CN207829958U

CN207829958U - 一种用于燃气管道内置发电的导流装置

Info

Publication number: CN207829958U
Application number: CN201721724791.8U
Authority: CN
Inventors: 徐文东; 黄晓烁; 梁志杰; 陈钰
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: Guangdong Guangda New Energy Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2018-09-07
Anticipated expiration: 2027-12-12

Abstract

本实用新型公开了一种用于燃气管道内置发电的导流装置，包括：导流管，管径由小到大均匀变化，小管径端为入口，大管径端为出口；所述导流管的内壁设置有若干相互平行的螺旋导流片，所述导流管两端设置有分别连接上下游管道的法兰；两端密封的中心圆管，由固定装置固定在导流管内部轴线位置，所述中心圆管外壁设置有若干相互平行的螺旋导流片。本实用新型使流体以垂直于叶轮叶片表面的角度冲击叶片表面，避免流体流经叶轮中心无效区域，并增强流体涡流效应，从而达到增大有效扫风面积，提高流体流速的效果，进而增大叶轮发电机理想发电功率。不仅有结构简单，易于维护的优点，而且操作弹性大，使用灵活，能适应多种工况。

Description

一种用于燃气管道内置发电的导流装置

技术领域

本实用新型涉及一种导流装置，具体涉及一种用于燃气管道内置发电的导流装置。

背景技术

目前，在天然气管网运营的过程中，拥有一个完整的天然气管网监控系统至关重要。高度自动化且能及时进行预警的天然气监控系统的存在，可以提高天然气管网的安全性和提高天然气公司的工作效率。电力供给是设置管道监控仪表实现全网监控的前提条件。由于监控点多且很多位于偏远地区，为此单独拉市电成本又极高且手续复杂，这时管网天然气压力能发电系统应运而生。若能充分回收利用这部分压力能进行发电，可以有效地解决这一用电难题。管道内置发电是天然气压力能利用方式之一，其原理类似风力发电，将流体的机械能转化为电能。而在叶轮发电过程中，由于叶轮旋转时流体会往叶轮中心汇聚，故使流体不能大面积通过叶轮，因此管道内置发电存在发电效率低的问题。

针对提高风能利用效率这个课题，许多人提出导流装置以期提高风能利用率。中国实用新型专利CN205779458U公开了一种可提高风能利用率的导流装置，以改善风力发电机组所处风场为出发点进行设计，安装于现有的风力发电机组前。该装置不仅在现有风力发电厂中可得到广泛的应用，而且其采用轻质高强度聚合材料，经济性好，可实现在不增加过高初投资的情况下提高发电量。中国实用新型专利申请CN105041563A公开了一种垂直轴风力机叶片使用导流条技术提高风能利用的方法，通过在垂直轴风力机叶片上，沿叶片展向20％、 40％、60％、80％各安装一个导流条，来控制风力机叶片气流的流经路径，改变气流的进入和离开叶片的角度，增加了叶片的升力，同时增大叶片切向力。具有降低风机起动风速,提高风能利用系数等优点。中国实用新型专利申请CN107013422A公开了一种低品位风能导流式万向汇聚加速装置，包括导流式万向集风罩、文丘里管加速装置和单向出风罩。该装置通过导流式万向集风罩，实现万向集风，并采用文丘里管加速装置，便于风力资源的汇聚及加速，实现了低品位风力发电，同时也实现了不需控制系统的装置内部风向控制。

上述导流装置虽然能够起到提高风能利用率的作用，但由于收集大气风能的工况和燃气管道内置发电系统的工况截然不同，因此都不适用于燃气管道内置发电系统。所以针对管道内置发电的特性，需要参考工程上风能导流装置的原理，研究适用于燃气管道内置发电的导流装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对上面提出的目前已有的燃气管道内置发电系统中的不足，提出一种用于燃气管道内置发电的导流装置，既能提高发电效率的同时，又兼具结构简单、易于维护以及操作弹性大的优点。

本实用新型实现上述目的技术方案为：

一种用于燃气管道内置发电的导流装置，包括：

导流管，管径由小到大均匀变化，小管径端为入口，大管径端为出口；所述导流管的内壁设置有若干相互平行的螺旋导流片，所述导流管两端设置有分别连接上下游管道的法兰；

两端密封的中心圆管，由固定装置固定在导流管内部轴线位置，所述中心圆管外壁设置有若干相互平行的螺旋导流片。

进一步地，所述固定装置位于导流管的两端，包括若干呈辐射状均匀分布地连接在导流管内壁和中心圆管外壁之间圆柱形直杆，从而减少对气体的阻力。

进一步地，所述螺旋导流片的数量与下游叶轮叶片数量相一致，保证气流尽可能均匀地冲击每个叶片。

进一步地，所述导流管内壁上设有3～6条互相平行的螺旋导流片。

进一步地，所述中心圆管外壁上设有3～6条互相平行的螺旋导流片。

进一步地，所述螺旋导流片高度为2～5mm，确保对气流的引导效果。

进一步地，所述导流管轴截面底角、叶片同叶轮轴线的夹角相一致，保证气流在所述螺旋导流片引导下垂直冲击叶片表面。

进一步地，所述导流管轴截面底角30～60°。

进一步地，所述螺旋导流片两端处的切线方向与所述导流管的径向夹角、叶片同叶轮轴线的夹角相一致，保证气流在所述螺旋导流片引导下垂直冲击叶片表面。

进一步地，所述中心圆管的迎击天然气的一端设置有弹头形导流头，以降低阻力。

本实用新型适用于小微型燃气管网压力能发电工艺装置，安装在叶轮发电机的前置位，通过改变流体流动状态以增大叶轮机械能，提高发电功率。

本实用新型与现有技术和现状相比具有以下的有益效果：

1、叶轮发电机功率提高。根据风能转换理论和贝茨理论所得出的发电设备理想有用功率公式，其中，在流体密度ρ以及发电机特性不变，即C_p不变的情况下，增大叶轮扫风面积s_l以及提高流体流速V是两个提高功率的途径。本实用新型通过两个特征来提高发电效率。一个是喇叭状的导流管，由于导流管存在一定的锥度，流体流出导流管与导管中轴线是有一定角度的，这个角度恰好使流体可垂直冲击叶轮叶片表面，从而增大了叶轮扫风有效面积。除此之外，锥度的存在使得流体更多地击中叶轮离心端，能够提升叶轮的旋转速度，有更大的力矩去驱动发电机。另外一个特征是中心圆管。第一，它可以改变原本即将流经叶轮时中心部分的流体流向，避免流体的动能损失在无效的叶轮中心部分，使更多的流体流经叶片表面；第二，中心圆管外表面的螺旋线可以改变靠近中心位置流体的流向，以斜切角度流出，以垂直叶轮表面方向冲击叶轮，这两者都能有效增加叶轮扫风面积。根据前面提到的发电设备理想有用功率公式，其他条件不变，叶轮扫风面积与叶轮发电机功率成正比关系，因此叶轮扫风面积增加，叶轮发电机的功率也有所提高。因此，本实用新型能够有效提高叶轮发电机的发电功率。

2、结构简单，易于维护。由于本实用新型原理简单，只需将上下游法兰与对应上下游管道进行连接即可安装使用，装卸方便，并且易于进行清洁检修，一旦出现问题能及时进行维护。

3、操作弹性大。可根据实际工况下不同的叶轮数和叶轮与轴线的夹角，调整导流管的角度，中心圆管内壁的螺旋片数、螺距等其他相应尺寸，以达到最佳导流效果；且本实用新型装拆方便，便于流动，使用上更加灵活，能适应多种工况。

附图说明

图1为本实用新型实施例的一种用于燃气管道内置发电的导流装置结构示意图。

图2为图1中A向视图(无法兰以及螺旋导流片)。

图3为本实用新型实施例的一种燃气管道内置发电的导流装置三维立体图(无法兰)。

图4为本实用新型实施例中装导流管前后扫风面积对比图。

图5为本实用新型另一实施例的一种用于燃气管道内置发电的导流装置结构示意图。

图中所示为：1-上游连接法兰；2-导流管；3-入口固定装置；4- 中心圆管；5-下游连接法兰；6-出口固定装置；7-第一螺旋导流片； 8-第二螺旋导流片；9-叶片；10-导流头。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

某管道内置发电工艺装置中稳态时天然气体积流量约750Nm³/h，管道直径为50mm，管道内天然气体积流量一定，但气体流速存在变化。管道内置发电机上的叶轮直径为75mm，叶轮轮盖直径20mm，叶片数量为6，叶片与轴线夹角为60°。

针对上述工况，如图1至图3所示，一种用于燃气管道内置发电的导流装置，包括：

导流管2，长度为52mm，管径由小到大均匀变化，小管径端为入口，入口管径为50mm，大管径端为出口，出口管径为80mm；所述导流管2的内壁设置有6条相互平行且高度为2～5mm的第一螺旋导流片7，所述导流管2两端设置有分别连接上下游管道的上游连接法兰1、下游连接法兰5；

两端密封的中心圆管4，直径为20mm，由固定装置固定在导流管2内部轴线位置，所述中心圆管4外壁设置有6条相互平行且高度为2～5mm的第二螺旋导流片8。

如图2所示，所述固定装置位于导流管2的两端，包括入口固定装置3和出口固定装置6，所述入口固定装置3和出口固定装置6均包括四根呈十字形均匀连接在导流管2内壁和中心圆管4外壁之间的圆柱形直杆，四根直杆总体呈，从而减少对气体的阻力。

具体而言，所述导流管2轴截面底角、叶片同叶轮轴线的夹角相一致，均为60°，保证气流在所述螺旋导流片引导下垂直冲击叶片表面。

具体而言，所述螺旋导流片两端处的切线方向与所述导流管2的径向夹角、叶片同叶轮轴线的夹角相一致，均为60°，保证气流在所述螺旋导流片引导下垂直冲击叶片表面。

另外，所述导流管2和中心圆管4、固定装置的材质均为304不锈钢，因其具有良好的耐热耐腐蚀性，且其冲压弯曲等热加工性好。

本实施例中，上游流体由小管径入口进入导流管2后以一定夹角流出导流管2，以垂直于或者接近垂直于叶轮叶片表面的方向冲击叶片，把流体的动能转化为叶轮的动能，叶轮转动带动发电机发电。而中心圆管4一方面可以改变原本即将流经叶轮时中间部分的流体流向，避免流体的动能损失在无效的叶轮中心部分，使更多的流体流经有效叶轮表面，另一方面中间圆管4外表面的第二螺旋导流片8改变靠近中心位置流体的流向，以斜切角度流出，以垂直叶轮表面方向击中叶轮，这两者都能有效增加叶轮受风面积，提高叶轮输出功率。导流管2内壁以及中心圆管4外壁的螺旋导流片能加强流体的涡流效果，有利于流体更有效地将动能传递给叶轮，提高发电功率。

如图5所示，在本实用新型的另一可行的实施例中，所述中心圆管4的迎击天然气的一端设置有弹头形导流头10，以降低中心圆管4 对天然气的阻力。

下面对上述用于燃气管道内置发电的导流装置的工作过程和原理作进一步描述：

首先，本实用新型的用于燃气管道内置发电的导流装置可避免管道中心天然气动能的流失。位于管道中心的天然气以一定的速度流向叶轮中心，但由于叶轮中心轮毅的存在使这部分天然气撞击到叶轮后从轮毅与叶片之间的间隙中流过，力矩为零，动能基本上白白流失。导流管2的中间圆管4的设计不仅可以避免上述情况的发生，横截面积的减少还可以提高天然气流经叶轮有效面积的流速，从而更好地驱动发电机。设原来横截面积为A，加导流管后面积为A’，则，

由于流量一定，流速与横截面积成反比，设原来流速为V，加导流管后面积为V’，得，

其次，由于导流管2存在一定锥度，天然气出管口时以垂直于叶片表面的角度冲击叶片9，从而增大了叶轮扫风有效面积，本实施例中叶片与叶轮中心轴夹角为60°，如图4所示。那么设原扫风面积为S，加导流管后面积为S’，则，

根据风能公式：设加导流管后的发电功率为P’，风能利用效率C_p以及流体密度ρ都没有变，那么

也就是说，本实施例中加导流管2后该理论上发电功率可增加 40％。另外，导流管中还有螺旋导流片的存在，可加强流体涡流效应，有利于流体传递动能给叶轮，提高发电机功率。由于涡流效应较为复杂难量化，因此此处暂不纳入计算。

本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种用于燃气管道内置发电的导流装置，其特征在于，包括：

导流管(2)，管径由小到大均匀变化，小管径端为入口，大管径端为出口；所述导流管(2)的内壁设置有若干相互平行的螺旋导流片，所述导流管(2)两端设置有分别连接上下游管道的法兰；

两端密封的中心圆管(4)，由固定装置固定在导流管(2)内部轴线位置，所述中心圆管(4)外壁设置有若干相互平行的螺旋导流片。

2.根据权利要求1所述的一种用于燃气管道内置发电的导流装置，其特征在于：所述固定装置位于导流管(2)的两端，包括若干呈辐射状均匀分布地连接在导流管(2)内壁和中心圆管(4)外壁之间圆柱形直杆。

3.根据权利要求1所述的一种用于燃气管道内置发电的导流装置，其特征在于：所述螺旋导流片的数量与下游叶轮叶片数量相一致。

4.根据权利要求3所述的一种用于燃气管道内置发电的导流装置，其特征在于：所述导流管内壁上设有3～6条互相平行的螺旋导流片。

5.根据权利要求3所述的一种用于燃气管道内置发电的导流装置，其特征在于：所述中心圆管外壁上设有3～6条互相平行的螺旋导流片。

6.根据权利要求1所述的一种用于燃气管道内置发电的导流装置，其特征在于：所述螺旋导流片高度为2～5mm。

7.根据权利要求1所述的一种用于燃气管道内置发电的导流装置，其特征在于：所述导流管(2)轴截面底角、叶片同叶轮轴线的夹角相一致。

8.根据权利要求7所述的一种用于燃气管道内置发电的导流装置，其特征在于：所述导流管轴截面底角30～60°。

9.根据权利要求1所述的一种用于燃气管道内置发电的导流装置，其特征在于：所述螺旋导流片两端处的切线方向与所述导流管(2)的径向夹角、叶片同叶轮轴线的夹角相一致。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的一种用于燃气管道内置发电的导流装置，其特征在于：所述中心圆管(4)的迎击天然气的一端设置有弹头形导流头(10)。