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(jī)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(fèi)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(dá)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(xiàng)因素。

關(guān)于利用河流水能量進(jìn)行抽水及發(fā)電的技術(shù)，已有一些報(bào)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(jī)》申請?zhí)枺?01410379287.3，這些技術(shù)對水輪機(jī)的機(jī)械傳動及設(shè)備內(nèi)部水流路徑設(shè)計(jì)都有較細(xì)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(shí)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(jī)網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置。

本發(fā)明的廣匯式輪機(jī)網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置，包括水輪機(jī)，水輪機(jī)的輪機(jī)軸上同軸固定有串聯(lián)軸，多個(gè)水輪機(jī)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(jī)組；多組串聯(lián)水輪機(jī)組平行并排設(shè)于兩個(gè)串聯(lián)軸浮力支撐柱之間，且所述的多組串聯(lián)水輪機(jī)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(jìn)一步改進(jìn)，本裝置橫向設(shè)于水面，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪以其輪機(jī)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(jìn)一步改進(jìn)，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(jī)網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置，包括水輪機(jī)，其特征在于水輪機(jī)的輪機(jī)軸上同軸固定有串聯(lián)軸，多個(gè)水輪機(jī)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(jī)組，串聯(lián)水輪機(jī)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(jìn)一步改進(jìn)，本裝置沿水流方向設(shè)于水面以下，且水輪機(jī)為軸流式水輪機(jī)。

本發(fā)明的廣匯式輪機(jī)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(jī)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(jī)組，有機(jī)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(jī)網(wǎng)絡(luò)，可達(dá)到大量抽水或大量發(fā)電的實(shí)用目標(biāo)。在偏遠(yuǎn)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(jī)械能，用于抽水或發(fā)電。既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)，不僅符合國家節(jié)能減排政策，也符合國家精準(zhǔn)扶貧政策。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的廣匯式輪機(jī)網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置的實(shí)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(jī)網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置的實(shí)施例一中單元水輪機(jī)的實(shí)施位置圖；

圖4為本發(fā)明的廣匯式輪機(jī)網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置的實(shí)施例二的俯視結(jié)構(gòu)圖；

圖5為本發(fā)明的廣匯式輪機(jī)網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置的實(shí)施例二中單元水輪機(jī)的實(shí)施位置圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的廣匯式輪機(jī)網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置，作進(jìn)一步說明：

本發(fā)明的廣匯式輪機(jī)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(jī)1的轉(zhuǎn)輪以其輪機(jī)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(jī)1的輪機(jī)軸上同軸固定有串聯(lián)軸2，多個(gè)水輪機(jī)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(jī)組4；多組串聯(lián)水輪機(jī)組4平行并排設(shè)于兩個(gè)串聯(lián)軸浮力支撐柱5之間，且所述的多組串聯(lián)水輪機(jī)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(jī)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(shí)施例2

廣匯式輪機(jī)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(jī)1應(yīng)為軸流式水輪機(jī)。本裝置中，水輪機(jī)1的輪機(jī)軸上同軸固定有串聯(lián)軸2，多個(gè)水輪機(jī)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(jī)組4，串聯(lián)水輪機(jī)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(jī)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(jī)網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置→輪機(jī)軸旋轉(zhuǎn)機(jī)械能→功率網(wǎng)絡(luò)匯總系統(tǒng)(各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(jī))。

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(jī)網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置，達(dá)到廣泛地匯集水流能量，即利用有限元的微積分技術(shù)，達(dá)到匯集能量最大化；

3、廣匯式輪機(jī)網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)處的慢速轉(zhuǎn)軸不但不能對總網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)貢獻(xiàn)功率反而會吸收快速轉(zhuǎn)軸的功率，因此需在廣匯式輪機(jī)網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置中有差速的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)都成為能量源，即對總網(wǎng)絡(luò)貢獻(xiàn)能量，而不是吸收消耗總系統(tǒng)能量。

二、單體(單元)水輪機(jī)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(gè)，一是如何提高單體(單元)水輪機(jī)吸收水能量的能力，二是水輪機(jī)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(jī)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(jī)能力找到直接有效的辦法。

1、水輪機(jī)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(jī)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(dāng)河面較寬時(shí)采用橫向模式，當(dāng)河面較窄時(shí)采用順模式。

2、單元水輪機(jī)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(diǎn)所受沖擊力均不相同，要想準(zhǔn)確計(jì)算葉片上的受力分布及計(jì)算葉片的旋轉(zhuǎn)速度較為復(fù)雜，無法用解析式精確表達(dá)，只能用計(jì)算流體力學(xué)中的微單元的差分法或有限元數(shù)值模擬方法計(jì)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(xué)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(jī)旋轉(zhuǎn)角速度為ω，葉片寬度為l；

則得到：水輪機(jī)的葉片末端的線速度vr機(jī)＝ω·r，葉片中心速度代表葉片平均速度

則水輪機(jī)的葉片吸收的水功率n水為

其中a為真實(shí)流體修正系數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)測定。

從公式一看出：

1)水輪機(jī)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(jī)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(jī)功率的第一要素；

3)水輪機(jī)的葉片轉(zhuǎn)速ω慢些，即vr機(jī)1/2小些，則水流對葉片產(chǎn)生的沖量大，水輪機(jī)吸收水功率就大。但葉片轉(zhuǎn)速不能太低，因?yàn)榇藭r(shí)已無大的增加，而乘積項(xiàng)的vr機(jī)1/2太小，導(dǎo)致吸收水功率n水急劇下降。因?yàn)楣β什粌H與受力有關(guān)，也與速度有關(guān)。力與速度的成積才是功率。這說明水流速確定后，存在一個(gè)最佳的水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，以使水輪機(jī)功率最大。

3、單元水輪機(jī)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(jī)全部潛入水中，且水輪機(jī)的軸與水流方向一致。

設(shè)，河流流速vo水，水輪機(jī)外筒12(螺旋葉片)半徑為r，擴(kuò)口14半徑為r擴(kuò)，水輪機(jī)外筒12(螺旋葉片13)長度為l，輪機(jī)軸旋轉(zhuǎn)角速度為ω，螺旋葉片與軸線平面的夾角為α，葉片中心的線速度可視為螺旋葉片上的平均速度。擴(kuò)張口的匯集水流的能力筒內(nèi)水流速為vo水筒內(nèi)＝η匯×v吸水，其中η匯效為匯集水流系數(shù)，與擴(kuò)張口的形狀、角度、表面粗糙度等因素有關(guān)，也與輪機(jī)擴(kuò)張口的截面積與小河流截面積的比值有關(guān)，可由實(shí)驗(yàn)測得。

若要精確計(jì)算螺旋葉片上各點(diǎn)的受力將是很難的工作，可采用計(jì)算流體力學(xué)中復(fù)雜的差分法或有限元法與數(shù)值計(jì)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(jī)吸收水功率的估算公式

a為真實(shí)流體修正系數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)測定。

從公式二中看出，要想提高輪機(jī)吸收水的功率，必須

1)提高河流流速vo水；

2)增大擴(kuò)口半徑r擴(kuò)；

3)增大螺旋葉片半徑r；

4)增大輪機(jī)軸筒長度l；

5)葉片的角速度ω的影響比較復(fù)雜，當(dāng)轉(zhuǎn)速小一些時(shí)，可使為減少，水功率應(yīng)該增加，但當(dāng)角速度太小，即相對已微不足道，且在增項(xiàng)里沒起到大的作用，但在減項(xiàng)里vr1/2是乘積項(xiàng)，此時(shí)ω→0即vr1/2→0，則吸收水功率→0。所以輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度的控制，對輪機(jī)的有效功率影響很大。

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?yàn)樘髸r(shí)α＝90°而螺旋葉片封閉無水流通過，cosα＝0，反之太小時(shí)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(jī)功率都為零。

三、單元(單體)水輪機(jī)的吸收功率能力的環(huán)節(jié)

第一步：水輪機(jī)捕獲水功率n水；

第二步：水輪機(jī)把水功率n水轉(zhuǎn)化為水輪機(jī)軸(串聯(lián)軸和并聯(lián)動力匯集軸)的機(jī)械功率，該轉(zhuǎn)換效率為η水機(jī)；

第三步：通過動力轉(zhuǎn)換器，把水輪機(jī)軸的機(jī)械功率轉(zhuǎn)化為功能設(shè)備(抽水泵或發(fā)電機(jī))的抽出/輸入功率，設(shè)轉(zhuǎn)化效率為η機(jī)機(jī)；

第四步：功能設(shè)備轉(zhuǎn)化為目標(biāo)功率(大排量高揚(yáng)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(jī)水或η機(jī)電。

則得到目標(biāo)功率

n抽水(或n輸電)＝n水×η水機(jī)×η機(jī)機(jī)×η機(jī)水(或η機(jī)電)(3)

四、廣泛地分布廣匯式輪機(jī)網(wǎng)絡(luò)加抽水發(fā)電裝置的輪機(jī)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(jī)，在橫向上串聯(lián)多組單元水輪機(jī)，在縱向上并聯(lián)多組串聯(lián)水輪機(jī)組，形成縱橫交匯的廣泛地分布廣匯式輪機(jī)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(biāo)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(diǎn)水流速度也不一樣。這將導(dǎo)致每個(gè)單元水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速都不相同，這就發(fā)現(xiàn)兩個(gè)嚴(yán)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(jī)的轉(zhuǎn)速也存在設(shè)計(jì)優(yōu)化，與河流流速相對應(yīng)，單元水輪機(jī)轉(zhuǎn)速既不能太快，也不能太慢，存在一個(gè)最佳轉(zhuǎn)速使單元水輪機(jī)輸出功率最大化，按照微分理論，在最佳轉(zhuǎn)速點(diǎn)上，有：

通過公式三得到，在水輪機(jī)的葉片中心點(diǎn)速度即葉片中心點(diǎn)線速度|最佳≈0.58；

即輪機(jī)葉片中心點(diǎn)速度為水流速的0.58倍時(shí)，該單元水輪機(jī)的輸出功率最大。

因所有單元點(diǎn)的水流速不同則各單元輪機(jī)最佳轉(zhuǎn)速亦不同。同理，用軸流式水輪機(jī)公式也得到

2、在保持各單元水輪機(jī)自身不同的最佳轉(zhuǎn)速下，而用動力軸傳輸網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最大限度匯集轉(zhuǎn)動機(jī)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(gè)單元水輪機(jī)的輪機(jī)軸(輪機(jī)軸ⅰ和輪機(jī)軸ⅱ)傳遞能量為例，因要保證兩個(gè)輪機(jī)都處于最大功率輸出狀態(tài)，而假設(shè)如果節(jié)點(diǎn)處聯(lián)軸器是簡單的剛性單軸，則必須出現(xiàn)轉(zhuǎn)速快的輪機(jī)軸對轉(zhuǎn)速慢的輪機(jī)軸作功，或者說，轉(zhuǎn)速慢的輪機(jī)軸不僅不對外作功還要吸收掉高速輪機(jī)軸上的功。

因此為了保證輪機(jī)軸各自的最佳速度，同時(shí)又不出現(xiàn)各單元水輪機(jī)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及用速度轉(zhuǎn)換比例設(shè)計(jì)齒數(shù)比(ωi/ωii)的變齒數(shù)調(diào)速聯(lián)軸器，從而實(shí)現(xiàn)即保證各自水輪機(jī)的獨(dú)立性，又保證各單元輪機(jī)軸能量匯集時(shí)不出現(xiàn)干擾。

3、廣匯式輪機(jī)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(diǎn)上的水輪機(jī)單元功率，

則為第yj處串聯(lián)軸的所有水輪機(jī)功率的匯合

為整個(gè)水面(x由0→xm，y由0→ym)廣匯式輪機(jī)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(shí)是假設(shè)單元水輪機(jī)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(dāng)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。