本實用新型涉及一種發(fā)電裝置，特別涉及一種基于螺旋桿式水動力裝置的發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著工業(yè)革命的興起，世界逐漸進入到機械化時代，能源也由原來的物理能源占主導(dǎo)地位轉(zhuǎn)而由化學(xué)能源占主導(dǎo)地位。然而近年來，曾支撐20世紀人類文明高速發(fā)展的化石能源出現(xiàn)了前所未有的危機，以煤、石油以及其他有機物作為燃料，在燃燒過程中，釋放的有害物質(zhì)進入到空氣中，造成環(huán)境污染。另外為了獲取更多的燃料，以產(chǎn)生更多的能量，人們過度的開采，因此，加重了環(huán)境污染，以及產(chǎn)生溫室效應(yīng)，而危及人類未來發(fā)展。隨著社會的進步及人們環(huán)保意識的提升，人們將目光轉(zhuǎn)向再生能源，如風力、水力及潮汐能等，以減少化石能源的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型是針對水力能源發(fā)展的問題，提出了一種基于螺旋桿式水動力裝置的發(fā)電系統(tǒng), 此螺旋桿式水動力裝置的最大優(yōu)勢就是當其完全浸沒在水中時通過葉輪轉(zhuǎn)動過程中的輪葉的方向調(diào)節(jié)，實現(xiàn)水輪機轉(zhuǎn)動過程中阻力的減小，以此達到轉(zhuǎn)動高效率的目的。

本實用新型的技術(shù)方案為：一種基于螺旋桿式水動力裝置的發(fā)電系統(tǒng)，包括水流動力裝置、低速增速裝置及永磁同步發(fā)電系統(tǒng)，水流動力裝置從水流中獲得能量，通過低速增速裝置變速給永磁同步發(fā)電機驅(qū)動力發(fā)電，水流動力裝置為螺旋桿式水流動力裝置，螺旋桿式水流動力裝置包括主軸、空心輪軸、螺旋斜面塊、軸承、支撐座及數(shù)組輪葉組件；

與水流方向垂直的主軸，主軸為多段臺階的圓柱軸，主軸中間段套空心輪軸，空心輪軸兩端有外齒紋，與套在主軸兩端的螺旋斜面塊端面外齒對合；

螺旋斜面塊內(nèi)有內(nèi)齒紋，與主軸外齒紋對合，螺旋斜面塊套在主軸兩端，螺旋斜面塊一端與主軸臺階相抵，另一端與套在主軸上最外的軸承相抵，軸承固定在支撐座上；

螺旋斜面塊斜面在水的推動下，帶動主軸、軸承及空心輪軸一起以主軸為中心作中心旋轉(zhuǎn)；

在兩端的螺旋斜面塊面對空心輪軸的端面上還有一圈偏心槽，槽內(nèi)壁有齒紋，螺旋桿穿過空心輪軸，螺旋桿兩端抵在與螺旋斜面塊偏心槽內(nèi)，螺旋桿兩端桿上齒紋與偏心槽內(nèi)壁齒紋對合，螺旋斜面塊以主軸為中心旋轉(zhuǎn)時，螺旋桿與主軸平行，以主軸為中心作偏心旋轉(zhuǎn)；

驅(qū)動力臂片與一個輪葉作為一個輪葉組件，螺旋桿上兩邊通過與之固定的垂直桿和驅(qū)動力臂片一端鉸接，驅(qū)動力臂片另一端與輪葉根部固定，驅(qū)動力臂片與輪葉根部在空心輪軸內(nèi)部，輪葉的葉片在空心輪軸外，螺旋桿作偏心旋轉(zhuǎn)時，驅(qū)動力臂片做90度擺動，隨之與之固定的葉片做90度旋轉(zhuǎn)，葉片兩個極限位置為與螺旋桿平行、垂直。

所述螺旋桿上兩邊與兩端螺旋斜面塊等距離的地方有兩圈輪葉組件，一圈有等角度的六個輪葉組件，六個輪葉組件沿著軸方向等距離排列。

本實用新型的有益效果在于：本實用新型基于螺旋桿式水動力裝置的發(fā)電系統(tǒng), 結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、能利用水流動力不斷向外輸出電力的一種穩(wěn)定性發(fā)電系統(tǒng)。

附圖說明

圖1為本實用新型系統(tǒng)中水流動力裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型系統(tǒng)中半直驅(qū)永磁同步同步發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

一種基于螺旋桿式水動力裝置的發(fā)電系統(tǒng)，包括水流動力裝置、低速增速裝置及半直驅(qū)永磁同步同步發(fā)電系統(tǒng)，水流動力裝置從水流中獲得能量，通過低速增速裝置變速，并在半直驅(qū)永磁同步發(fā)電系統(tǒng)的作用下實現(xiàn)對水流流速的控制，從而達到穩(wěn)定發(fā)電的效果。

水流動力裝置：實驗過程中輪葉有兩種狀態(tài)，即：當羽狀輪葉平面與輪軸中軸面重合時為復(fù)原狀態(tài)，當羽狀輪葉平面與輪軸中軸面垂直時為垂直狀態(tài)?？紤]到葉輪裝置浸泡在水中，葉輪內(nèi)安裝步進馬達等控制系統(tǒng)，且在實驗過程中，即要實現(xiàn)輪葉在復(fù)原狀態(tài)和垂直狀態(tài)之間的切換，又要滿足絕對不允許一滴水漏入該裝置，目前的密封技術(shù)在工藝上是很難達到要求的。因此，本方案設(shè)計螺旋桿式水流動力裝置，通過該裝置以實現(xiàn)輪葉在復(fù)原狀態(tài)和垂直狀態(tài)間的切換。

如圖1所示水流動力裝置結(jié)構(gòu)示意圖，螺旋桿式水流動力裝置包括；與水流方向垂直的主軸1，主軸1為多段臺階的圓柱軸，主軸1中間段套空心輪軸4，空心輪軸4兩端有外齒紋，與套在主軸1兩端的螺旋斜面塊5端面外齒對合；螺旋斜面塊5內(nèi)有內(nèi)齒紋，與主軸1外齒紋對合，螺旋斜面塊5套在主軸1兩端，螺旋斜面塊5一端與主軸1臺階相抵，另一端與套在主軸1上最外的軸承相抵，軸承固定在支撐座上；螺旋斜面塊5斜面在水的推動下，帶動主軸1、軸承及空心輪軸4一起以主軸1為中心作中心旋轉(zhuǎn)。本結(jié)構(gòu)的特點是，在兩端的螺旋斜面塊5面對空心輪軸4的端面上還有一圈偏心槽，槽內(nèi)壁有齒紋，螺旋桿6穿過空心輪軸4，螺旋桿6兩端抵在與螺旋斜面塊5偏心槽內(nèi)，螺旋桿6兩端桿上齒紋與偏心槽內(nèi)壁齒紋對合，螺旋斜面塊5以主軸1為中心旋轉(zhuǎn)時，螺旋桿6與主軸1平行，但以主軸1為中心作偏心旋轉(zhuǎn)；螺旋桿6上兩邊通過與之固定的垂直桿和驅(qū)動力臂片7一端鉸接，驅(qū)動力臂片7另一端與輪葉根部固定，驅(qū)動力臂片7與輪葉根部在空心輪軸4內(nèi)部，輪葉的葉片在空心輪軸4外，螺旋桿6作偏心旋轉(zhuǎn)時，驅(qū)動力臂片7做90度擺動，隨之與之固定的葉片做90度旋轉(zhuǎn)，進一步推動主軸旋轉(zhuǎn)。葉片兩個極限位置為與螺旋桿6平行、垂直。

驅(qū)動力臂片7與一個輪葉作為一個輪葉組件，螺旋桿6上兩邊與兩端螺旋斜面塊5等距離的地方有兩圈輪葉組件，一圈有等角度的六個輪葉組件，六個輪葉組件沿著軸方向等距離排列。其中取空心輪軸4：直徑設(shè)計為150mm，長度為120cm，材質(zhì)：不銹鋼。輪葉：沿輪軸的軸向方向設(shè)置多片相同形狀的長方形羽狀，輪葉共設(shè)計為6個，輪葉長度：25cm，厚度： 3mm，徑向長度：20cm，材質(zhì)：不銹鋼。在軸線方向上輪葉均勻布置，沿軸方向相互間間隔20cm， 并且6個輪葉布置時分別在輪軸的圓周方向上旋轉(zhuǎn)60度排列以此來保證輪葉轉(zhuǎn)動時不會相互影響。為保證輪葉的強度，以及造成水流沿葉高各處良好的流動，按等強度原理設(shè)計成變截面扭曲輪葉。

此裝置依輪軸方向水平設(shè)置，完全置于水流中時與水流方向平行的輪軸中軸面為水平軸面。水平軸面上方的輪葉初始設(shè)置為垂直狀態(tài)或復(fù)原狀態(tài)，水平軸面下方的輪葉初始設(shè)置為與水平軸面上方的輪葉相反的復(fù)原狀態(tài)或水平狀態(tài)。如圖1所示的輪葉2和輪葉3為分別位于兩圈輪葉組件中的一個輪葉，并且此兩個輪葉是處于空心輪軸4兩面的，驅(qū)動力臂片7與輪葉根部軸連接；螺旋桿6與驅(qū)動力臂片7鉸接；當水流流向輪葉時，處于復(fù)原狀態(tài)下的輪葉2接受最大水流推力，而與其相反的輪葉3此時接受最小的水流推力，在水流帶動作用下，空心輪軸4開始轉(zhuǎn)動，空心輪軸4的轉(zhuǎn)動帶動與螺旋斜面塊5齒合的螺旋桿6的移動，螺旋桿6的移動帶動與其鉸接的驅(qū)動力臂片7的擺動，從而帶動固定在驅(qū)動力臂片上的輪葉的旋轉(zhuǎn)。當主軸轉(zhuǎn)動180度時，在螺旋桿和鉸接片的帶動下相應(yīng)的輪葉擺動90度，此時輪葉處于垂直狀態(tài)下接受水流最小推力，而與其相反方向的輪葉恰好處于復(fù)原狀態(tài)接受水流最小推力，從而實現(xiàn)空心軸周而復(fù)始的旋轉(zhuǎn)起來。

低速增速裝置：為滿足發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速需用到增速裝置簡易結(jié)構(gòu)1，圖1中大直徑帶輪9在主軸1帶動下旋轉(zhuǎn)，大直徑帶輪9通過傳動皮帶帶動小帶輪10帶輪直徑比就是增速的速比。如需要更加精確的傳動就需要用到封閉式齒輪增速箱傳動將葉輪的轉(zhuǎn)動機械能通過一系列外嚙合齒輪增速，實現(xiàn)速度滿足發(fā)電機與發(fā)電機輪軸相連。

半直驅(qū)永磁同步同步發(fā)電系統(tǒng)：永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，利用永磁體磁鋼作為電機磁極提供勵磁，無需集電環(huán)和刷架，不但提高了電機氣隙磁通密度和功率密度，而且還具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、運行平穩(wěn)、效率高、易安裝、維護方便等特點。相對于異步風力發(fā)電技術(shù)，永磁同步發(fā)電技術(shù)具有對電網(wǎng)影響小，可靠性能高，傳動損失小，發(fā)電機效率高，發(fā)電品質(zhì)高，日常維修少等優(yōu)勢。

采用半直驅(qū)變速發(fā)電機組的動力驅(qū)動系統(tǒng)方案為：低速（一級或兩級）集成齒輪箱＋中速永磁同步發(fā)電機+交流負載箱，該方案集成了三級高速齒輪箱和直驅(qū)式驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點，發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速一般在150～500 r/min左右，發(fā)電機的體積和重量可以控制在比較合理范圍之內(nèi)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計得更加緊湊合理，具有更高可靠性和更長的使用壽命，也避免了直驅(qū)式驅(qū)動方案和高速齒輪箱驅(qū)動方案的諸多缺陷。半直驅(qū)永磁同步同步發(fā)電系統(tǒng)原理如圖2所示。

為有效控制發(fā)電機在一定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行，通過信號采集單元采集相關(guān)信號，采用調(diào)節(jié)水流中閥門開度的大小，實現(xiàn)對水流流速的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對水輪機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)在不同環(huán)境條件下運行狀態(tài)分析，以達到穩(wěn)定發(fā)電的效果。負載箱主要用于發(fā)電機能量閉環(huán)。作為負載能量存儲可以考慮采用整流-逆變加蓄電池儲能的方式，這種方法比較成熟。

采用半直驅(qū)變速發(fā)電機組的動力驅(qū)動系統(tǒng)方案為：低速（一級或兩級）集成齒輪箱＋中速永磁同步發(fā)電機+交流負載箱。如圖2中低速增速裝置與中速永磁同步發(fā)電機相連進行發(fā)電，同時利用信號采集單元對中速永磁同步發(fā)電機中的發(fā)電信號進行采集，運行狀態(tài)檢測設(shè)備會依據(jù)從發(fā)電機上采集的信號測出發(fā)電設(shè)備的運行狀態(tài)是否正常。然后將中速永磁同步發(fā)電機的運行狀態(tài)反饋給負載箱，負載箱主要用于控制發(fā)電機能量閉環(huán)，當檢測到發(fā)電機運行不穩(wěn)定時，通過采用調(diào)節(jié)水流中閥門開度的大小，實現(xiàn)對水流流速的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對水輪機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)在不同環(huán)境條件下運行狀態(tài)分析，以達到穩(wěn)定發(fā)電的效果。