广汇式轮机网络加抽水发电装置的制作方法

本发明涉及到一种发电装置，尤其涉及到一种广汇式轮机网络加抽水发电装置。

背景技术：

在发展农林牧鱼等行业中，经常需要在山区、野外河流中抽水及用电，但由于野外山区架设电线难度大费用高，若采用油料发电方式，不仅成本高而且又污染大气环境，所以利用自然河流中的水能量达到抽水或发电的目的，已显得十分必要。

以往是在大河流中建水坝发电站，一是要求大河流、水落差大、地质岩石结构等条件具备，二是投资大，技术条件要求高，三是环境破坏影响及周边移民等多项因素。

关于利用河流水能量进行抽水及发电的技术，已有一些报道，如《新型抽水、发电两用的水轮泵》申请号：201210403126.4和《兼具泵水功能的水轮机》申请号：201410379287.3，这些技术对水轮机的机械传动及设备内部水流路径设计都有较细致的研究，这些设备在高能量密度水流中可以输出较大的水功率或电功率，但在流速慢的河流中此种设备将难以发挥作用。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述问题，提供了一种广汇式轮机网络加抽水发电装置。

本发明的广汇式轮机网络加抽水发电装置，包括水轮机，水轮机的轮机轴上同轴固定有串联轴，多个水轮机的串联轴之间通过串联轴差速调节器传动连接构成串联水轮机组；多组串联水轮机组平行并排设于两个串联轴浮力支撑柱之间，且所述的多组串联水轮机组的同一端均传动连接有并联轴差速调节器，并联轴差速调节器之间通过并联动力汇集轴传动连接，且其中一端的并联轴差速调节器通过并联动力汇集轴传动连接有总动力轴差速调节器，该总动力轴差速调节器通过动力输出轴传动连接有功能设备。

作为本发明的进一步改进，本装置横向设于水面，水轮机的转轮以其轮机轴为界限一半位于水面上、另一边位于水面下，水流的流向垂直于转轮的叶片的叶面。

作为本发明的进一步改进，本装置通过串联轴浮力支撑柱浮于水面上且通过固定桩与河床相对固定。

本发明的广汇式轮机网络加抽水发电装置，包括水轮机，其特征在于水轮机的轮机轴上同轴固定有串联轴，多个水轮机的串联轴之间通过串联轴差速调节器传动连接构成串联水轮机组，串联水轮机组的其中一端传动连接有并联轴差速调节器，并联轴差速调节器通过并联动力汇集轴传动连接有总动力轴差速调节器，该总动力轴差速调节器通过动力输出轴传动连接有功能设备。

作为本发明的进一步改进，本装置沿水流方向设于水面以下，且水轮机为轴流式水轮机。

本发明的广汇式轮机网络加抽水发电装置，建立了先串联，后并联是轮机网络优化结构，针对的情况是低能量密度的河流能量利用技术，如：宽广河流但流速慢，山间小河流但流速快，此种低能量密度河流水能量的利用是本技术研究的主题，本技术中是在广阔低能量密度的水面上分布大量轮机组，有机的相互结合，广泛汇集自然水能量，形成能量巨大的水轮机网络，可达到大量抽水或大量发电的实用目标。在偏远山区、野外荒原，可能没有电力设施，在这些地方的河流中应用此装置，可输出较大机械能，用于抽水或发电。既环保又经济，不仅符合国家节能减排政策，也符合国家精准扶贫政策。

附图说明

图1为本发明的广汇式轮机网络加抽水发电装置的实施例一的俯视结构图；

图2～图3为本发明的广汇式轮机网络加抽水发电装置的实施例一中单元水轮机的实施位置图；

图4为本发明的广汇式轮机网络加抽水发电装置的实施例二的俯视结构图；

图5为本发明的广汇式轮机网络加抽水发电装置的实施例二中单元水轮机的实施位置图。

具体实施方式

实施例1

下面结合附图对本发明的广汇式轮机网络加抽水发电装置，作进一步说明：

本发明的广汇式轮机网络加抽水发电装置，通过串联轴浮力支撑柱5浮于水面上且通过固定桩11与河床相对固定。其中，起水轮机1的转轮以其轮机轴为界限一半位于水面上、另一边位于水面下，水流的流向垂直于转轮的叶片的叶面。

水轮机1的轮机轴上同轴固定有串联轴2，多个水轮机1的串联轴2之间通过串联轴差速调节器3传动连接构成串联水轮机组4；多组串联水轮机组4平行并排设于两个串联轴浮力支撑柱5之间，且所述的多组串联水轮机组4的同一端均传动连接有并联轴差速调节器6构成网状的水轮机网络，并联轴差速调节器6之间通过并联动力汇集轴7传动连接，且其中一端的并联轴差速调节器6通过并联动力汇集轴7传动连接有总动力轴差速调节器8，该总动力轴差速调节器8通过动力输出轴9传动连接有功能设备10。

实施例2

广汇式轮机网络加抽水发电装置，沿水流方向设于水面以下，且其中水轮机1应为轴流式水轮机。本装置中，水轮机1的轮机轴上同轴固定有串联轴2，多个水轮机1的串联轴2之间通过串联轴差速调节器3传动连接构成串联水轮机组4，串联水轮机组4的其中一端传动连接有并联轴差速调节器6，并联轴差速调节器6通过并联动力汇集轴7传动连接有总动力轴差速调节器8，该总动力轴差速调节器8通过动力输出轴9传动连接有功能设备10。

本发明的广汇式轮机网络加抽水发电装置，其原理如下：

一、本发明依据的能量转换过程为：

河流大面积水流动能→广汇式轮机网络加抽水发电装置→轮机轴旋转机械能→功率网络汇总系统(各网络节点装有差速调节器)→轴功率转换器→功能设备(抽水泵或发电机)。

对于该能量转换过程的说明：

1、因水流速度慢、能量密度低，必须尽量控制大量河流面积，汇集大量水流的水动能总量；

2、广泛地分布广汇式轮机网络加抽水发电装置，达到广泛地汇集水流能量，即利用有限元的微积分技术，达到汇集能量最大化；

3、广汇式轮机网络加抽水发电装置中网络节点处的转轴(串联轴和并联动力汇集轴)速度存在差异会出现慢速转轴拖累快速转轴的情况，所以网络节点处的慢速转轴不但不能对总网络系统贡献功率反而会吸收快速转轴的功率，因此需在广汇式轮机网络加抽水发电装置中有差速的网络节点处安装差速调节器(串联轴差速调节器、并联轴差速调节器和总动力轴差速调节器)使所有网络分支点都成为能量源，即对总网络贡献能量，而不是吸收消耗总系统能量。

二、单体(单元)水轮机吸收水能量的能力估算式

获得大量水功率的重要途径有两个，一是如何提高单体(单元)水轮机吸收水能量的能力，二是水轮机的单元数量，控制更大面积的河流能量。

本节给出单元水轮机吸收水能量的结算式，从而定量地掌握各影响因素，为提高单机能力找到直接有效的办法。

1、水轮机的安装模式

根据河流宽度的大小，为了更大限度汇集河流水能量，根据水轮机与水流方向的关系可分为横向模式(如图1所示)与顺模式(如图4所示)。当河面较宽时采用横向模式，当河面较窄时采用顺模式。

2、单元水轮机横模式吸收水功率估算式

横向模式采用半潜方式(如图2和图3所示)，即水流的流向垂直于转轮的叶片的叶面。因实际水流冲击叶片所形成的流场较复杂，叶片各点所受冲击力均不相同，要想准确计算叶片上的受力分布及计算叶片的旋转速度较为复杂，无法用解析式精确表达，只能用计算流体力学中的微单元的差分法或有限元数值模拟方法计算。

为了工程应用方便，可采用取平均值的简化方法，利用流体动力学或利用水冲叶片的冲量定理，给出叶片所吸取的水功率。

设：叶片半径为r，轮机旋转角速度为ω，叶片宽度为l；

则得到：水轮机的叶片末端的线速度vr机＝ω·r，叶片中心速度代表叶片平均速度

则水轮机的叶片吸收的水功率n水为

其中a为真实流体修正系数，可由实验测定。

从公式一看出：

1)水轮机的叶片吸收的水功率与叶片宽l成正比，与叶片半径r成正比，即与叶片面积成正比，说明叶片面积大一倍，所得到的水功率也增大一倍；

2)水轮机的叶片吸收的水功率与河流流速vo水的三次幂成正比，说明水流速度是决定轮机功率的第一要素；

3)水轮机的叶片转速ω慢些，即vr机1/2小些，则水流对叶片产生的冲量大，水轮机吸收水功率就大。但叶片转速不能太低，因为此时已无大的增加，而乘积项的vr机1/2太小，导致吸收水功率n水急剧下降。因为功率不仅与受力有关，也与速度有关。力与速度的成积才是功率。这说明水流速确定后，存在一个最佳的水轮机转速，以使水轮机功率最大。

3、单元水轮机顺模式吸收水功率估算式

顺模式采用全潜轴流式(如图5所示)，即水轮机全部潜入水中，且水轮机的轴与水流方向一致。

设，河流流速vo水，水轮机外筒12(螺旋叶片)半径为r，扩口14半径为r扩，水轮机外筒12(螺旋叶片13)长度为l，轮机轴旋转角速度为ω，螺旋叶片与轴线平面的夹角为α，叶片中心的线速度可视为螺旋叶片上的平均速度。扩张口的汇集水流的能力筒内水流速为vo水筒内＝η汇×v吸水，其中η汇效为汇集水流系数，与扩张口的形状、角度、表面粗糙度等因素有关，也与轮机扩张口的截面积与小河流截面积的比值有关，可由实验测得。

若要精确计算螺旋叶片上各点的受力将是很难的工作，可采用计算流体力学中复杂的差分法或有限元法与数值计算方法。

为了工程上使用方便，可采用简化的平均估算法，利用冲量理论可推导出水轮机吸收水功率的估算公式

a为真实流体修正系数，可由实验测定。

从公式二中看出，要想提高轮机吸收水的功率，必须

1)提高河流流速vo水；

2)增大扩口半径r扩；

3)增大螺旋叶片半径r；

4)增大轮机轴筒长度l；

5)叶片的角速度ω的影响比较复杂，当转速小一些时，可使为减少，水功率应该增加，但当角速度太小，即相对已微不足道，且在增项里没起到大的作用，但在减项里vr1/2是乘积项，此时ω→0即vr1/2→0，则吸收水功率→0。所以轮机的旋转速度的控制，对轮机的有效功率影响很大。

6)螺旋叶片的倾角α，从公式二中看出，倾角α也有合理区间，因为太大时α＝90°而螺旋叶片封闭无水流通过，cosα＝0，反之太小时α＝0，即螺旋叶片平行于水流，螺旋叶片上也无冲击力，sinα＝0，这两种极端情况，水轮机功率都为零。

三、单元(单体)水轮机的吸收功率能力的环节

第一步：水轮机捕获水功率n水；

第二步：水轮机把水功率n水转化为水轮机轴(串联轴和并联动力汇集轴)的机械功率，该转换效率为η水机；

第三步：通过动力转换器，把水轮机轴的机械功率转化为功能设备(抽水泵或发电机)的抽出/输入功率，设转化效率为η机机；

第四步：功能设备转化为目标功率(大排量高扬程水功率n抽水或大功率电力输出n输电)，设转化效率为η机水或η机电。

则得到目标功率

n抽水(或n输电)＝n水×η水机×η机机×η机水(或η机电)(3)

四、广泛地分布广汇式轮机网络加抽水发电装置的轮机轴的功率汇集工艺技术

1、在宽水面河流中，大面积分布多单元轮机，在横向上串联多组单元水轮机，在纵向上并联多组串联水轮机组，形成纵横交汇的广泛地分布广汇式轮机网络加抽水发电装置，从而把大面积的河流水能量吸收并汇集传递输出到目标功能设备。

因河流水的流速在平面分布上差别很大，横向上河岸边水流速度小，向河心方向水流速度逐渐增大，纵向上，由于河面宽窄变化，不同地点水流速度也不一样。这将导致每个单元水轮机的转速都不相同，这就发现两个严重而复杂的问题。

从第二节的公式一中看出，单元水轮机的转速也存在设计优化，与河流流速相对应，单元水轮机转速既不能太快，也不能太慢，存在一个最佳转速使单元水轮机输出功率最大化，按照微分理论，在最佳转速点上，有：

通过公式三得到，在水轮机的叶片中心点速度即叶片中心点线速度|最佳≈0.58；

即轮机叶片中心点速度为水流速的0.58倍时，该单元水轮机的输出功率最大。

因所有单元点的水流速不同则各单元轮机最佳转速亦不同。同理，用轴流式水轮机公式也得到

2、在保持各单元水轮机自身不同的最佳转速下，而用动力轴传输网络达到最大限度汇集转动机械能，如图1所示，先以位于某一串联轴差速调节器两端的两个单元水轮机的轮机轴(轮机轴ⅰ和轮机轴ⅱ)传递能量为例，因要保证两个轮机都处于最大功率输出状态，而假设如果节点处联轴器是简单的刚性单轴，则必须出现转速快的轮机轴对转速慢的轮机轴作功，或者说，转速慢的轮机轴不仅不对外作功还要吸收掉高速轮机轴上的功。

因此为了保证轮机轴各自的最佳速度，同时又不出现各单元水轮机之间的相互干扰，采用调速联轴器技术将能解决上述矛盾。

调速联轴器的核心是按照相邻的两轴的各自最佳转速ωi及用速度转换比例设计齿数比(ωi/ωii)的变齿数调速联轴器，从而实现即保证各自水轮机的独立性，又保证各单元轮机轴能量汇集时不出现干扰。

3、广汇式轮机网络加抽水发电装置能量汇集方法

如图1所示，设n水(i，j)为(xi,yi)点上的水轮机单元功率，

则为第yj处串联轴的所有水轮机功率的汇合

为整个水面(x由0→xm，y由0→ym)广汇式轮机网络加抽水发电装置所广泛汇集的最大河流水功率ijn水。

此时是假设单元水轮机的能量转换效率是统一的，调速联接器转换效率也是统一的。当然如果各自不统一，也可由上述重积分方法求解。

此处是以宽河面的横想模式为例展示的，对宽河流的顺模式(轴流模式)可采用串联积分方法得到系统汇集的总功率。