CN107299874B - 一种带双离合机构的轴流式水泵水轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带双离合机构的轴流式水泵水轮机，由进水喇叭管、进口导叶、离合式叶轮机构、离合式导叶机构、出口导叶、弯管泵体和电机/发电机组成，其中轴流泵的导叶基于水轮机的设计，在叶轮和导叶的内部均设有离合结构，当电机带动主轴旋转的水泵工况时，离合器带动叶轮的旋转做功，导叶的离合结构处于分离状态，导叶不旋转；当水流倒流时，导叶作为水轮机叶轮带动主轴对发电机做功，而轴流叶轮作为导叶，内部的离合结构分离，不带动其旋转，采用这种双离合结构保大大提高了机组的稳定性，且其具有结构简单，可靠性高，易安装等特点。

Description

一种带双离合机构的轴流式水泵水轮机
技术领域
本发明涉及水泵水轮机，特别涉及到一种带双离合机构的轴流式水泵水轮机。
背景技术
水泵水轮机是20世纪30年代出现的新型抽水蓄能机组，与水轮机和水泵串联的蓄能机组相比，其重量大为减轻，造价降低，因而得到广泛应用。转轮正向旋转时作为泵使用，反向旋转时作为水轮机使用的可逆式水力机械。是抽水蓄能电站的动力设备。水泵水轮机与反击式水轮机的适用水头范围基本一致。其通流部件的几何形状与水轮机有所不同，但是主要部件和结构在许多方面是相仿的。为满足水泵和水轮机两种运行工况的要求，水泵水轮机比相同水头和容量的水轮机尺寸大。水泵水轮机今后的趋向是扩大单级转轮的使用水头，提高比转速，增加单机容量和优化水泵工况起动方法。水泵水轮机的分类与反击式水轮机相仿，按水流途径分混流式、斜流式和贯流式三种。
人们对于电力需求的不断增大，为了能够更加高效合理的利用清洁能源，兼具发电和蓄能作用的高稳定性的水泵水轮机起到了十分重要的作用，由于水泵水轮机的水头和转速均较高且启动、停机频繁，但其在变换工况过程中出现的不稳定现象，将严重影响机组的稳定性。为了提高水泵水轮机的机组稳定性，本发明提供一种带双离合机构的轴流式水泵水轮机结构，轴流泵的导叶基于水轮机的设计，在叶轮和导叶的内部均设有离合结构，当电机带动主轴旋转的水泵工况时，离合器带动叶轮的旋转做功，导叶的离合结构处于分离状态，导叶不旋转；当水流倒流时，导叶作为水轮机叶轮带动主轴对发电机做功，而轴流叶轮作为导叶，内部的离合结构分离，不带动其旋转，采用这种结构大大提高了机组的稳定性。
发明内容
本发明提供一种带双离合机构的轴流式水泵水轮机结构，其设计原理为：轴流泵的导叶基于水轮机的设计，在叶轮和导叶的内部均设有离合结构，当电机带动主轴旋转的水泵工况时，离合器带动叶轮的旋转做功，导叶的离合结构处于分离状态，导叶不旋转；当水流倒流时，导叶作为水轮机叶轮带动主轴对发电机做功，而轴流叶轮作为导叶，内部的离合结构分离，不带动其旋转。
实现上述目的所采用的技术方案是：
本发明所述的一种带双离合机构的轴流式水泵水轮机，所述的轴流式水泵水轮机由进水喇叭管、进口导叶、离合式叶轮机构、离合式水轮机机构、出口导叶、弯管泵体和电机与发电机一体装置组成，具体由进口导叶直叶片、套管一、进口导叶轮毂、棘牙、弹簧一、键一、叶轮轮毂、轴流叶片、离合机构一、平面滑动轴承座圈一、平面滑动轴承座圈二、限位卡环、平面滑动轴承座圈三、平面滑动轴承座圈四、弹簧二、键二、离合机构二、水轮机叶片、水轮机轮毂、销、套管二、套管三、出口导叶直叶片、出口导叶轮毂、传动轴、进水喇叭管、弯管泵体、联轴器、电机与发电机一体装置、特殊棘轮、滑动轴承一、滑动轴承二等三十二个部分组成，其中离合式叶轮机构由弹簧一、键一、叶轮轮毂、轴流叶片、离合机构一、平面滑动轴承座圈一、平面滑动轴承座圈二七部分组成，离合式水轮机机构由平面滑动轴承座圈三、平面滑动轴承座圈四、弹簧二、键二、离合机构二、水轮机叶片、水轮机轮毂、销八部分组成；
所述的特殊棘轮与叶轮轮毂固定安装，特殊棘轮与进口导叶轮毂的一端滑动接触，特殊棘轮的一端有棘齿，与安装在进口导叶轮毂内部的棘牙相互啮合工作，所述的离合式叶轮机构的离合机构为单向离合器，离合机构一与叶轮轮毂相接触的端部都为环形齿状结构相互啮合工作，使离合式叶轮机构只能在水泵工况的单向旋转；
所述的离合式水轮机机构的离合机构为单向离合器，离合机构二与水轮机轮毂相接触的端部相接触的端部都为环形齿状结构相互配合工作，销固定在水轮机轮毂上与出口导叶轮毂一端的弧形槽相互配合工作，使离合式水轮机机构只能在水轮机工况的单向旋转；
所述的出口导叶轮毂和特殊棘轮的内表面与传动轴的外表面不接触，叶轮轮毂、离合机构一、离合机构二和水轮机轮毂与传动轴之间的配合为大间隙配合，平面滑动轴承座圈一与平面滑动轴承座圈四均为阶梯圆台形结构，平面滑动轴承座圈一的外端面与叶轮轮毂的一端过渡配合，平面滑动轴承座圈一的内表面与传动轴的外表面大间隙配合，平面滑动轴承座圈四的外端面与水轮机轮毂的一端过渡配合，平面滑动轴承座圈四的内表面与传动轴的外表面大间隙配合，平面滑动轴承座圈二和平面滑动轴承座圈三的内表面与传动轴的外表面不接触；
所述的传动轴设有卡槽，限位卡环安装在卡槽上，限位卡环对离合式叶轮机构在传动轴的位置进行定位，限位卡环限制离合式水轮机机构在传动轴的移动位移范围；
所述的带双离合机构的轴流式水泵水轮机，在水泵工况工作时，电机带动传动轴旋转，传动轴带动离合机构一的旋转，离合机构一与叶轮轮毂处于闭合的状态，从而离合机构一带动叶轮轮毂和轴流叶片的旋转，而特殊棘轮的棘齿与棘牙不工作，保证离合机构一的单向旋转，而离合式水轮机机构在水冲力的作用下，向上出口导叶轮毂方向移动，水轮机轮毂上的销卡在出口导叶轮毂的弧形槽内，且弹簧二被压缩，离合机构二与水轮机轮毂处于分离状态，使离合式水轮机机构不旋转；在水轮机工况时，在水冲力的作用下，离合式水轮机机构向限位卡环的方向移动，水轮机轮毂与出口导叶轮毂分离，离合机构二与水轮机轮毂组成的离合机构处于闭合的状态，从而离合式水轮机机构带动传动轴的旋转，相较与水泵工况传动轴反方向旋转，弹簧一被压缩，离合机构一与叶轮轮毂处于分离的状态，而特殊棘轮的棘齿与棘牙处于咬合状态，使离合式叶轮部分停止旋转。
所述的轴流式水泵水轮机，销的圆周截面展开图为扇形结构，出口导叶轮毂的弧形槽深度由浅到深过渡；叶轮轮毂为台阶形结构，内部台阶上设为环形锯齿结构，与离合机构一上的环形锯齿结构相啮合；水轮机轮毂为台阶形结构，内部台阶上设为环形锯齿结构，与离合机构二上的环形锯齿结构相啮合。
所述的轴流式水泵水轮机，轴流叶片为轴流式叶片，采用轴流泵的设计方法对叶片进行水力设计，水轮机叶片为轴流式水轮机叶片，采用水轮机的设计方法对叶片进行水力设计，进口导叶和出口导叶的叶片均为直叶片，在离合式水泵叶轮机构和离合式水轮机机构之间的平面滑动轴承的厚度为轴流叶片最大外径的0.08至0.12倍；分别在离合机构一和离合机构二设有键槽，弹簧一和弹簧二端部均安装有轴承座，保证弹簧的所受扭矩不会过大而发生损坏，以及减小壁面弹簧与接触面之间的磨损。
本发明的有益效果为：
(1)轴流式水泵水轮机正流可做水泵，逆流可做水轮机，且采用双离合结构保证了泵工况与水轮机工况的正常运行，且其具有结构简单，可靠性高，易安装等特点。
(2)本发明经用户试用，反应效果良好，实用性良好。
附图说明
图1是本发明一种带双离合机构的轴流式水泵水轮机结构原理图。
图2是本发明一实施例的带双离合机构的轴流式水泵水轮机组装简图。
图3是本发明一实施例的A-A截面的水轮机轮毂上的销与出口导叶轮毂上的弧形槽的工作结构原理图。
图4是本发明一实施例的进口导叶轮毂上棘牙与特殊棘轮的棘齿的工作原理图。
图5是本发明一实施例的水泵工况的离合器工作原理图。
图6是本发明一实施例的水轮机工况的离合器工作原理图。
图中：1.进口导叶直叶片，2.套管一，3.进口导叶轮毂，4.棘牙，5.弹簧一(5)，6.键一，7.叶轮轮毂，8.轴流叶片，9.离合机构一，10.平面滑动轴承座圈一，11.平面滑动轴承座圈二，12.限位卡环，13.平面滑动轴承座圈三，14.平面滑动轴承座圈四，15.弹簧二，16.键二，17.离合机构二，18.水轮机叶片，19.水轮机轮毂，20.销，21.套管二，22.套管三，23.出口导叶直叶片，24.出口导叶轮毂，25.传动轴，26.进水喇叭管，27.弯管泵体，28.联轴器，
29.电机与发电机一体装置，30.特殊棘轮，31.深沟球轴承。
具体实施方式
图1至图6为本发明涉及一种带双离合机构的轴流式水泵水轮机结构原理图，所述的轴流式水泵水轮机由进水喇叭管、进口导叶、离合式叶轮机构、离合式水轮机机构、出口导叶、弯管泵体和电机与发电机一体装置组成，具体由进口导叶直叶片(1)、套管一(2)、进口导叶轮毂(3)、棘牙(4)、弹簧一(5)、键一(6)、叶轮轮毂(7)、轴流叶片(8)、离合机构一(9)、平面滑动轴承座圈一(10)、平面滑动轴承座圈二(11)、限位卡环(12)、平面滑动轴承座圈三(13)、平面滑动轴承座圈四(14)、弹簧二(15)、键二(16)、离合机构二(17)、水轮机叶片(18)、水轮机轮毂(19)、销(20)、套管二(21)、套管三(22)、出口导叶直叶片(23)、出口导叶轮毂(24)、传动轴(25)、进水喇叭管(26)、弯管泵体(27)、联轴器(28)、电机与发电机一体装置(29)、特殊棘轮(30)、滑动轴承一(31)、滑动轴承二(32)三十二个部分组成，其中离合式叶轮机构由弹簧一(5)、键一(6)、叶轮轮毂(7)、轴流叶片(8)、离合机构一(9)、平面滑动轴承座圈一(10)、平面滑动轴承座圈二(11)七部分组成，离合式水轮机机构由平面滑动轴承座圈三(13)、平面滑动轴承座圈四(14)、弹簧二(15)、键二(16)、离合机构二(17)、水轮机叶片(18)、水轮机轮毂(19)、销(20)八部分组成；
所述的特殊棘轮(30)与叶轮轮毂(7)固定安装，特殊棘轮(30)与进口导叶轮毂(3)的一端滑动接触，特殊棘轮(30)的一端有棘齿，与安装在进口导叶轮毂(3)内部的棘牙(4)相互啮合工作，所述的离合式叶轮机构的离合机构为单向离合器，离合机构一(9)与叶轮轮毂(7)相接触的端部都为环形齿状结构相互啮合工作，使离合式叶轮机构只能在水泵工况的单向旋转；
所述的离合式水轮机机构的离合机构为单向离合器，离合机构二(17)与水轮机轮毂(19)相接触的端部相接触的端部都为环形齿状结构相互配合工作，销(20)固定在水轮机轮毂(19)上与出口导叶轮毂(24)一端的弧形槽相互配合工作，使离合式水轮机机构只能在水轮机工况的单向旋转；
所述的出口导叶轮毂(24)和特殊棘轮(30)的内表面与传动轴(25)的外表面不接触，叶轮轮毂(7)、离合机构一(9)、离合机构二(17)和水轮机轮毂(19)与传动轴(25)之间的配合为大间隙配合，平面滑动轴承座圈一(10)与平面滑动轴承座圈四(14)均为阶梯圆台形结构，平面滑动轴承座圈一(10)的外端面与叶轮轮毂(7)的一端过渡配合，平面滑动轴承座圈一(10)的内表面与传动轴(25)的外表面大间隙配合，平面滑动轴承座圈四(14)的外端面与水轮机轮毂(19)的一端过渡配合，平面滑动轴承座圈四(14)的内表面与传动轴(25)的外表面大间隙配合，平面滑动轴承座圈二(11)和平面滑动轴承座圈三(13)的内表面与传动轴(25)的外表面不接触；
所述的传动轴(25)设有卡槽，限位卡环(12)安装在卡槽上，限位卡环(12)对离合式叶轮机构在传动轴(25)的位置进行定位，限位卡环(12)限制离合式水轮机机构在传动轴(25)的移动位移范围；
所述的带双离合机构的轴流式水泵水轮机，在水泵工况工作时，电机(29)带动传动轴(25)旋转，传动轴(25)带动离合机构一(9)的旋转，离合机构一(9)与叶轮轮毂(7)处于闭合的状态，从而离合机构一(9)带动叶轮轮毂(7)和轴流叶片(8)的旋转，而特殊棘轮(30)的棘齿与棘牙(4)不工作，保证离合机构一(9)的单向旋转，而离合式水轮机机构在水冲力的作用下，向上出口导叶轮毂(24)方向移动，水轮机轮毂(19)上的销(20)卡在出口导叶轮毂(24)的弧形槽内，且弹簧二(15)被压缩，离合机构二(17)与水轮机轮毂(19)处于分离状态，使离合式水轮机机构不旋转；在水轮机工况时，在水冲力的作用下，离合式水轮机机构向限位卡环(12)的方向移动，水轮机轮毂(19)与出口导叶轮毂(24)分离，离合机构二(17)与水轮机轮毂(19)组成的离合机构处于闭合的状态，从而离合式水轮机机构带动传动轴(25)的旋转，相较与水泵工况传动轴(25)反方向旋转，弹簧一(5)被压缩，离合机构一(9)与叶轮轮毂(7)处于分离的状态，而特殊棘轮(30)的棘齿与棘牙(4)处于咬合状态，使离合式叶轮部分停止旋转，如图5和图6所示，其中虚线框S1、S2、S3代表在水泵和水轮机不同的工况下离合器和水轮机轮毂位置所处的状态。
所述的轴流式水泵水轮机，销(20)的圆周截面展开图为扇形结构，如图3所示，出口导叶轮毂(24)的弧形槽深度由浅到深过渡，如图3所示，其中W1代表轴的水泵工况的转向，W2代表轴向向上移动；所述的轴流式水泵水轮机，叶轮轮毂(7)为台阶形结构，内部台阶上设为环形锯齿结构，与离合机构一(9)上的环形锯齿结构相啮合；水轮机轮毂(19)为台阶形结构，内部台阶上设为环形锯齿结构，与离合机构二(17)上的环形锯齿结构相啮合。
所述的轴流式水泵水轮机，轴流叶片(8)为轴流式叶片，采用轴流泵的设计方法对叶片进行水力设计，水轮机叶片(18)为轴流式水轮机叶片，采用水轮机的设计方法对叶片进行水力设计，进口导叶和出口导叶的叶片均为直叶片，在离合式水泵叶轮机构和离合式导叶机构之间的平面滑动轴承的厚度为轴流叶片(8)最大外径的0.08至0.12倍；分别在离合机构一(9)和离合机构二(17)设有键槽，弹簧一(5)和弹簧二(15)端部均安装有轴承座(g)。

Claims (6)

1.一种带双离合机构的轴流式水泵水轮机，其特征在于，所述的轴流式水泵水轮机由进水喇叭管、进口导叶、离合式叶轮机构、离合式水轮机机构、出口导叶、弯管泵体和电机与发电机一体装置组成，具体由进口导叶直叶片(1)、套管一(2)、进口导叶轮毂(3)、棘牙(4)、弹簧一(5)、键一(6)、叶轮轮毂(7)、轴流叶片(8)、离合机构一(9)、平面滑动轴承座圈一(10)、平面滑动轴承座圈二(11)、限位卡环(12)、平面滑动轴承座圈三(13)、平面滑动轴承座圈四(14)、弹簧二(15)、键二(16)、离合机构二(17)、水轮机叶片(18)、水轮机轮毂(19)、销(20)、套管二(21)、套管三(22)、出口导叶直叶片(23)、出口导叶轮毂(24)、传动轴(25)、进水喇叭管(26)、弯管泵体(27)、联轴器(28)、电机与发电机一体装置(29)、特殊棘轮(30)、滑动轴承一(31)、滑动轴承二(32)三十二个部分组成，其中离合式叶轮机构由弹簧一(5)、键一(6)、叶轮轮毂(7)、轴流叶片(8)、离合机构一(9)、平面滑动轴承座圈一(10)、平面滑动轴承座圈二(11)七部分组成，离合式水轮机机构由平面滑动轴承座圈三(13)、平面滑动轴承座圈四(14)、弹簧二(15)、键二(16)、离合机构二(17)、水轮机叶片(18)、水轮机轮毂(19)、销(20)八部分组成；
所述的特殊棘轮(30)与叶轮轮毂(7)固定安装，特殊棘轮(30)与进口导叶轮毂(3)的一端滑动接触，特殊棘轮(30)的一端有棘齿，与安装在进口导叶轮毂(3)内部的棘牙(4)相互啮合工作，所述的离合式叶轮机构的离合机构为单向离合器，离合机构一(9)与叶轮轮毂(7)相接触的端部都为环形齿状结构相互啮合工作，使离合式叶轮机构只能在水泵工况的单向旋转；
所述的离合式水轮机机构的离合机构为单向离合器，离合机构二(17)与水轮机轮毂(19)相接触的端部相接触的端部都为环形齿状结构相互配合工作，销(20)固定在水轮机轮毂(19)上与出口导叶轮毂(24)一端的弧形槽相互配合工作，使离合式水轮机机构只能在水轮机工况的单向旋转；
所述的出口导叶轮毂(24)和特殊棘轮(30)的内表面与传动轴(25)的外表面不接触，叶轮轮毂(7)、离合机构一(9)、离合机构二(17)和水轮机轮毂(19)与传动轴(25)之间的配合为大间隙配合，平面滑动轴承座圈一(10)与平面滑动轴承座圈四(14)均为阶梯圆台形结构，平面滑动轴承座圈一(10)的外端面与叶轮轮毂(7)的一端过渡配合，平面滑动轴承座圈一(10)的内表面与传动轴(25)的外表面大间隙配合，平面滑动轴承座圈四(14)的外端面与水轮机轮毂(19)的一端过渡配合，平面滑动轴承座圈四(14)的内表面与传动轴(25)的外表面大间隙配合，平面滑动轴承座圈二(11)和平面滑动轴承座圈三(13)的内表面与传动轴(25)的外表面不接触；
所述的传动轴(25)设有卡槽，限位卡环(12)安装在卡槽上，限位卡环(12)对离合式叶轮机构在传动轴(25)的位置进行定位，限位卡环(12)限制离合式水轮机机构在传动轴(25)的移动位移范围；
所述的带双离合机构的轴流式水泵水轮机，在水泵工况工作时，电机与发电机一体装置(29)带动传动轴(25)旋转，传动轴(25)带动离合机构一(9)的旋转，离合机构一(9)与叶轮轮毂(7)处于闭合的状态，从而离合机构一(9)带动叶轮轮毂(7)和轴流叶片(8)的旋转，而特殊棘轮(30)的棘齿与棘牙(4)不工作，保证离合机构一(9)的单向旋转，而离合式水轮机机构在水冲力的作用下，向上出口导叶轮毂(24)方向移动，水轮机轮毂(19)上的销(20)卡在出口导叶轮毂(24)的弧形槽内，且弹簧二(15)被压缩，离合机构二(17)与水轮机轮毂(19)处于分离状态，使离合式水轮机机构不旋转；在水轮机工况时，在水冲力的作用下，离合式水轮机机构向限位卡环(12)的方向移动，水轮机轮毂(19)与出口导叶轮毂(24)分离，离合机构二(17)与水轮机轮毂(19)组成的离合机构处于闭合的状态，从而离合式水轮机机构带动传动轴(25)的旋转，相较与水泵工况传动轴(25)反方向旋转，弹簧一(5)被压缩，离合机构一(9)与叶轮轮毂(7)处于分离的状态，而特殊棘轮(30)的棘齿与棘牙(4)处于咬合状态，使离合式叶轮部分停止旋转。
2.根据权利要求1所述的一种带双离合机构的轴流式水泵水轮机，其特征在于，销(20)的圆周截面为扇形结构，出口导叶轮毂(24)的弧形槽深度由浅到深过渡。
3.根据权利要求1所述的轴流式水泵水轮机，其特征在于，叶轮轮毂(7)为台阶形结构，内部台阶上设为环形锯齿结构，与离合机构一(9)上的环形锯齿结构相啮合；水轮机轮毂(19)为台阶形结构，内部台阶上设为环形锯齿结构，与离合机构二(17)上的环形锯齿结构相啮合。
4.根据权利要求1所述的轴流式水泵水轮机，其特征在于，轴流叶片(8)为轴流式叶片，采用轴流泵的设计方法对叶片进行水力设计，水轮机叶片(18)为轴流式水轮机叶片，采用水轮机的设计方法对叶片进行水力设计，进口导叶和出口导叶的叶片均为直叶片。
5.根据权利要求1所述的轴流式水泵水轮机，其特征在于，在离合式水泵叶轮机构和离合式水轮机机构之间的平面滑动轴承的厚度为轴流叶片(8)最大外径的0.08至0.12倍。
6.根据权利要求1所述的轴流式水泵水轮机，其特征在于，分别在离合机构一(9)和离合机构二(17)设有键槽，弹簧一(5)和弹簧二(15)端部均安装有轴承座(g)。
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