CN113818935B - 一种低压差气动发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于能源利用领域，公开了一种低压差气动发电装置，能够大大提高对天然气压差的转化效率，包括驱动部；电机部；驱动部机械连接；发电管控部；蓄电池及电能管控部。驱动部包括驱动叶轮和驱动壳体，驱动叶轮通过驱动部机械连接到电机部，电机部与发电管控部通过电气连接，发电管控部通过电气及控制线与蓄电池及电能管控部连接。当一定低压差的气流通过叶轮并驱动叶轮旋转时，叶轮通过机械连接驱动电机旋转发电，发出的电通过发电管控部、蓄电池及电能管控部的控制、管理，实现对外供电，多余的电用来给蓄电池充电，实现了为仪器、仪表连续不间断供电。

Description

一种低压差气动发电装置
技术领域
本发明属于能源利用领域，具体涉及一种低压差气动发电装置。
背景技术
天然气作为优质清洁能源广泛应用在生产、生活中。随着生产绿色化及人民生活水平提高，天燃气的应用范围及数量不断扩大，天燃气应用关键设备天燃气调压站应用数量不断增长，使用范围不断扩大。
天燃气调压站包括驱动叶轮和发电机，其原理通过存在预定气压压差的环境中相对形成的外部天燃气流过驱动叶轮，使得驱动叶轮进行转动，从而向发电机输入转矩，使得发电机向外释放转化电能。
这种模式在实践中已被大规模的使用，且具有一定的效果。
但就目前为止，这种模式的使用范围仅限于预定压差必须大于0.4MPa的环境中，因此，在很多场景中就不能利用其进行能源转化利用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种低压差气动发电装置，该低压差气动发电装置通过对驱动叶轮及相关壳体的结构参数进行特定设计，从而能够大大提高对天然气压差的转化效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案为：
一种低压差气动发电装置，通过外部气流发电，其特征在于，包括：驱动部；电机部，与驱动部机械连接；电机部用于生成转化电能；以及发电管控部，与电机部电气连接，发电管控部用于存储并管控转化电能，其中，驱动部包括驱动叶轮和驱动壳体，驱动叶轮包括轮毂和多个叶片，多个叶片以轮毂的中心为圆心呈圆形均匀设置，并且多个叶片均沿轮毂的高度方向设置，叶片具有弧形连接的叶盆面和叶背面，叶盆面呈弧形且朝向外部气流设置，叶背面由弧形连接的前缘部和导流部组成，前缘部与导流部均呈弧形，且导流部较前缘部靠近轮毂的中心，叶盆面的曲率半径为导流部的70％-90％，前缘部的曲率半径为导流部的4.3％-5.5％，叶盆面的表面具有第一预定点，导流部的表面具有第二预定点，第一预定点和第二预定点均位于轮毂的同个横截面上，且均位于一个以轮毂的中心为圆心的圆周上，将经过第一预定点并与叶盆面表面相切的直线作为第一切线，将经过轮毂的中心和第一预定点的直线作为参照线，将经过第二预定点并与导流部表面相切的直线作为第二切线，第一切线和第二切线形成的锐角范围为6°-8°，第一切线与参照线形成的锐角范围为30°-33°，驱动壳体内具有进气通道、出气通道以及叶轮容纳腔，进气通道和出气通道均与外部连通且轴线的延伸方向均沿外部气流的方向设置，进气通道通过部分叶轮容纳腔与出气通道连通，叶轮容纳腔呈圆柱状，驱动叶轮配合并可旋转地安装在叶轮容纳腔内并与叶轮容纳腔同轴，叶轮容纳腔的半径范围为45mm至50mm，驱动叶轮的边缘与最接近的叶轮容纳腔的间隙范围为0.2-0.5mm，进气通道和出气通道沿叶轮容纳腔的径向分布的延伸方向均与叶轮容纳腔的轴线垂直，当外部气流通过进气通道流过驱动叶轮时，外部气流的流向与叶盆面形成的切角范围为40°至60°。
优选地，将与进气通道与出气通道均连通连续的部分叶轮容纳腔的内壁作为过气弧面，进气通道的内壁与过气弧面的交界线与叶轮容纳腔的母线的距离范围为0.2mm至0.6mm，过气弧面包络的叶片的数量为4至6个，对应驱动叶轮形成的扇形包角范围为30°至35°。
优选地，进气通道的截面呈矩形并作为进气截面，进气截面的长度方向与叶轮容纳腔的高度方向相同，宽度方向与叶轮容纳腔的径向方向相同且进气通道位于叶轮容纳腔的边缘，进气截面的长宽比的范围为5：1至4：1，进气截面的面积范围为100至150mm2，出气通道的截面呈圆形，出气通道的半径范围为25至30mm。
优选地，驱动叶轮还具有叶片护板，多个叶片均垂直安装在轮毂和叶片护板之间。
优选地，驱动叶轮的材料为非金属工程塑料。
优选地，驱动部还包括输出轴、永磁联轴器以及隔磁套，输出轴与驱动叶轮同轴安装，电机部包括电机安装壳和发电电机，电机安装壳安装在驱动壳体上，发电电机的输入端通过永磁联轴器与输出轴磁性耦合，隔磁套用于相对于驱动部的其他部分屏蔽磁场。
进一步地，驱动部还包括轴向调节套，轴向调节套套设在输出轴上且轴向调节套位于永磁连轴器与驱动叶轮之间，轴向调节套沿输出轴的长度方向可伸缩地设置。
优选地，电机部还包括穿线管，转化电能通过导线经由穿线管向外部输出。
进一步地，发电管控部包括蓄电池和电能管控模块，蓄电池通过穿线管接收转化电能，电能管控模块与蓄电池信号连接，电能管控模块用于根据外部的预定信号控制蓄电池输出转化电能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.因为本发明的低压差气动发电装置的驱动部包括轮毂和多个叶片，叶片具有弧形连接的叶盆面和叶背面，叶盆面呈弧形且朝向外部气流设置，叶背面由弧形连接的前缘部和导流部组成，前缘部与导流部均呈弧形，且导流部较前缘部靠近轮毂的中心，叶盆面的曲率半径为导流部的70％-90％，前缘部的曲率半径为导流部的4.3％-5.5％，叶盆面的表面具有第一预定点，导流部的表面具有第二预定点，第一预定点和第二预定点均位于轮毂的同个横截面上，且均位于一个以轮毂的中心为圆心的圆周上，将经过第一预定点并与叶盆面表面相切的直线作为第一切线，将经过轮毂的中心和第一预定点的直线作为参照线，将经过第二预定点并与导流部表面相切的直线作为第二切线，第一切线和第二切线形成的锐角范围为6°-8°，第一切线与参照线形成的锐角范围为30°-33°，进气通道通过叶轮容纳腔与出气通道连通，驱动叶轮可旋转地安装在叶轮容纳腔内，叶轮容纳腔的半径范围为45mm至50mm，驱动叶轮的边缘与最接近的叶轮容纳腔的间隙范围为0.2-0.5mm，当外部气流通过进气通道流过驱动叶轮时，外部气流的流向与叶盆面形成的切角范围为40°至60°，因此，本发明通过对驱动叶轮及驱动壳体的结构参数进行特定设计，从而能够大大提高对天然气压差的转化效率，最小时叶轮驱动压差仅为0.025MPa。
2.将与本发明的低压差气动发电装置的进气通道与出气通道均连续的部分叶轮容纳腔的内壁作为过气弧面，因为进气通道的内壁与过气弧面的交界线与叶轮容纳腔的母线的距离范围为0.2mm至0.6mm，过气弧面包络的叶片的数量为4至6个，对应驱动叶轮形成的扇形包角范围为30°至35°，因此，本发明通过特定的过气弧面的设计能够在大幅提升天然气气流对驱动叶轮的二次膨胀做功的效率的前提下，大大降低驱动壳体的相关结构的加工难度。
3.因为本发明的进气截面的长度方向与叶轮容纳腔的高度方向相同，进气截面的长宽比的范围为5：1至4：1，进气截面的面积范围为100至150mm2，出气通道的截面呈圆形，出气通道的半径范围为25至30mm，因此，本发明通过特定的进气截面和出气通道的设计能够使天然气气流集中针对驱动叶轮的叶片的做功，从而大大提升天然气气流的对驱动叶轮的做功效率。
4.因为本发明的多个叶片安装在轮毂和叶片护板之间，因此，本发明能够使天然气气流集中在叶片护板与叶片安装板之间流动而不至从经由结构缝隙从驱动叶轮外流过，从而低成本且更进一步地提升天然气气流的对驱动叶轮的做功效率。
5.因为本发明的驱动叶轮的材料为非金属工程塑料，因此，本发明的驱动叶轮即使与相关部件意外碰撞时也不至产生摩擦火花并大大降低对相关部件的损坏程度，从而大大保证了装置运行的安全性。
6.因为本发明的轴向调节套套设在输出轴上且轴向调节套位于永磁连轴器与驱动叶轮之间，轴向调节套沿输出轴的长度方向可伸缩地设置，因此，本发明可以方便的调节驱动叶轮至发电电机的磁性耦合处的轴向距离，从而大大提升了装置的安装调试的便利性。
附图说明
图1为本发明的实施例的低压差气动发电装置的正视剖面示意图；
图2为本发明的实施例的低压差气动发电装置的侧视剖面示意图；
图3为本发明的实施例的气动叶轮的示意图；
图4为本发明的实施例的气动叶轮的剖视图；
图5为本发明的实施例的轮毂和叶片的示意图；
图6为本发明的实施例的轮毂和叶片的俯视图；
图7为图6的局部示意图；
图8为图2的T部分的局部示意图；
图9为图2的F-F剖视图。
图中：100、低压差气动发电装置，A、外部气流方向，B、叶轮转动方向，C、预定同心圆，10、驱动部，11、驱动叶轮，111、轮毂，1111、过轴部，1112、叶片安装板，1113、压力平衡孔，112、叶片，1121、叶盆面，1122、叶背面，11221、前缘部，11222、导流部，D、第一预定点，E、第二预定点，α、第一锐角，β、第二锐角，113、叶片护板，12、驱动壳体，121、进气通道，122、出气通道，123、叶轮容纳腔，1231、过气弧面，G1、沉入间隙，G2、过气间隙，Q、过气扇形角，S、进气截面，θ、叶盆吹入角，13、输出轴，14、永磁联轴器，15、隔磁套，16、轴向调节套，20、电机部，21、电机安装壳，22、发电电机，23、穿线管，30、发电管控部，30a、管控部壳体，31、蓄电池，32、电能管控模块。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的一种低压差气动发电装置作具体阐述，需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
如图1和图2所示，本实施例中的一种低压差气动发电装置100，通过外部气流发电，包括驱动部10、电机部20以及发电管控部30。
驱动部10包括驱动叶轮11、驱动壳体12、输出轴13、永磁联轴器14、隔磁套15以及轴向调节套16。
如图3和图4所示，驱动叶轮11的材料为非金属工程塑料，包括轮毂111、叶片112以及叶片护板113。
在本实施例中，外部气流方向为A，驱动叶轮11被外部气流驱动的转动方向为B。
轮毂111包括过轴部1111、叶片安装板1112以及压力平衡孔1113。
在本实施例中，过轴部1111为轮毂111中心的圆柱状轴部凸台，过轴部1111通过键连接插装在外部驱动轴上。
叶片安装板1112具有以轮毂111的中心为圆心的圆形边缘，在本实施例中，叶片安装板1112为垂直于过轴部1111圆周面并沿过轴部1111径向延伸形成的具有圆形边缘的板体。
压力平衡孔1113位于叶片安装板1112上，数量为多个，多个压力平衡孔1113以轮毂111的中心为圆心呈圆形均匀分布，在本实施例中，压力平衡孔1113的数量为四个。
如图5和图6所示，叶片112的数量为多个，多个叶片112以轮毂111的中心为圆心呈圆形均匀设置，并且多个叶片112均沿轮毂111的高度方向设置，多个叶片112的端部均安装在叶片安装板1112上。
叶片112具有弧形连接的叶盆面1121和叶背面1122。
叶盆面1121呈弧形且朝向外部气流设置，即外部气流方向A指向叶盆面1121。
叶背面1122由弧形连接的前缘部11221和导流部11222组成，前缘部11221与导流部11222均呈弧形，且导流部11222较前缘部11221靠近轮毂111的中心，前缘部11221的曲率半径为导流部11222的4.3％-5.5％，叶盆面1121的曲率半径为导流部11222的70％-90％，当外部气流流过叶片112时，前缘部11221上流速高于叶盆面1121，从而外部气流在前缘部11221和叶盆面1121产生压力差，增大了外部气流对叶片的做功效果，在本实施例中，叶盆面1121的曲率半径为50-80mm，导流部11222的曲率半径为70-90mm，前缘部11221的曲率半径为3-5mm。
如图6和图7所示，叶盆面1121的表面具有第一预定点，导流部11222的表面具有第二预定点，第一预定点和第二预定点均位于轮毂111的同个横截面上，且均位于一个以轮毂111的中心为圆心的圆周上，将经过第一预定点并与叶盆面1121表面相切的直线作为第一切线，将经过轮毂111的中心和第一预定点的直线作为参照线，将经过第二预定点并与导流部11222表面相切的直线作为第二切线，第一切线和第二切线形成的锐角范围为6°-8°，第一切线与参照线形成的锐角范围为30°-33°，通过上述的各部分的曲率半径的相互比例的设置以及叶片112的相关角度的特定设置，使得叶片112之间形成特定空间形状的气流间隙，做功后的外部气流通过该气流间隙流动，而不发生回冲现象，不会引起紊流，使得外部气流对叶片112做功效率能够进一步地提高，将业内的最低驱动气流压差从0.4MPa进一步地降低，在本实施例中，预定同心圆C与轮毂111同轴，且位于垂直于过轴部1111的高度方向的轮毂111的横截面上，在同个叶片112的叶盆面1121及导流部11222的表面分别形成第一预定点D和第二预定点E，第一切线与参照线形成的锐角即为图6所示的α，第一切线和第二切线形成的锐角即为图6所示的β，叶片112的最低驱动气流压差能够降至0.025MPa。
叶片护板113呈以轮毂111的中心为圆心的圆环状，并与叶片安装板1112平行设置，叶片护板113的外边缘与叶片安装板1112的外边缘对应，多个叶片112的端部均安装在叶片护板113上，且叶片护板113将多个叶片112的端部完全覆盖，即多个叶片112均垂直安装在叶片护板113和叶片安装板1112之间，从而使得外部气流仅能从叶片112之间的气流间隙内流入或者流出驱动叶轮11。
如图1、图2和图8所示，驱动壳体12内具有进气通道121、出气通道122以及叶轮容纳腔123。
进气通道121和出气通道122均与外部连通且轴线延伸方向均沿外部气流的方向A设置，进气通道121通过部分叶轮容纳腔123与出气通道123连通，并且进气通道121的轴线和出气通道122的轴线均水平设置。
如图9所示，进气通道121的截面呈矩形并将该截面作为进气截面S，进气通道121位于叶轮容纳腔123的边缘，进气截面S的长宽比的范围为5：1至4：1，进气截面S的面积范围为100至150mm2。
出气通道122的截面呈圆形，出气通道122的半径范围为25至30mm。
叶轮容纳腔123呈圆柱状，且叶轮容纳腔123的高度方向与进气截面S的长度方向相同，宽度方向与叶轮容纳腔123的径向方向相同，驱动叶轮11与通过轴配合并可旋转地安装在叶轮容纳腔123内并与叶轮容纳腔123同轴，叶轮容纳腔123的半径范围为45mm至50mm，将驱动叶轮11的边缘与最接近的叶轮容纳腔123的间隙作为过气间隙G2，过气间隙G2的范围为0.2-0.5mm，进气通道121和出气通道122沿叶轮容纳腔123的径向分布的延伸方向均与叶轮容纳腔123的轴线垂直，也即叶轮容纳腔123的轴线水平且该轴线与进气通道121的轴线和出气通道122的轴线均垂直。
当外部气流通过进气通道121流过驱动叶轮11时，将外部气流的流向A与叶盆面形成的切角范围作为叶盆吹入角θ，叶盆吹入角θ为40°至60°。
将与进气通道121与出气通道122连通均连续的部分叶轮容纳腔123的内壁作为过气弧面1231，并将进气通道121的内壁与过气弧面1231的交界线与叶轮容纳腔123的母线的距离间隙作为沉入间隙G1，沉入间隙G1的范围为0.2mm至0.6mm，并且过气弧面1231包络的叶片112的数量为4至6个，将对应过气弧面1231的部分驱动叶轮11形成的扇形包角作为过气扇形角Q，过气扇形角Q的范围为30°至35°。
输出轴13为驱动叶轮11的输出轴，输出轴13与驱动叶轮11同轴安装。
输出轴13通过永磁联轴器14与电机部20磁性耦合，隔磁套15套设在永磁联轴器14的端部，并将永磁联轴器14的周向磁场屏蔽，隔磁套15用于相对于驱动部10的其他部分屏蔽永磁联轴器14的磁场。
轴向调节套16套设在输出轴13上且轴向调节套16位于永磁连轴器14与驱动叶轮11之间，轴向调节套16沿输出轴14的长度方向可伸缩地设置，通过伸长或者缩短轴向调节套16的长度，永磁连轴器14靠近或者远离驱动叶轮11。
电机部20包括电机安装壳21、发电电机22以及穿线管23。
电机安装壳21安装在驱动壳体12上，即电机部20与驱动部10机械连接，电机部20用于将驱动部10的输出转矩转化生成转化电能，发电电机22的输入端通过永磁联轴器14与输出轴13磁性耦合，电机部20生成的转化电能通过导线经由穿线管23向外部输出，具体地，穿线管23的一端与电机安装壳21连通。
发电管控部30与电机部20电气连接，发电管控部30用于存储并管控电机部20输出的转化电能。
发电管控部30包括管控部壳体30a、蓄电池31以及电能管控模块32。
管控部壳体30a用于容纳蓄电池31和电能管控模块32，蓄电池31通过穿线管23接收转化电能，电能管控模块32与蓄电池31信号连接，电能管控模块32用于根据外部的预定信号控制蓄电池31输出转化电能，在本实施例中，管控部壳体30a与穿线管23的另一端连通，蓄电池31通过穿线管23与发电电机22导线连接。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围，本领域普通技术人员在所附权利要求范围内不需要创造性劳动就能做出的各种变形或修改仍属本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种低压差气动发电装置，通过外部气流发电，其特征在于，包括：
驱动部；
电机部，与所述驱动部机械连接；所述电机部用于生成转化电能；以及
发电管控部，与所述电机部电气连接，所述发电管控部用于存储并管控所述转化电能，
其中，所述驱动部包括驱动叶轮和驱动壳体，
所述驱动叶轮包括轮毂和多个叶片，
多个所述叶片以所述轮毂的中心为圆心呈圆形均匀设置，并且所述多个叶片均沿所述轮毂的高度方向设置，
所述叶片具有弧形连接的叶盆面和叶背面，所述叶盆面呈弧形且朝向所述外部气流设置，
所述叶背面由弧形连接的前缘部和导流部组成，所述前缘部与所述导流部均呈弧形，且所述导流部较所述前缘部靠近所述轮毂的中心，
所述叶盆面的曲率半径为所述导流部的70％-90％，所述前缘部的曲率半径为所述导流部的4.3％-5.5％，
所述叶盆面的表面具有第一预定点，所述导流部的表面具有第二预定点，所述第一预定点和所述第二预定点均位于所述轮毂的同个横截面上，且均位于一个以所述轮毂的中心为圆心的圆周上，
将经过所述第一预定点并与所述叶盆面表面相切的直线作为第一切线，将经过所述轮毂的中心和所述第一预定点的直线作为参照线，将经过所述第二预定点并与所述导流部表面相切的直线作为第二切线，
所述第一切线和所述第二切线形成的锐角范围为6°-8°，所述第一切线与所述参照线形成的锐角范围为30°-33°，
所述驱动壳体内具有进气通道、出气通道以及叶轮容纳腔，
所述进气通道和所述出气通道均与外部连通且轴线的延伸方向均沿所述外部气流的方向设置，所述进气通道通过部分所述叶轮容纳腔与所述出气通道连通，
所述叶轮容纳腔呈圆柱状，所述驱动叶轮配合并可旋转地安装在所述叶轮容纳腔内并与该叶轮容纳腔同轴，所述叶轮容纳腔的半径范围为45mm至50mm，所述驱动叶轮的边缘与最接近的所述叶轮容纳腔的间隙范围为0.2-0.5mm，所述进气通道和所述出气通道沿所述叶轮容纳腔的径向分布的延伸方向均与所述叶轮容纳腔的轴线垂直，
当所述外部气流通过所述进气通道流过所述驱动叶轮时，所述外部气流的流向与所述叶盆面形成的切角范围为40°至60°。
2.根据权利要求1所述的低压差气动发电装置，其特征在于：
其中，将与所述进气通道与所述出气通道均连通连续的部分所述叶轮容纳腔的内壁作为过气弧面，
所述进气通道的内壁与过气弧面的交界线与所述叶轮容纳腔的母线的距离范围为0.2mm至0.6mm，所述过气弧面包络的所述叶片的数量为4至6个，对应所述驱动叶轮形成的扇形包角范围为30°至35°。
3.根据权利要求1所述的低压差气动发电装置，其特征在于：
其中，所述进气通道的截面呈矩形并作为进气截面，所述进气截面的长度方向与所述叶轮容纳腔的高度方向相同，宽度方向与所述叶轮容纳腔的径向方向相同且所述进气通道位于所述叶轮容纳腔的边缘，所述进气截面的长宽比的范围为5：1至4：1，所述进气截面的面积范围为100至150mm2，
所述出气通道的截面呈圆形，所述出气通道的半径范围为25至30mm。
4.根据权利要求1所述的低压差气动发电装置，其特征在于：
其中，所述驱动叶轮还具有叶片护板，所述多个叶片均垂直安装在所述轮毂和所述叶片护板之间。
5.根据权利要求1所述的低压差气动发电装置，其特征在于：
其中，所述驱动叶轮的材料为非金属工程塑料。
6.根据权利要求1所述的低压差气动发电装置，其特征在于：
其中，所述驱动部还包括输出轴、永磁联轴器以及隔磁套，
所述输出轴与所述驱动叶轮同轴安装，
所述电机部包括电机安装壳和发电电机，所述电机安装壳安装在所述驱动壳体上，所述发电电机的输入端通过所述永磁联轴器与所述输出轴磁性耦合，所述隔磁套用于相对于所述驱动部的其他部分屏蔽磁场。
7.根据权利要求6所述的低压差气动发电装置，其特征在于：
其中，所述驱动部还包括轴向调节套，所述轴向调节套套设在所述输出轴上且所述轴向调节套位于所述永磁联 轴器与所述驱动叶轮之间，所述轴向调节套沿所述输出轴的长度方向可伸缩地设置。
8.根据权利要求1所述的低压差气动发电装置，其特征在于：
其中，所述电机部还包括穿线管，所述转化电能通过导线经由所述穿线管向外部输出。
9.根据权利要求8所述的低压差气动发电装置，其特征在于：
其中，所述发电管控部包括蓄电池和电能管控模块，
所述蓄电池通过所述穿线管接收所述转化电能，
所述电能管控模块与所述蓄电池信号连接，所述电能管控模块用于根据外部的预定信号控制所述蓄电池输出所述转化电能。
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