CN218151223U - 高压水锥壶轮机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高压水锥壶轮机，包括三者同轴线布置且相对固定的传动轴、锥壶外壳和若干水轮叶；锥壶外壳顶部开口处设有与其间隔布置的锥壶上盖，两者之间的间隙构成凹口；水轮叶位于锥壶外壳内且与凹口位置相对应；锥壶外壳的底部设有垂直排水孔。本实用新型提供的高压水锥壶轮机，结构简单，体积小，而且能量转换效率高。

Description

高压水锥壶轮机

技术领域

本实用新型涉及水轮机领域，尤其涉及一种高压水锥壶轮机。

背景技术

在“海波能发电”项目(专利申请号2021108861066等)的研发过程中，发现目前的高压水发电水轮机型号极少且体积较大，难以找到适配的型号，同时现有的高压水发电水轮机的能量转换率偏低。目前的水轮机能量转换效率一般在90％左右，最高的为96％。而高压水轮机一般采用水斗式，其能量转换效率一般在91％左右。

然而，水斗式高压水轮机存在不易小型化的问题，而且高压水一次冲击就被排掉，而排掉的水仍然具备较高的动能，导致高压水能量收集不彻底。

基于以上原因，有必要研发一种能量转换率高且易于小型化的高压水发电水轮机。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种高压水锥壶轮机，结构简单，体积小，而且能量转换效率高。

为实现上述目的，本实用新型提供一种高压水锥壶轮机，包括三者同轴线布置且相对固定的传动轴、锥壶外壳和若干水轮叶；锥壶外壳顶部开口处设有与其间隔布置的锥壶上盖，两者之间的间隙构成凹口；水轮叶位于锥壶外壳内且与凹口位置相对应；锥壶外壳的底部设有垂直排水孔。

作为本实用新型的进一步改进，所述锥壶外壳的底部侧壁上设有侧向排水孔。

作为本实用新型的更进一步改进，所述垂直排水孔的半径为R1，所述侧向排水孔定位圆的半径为R2，1.2R1≤R2≤2.0R1。

作为本实用新型的更进一步改进，所述锥壶外壳的最大半径为R3，垂直排水孔的半径为R1，R1≤R3/20。

作为本实用新型的更进一步改进，所述锥壶外壳的内腔中连接有减旋肋板。

作为本实用新型的更进一步改进，所述减旋肋板为至少两块且绕锥壶外壳中心线呈放射状布置。

作为本实用新型的更进一步改进，所述锥壶上盖下侧中部连接有壶盖内圆弧板，壶盖内圆弧板下端边缘连接有壶盖下封口板；所述若干水轮叶绕壶盖内圆弧板的外侧布置。

有益效果

与现有技术相比，本实用新型的高压水锥壶轮机的优点为：

1、高压水由凹口射入击打水轮叶，驱动锥壶轮转动。高压水顺水轮叶向壶心运动并在重力作用下落入壶中。水在重力作用下在壶中高速向下旋转，同时聚向壶中轴。水剩余能量绝大部分被以减旋肋板为主的壶体吸收变为机械能。水由垂直排水空孔及侧向排水孔排出。该过程中高压水的动能基本被锥壶轮回收，能量转换效率高，能量转换效率做到98％以上。

2、垂直排水孔R1应小于R3/20，此时在该排水口排出的水的蜗旋惯性能量可以忽略不计，则说明高压水的动能基本被锥壶轮回收。

3、由于垂直排水孔的孔径不能过大，因此其排水量是有限的，剩余的水必须由侧向排水孔排出。通过排水孔位置和面积的设置，使侧向排出的水的能量最低，即可最大化锥壶轮的能量回收效率。

4、侧向排水孔定位圆的半径为R2，1.2R1≤R2≤2.0R1，此时从侧向排水孔排出的水能量极微小，进一步确保高压水的动能基本被锥壶轮回收。

5、由于不需要在锥壶轮外加防水外罩，因此体积大幅减少，可以很好地做到小型精细化，水流基本不会溅出锥壶轮外，全部进入锥壶轮内，仅从垂直排水孔和侧向排水孔排出。

通过以下的描述并结合附图，本实用新型将变得更加清晰，这些附图用于解释本实用新型的实施例。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为高压水锥壶轮机的主视图；

图2为高压水锥壶轮机的俯视图；

图3为图2的A-A方向视图；

图4为高压水锥壶轮机的工作状态图之一；

图5为压水锥壶轮机的工作状态图之二；

图6为图3的B-B向视图；

图7为图3的C-C向视图；

图8为图3的D-D向视图；

图9为图3的E-E向视图；

图10为R2的示意图。

具体实施方式

现在参考附图描述本实用新型的实施例。

实施例

本实用新型的具体实施方式如图1至图10所示，一种高压水锥壶轮机，包括三者同轴线布置且相对固定的传动轴1、锥壶外壳6和若干水轮叶3。锥壶外壳6顶部开口处设有与其间隔布置的锥壶上盖2，两者之间的间隙构成凹口11。水轮叶3位于锥壶外壳6内且与凹口11位置相对应。锥壶外壳6的底部设有垂直排水孔8。

锥壶外壳6的内腔中连接有减旋肋板7。减旋肋板7为至少两块且绕锥壶外壳6中心线呈放射状布置。

锥壶上盖2下侧中部连接有壶盖内圆弧板4，壶盖内圆弧板4下端边缘连接有壶盖下封口板5。若干水轮叶3绕壶盖内圆弧板4的外侧布置。

锥壶外壳6底部设有壶底封口板9，垂直排水孔8设置在壶底封口板9上。

本实施例中，减旋肋板7内侧、锥壶上盖2和壶盖下封口板5均与传动轴1连接，减旋肋板7外侧与锥壶外壳6的内壁连接，水轮叶3与壶盖内圆弧板4、锥壶上盖2连接。

锥壶外壳6的底部侧壁上设有侧向排水孔10。侧向排水孔10的数量为两个且绕垂直排水孔8的中心线对称布置。

垂直排水孔8的半径为R1，侧向排水孔10定位圆的半径为R2，1.2R1≤R2≤2.0R1。本实施例中，R2＝1.8R1。

锥壶外壳6的最大半径为R3，R1≤R3/20。

使用时，传动轴1上端与发电机13的输入端连接，传动轴1中部转动连接有轴承支座12，如图4所示。水轮叶3的迎水面与锥壶外壳6的径向呈夹角，如图5所示，高压水沿切向从凹口11射入锥壶轮内并冲击水轮叶3时，高压水在水平方向的分量出现锐角的偏转。水轮叶3被推动并带动锥壶轮整体旋转，而高压水此时仍具备较大的动能，水在重力作用下在壶中高速向下旋转，同时聚向壶中轴。水剩余能量绝大部分被以减旋肋板为主的壶体吸收变为机械能。水由垂直排水空孔及侧向排水孔排出。该过程中高压水的动能基本被锥壶轮回收，能量转换效率高，能量转换效率做到98％以上。

依据能量守恒原理：

Q_出＝Q_高-Q_排+Q_h-Q_w

Q_出——净输出机械能量

Q_高——输入的高压水能量

Q_排——排出水流残余能量。

Q_h——喷水口与出水口落差能量

Q_w——水气溅出、风阻、轴承摩擦等微损耗能量。

由以上公式可以看出，高压水锥壶轮机能量转换效率做到98％以上是切实可行的。

(1)水压力与速度转化公式：

V²＝2gH

其中：V——喷水速度(m/s)

g——重力加速度9.8(N/Kg)

H——水头高度(m)

(2)排水孔面积S₁：

S₁＝S*V/V₁

其中：S₁——排水孔面积总面积(mm²)

S——高压水流截面积(mm²)

V₁——排水速度(m/s)

V——高压水流速度(m/s)

下面以“高压水锥壶轮机配置计算表”的部分演算成果举例如下：

高压水锥壶轮机配置计算表(变水压)

高压水锥壶轮机配置计算表(变高度)

高压水锥壶轮机配置计算表(变转速)

由以上演算可以看出:高压水锥壶轮机的能量转化率基本稳定在99.7％到99.85％之间，其中影响稍大的因素是壶高的变化。

以上结合最佳实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本实用新型的本质进行的修改、等效组合。

Claims (8)

1.一种高压水锥壶轮机，其特征在于，包括三者同轴线布置且相对固定的传动轴(1)、锥壶外壳(6)和若干水轮叶(3)；锥壶外壳(6)顶部开口处设有与其间隔布置的锥壶上盖(2)，两者之间的间隙构成凹口(11)；水轮叶(3)位于锥壶外壳(6)内且与凹口(11)位置相对应；锥壶外壳(6)的底部设有垂直排水孔(8)。

2.根据权利要求1所述的一种高压水锥壶轮机，其特征在于，所述锥壶外壳(6)的底部侧壁上设有侧向排水孔(10)。

3.根据权利要求2所述的一种高压水锥壶轮机，其特征在于，所述垂直排水孔(8)的半径为R1，所述侧向排水孔(10)定位圆的半径为R2，1.2R1≤R2≤2.0R1。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种高压水锥壶轮机，其特征在于，所述锥壶外壳(6)的最大半径为R3，垂直排水孔(8)的半径为R1，R1≤R3/20。

5.根据权利要求1所述的一种高压水锥壶轮机，其特征在于，所述锥壶外壳(6)的内腔中连接有减旋肋板(7)。

6.根据权利要求5所述的一种高压水锥壶轮机，其特征在于，所述减旋肋板(7)为至少两块且绕锥壶外壳(6)中心线呈放射状布置。

7.根据权利要求1所述的一种高压水锥壶轮机，其特征在于，所述锥壶上盖(2)下侧中部连接有壶盖内圆弧板(4)，壶盖内圆弧板(4)下端边缘连接有壶盖下封口板(5)；所述若干水轮叶(3)绕壶盖内圆弧板(4)的外侧布置。

8.根据权利要求1所述的一种高压水锥壶轮机，其特征在于，所述水轮叶(3)的迎水面与锥壶外壳(6)的径向呈夹角。

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