CN117090726B - 一种电力系统机械储能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统机械储能装置，本发明涉及储能装置技术领域，包括电动发电机，所述电动发电机的底部中间位置安装有转轴。该电力系统机械储能装置，通过离合器分离使六级离心泵不跟随冲击式水轮机总成旋转，避免能量损失；关闭冲击式水轮机总成的第一电控阀，实现电动向机械能的高效转化，提升冲击式水轮机总成的能量转化效率，减弱空蚀对转轮水斗总成的破坏，提高结构之间的紧密性，有效避免双斗叶被水流冲击时内凹腔的局部变形，避免双斗叶局部形变而增大逆时针旋转时与水的反向接触面积，规避双斗叶逆时针旋转时多余的阻力干扰，同时提高双斗叶被水冲击时的抗性，消除噪声的发生以及因空蚀引发的振动。

Description

一种电力系统机械储能装置

技术领域

本发明涉及储能装置技术领域，具体为一种电力系统机械储能装置。

背景技术

当前工程机械储能中，抽水蓄能是最早得到应用的机械储能方式之一，其中，抽水蓄能最大特点是储存能量非常大，是电力系统中应用最为广泛的一种储能技术，储存能量的释放时间可以从几小时到几天，其主要应用领域包括调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用、黑启动和提供系统的备用容量，还可以提高系统中火电站和核电站的运行效率。

现有的抽水蓄能用储能装置对于机械能的转化效率无法得到进一步提升，能量损失较大，双斗叶易被水流冲击而发生局部变形，无法规避双斗叶逆时针旋转时多余的阻力干扰，双斗叶被水冲击时的抗性较差，无法消除噪声的发生以及因空蚀引发的振动现象。

发明内容

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种电力系统机械储能装置，包括电动发电机，所述电动发电机的底部中间位置安装有转轴，且与电动发电机的输出端相连接，用于抽水蓄能；

冲击式水轮机总成，该冲击式水轮机总成通过转轴安装在电动发电机的底部，用于将水流的能量转换为旋转机械能，所述冲击式水轮机总成的底部通过转轴安装有离合器，用于平稳传动，平顺加速、防止传动系过载，方便起步、变速和停止，所述离合器的底部通过转轴安装有六级离心泵，用于输送水流到上水库，所述冲击式水轮机总成包括通过转轴安装在电动发电机底部的机壳，所述机壳的外表面呈环形连接有蜗管，且所述机壳的外表面与第一进水管之间连接有集斗管，能够在局部增大回流的压力，所述蜗管的内侧呈圆形阵列固定连接有六个斜角喷嘴，用于向机壳所在的内腔中心斜向喷水，所述机壳与蜗管相连通的部位开设有大口径的流道入口，通过设计大口径的入口流道面积，不让入口产生预旋现象，有较好的流道，足够获得最佳的空蚀特性；

转轮水斗总成，该转轮水斗总成安装在冲击式水轮机总成的内侧，且固定套装在离合器上，能够对动能进行高效率转换。

优选的，所述冲击式水轮机总成的进水端固定连接有第一进水管，且第一进水管远离冲击式水轮机总成的一端固定连接有第一电控阀，用于自动控制第一进水管的打开与闭合，所述第一电控阀远离第一进水管的一端固定连接有上汇集管，能够与上水库连接，所述冲击式水轮机总成的出水端固定连接有第一出水管，且所述第一出水管的出水端固定连接有下汇集管，能够与下水库连接。

优选的，所述六级离心泵的进水端固定连接有第二出水管，且第二出水管远离六级离心泵的一端与下汇集管相连接，所述六级离心泵表面远离第二出水管的一侧固定连接有第二进水管，所述第二进水管远离六级离心泵的一端连接有第二电控阀，用于自动控制第二进水管的打开与闭合。

优选的，所述机壳的底部固定连接有尾水斗，所述转轴与机壳和尾水斗相交的位置均安装有磁悬浮轴承，使得转轴能够带动转轮水斗总成在机壳内侧浮空旋转，尾水斗的内侧中部固定连接有定位架，且旋转套装在转轴上，对转轴进行限位，所述机壳的内侧底部开设有半圆形环槽，且所述半圆形环槽的顶端口边侧均固定连接有环形框棱，所述半圆形环槽的内侧嵌合安装有环形永磁斗。

优选的，所述机壳的内侧底部与尾水斗内侧顶部相连接的端口处呈圆形阵列开设有弧形导槽，且贯穿连通至半圆形环槽的内侧，环形永磁斗与弧形导槽相对应的槽孔处开设有穿孔，用于将环形永磁斗内侧堆积的杂质通过弧形导槽引导至尾水斗内，弧形导槽背离半圆形环槽的一端出口朝向尾水斗的内侧中心点处偏移开设。

优选的，所述转轮水斗总成包括转轮体，所述转轮体的内侧中部套装有主轴套体，转轮体通过主轴套体与转轴旋转安装，所述转轮体的外表面呈圆形阵列安装有导叶组件，所述导叶组件的顶部和底部分别固定连接有上环盘和下环盘，用于增强转轮水斗总成的整体结构强度，以及耐冲击性，提高耐疲劳度。

优选的，所述转轮体的顶部呈圆形阵列贯穿开设有贯穿孔，减轻转轮体的整体质量，使得转轮水斗总成能够在机壳内侧高速运转，所述上环盘的顶端中部固定连接有加强筋，且所述上环盘的内、外侧壁上呈圆形阵列固定连接有第一切割片，且靠近上环盘的底部设置，整体向下倾斜设计，用于切割气泡，减弱空蚀对转轮水斗总成的破坏。

优选的，所述下环盘的内、外侧壁上圆形阵列固定连接有第二切割片，且靠近下环盘的顶部，整体向下倾斜设计，同样用于切割气泡，下环盘的底端中部固定连接有永磁环体，与环形永磁斗相对应配合，环形永磁斗与永磁环体之间的磁极为同极，能够使转轮水斗总成整体平稳悬浮在机壳内侧中部。

优选的，所述导叶组件包括双斗叶，所述双斗叶靠近转轮体的一端固定连接有连接颈杆，且呈圆形阵列固定连接在转轮体上，所述双斗叶远离连接颈杆的一端开设有两个豁口，为水流在双斗叶之间增加逃逸空间。

优选的，所述连接颈杆背离双斗叶内凹腔的边棱设置为倒圆部，用于减少双斗叶在机壳内侧逆时针旋转时连接颈杆所带来的阻力。

本发明提供了一种电力系统机械储能装置，具备以下有益效果：

一、该电力系统机械储能装置，通过注入压缩空气，来把转轮室的水压到转轮以下才可启动运行，避免冲击式水轮机的水轮浸没在水中会受到很大的阻力；通过第一电控阀、第二电控阀和离合器之间的配合，能够在机组发电运行工况时，自动关闭六级离心泵的第二电控阀防止水流出，离合器分离使六级离心泵不跟随冲击式水轮机总成旋转，避免能量损失；打开冲击式水轮机总成的第一电控阀，冲击式水轮机总成带动电动发电机发电，关闭冲击式水轮机总成的第一电控阀，离合器接合，打开六级离心泵的第二电控阀，电动发电机带动六级离心泵旋转抽水，实现电动向机械能的高效转化。

二、该电力系统机械储能装置，通过磁悬浮轴承对转轴上下部分的悬浮支撑定位，以及定位架对机壳内腔中的转轴的限位支撑，再结合永磁环体和环形永磁斗之间的互斥配合下，使得转轮水斗总成的整体能够有效悬浮在机壳的内腔中，克服自身的重力，以及部件之间的接触摩擦，并且在水流进入机壳内侧带动转轮水斗总成旋转时，其上下侧的第一切割片和第二切割片对水压的向下挤压所提供的向上的反作用力，共同支撑转轮水斗总成的整体在冲击式水轮机总成内侧高速旋转，提升冲击式水轮机总成的能量转化效率；并且能够借助第一切割片和第二切割片实时切割水流中的气泡，减弱空蚀对转轮水斗总成的破坏。

三、该电力系统机械储能装置，通过利用转轮水斗总成旋转时形成的逆时针旋转水流，能够自动将堆积在环形永磁斗内侧的杂质由弧形导槽引导至尾水斗，并最终由第一出水管向下汇集管内侧输送，避免杂质在环形永磁斗内侧的堆积，而影响与永磁环体的排斥效果。

四、该电力系统机械储能装置，通过上环盘、下环盘的配合，将若干个双斗叶与转轮体连接为同一整体，消除水流从各个方位角先后冲击双斗叶的时间差所带来的震颤与滞涩，提高转轮水斗总成在冲击式水轮机总成内侧旋转的流畅性，提高结构之间的紧密性，有效避免双斗叶被水流冲击时内凹腔的局部变形，避免双斗叶局部形变而增大逆时针旋转时与水的反向接触面积，规避双斗叶逆时针旋转时多余的阻力干扰，同时提高双斗叶被水冲击时的抗性，保障双斗叶的使用寿命的同时，使得每个双斗叶所受到的斜角喷嘴的点位均相同，确保转轮水斗总成的整体受力均衡，能够长时间流畅的在冲击式水轮机总成内侧高速旋转。

五、该电力系统机械储能装置，通过流道入口的大口径设计，提供充分的入口流道面积，不让入口产生预旋现象，而且在液体流入的位置，提供较宽的流道，来使得入口流量达到最佳，规避空蚀现象，不仅能够有效消除空蚀对冲击式水轮机总成内部构件的破坏，还能够有效消除噪音的发生以及因空蚀引发的振动。

附图说明

图1为本发明一种电力系统机械储能装置的外部结构示意图；

图2为本发明冲击式水轮机总成的结构示意图；

图3为本发明冲击式水轮机总成的内部结构示意图；

图4为本发明转轮水斗总成的整体结构示意图；

图5为本发明转轮体和导叶组件的组装结构示意图；

图6为本发明导叶组件的结构示意图；

图7为本发明上环盘结构示意图；

图8为本发明下环盘与机壳的局部组装结构示意图。

图中：1、电动发电机；2、冲击式水轮机总成；21、机壳；22、蜗管；23、集斗管；24、斜角喷嘴；25、流道入口；26、磁悬浮轴承；27、尾水斗；28、定位架；29、半圆形环槽；210、环形框棱；211、弧形导槽；212、环形永磁斗；3、离合器；4、六级离心泵；5、转轴；6、转轮水斗总成；61、转轮体；62、导叶组件；621、双斗叶；622、连接颈杆；623、倒圆部；624、豁口；63、上环盘；64、下环盘；65、贯穿孔；66、主轴套体；67、加强筋；68、第一切割片；69、第二切割片；610、永磁环体；7、上汇集管；8、第一进水管；9、第一出水管；10、下汇集管；11、第一电控阀；12、第二进水管；13、第二电控阀；14、第二出水管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

第一实施例，如图1至图8所示，本发明提供一种技术方案：一种电力系统机械储能装置，包括电动发电机1，电动发电机1的底部中间位置安装有转轴5，且与电动发电机1的输出端相连接，用于抽水蓄能，能够借助冲击式水轮机总成2将水流的能量转换为旋转机械能，并且将多余的机械能转化成电能存储起来，来供水泵将下水库中的水向上水库内输入时提供能量；

冲击式水轮机总成2，该冲击式水轮机总成2通过转轴5安装在电动发电机1的底部，用于将水流的能量转换为旋转机械能，冲击式水轮机总成2的底部通过转轴5安装有离合器3，用于平稳传动，平顺加速、防止传动系过载，方便起步、变速和停止，离合器3的底部通过转轴5安装有六级离心泵4，用于输送水流到上水库，冲击式水轮机总成2包括通过转轴5安装在电动发电机1底部的机壳21，机壳21的外表面呈环形连接有蜗管22，且机壳21的外表面与第一进水管8之间连接有集斗管23，能够在局部增大回流的压力，蜗管22的内侧呈圆形阵列固定连接有六个斜角喷嘴24，用于向机壳21所在的内腔中心斜向喷水，机壳21与蜗管22相连通的部位开设有大口径的流道入口25，斜角喷嘴24与双斗叶621的内凹腔相对应配合，用于将水冲击在内凹腔中，推动转轮水斗总成6绕转轴5旋转；

转轮水斗总成6，该转轮水斗总成6安装在冲击式水轮机总成2的内侧，且固定套装在离合器3上，能够对动能进行高效率转换。

冲击式水轮机总成2的进水端固定连接有第一进水管8，且第一进水管8远离冲击式水轮机总成2的一端固定连接有第一电控阀11，用于自动控制第一进水管8的打开与闭合，第一电控阀11远离第一进水管8的一端固定连接有上汇集管7，能够与上水库连接，冲击式水轮机总成2的出水端固定连接有第一出水管9，且第一出水管9的出水端固定连接有下汇集管10，能够与下水库连接。

六级离心泵4的进水端固定连接有第二出水管14，且第二出水管14远离六级离心泵4的一端与下汇集管10相连接，六级离心泵4表面远离第二出水管14的一侧固定连接有第二进水管12，第二进水管12远离六级离心泵4的一端连接有第二电控阀13，用于自动控制第二进水管12的打开与闭合。

使用前，通过机组安装在下水库水平线以下较深的地方，使得冲击式水轮机总成2转轮室充满水，防止空化影响六级离心泵4的抽水性能。

使用时，通过注入压缩空气，来把转轮室的水压到转轮以下才可启动运行，避免冲击式水轮机的水轮浸没在水中会受到很大的阻力；通过第一电控阀11、第二电控阀13和离合器3之间的配合，能够在机组发电运行工况时，自动关闭六级离心泵4的第二电控阀13防止水流出，离合器分离使六级离心泵4不跟随冲击式水轮机总成2旋转，避免能量损失；打开冲击式水轮机总成2的第一电控阀11，冲击式水轮机总成2带动电动发电机1发电。

机组在抽水运行工况时，关闭冲击式水轮机总成2的第一电控阀11，离合器3接合，打开六级离心泵4的第二电控阀13，电动发电机1带动六级离心泵4旋转抽水，虽然此时冲击式水轮机总成2的转轮水斗总成6跟着旋转，但在空气中旋转阻力很小，由此能够实现电动向机械能的高效转化。

第二实施例，在实施例一的基础上，请参阅图1至图3所示，机壳21的底部固定连接有尾水斗27，转轴5与机壳21和尾水斗27相交的位置均安装有磁悬浮轴承26，使得转轴5能够带动转轮水斗总成6在机壳21内侧浮空旋转，尾水斗27的内侧中部固定连接有定位架28，且旋转套装在转轴5上，对转轴5进行限位，机壳21的内侧底部开设有半圆形环槽29，且半圆形环槽29的顶端口边侧均固定连接有环形框棱210，能够将环形永磁斗212阻挡在半圆形环槽29内，防止从半圆形环槽29内侧脱离，半圆形环槽29的内侧嵌合安装有环形永磁斗212；机壳21的内侧底部与尾水斗27内侧顶部相连接的端口处呈圆形阵列开设有弧形导槽211，且贯穿连通至半圆形环槽29的内侧，环形永磁斗212与弧形导槽211相对应的槽孔处开设有穿孔，用于将环形永磁斗212内侧堆积的杂质通过弧形导槽211引导至尾水斗27内，弧形导槽211背离半圆形环槽29的一端出口朝向尾水斗27的内侧中心点处偏移开设。

使用时，通过流道入口25的大口径设计，提供充分的入口流道面积，不让入口产生预旋现象，而且在液体流入的位置，提供较宽的流道，来使得入口流量达到最佳，规避空蚀现象，不仅能够有效消除空蚀对冲击式水轮机总成2内部构件的破坏，还能够有效消除噪音的发生以及因空蚀引发的振动。

第三实施例，在实施例一至二的基础上，请参阅图1至图8所示，转轮水斗总成6包括转轮体61，转轮体61的内侧中部套装有主轴套体66，转轮体61通过主轴套体66与转轴5旋转安装，转轮体61的外表面呈圆形阵列安装有导叶组件62，导叶组件62的顶部和底部分别固定连接有上环盘63和下环盘64，转轮体61的顶部呈圆形阵列贯穿开设有贯穿孔65，上环盘63的顶端中部固定连接有加强筋67，且上环盘63的内、外侧壁上呈圆形阵列固定连接有第一切割片68，且靠近上环盘63的底部设置，整体向下倾斜设计，用于切割气泡。

下环盘64的内、外侧壁上圆形阵列固定连接有第二切割片69，且靠近下环盘64的顶部，整体向下倾斜设计，同样用于切割气泡，下环盘64的底端中部固定连接有永磁环体610，与环形永磁斗212相对应配合，环形永磁斗212与永磁环体610之间的磁极为同极，能够使转轮水斗总成6整体平稳悬浮在机壳21内侧中部；导叶组件62包括双斗叶621，双斗叶621靠近转轮体61的一端固定连接有连接颈杆622，且呈圆形阵列固定连接在转轮体61上，双斗叶621远离连接颈杆622的一端开设有两个豁口624，为水流在双斗叶621之间增加逃逸空间；连接颈杆622背离双斗叶621内凹腔的边棱设置为倒圆部623，进一步减轻双斗叶621在机壳21内侧逆时针旋转时连接颈杆622所带来的阻力，使得转轮水斗总成6在冲击式水轮机总成2内侧旋转得更加流畅灵活。

使用时，通过磁悬浮轴承26对转轴5上下部分的悬浮支撑定位，以及定位架28对机壳21内腔中的转轴5的限位支撑，再结合永磁环体610和环形永磁斗212之间的互斥配合下，使得转轮水斗总成6的整体能够有效悬浮在机壳21的内腔中，克服自身的重力，以及部件之间的接触摩擦，并且在水流进入机壳21内侧带动转轮水斗总成6旋转时，其上下侧的第一切割片68和第二切割片69对水压的向下挤压所提供的向上的反作用力，共同支撑转轮水斗总成6的整体在冲击式水轮机总成2内侧高速旋转，提升冲击式水轮机总成2的能量转化效率；并且能够借助第一切割片68和第二切割片69实时切割水流中的气泡，减弱空蚀对转轮水斗总成6的破坏；利用转轮水斗总成6旋转时形成的逆时针旋转水流，能够自动将堆积在环形永磁斗212内侧的杂质由弧形导槽211引导至尾水斗27，并最终由第一出水管9向下汇集管10内侧输送，避免杂质在环形永磁斗212内侧的堆积，而影响与永磁环体610的排斥效果。

通过上环盘63、下环盘64的配合，将若干个双斗叶621与转轮体61连接为同一整体，消除水流从各个方位角先后冲击双斗叶621的时间差所带来的震颤与滞涩，提高转轮水斗总成6在冲击式水轮机总成2内侧旋转的流畅性，提高结构之间的紧密性，有效避免双斗叶621被水流冲击时内凹腔的局部变形，避免双斗叶621局部形变而增大逆时针旋转时与水的反向接触面积，规避双斗叶621逆时针旋转时多余的阻力干扰，同时提高双斗叶621被水冲击时的抗性，保障双斗叶621的使用寿命的同时，使得每个双斗叶621所受到的斜角喷嘴24的点位均相同，确保转轮水斗总成6的整体受力均衡，能够长时间流畅的在冲击式水轮机总成2内侧高速旋转，进一步提高电动向机械能的转化效率。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。

Claims (4)

1.一种电力系统机械储能装置，包括电动发电机（1），其特征在于：所述电动发电机（1）的底部中间位置安装有转轴（5），且与电动发电机（1）的输出端相连接；

冲击式水轮机总成（2），该冲击式水轮机总成（2）通过转轴（5）安装在电动发电机（1）的底部，所述冲击式水轮机总成（2）的底部通过转轴（5）安装有离合器（3），所述离合器（3）的底部通过转轴（5）安装有六级离心泵（4），所述冲击式水轮机总成（2）包括通过转轴（5）安装在电动发电机（1）底部的机壳（21），所述机壳（21）的外表面呈环形连接有蜗管（22），且所述机壳（21）的外表面与第一进水管（8）之间连接有集斗管（23），所述蜗管（22）的内侧呈圆形阵列固定连接有六个斜角喷嘴（24），所述机壳（21）与蜗管（22）相连通的部位开设有大口径的流道入口（25）；

转轮水斗总成（6），该转轮水斗总成（6）安装在冲击式水轮机总成（2）的内侧，且固定套装在离合器（3）上；

所述冲击式水轮机总成（2）的进水端固定连接有第一进水管（8），且第一进水管（8）远离冲击式水轮机总成（2）的一端固定连接有第一电控阀（11），所述第一电控阀（11）远离第一进水管（8）的一端固定连接有上汇集管（7），所述冲击式水轮机总成（2）的出水端固定连接有第一出水管（9），且所述第一出水管（9）的出水端固定连接有下汇集管（10）；

所述六级离心泵（4）的进水端固定连接有第二出水管（14），且第二出水管（14）远离六级离心泵（4）的一端与下汇集管（10）相连接，所述六级离心泵（4）表面远离第二出水管（14）的一侧固定连接有第二进水管（12），所述第二进水管（12）远离六级离心泵（4）的一端连接有第二电控阀（13）；

所述机壳（21）的底部固定连接有尾水斗（27），所述转轴（5）与机壳（21）和尾水斗（27）相交的位置均安装有磁悬浮轴承（26），尾水斗（27）的内侧中部固定连接有定位架（28），且旋转套装在转轴（5）上，所述机壳（21）的内侧底部开设有半圆形环槽（29），且所述半圆形环槽（29）的顶端口边侧均固定连接有环形框棱（210），所述半圆形环槽（29）的内侧嵌合安装有环形永磁斗（212）；

所述机壳（21）的内侧底部与尾水斗（27）内侧顶部相连接的端口处呈圆形阵列开设有弧形导槽（211），且贯穿连通至半圆形环槽（29）的内侧，环形永磁斗（212）与弧形导槽（211）相对应的槽孔处开设有穿孔，弧形导槽（211）背离半圆形环槽（29）的一端出口朝向尾水斗（27）的内侧中心点处偏移开设；

所述转轮水斗总成（6）包括转轮体（61），所述转轮体（61）的内侧中部套装有主轴套体（66），转轮体（61）通过主轴套体（66）与转轴（5）旋转安装，所述转轮体（61）的外表面呈圆形阵列安装有导叶组件（62），所述导叶组件（62）的顶部和底部分别固定连接有上环盘（63）和下环盘（64）；

所述转轮体（61）的顶部呈圆形阵列贯穿开设有贯穿孔（65），所述上环盘（63）的顶端中部固定连接有加强筋（67），且所述上环盘（63）的内、外侧壁上呈圆形阵列固定连接有第一切割片（68），且靠近上环盘（63）的底部设置，整体向下倾斜设计。

2.根据权利要求1所述的一种电力系统机械储能装置，其特征在于：所述下环盘（64）的内、外侧壁上圆形阵列固定连接有第二切割片（69），且靠近下环盘（64）的顶部，整体向下倾斜设计，下环盘（64）的底端中部固定连接有永磁环体（610），与环形永磁斗（212）相对应配合，环形永磁斗（212）与永磁环体（610）之间的磁极为同极。

3.根据权利要求2所述的一种电力系统机械储能装置，其特征在于：所述导叶组件（62）包括双斗叶（621），所述双斗叶（621）靠近转轮体（61）的一端固定连接有连接颈杆（622），且呈圆形阵列固定连接在转轮体（61）上，所述双斗叶（621）远离连接颈杆（622）的一端开设有两个豁口（624）。

4.根据权利要求3所述的一种电力系统机械储能装置，其特征在于：所述连接颈杆（622）背离双斗叶（621）内凹腔的边棱设置为倒圆部（623）。