本發(fā)明涉及到一種發(fā)電裝置,尤其涉及到一種廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置。
背景技術(shù):
在發(fā)展農(nóng)林牧魚等行業(yè)中,經(jīng)常需要在山區(qū)、野外河流中抽水及用電,但由于野外山區(qū)架設(shè)電線難度大費用高,若采用油料發(fā)電方式,不僅成本高而且又污染大氣環(huán)境,所以利用自然河流中的水能量達到抽水或發(fā)電的目的,已顯得十分必要。
以往是在大河流中建水壩發(fā)電站,一是要求大河流、水落差大、地質(zhì)巖石結(jié)構(gòu)等條件具備,二是投資大,技術(shù)條件要求高,三是環(huán)境破壞影響及周邊移民等多項因素。
關(guān)于利用河流水能量進行抽水及發(fā)電的技術(shù),已有一些報道,如《新型抽水、發(fā)電兩用的水輪泵》申請?zhí)枺?01210403126.4和《兼具泵水功能的水輪機》申請?zhí)枺?01410379287.3,這些技術(shù)對水輪機的機械傳動及設(shè)備內(nèi)部水流路徑設(shè)計都有較細致的研究,這些設(shè)備在高能量密度水流中可以輸出較大的水功率或電功率,但在流速慢的河流中此種設(shè)備將難以發(fā)揮作用。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的就是為了克服上述問題,提供了一種廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置。
本發(fā)明的廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置,包括水輪機,水輪機的輪機軸上同軸固定有串聯(lián)軸,多個水輪機的串聯(lián)軸之間通過串聯(lián)軸差速調(diào)節(jié)器傳動連接構(gòu)成串聯(lián)水輪機組;多組串聯(lián)水輪機組平行并排設(shè)于兩個串聯(lián)軸浮力支撐柱之間,且所述的多組串聯(lián)水輪機組的同一端均傳動連接有并聯(lián)軸差速調(diào)節(jié)器,并聯(lián)軸差速調(diào)節(jié)器之間通過并聯(lián)動力匯集軸傳動連接,且其中一端的并聯(lián)軸差速調(diào)節(jié)器通過并聯(lián)動力匯集軸傳動連接有總動力軸差速調(diào)節(jié)器,該總動力軸差速調(diào)節(jié)器通過動力輸出軸傳動連接有功能設(shè)備。
作為本發(fā)明的進一步改進,本裝置橫向設(shè)于水面,水輪機的轉(zhuǎn)輪以其輪機軸為界限一半位于水面上、另一邊位于水面下,水流的流向垂直于轉(zhuǎn)輪的葉片的葉面。
作為本發(fā)明的進一步改進,本裝置通過串聯(lián)軸浮力支撐柱浮于水面上且通過固定樁與河床相對固定。
本發(fā)明的廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置,包括水輪機,其特征在于水輪機的輪機軸上同軸固定有串聯(lián)軸,多個水輪機的串聯(lián)軸之間通過串聯(lián)軸差速調(diào)節(jié)器傳動連接構(gòu)成串聯(lián)水輪機組,串聯(lián)水輪機組的其中一端傳動連接有并聯(lián)軸差速調(diào)節(jié)器,并聯(lián)軸差速調(diào)節(jié)器通過并聯(lián)動力匯集軸傳動連接有總動力軸差速調(diào)節(jié)器,該總動力軸差速調(diào)節(jié)器通過動力輸出軸傳動連接有功能設(shè)備。
作為本發(fā)明的進一步改進,本裝置沿水流方向設(shè)于水面以下,且水輪機為軸流式水輪機。
本發(fā)明的廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置,建立了先串聯(lián),后并聯(lián)是輪機網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)構(gòu),針對的情況是低能量密度的河流能量利用技術(shù),如:寬廣河流但流速慢,山間小河流但流速快,此種低能量密度河流水能量的利用是本技術(shù)研究的主題,本技術(shù)中是在廣闊低能量密度的水面上分布大量輪機組,有機的相互結(jié)合,廣泛匯集自然水能量,形成能量巨大的水輪機網(wǎng)絡(luò),可達到大量抽水或大量發(fā)電的實用目標。在偏遠山區(qū)、野外荒原,可能沒有電力設(shè)施,在這些地方的河流中應(yīng)用此裝置,可輸出較大機械能,用于抽水或發(fā)電。既環(huán)保又經(jīng)濟,不僅符合國家節(jié)能減排政策,也符合國家精準扶貧政策。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置的實施例一的俯視結(jié)構(gòu)圖;
圖2~圖3為本發(fā)明的廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置的實施例一中單元水輪機的實施位置圖;
圖4為本發(fā)明的廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置的實施例二的俯視結(jié)構(gòu)圖;
圖5為本發(fā)明的廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置的實施例二中單元水輪機的實施位置圖。
具體實施方式
實施例1
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置,作進一步說明:
本發(fā)明的廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置,通過串聯(lián)軸浮力支撐柱5浮于水面上且通過固定樁11與河床相對固定。其中,起水輪機1的轉(zhuǎn)輪以其輪機軸為界限一半位于水面上、另一邊位于水面下,水流的流向垂直于轉(zhuǎn)輪的葉片的葉面。
水輪機1的輪機軸上同軸固定有串聯(lián)軸2,多個水輪機1的串聯(lián)軸2之間通過串聯(lián)軸差速調(diào)節(jié)器3傳動連接構(gòu)成串聯(lián)水輪機組4;多組串聯(lián)水輪機組4平行并排設(shè)于兩個串聯(lián)軸浮力支撐柱5之間,且所述的多組串聯(lián)水輪機組4的同一端均傳動連接有并聯(lián)軸差速調(diào)節(jié)器6構(gòu)成網(wǎng)狀的水輪機網(wǎng)絡(luò),并聯(lián)軸差速調(diào)節(jié)器6之間通過并聯(lián)動力匯集軸7傳動連接,且其中一端的并聯(lián)軸差速調(diào)節(jié)器6通過并聯(lián)動力匯集軸7傳動連接有總動力軸差速調(diào)節(jié)器8,該總動力軸差速調(diào)節(jié)器8通過動力輸出軸9傳動連接有功能設(shè)備10。
實施例2
廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置,沿水流方向設(shè)于水面以下,且其中水輪機1應(yīng)為軸流式水輪機。本裝置中,水輪機1的輪機軸上同軸固定有串聯(lián)軸2,多個水輪機1的串聯(lián)軸2之間通過串聯(lián)軸差速調(diào)節(jié)器3傳動連接構(gòu)成串聯(lián)水輪機組4,串聯(lián)水輪機組4的其中一端傳動連接有并聯(lián)軸差速調(diào)節(jié)器6,并聯(lián)軸差速調(diào)節(jié)器6通過并聯(lián)動力匯集軸7傳動連接有總動力軸差速調(diào)節(jié)器8,該總動力軸差速調(diào)節(jié)器8通過動力輸出軸9傳動連接有功能設(shè)備10。
本發(fā)明的廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置,其原理如下:
一、本發(fā)明依據(jù)的能量轉(zhuǎn)換過程為:
河流大面積水流動能→廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置→輪機軸旋轉(zhuǎn)機械能→功率網(wǎng)絡(luò)匯總系統(tǒng)(各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點裝有差速調(diào)節(jié)器)→軸功率轉(zhuǎn)換器→功能設(shè)備(抽水泵或發(fā)電機)。
對于該能量轉(zhuǎn)換過程的說明:
1、因水流速度慢、能量密度低,必須盡量控制大量河流面積,匯集大量水流的水動能總量;
2、廣泛地分布廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置,達到廣泛地匯集水流能量,即利用有限元的微積分技術(shù),達到匯集能量最大化;
3、廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處的轉(zhuǎn)軸(串聯(lián)軸和并聯(lián)動力匯集軸)速度存在差異會出現(xiàn)慢速轉(zhuǎn)軸拖累快速轉(zhuǎn)軸的情況,所以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處的慢速轉(zhuǎn)軸不但不能對總網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)貢獻功率反而會吸收快速轉(zhuǎn)軸的功率,因此需在廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置中有差速的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處安裝差速調(diào)節(jié)器(串聯(lián)軸差速調(diào)節(jié)器、并聯(lián)軸差速調(diào)節(jié)器和總動力軸差速調(diào)節(jié)器)使所有網(wǎng)絡(luò)分支點都成為能量源,即對總網(wǎng)絡(luò)貢獻能量,而不是吸收消耗總系統(tǒng)能量。
二、單體(單元)水輪機吸收水能量的能力估算式
獲得大量水功率的重要途徑有兩個,一是如何提高單體(單元)水輪機吸收水能量的能力,二是水輪機的單元數(shù)量,控制更大面積的河流能量。
本節(jié)給出單元水輪機吸收水能量的結(jié)算式,從而定量地掌握各影響因素,為提高單機能力找到直接有效的辦法。
1、水輪機的安裝模式
根據(jù)河流寬度的大小,為了更大限度匯集河流水能量,根據(jù)水輪機與水流方向的關(guān)系可分為橫向模式(如圖1所示)與順模式(如圖4所示)。當河面較寬時采用橫向模式,當河面較窄時采用順模式。
2、單元水輪機橫模式吸收水功率估算式
橫向模式采用半潛方式(如圖2和圖3所示),即水流的流向垂直于轉(zhuǎn)輪的葉片的葉面。因?qū)嶋H水流沖擊葉片所形成的流場較復(fù)雜,葉片各點所受沖擊力均不相同,要想準確計算葉片上的受力分布及計算葉片的旋轉(zhuǎn)速度較為復(fù)雜,無法用解析式精確表達,只能用計算流體力學中的微單元的差分法或有限元數(shù)值模擬方法計算。
為了工程應(yīng)用方便,可采用取平均值的簡化方法,利用流體動力學或利用水沖葉片的沖量定理,給出葉片所吸取的水功率。
設(shè):葉片半徑為r,輪機旋轉(zhuǎn)角速度為ω,葉片寬度為l;
則得到:水輪機的葉片末端的線速度vr機=ω·r,葉片中心速度代表葉片平均速度
則水輪機的葉片吸收的水功率n水為
其中a為真實流體修正系數(shù),可由實驗測定。
從公式一看出:
1)水輪機的葉片吸收的水功率與葉片寬l成正比,與葉片半徑r成正比,即與葉片面積成正比,說明葉片面積大一倍,所得到的水功率也增大一倍;
2)水輪機的葉片吸收的水功率與河流流速vo水的三次冪成正比,說明水流速度是決定輪機功率的第一要素;
3)水輪機的葉片轉(zhuǎn)速ω慢些,即vr機1/2小些,則水流對葉片產(chǎn)生的沖量大,水輪機吸收水功率就大。但葉片轉(zhuǎn)速不能太低,因為此時
3、單元水輪機順模式吸收水功率估算式
順模式采用全潛軸流式(如圖5所示),即水輪機全部潛入水中,且水輪機的軸與水流方向一致。
設(shè),河流流速vo水,水輪機外筒12(螺旋葉片)半徑為r,擴口14半徑為r擴,水輪機外筒12(螺旋葉片13)長度為l,輪機軸旋轉(zhuǎn)角速度為ω,螺旋葉片與軸線平面的夾角為α,葉片中心的線速度
若要精確計算螺旋葉片上各點的受力將是很難的工作,可采用計算流體力學中復(fù)雜的差分法或有限元法與數(shù)值計算方法。
為了工程上使用方便,可采用簡化的平均估算法,利用沖量理論可推導(dǎo)出水輪機吸收水功率的估算公式
a為真實流體修正系數(shù),可由實驗測定。
從公式二中看出,要想提高輪機吸收水的功率,必須
1)提高河流流速vo水;
2)增大擴口半徑r擴;
3)增大螺旋葉片半徑r;
4)增大輪機軸筒長度l;
5)葉片的角速度ω的影響比較復(fù)雜,當轉(zhuǎn)速小一些時,可使
6)螺旋葉片的傾角α,從公式二中看出,傾角α也有合理區(qū)間,因為太大時α=90°而螺旋葉片封閉無水流通過,cosα=0,反之太小時α=0,即螺旋葉片平行于水流,螺旋葉片上也無沖擊力,sinα=0,這兩種極端情況,水輪機功率都為零。
三、單元(單體)水輪機的吸收功率能力的環(huán)節(jié)
第一步:水輪機捕獲水功率n水;
第二步:水輪機把水功率n水轉(zhuǎn)化為水輪機軸(串聯(lián)軸和并聯(lián)動力匯集軸)的機械功率,該轉(zhuǎn)換效率為η水機;
第三步:通過動力轉(zhuǎn)換器,把水輪機軸的機械功率轉(zhuǎn)化為功能設(shè)備(抽水泵或發(fā)電機)的抽出/輸入功率,設(shè)轉(zhuǎn)化效率為η機機;
第四步:功能設(shè)備轉(zhuǎn)化為目標功率(大排量高揚程水功率n抽水或大功率電力輸出n輸電),設(shè)轉(zhuǎn)化效率為η機水或η機電。
則得到目標功率
n抽水(或n輸電)=n水×η水機×η機機×η機水(或η機電)(3)
四、廣泛地分布廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置的輪機軸的功率匯集工藝技術(shù)
1、在寬水面河流中,大面積分布多單元輪機,在橫向上串聯(lián)多組單元水輪機,在縱向上并聯(lián)多組串聯(lián)水輪機組,形成縱橫交匯的廣泛地分布廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置,從而把大面積的河流水能量吸收并匯集傳遞輸出到目標功能設(shè)備。
因河流水的流速在平面分布上差別很大,橫向上河岸邊水流速度小,向河心方向水流速度逐漸增大,縱向上,由于河面寬窄變化,不同地點水流速度也不一樣。這將導(dǎo)致每個單元水輪機的轉(zhuǎn)速都不相同,這就發(fā)現(xiàn)兩個嚴重而復(fù)雜的問題。
從第二節(jié)的公式一中看出,單元水輪機的轉(zhuǎn)速也存在設(shè)計優(yōu)化,與河流流速相對應(yīng),單元水輪機轉(zhuǎn)速既不能太快,也不能太慢,存在一個最佳轉(zhuǎn)速使單元水輪機輸出功率最大化,按照微分理論,在最佳轉(zhuǎn)速點上,有:
通過公式三得到,在水輪機的葉片中心點速度
即輪機葉片中心點速度為水流速的0.58倍時,該單元水輪機的輸出功率最大。
因所有單元點的水流速不同則各單元輪機最佳轉(zhuǎn)速亦不同。同理,用軸流式水輪機公式也得到
2、在保持各單元水輪機自身不同的最佳轉(zhuǎn)速下,而用動力軸傳輸網(wǎng)絡(luò)達到最大限度匯集轉(zhuǎn)動機械能,如圖1所示,先以位于某一串聯(lián)軸差速調(diào)節(jié)器兩端的兩個單元水輪機的輪機軸(輪機軸ⅰ和輪機軸ⅱ)傳遞能量為例,因要保證兩個輪機都處于最大功率輸出狀態(tài),而
因此為了保證輪機軸各自的最佳速度,同時又不出現(xiàn)各單元水輪機之間的相互干擾,采用調(diào)速聯(lián)軸器技術(shù)將能解決上述矛盾。
調(diào)速聯(lián)軸器的核心是按照相鄰的兩軸的各自最佳轉(zhuǎn)速ωi及
3、廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置能量匯集方法
如圖1所示,設(shè)n水(i,j)為(xi,yi)點上的水輪機單元功率,
則
為整個水面(x由0→xm,y由0→ym)廣匯式輪機網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置所廣泛匯集的最大河流水功率ijn水。
此時是假設(shè)單元水輪機的能量轉(zhuǎn)換效率是統(tǒng)一的,調(diào)速聯(lián)接器轉(zhuǎn)換效率也是統(tǒng)一的。當然如果各自不統(tǒng)一,也可由上述重積分方法求解。
此處是以寬河面的橫想模式為例展示的,對寬河流的順模式(軸流模式)可采用串聯(lián)積分方法得到系統(tǒng)匯集的總功率。