CN111636992B - 一种可伸缩双叶轮管道发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可伸缩双叶轮管道发电装置，分别包括水轮机组单元、发电控制单元、叶轮保护单元、电动阀门和蓄电池。水轮机组单元由伸缩套管和叶轮组成，套管安装两个叶轮，两个水轮分别单独旋转；叶轮保护单元，主体为圆柱体内壳，内壳与管道连接部分设置电动启闭门：发电控制单元包括齿轮增速箱、永磁发电机和整流电路、控制系统；控制系统与蓄电池连接，并对其他电动部件供电并进行控制。该装置针对传统管道发电中水轮机组长期处于管道运行，造成管道水头损失大、污染水质以及阻塞管道等问题，采用双叶轮可伸缩管道发电装置，通过控制系统的各部分，实现发电装置的间歇运行，保证发电装置长期稳定运行。

Description

一种可伸缩双叶轮管道发电装置

技术领域

本发明涉及管道发电技术领域，更具体地说，涉及一种可伸缩双叶轮管道发电装置。

背景技术

随着物联网技术的不断发展，城市输水管网对管道输水情况要求越来越高，各种供水管道都在逐步实现智能化控制。但管道传感器的供电问题限制了其进一步发展。一般的，供水管道大都处于埋藏地下，且分布广泛，难以通过传统的布线方式进行供电。目前自来水管网上安装的流量计、压力传感器等数据采集设备、通信设备以及控制设备多数使用蓄电池进行供电。但是传统蓄电池的容量有限的，且长期使用后需要定期更换，增加大人工成本，同时也会导致其他衍生问题如，部分采集数据丢失；而且废弃电池极易污染水和土壤，还需进一步处理。而且面对一些极端天气，如高温、低温以及洪涝灾害，电池也很容易损坏，导致电池的使用寿命大大缩短。以上情况出现导致设备供电间断，对于长期采集管网数据，保证为用户安全可靠供水产生非常不利的影响。因此，如果可以利用管道水流动能推动水轮机旋转产生机械能，带动匹配的发电机发电为设备供电，能够很好的解决供水管道的供电问题。

在现有技术中，管道发电机在管道内的部分体积与迎水面积大，造成的水头浪费，甚至会影响到用户的正常供水。而叶轮长时间在管道中工作，对叶轮结构强度也提出了很大的挑战。同时，由于电动阀门、控制系统及负载的功耗较低，电池电量满足其需要即可，不需要发电机长时间发电。当蓄电池充满电后，发电机即可停止工作。但水轮机长时间处于管道内，会造成不必要的水头损失，影响用户的用水，同时也容易污染水质、阻塞管道，引发其他问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，针对管道水轮机发电持续发电、造成的水头损失大、影响用户正常用水的问题，提供一种双叶轮可伸缩管道发电装置，本发明中利用管道高速水流带动叶轮旋转，将水流动能转换为叶轮的机械能，通过连接装置连接发电机，实现了机械能向电能的转换，并通过整流单元整流，汇流到蓄电池储存。第二叶轮可以利用第一叶轮旋转后的余压，带动第二叶轮旋转，以提高系统的发电能力；电动推杆及套管的组合实现水轮机的伸缩控制，并通过控制系统的控制和电动阀门的配合，实现水轮机的间歇运行。本装置可应用于灌溉管道、居民供水管道等，提取管内水流能量进行发电，将电能存储到蓄电池中，实现为流量计等小型设备供电。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种可伸缩双叶轮管道发电装置，设置于灌溉管道内拐角位置，包括：水轮机组单元、叶轮保护单元、发电控制单元和蓄电池；

其中，在灌溉管道的拐角位置的后壁上开口并固定设置叶轮保护仓，叶轮保护仓为圆柱体型结构，其另一端固定于发电控制单元的盒体外侧壁；叶轮保护仓外侧靠近灌溉管道一端设置启闭门安置仓，启闭门安置仓内容置半圆形的启闭门，启闭门通过启闭门控制电机的控制，从启闭门安置仓中伸出，移动至叶轮保护仓内部，对叶轮保护仓进行封闭和开启；

水轮机组单元包括伸缩套管和叶轮，伸缩套管为三节伸缩套管，自外向内为依次嵌套的主管、第二套管和第一套管，且第一套管在第二套管内部伸缩，第二套管在主管内部伸缩；第一套管端部固定设置第一叶轮，在第一套管和第二套管连接的位置固定设置第二叶轮；

发电控制单元包括盒体，及设置于盒体内的发电整流控制机构；盒体密封，主管穿入至发电控制单元的盒体内部，连接发电整流控制机构，将动能传递至发电整流控制机构进行发电，蓄电池设置于盒体内部，连接发电整流控制机构，进行电能存储。

其中，主管穿入盒体的通孔上设置水密轴承进行防水，主管套置于水密轴承内圈。

其中，第一叶轮和第二叶轮均包含4个叶片，每片叶片为NCAC螺旋桨叶型，中心最厚处厚度为10mm，最外侧为45°圆角；所述叶轮正面投影直径为80mm，单叶片中心厚度8mm，中心轴直径为10mm；所述主管横截面封闭，形状为圆形。

其中，主管、第一套管和第二套管组成的三节伸缩套管为电动伸缩套管，开启叶轮保护仓中的启闭门时，通过控制电动伸缩套管，使电动伸缩套管缩短，整体收回至叶轮保护仓内部。

其中，叶轮保护仓为一圆柱形空壳，内壁尾端与灌溉管道外壁面成已圆角；所述启闭门为两半圆形不锈钢硬壳，接合处对应设置有前后卡槽，以封闭叶轮保护仓。

其中，半圆形启闭门结合处的卡槽中设置橡胶隔离层进行防水。

其中，发电整流控制机构包括第一齿轮加速装置、第二齿轮加速装置、第一永磁电机、第二永磁电机、第一整流电路、第二整流电路及控制器，第一齿轮加速装置和第二齿轮加速装置通过第一套管和第二套管的转动提供的动能为第一永磁电机、第二永磁电机提供动能进行发电，第一永磁电机、第二永磁电机产生的电能经过第一整流电路及第二整流电路的整流作用后，输出至蓄电池进行存储；控制器连接蓄电池。

其中，水轮机组前的管道内安装用于封闭水流流向叶轮的电动阀门，控制器通过导线连接至电动阀门的控制器和启闭门控制电机，根据指令对电动阀门和启闭门控制电机的启动进行控制。

区别于现有技术，本发明采用可伸缩式水轮发电机组，通过控制系统的调控和电动阀门的配合，使水轮机在空闲时放置在叶轮保护仓中，减少了水轮机长期运行造成的设备磨损；使用双叶轮，多次利用水压，加大了输出功率，提升了水轮机系统效率；通过控制系统的调控，避免了蓄电池长期处于充电状态，延长了电池使用寿命，保证系统长期稳定工作；采用电动推杆，对永磁发电机、齿轮增速器和水轮机组实现伸缩控制，使水轮机紧贴管壁凹槽，减小管道水流的能量损失，以免影响用户正常用水；管道中无过多支架，水头损失小，结构强度大，避免管道阻塞的危险以及支架腐蚀污染水质。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明提供的一种可伸缩双叶轮管道发电装置的结构示意图。

图2是本发明提供的一种可伸缩双叶轮管道发电装置的主管与套管的连接方式示意图。

图3是本发明提供的一种可伸缩双叶轮管道发电装置的叶轮结构前视图。

图4是本发明提供的一种可伸缩双叶轮管道发电装置的启闭门开合状态图。

图5是本发明提供的一种可伸缩双叶轮管道发电装置的叶轮收缩于叶轮保护仓时的状态示意图。

图6是本发明提供的一种可伸缩双叶轮管道发电装置的发电控制单元部件安装示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参阅图1，本发明提供了一种可伸缩双叶轮管道发电装置，设置于灌溉管道内拐角位置，包括：水轮机组单元1、叶轮保护单元、发电控制单元和蓄电池4；

其中，在灌溉管道100的拐角位置的后壁上开口并固定设置叶轮保护仓2，叶轮保护仓2为一圆柱形空仓，直径85mm，深50mm，其另一端固定于发电控制单元的盒体3外侧壁；叶轮保护仓2外侧靠近灌溉管道100一端设置启闭门安置仓201，启闭门安置仓201内容置半圆形的启闭门202，启闭门202通过启闭门控制电机203的控制，从启闭门安置仓201中伸出，移动至叶轮保护仓2内部，对叶轮保护仓2进行封闭和开启；

水轮机组单元1包括伸缩套管和叶轮，伸缩套管为三节伸缩套管，自外向内为依次嵌套的主管105、第二套管104和第一套管103，且第一套管103在第二套管104内部伸缩，第二套管104在主管105内部伸缩；第一套管103端部固定设置第一叶轮101，在第一套管103和第二套管104连接的位置固定设置第二叶轮102；第二叶轮102具体固定套置于第二套管104的外壁。

第一套管103和第二套管104穿过主管后接电动伸缩管控制电机302控制伸缩。第一叶轮101轴向连接第一套管103。第二叶轮102结构大小与第一叶轮101相同，轴向连接在第二套管103上。主管105固定于叶轮保护仓2后壁，第一套管103、第二套管104通过主管105穿过叶轮保护仓2后壁，与齿轮增速器3041和3042连接。管壁外侧设置用于定位套管的轴承106，所述轴承106与主管105之间设置有密封圈，防止液体进入发电控制单元。叶轮的迎流面与来流方向垂直以通过旋转带动套管旋转。

如图2所示，第一套管103和第二套管104通过凹槽镶嵌连接。

发电控制单元包括盒体3，及设置于盒体3内的发电整流控制机构301；盒体3密封，主管105穿入至发电控制单元的盒体3内部，连接发电整流控制机构301，将动能传递至发电整流控制机构301进行发电，蓄电池4设置于盒体3内部，连接发电整流控制机构301，进行电能存储。

其中，主管105穿入盒体的通孔上设置水密轴承106进行防水，主管105套置于水密轴承106内圈。

如图3所示，第一叶轮101和第二叶轮102均包含4个叶片，每片叶片为NCAC螺旋桨叶型，中心最厚处厚度为10mm，最外侧为45°圆角；所述叶轮正面投影直径为80mm，单叶片中心厚度8mm，中心轴直径为10mm；主管105横截面封闭，形状为圆形。

其中，主管105、第一套管103和第二套管104组成的三节伸缩套管为电动伸缩套管，开启叶轮保护仓2中的启闭门202时，通过控制电动伸缩套管，使电动伸缩套管缩短，整体收回至叶轮保护仓2内部。

参阅图四，为启闭门开合状态平视图。启闭门上下结构相同，为半圆形不锈钢材质，厚10mm，中心连接处凸出长5mm，厚5mm凸槽，上下部分闭合，中间添加水密材料205保证连接处水密性能；舱门上下两侧分别设有舱门存储槽201，仓门与壁边设水密圈204。图五为双叶轮收缩于叶轮保护仓时的仓体结构示意图。

其中，叶轮保护仓2为一圆柱形空壳，内壁尾端与灌溉管道100外壁面成已圆角；所述启闭门202为两半圆形不锈钢硬壳，接合处对应设置有前后卡槽，以封闭叶轮保护仓2。

其中，半圆形启闭门202结合处的卡槽中设置橡胶隔离层进行防水。

参阅图6，发电整流控制机构301包括第一齿轮加速装置3041、第二齿轮加速装置3042、第一永磁电机3051、第二永磁电机3052、第一整流电路3061、第二整流电路3062及控制器303，第一齿轮加速装置3041和第二齿轮加速装置3042通过第一套管和第二套管的转动提供的动能为第一永磁电机3051、第二永磁电机3052提供动能进行发电，第一永磁电机3051、第二永磁电机3052产生的电能经过第一整流电路3061及第二整流电路3062的整流作用后，输出至蓄电池4进行存储；控制器303连接蓄电池4。在本实施方式中，主管105为空心管体，第一套管103和第二套管104的一端分别固定第一叶轮101和第二叶轮102，其另一端均延伸至发电控制单元的盒体3内部，且第一套管103套置于第二套管104内，二者可相对滑动。第一套管103在盒体3内的部分与第一齿轮加速装置3041连接，第二套管104在盒体3内的部分与第二齿轮加速装置3042连接，第一套管103和第二套管104因第一叶轮101和第二叶轮102在水流冲动下转动，带动第一齿轮加速装置3041和第二齿轮加速装置3042同时进行转动，第一齿轮加速装置3041和第二齿轮加速装置3042连接的第一永磁电机3051和第二永磁电机3052开始发电。

发电控制单元的盒体3位于叶轮保护仓2后，为一长方体空心仓，前端分为上下两层；第一套管103穿过主管105空心处，连接第一齿轮增速器3041，后接第一永磁发电机3051、第一整流电路3061，置于仓体上层；第二套管104连接第二齿轮增速器3042，后接第二永磁发电机3052和第二整流电路3062，置于仓体下层；两部分电流输出整流电路后，先接一电动开关307，然后接入蓄电池4，控制电池充电状态。同时控制系统303连接蓄电池4，给系统供电保证系统正常运行；同时控制系统303连接电动开关307，控制开关状态；连接叶轮保仓启闭门203，控制启闭门开启关闭；连接电动阀门5控制阀门启闭。

其中，水轮机组前的管道内安装用于封闭水流流向叶轮的电动阀门5，控制器303通过导线连接至电动阀门5的控制器和启闭门控制电机203，根据指令对电动阀门5和启闭门控制电机203的启动进行控制。

本发明通过管道水流冲击双水轮机叶片，带动后续发电机发电，通过整流电路以后将电能存储于蓄电池中。

本发明中使用的蓄电池、电动阀门、电机等部件不作细致说明，壳体根据具体情况与实际经验作一定的替换，但是针对这些部分的修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

在实际使用过程中，蓄电池4设有电压传感器，电压传感器与控制系统303相连接，当电压传感器感应到蓄电池4电压充足时，通过收缩电动伸缩套管，将双叶轮置于叶轮保护仓2中，启闭门202紧闭，电动开关307断开，电动阀门5处于开启状态。如图5所示。

当蓄电池4电池电压低于与预设电压时，电压传感器将检测电压传至控制系统303，控制电动阀门5闭合，当电动阀门5闭合1分钟后，管道内水流通过弯管处向下流出，整体部分无水流水压；此时控制叶轮保护仓2启闭门电机203正转，启闭门上部分向上移动，下部分向下移动，移至完全进入叶轮保护仓2后停止。

此后，控制系统303控制电动伸缩套筒运动，主管105固定不动，第二套管104带动第一套管103及两个叶轮向前平移；当第二套管104移动到最长处后不再移动；之后第一套管103带动第一叶轮101继续向前平移，移动到最长处停止。此时叶轮部分准备就绪。

当叶轮部分准备就绪后，控制电动阀门5开启，同时电动开关307闭合。阀门开启后，管道高压水流重新充满管道，水流冲击带动第一叶轮101旋转，第一叶轮101通过第一套管103旋转带动后续第一齿轮增速箱3041，之后带动第一永磁发电机3051发电；同时第二叶轮102利用余压旋转，带动第二套管104旋转，第二套管104带动后接第二齿轮增速箱3042使第二永磁发电机3052发出电流；两个发电机发出电流经整流电路后，并行接入电动开关307，通入蓄电池4给充电。

进一步的，当电池充满后，电压传感器检测电池电压值传入控制系统303，控制电动阀5闭合，同时断开电动开关307。电动阀闭合一分钟后，管道内水流通过弯管处向下流出，整体部分无水流水压；控制电动伸缩套管收缩，使第一套管103以及第一叶轮101回收；当第一套管103带动第一叶轮101收缩至第二叶轮102处时，第一套管103与第二套管104同时向叶轮保护仓2内回收。当两套管回收到末端，控制启闭门控制电机203电机反转，上下仓门同时向中心移动。当电动仓门紧闭后，控制电动阀门5打开，管道正常供水，电池正常工作。图1中302是控制第一套管和第二套管伸缩的电机，

水轮机组停止工作时，两个叶轮可在伸缩套管的带动下移动到管壁的凹槽处。发电整流单元主要包括两套齿轮增速箱、两个永磁发电机和整流电路。永磁发电机输出端通过导线与整流电路连接。发电整流单元、电动推杆、控制系统和蓄电池固定在发电控制壳内，第一叶轮发电机和齿轮增速器固定于第一套管末端、向上安装；第二叶轮发电机与齿轮增速器固定于第二套管末端，向下安装，套管与加速器之间用传送带连接。叶轮保护壳前段设有一电动启闭门。电动阀门安装在水轮机前的管道内。控制系统通过导线分别与电动阀门、蓄电池、电动推杆、电动启闭门连接。

本发明装置针对管道发电中水轮机组长期处于管道内，水头损失大、污染水质以及阻塞管道等问题，采用电动推杆、可伸缩的水轮机组，通过控制系统的控制和电动阀门的配合，以此实现发电装置的间歇运行以及为蓄电池进行供电。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种可伸缩双叶轮管道发电装置，设置于灌溉管道内拐角位置，其特征在于，包括：水轮机组单元、叶轮保护单元、发电控制单元和蓄电池；

其中，在灌溉管道的拐角位置的后壁上开口并固定设置叶轮保护仓，叶轮保护仓为圆柱体型结构，其另一端固定于发电控制单元的盒体外侧壁；叶轮保护仓外侧靠近灌溉管道一端设置启闭门安置仓，启闭门安置仓内容置半圆形的启闭门，启闭门通过启闭门控制电机的控制，从启闭门安置仓中伸出，移动至叶轮保护仓内部，对叶轮保护仓进行封闭和开启；

水轮机组单元包括伸缩套管和叶轮，伸缩套管为三节伸缩套管，自外向内为依次嵌套的主管、第二套管和第一套管，且第一套管在第二套管内部伸缩，第二套管在主管内部伸缩；第一套管端部固定设置第一叶轮，在第一套管和第二套管连接的位置固定设置第二叶轮；

发电控制单元包括盒体，及设置于盒体内的发电整流控制机构；盒体密封，主管穿入至发电控制单元的盒体内部，连接发电整流控制机构，将动能传递至发电整流控制机构进行发电，蓄电池设置于盒体内部，连接发电整流控制机构，进行电能存储。

2.根据权利要求1所述的可伸缩双叶轮管道发电装置，其特征在于，主管穿入盒体的通孔上设置水密轴承进行防水，主管套置于水密轴承内圈。

3.根据权利要求1所述的可伸缩双叶轮管道发电装置，其特征在于，第一叶轮和第二叶轮均包含4个叶片，每片叶片为NCAC螺旋桨叶型，中心最厚处厚度为10mm，最外侧为45°圆角；所述叶轮正面投影直径为80mm，单叶片中心厚度8mm，中心轴直径为10mm；所述主管横截面封闭，形状为圆形。

4.根据权利要求1所述的可伸缩双叶轮管道发电装置，其特征在于，主管、第一套管和第二套管组成的三节伸缩套管为电动伸缩套管，开启叶轮保护仓中的启闭门时，通过控制电动伸缩套管，使电动伸缩套管缩短，整体收回至叶轮保护仓内部。

5.根据权利要求1所述的可伸缩双叶轮管道发电装置，其特征在于，叶轮保护仓为一圆柱形空壳，内壁尾端与灌溉管道外壁面形成圆角；所述启闭门为两半圆形不锈钢硬壳，接合处对应设置有前后卡槽，以封闭叶轮保护仓。

6.根据权利要求5所述的可伸缩双叶轮管道发电装置，其特征在于，半圆形启闭门结合处的卡槽中设置橡胶隔离层进行防水。

7.根据权利要求1所述的可伸缩双叶轮管道发电装置，其特征在于，发电整流控制机构包括第一齿轮加速装置、第二齿轮加速装置、第一永磁电机、第二永磁电机、第一整流电路、第二整流电路及控制器，第一齿轮加速装置和第二齿轮加速装置通过第一套管和第二套管的转动提供的动能为第一永磁电机、第二永磁电机提供动能进行发电，第一永磁电机、第二永磁电机产生的电能经过第一整流电路及第二整流电路的整流作用后，输出至蓄电池进行存储；控制器连接蓄电池。

8.根据权利要求7所述的可伸缩双叶轮管道发电装置，其特征在于，水轮机组单元前的管道内安装用于封闭水流流向叶轮的电动阀门，控制器通过导线连接至电动阀门的控制器和启闭门控制电机，根据指令对电动阀门和启闭门控制电机的启动进行控制。

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