一種溪流微型發電裝置的製作方法

2023-10-05 14:23:49

本發明涉及一種溪流微型發電裝置，屬於流體機械及工程領域。

背景技術：

我國山區農村可再生能源重要組成部分之一的微水電，有著提高和改善偏遠山區農村電力供應、自然生態環境保護、扶貧濟貧等多種社會經濟效益。在微型水力資源零星散布，但電力供給嚴重不足且供電成本極高的偏遠山區農村，建設微水電機組設備，是解決農村農產生活用電，是一種小投資，快收益問題的良好辦法之一。

微水電是其他能源無可取代的一種農村微型可再生能源。它除了被廣泛地應用於山區、農村外，還可用於冷卻塔、自來水廠等具有多餘水頭落差的地方，可用於高層建築物的採暖、照明發電。微水電的利用既有著它的現實經濟意義，而更重要的是其社會效益。綜上所述，開發適用於微水能的微型水力發電裝置具有著重要的意義。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的缺陷，提供一種溪流微型發電裝置，在簡單處理山區溪流地基的情況下，安置好溪流發電裝置即可發電。

為解決上述技術問題，本發明提供一種溪流微型發電裝置，由進口流道、轉輪室、出口流道、轉輪葉片、輪轂、支撐柱、主軸、發電機及發電機室組成；所述進水流道採用圓形收縮管，進、出口截面形狀都為圓形；所述轉輪室斷面為圓形；所述出口流道採用圓變方的截面變換形式，進口為圓形，出口為矩形；所述進口流道、轉輪室和出口流道構成整個流道，整個流道根據山區溪流渠道的傾角θ臥式放置在山區溪流渠道中，傾角θ根據地形布置；所述轉輪葉片和輪轂構成轉輪，位於轉輪室內，所述輪轂為球形狀，與轉輪葉片直接相連構成旋轉體，所述轉輪葉片共有個，均勻的布置於輪轂上；所述主軸一端與輪轂相連，另一端直接與發電機相連接，所述轉輪葉片和輪轂一起繞著主軸旋轉；所述發電機布置在發電機室內，發電機室通過支撐柱固定於出口流道上，同時將發電機的輸出電線通過支撐柱內空心管路引出；所述轉輪葉片為空間扭曲狀，每個轉輪葉片的空間造型通過五個封閉的空間翼型曲線而得到，將空間翼型曲線展開得到平面翼型，每條平面翼型曲線由上下兩條曲線組成；所述五條平面翼型曲線的特徵點如下表所示：

其中，ln表示第n個平面翼型曲線，n＝1、2、3、4、5，xu表示平面翼型曲線上曲線特徵點的橫坐標，xd表示平面翼型曲線下曲線特徵點的橫坐標，y表示對應點的縱坐標；

所述5條平面翼型曲線共上下10條曲線擬合後的方程如下：

l1上曲線：yu＝-0.011x2-2.84x+35.59

l1下曲線：yd＝-2.97x-0.86

l2上曲線：yu＝-0.0123x2-2.27x+47.09

l2下曲線：yd＝-0.0005x2-2.46x+1.69

l3上曲線：yu＝-4e-05x3-0.0107x2-1.58x+50.26

l3下曲線：yd＝-0.0013x2-1.91x+3.31

l4上曲線：yu＝-5e-05x3-0.0089x2-0.98x+48.51

l4下曲線：yd＝-0.0017x2-1.32x+3.97

l5上曲線：yu＝-4e-05x3-0.0072x2-0.36x+48.90

l5下曲線：yd＝-0.0025x2-0.66x+11.69。

前述的進水流道的收縮角為10°。

前述的轉輪室的斷面的直徑d1的範圍為300～1000mm。

前述的出口流道的擴散角為15°。

前述的進口流道長度、轉輪室長度、出口流道長度、轉輪室斷面直徑的比值為0.56:0.33:2:1；

所述輪轂直徑與轉輪室截面直徑的比值關係為0.35。

前述的傾角θ取5°～30°。

前述的支撐柱有4個，所述支撐柱採用對稱翼型形狀的柱體。

前述的每個轉輪葉片的5條空間翼型曲線沿轉輪葉片徑向均勻分布，相鄰空間翼型曲線間距為1/6d，其中，d為轉輪室截面直徑的一半。

前述的在製造時，首先，根據山區溪流的寬度深度及流量，確定轉輪直徑d1，然後根據進口流道長度，轉輪室長度，出口流道長度與轉輪直徑的比值關係，以及輪轂直徑與轉輪直徑的比值關係，確定流道長度，轉輪室長度，出口流道長度和輪轂直徑。

前述的在製造時，對於轉輪葉片，可按照特徵點進行擬合或者按照特徵曲線進行擬合。

相比於現有技術，本發明具有的有益效果為：

本發明裝置沒有應用水頭的要求，且裝置結構簡單緊湊，運維方便，該微型水力發電裝置發電裝置具有較好的水力性能，同時具備較好的能量性能，土建成本低，可以簡單處理山區溪流地基，安置好溪流發電裝置即可發電。

本發明裝置核心部件轉輪葉片的設計，採用線性環量分布與流線法進行設計，具有較好的水力性能和能量性能。水流在裝置流道內的流動具有較好的流態，流動的水力損失較小，在運行時水能轉換發電的效率比較高，可達70％以上。

附圖說明

圖1為本發明的溪流微型發電裝置的整體結構圖；

圖2為溪流微型發電裝置的轉輪的三維結構圖；

圖3為溪流微型發電裝置的流道的結構圖；

圖4為流道的三維結構圖；

圖5為轉輪葉片的翼型空間曲線及擬合方程圖；圖5(a)為l1曲線，圖5(b)為l2曲線，圖5(c)為l3曲線，圖5(d)為l4曲線，圖5(e)為l5曲線；

圖6為單個轉輪葉片的正視圖；圖6(a)為平面圖，圖6(b)為五個封閉空間翼型曲線；

圖7為單個轉輪葉片的結構圖；圖7(a)三維空間圖，圖7(b)為五個封閉翼型曲線空間布置俯視圖；

圖8為轉輪葉片和輪轂的正視圖。

具體實施方式

下面對本發明作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護範圍。

本發明的溪流微型發電裝置布置在山區常年有溪流流道中，結構具體如圖1所示，由進口流道1、轉輪室2、出口流道5、轉輪葉片4、輪轂3、支撐柱6、主軸、發電機及發電機室7組成。

如圖3和圖4所示，進水流道1採用圓形收縮管，進、出口截面形狀都為圓形，進口流道1的收縮角α取10°，轉輪室2斷面為直徑d1的圓形，d1可以取300～1000mm。出口流道5採用圓變方的截面變換形式，進口為圓形，出口為矩形，出口流道的擴散角β為15°。進口流道1、轉輪室2和出口流道5構成整個流道，其長度分別為a1、a2、a3，a1:a2:a3:d1＝0.56:0.33:2:1。

如圖1所示，流道根據山區溪流渠道的傾角θ臥式放置在山區溪流渠道8中，傾角θ根據地形布置，取5°～30°為宜。

如圖2和圖8所示，本發明裝置的轉輪包括轉輪葉片4和輪轂3兩個部分，輪轂3為球形狀，與轉輪葉片4直接相連構成旋轉體，轉輪葉片共有3個，均勻的布置於輪轂3上。主軸一端與輪轂3相連，另一端直接與發電機相連接，轉輪葉片和輪轂一起繞著發電裝置的主軸旋轉。輪轂直徑dg與轉輪室直徑d1比值為0.35。發電機布置在發電機室7內，發電機室7通過支撐柱6固定於流道上，本發明共設有4個支撐柱，分別為6-1，6-2，6-3和6-4，支撐柱採用對稱翼型形狀的柱體，將發電機室固定在出口流道5中，同時將發電機的輸出電線通過支撐柱內空心管路引出。

輪轂和轉輪葉片位於轉輪室2內，轉輪室2的直徑也就是轉輪的直徑。轉輪葉片整體為空間扭曲狀，轉輪葉片進口邊處較厚，出口邊處較薄，轉輪葉片數選為3個；轉輪葉片空間造型通過五個封閉空間翼型曲線而得到，這五個空間翼型曲線沿發電裝置旋轉半徑方向按一定規律分布，對於每個空間翼型曲線採用流線法設計，將工作面型線與加厚面的型線首尾相接形成封閉曲線，並按一定方法轉換為空間曲線，將空間翼型展開得到平面翼型，每個翼型由上下兩條曲線組成，五條平面翼型曲線的特徵點如下表所示：

其中，ln表示第n個平面翼型曲線(n＝1、2、3、4、5)，其中xu表示上部翼型特徵點的橫坐標，xd表示下部翼型特徵點的橫坐標，y表示對應點的縱坐標。

5個翼型共10條曲線擬合後的方程如下：

l1上曲線：yu＝-0.011x2-2.84x+35.59

l1下曲線：yd＝-2.97x-0.86

l2上曲線：yu＝-0.0123x2-2.27x+47.09

l2下曲線：yd＝-0.0005x2-2.46x+1.69

l3上曲線：yu＝-4e-05x3-0.0107x2-1.58x+50.26

l3下曲線：yd＝-0.0013x2-1.91x+3.31

l4上曲線：yu＝-5e-05x3-0.0089x2-0.98x+48.51

l4下曲線：yd＝-0.0017x2-1.32x+3.97

l5上曲線：yu＝-4e-05x3-0.0072x2-0.36x+48.90

l5下曲線：yd＝-0.0025x2-0.66x+11.69。

圖5(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別為轉輪葉片外緣側至輪轂側的五個翼型及其擬合方程，每個翼型由兩條曲線構成，上部曲線yu和下部曲線yd，兩條曲線構成封閉的曲線為轉輪葉片的翼型，共五條分別為l1、l2、l3、l4、l5，上部曲線yu和下部曲線yd的擬合方程如圖中右上角和左下角。

如圖6所示為單個轉輪葉片的正視圖，(a)為平面圖，(b)為五個封閉翼型曲線，轉輪葉片為空間扭曲曲面。轉輪葉片空間造型通過五個封閉翼型曲線而得到，翼型曲線l1、l2、l3、l4、l5的分布如圖，每個翼型曲線等距離劃分，相鄰翼型曲線間距為1/6d，其中，d為轉輪室直徑的一半，即d＝1/2d1，對於每個翼型曲線採用流線法設計，將工作面型線與加厚面的型線首尾相接形成封閉曲線，並按一定方法轉換為空間曲線。

如圖7所示為單個轉輪葉片的俯視圖，(a)為單個轉輪葉片三維空間圖，(b)單個轉輪葉片由五個封閉翼型曲線空間布置俯視圖，l1、l2、l3、l4、l5分別表示上述五個空間翼型曲線。

本發明的主要尺寸的選型、製造、安裝、發電時，按以下要求進行：

(1)根據山區溪流的寬度深度及流量，確定所應用轉輪直徑d1；

(2)根據所確定的轉輪尺寸，依據本申請所提供的進口流道長度a1，轉輪室長度a2，出口流道長度a3與轉輪直徑d1的比值關係，以及輪轂直徑dg與轉輪直徑d1的比值關係，確定流道長度a1，轉輪室長度a2，出口流道長度a3和輪轂直徑dg；

(3)對於轉輪葉片主要翼型，根據本發明提供的特徵點如表進行整體擬合，也可以根據幾個特徵曲線進行從線到面的擬合。

(4)將整體轉輪的模型三維建模後即可以進行工廠鑄造生產，對於轉輪的最後成品還需要進行表面打磨，表面的平整、光滑程度對轉輪的運行效率也有重要的影響。

(5)將裝置的主要組成部分進口流道、轉輪室、出口流道、轉輪葉片、輪轂、支撐柱、發電機室，進行整體組裝。

(6)該微型水力發電裝置安裝到現場溪流中，可以簡單處理山區溪流地基，安置好溪流發電裝置即可發電，進水流道對著來流方法即可。

本申請可以根據不同的溪流渠道的尺寸和流量，對該轉輪進行幾何形狀上的縮放。本專利轉輪具有較高的寬效率曲，在額定流量能保證70％的效率。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護範圍。