本發(fā)明涉及水力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種小功率垂直軸管道水輪機(jī)轉(zhuǎn)子。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代社會(huì)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸變得日益便捷。在進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸水時(shí)，可在遠(yuǎn)程對(duì)壓力、流量等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用無(wú)線通信設(shè)備進(jìn)行傳輸，將大大提高數(shù)據(jù)采集效率。無(wú)線監(jiān)控設(shè)備需要使用電力，而在遠(yuǎn)距離輸水中，測(cè)量和傳輸設(shè)備雖功率較小，但可能處于偏遠(yuǎn)位置，如果接入電網(wǎng)進(jìn)行供電，則可能耗費(fèi)較高的成本，也面臨著線路布置困難等一系列問(wèn)題；如果僅僅依靠傳統(tǒng)電池進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控將使得電池的更換頻繁。

在輸水管道中的水流具有一定的能量，如果把水流的余能利用起來(lái)，使水流帶動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行發(fā)電，發(fā)出的電能供給測(cè)量設(shè)備和遠(yuǎn)傳設(shè)備使用，將節(jié)省成本，解決用電設(shè)備接入電網(wǎng)的線路布置困難等問(wèn)題。水能是一種清潔能源，在環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重的當(dāng)今，對(duì)于清潔能源尤其是余能的利用愈加得到重視，管道式水輪機(jī)的開(kāi)發(fā)，也符合發(fā)展清潔能源的理念。

目前，在國(guó)外已有的相關(guān)產(chǎn)品，雖然在工程應(yīng)用中取得了較好的工程應(yīng)用效果，但產(chǎn)品的功率、應(yīng)用管徑和流速大，不適合目前的輸水系統(tǒng)中使用。而在國(guó)內(nèi)的相關(guān)產(chǎn)品存在如下問(wèn)題：一、將常規(guī)水輪機(jī)的變形形式引入管道中使用，混流式水輪機(jī)的流道形狀復(fù)雜，轉(zhuǎn)輪外需要引水用的蝸形殼體，成本較高；軸流式水輪機(jī)流道形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，但是需要彎管或齒輪等結(jié)構(gòu)的輔助才能使水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸伸出管道，不利于在管道中進(jìn)行結(jié)構(gòu)的布置。二、在用于管道的小型發(fā)電裝置中，雖然已有采用垂直軸的布置形式出現(xiàn)，但是水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的葉片是非流線型的簡(jiǎn)易葉片，有的僅為平板形式，水力損失較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

本發(fā)明的目的是提供一種小功率垂直軸管道水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，解決用于管道的發(fā)電裝置中水輪機(jī)存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、安裝布置困難的問(wèn)題。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種小功率垂直軸管道水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，包括轉(zhuǎn)軸、上托、下托和多個(gè)弧形葉片，其中所述的上托、下托分別設(shè)置在所述轉(zhuǎn)軸上，各所述葉片的兩端分別與所述的上托、下托相連；所述葉片的旋轉(zhuǎn)軌跡呈球形，所述葉片的中線為球面上的圓弧，所述葉片的中線所在的平面與所述轉(zhuǎn)軸的中心線之間形成傾角θ。

進(jìn)一步地，所述葉片為等截面葉片，所述葉片的截面為翼型。

具體地，所述葉片的截面為NACA 0015翼型、NACA 0018翼型、NACA 0020翼型或NACA 0021翼型。

具體地，所述葉片的弦長(zhǎng)滿足公式：

$\mathrm{\σ}=\frac{N(c/cos\mathrm{\θ})}{R}$

其中，c為所述葉片弦長(zhǎng)；

σ為所述的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)度，σ的取值范圍為1.3～2.1；

N為在所述上托與所述下托之間設(shè)置的葉片個(gè)數(shù)；

θ為所述葉片的中線所在的平面與所述轉(zhuǎn)軸的中心線之間形成的傾角；

R為所述葉片的旋轉(zhuǎn)軌跡所成球形的半徑。

具體地，在所述上托與所述下托之間連接有5～7個(gè)所述葉片，每相鄰的兩個(gè)葉片之間的夾角相等。

具體地，所述葉片的中線所在的平面與所述轉(zhuǎn)軸的中心線之間形成的傾角θ的取值范圍為5°～20°。

進(jìn)一步地，所述的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)所述轉(zhuǎn)軸安裝在連接管中，在所述轉(zhuǎn)軸與所述連接管之間的連接處設(shè)有密封裝置。

具體地，所述轉(zhuǎn)軸的中心線與所述連接管的中心線相垂直，且所述轉(zhuǎn)軸的中心線與所述連接管的中心線相交。

(三)有益效果

本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明提供的小功率垂直軸管道水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，在上托與下托之間連接多個(gè)弧形葉片，所述弧形葉片的旋轉(zhuǎn)軌跡呈球形，所述葉片的中線所在的平面與所述轉(zhuǎn)軸的中心線之間形成傾角θ，整個(gè)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的形狀呈球形。在使用時(shí)，在水流的作用下，所述葉片的兩側(cè)受到的壓力不同，由于壓力差的存在，所述葉片產(chǎn)生升力，在升力的作用下，所述葉片帶動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，所述轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，所述發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能儲(chǔ)存在電池中，所述電池供電給測(cè)量設(shè)備和遠(yuǎn)傳設(shè)備使用。

本發(fā)明提供的小功率垂直軸管道水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，用于輸水管道中的小功率發(fā)電裝置，通過(guò)水流的作用，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，所發(fā)出的電能為輸水管道中不便于接入電網(wǎng)或傳統(tǒng)電池不能滿足電量需求的測(cè)量設(shè)備和傳輸設(shè)備進(jìn)行供電。本發(fā)明所述的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，安裝便捷，成本較低，能夠滿足遠(yuǎn)距離輸水管路中測(cè)量設(shè)備和傳輸設(shè)備的供電需求。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例小功率垂直軸管道水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例小功率垂直軸管道水輪機(jī)轉(zhuǎn)子與連接管的安裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例小功率垂直軸管道水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的葉片截面示意圖。

圖中：1：葉片；2：上托；3：轉(zhuǎn)軸；4：連接管；5：下托。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1-2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的小功率垂直軸管道水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，包括轉(zhuǎn)軸3，設(shè)置在所述轉(zhuǎn)軸3上的上托2和下托5，以及在所述上托2和所述下托5之間連接的多個(gè)弧形葉片1。其中所述葉片1的旋轉(zhuǎn)軌跡呈球形，各所述葉片1的中線均為球面上的一段圓弧，所述葉片1的中線所在的平面與所述轉(zhuǎn)軸3的中心線之間形成傾角θ。

使用時(shí)，將所述的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子安裝在連接管4中，也即所述轉(zhuǎn)軸3與所述連接管4相連，在所述轉(zhuǎn)軸3與所述連接管4之間的連接處設(shè)有密封裝置。所述轉(zhuǎn)軸3的中心線垂直于所述連接管4的中心線，且所述轉(zhuǎn)軸3的中心線與連接管4的中心線相交。所述連接管4通過(guò)法蘭或其他連接件連接在輸水管路中，水流從輸水管路進(jìn)入所述連接管4，在水流的作用下，所述葉片1帶動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸3旋轉(zhuǎn)，所述轉(zhuǎn)軸3旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能儲(chǔ)存在電池中，進(jìn)而通過(guò)電池供電給測(cè)量設(shè)備和傳輸設(shè)備使用。

具體而言，所述水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的輪廓形狀為球形，則所述葉片1的中線為該球形球面上的一段圓弧，該球形的半徑為R，該圓弧是用一個(gè)平面與球面相交得到的，該平面通過(guò)所述球形的球心，球形的球心重合于轉(zhuǎn)軸3中線與連接管4中線的交點(diǎn)。

用垂直于葉片1中線的截面去截葉片，當(dāng)截面取在中線上不同位置上，得到的葉片1的截面形狀相同，也即所述葉片1為等截面葉片。

所述葉片1的截面形狀為如圖3所示的翼型，翼型的中點(diǎn)在葉片1的中線上。具體而言，所述葉片1的截面可以為NACA 0015翼型、NACA 0018翼型、NACA 0020翼型或NACA 0021翼型。在本實(shí)施例中，所述葉片1的截面優(yōu)選為NACA 0018翼型。

進(jìn)一步而言，在所述上托2與所述下托5之間連接有5～7個(gè)所述葉片，每相鄰的兩個(gè)葉片之間的夾角相等。在本實(shí)施例中，所述葉片的數(shù)量?jī)?yōu)選為6個(gè)，則相鄰兩個(gè)葉片之間夾角為60°。

進(jìn)一步而言，所述葉片1的中線所在的平面與所述轉(zhuǎn)軸3的中心線之間形成的傾角θ的取值范圍為5°～20°。在本實(shí)施例中，所述傾角θ優(yōu)選為15°。

更進(jìn)一步而言，所述葉片1的弦長(zhǎng)滿足如下公式：

$\mathrm{\σ}=\frac{N(c/cos\mathrm{\θ})}{R}$

其中，c為所述葉片弦長(zhǎng)，也即葉片截面翼型的長(zhǎng)度；

σ為所述的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)度，σ的取值范圍為1.3～2.1；

N為在所述上托2與所述下托5之間設(shè)置的葉片個(gè)數(shù)；

θ為所述葉片的中線所在的平面與所述轉(zhuǎn)軸的中心線之間形成的傾角；

R為所述葉片的旋轉(zhuǎn)軌跡所呈球形的半徑，也即所述水輪機(jī)轉(zhuǎn)子所呈球面的半徑。

在本實(shí)施例中，所述轉(zhuǎn)子實(shí)度的優(yōu)選值為1.8。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供的小功率垂直軸管道水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，應(yīng)用在遠(yuǎn)距離輸水管道中，解決偏遠(yuǎn)位置的用電測(cè)量設(shè)備和傳輸設(shè)備供電問(wèn)題，對(duì)管道中水流余能的利用屬于清潔能源的開(kāi)發(fā)，友好于環(huán)境，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。

本發(fā)明實(shí)施例提供的小功率垂直軸管道水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，可以有效節(jié)約遠(yuǎn)距離輸水管道中處于偏遠(yuǎn)位置的用電測(cè)量設(shè)備和傳輸設(shè)備接入電網(wǎng)、使用傳統(tǒng)電池進(jìn)行供電的成本，提高在互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同下對(duì)管網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的便捷性。

本發(fā)明實(shí)施例提供的小功率垂直軸管道水輪機(jī)轉(zhuǎn)子，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，將基于升力的垂直軸管道水輪機(jī)應(yīng)用于小管徑、小流速的輸水管道中，利用管道中水流余能帶動(dòng)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)電，將發(fā)出的電能供給測(cè)量設(shè)備和傳輸設(shè)備使用，有效節(jié)省成本，解決用電設(shè)備接入電網(wǎng)的成本高、線路布置困難以及使用傳統(tǒng)電池更換頻繁等問(wèn)題。

在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)“上”、“下”、“內(nèi)”、“外”、“中”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，還需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。