CN218913052U - 可淹没在水下的水轮发电机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型为可淹没在水下的水轮发电机组，解决已有可淹没在水下的水轮发电机组结构复杂、有易损件、机组整体尺寸大、成本高的问题。机体的内层的下端有内孔与转轮的上端的圆柱的外圆成间隙配合，两者之间的间隙在0.2～0.6mm之间。圆柱的外圆设计有螺旋槽，在转轮转动时，螺旋槽的方向应使螺旋槽中的水往转轮出水方向流动，第1排水管横向穿过机体的内外层，低于机体的内层端盖与发电机主轴的密封,水轮机转轮直接安装在发电机的主轴上，上端盖上设置轴承和密封。

Description

可淹没在水下的水轮发电机组

技术领域

本实用新型涉及一种可淹没在水下的水轮发电机组，属于机械设计制造领域，尤其属于水轮发电机组设计制造领域。

背景技术

适用于低水头的水轮机现有轴流式和贯流式，由蜗室进水管、固定导叶、导水机构、调速传动机构、转轮、主轴密封装置、尾水管等主要零部件组成，依靠活动导叶形成环量、转轮转换水流的能量。导水机构一般有活动导叶数12至24片，并有带动导叶转动的导叶臂、偏心销、及各自动摩擦副配以抗磨套、抗磨环等许多零件。贯流式水轮机导水机构活动导叶需要在球面运动，导叶与导叶臂及调速环连接还需要球铰链，机构更复杂、易损件更多。由手动调速器或自动调速器通过调速传动机构推动导水机构运动，改变活动导叶的出水角度，从而调节水轮机的流量。

由于水电站的水流含有树枝、石块、泥沙等各种杂物，对导水构造成冲击、磨损，加上活动导叶与其接触的运动付之间的间隙存在冲刷磨损、间隙气蚀、局部气蚀等形成联合作用，造成活动导叶和相关零件的损坏，特别是用于海水发电的情况，加上海水腐蚀的联合作用，使水轮机的这些零件很容易损坏，使水轮机维修量很大、维护、管理工作量大，停机检修频繁，还影响发电，也不利于自动化管理。

另外，手动调速器或自动调速器结构复杂，相对于小型水轮发电机组所占成本比例较高。

同时，在水力资源的开发过程中，在山洪爆发时时，常会水淹厂房，给机电设备带来巨大的破坏。特别是在一些山区河流中的小电站，往往会出现丰水期机电设备被水淹，花很长得时间处理水轮发电机及电气设备，枯水期又面临着缺水，不能发电的困境。有些电站干脆在丰水期吊开机电设备不发电，大大缩小了电站的年利用小时数。这样不仅减短了机组的使用寿命，增加了运行维护成本，降低了电站的经济效益，更有甚者很多已修建的老电站由于洪水期时常水淹厂房，其运行处于微利和亏本状态，一度处于闲着和报废状态。

随着环保水平的提高，兴建的大量污水处理厂，其净化处理的水还入河流，排入河里的水流具有一定的水能；还有从大海抽水使用，比如火电厂、远洋船运液化气站等，用水再排入大海，加上涨潮、退潮等因素，排入海里的水流具有一定的水能。

节能减排要求对资源进行综合回收利用，当前对清洁能源-水能进行高效利用，就显得特别重要。

设计开发一种可以淹没在水里的水轮发电机组，水轮机和发电机都能完全侵泡在水下工作，就可以充分高效地利用这些水能，起到综合资源回收利用的作用，达到节能减排的目的。

上述的水力资源大部分属于小型或者微型的水力资源。为了提高其常规的适用性，需要一种结构简单，制造方便，调节和控制容易的微小型水轮发电机组。从而降低电站建设成本，减少机组运行、维护成本，提高电站年利用小时数，达到提高电站经济效益的目的。

 CN202011586178公开了一种水下型水轮发电机，适用于水下利用水流速度的能量发电，可淹没在水下的水轮发电机组其效率低、结构庞大、成本高、其轴承和发电机容易进水损坏。

 CN111946537A公开了一种反击式全贯流潜水湿式水轮发电机，其转子与定子之间容易被水流中的泥沙、杂物磨损，特别是转子的磁性吸附含铁物质粉末加速转子与定子之间的磨损，故障率非常高。

 CN106013013A公开了一种贯流式水电站分离组合式厂房系统，水轮发电机组用可打开上盖的混凝土机房密闭起来，只是比把所有水轮发电机组及附属设备整个密封的厂房小一些，但这种结构造价也很高，而且并没有解决水轮机和发电机都能完全侵泡在水下工作的难题。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种结构简单、无易损件、机组整体尺寸小、自动化程度高的可淹没在水下的水轮发电机组。

本实用新型是这样实现的：

可淹没在水下的水轮发电机组，包括尾水管1、转轮2、机体3、发电机7，发电机的外壳13和水轮机的机体3采用双层结构，发电机的外壳13的第1内层132和第1外层133之间有若干连接板131，连接板131将第1内层132和第1外层133连接成整体，机体3的第2外层303与第2内层302之间设置有若干固定导叶17，固定导叶将第2内层、第2外层连接为整体，发电机7的外壳13的第1内层132和第1外层133是同轴圆柱形，机体3的第2外层303与第2内层302的上段是圆锥形，分别与发电机的外壳13的第1内层132和第1外层133通过法兰连接形成水轮机的进水流道，将水流引入转轮2，即发电机的外壳的第1内层132和机体3的第2内层302形成水轮机进水的内流道，发电机的外壳13的第1外层133和机体3的第2外层303共同形成水轮机进水的外流道，机体的第2外层303下段是圆柱形，形成水轮机的转轮室304，发电机外壳13的第1外层上端通过法兰与连接管10的下端密封连接，连接管10的上端通过第1阀门27与电站引水管28连接，发电机外壳13的第1内层132的上端内层通过法兰与发电机上端盖12密封连接，发电机上端盖12与发电机上罩11密封连接，发电机外壳13的第1内外层的下端分别通过法兰与水轮机的机体3的第2内外层密封连接，水轮机转轮2与机体3的转轮室304间隙配合，机体的第2内层302的下端有内孔305与转轮2的上端的圆柱18的外圆成间隙配合，两者之间的间隙在0.2～0.8mm之间，在转轮2的上端的圆柱18的外圆设计有螺旋槽201，螺旋槽201的方向与转轮叶片202的旋转方向相反，在转轮2转动时，旋转的螺旋槽201带动其中的水往转轮叶片202出水方向流动，从而减少机体3与转轮2之间的间隙的漏水。

 第1排水管6横向穿过机体3的第2内外层，低于机体的第2内层端盖301与发电机7主轴19之间的密封16，机体与转轮2的间隙配合中的漏水可以通过第1排水管6排出水轮机并通过第2阀门 5接入密封的排水箱4，机体3的第2内层的端盖301通过法兰与发电机7的第1内层密封连接，水轮机的转轮2直接安装在发电机7的主轴19上，端盖301上设置轴承15和密封16，密封16采用弹性和耐磨性好的橡胶材料制作的蝶形水封，蝶形水封与端盖301有0.5～2.0mm的压紧量，该密封16可以防止水汽通过旋转的发电机主轴19进入发电机。

发电机控制器30安装在不会被水淹没的高位。发电机设置密封防水的、串通的第1出线管8和第2出线管81，将发电机的电缆包括各种传感器接入发电机控制柜。

排水箱4内设置潜水泵25和水位传感器及时将漏水排出，排水箱4的第1进水管26设置于排水箱4的上部，高于排水箱4内的最高水位，潜水泵的电力电缆和水位传感器的控制电缆通过密封防水的串联的第1电缆管23和第2电缆管22接入发电机控制柜，潜水泵的出水口通过串联的第1出水管20、第2出水管21将排水箱内的水排出排水箱，第2出水管应高于尾水的最高水位，以防止尾水倒流入排水箱内，采用水位传感器和发电机控制柜中的控制器30控制潜水泵及时将漏水排出水轮机，以保证发电机不进水。

潜水泵为两台，一用一备，排水箱内的低水位在串联的第1电缆管、第2电缆管接入发电机控制柜处之下，装有第2水位传感器，在高水位处有第1水位传感器启动潜水泵工作排水，在低水位的第2水位传感器指令潜水泵停止工作，如果潜水泵故障，水位达到超高水位处的第3水位传感器，第3水位传感器指令控制器30启动备用潜水泵工作，这样可以保证水轮机间隙密封漏水可以正常排出水轮机。

固定导叶17的数量较佳为8～24片，固定导叶17的上段的入流角在0～5°之间，固定导叶17下段出流角应符合设计流量的要求，也就是本实用新型的固定导叶17的出流角设计成传统水轮机的活动导叶在设计流量时的出流角，固定导叶17的中段采用弧型将上段与下段圆滑连接，从而实现了采用固定导叶17代替传统的水轮机的固定导叶和活动导叶。

发电机组机体3的上部，设置第1通气管82和第2通气管83，采用鼓风机，通过第2通气管和第1通气管，将空气鼓入发电机里面，然后空气通过第1出线管8和第2出线管81，将发电机里面的热量带出发电机，使发电机的散热满足要求。

本实用新型提供了一种可以淹没在水下而且能正常工作发电运行的水轮发电机组，其结构简单、无易损件、机组整体尺寸小、自动化程度高，本实用新型水轮机不需复杂的调节控制系统，适用于小型发电装置、提高水能的转换利用效率，大大降低水电站的总体造价。

附图说明

图1为本实用新型的水轮发电机组结构图。

图2为排水箱结构图。

图3为应用本实用新型结构的水电站安装示意图。

图4为采用O型密封圈的密封连接结构图。

图5固定导叶的剖面示意图。

图6为有发电机通风管道的结构示意图。

实施例

可淹没在水下的水轮发电机组，包括尾水管1、转轮2、机体3、发电机7，发电机的外壳13和水轮机的机体3采用双层结构，发电机的外壳13的第1内层132和第1外层133之间有若干连接板131，连接板131将第1内层132和第1外层133连接成整体，机体3的第2外层303与第2内层302之间设置有若干固定导叶17，固定导叶将第2内层、第2外层连接为整体，发电机7的外壳13的第1内层132和第1外层133是同轴圆柱形，机体3的第2外层303与第2内层302的上段是圆锥形，分别与发电机的外壳13的第1内层132和第1外层133通过法兰连接形成水轮机的进水流道，将水流引入转轮2，即发电机的外壳的第1内层132和机体3的第2内层302形成水轮机进水的内流道，发电机的外壳13的第1外层133和机体3的第2外层303共同形成水轮机进水的外流道，机体的第2外层303下段是圆柱形，形成水轮机的转轮室304，发电机外壳13的第1外层上端通过法兰与连接管10的下端密封连接，连接管10的上端通过第1阀门27与电站引水管28连接，发电机外壳13的第1内层132的上端内层通过法兰与发电机上端盖12密封连接，发电机上端盖12与发电机上罩11密封连接，发电机外壳13的第1内外层的下端分别通过法兰与水轮机的机体3的第2内外层密封连接，水轮机转轮2与机体3的转轮室304间隙配合，机体的第2内层302的下端有内孔305与转轮2的上端的圆柱18的外圆成间隙配合，两者之间的间隙在0.2～0.8mm之间，在转轮2的上端的圆柱18的外圆设计有螺旋槽201，螺旋槽201的方向与转轮叶片202的旋转方向相反，在转轮2转动时，旋转的螺旋槽201带动其中的水往转轮叶片202出水方向流动，从而减少机体3与转轮2之间的间隙的漏水。

 第1排水管6横向穿过机体3的第2内外层，低于机体的第2内层端盖301与发电机7主轴19之间的密封16，机体的第2内层从间隙密封间的漏水可以通过第1排水管6排出水轮机并通过第2阀门 5接入密封的排水箱4，机体3的第2内层的端盖301通过法兰与发电机7的第1内层密封连接，水轮机转轮2直接安装在发电机7的主轴19上，端盖301上设置轴承15和密封16，密封16采用弹性和耐磨性好的橡胶材料制作的蝶形水封，蝶形水封与上端盖301有0.5～2.0mm的压紧量，该密封16可以防止水汽通过旋转的发电机主轴19进入发电机。

发电机控制器30安装在不会被水淹没的高位，发电机设置密封防水的、串通的第1出线管8和第2出线管81，将发电机的电缆包括各种传感器接入发电机控制柜。

固定导叶17的数量较佳为8～24片，固定导叶17的上段的入流角在0～5°之间，固定导叶17下段出流角应符合设计流量的要求，也就是本实用新型的固定导叶17的出流角设计成传统水轮机的活动导叶在设计流量时的出流角，固定导叶17的中段采用弧型将上段与下段圆滑连接，从而实现了采用固定导叶17代替传统的水轮机的固定导叶和活动导叶。

 位于江河边的污水处理厂，日均处理水量为几万到几十万方不等，将污水净化后排入江中，由于江水水位一年四季变化较大，其落差在3～15米之间，可装机容量在十几到几百kw，属于微小型水力资源，采用传统水轮发电机组需要建设很高的档水墙，加上传统水轮发电机组设备造价高，设备维护成本高，虽然水电是绿色清洁可再生能源，但因投资回收周期很长，极少投资利用。采用本实用新型的结构，建一个微小型发电站，投资成本低，运行管理成本低，不仅节能减排，还可以较短时间收回投资。具体实施方案是：将一套本实用新型的水轮发电机组安装在江边较低的位置，最低水位时保证水轮机不产生装置气蚀，然后采用引水管将净化后的污水通过引水锥管29、引水连接管28、蝶阀27引入水轮发电机组，蝶阀27采用电动蝶阀，电站可以通过控制器30控制电动蝶阀，从而控制水轮发电机组的启动、运行和停止。水轮机转轮2与机体3间隙密封的漏水通过排水管6排出水轮机，通过第2阀门5接入密封的排水箱4，排水箱4内设置一用一备的潜水泵，通过自动控制器及时将漏水排出水轮机，以保证发电机不进水。自动控制器控制潜水泵在高水位启动排水，在低水位停止工作，如果水泵故障，水位达到超高水位，备用潜水泵工作，保证水轮机间隙密封漏水可以正常排出水轮机。潜水泵排水通过第1排水管20和第2排水管排水21，第2排水管21应高于尾水最高水位。潜水泵电源和控制电缆通过密封的第1电缆管23和第2电缆管22连接到发电机控制器30。排水箱4应能适应被水淹没，防止尾水侵入水泵和第1电缆管23和第2电缆管22，和水泵第1排水管20和第2排水管21。发电机的电缆包括各种传感器的连接线，通过第1出线管8和第2出线管81接入安装在污水厂控制室的发电机全自动控制器30（行业俗称“五合一控制屏”），就可以对发电机进行检测控制、自动运行。 通常污水厂水流稳定，可以按最小流量设计水轮发电机组，多余水流从原排水管路排到江河中。本实用新型的固定导叶代替传统的活动导叶及导水结构，其弱点就是，不能像活动导叶一样调节水轮机流量。如果要将这些多余的流量也利用发电，可以采用异步发电机配四象限变频器，通过调节发电机的频率调节水轮机的转速，从而调节水轮机的流量以适应污水处理量的变化。从而解决本实用新型固定导叶不能调节流量的弱点。

实施例2

位于海边的利用海水冷却的火电厂，因我国火电向更大更高效发展，最大单机容量达1200MW，因此，越来越多的火电厂装机容量大，需要的冷却水量较多，单机冷却水量达10～35m³/s,冷却使用后通过虹吸井后排入海中，由于海水潮位一年四季变化较大，其落差普遍在2～10米之间。采用本实用新型的结构，建一个海水直流冷却水余能回收利用节能排水发电站，安装多台本实用新型的水轮发电机组，投资成本低，运行管理成本低，不仅节能减排，还可以较短时间收回投资。具体实施方案是：将多套本实用新型的水轮发电机组安装在较低的位置，最低水位时保证水轮机不产生装置气蚀，同时，方便水轮机尾水通过水渠排入海里，在虹吸井后面建电站前池，然后采用引水管将使用后的热水通过连接管10引入水轮发电机组，电站引水管中安装液动蝶阀27，用来控制水轮发电机组的启动、运行和停止。通常冷却水流量变化较大，因此，设计多套水轮发电机组，以适应流量的变化，根据流量变化的情况自动开启相匹配的水轮发电机组的台数，还可以对其中一到二套水轮发电机组采用异步发电机配以四象限变频器，通过调节发电机的频率调节水轮机的转速，从而调节水轮机的流量，从而适应流量的各种变化，使海水直流冷却水余能回收充分利用，达到节能减排增效的目的。

 水轮发电机组与实施例1相同。

实施例3

由于水温高、发电机散热不能满足要求，可以增加进气管，通过外部空气交换辅助发电机的散热。如图6所示，在水轮发电机组机机体3的上部，设置串联的第1通气管82和第2通气管83，可以采用鼓风机，通过第2通气管83和第1通气管82，将空气鼓入发电机里面，然后空气通过串联的第1出线管8、第2出线管81，将发电机里面的热量带出发电机，使发电机的散热满足要求。

水轮发电机组与实施例1相同。

Claims (4)

1.可淹没在水下的水轮发电机组，其特征在于，包括尾水管（1）、转轮（2）、机体（3）、发电机（7），发电机的外壳（13）和水轮机的机体（3）采用双层结构，发电机的外壳（13）的第1内层（132）和第1外层（133）之间有若干连接板（131），连接板（131）将第1内层（132）和第1外层（133）连接成整体，机体（3）的第2外层（303）与第2内层（302）之间设置有若干固定导叶（17），固定导叶将第2内层、第2外层连接为整体，发电机（7）的外壳（13）的第1内层（132）和第1外层（133）是同轴圆柱形，机体（3）的第2外层（303）与第2内层（302）的上段是圆锥形，分别与发电机的外壳（13）的第1内层（132）和第1外层（133）通过法兰连接形成水轮机的进水流道，将水流引入转轮（2），即发电机的外壳的第1内层（132）和机体（3）的第2内层（302）形成水轮机进水的内流道，发电机的外壳（13）的第1外层（133）和机体（3）的第2外层（303）共同形成水轮机进水的外流道，机体的第2外层（303）下段是圆柱形，形成水轮机的转轮室（304），发电机外壳（13）的第1外层上端通过法兰与连接管（10）的下端密封连接，连接管（10）的上端通过第1阀门（27）与电站引水管（28）连接，发电机外壳（13）的第1内层（132）的上端内层通过法兰与发电机上端盖（12）密封连接，发电机上端盖（12）与发电机上罩（11）密封连接，发电机外壳（13）的第1内外层的下端分别通过法兰与水轮机的机体（3）的第2内外层密封连接，水轮机转轮（2）与机体（3）的转轮室（304）间隙配合，机体的第2内层（302）的下端有内孔（305）与转轮（2）的上端的圆柱（18）的外圆成间隙配合，两者之间的间隙在0.2～0.8mm之间，在转轮（2）的上端的圆柱（18）的外圆设计有螺旋槽（201），螺旋槽（201）的方向与转轮叶片（202）的旋转方向相反，在转轮（2）转动时，旋转的螺旋槽（201）带动其中的水往转轮叶片（202）出水方向流动，从而减少机体（3）与转轮（2）之间的间隙的漏水,第1排水管（6）横向穿过机体（3）的第2内外层，低于机体的第2内层端盖（301）与发电机（7）主轴（19）之间的密封（16），机体与转轮（2）的间隙配合中的漏水可以通过第1排水管（6）排出水轮机并通过第2阀门 （5）接入密封的排水箱（4），机体（3）的第2内层的端盖（301）通过法兰与发电机（7）的第1内层密封连接，水轮机的转轮（2）直接安装在发电机（7）的主轴（19）上，第2内层端盖（301）上设置轴承（15）和密封（16），密封（16）采用弹性和耐磨性好的橡胶材料制作的蝶形水封，蝶形水封与第2内层端盖（301）有0.5～2.0mm的压紧量，该密封（16）可以防止水汽通过旋转的发电机主轴（19）进入发电机，发电机控制器（30）安装在不会被水淹没的高位, 发电机设置密封防水的、串通的第1出线管（8）和第2出线管（81），将发电机的电缆包括各种传感器接入发电机控制柜，排水箱（4）内设置潜水泵（25）和水位传感器及时将漏水排出，排水箱（4）的第1进水管（26）设置于排水箱（4）的上部，高于排水箱（4）内的最高水位，潜水泵的电力电缆和水位传感器的控制电缆通过密封防水的串联的第1电缆管（23）和第2电缆管（22）接入发电机控制柜中的控制器（30），潜水泵的出水口通过串联的第1出水管（20）、第2出水管（21）将排水箱内的水排出排水箱，第2出水管应高于尾水的最高水位，以防止尾水倒流入排水箱内，采用水位传感器和控制器（30）控制潜水泵及时将漏水排出水轮机，以保证发电机不进水。

2.根据权利要求1所述的可淹没在水下的水轮发电机组，其特征在于，潜水泵为两台，一用一备，排水箱内的低水位在串联的第1电缆管、第2电缆管接入发电机控制柜处之下，低水位装有第2水位传感器，在高水位处有第1水位传感器启动潜水泵工作排水，在低水位的第2水位传感器指令潜水泵停止工作，如果潜水泵故障，水位达到超高水位处的第3水位传感器，第3水位传感器指令控制器（30）启动备用潜水泵工作，这样可以保证水轮机间隙密封漏水可以正常排出水轮机。

3.根据权利要求1所述的可淹没在水下的水轮发电机组，其特征在于，固定导叶（17）的数量较佳为8～24片，固定导叶（17）的上段的入流角在0～5°之间，固定导叶下段出流角应符合设计流量的要求，也就是固定导叶的出流角设计成传统水轮机的活动导叶在设计流量时的出流角，固定导叶的中段采用弧型将上段与下段圆滑连接，从而实现了采用固定导叶代替传统的水轮机的固定导叶和活动导叶。

4.根据权利要求1或2或3所述的可淹没在水下的水轮发电机组，其特征在于，发电机组机机体（3）的上部，设置串联的第1通气管（82）和第2通气管（83），采用鼓风机，通过第2通气管和第1通气管，将空气鼓入发电机里面，然后空气通过串通的第1出线管（8）和第2出线管（81），将发电机里面的热量带出发电机，使发电机的散热满足要求。

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