CN116516910A - 一种同轴反转式水库消涡涡轮系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同轴反转式水库消涡涡轮系统及工作方法，涉及一种常规水电站水库、抽水蓄能电站上下水库、常规式泵站及深邃泵站进水池、核电站进水池、污水处理厂水池等内部的有害液下漩涡流态消除及减缓措施。针对各类工程包含的大型水库(进水池)内部不同部位产生的有害液下漩涡，可实现动力自给自足，上下两部叶片同轴反转以消除漩涡或减弱漩涡的目的；兼顾转速实时监测并反馈给地面系统，为水库安全运行提供重要参考数据；兼顾排除杂物缠绕及泥沙淤积的消极影响，最终实现两部分叶片转矩互相抵消，自身稳定运行的同时，高效消除液下漩涡流态，反馈水库运行数据的重要工程实际应用价值。使本发明具有广阔的工程应用前景及重要的社会经济意义。

Description

一种同轴反转式水库消涡涡轮系统及工作方法

技术领域

本发明属于大型水力系统内部漩涡防治领域，具体涉及一种同轴反转式水库消涡涡轮系统及工作方法。

背景技术

随着我国城市化进程不断加速，城市用地紧张，现阶段建设的城市污水处理厂全部建于地下，同时城市内涝所涉及的海绵城市建设、城市污水集中输运所涉及的深邃泵站、区域输水所涉及的各类常规泵站中均需要集中大量的各类水资源于相应水库中，再进一步由泵组抽送到下一级设施中。

另一方面，随着我国能源结构转型，清洁能源发电如水力发电，电网基荷运行主要角色核电站，及我国能源框架安全所必须用到的抽水蓄能电站等大型电力工程均出现大量需求，且对其高效稳定运行要求逐渐提高。

上述两大领域所涉及我国城市化建设及用电安全均对我国国民经济及国家能源安全等国家重大领域具有特别重大意义，但所涉及的所有实际运行的工程中都涉及水库内流体给泵组运送至下一级设施中的过程，这个过程中均不可避免的产生液下漩涡，进而液下漩涡被抽吸进泵组或抽蓄机组内部，液下漩涡大部分是由于液体局部压力低于当地汽化压力所产生的，由无数空化泡或汽化泡组成的液下漩涡流被吸入各类机组均会对机组旋转部件产生诸如空蚀、击穿叶片的不可逆影响，同时对管路内部压力也具有重要影响，造成管路压力突变及脉动，甚至造成水锤效应，最终影响整个工程的安全稳定运行。这样的液下漩涡对机组、整个电站或泵站的效率也具有重要影响后果。

另一方面，从物理机理上，前期通过流体粒子追踪技术得到了此类液下漩涡的强度分布情况，这类漩涡在水库壁面附近成形，强度随着远离壁面逐渐减弱。因此，本发明装置的动力完全自给是指靠近壁面处的液下漩涡旋转动能使得下部叶片旋转，下部叶片旋转进而带动传动部分通过三个锥形齿轮再带动上部叶片旋转，最终以不同的旋转方向搅乱此类漩涡，达到消除或减弱此类漩涡的目的。上下两部分叶片转向相反通过转动部分实现、上下两部分叶片转矩互相抵消通过同轴反向旋转实现。实时监控转速通过轴顶的转速传感器及电池部件发送信号至地面接收端实现。排除杂物(如水中絮状杂物)缠绕通过上下部分叶片展向的刀锋状叶片切断絮状杂物实现。排除底部泥沙淤积通过排沙翼实现排沙翼外侧压力低于内侧压力，进而向外排出由于漩涡旋转内核低压区容易聚集的沙粒物。运行稳定通过转矩互相抵消，转速实时监控进而反映水库内液下漩涡数量与相对应蓄水高度时水库的安全稳定运行情况。本发明消涡涡轮动力自给，结构简单，运行灵活，安全稳定，具有广阔应用前景。

发明内容

本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了一种同轴反转式水库消涡涡轮系统及工作方法，动力完全自给、上下两部分叶片转向相反、实时实现上下两部分叶片转矩互相抵消、实时监控转速、排除杂物(如水中絮状杂物)缠绕、排除底部泥沙淤积影响转动的，根据其用途，可实现水库内不同位置的液下漩涡消除及减弱工作，特别涉及一种水电站、抽水蓄能电站、常规式泵站、深邃泵站、污水处理厂、核电站等领域的水库内部液下漩涡消除装置。

为了解决技术问题，本发明的技术方案是：

一种同轴反转式水库消涡涡轮系统，所述系统包括：主转轴和套接在主转轴上的下部叶片轴套；

沿所述主转轴的轴肩向上依次套接上部叶片轴固定支座和上部叶片转动锥形齿轮，所述上部叶片轴固定支座与主转轴之间通过轴承连接，所述上部叶片转动锥形齿轮固定连接所述主转轴；

所述下部叶片轴套的下端设置有下部叶片转动锥形齿轮，所述下部叶片轴套上套接有下部叶片轴套固定支座，所述下部叶片轴套固定支座与下部叶片轴套通过推力轴承连接；

所述下部叶片转动锥形齿轮与上部叶片转动锥形齿轮之间通过设置中间传动锥形齿轮，下部叶片轴套带动下部叶片转动锥形齿轮驱动中间传动锥形齿轮，间接驱动上部叶片转动锥形齿轮带动主动轴转动，即实现同轴反转。

进一步，所述上部叶片轴固定支座与下部叶片轴套固定支座的外侧通过中间传动锥形齿轮固定架固连一体成型。

进一步，所述中间传动锥形齿轮上安装有中间传动锥形齿轮轴，所述中间传动锥形齿轮轴与中间传动锥形齿轮固定架的中部开孔通过推力轴承套接。

进一步，所述主转轴的底部设置有底盘，所述底盘通过带有外刺的混凝土埋入部件固定于水库取水管附近或其他容易产生液下漩涡壁面处，所述主转轴通过轴键固定于底盘上的推力轴承上。

进一步，所述主转轴上设置安装有多个上部叶片，所述上部叶片旋转对称分布于主转轴，所述上部叶片的延伸端部设置安装有上部叶片伸展叶片。

进一步，所述下部叶片轴套的上端与主转轴之间安装有轴承；所述下部叶片轴套上设置安装有多个下部叶片，所述下部叶片旋转对称分布于所述下部叶片轴套，所述下部叶片的延伸端部设置安装有下部叶片展向叶片。

进一步，所述下部叶片展向叶片的下端均匀分布安装有排沙翼。

进一步，所述下部叶片轴套固定支座的外侧与底盘之间设置传动部分保护罩，使得所述下部叶片轴套固定支座的外侧与底盘及传动部分保护罩之间形成腔体。

进一步，所述主转轴的顶部设置安装有转速传感器及电池组件，通过转速可反应水库在当前蓄水高度时其内部流动状态。

一种同轴反转式水库消涡涡轮工作方法，所述方法应用于所述任一所述的系统，所述方法包括：

在液下漩涡产生部位附近安装所述消涡涡轮系统，由于下部叶片最先感受到流体转动，此流体转动推动下部叶片旋转，下部叶片带动下部叶片轴套旋转，下部叶片轴套通过下部叶片转动锥形齿轮传递旋转动能至中间传动锥形齿轮，中间传动锥形齿轮进一步将旋转动能传递给上部叶片转动锥形齿轮，上部叶片锥形齿轮再通过主转轴将反向转动传递给与主转轴固定连接的上部叶片，进而完成上下两部分叶片的同轴反转与动力自给；

若液下漩涡卷携水中絮状杂质可通过上部叶片展向叶片和下部叶片展向叶片隔断此类絮状物，避免对系统的缠绕；

若水中泥沙较多，液下漩涡卷携泥沙，通过涡核中心压力进一步聚拢泥沙，可通过排沙翼形成对于排沙翼外侧的低压区及内侧的高压区，进一步将聚拢泥沙通过下部叶片的旋转及排沙翼的周向运动最终排出系统之外，避免泥沙淤积影响系统运行；

旋转过程中可通过固定于系统主转轴顶部的转速传感器及电池部件实现无线系统转速监控，系统转速可反应水库在当前蓄水高度时其内部流动状态。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明针对各类工程实际包含的大型水库(进水池)内部不同部位产生的有害液下漩涡，可实现动力自给自足，上下两部叶片同轴反转以消除漩涡或减弱漩涡的目的。同时兼顾转速实时监测并反馈给地面系统，为水库安全运行提供重要参考数据。同时兼顾排除杂物缠绕及泥沙淤积的消极影响，最终实现两部分叶片转矩互相抵消，自身稳定运行的同时，高效消除液下漩涡流态，反馈水库运行数据的重要工程实际应用价值。使本发明具有广阔的工程应用前景及重要的社会经济意义。

附图说明

图1、本发明同轴反转式水库消涡涡轮第一整体结构图；

图2、本发明同轴反转式水库消涡涡轮第二整体结构图；

图3、本发明同轴反转式水库消涡涡轮传动部及局部放大图；

图4、排沙翼及上部叶片展向叶片边缘局部细节图；

图5、下部叶片轴套与主转轴轴承图。

附图标记

1.转速传感器及电池部件；2.主转轴；3.上部叶片；4.上部叶片展向叶片；5.下部叶片轴套与主转轴轴承；6.下部叶片轴套；7.下部叶片；8.下部叶片展向叶片；9.排沙翼；10.传动部分保护罩；11.底盘；12.混凝土埋入部件；13.推力轴承；14.下部叶片轴套固定支座；15.中间传动锥形齿轮固定架；16.中间传动锥形齿轮轴；17.下部叶片传动锥形齿轮；18.中间传动锥形齿轮；19.轴键；20.上部叶片转动锥形齿轮；21.上部叶片轴固定支座；22.轴肩；23.轴键；24.推力轴承；25.推力轴承。

具体实施方式

下面结合实施例描述本发明具体实施方式：

需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1：

如图1-3所示，整个系统的安装过程描述为：底盘11通过带有外刺的混凝土埋入部件12固定于水库取水管附近或其他容易产生液下漩涡壁面处，所述底盘11上设置有主转轴2，所述主转轴2通过轴键23固定于底盘11上的推力轴承24上，推力轴承24主要承受整个系统的轴向力；通过主转轴2上的轴肩22依次固定上部叶片轴固定支座21及上部叶片转动锥形齿轮20，上部叶片轴固定支座21与主转轴2之间通过轴承连接；上部叶片转动锥形齿轮20与主转轴2之间通过轴键19实现转动同频；上部叶片轴固定支座21与中间传动锥形齿轮固定架15及下部叶片轴套固定支座14一体加工成型，实现刚度满足要求；所述下部叶片7外沿安装下部叶片展向叶片8，所述下部叶片7固定于下部叶片轴套6上；所述下部叶片轴套6最下端与下部叶片传动锥形齿轮17一体化连接，形成中空环形轴套，围绕主转轴2转动；所述下部叶片轴套6与下部叶片轴套固定支座14之间通过推力轴承13一体化连接，所述推力轴承13承担下部叶片轴套6部件的轴向力；所述下部叶片轴套固定支座14与传动部件保护罩10一体化固定，稳定下部叶片旋转部件，传动部件保护罩10为两部分180度合拢设计，目的是保护传动部分不受水中杂物干扰影响运行；所述中间传动锥形齿轮18及其转轴16通过齿轮配合斜面与推力轴承25固定与中间传动锥形齿轮固定架15上，如此实现了下部叶片传动锥形齿轮17与中间传动锥形齿轮18及上部叶片转动锥形齿轮20之间的齿轮传递关系，其中，齿轮齿廓并未画出，以之间空隙代替，即下部叶片传动锥形齿轮17,中间传动锥形齿轮18和上部叶片转动锥形齿轮20并未完全接触。

整个系统的工作过程描述为：在液下漩涡产生部位附近安装本消涡涡轮系统，由于下部叶片7最先感受到流体转动，此流体转动推动下部叶片7旋转，下部叶片7带动下部叶片轴套6旋转，下部叶片轴套6通过下部叶片转动锥形齿轮17传递旋转动能至中间传动锥形齿轮18，中间传动锥形齿轮18进一步将旋转动能传递给上部叶片转动锥形齿轮20，上部叶片锥形齿轮20再通过主转轴2将反向转动传递给与主转轴2固定连接的上部叶片3，进而完成上下两部分叶片的同轴反转与动力自给。这一过程中，若液下漩涡卷携水中絮状杂质可通过分布于上下叶片展向的刀片式叶片隔断此类絮状物，避免对系统的缠绕。若水中泥沙较多，液下漩涡卷携泥沙，通过涡核中心压力进一步聚拢泥沙，可通过下部叶片上固定的排沙翼9形成对于排沙翼外侧的低压区及内侧的高压区，进一步将聚拢泥沙通过下部叶片的旋转及排沙翼的周向运动最终排出系统之外，避免泥沙淤积影响系统运行。旋转过程中可通过固定于系统主转轴顶部的转速传感器及电池部件实现无线系统转速监控，系统转速可反应水库在当前蓄水高度时其内部流动状态，这些数据对水库稳定运行具有重要参考意义。

如图4所示，排沙翼9可根据前期数值模拟数据加工为特定翼型形状，用于产生一定数量大小的排沙力(升力)。叶片展向刀片式叶片4可根据需求加工不同截面形状，满足不同水深下的刚度、强度及锋利度需求。同时叶片展向叶片也为防止叶片旋转过程中出现“下洗”现象，将消除或减弱的漩涡携带的泥沙排出后再被“吸”回系统旋转空间内。

底盘11下端面可布置满足强度数量的混凝土埋入部件12，埋入部件12上的凸起刺状物外形也可根据强度要求随意变化，主要目的是为整个消涡系统稳定固定提供基础，底盘11上端面可根据需求与水库壁面同水平。

如图5所示，下部叶片轴套顶端与主转轴之间通过轴承5连接，同时下部叶片顶端与上部叶片底端留有安全距离，防止叶片旋转过程中产生“下洗”效应，影响系统稳定运行。

上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种同轴反转式水库消涡涡轮系统，其特征在于，所述系统包括：主转轴(2)和套接在主转轴(2)上的下部叶片轴套(6)；

沿所述主转轴(2)的轴肩(22)向上依次套接上部叶片轴固定支座(21)和上部叶片转动锥形齿轮(20)，所述上部叶片轴固定支座(21)与主转轴(2)之间通过轴承连接，所述上部叶片转动锥形齿轮(20)固定连接所述主转轴(2)；

所述下部叶片轴套(6)的下端设置有下部叶片转动锥形齿轮(17)，所述下部叶片轴套(6)上套接有下部叶片轴套固定支座(14)，所述下部叶片轴套固定支座(14)与下部叶片轴套(6)通过推力轴承连接；

所述下部叶片转动锥形齿轮(17)与上部叶片转动锥形齿轮(20)之间通过设置中间传动锥形齿轮(15)，下部叶片轴套带动下部叶片转动锥形齿轮(17)驱动中间传动锥形齿轮(15)，间接驱动上部叶片转动锥形齿轮(20)带动主动轴(2)转动，即实现同轴反转。

2.根据权利要求1所述的一种同轴反转式水库消涡涡轮系统，其特征在于，所述上部叶片轴固定支座(21)与下部叶片轴套固定支座(14)的外侧通过中间传动锥形齿轮固定架(15)固连一体成型。

3.根据权利要求1所述的一种同轴反转式水库消涡涡轮系统，其特征在于，所述中间传动锥形齿轮(15)上安装有中间传动锥形齿轮轴(16)，所述中间传动锥形齿轮轴(16)与中间传动锥形齿轮固定架(15)的中部开孔通过推力轴承套接。

4.根据权利要求1所述的一种同轴反转式水库消涡涡轮系统，其特征在于，所述主转轴(2)的底部设置有底盘(11)，所述底盘(11)通过带有外刺的混凝土埋入部件(12)固定于水库取水管附近或其他容易产生液下漩涡壁面处，所述主转轴(2)通过轴键固定于底盘(11)上的推力轴承上。

5.根据权利要求1所述的一种同轴反转式水库消涡涡轮系统，其特征在于，所述主转轴(2)上设置安装有多个上部叶片(3)，所述上部叶片(3)旋转对称分布于主转轴(2)，所述上部叶片(3)的延伸端部设置安装有上部叶片伸展叶片(4)。

6.根据权利要求1所述的一种同轴反转式水库消涡涡轮系统，其特征在于，所述下部叶片轴套(6)的上端与主转轴(2)之间安装有轴承；所述下部叶片轴套(6)上设置安装有多个下部叶片(7)，所述下部叶片(7)旋转对称分布于所述下部叶片轴套(6)，所述下部叶片(7)的延伸端部设置安装有下部叶片展向叶片(8)。

7.根据权利要求6所述的一种同轴反转式水库消涡涡轮系统，其特征在于，所述下部叶片展向叶片(8)的下端均匀分布安装有排沙翼(9)。

8.根据权利要求1所述的一种同轴反转式水库消涡涡轮系统，其特征在于，所述下部叶片轴套固定支座(14)的外侧与底盘(11)之间设置传动部分保护罩(10)，使得所述下部叶片轴套固定支座(14)的外侧与底盘(11)及传动部分保护罩(10)之间形成腔体。

9.根据权利要求1所述的一种同轴反转式水库消涡涡轮系统，其特征在于，所述主转轴(2)的顶部设置安装有转速传感器及电池组件，通过转速可反应水库在当前蓄水高度时其内部流动状态。

10.一种同轴反转式水库消涡涡轮工作方法，其特征在，所述方法应用于权利要求1-9中任一所述的系统，所述方法包括：

在液下漩涡产生部位附近安装所述消涡涡轮系统，由于下部叶片(7)最先感受到流体转动，此流体转动推动下部叶片(7)旋转，下部叶片(7)带动下部叶片轴套(6)旋转，下部叶片轴套(6)通过下部叶片转动锥形齿轮(17)传递旋转动能至中间传动锥形齿轮(18)，中间传动锥形齿轮(18)进一步将旋转动能传递给上部叶片转动锥形齿轮(20)，上部叶片锥形齿轮(20)再通过主转轴(2)将反向转动传递给与主转轴(2)固定连接的上部叶片(3)，进而完成上下两部分叶片的同轴反转与动力自给；

若液下漩涡卷携水中絮状杂质可通过上部叶片展向叶片(4)和下部叶片展向叶片(8)隔断此类絮状物，避免对系统的缠绕；

若水中泥沙较多，液下漩涡卷携泥沙，通过涡核中心压力进一步聚拢泥沙，通过排沙翼(9)形成对于排沙翼(9)外侧的低压区及内侧的高压区，进一步将聚拢泥沙通过下部叶片(7)的旋转及排沙翼(9)的周向运动最终排出系统之外，避免泥沙淤积影响系统运行；

旋转过程中可通过固定于系统主转轴(2)顶部的转速传感器及电池部件(1)实现无线系统转速监控，系统转速可反应水库在当前蓄水高度时其内部流动状态。