CN117052584A - 一种自平衡轴流式管道余压发电装置、自平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自平衡轴流式管道余压发电装置，包括管道壳体，所述管道中心设有轴承，所述轴承包括轴套和轴套中心的空心轴，所述叶轮设在轴套上同轴转动，所述叶轮外圈设有转子，与磁铁位置对应的所述管道内壁上设有线圈；所述轴承尾部设有推力盘，所述轴承后侧设有腔体，所述推力盘置于腔体内；水流穿过所述空心轴进入所述腔体，在腔体后壁的反作用下流向所述推力盘，使推力盘受到的反作用力与水流对叶轮的冲击力相同。本发明通过设置推力盘带动轴承前后移动，使叶轮在正向水流推动下受到的力与推力盘在腔体内受到的水流反向力相同，使发电装置运行过程中轴承处于力平衡状态，大大延长了轴承的使用寿命。

Description

一种自平衡轴流式管道余压发电装置、自平衡方法

技术领域

本发明涉及发电设备技术领域，具体涉及一种自平衡轴流式管道余压发电装置、自平衡方法。

背景技术

轴流式发电机是一种通过水流驱动的发电设备，属于常见的水力发电机类型之一，目前大部分水力发电的企业对微型发电装置的研究较少，国内在管道余压发电领域存在较大的空白。在轴流式发电装置领域主要采用的是常规的贯流式机组或轴流式机组，现有推力轴承采用滚动轴承，使用寿命一般在30000小时以下，需要定期进行维护，并且一般采用油润滑，维护成本高。而且在水流作用下，叶轮会向水流的下游冲击，使叶轮靠近一侧的管道，使叶轮摩擦力增大，发电效率降低。

降低叶轮的摩擦力，是提高发电效率的重要手段。公开号为CN113153828A的发明专利公开了一种用于海水淡化能量回收一体机轴向力的自平衡装置，包括壳体和位于壳体内的轴，壳体一端与透平端盖密封连接，另外一端与泵蜗壳密封连接，轴一端安装有透平叶轮，另外一端安装有泵叶轮，透平叶轮位于透平蜗室芯内，泵叶轮位于泵蜗室芯内，透平蜗室芯和泵蜗室芯之间通过引流管道连通，引流管道在所述透平蜗室芯内正对透平叶轮的前腔解决了海水淡化能量回收一体机转子易卡死的问题，可有效保证一体机长期安全稳定运行，但该技术方案无法运用于管道发电中，在管道的狭小空间内，无法实施。

发明内容

本发明为解决上述现有的发电装置中的轴承寿命短，维护成本高的问题，提供了一种自平衡轴流式管道余压发电装置。

本发明采用的技术方案是：

一种自平衡轴流式管道余压发电装置，包括管道壳体，所述管道中心设有轴承，所述轴承包括轴套和轴套中心的空心轴，所述叶轮设在轴套上同轴转动，所述叶轮外圈设有转子，与磁铁位置对应的所述管道内壁上设有线圈；所述叶轮前端和后端分别设有入口导叶和出口导叶，所述入口导叶和出口导叶的外圈与管道壳体内壁连接、中心分别与轴承前、后端盖连接；所述轴承尾部设有与轴承同轴且直径大于轴承的推力盘，所述轴承后侧设有腔体，所述推力盘置于腔体内；水流穿过所述空心轴进入所述腔体，在腔体后壁的反作用下流向所述推力盘，使推力盘受到的反作用力与水流对叶轮的冲击力相同；所述空心轴入口处设有调节阀，用于调节过流截面，以调节进入腔体中的水压，进而调节推力盘受到的腔体中水流的反冲击力。推力盘和叶轮受到的水流推力与其面积呈正比关系，设计时会会根据推力盘和叶轮面积推算出受到的压力比例，将腔体的水压设计为固定值，使腔体对推力盘的水压与叶轮受到水压相同，但误差的影响，在工作中很难保证推力盘和叶轮受到水压相同，因此，通过在空心轴入口处设置调节阀，调节进入空心轴水压，进而调节腔体水压，使腔体中水流对推力盘的压力与叶轮的水压保持平衡。

本发明中所述的前、后，是以输水管道中水的流向为参照，输水管道水流来源(上游)方向为前，水流流向方向(下游)为后。

进一步地，所述轴承为水润滑轴承。

进一步地，所述轴承的轴套内壁设有多个轴向的导水槽。

进一步地，所述导水槽为截面是矩形的槽，所述导水槽的角度和宽度根据叶轮转速设置。

进一步地，所述腔体后侧设有水流通道，将腔体中溢出的水通过所述通道进入管道中。

进一步地，所述腔体尺寸根据叶轮的轴向力设计，形状为截面与推力盘相同的筒状，所述腔体与壳体之间存在缝隙供水流流出。

进一步地，所述推力盘为圆盘，可在腔体内前后移动，推力盘带动轴承前后移动，使叶轮在正向水流推动下受到的力与推力盘在腔体内受到的水流反向力相同，使轴承处于动态平衡状态。

进一步地，所述腔体内设有流道，水流在碰撞到后壁后，在流道的引流下，流向推力盘的背面。本发明中所述的正面、背面，是以输水管道中水流的方向为参考，朝向水流来向的为正面，相反的为背面。

进一步地，所述叶轮周向等间距地布置有多个扇形叶片，均可沿径向移动。

进一步地，所述管道壳体外部的两端沿圆周分别设有数个安装孔。

进一步地，本发明还提供一种自平衡方法，步骤为：S1.管道中的水流通过入口导叶，进入叶轮；水流进入轴承中心的空心轴，通过空心轴流入腔体；S2.水流推动叶轮旋转，叶轮带动转子转动，与管道内壁的线圈发生作用，产生电能，进行发电作业；S3.水流流入腔体后，碰到腔体内壁，在腔体内反向流动，在流道的作用下流向推力盘，反向流动的水流推动推力盘，在推力盘上产生与叶轮受到水流推力相反的力；S4.调节空心轴入口处的调节阀，使推力盘受到的反向推力与叶轮受到水流正向推力相同，使叶轮处于动态平衡状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过设置推力盘带动轴承前后移动，使叶轮在正向水流推动下受到的力与推力盘在腔体内受到的水流反向力相同，使得发电装置运行过程中，推力轴承处于力平衡状态，使轴承不会受水流的冲击而偏向一侧，导致摩擦力增大影响发电。且轴承采用水润滑，推力轴承的机械部件没有摩擦，大大延长了推力轴承的使用寿命，降低了维护成本。

在空心轴入水口设置调节阀，通过调节进入空心轴水流，控制腔体内的水压，以调节腔体水流对推力盘的推力大小，克服了理论设计与实际使用中叶轮和推力盘受到的推力大小的误差，使叶轮和推力盘的推力处于相同状态，使叶轮旋转时保持动态的力平衡。

附图说明

图1为一种自平衡轴流式管道余压发电装置的立体结构示意图；

图2为一种自平衡轴流式管道余压发电装置的剖面结构示意图；

图3为一种自平衡轴流式管道余压发电装置两端压差的示意图；

图4为自平衡推力轴承的示意图；

图5为水润滑轴承内部导水槽的示意图。

图中：1-壳体；2-入口导叶；3-轴承；4-空心轴；5-线圈；6-转子(永磁体)；7-出口导叶；8-推力盘；9-叶轮；10-调节阀；11-腔体；12-流道；13-导水槽；P1-入口端压力；P2-出口端压力；P3-腔体内压力。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

实施例1

如图1～5所示，本实施例提供一种自平衡轴流式管道余压发电装置，包括管道壳体1，所述管道中心设有轴承3，轴承包括轴套和轴套中心的轴，所述轴承3对转子6起到支撑的作用，本发电装置采用水润滑轴承，用于减少轴套和轴的磨损。所述叶轮9设在轴套上同轴转动，所述叶轮9外圈设有转子6，与磁铁位置对应的所述管道内壁上设有线圈5。所述叶轮9前端和后端分别设有入口导叶2和出口导叶7，所述入口导叶2和出口导叶7外圈与管道壳体内壁连接、内圈分别于轴承前端盖和后端盖连接，用于控制水流进入，调节水流流量和速度，减少阻力损失，以达到最佳的转速和效率。所述轴承3中心设有空心轴4，空心轴4穿过轴承座后，在尾部连接一个推力盘8，推力盘的直径比轴承3的直径大且与空心轴4同轴转动，所述轴承3后侧设有腔体11。推力盘8的直径略小于腔体11，整体置于腔体内，在腔体内可以前后移动。推力盘的截面直径与腔体直径相同，本实施例腔体采用筒状，推力盘采用圆盘状。水流穿过所述空心轴4进入所述腔体11，在腔体11后壁的反作用下流向所述推力盘8的背面，使推力盘8受到的水的反冲击力与水流对叶轮9的冲击力相同，使轴承在转动时，受两个方向水流的对冲，处于动态平衡状态，不会使叶轮、轴承与管道壳体等位置发生摩擦，降低发电效果。

该自平衡轴流式管道余压发电装置是一种通过水流驱动的发电装置，水流沿管道流入，水流通过所述叶轮9时，由于水流动能的存在，叶轮9开始转动，水流的动能被转化为机械能，随着叶轮9的转动，叶轮9外圈设有的转子6开始同步转动，使得线圈5切割转子6产生的磁力线，将机械能转化为电能，从而产生电流，实现发电装置的发电功能。

实施例2

如图1～5所示，本实施例提供一种自平衡轴流式管道余压发电装置，包括管道壳体1，所述管道中心设有轴承3，所述轴承3对转子6起到支撑的作用，本发电装置采用水润滑轴承，用于减少轴套和轴的磨损。所述叶轮9设在轴套上同轴转动，所述叶轮9外圈设有转子6，与磁铁位置对应的所述管道内壁上设有线圈5。所述叶轮9前端和后端分别设有入口导叶2和出口导叶7，所述入口导叶2和出口导叶7外圈与管道壳体内壁连接、内圈与轴承前后端盖连接，用于控制水流进入，调节水流流量和速度，减少阻力损失，以达到最佳的转速和效率。所述轴承3中心设有空心轴4，所述轴承3尾部设有与轴承3同轴且直径大于轴承3的推力盘8，所述轴承3后侧设有腔体11。水流穿过所述空心轴4进入所述腔体11，在腔体11后壁的反作用下流向所述推力盘8，使推力盘8受到的反作用力与水流对叶轮9的冲击力相同。

如图3～4所示，入口端的压力为P1,出口端的压力为P2,腔体内的压力为P3,入口端压力P1高于出口端压力P2，P2和P3处由于距离接近，压力也基本相等。所述轴承3中心的空心轴4的入口处安装有调节阀10，用于控制入口端压力P1和出口端压力P2的压差。所述轴承3尾部设有与轴承3同轴且直径大于轴承3的推力盘8，在所述叶轮9旋转过程中，叶轮9沿水流方向的推力通过轴传递给推力盘8，另有一股水流穿过所述轴承3中心的空心轴4进入所述腔体11，所述腔体11为与推力盘8形状相同，且直径大于推力盘8的筒状，腔体11设有流道12，用于将水流引向推力盘8的背面，所述腔体11与壳体1之间存在缝隙供水流流出。水流进入腔体11后碰撞到腔体11的后壁，在流道12的引流下，流向推力盘8的背面。所述推力盘8为圆盘，可在腔体11内前后移动，推力盘8带动轴承3前后移动，使叶轮9在正向水流推动下受到的力与推力盘8在腔体11内受到的水流反向力相同，使轴承3处于动态平衡状态，由此轴承3实现自平衡。管道中水流的压力在每个位置是确定的，叶轮和推力盘受到压力大小，理论上与截面面积相关，可以通过计算截面面积，并控制腔体内水压，使推力盘和叶轮受到的力相同。但受摩擦力、叶轮和推力盘加工质量等影响，实际压力值与理论值存在误差。为了调整误差，在空心轴入口处设置调节阀10，通过调节调节阀10控制入口端压力P1、腔体P3和出口端压力P2的压差，使叶轮9沿水流方向的推力与水流穿过空心轴4在腔体11后壁的反作用下流向推力盘8的反作用力相等，由此推力盘8处于受力平衡状态。当推力盘受到的力小于叶轮受到的力时，轴承会向水流下游运动并与端盖金属面摩擦，转速下降；调整调节阀，控制进入空心轴4的水流，使P3与P2的压差减小，腔体内压力P3增大，推力盘8受到的推力就会增大，从而使推力盘8和叶轮9的力再次处于平衡状态。当推力盘8受到的力大于叶轮9受到的力时，推力盘8会向水流上游方向运动并与端盖的金属面摩擦，转速下降；调整调节阀，控制进入空心轴4的水流，使P3与P2的压差增加，腔体11内压力P3减小，推力盘8受到的推力就减小，推力盘8和叶轮的力再次处于平衡状态。在发电装置在运行过程中，推力轴承处于自平衡状态，推力轴承的机械部件没有摩擦，大大延长了推力轴承的使用寿命。

该发明创造实现自平衡发电的方法为：S1.管道中的水流通过入口导叶2，进入叶轮9；水流进入轴承中心的空心轴4，通过空心轴4流入腔体11；S2.水流推动叶轮9旋转，叶轮9带动转子6转动，与管道内壁的线圈5发生作用，产生电能，进行发电作业；S3.水流流入腔体11后，碰到腔体内壁，在腔体内反向流动，在流道的作用下流向推力盘8，反向流动的水流推动推力盘8，在推力盘8上产生与叶轮9受到水流推力相反的力；S4.调节空心轴4入口处的调节阀10，使推力盘8受到的反向推力与叶轮9受到水流正向推力相同，使叶轮9处于动态平衡状态。

实施例3

如图1～5所示，本实施例提供一种自平衡轴流式管道余压发电装置，包括管道壳体1，所述管道中心设有轴承3，所述轴承3对转子6起到支撑的作用，本发电装置采用水润滑轴承，轴套内侧开有导水槽，用于减少轴承和轴的磨损。所述叶轮9设在轴承上同轴转动，所述叶轮9外圈设有转子6，与磁铁位置对应的所述管道内壁上设有线圈5。所述叶轮9前端和后端分别设有入口导叶2和出口导叶7，所述入口导叶2和出口导叶7与管道壳体内壁连接，用于控制水流进入，调节水流流量和速度，减少阻力损失，以达到最佳的转速和效率。所述轴承3中心设有空心轴4，所述轴承3尾部设有与轴承3同轴且直径大于轴承3的推力盘8，所述推力盘8后侧设有腔体11。水流穿过所述空心轴4进入所述腔体11，在腔体11后壁的反作用下流向所述推力盘8，使推力盘8受到的反作用力与水流对叶轮9的冲击力相同。

如图5所示，轴承3为水润滑轴承，轴承上均匀地开有导水槽13，所述导水槽13为矩形的槽，所述导水槽13的角度和宽度根据叶轮转速设置。介质水由入口端到出口端流过的同时，在轴与轴承之间形成水膜，在发电装置在运行过程中，大大降低了轴和轴承的磨损，相比于传统的油润滑轴承，维护成本大大降低。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种自平衡轴流式管道余压发电装置，其特征在于，包括管道壳体，所述管道中心设有轴承，所述轴承包括轴套和轴套中心的空心轴，所述叶轮设在轴套上同轴转动，所述叶轮外圈设有转子，与磁铁位置对应的所述管道内壁上设有线圈；所述叶轮前端和后端分别设有入口导叶和出口导叶，所述入口导叶和出口导叶的外圈与管道壳体内壁连接、中心分别与轴承前、后端盖连接；所述轴承尾部设有与轴承同轴且直径大于轴承的推力盘，所述轴承后侧设有腔体，所述推力盘置于腔体内；水流穿过所述空心轴进入所述腔体，在腔体后壁的反作用下流向所述推力盘，使推力盘受到的反作用力与水流对叶轮的冲击力相同；所述空心轴入口处设有调节阀。

2.根据权利要求1所述的一种自平衡轴流式管道余压发电装置，其特征在于，所述轴承为水润滑轴承。

3.根据权利要求1所述的一种自平衡轴流式管道余压发电装置，其特征在于，所述轴承的轴套内壁设有多个轴向的导水槽。

4.根据权利要求1所述的一种自平衡轴流式管道余压发电装置，其特征在于，所述腔体后侧设有水流通道，将腔体中溢出的水通过所述通道进入管道中。

5.根据权利要求1所述的一种自平衡轴流式管道余压发电装置，其特征在于，所述腔体为与推力盘形状相同，且直径大于推力盘的筒状。

6.根据权利要求1所述的一种自平衡轴流式管道余压发电装置，其特征在于，所述腔体设有流道，将水流引向推力盘的背面。

7.根据权利要求5所述的一种自平衡轴流式管道余压发电装置，其特征在于，所述推力盘为圆盘，可在腔体内前后移动。

8.根据权利要求1所述一种自平衡轴流式管道余压发电装置，其特征在于，所述叶轮周向等间距地布置有多个扇形叶片，均可沿径向移动。

9.根据权利要求1所述的一种自平衡轴流式管道余压发电装置，其特征在于，所述管道壳体外部的两端沿圆周分别设有数个安装孔。

10.根据权利要求1所述的一种自平衡轴流式管道余压发电装置自平衡方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.管道中的水流通过入口导叶，进入叶轮；水流进入轴承中心的空心轴，通过空心轴流入腔体；

S2.水流推动叶轮旋转，叶轮带动转子转动，与管道内壁的线圈发生作用，产生电能，进行发电作业；

S3.水流流入腔体后，碰到腔体内壁，在腔体内反向流动，在流道的作用下流向推力盘，反向流动的水流推动推力盘，在推力盘上产生与叶轮受到水流推力相反的力；

S4.调节空心轴入口处的调节阀，使推力盘受到的反向推力与叶轮受到水流正向推力相同，使叶轮处于动态平衡状态。