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CN107165769A - 一种溪流微型发电装置 - Google Patents

一种溪流微型发电装置 Download PDF

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CN107165769A
CN107165769A CN201710611346.9A CN201710611346A CN107165769A CN 107165769 A CN107165769 A CN 107165769A CN 201710611346 A CN201710611346 A CN 201710611346A CN 107165769 A CN107165769 A CN 107165769A
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CN201710611346.9A
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葛新峰
陈慧楠
徐旭
姜梅
毛秀丽
刘阳
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Hohai University HHU
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Hohai University HHU
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Abstract

本发明公开了一种溪流微型发电装置，由进口流道、转轮室、出口流道、转轮叶片、轮毂、支撑柱、发电机室和发电机组成，进口流道、转轮室和出口流道构成整个流道，整个流道根据山区溪流渠道的倾角卧式放置在山区溪流渠道中，轮毂与转轮叶片直接相连构成旋转体一起绕着主轴旋转，转轮叶片为空间扭曲状，每个转轮叶片的空间造型通过五个封闭的空间翼型曲线而得到。本发明装置没有应用水头的要求，且装置结构简单紧凑，运维方便，具有较好的水力性能，同时具备较好的能量性能，土建成本低，可以简单处理山区溪流地基，安置好溪流发电装置即可发电。

Description

一种溪流微型发电装置
技术领域
本发明涉及一种溪流微型发电装置，属于流体机械及工程领域。
背景技术
我国山区农村可再生能源重要组成部分之一的微水电，有着提高和改善偏远山区农村电力供应、自然生态环境保护、扶贫济贫等多种社会经济效益。在微型水力资源零星散布，但电力供给严重不足且供电成本极高的偏远山区农村，建设微水电机组设备，是解决农村农产生活用电，是一种小投资，快收益问题的良好办法之一。
微水电是其他能源无可取代的一种农村微型可再生能源。它除了被广泛地应用于山区、农村外，还可用于冷却塔、自来水厂等具有多余水头落差的地方，可用于高层建筑物的采暖、照明发电。微水电的利用既有着它的现实经济意义，而更重要的是其社会效益。综上所述，开发适用于微水能的微型水力发电装置具有着重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种溪流微型发电装置，在简单处理山区溪流地基的情况下，安置好溪流发电装置即可发电。
为解决上述技术问题，本发明提供一种溪流微型发电装置，由进口流道、转轮室、出口流道、转轮叶片、轮毂、支撑柱、主轴、发电机及发电机室组成；所述进水流道采用圆形收缩管，进、出口截面形状都为圆形；所述转轮室断面为圆形；所述出口流道采用圆变方的截面变换形式，进口为圆形，出口为矩形；所述进口流道、转轮室和出口流道构成整个流道，整个流道根据山区溪流渠道的倾角θ卧式放置在山区溪流渠道中，倾角θ根据地形布置；所述转轮叶片和轮毂构成转轮，位于转轮室内，所述轮毂为球形状，与转轮叶片直接相连构成旋转体，所述转轮叶片共有个，均匀的布置于轮毂上；所述主轴一端与轮毂相连，另一端直接与发电机相连接，所述转轮叶片和轮毂一起绕着主轴旋转；所述发电机布置在发电机室内，发电机室通过支撑柱固定于出口流道上，同时将发电机的输出电线通过支撑柱内空心管路引出；所述转轮叶片为空间扭曲状，每个转轮叶片的空间造型通过五个封闭的空间翼型曲线而得到，将空间翼型曲线展开得到平面翼型，每条平面翼型曲线由上下两条曲线组成；所述五条平面翼型曲线的特征点如下表所示：
其中，Ln表示第n个平面翼型曲线，n＝1、2、3、4、5，Xu表示平面翼型曲线上曲线特征点的横坐标，Xd表示平面翼型曲线下曲线特征点的横坐标，y表示对应点的纵坐标；
所述5条平面翼型曲线共上下10条曲线拟合后的方程如下：
L1上曲线：yu＝-0.011x2-2.84x+35.59
L1下曲线：yd＝-2.97x-0.86
L2上曲线：yu＝-0.0123x2-2.27x+47.09
L2下曲线：yd＝-0.0005x2-2.46x+1.69
L3上曲线：yu＝-4E-05x3-0.0107x2-1.58x+50.26
L3下曲线：yd＝-0.0013x2-1.91x+3.31
L4上曲线：yu＝-5E-05x3-0.0089x2-0.98x+48.51
L4下曲线：yd＝-0.0017x2-1.32x+3.97
L5上曲线：yu＝-4E-05x3-0.0072x2-0.36x+48.90
L5下曲线：yd＝-0.0025x2-0.66x+11.69。
前述的进水流道的收缩角为10°。
前述的转轮室的断面的直径D1的范围为300～1000mm。
前述的出口流道的扩散角为15°。
前述的进口流道长度、转轮室长度、出口流道长度、转轮室断面直径的比值为0.56:0.33:2:1；
所述轮毂直径与转轮室截面直径的比值关系为0.35。
前述的倾角θ取5°～30°。
前述的支撑柱有4个，所述支撑柱采用对称翼型形状的柱体。
前述的每个转轮叶片的5条空间翼型曲线沿转轮叶片径向均匀分布，相邻空间翼型曲线间距为1/6d，其中，d为转轮室截面直径的一半。
前述的在制造时，首先，根据山区溪流的宽度深度及流量，确定转轮直径D1，然后根据进口流道长度，转轮室长度，出口流道长度与转轮直径的比值关系，以及轮毂直径与转轮直径的比值关系，确定流道长度，转轮室长度，出口流道长度和轮毂直径。
前述的在制造时，对于转轮叶片，可按照特征点进行拟合或者按照特征曲线进行拟合。
相比于现有技术，本发明具有的有益效果为：
本发明装置没有应用水头的要求，且装置结构简单紧凑，运维方便，该微型水力发电装置发电装置具有较好的水力性能，同时具备较好的能量性能，土建成本低，可以简单处理山区溪流地基，安置好溪流发电装置即可发电。
本发明装置核心部件转轮叶片的设计，采用线性环量分布与流线法进行设计，具有较好的水力性能和能量性能。水流在装置流道内的流动具有较好的流态，流动的水力损失较小，在运行时水能转换发电的效率比较高，可达70％以上。
附图说明
图1为本发明的溪流微型发电装置的整体结构图；
图2为溪流微型发电装置的转轮的三维结构图；
图3为溪流微型发电装置的流道的结构图；
图4为流道的三维结构图；
图5为转轮叶片的翼型空间曲线及拟合方程图；图5(a)为L1曲线，图5(b)为L2曲线，图5(c)为L3曲线，图5(d)为L4曲线，图5(e)为L5曲线；
图6为单个转轮叶片的正视图；图6(a)为平面图，图6(b)为五个封闭空间翼型曲线；
图7为单个转轮叶片的结构图；图7(a)三维空间图，图7(b)为五个封闭翼型曲线空间布置俯视图；
图8为转轮叶片和轮毂的正视图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的溪流微型发电装置布置在山区常年有溪流流道中，结构具体如图1所示，由进口流道1、转轮室2、出口流道5、转轮叶片4、轮毂3、支撑柱6、主轴、发电机及发电机室7组成。
如图3和图4所示，进水流道1采用圆形收缩管，进、出口截面形状都为圆形，进口流道1的收缩角α取10°，转轮室2断面为直径D1的圆形，D1可以取300～1000mm。出口流道5采用圆变方的截面变换形式，进口为圆形，出口为矩形，出口流道的扩散角β为15°。进口流道1、转轮室2和出口流道5构成整个流道，其长度分别为a1、a2、a3，a1:a2:a3:D1＝0.56:0.33:2:1。
如图1所示，流道根据山区溪流渠道的倾角θ卧式放置在山区溪流渠道8中，倾角θ根据地形布置，取5°～30°为宜。
如图2和图8所示，本发明装置的转轮包括转轮叶片4和轮毂3两个部分，轮毂3为球形状，与转轮叶片4直接相连构成旋转体，转轮叶片共有3个，均匀的布置于轮毂3上。主轴一端与轮毂3相连，另一端直接与发电机相连接，转轮叶片和轮毂一起绕着发电装置的主轴旋转。轮毂直径Dg与转轮室直径D1比值为0.35。发电机布置在发电机室7内，发电机室7通过支撑柱6固定于流道上，本发明共设有4个支撑柱，分别为6-1，6-2，6-3和6-4，支撑柱采用对称翼型形状的柱体，将发电机室固定在出口流道5中，同时将发电机的输出电线通过支撑柱内空心管路引出。
轮毂和转轮叶片位于转轮室2内，转轮室2的直径也就是转轮的直径。转轮叶片整体为空间扭曲状，转轮叶片进口边处较厚，出口边处较薄，转轮叶片数选为3个；转轮叶片空间造型通过五个封闭空间翼型曲线而得到，这五个空间翼型曲线沿发电装置旋转半径方向按一定规律分布，对于每个空间翼型曲线采用流线法设计，将工作面型线与加厚面的型线首尾相接形成封闭曲线，并按一定方法转换为空间曲线，将空间翼型展开得到平面翼型，每个翼型由上下两条曲线组成，五条平面翼型曲线的特征点如下表所示：
其中，Ln表示第n个平面翼型曲线(n＝1、2、3、4、5)，其中Xu表示上部翼型特征点的横坐标，Xd表示下部翼型特征点的横坐标，y表示对应点的纵坐标。
5个翼型共10条曲线拟合后的方程如下：
L1上曲线：yu＝-0.011x2-2.84x+35.59
L1下曲线：yd＝-2.97x-0.86
L2上曲线：yu＝-0.0123x2-2.27x+47.09
L2下曲线：yd＝-0.0005x2-2.46x+1.69
L3上曲线：yu＝-4E-05x3-0.0107x2-1.58x+50.26
L3下曲线：yd＝-0.0013x2-1.91x+3.31
L4上曲线：yu＝-5E-05x3-0.0089x2-0.98x+48.51
L4下曲线：yd＝-0.0017x2-1.32x+3.97
L5上曲线：yu＝-4E-05x3-0.0072x2-0.36x+48.90
L5下曲线：yd＝-0.0025x2-0.66x+11.69。
图5(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别为转轮叶片外缘侧至轮毂侧的五个翼型及其拟合方程，每个翼型由两条曲线构成，上部曲线Yu和下部曲线Yd，两条曲线构成封闭的曲线为转轮叶片的翼型，共五条分别为L1、L2、L3、L4、L5，上部曲线Yu和下部曲线Yd的拟合方程如图中右上角和左下角。
如图6所示为单个转轮叶片的正视图，(a)为平面图，(b)为五个封闭翼型曲线，转轮叶片为空间扭曲曲面。转轮叶片空间造型通过五个封闭翼型曲线而得到，翼型曲线L1、L2、L3、L4、L5的分布如图，每个翼型曲线等距离划分，相邻翼型曲线间距为1/6d，其中，d为转轮室直径的一半，即d＝1/2D1，对于每个翼型曲线采用流线法设计，将工作面型线与加厚面的型线首尾相接形成封闭曲线，并按一定方法转换为空间曲线。
如图7所示为单个转轮叶片的俯视图，(a)为单个转轮叶片三维空间图，(b)单个转轮叶片由五个封闭翼型曲线空间布置俯视图，L1、L2、L3、L4、L5分别表示上述五个空间翼型曲线。
本发明的主要尺寸的选型、制造、安装、发电时，按以下要求进行：
(1)根据山区溪流的宽度深度及流量，确定所应用转轮直径D1；
(2)根据所确定的转轮尺寸，依据本申请所提供的进口流道长度a1，转轮室长度a2，出口流道长度a3与转轮直径D1的比值关系，以及轮毂直径Dg与转轮直径D1的比值关系，确定流道长度a1，转轮室长度a2，出口流道长度a3和轮毂直径Dg；
(3)对于转轮叶片主要翼型，根据本发明提供的特征点如表进行整体拟合，也可以根据几个特征曲线进行从线到面的拟合。
(4)将整体转轮的模型三维建模后即可以进行工厂铸造生产，对于转轮的最后成品还需要进行表面打磨，表面的平整、光滑程度对转轮的运行效率也有重要的影响。
(5)将装置的主要组成部分进口流道、转轮室、出口流道、转轮叶片、轮毂、支撑柱、发电机室，进行整体组装。
(6)该微型水力发电装置安装到现场溪流中，可以简单处理山区溪流地基，安置好溪流发电装置即可发电，进水流道对着来流方法即可。
本申请可以根据不同的溪流渠道的尺寸和流量，对该转轮进行几何形状上的缩放。本专利转轮具有较高的宽效率曲，在额定流量能保证70％的效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种溪流微型发电装置，其特征在于，由进口流道、转轮室、出口流道、转轮叶片、轮毂、支撑柱、主轴、发电机及发电机室组成；所述进水流道采用圆形收缩管，进、出口截面形状都为圆形；所述转轮室断面为圆形；所述出口流道采用圆变方的截面变换形式，进口为圆形，出口为矩形；所述进口流道、转轮室和出口流道构成整个流道，整个流道根据山区溪流渠道的倾角θ卧式放置在山区溪流渠道中，倾角θ根据地形布置；所述转轮叶片和轮毂构成转轮，位于转轮室内，所述轮毂为球形状，与转轮叶片直接相连构成旋转体，所述转轮叶片共有个，均匀的布置于轮毂上；所述主轴一端与轮毂相连，另一端直接与发电机相连接，所述转轮叶片和轮毂一起绕着主轴旋转；所述发电机布置在发电机室内，发电机室通过支撑柱固定于出口流道上，同时将发电机的输出电线通过支撑柱内空心管路引出；所述转轮叶片为空间扭曲状，每个转轮叶片的空间造型通过五个封闭的空间翼型曲线而得到，将空间翼型曲线展开得到平面翼型，每条平面翼型曲线由上下两条曲线组成；所述五条平面翼型曲线的特征点如下表所示：
其中，Ln表示第n个平面翼型曲线，n＝1、2、3、4、5，Xu表示平面翼型曲线上曲线特征点的横坐标，Xd表示平面翼型曲线下曲线特征点的横坐标，y表示对应点的纵坐标；
所述5条平面翼型曲线共上下10条曲线拟合后的方程如下：
L1上曲线：yu＝-0.011x2-2.84x+35.59
L1下曲线：yd＝-2.97x-0.86
L2上曲线：yu＝-0.0123x2-2.27x+47.09
L2下曲线：yd＝-0.0005x2-2.46x+1.69
L3上曲线：yu＝-4E-05x3-0.0107x2-1.58x+50.26
L3下曲线：yd＝-0.0013x2-1.91x+3.31
L4上曲线：yu＝-5E-05x3-0.0089x2-0.98x+48.51
L4下曲线：yd＝-0.0017x2-1.32x+3.97
L5上曲线：yu＝-4E-05x3-0.0072x2-0.36x+48.90
L5下曲线：yd＝-0.0025x2-0.66x+11.69。
2.根据权利要求1所述的一种溪流微型发电装置，其特征在于，所述进水流道的收缩角为10°。
3.根据权利要求1所述的一种溪流微型发电装置，其特征在于，所述转轮室的断面的直径D1的范围为300～1000mm。
4.根据权利要求1所述的一种溪流微型发电装置，其特征在于，所述出口流道的扩散角为15°。
5.根据权利要求1所述的一种溪流微型发电装置，其特征在于，所述进口流道长度、转轮室长度、出口流道长度、转轮室断面直径的比值为0.56:0.33:2:1；所述轮毂直径与转轮室截面直径的比值关系为0.35。
6.根据权利要求1所述的一种溪流微型发电装置，其特征在于，所述倾角θ取5°～30°。
7.根据权利要求1所述的一种溪流微型发电装置，其特征在于，所述支撑柱有4个，所述支撑柱采用对称翼型形状的柱体。
8.根据权利要求1所述的一种溪流微型发电装置，其特征在于，所述每个转轮叶片的5条空间翼型曲线沿转轮叶片径向均匀分布，相邻空间翼型曲线间距为1/6d，其中，d为转轮室截面直径的一半。
9.根据权利要求1所述的一种溪流微型发电装置，其特征在于，在制造时，首先，根据山区溪流的宽度深度及流量，确定转轮直径D1，然后根据进口流道长度，转轮室长度，出口流道长度与转轮直径的比值关系，以及轮毂直径与转轮直径的比值关系，确定流道长度，转轮室长度，出口流道长度和轮毂直径。
10.根据权利要求1所述的一种溪流微型发电装置，其特征在于，在制造时，对于转轮叶片，可按照特征点进行拟合或者按照特征曲线进行拟合。
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