水力集能装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种发电装置，特别是指一种水力集能装置。
【背景技术】
[0002] 我国河流众多，水力资源丰富。水电已成为我国电能结构的重要组成部分，水电生 产过程具有开停机方便、运行可靠性高、成本低廉、对环境污染小等优点。水轮机是把水流 的能量转换为旋转机械能的动力机械，它是属于流体机械中的透平机械。中国的水轮机设 计与制造技术已经取得一定成绩，但是随着水电事业的大力发展，水电站水头正向着高水 头、低水头两极分化。
[0003] 目前国内对水轮机型式选择、水轮机预期参数，即比转速和比速系数、水轮机效 率、水轮机单位转速和单位流量、转轮直径、水轮机空烛等的研究有很多。然而运些研究大 都建立在水轮机工况稳定的前提下，也就是说是要在修建大型水利工程下保证的。然而运 样不仅耗费大量的人力物力，有一定的环境危害，并且在西部偏远地区或人员稀疏，用电不 多，或某些地方因科学考察等特殊需要的情况下，修建大型水库是没有必要的。而运恰恰为 小型水轮机提供了应用空间。
[0004] 现代水轮机中大多数都安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游 水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机的转轮旋转，最终带动发电机进行发电。做完 功的水则通过水轮机的尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，则水轮机的输出功率也就 越大。而由于小水头水轮机工作环境W及工作状况的特殊性，修建水库是没有必要的，在此 状况下如何保证水轮机在较高水头下工作成了关键问题。水轮机的转轮直径、导叶开度等 其他参数不变的情况下，水轮机的水头低于最高效率点化时，水轮机的效率急剧变化，而当 水头高于Ho时，效率的变化比较缓慢。也就是说当水轮机的的入水头低于水轮机额定水头 时，提高水轮机的水头，可W大幅度提高水轮机效率，并且使水头稳定也可W减少水头迅速 变化对水轮机的伤害。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的在于提供一种能够提高低水头水流环境下水轮机入水水头的 水力集能装置。
[0006] 为实现上述目的，本实用新型所设计的一种水力集能装置，安装于相邻的第一流 道和第二流道中，它包括第一叶轮和第二叶轮，所述第一叶轮设置在第一流道中，所述第二 叶轮设置在第二流道中。所述第一叶轮和第二叶轮通过设置在二者之间的转矩传递装置相 连，所述第一叶轮可在第一流道中流体的驱动下旋转并将其中的水能转化成转动机械能， 所述转矩传递装置可将第一叶轮的转动传递至第二叶轮。所述转矩传递装置可通过多种传 动方式实现，如齿轮传动、带传动，也可W采用减速机实现。所述第二叶轮通过自身的旋转 加速第二流道中的水流。该装置工作时，第一叶轮类似于水能机，第二叶轮类似于轴流累， 二者通过转矩传递装置将第一流道中的部分水能传递至第二流道中，实现水力集能，被加 速的水流进入安装在第二流道下游、集能装置之后的贯流式水轮机中进行发电。前述第一 流道和第二流道可W是管道、渠道等，为该装置的应用环境，不应理解为本发明的组成要 件。
[0007] 优选地，所述转矩传递装置采用齿轮传动将第一叶轮的转动传递至第二叶轮。
[0008] 优选地，所述转矩传递装置包括齿轮固定座和固定在其上的四个依次晒合的齿 轮，所述第一叶轮的轴与第一个齿轮相连，所述第二叶轮的轴与最后一个齿轮相连。
[0009] 优选地，所述转矩传递装置为速比可调的变速装置，所述变速装置可调整第一叶 轮与第二叶轮的转速之比。
[0010] 优选地，所述第一叶轮外径大于第二叶轮，W获得较高的集能效率。
[0011] 本实用新型的有益效果是：本装置通过第一流道中的水流推动第一叶轮旋转做 功，将水能转化为第一叶轮的机械能，通过转矩传递装置与第二叶轮相连，使第二叶轮旋转 并对第二流道中的水流做功，将机械能转化为水能，提高了水轮机入水口的水头，从而提高 了水轮机的工作效率。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明实施例所提供的水力集能装置的俯视结构示意图，图中箭头表示水 流方向。
[0013] 图2为图1中水力集能装置的前视结构示意图，图中箭头表示水流方向。
[0014] 图3为图1中转矩传递装置及其安装位置的示意图。
[0015] 图4为加装图1中水力集能装置前后水轮机入口的水头变化图。
[0016] 其中：第一流道1、第二流道2、第一叶轮3、第二叶轮4、转矩传递装置5、齿轮固定座 6、齿轮7、贯流式水轮机8
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
[0018] 如图1~3所示，本实用新型改进的水力集能装置，安装于相邻的第一流道1和第二 流道2中，本例中第一流道1和第二流道2分别为一段大管径管道。该装置包括第一叶轮3和 第二叶轮4，第一叶轮3外径略大于第二叶轮4，第一叶轮3设置在第一流道1中，第二叶轮4设 置在第二流道2中，第一叶轮3和第二叶轮4通过设置在二者之间的转矩传递装置5相连，第 一叶轮3可在第一流道1中流体的驱动下旋转并将其中的水能转化成转动机械能，转矩传递 装置5采用齿轮传动将第一叶轮3的转动传递至第二叶轮4,第二叶轮4通过自身的旋转加速 第二流道2中的水流。该装置工作时，第一叶轮3类似于水能机，第二叶轮4类似于轴流累，二 者通过转矩传递装置5将第一流道1中的部分水能传递至第二流道2中，实现水力集能。贯流 式水轮机8位于第二流道2的下游，利用被加速的水流发电。
[0019] 如图3所示，上述装置中，转矩传递装置5包括齿轮固定座6和固定在其上的四个依 次晒合的齿轮7,第一叶轮3的轴与第一个齿轮相连，第二叶轮4的轴与最后一个齿轮相连。
[0020] 效果验证
[0021] W下从能量和力矩两方面对应用上述装置的水轮机的效率进行验证，与未采用该 装置的水轮机进行比较，分析该装置的有效性与可行性。
[0022] 第一叶轮的伯努利方程：
[0023]
[0024] 式中，
[0025] Po--入口压强，Pa; Pi--第一叶轮出口的压强，Pa;
[00%] Vo--入口平均速率，m/s; Vi--第一叶轮出口平均速率，m/s;
[0027] Zo--水流入口位置高度，m; Zi--水流出口位置高度，m;
[0028] Ei一一单位质量流体流经第一叶轮的能量损失，即在忽略其他损失的情况下，单 位质量流体传给第一叶轮的能量，J/Kg。
[0029] 不考虑流过叶轮时位能和静压能的变化，即
[0030] P〇 = Pi；Zo = Zi；
[0031] 代入第一叶轮的伯努利方程，得
[0032]
[0033] 转轮的质量流量为rQ，kg/s;
[0034] 即第一叶轮得到的能量为
[0035] 化=WEi;
[0036] 为保证计算的精确性，我们引入修正系数a,该装置取保守值a = 〇.9。
[0037] 化'=化? a;目巧1，=拉.a,其中化，，Ei'为水轮机最后输出的能量。
[0038] 考虑转矩传递装置的损失，引入修正系数丫，该装置取保守值丫 =0.92。
[0039] 由此可得第二叶轮最后得到的能量为
[0040] 化'=化，?丫 =化? a ?丫；
[0041 ] E2 ' =Ei，?丫=Ei ? a ?丫；
[0042] 笛轮的化忽末Il市巧.
[0043]
[0044] P2一一第二叶轮出口压强，相当于水轮机入口处的压强，Pa;
[0045] V2--第二叶轮出口平均速率，相当于水轮机入口处的平均速率，m/s;
[0046] E2--单位质量流体通过第二叶轮得到的能量，J/Kg;
[0047] 考虑第二叶轮对水流做功时的能量损失，引入修正系数0。因此第二叶轮对水流做 功的功率为：
[004引 化二化，? P二化? a ? P ?丫；
[0049] E2 = E2' ? P = Ei ? a ? P ?丫；
[0050] 又因为
[0051] P〇 = P2；Zo = Z2；
[0化2] 得到水轮机入口处的平均速率公式：
[0化3]
[0054] 已知某地区某河流的检测点最高流速￥。3、=17.03111/3，最低流速￥。1。= 9.05111/3，平 均流速为Vave 二 11.37m/s ,即水头（仅考虑动压头)Hmax二 14.8m , Hmin二 4.18m , Have 二 6.60m。结 合自然水流的特点，我们W-组随机数表示1天内水头的变化，参见表2。已知某贯流式水轮 机，设计水头HR = 7.6m。
[0化5]假设第一流道中第一叶轮的能量转化效率为n，则
[0056] 运里为了方便计算，我们只在某一范围内取一个代表值，如表1所示。
[0057] 表1不同水头范围时ri、e的取值
[0059] 由水轮机入口处的平均速率公式得到该水轮机的在加装该集能装置前后的水轮 机入口水头变化如表2所示：
[0060] 表2加装该水力集能装置前后的水头变化
[0061]
[0062]
[0063]上表中的结果绘制在图4中，图中，横坐标为时间，纵坐标为水头，设计水头HR = 7.6m，实际水头即上表中加装前水头，整流后水头即上表中加装后水头。由图4可W看出，该 水力集能装置在低水头时能够显著提高水轮机入口水头。
【主权项】
1. 一种水力集能装置，安装于相邻的第一流道(1)和第二流道(2)中，其特征在于:它包 括第一叶轮(3)和第二叶轮(4)，所述第一叶轮(3)设置在第一流道(1)中，所述第二叶轮(4) 设置在第二流道(2)中，所述第一叶轮(3)和第二叶轮(4)通过设置在二者之间的转矩传递 装置(5)相连，所述第一叶轮(3)可在第一流道（1)中流体的驱动下旋转并将其中的水能转 化成转动机械能，所述转矩传递装置(5)可将第一叶轮(3)的转动传递至第二叶轮(4)，所述 第二叶轮(4)通过自身的旋转加速第二流道(2)中的水流。2. 根据权利要求1所述的水力集能装置，其特征在于:所述转矩传递装置(5)采用齿轮 传动将第一叶轮(3)的转动传递至第二叶轮(4)。3. 根据权利要求1或2所述的水力集能装置，其特征在于:所述转矩传递装置(5)包括齿 轮固定座(6)和固定在其上的四个依次啮合的齿轮(7)，所述第一叶轮(3)的轴与第一个齿 轮相连，所述第二叶轮(4)的轴与最后一个齿轮相连。4. 根据权利要求1或2所述的水力集能装置，其特征在于:所述转矩传递装置(5)为速比 可调的变速装置，所述变速装置可调整第一叶轮(3)与第二叶轮(4)的转速之比。5. 根据权利要求1或2所述的水力集能装置，其特征在于:所述第一叶轮(3)的外径大于 第二叶轮(4)。
【专利摘要】本实用新型公开了一种水力集能装置，安装于相邻的第一流道和第二流道中，它包括第一叶轮和第二叶轮，第一叶轮设置在第一流道中，第二叶轮设置在第二流道中。第一叶轮和第二叶轮通过设置在二者之间的转矩传递装置相连，第一叶轮可在第一流道中流体的驱动下旋转并将其中的水能转化成转动机械能，转矩传递装置可将第一叶轮的转动传递至第二叶轮。第二叶轮通过自身的旋转加速第二流道中的水流。该装置工作时，第一叶轮类似于水能机，第二叶轮类似于轴流泵，二者通过转矩传递装置将第一流道中的部分水能传递至第二流道中，实现水力集能，被加速的水流进入安装在第二流道下游的贯流式水轮机中进行发电。
【IPC分类】F03B3/00, F03B13/00
【公开号】CN205387985
【申请号】CN201620118671
【发明人】周瑞平, 李婵婵, 雷俊松, 王彦超, 方鸿强, 王熙
【申请人】武汉理工大学
【公开日】2016年7月20日
【申请日】2016年2月5日