示在给定值或范围的20％、10％或是5％之内。在此给定的数量为大约的数量，意即在没有特定说明的情况下，仍可隐含“约”、“大约”、“大致”的含义。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种永磁悬浮水轮机装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的永磁悬浮水轮机装置，其特征在于，

所述轮体的底面上，包括轮毂以及环绕主轴设置有轮辐，所述轮体的进水口对应的为轮辐状进水口；

所述进水座顶面包括与所述轮辐状进水口配套的轮辐状出水口，以使进水座内的水流入轮体。

3.根据权利要求1所述的永磁悬浮水轮机装置，其特征在于，还包括：

推力轴承，位于主轴上部，设置于主轴和上结构架之间。

4.根据权利要求1所述的永磁悬浮水轮机装置，其特征在于，主轴顶部还配置为连接有法兰盘，该法兰盘配置为与发电机扭接，以在主轴转动时扭动发电机同步转动。

5.根据权利要求1所述的永磁悬浮水轮机装置，其特征在于，所述出水喷口的总成呈流线型，以减小转动时空气的阻力。

6.根据权利要求1所述的永磁悬浮水轮机装置，其特征在于，所述出水喷口环绕沿所述轮体均匀且对称布置。

7.根据权利要求1所述的永磁悬浮水轮机装置，其特征在于，所述主轴下部设有转动密封套，该转动密封套通过法兰盘与轮体连接，并且该转动密封套环套在进水座上部。

8.根据权利要求1所述的永磁悬浮水轮机装置，其特征在于，所述轮体的进水口截面积大于出水喷口的截面积。

9.根据权利要求1所述的永磁悬浮水轮机装置，其特征在于，所述进水座配置为固定于机房进水管道基座上，通过法兰盘孔用螺栓锚固。