CN113153610A - 一种基于文丘里装置的发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于文丘里装置的发电系统，可以利用不便于建设大型水电站的小流量高水头溪流进行发电。该系统包括文丘里装置、活塞装置、发电机以及自主设计的二位三通机械换向阀。所述文丘里装置包括异径管、收缩管、喉管、扩散管、以及连接二位三通机械换向阀的高压流体连通管和低压流体连通管。所述二位三通机械换向阀实现一次换向，就会改变与活塞装置连通的是高压管道还是低压管道，从而使活塞产生线性往复运动，再由曲柄摇杆机构将该往复运动转化为转动为发电机发电提供动力。

Description

一种基于文丘里装置的发电系统
技术领域
本发明涉及水力发电领域，更具体的指一种基于文丘里装置的发电系统。
背景技术
环境问题已经成为当今关注的热点，节能减排作为改善环境问题的重要一环，也一直是主流的研究方向。其中，利用可再生能源代替传统的高排放、高消耗的能源已成为我国的切实选择。
水利资源是清洁环保的资源，但是传统的水轮机一般适用于大流量以及丰富水力资源的应用情况。而我国幅员辽阔，有着各种各样的地形地貌，在一些偏远山区，由于地理位置和自然灾害等原因偶尔也会出现断电的情况。山区往往拥有流量小但是水头高的水利资源，如果能对其加以利用，可以适当解决山区居民的用电问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于文丘里装置的发电系统。
为实现上述目的，本发明所设计的文丘里发电系统，包括文丘里装置、二位三通机械换向阀、活塞装置以及发电机。所述活塞装置通过曲柄摇杆机构与发电机连接。其特殊之处在于所述文丘里装置主要包括异径管，文丘里装置主体，工作流体管道，高压流体连通管，低压流体连通管。所述文丘里装置主体依次是收缩管、喉管以及扩张管，所述高压流体连通管一端与异径管直管段或工作流体管道连通，另一端与二位三通机械换向阀连通，所述低压流体连通管一端与喉管连通，另一端与二位三通机械换向阀连通。
所述活塞装置包括活塞，活塞杆，缸体。所述活塞将缸体分为无杆腔、有杆腔，所述有杆腔中活塞杆一端连接活塞，另一端延伸到外部与曲柄摇杆机构连接，所述无杆腔与二位三通机械换向阀通过管道连通。所述二位三通机械换向阀通过液体流动带动叶轮转动，并通过锥齿轮将叶轮转动转换为凸轮转动，凸轮每转过180°会触发或者松开开关，使阀内两个管道实现一次开闭的转换，由于所述机械换向阀分别与高压流体以及低压流体连接，在压力差的作用下可以使活塞实现往复运动。
进一步地，为了使作用在活塞上的力最大，高压流体连通管和低压流体连通管在文丘里装置中接入的位置，应该分别选择在压力最高和最低的位置。
更进一步地，所述压力最高位置在异径管前段直管段，或者与之相连且在同一水平线的管道上，此处流体的高水头转化为压能，形成高压流体。所述压力最低的位置位于喉管上，喉管前的收缩管可以将流体的压能转化为动能，形成低压流体。
优选地，在文丘里装置之前加装异径管，使进入文丘里装置的流体压能更多的转化为动能，降低喉管处的压力。
优选地，所述二位三通机械换向阀设计时采用纯机械结构，通过液体带动凸轮转动来转换与活塞装置联通的管道。
进一步地，液体进入叶轮的两个流道与叶轮轴心有一定夹角，使叶轮往一个方向转动。
再进一步地，所述机械换向阀设计为顶盖可拆解结构，在出现故障时方便维修。
本发明的有益效果：本发明所设计的文丘里发电机需要高频以及持续时间长的稳定换向，传统的电磁换向阀无法满足要求。与传统电磁换向阀相比，本发明所设计的纯机械结构换向阀具有工作时更稳定可靠、节约资源等优点。该机械换向阀工作时利用液体流动带动凸轮转动触发开关，从而改变与无杆腔连接管道的压力来达到活塞做循环往复运动的目的，再利用曲柄摇杆机构将活塞的往复运动转换成转动进而转化为电能输出。该装置能够利用小流量高水头的流体进行发电，对于无法建设大型发电厂的偏远山区，该装置能充分发挥其优势，为山区居民提供一定的便利。
附图说明
图1为本发明一种基于文丘里装置的发电系统流程图。
图2为本发明一种基于文丘里装置的发电系统结构示意图。
图3为本发明一种基于文丘里装置的发电系统所设计的二位三通机械换向阀部分放大图。
图4为本发明一种基于文丘里装置的发电系统所设计的二位三通机械换向阀叶轮及流道示意图。
图中：文丘里装置1（其中：异径管1.1，收缩管1.2，喉管1.3，扩散管1.4，高压流体连通管1.5，低压流体连通管1.6），活塞装置2（其中:活塞2.1，无杆腔A，有杆腔B，活塞杆2.2，活塞-换向阀连通管2.3，位移开关2.4），曲柄摇杆机构3，发电机4，二位三通机械换向阀5（其中：叶轮5.1，锥齿轮5.2，凸轮5.3，触发开关5.4）。箭头所示为工作流体流向。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
如图1和图2所示，文丘里发电系统，主要包括文丘里装置1，活塞装置2，活塞装置2通过活塞杆2.2和曲柄摇杆机构3将装置与发电机4连接。文丘里装置1包括了异径管1.1，收缩管1.2，喉管1.3，扩散管1.4，高压流体连通管1.5，低压流体连通管1.6。活塞装置2包括了活塞2.1，无杆腔A，有杆腔B，活塞杆2.2，活塞-换向阀连通管2.3。如图3所示，二位三通机械换向阀5包括了叶轮5.1，锥齿轮5.2，凸轮5.3，触发开关5.4。活塞装置缸体被活塞2.1分为了无杆腔A和有杆腔B，无杆腔A与二位三通机械换向阀5连接，有杆腔B一端连接活塞杆2.1，另一端通过活塞杆2.2与曲柄摇杆机构3连接，高压流体连通管1.5及低压流体连通管1.6分别连接二位三通机械换向阀5的两个开关控制开闭的端口，活塞-换向阀连通管2.3连接二位三通机械换向阀5常开的端口。
为减少活塞2.1与缸体两侧碰撞造成的机械损伤，活塞装置2缸体两端可以做一定的减震处理。为减少能量损失，异径管1.1，收缩管1.2，喉管1.3在接口处的管径相同。
本发明在工作时，工作流体为从高处引流的水，经管道输送到该文丘里装置内，在异径管1.1以及收缩管1.2处由于管径缩小，流体的压能转化为动能，在喉管1.3处产生低压。当高压流体连通管1.5与活塞装置2连通时，高压流体经过叶轮5.1使其转动，同轴的锥齿轮5.2将叶轮5.1的转转化为凸轮5.3的转动。因为工作流体压力大于有杆腔B压力，液体流入无杆腔A将活塞2.1向右推动。当凸轮5.3转动过180°之后，凸轮半圆部分将触发开关5.4下压，高压流体连通管1.5与活塞装置2的连通关闭，同时低压流体连通管1.6与活塞装置2连通，此时二位三通机械换向阀5实现了一次换向动作。由于喉管1.3处压力低于有杆腔B，压力作用下活塞2.1向左移动，无杆腔A内液体流入喉管。此过程中因为流道与叶轮5.1轴心成一定角度，所以回流时叶轮不改变转动方向，见图4。此时活塞2.1完成了一个运动周期，之后活塞2.1持续往复的运动，活塞杆2.2连接曲柄摇杆机构3，曲柄摇杆机构3将此往复运动转化转动，为发电机4提供动力进行发电，最终储存在蓄电池中以供村民使用。
本发明利用文丘里装置，与传统的水力发电装置相比体积减小了很多，且无需专门修建蓄水设施，只需要从高处用管道引流一部分水到低处就能工作。该装置将小流量高势能的水力资源转化成电能，可以为山区居民提供电力支持。考虑到山区往往交通不便，设备维护不便，本发明采用机械换向结构，相较于电磁换向阀具有更高的可靠性。
以上是关于本发明的具体实行的一种方式，对其进行了较为详细的描述，但不能理解为是本发明专利涵盖范围的全部。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于文丘里装置的发电系统，包括文丘里装置（1）、活塞装置（2）、发电机（4）以及二位三通机械换向阀（5）；所述文丘里装置（1）通过二位三通机械换向阀（5）和活塞装置（2）连接，活塞装置（2）通过曲柄摇杆机构（3）与发电机（4）连接；其特征在于：
所述文丘里装置（1）包括异径管（1.1），收缩管（1.2），喉管（1.3），扩散管（1.4），高压流体连通管（1.5）和低压流体连通管（1.6），所述高压流体联通管（1.5）从异径管（1.1）直管段或从异径管（1.1）前的工作流体管道引入，所述低压流体连通管（1.6）连接到喉管（1.3）；
所述活塞装置（2）包括活塞（2.1），无杆腔（A），有杆腔（B），活塞杆（2.2）和活塞-换向阀连通管（2.3）；无杆腔（A）通过活塞-换向阀连通管（2.3）与二位三通机械换向阀（5）常开的端口连接，有杆腔（B）内的活塞杆（2.2）一端连接活塞（2.1），另一端与曲柄摇杆机构（3）连接；
所述二位三通机械换向阀（5）包括叶轮（5.1），锥齿轮（5.2），凸轮（5.3）和触发开关（5.4），叶轮（5.1）与锥齿轮（5.2）同轴，叶轮（5.1）转动带动锥齿轮（5.2）旋转，从而使得与锥齿轮（5.2）啮合的凸轮（5.3）也旋转，所述的凸轮（5.3）转动周期性的下压、松开触发开关（5.4），实现无杆腔（A）与高压流体连通管（1.5）、低压流体连通管（1.6）的连通转换。
2.根据权利要求1所述的基于文丘里装置的发电系统，其特征在于：异径管（1.1），收缩管（1.2），喉管（1.3），扩散管（1.4）的连接处管径相同。
3.根据权利要求1所述的基于文丘里装置的发电系统，其特征在于：有杆腔（B）与大气连通。
4.根据权利要求1所述的基于文丘里装置的发电系统，其特征在于：高压流体连通管（1.5），低压流体连通管（1.6）在文丘里装置（1）中接入的位置，分别选择在压力最高和最低的位置。
5.根据权利要求1所述的基于文丘里装置的发电系统，其特征在于：所述二位三通机械换向阀（5）的液体进入叶轮（5.1）的两个入口流道与叶轮轴心成一定角度，以固定叶轮（5.1）旋转方向。
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