混流式水轮发电机组及管路余压回收系统的制作方法

1.本发明涉及一种无蜗壳的混流式管道一体化设计的水轮发电机组。可用于有压管道的余压回收利用、管路流量调节控制、水电站生态流量发电，属于水力发电技术领域。


背景技术：

2.大型化工企业的冷却水管路、城市供水管路等均为有压管路，管路中存在较大的余压，由于传统节流降压方法为直接排放，未加利用，从而造成剩余压力能量的浪费。
3.为了充分利用有压管路中的水能，技术人员考虑利用水轮发电机组来将有压管路中的余压转化为电能回馈电网，对有压管路的余压进行回收利用。但现有的水轮发电机组(常规混流式水轮机、常规贯流式水轮发电机组)应用于余压回收时存在以下问题：
4.常规混流式水轮机组存在蜗壳结构，使得进水管路与出水管路存在高低差，不在同一轴线。当常规混流式水轮机组安装在有压管路上时，必须对管路进行改造，不仅使得成本大幅上升，机组也会占据较大空间，极大制约了使用水轮机组对管路余压进行回收的应用场景。而且常规混流式水轮机安装难度高，水轮机与电机分体化设计，机组整体性差，安装调整要求高，难度大，后期维护费用高。
5.常规贯流式水轮发电机组虽然没有蜗壳结构，水轮机组的进出口也在同一轴线，但此类机型由于转轮特性的限制，仅适用较低水头，在50米以上水头条件下，转轮的空化性能无法满足，造成转轮在运行时出现严重的汽蚀现象，机组产生振动，缩短使用寿命，严重威胁机组的安全稳定运行，因此，也不适合用于有压管路余压回收。


技术实现要素：

6.针对现有水轮发电机组用于有压管路余压回收效果不理想的问题，本发明提供一种混流式水轮发电机组及管路余压回收系统。
7.本发明所述混流式水轮发电机组，包括进水管段外套1、进水管段内套2、主轴3、定子4、转子5、引水室6、水轮机转轮7和水轮机出水管8；
8.进水管段外套1和进水管段内套2套设在一起，且进水管段外套1和进水管段内套2之间的环状空腔形成轴向进水通道，轴向进水通道与引水室6连通；
9.进水管段内套2中由内至外同轴布置用于发电的主轴3、转子5和定子4，主轴3穿过进水管段内套2后安装水轮机转轮7，且水轮机转轮7在流体作用下沿主轴旋转，水轮机出水管8与引水室6同轴固定连接，且水轮机出水管8布置在水轮机转轮7的下游；
10.水从上游进入轴向进水通道，沿轴向流入引水室6，引水室6经过导流使流体产生所需的预旋进入水轮机转轮7，管路中的有压水流使得水轮机转轮7带动主轴3旋转，以实现水轮发电机组发电，对管路余压进行回收。
11.优选地，所述引水室6包括外罩壳602、内罩壳604和若干个以环形阵列的方式布置的空间导叶603；
12.所述外罩壳602和内罩壳604均为盆状结构，且外罩壳602和内罩壳604的盆底均开
有通孔；
13.外罩壳602和内罩壳604套设在一起，且外罩壳602和内罩壳604通过空间导叶603连接；
14.外罩壳602上一体设置有法兰601，外罩壳602通过法兰601与轴向进水通道出口连接；
15.所述空间导叶603在引水室6的轴向方向为螺旋形结构。
16.优选地，所述空间导叶603的数量为16～32个。
17.优选地，所述空间导叶603的进口安放角为90
°
，出口安放角为28
°
～36
°
。
18.优选地，所述引水室6的端面通过密封圈与水轮机密封。
19.优选地，所述外罩壳602、空间导叶603和内罩壳604的材质均为不锈钢。
20.本发明还提供另一种技术方案，管路余压回收系统，包括有压管路100、旁通管路200、混流式水轮发电机组300和原管路阀门400；有压管路100上设置有原管路阀门400，在原管路阀门400出口管路上设置旁通管路200，所述旁通管路200上安装混流式水轮发电机组300；有压管路的水流经过混流式水轮发电机组300，有压管路100余压被混流式水轮发电机组300回收利用，转换成电能。
21.优选地，还包括旁通管路阀门500，旁通管路200与有压管路100并联设置形成两处连通口，两处连通口之间的有压管路100上设置一个旁通管路阀门500，在靠近两处连通口的旁通管路200上各设置一个旁通管路阀门500。
22.本发明的有益效果：
23.1、本发明的水力设计是实现混流式水轮机一体化设计的水动力学基础，在保证了水流由轴向进入，轴向流出，机组进出口同轴共线的同时，兼顾了良好的水力效率。本发明的引水室与水轮机同轴布置，增强了与余压发电装置中管道的适配能力，保障了水流沿水轮机的轴向进入，轴向流出；引水室的进、出口同轴共线，整体水轮发电机组进、出水管路不存在高差，适配原有管路，不用将原有管路大幅度改造就可以安装本发明水轮机组，空间利用率好，与蜗壳式的常规混流式水轮机组相比，水流的环量均匀，水力损失小，提高了水轮机组的效率。
24.2、本发明采用混流式转轮，空化性能较好，安装高程要求不高，环境适用性强；转轮采用上下环闭式结构，与贯流开式结构转轮相比，整体刚性好、强度高，可适用于50m以上的水头。
25.3、机组外形为直管形，进出口设计有圆形法兰，对原管路适配能力强，原管路改动小，占用空间较小。发电机组件浸没在水中，定子组件外部有水不断流动，有益于发电机的散热。
附图说明
26.图1是本发明所述混流式水轮发电机组的结构示意图；
27.图2是引水室的剖视图；
28.图3是引水室的轴测图；
29.图4是外罩壳和空间导叶的轴测图；
30.图5是外罩壳和空间导叶的平面示意图；
31.图6是将本发明所述管路余压回收系统结构示意图。
32.附图标记：1、进水管段外套，2、进水管段内套，3、主轴，4、定子，5、转子，6、引水室，7、水轮机转轮，8、水轮机出水管；
33.601、法兰，602、外罩壳，603、空间导叶，604、内罩壳；
34.100、有压管路，200、旁通管路，300、混流式水轮发电机组，400、原管路阀门，500、旁通管路阀门。
具体实施方式
35.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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
36.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
37.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
38.具体实施方式一：下面结合图1至5说明本实施方式，本实施方式所述混流式水轮发电机组，包括进水管段外套1、进水管段内套2、主轴3、定子4、转子5、引水室6、水轮机转轮7和水轮机出水管8；
39.进水管段外套1和进水管段内套2套设在一起，且进水管段外套1和进水管段内套2之间的环状空腔形成轴向进水通道，轴向进水通道与引水室6连通；
40.进水管段内套2中由内至外同轴布置用于发电的主轴3、转子5和定子4，主轴3穿过进水管段内套2后安装水轮机转轮7，且水轮机转轮7在流体作用下沿主轴旋转，水轮机出水管8与引水室6同轴固定连接，且水轮机出水管8布置在水轮机转轮7的下游；
41.水从上游进入轴向进水通道，沿轴向流入引水室6，引水室6经过导流使流体产生所需的预旋进入水轮机转轮7，管路中的有压水流使得水轮机转轮7带动主轴3旋转，以实现水轮发电机组发电，对管路余压进行回收。
42.做功部件水轮机转轮7通过键与主轴3连接，保证二者之间无相对旋转运动并传递扭矩。转子5和定子4浸没在水中，定子4外部有水不断流动，有益于发电机的散热。
43.主轴3的左端与进水管段内套2同轴配合，右端与进水管段内套2出口及水轮机组进口同轴配合。主轴与下游水轮机组进口密封。主轴3在上游与进水管段内套2之间设有前向心推力轴承，主轴3在下游设有后向心推力轴承,前向心推力轴承和后向心推力轴承的推力方向按来流方向设置。前向心推力轴承和后向心推力轴承构成的向心推力轴承组除了支撑转子5和水轮机转轮7，降低旋转过程中的摩擦系数并保证回转精度外，还保证转子5不产生轴向窜动，由此保证了机组转动部分的旋转中心位于机组中心轴线上，同时也确定了作为机组转动部分安装基准的主轴3在机组中的空间位置和状态。
44.水轮机出水管8为向下游扩散形，包括出水扩散管和出口法兰，出口法兰便于有压管路回收余压时安装，同理，进水管外套1也设置有便于安装的法兰，进水管段和出水管均具有导流部件和支撑部件双重功能。
45.所述引水室6包括外罩壳602、内罩壳604和若干个以环形阵列的方式布置的空间
导叶603；
46.所述外罩壳602和内罩壳604均为盆状结构，且外罩壳602和内罩壳604的盆底均开有通孔；
47.外罩壳602和内罩壳604套设在一起，且外罩壳602和内罩壳604通过空间导叶603连接；
48.外罩壳602上一体设置有法兰601，外罩壳602通过法兰601与轴向进水通道出口连接；
49.所述空间导叶603在引水室6的轴向方向为螺旋形结构。
50.空间导叶603在引水室6的径向方向为圆环的四分之一状结构，空间导叶603在引水室6的轴向方向为螺旋形结构。
51.由于水轮发电机组的空间导叶603采用空间扭曲的导叶，将轴向进入的水流导向控制调整其方向为径向流动，并根据设计需求产生一定的圆周方向预旋，起到了替代蜗壳的作用。
52.所述空间导叶603的数量为16～32个，如此设置，提高空间导叶3的导流均匀性，实现水轮机高效运行。
53.所述空间导叶603的进口安放角为90
°
，出口安放角为28
°
～36
°
，如此设置，引水室6的进水在空间导叶603的引流、导流作用下产生水轮机组运行所需的预旋，形成具有沿圆周方向流动的水流，便于下游的水轮机转轮7处于最优迎流状态，保障机组高效运行，增强了机组的运行稳定性。
54.所述引水室6的端面通过密封圈与水轮机密封。
55.所述外罩壳602、空间导叶603和内罩壳604的材质均为不锈钢，如此设置，提高提高引水室6的使用寿命。
56.使用中，管路中带有压力的水流沿水轮机的轴线方向进入轴向进水通道，到达引水室6的进水口，水流进入引水室6后，沿外罩壳602的内表面和内罩壳604的外表面流动，与水轮机轴线平行的水流变为沿水轮机径向流动的水流，同时水流经空间导叶603的整流，整流为径向流动并产生周向预旋，以提供给出水口处的水轮机转轮7，使水轮机转轮7处于最优迎流状态，保障机组高效运行，增强了机组的运行稳定性，水流完成做功后沿水轮机出水管8轴向流出，从而实现水流轴向流进水轮机组、轴向流出进入下游管路，在水轮机转轮7的旋转带动下水轮机组发电，实现对有压管路余压的回收及二次利用。对于水轮机转轮7而言，其采用混流式设计，水流从径向流入叶片流道，轴向流出。
57.本实施例中引水室6与水轮机组同轴布置，水流沿水轮机组的轴向进入，轴向流出且从机组的进水到机组的出水不存在高差，增强了与余压发电装置中管道的适配能力。
58.水轮发电机组主轴3的支撑采用水润滑滚动轴承，可避免污染水源。
59.具体实施方式二：下面结合图6说明本实施方式，本实施方式所述管路余压回收系统，用于实施方式一所述混流式水轮发电机组300实现，包括有压管路100、旁通管路200、混流式水轮发电机组300和原管路阀门400；有压管路100上设置有原管路阀门400，在原管路阀门400出口管路上设置旁通管路200，所述旁通管路200上安装混流式水轮发电机组300；有压管路的水流经过混流式水轮发电机组300，有压管路100余压被混流式水轮发电机组300回收利用，转换成电能进行二次利用。
60.旁通管路阀门500的设置：旁通管路200与有压管路100并联设置形成两处连通口，两处连通口之间的有压管路100上设置一个旁通管路阀门500，在靠近两处连通口的旁通管路200上各设置一个旁通管路阀门500。
61.本实施方式中的混流式水轮发电机组300参见实施方式一记载，采用实施方式一所述混流式水轮发电机组300对有压管路100的余压回收利用时，由于进出口不存在高差，因此对原有管路的改动极小，只需增设一个旁通管路200即可，至于旁通管路阀门500的设置是为了便于后续维修。
62.混流式水轮发电机组300包括进水管段外套1、进水管段内套2、主轴3、定子4、转子5、引水室6、水轮机转轮7和水轮机出水管8；
63.进水管段外套1和进水管段内套2套设在一起，且进水管段外套1和进水管段内套2之间的环状空腔形成轴向进水通道，轴向进水通道与引水室6连通；
64.进水管段内套2中由内至外同轴布置用于发电的主轴3、转子5和定子4，主轴3穿过进水管段内套2后安装水轮机转轮7，且水轮机转轮7在流体作用下沿主轴旋转，水轮机出水管8与引水室6同轴固定连接，且水轮机出水管8布置在水轮机转轮7的下游；
65.水从上游进入轴向进水通道，沿轴向流入引水室6，引水室6经过导流使流体产生所需的预旋进入水轮机转轮7，管路中的有压水流使得水轮机转轮7带动主轴3旋转，以实现水轮发电机组发电，对管路余压进行回收。
66.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

技术特征：
1.混流式水轮发电机组，其特征在于，包括进水管段外套(1)、进水管段内套(2)、主轴(3)、定子(4)、转子(5)、引水室(6)、水轮机转轮(7)和水轮机出水管(8)；进水管段外套(1)和进水管段内套(2)套设在一起，且进水管段外套(1)和进水管段内套(2)之间的环状空腔形成轴向进水通道，轴向进水通道与引水室(6)连通；进水管段内套(2)中由内至外同轴布置用于发电的主轴(3)、转子(5)和定子(4)，主轴(3)穿过进水管段内套(2)后安装水轮机转轮(7)，且水轮机转轮(7)在流体作用下沿主轴旋转，水轮机出水管(8)与引水室(6)同轴固定连接，且水轮机出水管(8)布置在水轮机转轮(7)的下游；水从上游进入轴向进水通道，沿轴向流入引水室(6)，引水室(6)经过导流使水产生所需的预旋进入水轮机转轮(7)，管路中的有压水流使得水轮机转轮(7)带动主轴(3)旋转，以实现水轮发电机组发电，对管路余压进行回收。2.根据权利要求1所述混流式水轮发电机组，其特征在于，所述引水室(6)包括外罩壳(602)、内罩壳(604)和若干个以环形阵列的方式布置的空间导叶(603)；所述外罩壳(602)和内罩壳(604)均为盆状结构，且外罩壳(602)和内罩壳(604)的盆底均开有通孔；外罩壳(602)和内罩壳(604)套设在一起，且外罩壳(602)和内罩壳(604)通过空间导叶(603)连接；外罩壳(602)上一体设置有法兰(601)，外罩壳(602)通过法兰(601)与轴向进水通道出口连接；所述空间导叶(603)在引水室(6)的轴向方向为螺旋形结构。3.根据权利要求2所述混流式水轮发电机组，其特征在于，所述空间导叶(603)的数量为16～32个。4.根据权利要求2所述混流式水轮发电机组，其特征在于，所述空间导叶(603)的进口安放角为90
°
，出口安放角为28
°
～36
°
。5.根据权利要求2所述混流式水轮发电机组，其特征在于，所述引水室(6)的端面通过密封圈与水轮机密封。6.根据权利要求2所述混流式水轮发电机组，其特征在于，所述外罩壳(602)、空间导叶(603)和内罩壳(604)的材质均为不锈钢。7.管路余压回收系统，利用权利要求1-6任一权利要求所述混流式水轮发电机组(300)实现，其特征在于，包括有压管路(100)、旁通管路(200)、混流式水轮发电机组(300)和原管路阀门(400)；有压管路(100)上设置有原管路阀门(400)，在原管路阀门(400)出口管路上设置旁通管路(200)，所述旁通管路(200)上安装混流式水轮发电机组(300)；有压管路的水流经过混流式水轮发电机组(300)，有压管路(100)余压被混流式水轮发电机组(300)回收利用，转换成电能。8.根据权利要求7所述用于管路余压回收系统，其特征在于，还包括旁通管路阀门(500)，旁通管路(200)与有压管路(100)并联设置形成两处连通口，两处连通口之间的有压管路(100)上设置一个旁通管路阀门(500)，在靠近两处连通口的旁通管路(200)上各设置一个旁通管路阀门(500)。

技术总结
混流式水轮发电机组及管路余压回收系统，属于水力发电技术领域，本发明为解决现有水轮发电机组用于有压管路余压回收效果不理想的问题。本发明方案：进水管段外套和进水管段内套套形顾环状空腔作为轴向进水通道，轴向进水通道与引水室连通；进水管段内套中由内至外同轴布置用于发电的主轴、转子和定子，主轴穿过进水管段内套后安装水轮机转轮，水轮机转轮在流体作用下沿主轴旋转，水轮机出水管与引水室同轴固定连接，水轮机出水管布置在水轮机转轮的下游；水从上游进入轴向进水通道，沿轴向流入引水室，引水室经过导流使流体产生所需的预旋进入水轮机转轮，管路中的有压水流使得水轮机转轮带动主轴旋转，水轮发电机组发电，对管路余压进行回收。路余压进行回收。路余压进行回收。


技术研发人员：王晓航 赵越 闫娜
受保护的技术使用者：哈尔滨电机厂有限责任公司
技术研发日：2023.07.17
技术公布日：2023/9/14