CN114738168A - 一种集阀门与发电功能于一体的微型管道水轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集阀门与发电功能于一体的微型管道水轮机，按进水方向依次包括进水管体、出水管体、转轮叶片、导轴承、旋转轴、电动机、固定导轴承、发电机及蓄电池，且所述可沿轴向运动的旋转轴、转轮叶片、出水管体的中心在同一轴线上，其特征在于设有可轴向移动的转轮叶片，旋转轴与发电机主轴采用齿轮传动。本发明的水轮机应用转轮叶片结合特制密封橡胶圈的方式，精简了微型管道水轮机的复杂结构，极大程度上简化了高效微型管道水轮机的制作方法，使得微型管道水轮机也具有了同大型水轮机接近的良好的水力性能和运行效率。

Description

一种集阀门与发电功能于一体的微型管道水轮机

技术领域：

本发明涉及一种安装在自来水管道中的微型管道水轮机。

技术背景：

公共卫生间的水龙头由于每天都有很多人接触，水龙头手柄上很有可能带有细菌、污渍等，用洗净的手再去关水龙头，容易产生二次交叉感染。并且人们在使用水龙头后时有出现忘记关闭水龙头的情况，从而导致水资源的浪费。因此，感应式水龙头应运而生。使用时无需接触龙头任何部位，出水及关水由感应器自动完成，可有效避免细菌交叉感染，防止水资源的浪费。

感应水龙头由于具有干净卫生、节水节电的优点，开始广泛应用于医院、火车站、汽车站、飞机场等公共场所。但是，感应水龙头的大范围使用同时也带来了一些环境问题。一个感应水龙头需要安装四节5号碱性干电池，但是只能使用两到三个月，由此可知，大范围的使用感应水龙头会消耗数量巨大的电池。众所周知，碱性干电池中含有重金属，而重金属无法自然降解，若处理不当会给环境和土壤带来污染。种植农作物的土壤和水源被污染后，重金属通过农作物的吸收和富集作用残留在农作物中，给粮食安全和食品安全带来威胁，甚至通过食物链被人体吸收，危害人类身体健康。

为解决使用电池带来的环境污染问题，需要改变感应水龙头的供电方式，使其更加节能环保。由于感应水龙头一般采用电池供电的形式，大量的电池使用带来了一定的环境污染，为解决此问题，本文开发设计一种安装在自来水管道中的微型管道水轮机，利用管道中的水流余压来推动其旋转发电，从而对感应水龙头供电。

专利申请CN200820101899.6也进行了一些探究，该方案为微型管道水轮机及其与发电机的连接机构，通过驱动孔与转子转轴的配合，将水轮机组件与壳体外设或内设的发电机组件连接，使得进入水轮机组件的水压较低时，也能够保证水轮正常转动；但未在发电效率等方面产生一些较为突破性的进展，且未考虑在流速急剧变化的情况下的发电问题，此外，该专利仍然需要阀门与叶片分离两部分进行发电，结构略显赘余。因此，如何克服现有技术的不足已成为当今微型管道水轮机技术领域中亟待解决的重点难题之一。

发明内容：

本文研究设计一种安装在自来水管道中的微型管道水轮机，利用管道中的水流余压来推动其旋转做功，从而带动发电机旋转发电，进而对感应水龙头供电。整个水流发电系统由水轮机、发电机和可充电蓄电池组成，可充电蓄电池的作用是储存电能，以备给感应水龙头供电。

在加工生产这种微型管道水轮机时，主要材料选用工程塑料聚酰胺，该材料成本低廉，使用寿命长，水轮机整体体积小、重量轻，加工生产时采用3D打印技术，生产方便、经济。这种应用于自来水管道中的微型水流发电系统安装方便、尺寸小、加工生产方便，使用寿命长，无需经常更换，减少环境污染，实现节能环保绿色可持续发展。

附图说明：

图1一种集阀门与发电功能于一体的微型管道水轮机结构示意图

图2微型管道水轮机转轮叶片正视图

图3微型管道水轮机转轮叶片结构示意图

图4微型管道水轮机转轮叶片侧视示意图

图5微型管道水轮机转轮叶片俯视示意图

图6微型管道水轮机导轴承示意图

图7微型管道水轮机转浆机构示意图

图8微型管道水轮机优化前后性能对比图

具体实施方式：

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的机构或具有相同或类似功能的机构。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

参考图1，一种集阀门与发电功能于一体的微型管道水轮机，按进水方向依次包括进水管体(1)、出水管体(2)、电机固定箱体(3)、转轮叶片(4)、导轴承(5)、可沿轴向运动的旋转轴(6)、电动机(7)、固定导轴承(8)、发电机(9)、蓄电池以及感应器。且所述可沿轴向运动的旋转轴(6)、转轮叶片(4)、出水管体的中心在同一轴线上，设有可轴向移动的转轮叶片。电机固定箱体有上下完全贯通的进水通孔和左右完全贯通的出水通孔，进水管体与进水通孔相连，进水管体经过90°转弯后与出水管体相接，出水管体与出水通孔相连。水轮机活动叶片为扇形叶片，且可沿径向活动，优先采取6、8、10片叶片的布置，以叶片处于闭合状态时的位置作为计算位置θ＝0°，转轮叶片安放角范围在[0°，45°]之间。进水管体采用管直径为30mm，出水管体采用管直径为25mm。叶片边缘涂敷有高分子硅橡胶材料，以满足对水管密封性的要求。旋转轴与发电机主轴采用齿轮传动，旋转轴(6)的外部设有轴套，该轴套能够相对旋转轴(6)自由旋转但二者轴向上相对固定，轴套上设有齿条，该齿条与电动机主轴连接的齿轮啮合传动，电动机(7)能够通过齿轮带动轴套沿轴向移动进而带动旋转轴(6)沿轴向移动。旋转轴由两对导轴承固定。转轮(4)是轴流式转轮，转轮叶片的不同轴向距离下的截面翼型曲线上关键点的坐标如下表所列，并使用MATLAB模拟其曲线方程如下：

距离转轮轮毂径向2mm处的参数参见表1

表1

压力面：y＝-10.61+16.54cos(0.04812x)-17.62sin(0.04812x)-3.869cos(0.09624x)-3.164sin(0.09624x)

吸力面：y＝6.893×10⁹-9.19×10⁹cos(-2.864×10^-4x)+8.744×10⁷sin(-2.864×10^-4x)+2.297×10⁹cos(-5.728×10^-4x)-4.372×10⁷sin(-5.728×10^-4x)

距离转轮轮毂径向4mm处的参数参见表2

表2

压力面：y＝-25.97+25.86cos(0.0603x)-4.545sin(0.0603x)+1.182cos(0.1206x)-4.6sin(0.1206x)

吸力面：y＝1.074×10¹⁰-1.432×10¹⁰cos(2.674×10^-4x)+1.22×10⁸sin(2.674×10^-4x)+3.579×10⁹cos(5.348×10^-4x)-6.101×10⁷sin(5.348×10^-4x)

距离转轮轮毂径向6mm处的参数参见表3

表3

压力面：y＝-35.53+33.58cos(0.06073x)-2.319sin(0.06073x)+2.791cos(0.12146x)-4.791sin(0.12146x)

吸力面：y＝3.195×10¹⁰-4.26×10¹⁰cos(-1.952×10^-4x)+2.656×10⁸sin(-1.952×10^-4x)+1.065×10¹⁰cos(-3.904×10^-4x)-1.328×10⁸sin(-3.904×10^-4x)

距离转轮轮毂径向8mm处的参数参见表4

表4

压力面：y＝-45.28+40.83cos(0.06066x)+0.9296sin(0.06066x)+4.616cos(0.12132x)-4.69sin(0.12132x)

吸力面：y＝2.351×10¹²-3.135×10¹²cos(6.547×10^-5x)-6.506×10⁹sin(6.547×10^-5x)+7.838×10¹¹cos(1.3094×10^-4x)+3.253×10⁸sin(1.3094×10^-4x)

距离转轮轮毂径向10mm处的参数参见表5

表5

压力面：y＝-70.27+59.34cos(0.0488x)+11.42sin(0.0488x)+11.15cos(0.0976x)-10.37sin(0.0976x)

吸力面：y＝5.901×10¹¹-7.869×10¹¹cos(1.244×10^-4x)+2.806×10⁹sin(1.244×10^-4x)+1.967×10¹¹cos(2.488×10^-4x)-1.403×10⁹sin(2.488×10^-4x)

距离转轮轮毂径向12mm处的参数参见表6

表6

压力面：y＝-81.31+66.64cos(0.0474x)+13.91sin(0.0474x)+14.54cos(0.0948x)-10.01sin(0.0948x)

吸力面：y＝6.589×10¹⁰-8.785×10¹⁰cos(2.118×10^-4x)-5.23×10⁸sin(2.118×10^-4x)+2.196×10¹⁰cos(4.236×10^-4x)+2.615×10⁸sin(4.236×10^-4x)。

其中x定义为距离转轮轮毂一段距离截面上叶片一点的横坐标，y定义为同截面同一点的纵坐标。

本发明装置通过电动机带动水轮机主轴沿轴向运动，使叶片远离进、出水管体交界处，叶片斜度增加，水流通过叶片并带动主轴旋转进而产生电能；或使叶片贴合至进、出水管体交界处，即管径突然扩大处，叶片斜度减小处于近似展平状态，进、出水管体交界处橡胶密封圈形状为曲线型，且由于叶片数量较多、管径较小，贴合效果良好，经多次测试，阻水率可达99.83％，满足阻水断流的功能，最终叶片完全闭合阻止水流通过从而达到阀门的作用。

本发明的具体应用过程为：安装时将整个发电系统封闭安置于一个矩形箱体中，只留出水轮机的进口管和出口管，箱体整体安装于与感应水龙头相接的自来水管管路中，箱体底部固定于墙壁或者地面上，箱体的进、出水口与自来水管管道相接。

在实际使用中，电机与感应器连接，无人使用水龙头时，水轮机箱体内各部件处于固定位置，转轮叶片沿旋转轴径向分布，起闭合管道阻止水流的作用。

当使用者使用水龙头洗手时，手部触发红外线感应器，蓄电池向电动机供电，带动齿轮运动，使旋转轴沿轴向运动，与此同时，转轮叶片连接的内部机构，应旋转轴的轴向运动而产生位移，转轮叶片旋转，此时转轮叶片不再起闭合管道的作用，水流冲击转轮叶片，使旋转轴开始转动，带动发电机发电，产生的电能全部储存于蓄电池中以供电动机和感应器使用；

当感应器停止工作，电动机带动齿轮回转，使旋转轴轴向运动，带动转轮叶片旋转，使叶片贴合至进、出水管体交界处，最终使叶片完全闭合，蓄电池起储能、供电的作用，水流冲击叶片转动发电将电能转化为化学能储藏于其中，同时可为电动机和感应器供电。在实际应用中，电能储存在可充电蓄电池中，以便实现对感应器持续供电。

本发明提出的一种适用于集阀门与发电功能于一体微型管道水轮机的应用实施例如下：

以在某感应式出水装置应用本发明提出的集阀门与发电功能于一体微型管道水轮机为例，该水龙头的额定轴功率为3kW，循环冷却水富余水头为4m。

实施例1的设计方案与上述技术方案完全相同，其主要部件的设计参数公开如下：

本发明的转轮叶片数量为8片；轴流式转轮进、出口直径分别为30mm、25mm；叶片采用不等厚扭曲叶片；进水管体(1)、出水管体(2)均采用直管。

实施例2的设计方案与上述技术方案完全相同，其主要部件的设计参数公开如下：

本发明的转轮叶片数量为10片；轴流式转轮进、出口直径分别为30mm、25mm；叶片采用不等厚扭曲叶片；进水管体(1)、出水管体(2)均采用直管。

实施例3的设计方案与本发明上述的技术方案完全相同，其主要部件的设计参数公开如下：

本发明的转轮叶片数量为12片；混流式转轮进、出口直径分别为30mm、25mm；叶片采用不等厚扭曲叶片；进水管体(1)、出水管体(2)均采用直管。

经过实验对比验证和优化选型，初步确定，当转轮叶片为8片时，其效率可达最大值并具有明显的阻水作用。通过与已有微型管道水轮机的实验对比，本装置在发电效率上已同时实现了明显的提升，并做出了具体的效率对比图。

本发明中，所述微型管道水轮机整体尺寸长约为380mm，最大宽度约为280mm，最大高度约为70mm，质量约6.2kg，所述进水流道、出水流道管径约为30mm、25mm，经过多次测试，当水压达到0.2～0.4Mpa时，即可供水轮机正常发电，当水压高于0.4Mpa时，蓄电池可产生电量结余，可用于其他用途。进入水轮机水流压强越大，发电电压越大，但进水压强不宜超过1.1Mpa，此时发电电压不超过80V。而城市水管道管径介于25～35mm时，流速约为1.0～1.2m/s，其产生水压高于水轮机进水压强的最低要求。故本发明适用于城市水流管道。

本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知技术，可参考公知技术加以实施。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、机构和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、机构、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称机构被“连接”到另一机构时，它可以直接连接到其他机构，或者也可以存在中间机构。此外，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式及实施例是对一种适用于集阀门与发电功能于一体的微型管道水轮机技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (7)

1.一种集阀门与发电功能于一体的微型管道水轮机，按进水方向依次包括进水管体(1)、出水管体(2)、电机固定箱体(3)、转轮叶片(4)、导轴承(5)、可沿轴向运动的旋转轴(6)、电动机(7)、固定导轴承(8)、发电机(9)、蓄电池以及感应器。且所述可沿轴向运动的旋转轴(6)、转轮叶片(4)、出水管体的中心在同一轴线上，其特征在于设有可轴向移动的转轮叶片，旋转轴与发电机主轴采用齿轮传动，旋转轴的外部设有能够自由旋转的轴套，所述轴套上设有齿条，所述齿条与电动机主轴连接的齿轮啮合传动。

2.根据权利要求1所述的一种集阀门与发电功能于一体的微型管道水轮机，其特征为电机固定箱体有上下完全贯通的进水通孔和左右完全贯通的出水通孔，进水管体与进水通孔相连，进水管体经过90°转弯后与出水管体相接，出水管体与出水通孔相连。

3.根据权利要求1所述的一种集阀门与发电功能于一体的微型管道水轮机，其特征为水轮机活动叶片为扇形叶片，且可沿径向活动，优先采取6、8、10片叶片的布置，以叶片处于闭合状态时的位置作为计算位置θ＝0°，转轮叶片安放角范围在[0°，45°]之间。

4.根据权利要求1所述的一种集阀门与发电功能于一体的微型管道水轮机，其特征为进水管体采用管直径为30mm，出水管体采用管直径为25mm。

5.根据权利要求1所述的一种集阀门与发电功能于一体的微型管道水轮机，其特征为叶片边缘涂敷有高分子硅橡胶材料，以满足对水管密封性的要求。

6.根据权利要求1所述的一种集阀门与发电功能于一体的微型管道水轮机，其特征为旋转轴由两对导轴承固定。

7.根据权利要求1所述的一种集阀门与发电功能于一体的微型管道水轮机，其特征在于与转轮叶片贴合的进、出水管体交界处，采用可以与转轮叶片处于闭合状态时完全贴合的橡胶密封圈。

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