變容積式調速水泵水輪機的製作方法

2023-09-23 04:58:50

專利名稱：變容積式調速水泵水輪機的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種水泵水輪機，尤其涉及一種變容積式調速水泵水輪機。
背景技術：
當今世界上的主要的常規發電技術包括火力發電、水力發電、原子能發電等。火力發電消耗大量的煤炭這種不可再生資源，成本隨煤炭存儲量的減少而增長，而且汙染環境。核電機組運行費用低，但一旦發生核燃料洩漏事故，將造成嚴重的後果，而且燃燒廢料的後期處理難。風カ發電穩定性和連續性較差，影響併網後電カ系統的平衡和安全穩定。水力發電具有啟動靈活、爬坡速度快，提高電網運行的協調性以及安全穩定性等特點，應用之廣僅次於火力發電，具有很高的機械效率。常用的水輪機按結構分為反擊式和衝擊式水輪機，其原 理是把水流的動量或衝量傳遞給轉輪使轉輪旋轉來推動水輪機組發電。以衝擊式水輪機為例水輪機在穩定エ況下的基本方程是
P=沿匕)/g，其中/7是水流對葉輪的功率*是水的容重r是水在單位時間的
流過葉輪的體積，g是重力加速度，M1和匕i是入射水流的初速度ゝ的切向分量和水流射
入點的葉輪旋轉線速度，岣和匕2是尾水離開葉輪時的切向速度和葉輪出水點的旋轉線速度。把水的容重、密度與加速度的關係和単位時間的水流質量m、密度和體積的關係帶入基本方程，可得P=ろ匕3)。假定尾水在葉輪軸心處離開，此處線速度匕2為零，則有
P = mu1VsA。與p = mv2!2比較得當水流射入處葉輪線速度=A/2吋，轉化效率最高。
但實際情況是％ 0且ら<叫/2 (定槳式)，效率較低。轉槳式葉輪可近似滿足
匕= ^/2.，但結構複雜，調節不方便。因此，有必要開發轉化效率更高的水輪機，以得到更高水力發電的效率。中國專利公開號CN1292457A公開了ー種容積式水輪機，該容積式水輪機利用堵截的方法使水流對轉輪單向施加壓カ而旋轉。採用直接傳動低速發電機做功，使水頭勢能幾乎不損失的水頭靜壓為轉輪做功。由於轉換原理是能量守恆，因此效率比常用水輪機稍高。但其水輪機有兩個顯著缺點1、不能調速，因此不便於同步併網；2、只能作為發電機的原動機而不能兼作水泵抽水蓄能。抽水蓄能電站在電カ系統中最可靠、最經濟，是新能源發展的重要組成部分，具有巨大的發展空間。它能降低核電機組運行維護費用，延長機組壽命，減少風電對電網的衝擊，提高電網的協調性與安全穩定性。因此，有必要開發ー種水泵水輪機，它既可以方便調速，又可以調峰，在用電高峰期發電又可以在用電低谷期抽水蓄能；以此提高電カ系統的穩定性和可靠性。四機分置式和三機直聯式抽水蓄能成本高。ニ機可逆式是由一臺可逆式水泵水輪機和一臺發電電動機組成，這種機組可以雙向旋轉，它向ー個方向旋轉時作發電運行，而向另ー個方向旋轉時作抽水運行。兩個狀態的轉換需要轉輪先停止，再反向旋轉，因此響應速度慢，對水機系統衝擊大，抽水量也不易控制。中國專利公開號201210255277X公開了ー種容積式水泵水輪機，徑向調節輻板的徑向長度，就可以調節過水腔寬度及其橫截面積或過水腔容積，從而調節水流量和輪機旋轉カ矩及轉速。此方法克服了一般水輪機的以上缺點，發電-抽水蓄能狀態的過渡轉換更迅速。但還存在兩個不足之處1.出力不穩定，周期性變化。在轉輪旋轉過程中，輻板受到高水頭壓カ的部分其面積隨轉輪旋轉而變化,導致出力有波動。2.轉輪徑向受カ大。轉輪一個側面連接進水管，受高水頭壓力，另ー側面與出水管連接，受負壓；其壓カ差較大，這對轉輪軸承十分不利。因此，有必要開發出力穩定、更合理的水泵水輪機
發明內容

為了克服現有的利用動量矩守恆原理的用水對葉輪衝擊カ或者反衝カ來推動水輪機發電的難以達到更高效率、調速困難和出力不穩定和對水機系統衝擊大等缺點，本發明提供了一種採用改變輻板軸向長度的辦法來調速的變容積式調速水泵水輪機。為了解決上述技術問題，本發明採用了如下技術方案
變容積式調速水泵水輪機，包括蝸殼、上蓋板、下蓋板、轉輪、輻板、進水管和出水管；
所述蝸殼呈柱形直通結構，內表面在圓周上依次劃分成進水面、受壓工作面、出水面、阻水面、進水面、受壓工作面、出水面和阻水面共八個面；兩個受壓工作面各佔圓周的1/4並相對蝸殼的軸線對稱布置；兩個阻水面的弧長相等並相對蝸殼的軸線對稱布置，兩個阻水面的中心連線與兩個受壓工作面的中心連線垂直；受壓工作面和阻水面同軸心，受壓エ作面的內半徑比阻水面的內半徑大；進水面和出水面是連接受壓工作面和阻水面的平滑過渡面；
所述進水面的外側連接進水管，所述出水面的外側連接出水管，進水面和出水面上均設有多個通孔；
所述轉輪為圓柱形並設置在蝸殼內，轉輪的外圓面與蝸殼的阻水面同軸心且滑動接觸，與蝸殼的受壓工作面之間形成過水空腔；轉輪上均布設有多個徑向開的槽I，每個槽I內設有ー彈簧和ー輻板，輻板與轉輪的兩端面齊平，彈簧壓在輻板上並使輻板可徑向向外伸出且在轉輪的旋轉帶動下始終與蝸殼的內壁滑動接觸；
所述上蓋板套在轉輪的外圓上並與轉輪徑向固定、軸向可滑動配合，上蓋板與蝸殼的上端面滑動接觸並對蝸殼的上端進行密封；所述下蓋板位於轉輪的下方並與轉輪的下端面滑動接觸，下蓋板與蝸殼的內表面徑向固定、軸向可滑動配合，下蓋板並對蝸殼的下端進行密封；
所述蝸殼的受壓工作面、轉輪的外圓面、上蓋板和下蓋板之間形成過水腔。作為本發明的一種優選方案，所述上蓋板開有槽II，輻板伸出該槽II並與蝸殼的內壁滑動接觸。與現有技術相比，本發明的變容積式調速水泵水輪機具有以下優點
I、變容積式調速水泵水輪機工作原理是高水頭勢能對輻板的壓カ直接作功的能量守恆原理，而不是現有輪機的動量矩守恆的工作原理；當轉輪轉速很低時，高水頭水壓幾乎無損失地作用於輻板上，直接對輻板或轉輪做功，並且尾水(即出水)帶走的動能少，能量轉化效率高。2、變容積式調速水泵水輪機，在軸向調節下蓋板的位置，就能調節過水腔的橫截面積，從而調節水流量、輪機旋轉カ矩及轉速；當高壓水從進水管進入輪機，對輻板施加水壓，帶動轉輪旋轉，此時輪機工作在聯網發電狀態；當轉輪在電動機的帶動下反向旋轉，則輪機工作在聯網抽水蓄能狀態；兩個狀態都可方便流量調節。3、受壓工作面的弧長度不能太小，以保證進水管和出水管在任何情況下都受到輻板的隔離而不直接連通；並使輻板在此區域受到的水壓穩定，保證輪機出力平穩無波動。4、輻板數量最好是4或6等偶數對稱均勻設置，進出水管也相應對稱布置，使過水腔中的水對轉輪的軸向壓カ抵消，減小軸承的壓カ；輻板數量過多時摩擦力增大並可能會使輪機縫隙過多而漏水嚴重，導致水機效率的容積效率損失過大。


圖I為變容積式調速水泵水輪機的結構示意圖。附圖中I ー槽I ; 2—轉輪；3—輻板；4 ー上蓋板；5 —出水管；6—進水管；7—進水面；8一蝸殼；9一下蓋板；10—受:壓工作面；11一出水面；12—出水管；13—阻水面；14 ー進水管。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進ー步說明。如圖I所示，變容積式調速水泵水輪機包括蝸殼8、上蓋板4、下蓋板9、轉輪2、輻板3、進水管6、進水管14、出水管5、和出水管12。蝸殼8呈柱形直通結構，蝸殼8的內表面在圓周上依次劃分成進水面7、受壓工作面10、出水面11、阻水面13、進水面、受壓工作面、出水面和阻水面八個部分。每個阻水面13與相鄰的進水面7和出水面11共佔圓弧的1/4弱，每個受壓工作面10佔圓弧的1/4。受壓工作面10和阻水面13同軸心，但受壓工作面10的內半徑比阻水面13的內半徑稍大；進水面7和出水面11是連接受壓工作面10和阻水面13的過渡面，進水面7的外側連接進水管6，出水面11的外側連接出水管12，進水面7和出水面11上均設有多個通孔。轉輪2為圓柱形，轉輪2安裝在蝸殼8內，轉輪2的外圓面與蝸殼8的阻水面13同軸心且滑動接觸，轉輪2的外圓面與蝸殼8的受壓工作面之間形成過水空腔。轉輪2上均布設有多個徑向開的槽I 1，每個槽I I內設有ー彈簧和ー輻板3，輻板3與轉輪2兩端面齊平，彈簧的一端壓在槽I I的內端，彈簧的另一端壓在輻板3上並使輻板3可徑向向外伸出並在轉輪2的旋轉帶動下始終與蝸殼8內壁滑動接觸。上蓋板4套在轉輪2的外圓面上並與轉輪2徑向固定、軸向可滑動配合(即上蓋板4隨轉輪2同步旋轉，與轉輪2在軸向滑動接觸)，上蓋板4與蝸殼8上端面滑動接觸，並對蝸殼8上端進行封堵。上蓋板4開有槽II，方便輻板3在徑向伸出該槽II並始終與蝸殼8內壁滑動接觸。下蓋板9位於轉輪2的下方，並與轉輪2的下端面滑動接觸。下蓋板9與蝸殼8內表面徑向固定、軸向可滑動配合(即下蓋板9可沿蝸殼8內壁在軸向上下滑動接觸)，蝸殼8對轉輪2下端面處的蝸殼8柱形直通結構進行封堵。蝸殼8的受壓工作面10、轉輪2的外圓面、上蓋板4和下蓋板9之間形成過水腔。軸向調節下蓋板9的位置，就能調節受壓輻板3的高度及過水腔的橫截面積，就能調節過水腔容積，從而調節過水流量、輪機旋轉カ矩及轉速。當高壓水從進水管6和進水管14進入輪機，對輻板3施加水壓，帶動轉輪2旋轉，此時輪機工作在聯網發電狀態；當轉輪2在電動機的帶動下反向旋轉，則輪機工作在聯網抽水蓄能狀態。最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗g和範圍，其均應涵蓋在本 發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.變容積式調速水泵水輪機，其特徵在於包括蝸殼(8)、上蓋板(4)、下蓋板(9)、轉輪(2)、福板(3)、進水管(6、14)和出水管(5、12)；所述蝸殼(8)呈柱形直通結構，內表面在圓周上依次劃分成進水面(7)、受壓工作面(10)、出水面(11)、阻水面(13)、進水面、受壓工作面、出水面和阻水面共八個面；兩個受壓工作面(10)各佔圓周的1/4並相對蝸殼(8)的軸線對稱布置；兩個阻水面(13)的弧長相等並相對蝸殼(8)的軸線對稱布置，兩個阻水面(13)的中心連線與兩個受壓工作面(10)的中心連線垂直；受壓工作面(10)和阻水面(13)同軸心，受壓工作面(10)的內半徑比阻水面(13)的內半徑大；進水面(7)和出水面(11)是連接受壓工作面(10)和阻水面(13)的平滑過渡面；所述進水面(7)的外側連接進水管(6)，所述出水面(11)的外側連接出水管(12)，進水面(7 )和出水面(11)上均設有多個通孔；所述轉輪(2)為圓柱形並設置在蝸殼(8)內，轉輪(2)的外圓面與蝸殼(8)的阻水面(13)同軸心且滑動接觸，與蝸殼(8)的受壓工作面之間形成過水空腔；轉輪(2)上均布設有多個徑向開的槽I (1)，每個槽I (I)內設有ー彈簧和ー輻板(3)，輻板(3)與轉輪(2)的兩端面齊平，彈簧壓在輻板(3)上並使輻板(3)可徑向向外伸出且在轉輪(2)的旋轉帶動下始終與蝸殼(8)的內壁滑動接觸；所述上蓋板(4)套在轉輪(2)的外圓上並與轉輪(2)徑向固定、軸向可滑動配合，上蓋板(4)與蝸殼(8)的上端面滑動接觸並對蝸殼(8)的上端進行密封；所述下蓋板(9)位於轉輪(2)的下方並與轉輪(2)的下端面滑動接觸，下蓋板(9)與蝸殼(8)的內表面徑向固定、軸向可滑動配合，下蓋板(9)並對蝸殼(8)的下端進行密封；所述蝸殼(8)的受壓工作面(10)、轉輪(2)的外圓面、上蓋板(4)和下蓋板(9)之間形成過水腔。
2.根據權利要求I所述的變容積式調速水泵水輪機，其特徵在於所述上蓋板(4)開有槽II，輻板(3 )伸出該槽II並與蝸殼(8 )的內壁滑動接觸。
全文摘要
本發明公開了一種變容積式調速水泵水輪機，包括蝸殼、上蓋板、下蓋板、轉輪、輻板、進水管和出水管；蝸殼的內表面在圓周上劃分成進水面、受壓工作面、出水面、阻水面、進水面、受壓工作面、出水面和阻水面；受壓工作面比阻水面的內半徑大，進、出水面是兩者的圓弧過渡；轉輪的外圓面與蝸殼的阻水面滑動接觸，轉輪上均布多個徑向槽，槽內設彈簧和輻板；上蓋板套在轉輪外，與轉輪徑向固定、軸向可滑動配合，對蝸殼的上端密封；下蓋板與轉輪的下端面滑動接觸，與蝸殼的內表面徑向固定、軸向可滑動配合，對蝸殼的下端進行密封。軸向調節下蓋板的位置，就可以調節過水腔高度及其橫截面積或過水腔容積，從而調節水流量和輪機旋轉力矩及轉速。
文檔編號F04C2/344GK102828896SQ20121035133
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月20日 優先權日2012年9月20日
發明者古亮, 李山, 陳新崗, 劉述喜, 劉偉, 雷紹蘭, 胡曉倩, 賀娟 申請人:重慶理工大學