一種用于水廠微水頭發(fā)電的燈泡貫流式水輪的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于水廠微水頭發(fā)電的燈泡貫流式水輪機，包括由三通閥、進水流道、燈泡室、導(dǎo)葉室、轉(zhuǎn)輪室、尾水管和閘閥順次連接，燈泡體通過主軸與轉(zhuǎn)輪室中的轉(zhuǎn)輪連接，轉(zhuǎn)輪包括輪轂、葉片和泄水錐，其特征是進水流道前端通過三通閥與供水管連接；燈泡室中的關(guān)于水平面對稱的固定導(dǎo)葉與燈泡體固定連接，固定導(dǎo)葉的水平截面形狀為標準對稱葉型；燈泡體外徑D2與水輪機公稱直徑D1之比為0.75～0.85；導(dǎo)葉室內(nèi)設(shè)有9～21片斜向?qū)~，垂直于斜向?qū)~軸向的截面所截斜向?qū)~的形狀為標準正曲率葉型，斜向?qū)~的出口角αd為45°～55°；尾水管通過閘閥與供水管連接。本發(fā)明無污染、高效率和低成本，能達到節(jié)能減排的目的。
【專利說明】一種用于水廠微水頭發(fā)電的燈泡貫流式水輪機
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于水力發(fā)電設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種用于水廠微水頭發(fā)電的燈泡貫流式水輪機。
[0003]【背景技術(shù)】
[0004]在現(xiàn)有的自來水供水過程中，由于考慮到住戶較高和沿程、局部損失等因素，選定的給水泵往往會留有一定的富余揚程來保證供水的可靠性；而在污水廠，原水池、濾池等的排水管與尾水位之間往往也會有一定的落差。以往這些富余能量由于其單個能量都比較小，并未得到再生利用，而是白白浪費。為貫徹節(jié)能減排方針，現(xiàn)代研究已開始涉及這些以往被忽視的富余能量。但由于水體蘊含的能量較少、工況基本沒有變化、裝置場地復(fù)雜多樣、利用過程不得產(chǎn)生二次污染、安裝的發(fā)電裝置不允許對水廠原有水處理工藝的安全性和可靠性產(chǎn)生不利的影響等，所以給節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用帶來了較大的挑戰(zhàn)。
[0005]中國專利申請200910232684.7公開了一種“水廠利用小型水輪發(fā)電機組進行發(fā)電的方法”，該方法設(shè)置一個與城市供水流量相當(dāng)?shù)囊兀谝匾粋?cè)靠底部處設(shè)置小型水輪機組，其功率由引水水頭落差及水廠供水流量確定；在引水池另一側(cè)，根據(jù)水泵出水口中心與引水池的水位差確定水泵的工作揚程，然后選取相匹配的水泵。該方法的主要不足在于:一是占地面積大和土建工程量大，相應(yīng)的土地成本和工程成本很高；二是需要額外設(shè)置供水泵，且水泵和水輪機的效率都不可能達到100%，必然會出現(xiàn)水輪機發(fā)IkWh電能時，水泵需要消耗2kWh電能才能夠?qū)⑺崞疬@種得不償失的情況。
[0006]中國專利申請201310124289.3公開了 “一種用于微水頭電站的燈泡貫流式水輪機”，該方案由進水管、燈泡段、轉(zhuǎn)輪室和尾水管組成，燈泡段中設(shè)有由固定支撐撐起的燈泡體，燈泡體連接轉(zhuǎn)輪室中水輪機的主軸，主軸連接轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪由輪轂、泄水錐及葉片組成，所述進水管的進口呈三面擴張型。該方案的主要不足在于:一是該水輪機進水流道不規(guī)則，無統(tǒng)一的設(shè)計、制造規(guī)范，水流進入流道時將產(chǎn)生較大的局部水利損失；二是該水輪機未設(shè)置導(dǎo)葉機構(gòu)，無法均勻?qū)⑿纬森h(huán)量，必然導(dǎo)致運行效率偏低，且無法根據(jù)工況的變化做出相應(yīng)調(diào)整；三是該方案對安裝場地的要求苛刻，僅適用于明渠無壓流動的場合，無法很好地應(yīng)用到有壓管道中去。
[0007]如何克服現(xiàn)有技術(shù)的不足已成為當(dāng)今水力發(fā)電設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】中亟待解決的重點難題之一。
[0008]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種用于水廠微水頭發(fā)電的燈泡貫流式水輪機，本發(fā)明具有無污染、運行效率高和制造成本低等優(yōu)點，能夠充分利用自來水廠或污水廠的微水頭帶動發(fā)電機發(fā)電，有效地促進節(jié)能減排技術(shù)的推廣應(yīng)用。
[0010]根據(jù)本發(fā)明提出的一種用于水廠微水頭發(fā)電的燈泡貫流式水輪機，包括由三通閥、進水流道、燈泡室、導(dǎo)葉室、轉(zhuǎn)輪室、尾水管和閘閥順次連接，燈泡體通過主軸與轉(zhuǎn)輪室中的轉(zhuǎn)輪連接，轉(zhuǎn)輪包括輪轂、葉片和泄水錐，其特征是進水流道前端通過三通閥與供水管連接；燈泡室中的關(guān)于水平面對稱的固定導(dǎo)葉與燈泡體固定連接，固定導(dǎo)葉的水平截面形狀為標準對稱葉型；燈泡體外徑D2與水輪機公稱直徑D1之比為0.75?0.85 ;導(dǎo)葉室內(nèi)設(shè)有9?21片斜向?qū)~，垂直于斜向?qū)~軸向的截面所截斜向?qū)~的形狀為標準正曲率葉型，斜向?qū)~的出口角為45°?55° ;尾水管通過閘閥與供水管連接。
[0011]本發(fā)明的工作原理是:在自來水供水過程中，因考慮到高層住戶、沿程以及局部損耗等，給水泵預(yù)留了富余揚程，在污水廠的原水池、濾池等排水管與尾水位之間也有落差形成的富余水能，本發(fā)明將這些位差水流所蘊含的富余水能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能，以帶動設(shè)置在燈泡體內(nèi)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而切割定子磁場以產(chǎn)生電能來提供給廠內(nèi)用電系統(tǒng)。具體實施過程為:本發(fā)明安裝時，將進水流道的前端連接到三通閥的一個出口，在三通閥的上游段水廠原有供水管連接到三通閥的入口，在三通閥的下游段水廠原有供水管連接到三通閥的另一個出口，在尾水管段上設(shè)置一閘閥，管端與水廠原有供水管剛性連接；正常發(fā)電時，調(diào)節(jié)三通閥，使水流全部流入旁通管從而帶動水輪發(fā)電機發(fā)電；當(dāng)工況發(fā)生改變需要進行調(diào)節(jié)時，微調(diào)三通閥可使原本全部流入旁通管的水流中的一部分流入水廠原有供水管，剩余部分則繼續(xù)流經(jīng)旁通管中的機組從而帶動水輪發(fā)電機發(fā)電；當(dāng)需要檢修維護時，切換三通閥的過流方向，使水流全部流入水廠原有供水管，然后關(guān)閉裝置在尾水管段的閘閥，此時旁通管中沒有水流流入，可進行檢修維護操作。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比其顯著優(yōu)點在于:一是本發(fā)明水輪機的運行效率高達80%以上，且高效率運行區(qū)寬廣，以設(shè)計水頭IOm的水輪機為例，在設(shè)計轉(zhuǎn)速750r/min、流量1.736m3/s時，出力達到135kW，24小時發(fā)電量為3240kWh，可以滿足廠內(nèi)設(shè)備用電的需求；二是本發(fā)明裝置在壓力鋼管中，流態(tài)均勻穩(wěn)定，基本沒有土建工程量，可大大縮短工期和降低成本；三是采用三通閥、旁通管和閘閥配合操作的方式，安裝時間很短，之后的運行和維護只需通過閥門動作即可進行，最大程度地減少了利用富余能量過程中對水廠原有生產(chǎn)造成的影響；四是本發(fā)明不再設(shè)置傳統(tǒng)水輪機的活動導(dǎo)葉和活動槳葉，而是采用三通閥來調(diào)節(jié)流量，既簡化了機組結(jié)構(gòu)，降低了制造成本，又能防止葉片操作機構(gòu)中的潤滑油對水流產(chǎn)生二次污染，而且還能在一定程度上調(diào)節(jié)工況，使機組能夠保持在高效區(qū)運行，從而達到對富余能量的最大化利用；五是本發(fā)明采用了較小的燈泡比和輪轂比來保證機組阻尼不會過大，能夠滿足水廠水流量的要求；斜向?qū)~可起到均勻?qū)⑶耶a(chǎn)生環(huán)量的作用，從而改善機組流態(tài)，提高整機效率。本發(fā)明適用于可供利用的富余水頭的各自來水廠或污水廠中。
[0013]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明提出的用于水廠微水頭發(fā)電的燈泡貫流式水輪機的主視示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明提出的用于水廠微水頭發(fā)電的燈泡貫流式水輪機的俯視示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明提出的固定導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的示意圖。[0017]圖4為本發(fā)明提出的斜向?qū)~結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0018]圖5為本發(fā)明提出的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0019]圖6為本發(fā)明所述的葉柵稠密度的示意圖。
[0020]圖7為本發(fā)明所述的斜向?qū)~出口角的示意圖。
[0021]
【具體實施方式】
[0022]以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0023]結(jié)合圖1至圖5，本發(fā)明提出的一種用于水廠微水頭發(fā)電的燈泡貫流式水輪機，包括由三通閥(2)、進水流道(3)、燈泡室(4)、導(dǎo)葉室(7)、轉(zhuǎn)輪室(10)、尾水管(12)和閘閥
(13)順次連接，燈泡體(5)通過主軸(9)與轉(zhuǎn)輪室(10)中的轉(zhuǎn)輪(11)連接，轉(zhuǎn)輪(11)包括輪轂(14)、葉片(15)和泄水錐(16)，其特征在于所述的進水流道(3)前端通過三通閥(2)與供水管(I)連接；燈泡室(4)中的關(guān)于水平面對稱的固定導(dǎo)葉(6)與燈泡體(5)固定連接，固定導(dǎo)葉(6)的水平截面形狀為標準對稱葉型；燈泡體(5)外徑D2與水輪機公稱直徑D1之比為0.75~0.85 ;導(dǎo)葉室(7)內(nèi)設(shè)有9~21片斜向?qū)~(8)，垂直于斜向?qū)~(8)軸向的截面所截斜向?qū)~(8)的形狀為標準正曲率葉型，斜向?qū)~(8)的出口角ad為45°~55° ;尾水管(12)通過閘閥(13)與供水管(I)連接。
[0024]本發(fā)明進一步的優(yōu)選方案如下:
結(jié)合圖1和圖2，本發(fā)明的進水流道(3)的豎直截面為矩形，進水流道(3)長度L1與水輪機公稱直徑D1的比值為2.50~3.50，進水流道(3)進口寬度B1與水輪機公稱直徑D1的比值為1.40~1.60，進水流道(3)進口高度氏與水輪機公稱直徑D1的比值為1.20~
1.40。
[0025]結(jié)合圖1和圖2，本發(fā)明燈泡室(4)長度L2與水輪機公稱直徑D1的比值為1.60~2.00，燈泡室(4)進口寬度民與水輪機公稱直徑D1的比值為1.40~1.60，燈泡室(4)進口高度H2與水輪機公稱直徑D1的比值為1.20~1.40。
[0026]結(jié)合圖1、圖2和圖3，本發(fā)明的固定導(dǎo)葉(6 )長度L6與水輪機公稱直徑D1的比值為0.95~1.15，其厚度T1與長度L6之比為0.20~0.30。
[0027]結(jié)合圖1和圖2，本發(fā)明的導(dǎo)葉室(7)長度L3與水輪機公稱直徑D1的比值為0.3~0.5，導(dǎo)葉室(7)進口直徑D3與水輪機公稱直徑D1的比值為1.20~1.30，導(dǎo)葉室(7)出口直徑D4與水輪機公稱直徑D1的比值為0.95~1.05，通過水輪機主軸(9)中心線作豎直截面與導(dǎo)葉室(7)內(nèi)廓相交得到的輪廓線與水平面的夾角Q1S 18°~22°。
[0028]結(jié)合圖1、圖2、圖4和圖6，本發(fā)明的導(dǎo)葉室(7)內(nèi)廓面上導(dǎo)葉頭部所連接成的圓周直徑05與水輪機公稱直徑D1的比值為1.15~1.25，在導(dǎo)葉室(7)內(nèi)廓面上導(dǎo)葉尾部所連接成的圓周直徑D6與水輪機公稱直徑D1的比值為1.00~
1.10，以導(dǎo)葉室(7)出口直徑D4為直徑的圓柱面所截斜向?qū)~(8)的葉柵稠密度(J)1^ 1.00 ~1.20。
[0029]結(jié)合圖1、圖2和圖5，本發(fā)明的轉(zhuǎn)輪室(10)長度L4與水輪機公稱直徑D1的比值為0.45~0.65，輪轂(14)直徑dg與水輪機公稱直徑D1的比值即輪轂比為0.28~
0.32，轉(zhuǎn)輪(11)的葉片(15)為非對稱扭曲葉片，葉片(15)數(shù)量為2~4片。[0030]結(jié)合圖1、圖2、圖5和圖6，本發(fā)明以尾水管(12)進口直徑D7為直徑的圓柱面所截葉片(15)的葉柵稠密度為0.60~0.80，以輪轂(14)直徑dg為直徑的圓柱面所截
葉片(15)的葉柵稠密度03為1.35~1.55。
[0031]結(jié)合圖1和圖2，本發(fā)明的尾水管(12)長度L5與水輪機公稱直徑D1的比值為2.40~2.60，尾水管(12)進口直徑D2與水輪機公稱直徑D1的比值為0.96~1.00，尾水管
(12)出口直徑D8與水輪機公稱直徑D1的比值為1.25~1.45，尾水管(12)錐度02為
3。~5。。 [0032]根據(jù)目前各水廠所能夠利用的富余水頭一般為2m~IOm作為設(shè)計依據(jù)，進一步說明本發(fā)明的具體實施例。
[0033]實施例1:以本發(fā)明應(yīng)用于富余水頭為2m的水廠為例，除應(yīng)符合以上總體方案及尺寸參數(shù)要求外，其它設(shè)計參數(shù)及要求如下:
本發(fā)明的燈泡貫流式水輪機的公稱直徑為0^330.，其余各主要部件的尺寸參數(shù)以水輪機公稱直徑D1為基準來確定，其中:斜向?qū)~(8)的數(shù)量為9片，轉(zhuǎn)輪葉片(15)的數(shù)量為2片，水輪機轉(zhuǎn)輪(11)轉(zhuǎn)速為500r/min，通過機組的流量為0.611m3/s，機組出力為9kW，機組效率達到80%以上；安裝時，將進水流道(3)的前端連接到三通閥(2)的一個出口，在三通閥(2)的上游段水廠原有供水管(I)連接到三通閥(2)的入口，在三通閥(2)的下游段水廠原有供水管(I)連接到三通閥(2)的另一個出口 ；在尾水管(12)段上設(shè)置一閘閥(13)，管端直接與水廠原有供水管(I)剛性連接，安裝過程需要短時停水；正常發(fā)電時，調(diào)節(jié)三通閥，使水流全部流入旁通管從而帶動水輪發(fā)電機發(fā)電；當(dāng)工況發(fā)生改變需要進行調(diào)節(jié)時，微調(diào)三通閥(2)，使原本全部流入旁通管的水流中的一部分流入水廠原有供水管(I )，剩余部分則繼續(xù)流經(jīng)旁通管中的機組從而帶動水輪發(fā)電機發(fā)電；當(dāng)需要檢修維護時，切換三通閥
(2)的過流方向，使水流全部流入水廠原有供水管(1)，然后關(guān)閉裝置在尾水管(12)段的閘閥(13)，此時旁通管中沒有水流流入，可以進行檢修維護操作。
[0034]實施例2:以本發(fā)明應(yīng)用于富余水頭為6m的水廠為例，除應(yīng)符合以上總體方案及尺寸參數(shù)要求外，其它設(shè)計參數(shù)及要求如下:
本發(fā)明的燈泡貫流式水輪機的公稱直徑為D1=SSOmm,其余各主要部件的尺寸參數(shù)以水輪機公稱直徑D1為基準來確定，其中:斜向?qū)~(8 )的數(shù)量為15片，轉(zhuǎn)輪葉片(15 )的數(shù)量為3片，水輪機轉(zhuǎn)輪(11)轉(zhuǎn)速為1000r/min，通過機組的流量為1.157m3/s，機組出力為50kW，機組效率達到80%以上；其它安裝、運行、調(diào)節(jié)、檢修維護的過程及方法同實施例1。
[0035]實施例3:以本發(fā)明應(yīng)用于富余水頭為IOm的水廠為例，除應(yīng)符合以上總體方案及尺寸參數(shù)要求外，其它設(shè)計參數(shù)及要求如下:
本發(fā)明的燈泡貫流式水輪機的公稱直徑為D^eOOmm，其余各主要部件的尺寸參數(shù)以水輪機公稱直徑D1為基準來確定，其中:斜向?qū)~(8 )的數(shù)量為21片，轉(zhuǎn)輪葉片(15 )的數(shù)量為4片，水輪機轉(zhuǎn)輪(11)轉(zhuǎn)速為750r/min，通過機組的流量為1.736m3/s，機組出力為135kW，機組效率達到82%以上；其它安裝、運行、調(diào)節(jié)、檢修維護的過程及方法同實施例1。
[0036]本發(fā)明經(jīng)反復(fù)試驗驗證，取得了滿意的應(yīng)用效果。
【權(quán)利要求】
1.一種用于水廠微水頭發(fā)電的燈泡貫流式水輪機，包括由三通閥(2)、進水流道(3)、燈泡室(4)、導(dǎo)葉室(7 )、轉(zhuǎn)輪室(10 )、尾水管(12 )和閘閥(13 )順次連接，燈泡體(5 )通過主軸(9)與轉(zhuǎn)輪室(10)中的轉(zhuǎn)輪(11)連接，轉(zhuǎn)輪(11)包括輪轂(14)、葉片(15)和泄水錐(16)，其特征在于所述的進水流道(3)前端通過三通閥(2)與供水管(I)連接；燈泡室(4)中的關(guān)于水平面對稱的固定導(dǎo)葉(6)與燈泡體(5)固定連接，固定導(dǎo)葉(6)的水平截面形狀為標準對稱葉型；燈泡體(5)外徑D2與水輪機公稱直徑D1之比為0.75~0.85 ;導(dǎo)葉室(7)內(nèi)設(shè)有9~21片斜向?qū)~(8)，垂直于斜向?qū)~(8)軸向的截面所截斜向?qū)~(8)的形狀為標準正曲率葉型，斜向?qū)~(8)的出口角ad為45°~55° ;尾水管(12)通過閘閥(13)與供水管(I)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于水廠微水頭發(fā)電的燈泡貫流式水輪機，其特征在于進水流道(3)的豎直截面為矩形，進水流道(3)長度L1與水輪機公稱直徑D1的比值為2.50~3.50，進水流道(3)進口寬度B1與水輪機公稱直徑D1的比值為1.40~1.60，進水流道(3)進口高度氏與水輪機公稱直徑D1的比值為1.20~1.40。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于水廠微水頭發(fā)電的燈泡貫流式水輪機，其特征在于燈泡室(4)長度L2與水輪機公稱直徑D1的比值為1.60~2.00，燈泡室(4)進口寬度B2與水輪機公稱直徑D1的比值為1.40~1.60，燈泡室(4)進口高度H2與水輪機公稱直^D1的比值為1.20~1.40。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于水廠微水頭發(fā)電的燈泡貫流式水輪機，其特征在于固定導(dǎo)葉(6)的長度L6與水輪機公稱直徑D1的比值為0.95~1.15，其厚度T1與長度L6之比為0.20~0.30ο
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述``的一種用于水廠微水頭發(fā)電的燈泡貫流式水輪機，其特征在于導(dǎo)葉室(7)的長度L3與水輪機公稱直徑D1的比值為0.3~0.5，導(dǎo)葉室(7)進口直徑D3與水輪機公稱直徑比值為1.20~1.30，導(dǎo)葉室(7)出口直徑04與水輪機公稱直徑D1的比值為0.95~1.05，通過水輪機主軸(9)中心線作豎直截面與導(dǎo)葉室(7)內(nèi)廓相交得到的輪廓線與水平面的夾角G1SlS0~22°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于水廠微水頭發(fā)電的燈泡貫流式水輪機，其特征在于導(dǎo)葉室(7)內(nèi)廓面上導(dǎo)葉頭部所連接成的圓周直徑D5與水輪機公稱直徑D1的比值為1.15~1.25，在導(dǎo)葉室(7)內(nèi)廓面上導(dǎo)葉尾部所連接成的圓周直徑D6與水輪機公稱直徑D1的比值為1.00~1.10，以導(dǎo)葉室(7)出口直徑D4為直徑的圓柱面所截斜向?qū)~(8)的葉柵稠密度(-^為1.00~1.20。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于水廠微水頭發(fā)電的燈泡貫流式水輪機，其特征在于轉(zhuǎn)輪室(10)長度L4與水輪機公稱直徑D1的比值為0.45~0.65，輪轂(14)直徑dg與水輪機公稱直SD1的比值即輪轂比為0.28~0.32，轉(zhuǎn)輪(11)的葉片(15)為非對稱扭曲葉片，葉片數(shù)量為2~4片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于水廠微水頭發(fā)電的燈泡貫流式水輪機，其特征在于以尾水管(12)進口直徑07為直徑的圓柱面所截葉片(15)的葉柵稠密度為0.60~0.80，以輪轂(14)直徑dg為直徑的圓柱面所截葉片(15)的葉柵稠密度(>3為1.35~`1.55。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于水廠微水頭發(fā)電的燈泡貫流式水輪機，其特征在于尾水管(12)長度L5與水輪機公稱直徑D1的比值為2.40~2.60，尾水管(12)進口直徑 D2與水輪機公稱直徑D1的比值為0.96~1.00，尾水管(12)出口直徑D8與水輪機公稱直徑D1的比值為1.25~1.45，尾水管(12)錐度Θ 2為3°~5°。
【文檔編號】F03B3/12GK103603763SQ201310530852
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月1日
【發(fā)明者】鄭源, 盛立君, 楊春霞, 李玲玉, 毛秀麗, 楊坤 申請人:河海大學(xué)