CN114673620A - 一种可抑制转动部件间隙空化的贯流式水轮发电机组 - Google Patents
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Abstract
一种可抑制转动部件间隙空化的贯流式水轮发电机组，属于水力发电领域，本发明为了解决传统的贯流式水轮发电机组间隙空化非常严重的问题。包括进水段、出水段、定子组件和转动体组件；进水段外壳、转动体外套与出水段外壳的内周相等，进水段外壳与转动体外套之间设有上游间隙，转动体外套与出水段外壳之间设有下游间隙，定子铁芯的内周面与转子铁芯的外周面之间设有气隙；通过优化转动部分结构、改变泄漏水流的流动区域、增加间隙部分的长度、提高间隙区域的阻尼，达到了降低机组转动部分与固定部分之间的漏水量，从而使泄漏水流流经的间隙区域泄漏水的流速降低、局部的压力下降减弱，进而就极大地抑制了空化现象的发生。
Description
技术领域
本发明属于水力发电领域，尤其涉及一种可抑制转动部件间隙空化的贯流式水轮发电机组。
背景技术
水是能量的载体，可以直接被人类利用。水能是一种可再生的清洁能源，水力发电技术就是将水能转化为电能的技术。水电作为环境友好型能源，具有环保，排放少，污染程度小的特点。
小水电机组本身具有下列特点：分散性，即单站容量不大，但其资源到处存在；对生态环境负影响很小；简单性，即技术是成熟的，无须复杂昂贵的技术；当地化，即当地群众能够参与建设，并可尽量使用当地材料建设；标准化，即较易于实现设计标准化和机电设备标准化，以降低造价、缩短工期。相对于大中型水电机组而言，小水电在国家总体水电战略中占有非常重要的地位。
在小水电机组中，贯流式水轮发电机组以其技术先进、运行可靠、投资经济和成本低廉的特点成为径流、回能等领域发电设备的首选。
传统的贯流式水轮发电机组中，转动部分转轮叶片与固定部分转轮室间的间隙空化非常严重。间隙空化的严重发生，不仅会影响贯流式水轮发电机组的能量转换能力，还会由于空化导致的机组振动和噪声以及空蚀导致的相应部件的材料失效和损失严重威胁机组的安全稳定运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种可抑制转动部件间隙空化的贯流式水轮发电机组，以解决传统的贯流式水轮发电机组间隙空化非常严重的问题。本发明所采用的技术方案如下：
一种可抑制转动部件间隙空化的贯流式水轮发电机组，包括进水段、出水段、定子组件和转动体组件；
进水段包括进水段外壳和上游灯泡体，上游灯泡体右开口，进水段外壳同轴套接在上游灯泡体上，进水段外壳和上游灯泡体之间通过若干前支撑导叶相连；
出水段包括出水段外壳和下游灯泡体，下游灯泡体左开口，出水段外壳同轴套接在下游灯泡体上，出水段外壳和下游灯泡体之间通过若干后支撑导叶相连；
转动体组件包括主轴，主轴上转动设置有由内至外依次同轴套接的转动体内套、转动体外套和转子铁芯，转动体内套和转动体外套之间通过若干叶片相连，转子铁芯的周向上均布有若干导条；
定子组件包括定子外壳段和定子铁芯，定子外壳段套接在定子铁芯上，定子铁芯的周向上均布若干定子线圈组；
定子外壳段与进水段外壳和出水段外壳密封连接，主轴的两端分别与上游灯泡体和下游灯泡体同轴配合，进水段外壳与转动体外套之间设有上游间隙，转动体外套与出水段外壳之间设有下游间隙，定子铁芯的内周面与转子铁芯的外周面之间设有气隙。
进一步的，下游灯泡体的内部设有同轴的下游泡体内套，主轴的右端与下游泡体内套配合，且主轴与下游泡体内套之间设有键。
进一步的，上游灯泡体的内部设有同轴的上游泡体内套，主轴的左端与上游泡体内套配合。
进一步的，前支撑导叶的数量大于等于2个。
进一步的，后支撑导叶的数量大于等于2个。
进一步的，进水段外壳的左端为向左扩口结构。
进一步的，出水段外壳的右端为向右扩口结构。
进一步的，转动体外套、转子铁芯和定子铁芯左右两端对应对齐。
进一步的，上游灯泡体、转动体内套和下游灯泡体的外周相等。
进一步的，进水段外壳、转动体外套与出水段外壳的内周相等。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明中，叶片与转动体外套连接在一起，两者之间无水流通过，这就从根本上解决了叶片外缘因转轮叶片与转轮室之间间隙泄漏导致的空化现象发生。
2、本发明中转动部件为转动体，大部分水流沿进水段流入水轮发电机组，流经叶片再由出水段流出水轮发电机组，完成水能转化为机械能的能量转换过程，还有少部分水流经进水段、上游间隙、气隙、下游间隙以及出水段流出水轮发电机组，由于此少部分水流没有做功，故称其为泄漏水。通过计算得出，本发明的漏水量要远远小于传统贯流式机组的漏水量，极大地降低了间隙空化发生的可能性，也就实现了抑制贯流式机组间隙空化的目的。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为本发明定子组件和转动体组件的轴向剖面图；
图3为本发明的泄漏水流动图。
图4为传统的贯流式水轮发电机组主视图；
图5为传统的贯流式水轮发电机组的泄漏水流动图；
图中：1-定子外壳段、2-进水段、3-出水段、4-上游灯泡体、5-下游灯泡体、6-转动体组件、7-主轴、8-定子组件、9-前支撑导叶、10-后支撑导叶、11-转动体内套、12-叶片、13-转动体外套、14-转子铁芯、15-导条、16-上游泡体内套、17-下游泡体内套、18-键、19-前向心推力轴承、20-后向心推力轴承、21-上游间隙、22-气隙、23-下游间隙、24-进水段外壳、25-出水段外壳、26-传统转轮、27-传统转轮叶片、28-高压段、29-低压段、30-漏水间隙、31-定子铁芯、32-定子线圈组。
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了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺栓连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认可在现有连接方式中找到至少一种连接方式实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择螺栓连接。
以下将结合附图，对本发明作进一步详细说明，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施例。
如图1-3所示，一种可抑制转动部件间隙空化的贯流式水轮发电机组，包括进水段2、出水段3、定子组件8和转动体组件6；
进水段2包括进水段外壳24和上游灯泡体4，上游灯泡体4右开口，进水段外壳24同轴套接在上游灯泡体4上，进水段外壳24和上游灯泡体4之间通过若干前支撑导叶9相连；
出水段3包括出水段外壳25和下游灯泡体5，下游灯泡体5左开口，出水段外壳25同轴套接在下游灯泡体5上，出水段外壳25和下游灯泡体5之间通过若干后支撑导叶10相连；
转动体组件6包括主轴7，主轴7上转动设置有由内至外依次同轴套接的转动体内套11、转动体外套13和转子铁芯14，转动体内套11和转动体外套13之间通过若干叶片12相连，转子铁芯14的周向上均布有若干导条15；
定子组件8包括定子外壳段1和定子铁芯31，定子外壳段1套接在定子铁芯31上，定子铁芯31的周向上均布若干定子线圈组32；
定子外壳段1的两端分别与进水段外壳24和出水段外壳25密封连接，上游泡体4、转动体内套11和下游泡体5从左至右依次布置，上游泡体4、转动体内套11和下游泡体5所围成的空间内还设置有主轴7，主轴7的两端分别与上游灯泡体4和下游灯泡体5同轴配合，上游灯泡体4和下游灯泡体5均与转动体内套11密封，转动体内套11与主轴7之间设有前向心推力轴承19和后向心推力轴承20，前向心推力轴承19和后向心推力轴承20的推力方向向来流方向设置，进水段外壳24与转动体外套13之间设有上游间隙21，转动体外套13与出水段外壳25之间设有下游间隙23，定子铁芯31的内周面与转子铁芯13的外周面之间设有气隙22；
由气隙22流经的泄漏水流量通过下式计算：
式中：
QN：泄漏水流量，单位m3/s；
L1：上游间隙距机组旋转中心线的平均距离，单位m；
ε1：上游间隙的间隙值，单位m；
W1：上游间隙的长度，单位m；
L2：气隙距机组旋转中心线的平均距离，单位m；
ε2：气隙的间隙值，单位m；
W2：气隙的长度，单位m；
L3：下游间隙距机组旋转中心线的平均距离，单位m；
ε3：下游间隙的间隙值，单位m；
W3：下游间隙的长度，单位m。
传统的贯流式机组结构如图4所示，上游水流自高压段流经传统转轮时，除流经传统转轮叶片完成水能转换成机械能的能量转化过程的水流外，还有一部分水流自高压段经由传统转轮叶片与转轮室之间的间隙流入低压段，如图5所示。流经传统转轮叶片与转轮室之间的间隙的漏水量可按下式计算：
式中：
QR：传统转轮叶片与转轮室之间的间隙的漏水量，单位m3/s；
D：转轮直径，单位m；
δ：传统转轮叶片与转轮室之间的间隙，单位m；
μ：水的动力粘度，单位N·s/m2；
T：传统转轮叶片厚度，单位m；
Δp：传统转轮叶片压力面与吸力面之间的压力差，单位Pa。
传统转轮叶片与转轮室之间的间隙的漏水会直接导致该处压力的下降，压力与漏水量之间的关系如下：
式中：
p：传统转轮叶片与转轮室之间间隙处的压力，单位Pa；
ρ：水的密度，单位kg/m3；
g：重力加速度，单位m/s2；
v：传统转轮叶片与转轮室之间间隙处的平均流速，单位m/s，其中，
A：传统转轮叶片与转轮室之间间隙的面积，单位m2；
C：常数。
由上式可知，转轮叶片与转轮室之间的间隙的漏水量越大，该处水流流速就越快，则此处压力值就变得越小。而流体内局部压力降低至气化压力以下时，该处流体内部或液固交界面上就会发生空化现象。
传统的贯流式机组由于其固有结构上的限制，在作为将水能转化为机械能的旋转部件转轮叶片与固定不动的转轮室之间必然会存在一定的间隙量，这也就造成了传统的贯流式机组转轮叶片靠近转轮室的叶片外缘区域成为机组最可能发生空化的区域。
对于贯流式水轮发电机组而言，转动体组件和与其配合的固定件之间的间隙值基本相等，即上游间隙21、气隙22和下游间隙23的大小基本相等，也就是：δ≈ε1≈ε2≈ε3；
本发明中，上游间隙21、气隙22和下游间隙23距机组旋转中心线的平均距离均比传统的贯流式机组要大，具体为：
式中：
K1：系数，1＜K1＜2；
K2：系数，1＜K2＜2；
K3：系数，1＜K3＜2；
本发明中泄漏水要依次流经上游间隙21、气隙22和下游间隙23，传统的水轮发电机没有上游间隙和下游间隙，叶片宽度远小于定子铁芯和转子铁芯的宽度，故传统水轮发电机的叶片与与转轮室之间的间隙长度也远小于气隙22的长度，故上游间隙21、气隙22和下游间隙23的总长度要远远大于传统的贯流式机组间隙的长度，也就是：
W1+W2+W3＞＞T (4)
根据上述分析，对相同工作水头和流量、相同转轮直径的本发明提供的一种可抑制转动部件间隙空化的贯流式水轮发电机组经上游间隙21、气隙22以及下游间隙23的泄漏量与传统贯流式机组经转轮叶片与转轮室之间的间隙的漏水量的多寡做一下比较：
由于工作水头和流量相同，则转轮叶片压力面与吸力面之间的压力差也相同，同时考虑到转动部分与固定部分的间隙值也基本相同，故，
将式(3)和式(4)带入式(5)可得：
QR＞＞QN (6)
由式(6)可知，本发明提供的一种可抑制转动部件间隙空化的贯流式水轮发电机组转动部分与固定部分之间的漏水量要远远小于传统贯流式机组转动部分与固定部分之间的漏水量，本发明提供的一种可抑制转动部件间隙空化的贯流式水轮发电机组转动部分与固定部分之间的压力要远远高于传统贯流式机组转动部分与固定部分之间的压力，这就从理论上极大地降低了间隙空化发生的可能性，也就实现了抑制贯流式机组间隙空化的目的。
通过优化转动部分结构、改变泄漏水流的流动区域、增加间隙部分的长度、提高间隙区域的阻尼，达到了降低机组转动部分与固定部分之间的漏水量，从而使泄漏水流流经的间隙区域泄漏水的流速降低、局部的压力下降减弱，进而就极大地抑制了空化现象的发生。
转动体外套13、转子铁芯14和定子铁芯31左右两端对应对齐，在有限的空间内获得最大的能量转化。
下游灯泡体5的内部设有同轴的下游泡体内套17，主轴7的右端与下游泡体内套17配合，且主轴7与下游泡体内套17之间设有键18，使主轴7被限制转动。
上游灯泡体4的内部设有同轴的上游泡体内套16，主轴7的左端与上游泡体内套16配合。
前支撑导叶9的数量大于等于2个。
后支撑导叶10的数量大于等于2个。
进水段外壳24的左端为向左扩口结构，利于水流流入。
出水段外壳25的右端为向右扩口结构，利于水流流出。
上游灯泡体4、转动体内套11和下游灯泡体5的外周相等，进水段外壳24、转动体外套13与出水段外壳25的内周相等。
以上实施例只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本发明的精神实质，都在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种可抑制转动部件间隙空化的贯流式水轮发电机组，其特征在于：包括进水段(2)、出水段(3)、定子组件(8)和转动体组件(6)；
进水段(2)包括进水段外壳(24)和上游灯泡体(4)，上游灯泡体(4)右开口，进水段外壳(24)同轴套接在上游灯泡体(4)上，进水段外壳(24)和上游灯泡体(4)之间通过若干前支撑导叶(9)相连；
出水段(3)包括出水段外壳(25)和下游灯泡体(5)，下游灯泡体(5)左开口，出水段外壳(25)同轴套接在下游灯泡体(5)上，出水段外壳(25)和下游灯泡体(5)之间通过若干后支撑导叶(10)相连；
转动体组件(6)包括主轴(7)，主轴(7)上转动设置有由内至外依次同轴套接的转动体内套(11)、转动体外套(13)和转子铁芯(14)，转动体内套(11)和转动体外套(13)之间通过若干叶片(12)相连，转子铁芯(14)的周向上均布有若干导条(15)；
定子组件(8)包括定子外壳段(1)和定子铁芯(31)，定子外壳段(1)套接在定子铁芯(31)上，定子铁芯(31)的周向上均布若干定子线圈组(32)；
定子外壳段(1)与进水段外壳(24)和出水段外壳(25)密封连接，主轴(7)的两端分别与上游灯泡体(4)和下游灯泡体(5)同轴配合，进水段外壳(24)与转动体外套(13)之间设有上游间隙(21)，转动体外套(13)与出水段外壳(25)之间设有下游间隙(23)，定子铁芯(31)的内周面与转子铁芯(13)的外周面之间设有气隙(22)。
2.根据权利要求1所述的一种可抑制转动部件间隙空化的贯流式水轮发电机组，其特征在于：下游灯泡体(5)的内部设有同轴的下游泡体内套(17)，主轴(7)的右端与下游泡体内套(17)配合，且主轴(7)与下游泡体内套(17)之间设有键(18)。
3.根据权利要求1所述的一种可抑制转动部件间隙空化的贯流式水轮发电机组，其特征在于：上游灯泡体(4)的内部设有同轴的上游泡体内套(16)，主轴(7)的左端与上游泡体内套(16)配合。
4.根据权利要求1所述的一种可抑制转动部件间隙空化的贯流式水轮发电机组，其特征在于：前支撑导叶(9)的数量大于等于2个。
5.根据权利要求1所述的一种可抑制转动部件间隙空化的贯流式水轮发电机组，其特征在于：后支撑导叶(10)的数量大于等于2个。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种可抑制转动部件间隙空化的贯流式水轮发电机组，其特征在于：进水段外壳(24)的左端为向左扩口结构。
7.根据权利要求6所述的一种可抑制转动部件间隙空化的贯流式水轮发电机组，其特征在于：出水段外壳(25)的右端为向右扩口结构。
8.根据权利要求7所述的一种可抑制转动部件间隙空化的贯流式水轮发电机组，其特征在于：转子铁芯(14)和定子铁芯(31)左右两端对应对齐。
9.根据权利要求7所述的一种可抑制转动部件间隙空化的贯流式水轮发电机组，其特征在于：上游灯泡体(4)、转动体内套(11)和下游灯泡体(5)的外周相等。
10.根据权利要求7所述的一种可抑制转动部件间隙空化的贯流式水轮发电机组，其特征在于：进水段外壳(24)、转动体外套(13)与出水段外壳(25)的内周相等。
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Citations (6)
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| CN101737224A (zh) * | 2009-12-22 | 2010-06-16 | 华南理工大学 | 内外套轴单灯泡体贯流式的两级转轮水轮机 |
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| CN111835145A (zh) * | 2020-08-10 | 2020-10-27 | 哈动国家水力发电设备工程技术研究中心有限公司 | 一种双向全贯流永磁发电机 |
| CN213899157U (zh) * | 2020-11-06 | 2021-08-06 | 天津甘泉集团有限公司 | 一种新型全贯流三相异步水轮发电机 |
-
2022
- 2022-03-22 CN CN202210286748.7A patent/CN114673620B/zh active Active
Patent Citations (6)
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