变容积偏距式水泵水轮机

摘要

本发明公开了一种变容积偏距式水泵水轮机，包括蜗壳、穿设于蜗壳内的转子、用于使蜗壳相对于转子呈轴向往返运动的驱动装置、出水管以及外接的进水管。上述变容积偏距式水泵水轮机可以直接把势能压力转化为转子旋转动能，能量转换直接、高效，特别是出水口水流速度极低时，换能效率极高。

说明书

技术领域

本发涉及一种水轮机，特别涉及一种变容积偏距式水泵水轮机。

背景技术

当今世界上的主要的常规发电技术包括火力发电、水力发电、原子能发电等。火力发电消耗大量的煤炭这种不可再生资源，成本随煤炭存储量的减少而增长，而且污染环境。核电机组运行费用低，但一旦发生核燃料泄漏事故，将造成严重的后果，而且燃烧废料的后期处理难。风力发电稳定性和连续性较差，影响并网后电力系统的平衡和安全稳定。水力发电具有启动灵活、爬坡速度快，提高电网运行的协调性以及安全稳定性等特点，应用之广仅次于火力发电，具有很高的机械效率。

常用的水轮机按结构分为反击式和冲击式水轮机，其原理是把水流的动量或冲量传递给转轮使转轮旋转来推动水轮机组发电。以冲击式水轮机为例：水轮机在稳定工况下的基本方程是：P＝γQ(u₁V_u1-u₂V_u2)/g，其中P是水流对叶轮的功率，γ是水的容重，Q是水在单位时间的流过叶轮的体积，g是重力加速度，u₁和V_u1是入射水流的初速度V₁的切向分量和水流射入点的叶轮旋转线速度，u₂和V_u2是尾水离开叶轮时的切向速度和叶轮出水点的旋转线速度。把水的容重、密度与加速度的关系和单位时间的水流质量m、密度和体积的关系带入基本方程，可得P＝m(u₁V_u1-u₂V_u2)。假定尾水在叶轮轴心处离开，此处线速度V_u2为零，则有P＝mu₁V_u1。与P＝mv²/2比较得：当水流射入处叶轮线速度V_u1＝u₁/2时，转化效率最高。但实际情况是：u₁<V₁,V_u2>0且V_u1＜u₁/2(定桨式)，效率较低。转桨式叶轮可近似满足V_u1＝u₁/2，但结构复杂，调节不方便。因此，有必要开发转化效率更高的水轮机，以得到更高水力发电的效率。

中国专利公开号CN1292457A公开了一种容积式水轮机，该容积式水轮机利用堵截的方法使水流对转轮单向施加压力而旋转。采用直接传动低速发电机做功，使水头势能几乎不损失的水头静压为转轮做功。由于转换原理是能量守恒，因此效率比常用水轮机稍高。但其水轮机有两个显著缺点：1、不能调速，因此不便于同步并网；2、只能作为发电机的原动机而不能兼作水泵抽水蓄能。

抽水蓄能电站在电力系统中最可靠、经济，是新能源发展的重要组成部分，具有巨大的发展空间。它能降低核电机组运行维护费用，延长机组寿命，减少风电对电网的冲击，提高电网的协调性与安全稳定性。因此，有必要开发一种水泵水轮机，它既可以方便调速，又可以调峰，在用电高峰期发电又可以在用电低谷期抽水蓄能；以此提高电力系统的稳定性和可靠性。四机分置式和三机直联式抽水蓄能成本高。二机可逆式是由一台可逆式水泵水轮机和一台发电电动机组成，这种机组可以双向旋转，它向一个方向旋转时作发电运行，而向另一个方向旋转时作抽水运行。两个状态的转换需要转轮先停止，再反向旋转，因此响应速度慢，对水机系统冲击大，抽水量也不易控制。

国际专利CA2677006(A1)和中国专利201210255277.X(可调速容积式水泵水轮机)公开了两种容积式水泵水轮机，通过调节转子的偏心度和径向调节辐板的径向长度，就可以调节过水腔宽度及其横截面积或过水腔容积，从而调节水流量和轮机旋转力矩及转速。此方法克服了一般水轮机的以上缺点，发电-抽水蓄能状态的过渡转换更迅速。但还存在两个不足之处：1.出力不稳定，有周期性变化。在转轮旋转过程中，辐板受到高水头压力的部分其面积随转轮旋转角度而变化，导致出力有波动。2.转轮径向受力大。转轮一个侧面连接进水管，受高水头压力，另一侧面与出水管连接，受负压，压力差较大，这对转轮轴承十分不利。

中国专利CN201210351332.5(变容积式调速水泵水轮机)，公开了一种容积可以调节的水泵水轮机，采用固定的蜗壳径向内凸起结构，结合转子外侧、蜗壳内侧和两端面的端面密封盖与端面容积调节活塞，形成密封过水空腔。活动叶片采用径向伸缩的方式，通过轴向调节端面容积调节活塞的位置，来调节过水腔横截面，达到调节过水量和出力的目的。但是还存在不足之处：叶片径向净截面利用率低、适应低水头能力不强：叶片在蜗壳内的伸缩半径差净值取决于蜗壳内径和转子外径，半径差净值决定了过水腔的截面积与过水量能力，但由于半径最大值D、转子外径d、矩形叶片的径向尺寸a三者有一定关系，极限值满足D＝3d＝3a，d/D不能太小，这导致过水腔平均半径大而窄、容积可利用率低、过水能力有限，对低水头的微水适应能力差；应降低d/D以提高容积可利用率低，减小水轮机径向半径，对低水头适应能力更强；因此，有必要开发出结构更合理的水泵水轮机。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供了一种采用叶片伸缩轴向长度来调整过水腔截面积的变容积式调速水泵水轮机。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种变容积偏距式水泵水轮机，其特征在于：包括蜗壳、穿设于蜗壳内的转子、用于使蜗壳相对于转子呈轴向往返运动的驱动装置、出水管以及外接的进水管，其中：

所述蜗壳呈桶状结构，包括一壳底以及立于所述壳底上的壳壁，在所述壳底上开设有一与所述转子外径相匹配的圆孔，所述转子的第一端穿过所述圆孔上并相对于蜗壳旋转，在所述壳底上还设有与所述进水管相连的进水口以及与所述出水管相连的出水口，在所述壳底上开设有第一缝隙，所述第一缝隙由壳底的圆孔处向壳底的外周向设置，该第一缝隙将进水口和出水口隔离在它的两侧，在所述第一缝隙上轴向穿设有与所述第一隙缝匹配的定子叶片；

所述转子未穿过在壳底的第二端的外周面上设有一环形凸起，所述环形凸起朝向壳底的一面、壳底、壳壁的内侧面、环形凸起至壳底段的转子的外周面共同密封形成一环形过水腔，所述定子叶片的里端与所述环形凸起朝向所述壳底的一面接触；

在所述环形凸起上对称开设有第二缝隙和第三缝隙，所述第二缝隙和第三缝隙分别由环形凸起的外周面向环形凸起的内周面对称地设置，以将所述环形凸起分割为两个对称的半圆环；一第一转子叶片和第二转子叶片分别轴向滑动的插设于所述第二缝隙和第三缝隙中；在所述第一转子叶片远离所述壳底的一端的正、反两面分别设有一第一滑轮和第二滑轮,在所述第二转子叶片远离所述壳底的一端的正、反两面分别设有一第三滑轮和第四滑轮，所述第二滑轮和第四滑轮分别位于第一滑轮和第三滑轮的外侧；

在远离壳底的一端设有与所述第一滑轮以及第三滑轮匹配的圆形导轨以及设有与所述第二滑轮和第四滑轮匹配的螺旋导轨，所述圆形导轨与所述转子同轴心，所述螺旋导轨呈“U”形，所述螺旋导轨的两端头部分分别位于所述圆形导轨的外侧，当所述第一滑轮和第三滑轮均位于所述圆形导轨上时，所述第一转子叶片或者第二转子叶片接近所述定子叶片，当第二滑轮或者第四滑轮逐渐滑入所述螺旋导轨时，所述第一转子叶片或者第二转子叶片逐渐向远离所述壳底的一端移动。

进一步的，还包括分别用于平衡带动所述第一转子叶片和第二转子叶片轴线往复移动的第一直线轴杆和第二直线轴杆、分别套设于第一直线轴杆和第二直线轴杆上的第一轴承和第二轴承，所述第一直线轴杆和第二直线轴杆的右端固定于所述环形凸起上并分别靠近第二缝隙和第三缝隙；所述第一直线轴杆和第二直线轴杆的左端通过一固定环固定，固定环套设在所述转子上；所述第一转子叶片和第二转子叶片分别与所述第一轴承和第二轴承固定。

进一步的，还包括一架体，所述架体呈“凹”形，包括底架和竖立于底架的左、右两端的左支架和右支架；

所述驱动装置设于所述底架上；

在所述左支架和右支架上分别设有一定子，所述转子的两端分别穿设于所述定子上，并相对于所述定子转动。

进一步的，所述驱动装置包括丝杆轴承副、直线轴承副，所述直线轴承副的上端与所述蜗壳的外表面连接，所述直线轴承副的下端与所述底架连接，丝杆轴承副的上端与所述蜗壳的外表面连接，所述丝杆轴承副的下端与所述底架连接，直线轴和丝杆均与主轴同向布置，通过调节丝杆轴承副调节蜗壳相对于。

进一步的，所述第一转子叶片与转子相接触的一面呈与所述与转子的外周面相匹配的弧形面，所述第一转子叶片与所述壳壁相接触的一面呈与所述壳壁的内周面相匹配的弧形面；所述第二转子叶片与转子相接触的一面呈与转子的外周面相匹配的弧形面，所述第二转子叶片与壳壁相接触的一面呈与所述壳壁的内周面相匹配的弧形面。

进一步的，所述第一和第二转子叶片在主轴径方向的宽度等于所述环形凸起的内外半径差。

进一步的，所述进水口和出水口对称的分布在所述定子叶片的两侧。

进一步的，还包括一液压缸，所述液压缸的下端面与所述底架固定，所述液压缸的活塞与所述蜗壳的外表面连接，并且所述活塞与所述蜗壳同轴向。

本发明的变容积偏距式水泵水轮机，当进水管灌入高压水后，高压水头直接对转子叶片施加水压，带动转子旋转出力；由于蜗壳可以由丝杆调节，即调节了过水腔的轴向长度或者容积，从而调节了过水量；由于采用偏距式设计和轴向调节过水量的方法，此调速水泵水轮机结构简单、调节方便；直接把势能压力转化为转子旋转动能，能量转换直接、高效，特别是出水口水流速度低时，效率很高。

与现有技术相比，本发明的变容积式调速水泵水轮机具有以下优点：

1、能量转化原理简单、直接、高效：变容积式调速水泵水轮机工作原理是高水头势能直接对辐板的压力直接做功的能量守恒原理，而不是现有轮机的动量矩守恒的工作原理；当转轮转速很低时，高水头水压几乎无损失地作用于转子叶片上，直接对辐板或转轮做功，并且尾水(即出水)带走的动能少，能量转化效率高，适应所有水头发电。

2.转子叶片为轴向收缩，有利于减小转轮直径、在水头高度一定的情况下可有效提高转速减少发电机的磁极对数，可减小出水口水速度，减少了水的动能损失，相反增大了水的利用效率，因此特别适合低水头低转速水力发电。

5.转子的转动惯量无径向周期性脉动：叶片在轴向伸缩变化，整个转子的转动惯量无径向周期性脉动；

6.叶片边线不需要特殊加工：叶片与蜗壳内壁滑动接触部分轴向视图为圆弧形，设计加工制作容易；

8.密封能力更好：整个泵体只有少数条缝隙，数量少，密封能力好，流量损失小；

9.方便流量调节：由于液压缸底面积为蜗壳底面面积的1/4倍，其水头形成的净水压力也周期性正-负交变；在叶片旋转的一个周期中，当净水压力向左时，相应调节丝杠就可以使过水腔截面面积变小，使出力变小；相反，当净水压力向右时，相应调节丝杠就可以使过水腔变大，使出力变大。

10、两个转子叶片、一个定子叶片，由于采用

偏距设计，整体结构简单，特别适合极低水头微水发电。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明变容积偏距式水泵水轮机一实施例的结构示意图。

图2是本发明变容积偏距式水泵水轮机另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1及图2，所述变容积偏距式水泵水轮机，包括蜗壳1、穿设于蜗壳内的转子2、用于使蜗壳相对于转子2呈轴向往返运动的驱动装置3、出水管41以及外接的进水管42，其中：

所述蜗壳1呈桶状结构，包括一壳底11以及立于所述壳底11上的壳壁12，在所述壳底11上开设有一与所述转子2外径相匹配的圆孔，所述转子2的第一端穿过所述圆孔上并相对于蜗壳1旋转，在所述壳底11上还设有与所述进水管42相连的进水口43以及与所述出水管41相连的出水口(图未示出)，在所述壳底11上开设有第一缝隙(图未示出)，所述第一缝隙由壳底11的圆孔处向壳底11的外周向设置，该第一缝隙将进水口43和出水口隔离在它的两侧，在所述第一缝隙上轴向穿设有与所述第一隙缝匹配的定子叶片13；所述进水口43和所述出水口对称的分布在所述定子叶片13的两侧，并且所述进水口43和进水管42以及所述出水口和水口管41的口径尽量大，以减少水头损失。

所述转子2未穿过在所述壳底11的第二端的外周面上设有一环形凸起21，所述环形凸起21朝向壳底11的一面、壳底11、壳壁12的内侧面、所述环形凸起21至壳底11段的转子2的外周面共同密封形成一环形过水腔，所述定子叶片13的里端与所述环形凸起21朝向所述壳底11的一面接触；

在所述环形凸起21上对称开设有第二缝隙和第三缝隙(图未示出)，所述第二缝隙和第三缝隙分别由环形凸起21的外周面向环形凸起21的内周面对称地设置，以将所述环形凸起21分割为两个对称的半圆环；一第一转子叶片221和第二转子叶片222分别轴向滑动的插设于所述第二缝隙和第三缝隙中；在所述第一转子叶片221远离所述壳底11的一端的正、反两面分别设有一第一滑轮231和第二滑轮232,在所述第二转子叶片222远离所述壳底11的一端的正、反两面分别设有一第三滑轮233和第四滑轮234，所述第二滑轮232和第四滑轮234分别位于第一滑轮231和第三滑轮233的外侧；

在远离壳底11的一端设有与所述第一滑轮231以及第三滑轮233匹配的圆形导轨241以及设有与所述第二滑轮232和第四滑轮234匹配的螺旋导轨242，所述圆形导轨241与所述转子2同轴心，所述螺旋导轨242呈“U”形，所述螺旋导轨242的两端头部分分别位于所述圆形导轨241的外侧，当所述第一滑轮231和第三滑轮233均位于所述圆形导轨241上时，所述第一转子叶片221或者第二转子叶片222接近所述定子叶片13，当第二滑轮232或者第四滑轮234逐渐滑入所述螺旋导轨242时，所述第一转子叶片221或者第二转子叶片222逐渐向远离所述壳底11的一端移动。

本实施例中，所述第一转子叶片221和第二转子叶片222始终与蜗壳1底端面滑动接触，而且最小滑动角度超过180度，如此设计可以保证出力无脉动。

可以理解的，所述圆形导轨241可以通过其外周面与所述蜗壳1的内表面固定连接，还可以通过其它方式固定地设于远离壳底11的一端，只要保证该圆形导轨241不随着所述转子2的转动而转动即可。还可以理解的，在其他的实施例中，所述第一滑轮231、第二滑轮232、第三滑轮233以及第四滑轮234均可采用环形轴承替代。

本实施例中，所述螺旋导轨242通过U形顶端固定在所述左支架上，使该U形螺旋导轨242的两端分别位于圆形导轨241的外侧，以与所述第二滑轮232和第四滑轮234配合，可以理解地，在其他的实施例中，所述螺旋导轨242的两端还可以分别设于所述圆形导轨241的内侧，与第一滑轮231和第三滑轮233配合，在该实施例中，第二滑轮232和第四滑轮234则需要和圆形导轨241配合。

本方案中，通过进水管42放入高压水，蜗壳1进行轴向上的往复直线运动，而高压水则冲击第一转子叶片221或者第二转子叶片222，第一转子叶片221或者第二转子叶片222带动所述转子2转动，由于第一转子叶片221和第二转子叶片222通过与所述圆形导轨241和螺旋导轨242的配合，可以使得所述转子2旋转的过程中，当第一转子叶片221或者第二转子叶片222快要触碰到所述定子叶片13时，所述螺旋导轨242使第一转子叶片221或者第二转子叶片222向远离所述定子叶片13的方向移动，因此，在所述环形过水腔的水通过第一转子叶片221或者第二转子叶片222向远离所述定子叶片13的方向移动时流入到出水口位置，再通过出水管41流出。

本实施例中，所述变容积偏距式水泵水轮机还包括分别用于平衡带动所述第一转子叶片221和第二转子叶片222轴线往复移动的第一直线轴杆51和第二直线轴杆52、分别套设于第一直线轴杆51和第二直线轴杆52上的第一轴承53和第二轴承54，所述第一直线轴杆51和第二直线轴杆52的右端固定于所述环形凸起21上并分别靠近第二缝隙和第三缝隙；所述第一直线轴杆51和第二直线轴杆52的左端通过一固定环55固定，固定环55套设在所述转子2上；所述第一转子叶片221和第二转子叶片222分别与所述第一轴承53和第二轴承54固定。具体地：

所述第一轴承53和第二轴承54分别活动的套设于所述第一直线轴杆51和第二直线轴杆52上。本实施例中，所述第一直线轴杆51为两根并行的直线轴杆，第一轴承53为三个，第一个和第二个第一轴承53串设于靠近转子2的一根第一直线轴杆51上，第三个第一轴承53穿设在第二根第一直线轴杆51上；同样的，所述第二直线轴杆52亦为两根，第二轴承54为三个，第一个和第二个第二轴承54串设于靠近转子2的一根第二直线轴杆52上，第三个第二轴承54穿设于第二根第二直线轴杆52上。这样设置的好处在于：带动转子叶片更为稳定、平稳的轴向往复运动。

本实施例中，所述变容积偏距式水泵水轮机还包括一架体，所述架体呈“凹”形，包括底架61和竖立于底架61的左、右两端的左支架62和右支架63；所述驱动装置3设于所述底架61上；在所述左支架62和右支架63上分别设有一定子64，所述转子2的两端分别穿设于所述定子64上，并相对于所述定子64转动。

本实施例中，所述驱动装置3包括丝杆轴承副31、直线轴承副(图未示出)，所述直线轴承副的上端与所述蜗壳1的外表面连接，所述直线轴承副的下端与所述底架61连接，丝杆轴承副31的上端与所述蜗壳1的外表面连接，所述丝杆轴承副31的下端与所述底架61连接，直线轴和丝杆均与主轴同向布置，通过调节丝杆轴承副31调节蜗壳1相对于。所述直线轴承副用于限定所述蜗壳1仅作直线往复运动，所述丝杆轴承副31用于带动所述蜗壳1往返移动。

本实施例中，如果第一转子叶片221或者第二转子叶片222上的总水压很大，为了减少丝杆运动的阻力，则还可设置一液压缸32，所述液压缸32的下端面与所述底架61固定，所述液压缸32的活塞与所述蜗壳1的外表面连接，并且所述活塞与所述蜗壳1同轴向，活塞面积约为蜗壳1底面的1/4，所述液压缸32的进水口接高压水头。所述液压缸32用于对所述蜗壳1的运动速度进行调节，并使所述蜗壳1移动更平稳；当需要增加出力时，计算蜗壳1底面与活塞面积受到的高压水压力差值，当压力差净值向右时，相应方向旋转丝杠，反之则反，

本实施例中，所述第一转子叶片221与转子相接触的一面呈与所述与转子2的外周面相匹配的弧形面，所述第一转子叶片221与所述壳壁12相接触的一面呈与所述壳壁12的内周面相匹配的弧形面；所述第二转子叶片222与转子2相接触的一面呈与转子2的外周面相匹配的弧形面，所述第二转子叶片222与壳壁12相接触的一面呈与所述壳壁12的内周面相匹配的弧形面。将所述第一转子叶片221和第二转子叶片222设计为弧形面的好处在于使所述第一转子叶片221和第二转子叶片222与所述蜗壳1的内表面和转子2的外表面有更好的配合，良好的配合有利于减少泄漏损失，能够使第一转子叶片221和第二转子叶片222的使用寿命更长。当然，在其他的实施例中，如果第一转子叶片221和第二转子叶片222能够在保证强度的条件下足够的薄，也可不将第一转子叶片221和第二转子叶片222设计为弧形面。

本实施例中，所述第一和第二转子叶片222在主轴径方向的宽度等于所述环形凸起21的内外半径差。这样设计的好处在于可以使第一转子叶片221、第二转子叶片222和蜗壳1以及转子2之间更为密封。

本发明实施方式，当进水管42灌入高压水后，高压水头直接对第一转子叶片221或第二转子叶片222施加水压，带动转子2旋转出力；由于过水量可以蜗壳1直线轴丝杆调节，从而调节了过水量；由于采用偏距式设计和轴向调节过水量的方法，此调速水泵水轮机结构简单、调节方便；直接把势能压力转化为转子2旋转动能，能量转换直接、高效，特别是出水口水流速度低时，效率高。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。