容积式微型水轮机及基于该水轮机的固定混合比装置的制作方法

本发明属于容积式水轮机技术领域，尤其涉及30kw以下小流量、低水头的水轮机，更具体的说，特别涉及容积式微型水轮机及基于该水轮机的固定混合比装置。

背景技术：

水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，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，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。做功后的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。

现有的水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。目前，水轮机主要发展方向为超大型机组和微小型机组两个方向。

微型水轮机微型水轮发电机组一般指装机容量在30千瓦以下（国际标准是100kw以下）；适合具有微小水力资源的农村安装使用的简易水力发电机组，其主要特点：（1）容量小，它适于分散建造和使用，尤其适合山区和半山区的农户使用；（2）投资小，一次性投入总额不大，便于群众自筹资金，自建自管和自用；（3）周期短，在较短的时间内建成投资，（4）技术简单，便于普及。

但微小型的研究未能引起很多学者的关注，其资料很少，研究成果不多。而微小型水轮机组在我国农村地区有着广泛的应用空间和市场；在工业液体循环冷却中，液体的余压能量回收需要大量水轮机等透平机械，微型的很少；在化工等行业按一定比例混合两种液体，需要微型容积水轮机驱动容积泵，实现固定的混合比例，而国产的设备很少。

中国发明专利“变容积式调速水泵水轮机”(专利号：cn102828896b)公开了一种变容积式调速水泵水轮机，包括蜗壳、上盖板、下盖板、转轮、辐板、进水管和出水管；蜗壳的内表面在圆周上划分成进水面、受压工作面、出水面、阻水面、进水面、受压工作面、出水面和阻水面；受压工作面比阻水面的内半径大，进、出水面是两者的圆弧过渡；转轮的外圆面与蜗壳的阻水面滑动接触，转轮上均布多个径向槽，槽内设弹簧和辐板；上盖板套在转轮外，与转轮径向固定、轴向可滑动配合，对蜗壳的上端密封；下盖板与转轮的下端面滑动接触，与蜗壳的内表面径向固定、轴向可滑动配合，对蜗壳的下端进行密封。轴向调节下盖板的位置，就可以调节过水腔高度及其横截面积或过水腔容积，从而调节水流量和轮机旋转力矩及转速，但该水轮机并不能用于微型容积水轮机。

中国实用新型专利“一种可变叶片容积式水轮机”(专利号：cn207080314u)公开了一种可变叶片容积式水轮机，包括水轮机壳体，在水轮机壳体内安装偏心套，水轮机壳体内偏移圆周中心的位置安装叶片轴，水轮机壳体的两侧设置水流进口和出口，叶片轴上安装叶片，水流通过水轮机时，在水流的动力下，叶片通过叶片轴径向在壳体的圆周上滑动，从而在叶片轴上输出动力。本发明的可变叶片容积式水轮机，不泄水，相对于现用水轮机，可节约消防供水，减小消防主泵的流量；可变叶片，水流动阻力小，不受供水压力影响，流量范围宽。然而，该结构针对的是消防供水，解决现有水动力驱动的泡沫比例混合装置中泄水的问题，减少消防主泵的流量，并不能解决固定混合比的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，在低水头、小流量的水力资源场合下，提供一种结构简单、运转连续可靠、投资小的，并能实现固定混合比的一种容积式微型水轮机及基于该水轮机的固定混合比装置。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：

容积式微型水轮机，包括容积腔和转动设于容积腔内的转轮结构，转轮结构与容积腔的内壁间隙配合，容积腔的前后两侧还开设有进水口和出水口；

转轮结构包括上下相互啮合的第一凸轮转轮和第二凸轮转轮，第一凸轮转轮和第二凸轮转轮的轴向均沿左右方向延伸；

第一凸轮转轮和第二凸轮转轮的轴心位于容积腔的竖向中线上，且第一凸轮转轮和第二凸轮转轮的轴心等间距的分布在壳体结构的水平中心线两侧；

第一凸轮转轮和第二凸轮转轮的轴向横截面呈“8”形，且均包括以弧形布设的谷型段和以共轭曲线布设的峰型段，且谷型段和峰型段间隔交替设置，第一凸轮转轮和第二凸轮转轮在空腔内沿相反方向同步转动；

容积腔在进水口侧形成高压区，在出水口侧形成低压区，转轮结构在高压区与低压区的压力差驱动下发生转动。

所述容积腔由机壳及左右侧的端盖围设而成，第一凸轮转轮和第二凸轮转轮轴心处均设有转轴，转轴两端分别与对应端盖转动配合，其中一转轴伸出端盖并连接有输出轴，相应另一侧端盖外设有与第一凸轮转轮和第二凸轮转轮相应同轴转动设置的同步齿轮组，转轮结构通过同步齿轮组进行转矩传递。

所述转轮结构与两侧的端盖为间隙配合，并通过配设的轴封密封。

所述转轮结构与两侧的端盖的间隙为0.2-0.35mm。

所述机壳上下两侧的内壁对称设为弧形结构，转动时，转轮结构的外缘与机壳内壁的间隙值固定设置。

所述转轮结构的外缘与机壳内壁的间隙值为0.2mm-0.5mm。

所述谷型段采用范成法加工。

所述峰型段采用轨迹法加工。

基于容积式微型水轮机的固定混合比装置，还包括容积泵，且水轮机的输出轴通过联轴器与容积泵的输入轴同步转动连接，容积泵的进水口和水轮机的进水口各连接有介质输入管道，水轮机出水口和容积泵的出水口分别连接有输送软管，输送软管均与混合输出管道连接。

本发明的有益效果是：

（1）该容积式微型水轮机，通过水轮机和容积泵的设置，且容积泵通过联轴器与水轮机同步转动连接；当溶剂液体进入转轮结构后构成压力差，驱动水轮机转动，进而水轮机通过联轴器带动容积泵转动；水轮机出水口和容积泵的出水口分别连接有输送软管，输送软管均与混合输出管道连接；水轮机每转动一转，流过的溶剂体积是固定值，而容积泵每转动一转泵入的溶质液体体积也是固定值，通过输送软管将溶质与溶剂混合，实现混合液的固定混合比，进而用于消防、化工等领域。

（2）通过具有特定啮合形状的第一凸轮转轮和第二凸轮转轮的设计，考虑转子面积的形状系数、容积封闭及根切的问题，降低了型线的干涉几率，水轮机运转连续，避免转轮结构出现卡死现象，水轮机工作效率高，使用寿命长。

（2）该容积式微型水轮机，为容积式水轮机，既非冲击式水轮机亦非反击式水轮机，水流对水轮机的转轮结构作用时间长，水能利用较为充分，且水能转换效率高。

（3）转轮结构的轴向横截面呈“8”形，并以弧形作为谷型段，以共轭曲线作为峰型段，且谷型段和峰型段间隔交替设置，易于实现高精度加工，可获得高转速、大流量的水轮机。

（4）该容积式微型水轮机，转轮结构的转速与流量成正比，控制流量即可控制转轮结构的转速，水轮机调控性好。

（5）水轮机工作对水头大小适应性广泛，大小水头都可以工作，让低水头、小流量的水力资源得到利用，且述水轮机结构紧凑，整体制造，安装方便工程造价低。

（6）该容积式微型水轮机，转轮结构之间、转轮结构与端盖之间留设有间隙，不接触，无接触摩擦，寿命长，可靠性高。

附图说明

图1是水轮机的横剖面示意图；

图2是水轮机的竖剖面示意图；

图3是转轮结构的结构示意图；

图4是转轮结构转动过程中的示意图一；

图5是转轮结构转动过程中的示意图二；

图6是转轮结构转动过程中的示意图三；

图7是转轮结构转动过程中的示意图四；

图8是固定混合比装置的结构示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明提供了容积式微型水轮机及基于该水轮机的固定混合比装置，如图1至图8所示。

该容积式微型水轮机，水轮机7包括容积腔和转动设于容积腔内的转轮结构1，转轮结构1与容积腔的内壁间隙配合，容积腔的前后两侧还开设有进水口21和出水口22。所述转轮结构1包括上下相互啮合的第一凸轮转轮11和第二凸轮转轮12，第一凸轮转轮11和第二凸轮转轮12的轴向均沿左右方向延伸。

第一凸轮转轮11和第二凸轮转轮12的轴心位于容积腔的竖向中线上，且第一凸轮转轮11和第二凸轮转轮12的轴心等间距的分布在壳体结构的水平中心线两侧。

第一凸轮转轮11和第二凸轮转轮12的轴向横截面呈“8”形，且均包括以弧形布设的谷型段111和以共轭曲线布设的峰型段112，且谷型段111和峰型段112间隔交替设置，第一凸轮转轮11和第二凸轮转轮12在空腔内沿相反方向同步转动。

容积腔在进水口21侧形成高压区，在出水口22侧形成低压区，转轮结构1在高压区与低压区的压力差驱动下发生转动；溶剂经过水轮机的进水口进入容积腔，并经过水轮机的出水口流出，随后与容积泵中经输送软管输送的溶质混合，组成固定混合比的混合液。

所述容积腔由机壳2及左右侧的端盖3围设而成，第一凸轮转轮11和第二凸轮转轮12轴心处均设有转轴，转轴两端分别与对应端盖3转动配合，其中一转轴伸出端盖3并连接有输出轴6，相应另一侧端盖外设有与第一凸轮转轮11和第二凸轮转轮12相应同轴转动设置的同步齿轮组5，转轮结构1通过同步齿轮组5进行转矩传递，且同步齿轮组5保证转轮结构1间的间隙以及转轮结构1与机壳2内壁间的间隙，避免发生晃动。

所述转轮结构1与两侧的端盖3为间隙配合，并通过配设的轴封4密封，避免发生泄漏；优选的，转轮结构1与两侧的端盖3的间隙为0.2-0.35mm，避免接触产生摩擦。

所述机壳2上下两侧的内壁对称设为弧形结构，保证转动时，转轮结构1的外缘与机壳2内壁的间隙值固定设置；本实施例中，转轮结构1的外缘与机壳2内壁的间隙值设为0.2mm-0.5mm，保证转轮结构1与机壳2内壁不发生摩擦，同时避免间隙过大，漏水过多，形成高压区和低压区。

水轮机的转轮结构1具有特定的啮合曲线，第一凸轮转轮11和第二凸轮转轮12在设计时，考虑转子面积的形状系数大、避免出现封闭容积以及根切的问题，且需易于加工等，对转子型线进行了合理设计，保证转轮结构1具有理论容积率大；转子顶部径向和工作区的密封效果好，则实际泄漏率小；故实际加工时，谷型段111采用范成法加工，峰型段112采用轨迹法加工，易于实现高精度加工，获得高转速、大流量的水轮机。

基于容积式微型水轮机的固定混合比装置，还包括容积泵8，且水轮机7的输出轴6通过联轴器9与容积泵8的输入轴同步转动连接，容积泵8的进水口和水轮机7的进水口各连接有介质输入管道，水轮机7的出水口和容积泵8的出水口分别连接有输送软管81，输送软管81均与混合输出管道82连接，输出混合液，如图8所示。

工作时，转轮结构转动过程中的示意图如图4至图7所示，向机壳2的进水口21注入溶剂，水轮机上游具有一定压头的水流由进水口进入机壳2内，在转轮结构1的前部进水口侧形成高压区a，转轮结构1的后部出水口侧形成低压区c，进而在转轮结构1的前后侧形成压力差；转轮结构1前后的压力差，推动上下的第一凸轮转轮11和第二凸轮转轮12按不同转向旋转；随着第一凸轮转轮11和第二凸轮转轮12的转动，形成封闭的高压区b，进一步转动后，高压区b中的液体到达低压区c，高压区b中的液体压力释放，推动转轮结构1做功，并通过输出轴6对容积泵做功，同时通过同步齿轮组5传递扭矩到输出轴6上，通过联轴器9同步带动容积泵8转动。

液体推动转轮结构1转动，就如同液体推动活塞，水轮机输出轴每旋转一周，液体推动转轮结构完成一个周期的运动，在此过程中，形成四个封闭的高压区b，并随着转动高压区b的液体到达低压区c，图4至图7为半个周期中转轮结构的转动示意图。此外，在此过程中，做功的液体体积与转轮结构扫过的空间容积相对应，只要水轮机中有液体通过，存在压力差，转轮结构就会旋转做功。

溶剂液体进入转轮结构1后，驱动水轮机7转动，进而水轮机7通过联轴器9带动容积泵转动；同时，水轮机7每转动一转，流过的溶剂体积是固定的，而容积泵8每转动一转泵入的溶质液体体积也是固定值，通过输送软管81将溶质与溶剂混合，实现混合液的固定混合比，进而可用于消防、化工等领域，实现固定精确的混合比。

通过具有特定啮合形状的第一凸轮转轮11和第二凸轮转轮12的设计，考虑转子面积的形状系数、容积封闭及根切的问题，降低了型线的干涉几率，水轮机运转连续，避免转轮结构出现卡死现象，水轮机工作效率高，使用寿命长；可用于低水头、小流量的水力资源场合下，且结构简单、运转连续可靠、投资小，并能应用于液体的余压能量回收，以及在化工等行业实现固定混合比。

本专利中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，上述词语并没有特殊的含义。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及等同物界定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“中心”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确地范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应当被视为在本文中具体公开。