CN104179625A - 直管式超微型水轮机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直管式超微型水轮机,其包括:进水流道(2),具有该进水流道一端的一个圆形进水孔(1)、导叶体边壁(3)、曲面型斜导叶(9)和导叶轮毂(8);转轮室(4),具有转轮叶片(11)和主轴(5);出水流道(7),具有该出水流道侧面的两出水孔(6),轴承(12)和支墩(13);其中,该进水流道(2)、该导叶体边壁(3)、该转轮室(4)、该出水流道(7)和该支墩(13)为一体成型,该导叶(9)与导叶体边壁(3)和导叶轮毂(8)固定连接成一个整体,该轮毂(8)再通过间隙配合固定在该主轴(5)上;该转轮叶片(11)可拆卸地固定连接在转轮轮毂(10)上,该转轮轮毂(10)通过轴套固定在该主轴(5),该主轴(5)的一端通过间隙配合与该轴承(12)联接,该轴承(12)以过盈配合固定在该支墩(13)上。采用本发明的直管式超微型水轮机具有结构简单,空间尺寸小,运行范围广,稳定性好,经济成本低,效率较高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及流体机械及水电工程设备技术领域,尤其涉及一种直管式超微型水轮机。
背景技术
目前,直管式水轮机一般是采用开发利用水管中的水能转化为电能的水轮机技术,实现电池的定时充电或小功率用电设备的长时间供电。这种可安装在细长输水管道内部的直管式超微型水轮机不仅可以为智能分层注水技术的井下仪器充电,还可以适当按比例调整微型水轮机的空间尺寸,放置在城市给排水***管路和家庭用水输排水管道中,利用管路中水流的压能和动能进行发电,承担城市公共基础设施和家庭家电设备的一部分用电量。
直管式水轮机利用水管中的水能转化为电能,采用理论分析、数值优化计算和真机测试研究等研究手段开发研制的水轮机,布置在水管筒中,水流具有一定的压力,从而推动水轮机旋转,为电池充电。由于水轮机所安装在的注水井下管道直径为25㎜,尺寸非常小,因此,直管式超微型水轮机的结构比传统水轮机具有更高的难度和更大的挑战性。
现有技术中,针对贯流式机型的水轮机主体。贯流式水轮机没有蜗壳,从而大大减小了水轮机整体的径向尺寸。流道由圆锥型导水结构和直锥扩散型或S型尾水管组成,主轴布置形式为卧式,故其流道形状接近于管状。贯流式水轮机单位流量大,水轮机效率高,且高效区宽。对于低水头资源开发,贯流式水轮机的稳定运行范围宽,在极低水头时也能稳定运行(如超低水头1.5m下),所以它是开发低水头水力资源的优良机型。
但是,贯流式水轮机的导水结构运动为空间运动,导叶瓣体呈锥形,各截面的尺寸相差较大,且两端面为凸、凹球面的一部分,即瓣体凸球面的一端是轴,另一端则是凹球面;导叶体的进、出水边密封面为空间平面或空间曲面,如果密封面的设计和加工不合理,将会造成导叶关闭不严,导致严重漏水;同时,导叶两端为球面,要求的加工精度较高。正是由于贯流式机组导水结构及导叶结构的特殊性和复杂性,不仅使水流在进水流道内的流动情况更加复杂,而且导叶的加工和装配也非常不便。
发明内容
有鉴于此,针对现有技术的不足,本发明提供一种直管式超微型水轮机,其结构简单,空间尺寸小,运行范围广,稳定性好,经济成本低,效率较高。
本发明提供了一种直管式超微型水轮机,其包括:进水流道(2),具有该进水流道一端的一个圆形进水孔(1)、导叶体边壁(3)、曲面型斜导叶(9)和导叶轮毂(8);
转轮室(4),具有转轮叶片(11)和主轴(5);
出水流道(7),具有该出水流道侧面的两出水孔(6),轴承(12)和支墩(13);
其中,该进水流道(2)、该导叶体边壁(3)、该转轮室(4)、该出水流道(7)和该支墩(13)为一体成型,该导叶(9)与导叶体边壁(3)和导叶轮毂(8)固定连接成一个整体,该轮毂(8)再通过间隙配合固定在该主轴(5)上;该转轮叶片(11)可拆卸地固定连接在转轮轮毂(10)上,该转轮轮毂(10)通过轴套固定在该主轴(5),该主轴(5)的一端通过间隙配合与该轴承(12)联接,该轴承(12)以过盈配合固定在该支墩(13)上。
优选地,该进水流道(2)、导叶体边壁(3)和转轮室(4)为一直筒型外壳管道,该进水孔(1)的直径与该管道直径相同。
优选地,该导叶(9)和该转轮叶片(11)不相互平行。
优选地,该导叶(9)具体为两端等厚度、等弦长的翼型叶片,该翼型叶片的翼弦与管道轴线夹角约为25°~30°,相对翼型厚度为0.067~0.068。
优选地,该导叶的叶片数为4~6片。
优选地,该转轮叶片(11)具体为不等厚度、不等弦长的翼型叶片,该转轮叶片(11)呈扭曲状,在靠近该转轮室(4)一端的翼型弦长为靠近该轮毂(10)端翼型弦长的1.8~2.0倍,该转轮叶片(11)的包角为80°,该转轮叶片(11)的相对厚度范围为0.046~0.047。
优选地,该转轮叶片(11)靠近该轮毂(10)侧翼型的翼弦与管道轴线夹角约为45°~50°,该翼型相对厚度为0.086~0.092;靠近转轮室(4)侧翼型的翼弦与管道轴线的夹角约为67°~72°,该翼型相对厚度为0.229~0.232,该转轮轮毂(10)直径与转轮直径的比值约为0.397~0.403。
优选地,该转轮叶片(11)的数量为4~6片。
优选地,该出水流道(7)两侧的该出水孔(6)与该进水孔(1)直径相同,该出水孔(6)的直径与转轮直径的比值约为0.717~0.723,该主轴(5)直径与该转轮直径的比值约为0.237~0.243。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
本发明的一种直管式超微型水轮机结构简单,制造工艺简单,尺寸小,重量轻。本发明不仅可以为智能分层注水技术的井下仪器充电,还可以适当按比例调整微型水轮机的空间尺寸,放置在城市给排水***管路和家庭用水输排水管道中,利用管路中水流的压能和动能进行发电,承担城市公共基础设施和家庭家电设备的一部分用电量。
附图说明
下面结合附图和具体实施方案对本发明进一步说明。
图1为本发明直管式超微型水轮机断面结构示意图;
图2为图1中本发明导叶结构示意图;
图3为图1中本发明转轮结构示意图。
附图说明:1、进水孔 2、进水流道 3、导叶体边壁 4、转轮室
5、主轴 6、侧出水孔 7、出水流道 8、导叶轮毂
9、导叶 10、转轮轮毂 11、转轮叶片 12、轴承
13、支墩
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明直管式超微型水轮机断面结构示意图。如图1所示,本发明提供一种直管式超微型水轮机,其包括进水流道(2),具有该进水流道一端的一个圆形进水孔1、导叶体边壁3、曲面型斜导叶9和导叶轮毂8;转轮室4,具有转轮叶片11和主轴5;出水流道7,具有该出水流道侧面的两出水孔6,轴承12和支墩13。
其中,该进水流道2、该导叶体边壁3、该转轮室4、该出水流道7和该支墩13为一体成型,该导叶9与导叶体边壁3和导叶轮毂8固定连接成一个整体,该轮毂8再通过间隙配合固定在该主轴5上;该转轮叶片11可拆卸地固定连接在转轮轮毂10上,该转轮轮毂10通过轴套固定在该主轴5,该主轴5的一端通过间隙配合与该轴承12联接,该轴承12以过盈配合固定在该支墩13上。
如图1所示,水轮机进水流道2优选为一直筒型金属外壳,流道一端的轴截面为一个一定直径的圆孔,作为水轮机的进水孔1,进水孔直径与管道直径相同。为了提供水轮机转轮所需要的环量,在进水流道内设置了曲面型的导叶9来调整水流的速度。水流进入进水流道2内时,只有轴向速度,流经导叶9后,由于导叶的导流作用,使水流的速度大小和方向发生改变,具有了圆周方向的速度。转轮室4横截面为一圆形金属外壳,根据安装此水轮机的管路直径大小,可以制造系列直径,转轮室内设置有贯流式转轮,转轮叶片数为4~6。出水流道7为一直筒型金属外壳,两侧设有与进水孔相同直径的出水孔6,为水流出流提供通道。后部水轮机主轴5上设置有轴承12,用来承受水轮机的轴向力和径向力。轴承12和出水流道7内壁之间焊接有支墩13,主要起到固定支撑整个水轮机的作用。
当管道中有流动水流时,即可将此微型水轮机置于管道中进行发电。管道中的水流从进水流道2一端的进水孔1流入,流经曲面型斜导叶9后具有一定的环量,然后进入转轮,推动叶片旋转,最后水流从注水管后半段的侧面两个出水孔流出。旋转的转轮叶片带动水轮机主轴转动,随之使安装在同轴上的发电机转子旋转发电,从而将水流的动能转化为水轮机的机械能进而转化为电能。本发明的直管式超微型水轮机可用于给电池充电或直接为小功率用电设备提供动力。
其中,所述水轮机进水流道2为一直筒型金属外壳,管道一端的轴截面为一定直径的圆孔,作为水轮机的进水孔1,进水孔直径与管道直径相同。水流从进水孔1流入水轮机,进水流道2内的水流流态不符合无撞击进口工况,即水流相对速度W1的方向角β1与转轮叶片11的进口角βe1相差很大,若不设置导叶9进行导流,则水流将在叶片进口产生撞击,造成撞击损失,使水轮机效率大幅度下降。
图2为本发明导叶结构示意图。如图2所示,在进水流道2内设置了曲面型的导叶9来调整水流的速度。水流进入进水流道2内时,只有轴向速度,流经导叶9后,由于导叶的导流作用,使水流的速度大小和方向发生改变,具有了圆周方向的速度。导叶叶片9和转轮叶片11不相互平行。导叶9结构较为简单,叶片由等厚度、等弦长的翼型组成,两端翼型不存在相对旋转角度,叶片不扭曲。导叶叶片翼型的翼弦与管道轴线夹角约为25°~30°,相对翼型厚度为0.067~0.068。导叶叶片数为4~6个。导叶叶片9通过焊接与导叶体边壁3和导叶轮毂8连接成一个整体,轮毂8再通过间隙配合固定在主轴5上。
图3为图1中本发明转轮结构示意图。如图3所示,所述转轮室4横截面为一圆形金属外壳,根据安装此水轮机的管路直径大小,可以制造系列直径,转轮室4内设置有贯流式转轮,转轮叶片数为4~6。转轮叶片11结构较为复杂,叶片包角为80°,转轮叶片相对厚度范围为0.046~0.047。叶片由不等厚度、不等弦长的翼型组成,两端翼型大小不同,叶片靠近转轮室4一端的翼型弦长为靠近轮毂10端翼型弦长的1.8~2.0倍,叶片翼型不同于导叶叶片翼型,两端翼型存在22°的相对角度,叶片呈扭曲状。叶片靠近轮毂10侧翼型的翼弦与管道轴线夹角约为45°~50°,翼型相对厚度为0.086~0.092;靠近转轮室10侧翼型的翼弦与管道轴线的夹角约为67°~72°,翼型相对厚度为0.229~0.232。转轮轮毂10便于叶片的安装于固定,轮毂直径与转轮直径的比值约为0.397~0.403。转轮叶片11通过螺纹或铆钉等可拆卸联接固定在转轮轮毂10上,轮毂10再通过轴套固定在主轴5上。
所述出水流道7为一直筒型金属外壳,两侧设有两个出水孔6,为水流出流提供通道,侧出水孔直径与转轮直径的比值约为0.717~0.723。
所述出水流道后部水轮机主轴上设置有轴承12,用来承受水轮机的轴向力和径向力,同时轴端通过间隙配合与轴承12联接,轴承12以过盈配合的方式固定在支墩13上,避免主轴5高速旋转时产生振动偏移。轴承12和出水流道内壁之间焊接有支墩13,主要起到固定支撑整个水轮机的作用,水轮机主轴直径与转轮直径的比值约为0.237~0.243。
以下是几个具体的实施例:
用水泵给水轮机提供一定的有压水流,通过阀门来控制通过水轮机的流量,通过水轮机的水流总体积为0.015m3,测量0.015m3的水流通过水轮机所需时间,并测量水轮机的转速。
实施例1,设转轮直径D1为22mm,水轮机进口水头为3m,水轮机进水孔给定流量为4.01×10-4m3/s,转轮实测转速为3200r/min,水轮机效率为66.86%。
实施例2,设转轮直径D1为22mm,水轮机进口水头为3m,水轮机进水孔给定流量为4.04×10-4m3/s,转轮实测转速为3500r/min,水轮机效率为71.51%。
实施例3,设转轮直径D1为22mm,水轮机进口水头为3m,水轮机进水孔给定流量为4.10×10-4m3/s,转轮实测转速为4000r/min,水轮机效率为78.96%。
本发明采用的直管式超微型水轮机是在传统的贯流式水轮机的基础上,将导叶中心线与机组水平中心线夹角约为65°的复杂的锥形导水结构改成单列环形叶栅,使其起到导流作用。把传统的进水流道、转轮室和尾水管等部件简化成直管式结构,用来放置本发明的导叶、转轮、主轴和支墩等部件。
本发明所采用的直管式超微型水轮机可固定在城市给排水***的输水管道内,其发出的电能则可以用于路灯等城市照明设施中;还可用于一些喷泉等作为景观的水循环***中,其输出的电能可以为循环水***中的水泵提供能量。
本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。应当指出:对于本技术领域的技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种直管式超微型水轮机,其包括:
进水流道(2),具有该进水流道一端的一个圆形进水孔(1)、导叶体边壁(3)、曲面型斜导叶(9)和导叶轮毂(8);
转轮室(4),具有转轮叶片(11)和主轴(5);
出水流道(7),具有该出水流道侧面的两出水孔(6),轴承(12)和支墩(13);
其中,该进水流道(2)、该导叶体边壁(3)、该转轮室(4)、该出水流道(7)和该支墩(13)为一体成型,该导叶(9)与导叶体边壁(3)和导叶轮毂(8)固定连接成一个整体,该轮毂(8)再通过间隙配合固定在该主轴(5)上;该转轮叶片(11)可拆卸地固定连接在转轮轮毂(10)上,该转轮轮毂(10)通过轴套固定在该主轴(5),该主轴(5)的一端通过间隙配合与该轴承(12)联接,该轴承(12)以过盈配合固定在该支墩(13)上。
2.根据权利要求1所述的直管式超微型水轮机,其特征在于:该进水流道(2)、导叶体边壁(3)和转轮室(4)为一直筒型外壳管道,该进水孔(1)的直径与该管道直径相同。
3.根据权利要求1所述的直管式超微型水轮机,其特征在于:该导叶(9)和该转轮叶片(11)不相互平行。
4.根据权利要求1所述的直管式超微型水轮机,其特征在于:该导叶(9)具体为两端等厚度、等弦长的翼型叶片,该翼型叶片的翼弦与管道轴线夹角约为25°~30°,相对翼型厚度为0.067~0.068。
5.根据权利要求1-4任一项所述的直管式超微型水轮机,其特征在于:该导叶的叶片数为4~6片。
6.根据权利要求1所述的直管式超微型水轮机,其特征在于:该转轮叶片(11)具体为不等厚度、不等弦长的翼型叶片,该转轮叶片(11)呈扭曲状,在靠近该转轮室(4)一端的翼型弦长为靠近该轮毂(10)端翼型弦长的1.8~2.0倍,该转轮叶片(11)的包角为80°,该转轮叶片(11)的相对厚度范围为0.046~0.047。
7.根据权利要求6所述的直管式超微型水轮机,其特征在于:该转轮叶片(11)靠近该轮毂(10)侧翼型的翼弦与管道轴线夹角约为45°~50°,该翼型相对厚度为0.086~0.092;靠近转轮室(4)侧翼型的翼弦与管道轴线的夹角约为67°~72°,该翼型相对厚度为0.229~0.232,该转轮轮毂(10)直径与转轮直径的比值约为0.397~0.403。
8.根据权利要求1-4、6、7任一项所述的直管式超微型水轮机,其特征在于:该转轮叶片(11)的数量为4~6片。
9.根据权利要求1-4、6、7任一项所述的直管式超微型水轮机,其特征在于:该出水流道(7)两侧的该出水孔(6)与该进水孔(1)直径相同,该出水孔(6)的直径与转轮直径的比值约为0.717~0.723,该主轴(5)直径与该转轮直径的比值约为0.237~0.243。
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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