本發(fā)明涉及一種溪流微型發(fā)電裝置，屬于流體機械及工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

我國山區(qū)農(nóng)村可再生能源重要組成部分之一的微水電，有著提高和改善偏遠山區(qū)農(nóng)村電力供應(yīng)、自然生態(tài)環(huán)境保護、扶貧濟貧等多種社會經(jīng)濟效益。在微型水力資源零星散布，但電力供給嚴(yán)重不足且供電成本極高的偏遠山區(qū)農(nóng)村，建設(shè)微水電機組設(shè)備，是解決農(nóng)村農(nóng)產(chǎn)生活用電，是一種小投資，快收益問題的良好辦法之一。

微水電是其他能源無可取代的一種農(nóng)村微型可再生能源。它除了被廣泛地應(yīng)用于山區(qū)、農(nóng)村外，還可用于冷卻塔、自來水廠等具有多余水頭落差的地方，可用于高層建筑物的采暖、照明發(fā)電。微水電的利用既有著它的現(xiàn)實經(jīng)濟意義，而更重要的是其社會效益。綜上所述，開發(fā)適用于微水能的微型水力發(fā)電裝置具有著重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種溪流微型發(fā)電裝置，在簡單處理山區(qū)溪流地基的情況下，安置好溪流發(fā)電裝置即可發(fā)電。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種溪流微型發(fā)電裝置，由進口流道、轉(zhuǎn)輪室、出口流道、轉(zhuǎn)輪葉片、輪轂、支撐柱、主軸、發(fā)電機及發(fā)電機室組成；所述進水流道采用圓形收縮管，進、出口截面形狀都為圓形；所述轉(zhuǎn)輪室斷面為圓形；所述出口流道采用圓變方的截面變換形式，進口為圓形，出口為矩形；所述進口流道、轉(zhuǎn)輪室和出口流道構(gòu)成整個流道，整個流道根據(jù)山區(qū)溪流渠道的傾角θ臥式放置在山區(qū)溪流渠道中，傾角θ根據(jù)地形布置；所述轉(zhuǎn)輪葉片和輪轂構(gòu)成轉(zhuǎn)輪，位于轉(zhuǎn)輪室內(nèi)，所述輪轂為球形狀，與轉(zhuǎn)輪葉片直接相連構(gòu)成旋轉(zhuǎn)體，所述轉(zhuǎn)輪葉片共有個，均勻的布置于輪轂上；所述主軸一端與輪轂相連，另一端直接與發(fā)電機相連接，所述轉(zhuǎn)輪葉片和輪轂一起繞著主軸旋轉(zhuǎn)；所述發(fā)電機布置在發(fā)電機室內(nèi)，發(fā)電機室通過支撐柱固定于出口流道上，同時將發(fā)電機的輸出電線通過支撐柱內(nèi)空心管路引出；所述轉(zhuǎn)輪葉片為空間扭曲狀，每個轉(zhuǎn)輪葉片的空間造型通過五個封閉的空間翼型曲線而得到，將空間翼型曲線展開得到平面翼型，每條平面翼型曲線由上下兩條曲線組成；所述五條平面翼型曲線的特征點如下表所示：

其中，ln表示第n個平面翼型曲線，n＝1、2、3、4、5，xu表示平面翼型曲線上曲線特征點的橫坐標(biāo)，xd表示平面翼型曲線下曲線特征點的橫坐標(biāo)，y表示對應(yīng)點的縱坐標(biāo)；

所述5條平面翼型曲線共上下10條曲線擬合后的方程如下：

l1上曲線：yu＝-0.011x²-2.84x+35.59

l1下曲線：yd＝-2.97x-0.86

l2上曲線：yu＝-0.0123x2-2.27x+47.09

l2下曲線：yd＝-0.0005x2-2.46x+1.69

l3上曲線：yu＝-4e-05x3-0.0107x2-1.58x+50.26

l3下曲線：yd＝-0.0013x2-1.91x+3.31

l4上曲線：yu＝-5e-05x3-0.0089x2-0.98x+48.51

l4下曲線：yd＝-0.0017x2-1.32x+3.97

l5上曲線：yu＝-4e-05x3-0.0072x2-0.36x+48.90

l5下曲線：yd＝-0.0025x2-0.66x+11.69。

前述的進水流道的收縮角為10°。

前述的轉(zhuǎn)輪室的斷面的直徑d1的范圍為300～1000mm。

前述的出口流道的擴散角為15°。

前述的進口流道長度、轉(zhuǎn)輪室長度、出口流道長度、轉(zhuǎn)輪室斷面直徑的比值為0.56:0.33:2:1；

所述輪轂直徑與轉(zhuǎn)輪室截面直徑的比值關(guān)系為0.35。

前述的傾角θ取5°～30°。

前述的支撐柱有4個，所述支撐柱采用對稱翼型形狀的柱體。

前述的每個轉(zhuǎn)輪葉片的5條空間翼型曲線沿轉(zhuǎn)輪葉片徑向均勻分布，相鄰空間翼型曲線間距為1/6d，其中，d為轉(zhuǎn)輪室截面直徑的一半。

前述的在制造時，首先，根據(jù)山區(qū)溪流的寬度深度及流量，確定轉(zhuǎn)輪直徑d1，然后根據(jù)進口流道長度，轉(zhuǎn)輪室長度，出口流道長度與轉(zhuǎn)輪直徑的比值關(guān)系，以及輪轂直徑與轉(zhuǎn)輪直徑的比值關(guān)系，確定流道長度，轉(zhuǎn)輪室長度，出口流道長度和輪轂直徑。

前述的在制造時，對于轉(zhuǎn)輪葉片，可按照特征點進行擬合或者按照特征曲線進行擬合。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有的有益效果為：

本發(fā)明裝置沒有應(yīng)用水頭的要求，且裝置結(jié)構(gòu)簡單緊湊，運維方便，該微型水力發(fā)電裝置發(fā)電裝置具有較好的水力性能，同時具備較好的能量性能，土建成本低，可以簡單處理山區(qū)溪流地基，安置好溪流發(fā)電裝置即可發(fā)電。

本發(fā)明裝置核心部件轉(zhuǎn)輪葉片的設(shè)計，采用線性環(huán)量分布與流線法進行設(shè)計，具有較好的水力性能和能量性能。水流在裝置流道內(nèi)的流動具有較好的流態(tài)，流動的水力損失較小，在運行時水能轉(zhuǎn)換發(fā)電的效率比較高，可達70％以上。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的溪流微型發(fā)電裝置的整體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為溪流微型發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)輪的三維結(jié)構(gòu)圖；

圖3為溪流微型發(fā)電裝置的流道的結(jié)構(gòu)圖；

圖4為流道的三維結(jié)構(gòu)圖；

圖5為轉(zhuǎn)輪葉片的翼型空間曲線及擬合方程圖；圖5(a)為l1曲線，圖5(b)為l2曲線，圖5(c)為l3曲線，圖5(d)為l4曲線，圖5(e)為l5曲線；

圖6為單個轉(zhuǎn)輪葉片的正視圖；圖6(a)為平面圖，圖6(b)為五個封閉空間翼型曲線；

圖7為單個轉(zhuǎn)輪葉片的結(jié)構(gòu)圖；圖7(a)三維空間圖，圖7(b)為五個封閉翼型曲線空間布置俯視圖；

圖8為轉(zhuǎn)輪葉片和輪轂的正視圖。

具體實施方式

下面對本發(fā)明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明的溪流微型發(fā)電裝置布置在山區(qū)常年有溪流流道中，結(jié)構(gòu)具體如圖1所示，由進口流道1、轉(zhuǎn)輪室2、出口流道5、轉(zhuǎn)輪葉片4、輪轂3、支撐柱6、主軸、發(fā)電機及發(fā)電機室7組成。

如圖3和圖4所示，進水流道1采用圓形收縮管，進、出口截面形狀都為圓形，進口流道1的收縮角α取10°，轉(zhuǎn)輪室2斷面為直徑d1的圓形，d1可以取300～1000mm。出口流道5采用圓變方的截面變換形式，進口為圓形，出口為矩形，出口流道的擴散角β為15°。進口流道1、轉(zhuǎn)輪室2和出口流道5構(gòu)成整個流道，其長度分別為a1、a2、a3，a1:a2:a3:d1＝0.56:0.33:2:1。

如圖1所示，流道根據(jù)山區(qū)溪流渠道的傾角θ臥式放置在山區(qū)溪流渠道8中，傾角θ根據(jù)地形布置，取5°～30°為宜。

如圖2和圖8所示，本發(fā)明裝置的轉(zhuǎn)輪包括轉(zhuǎn)輪葉片4和輪轂3兩個部分，輪轂3為球形狀，與轉(zhuǎn)輪葉片4直接相連構(gòu)成旋轉(zhuǎn)體，轉(zhuǎn)輪葉片共有3個，均勻的布置于輪轂3上。主軸一端與輪轂3相連，另一端直接與發(fā)電機相連接，轉(zhuǎn)輪葉片和輪轂一起繞著發(fā)電裝置的主軸旋轉(zhuǎn)。輪轂直徑dg與轉(zhuǎn)輪室直徑d1比值為0.35。發(fā)電機布置在發(fā)電機室7內(nèi)，發(fā)電機室7通過支撐柱6固定于流道上，本發(fā)明共設(shè)有4個支撐柱，分別為6-1，6-2，6-3和6-4，支撐柱采用對稱翼型形狀的柱體，將發(fā)電機室固定在出口流道5中，同時將發(fā)電機的輸出電線通過支撐柱內(nèi)空心管路引出。

輪轂和轉(zhuǎn)輪葉片位于轉(zhuǎn)輪室2內(nèi)，轉(zhuǎn)輪室2的直徑也就是轉(zhuǎn)輪的直徑。轉(zhuǎn)輪葉片整體為空間扭曲狀，轉(zhuǎn)輪葉片進口邊處較厚，出口邊處較薄，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)選為3個；轉(zhuǎn)輪葉片空間造型通過五個封閉空間翼型曲線而得到，這五個空間翼型曲線沿發(fā)電裝置旋轉(zhuǎn)半徑方向按一定規(guī)律分布，對于每個空間翼型曲線采用流線法設(shè)計，將工作面型線與加厚面的型線首尾相接形成封閉曲線，并按一定方法轉(zhuǎn)換為空間曲線，將空間翼型展開得到平面翼型，每個翼型由上下兩條曲線組成，五條平面翼型曲線的特征點如下表所示：

其中，ln表示第n個平面翼型曲線(n＝1、2、3、4、5)，其中xu表示上部翼型特征點的橫坐標(biāo)，xd表示下部翼型特征點的橫坐標(biāo)，y表示對應(yīng)點的縱坐標(biāo)。

5個翼型共10條曲線擬合后的方程如下：

l1上曲線：yu＝-0.011x²-2.84x+35.59

l1下曲線：yd＝-2.97x-0.86

l2上曲線：yu＝-0.0123x2-2.27x+47.09

l2下曲線：yd＝-0.0005x2-2.46x+1.69

l3上曲線：yu＝-4e-05x3-0.0107x2-1.58x+50.26

l3下曲線：yd＝-0.0013x2-1.91x+3.31

l4上曲線：yu＝-5e-05x3-0.0089x2-0.98x+48.51

l4下曲線：yd＝-0.0017x2-1.32x+3.97

l5上曲線：yu＝-4e-05x3-0.0072x2-0.36x+48.90

l5下曲線：yd＝-0.0025x2-0.66x+11.69。

圖5(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別為轉(zhuǎn)輪葉片外緣側(cè)至輪轂側(cè)的五個翼型及其擬合方程，每個翼型由兩條曲線構(gòu)成，上部曲線yu和下部曲線yd，兩條曲線構(gòu)成封閉的曲線為轉(zhuǎn)輪葉片的翼型，共五條分別為l1、l2、l3、l4、l5，上部曲線yu和下部曲線yd的擬合方程如圖中右上角和左下角。

如圖6所示為單個轉(zhuǎn)輪葉片的正視圖，(a)為平面圖，(b)為五個封閉翼型曲線，轉(zhuǎn)輪葉片為空間扭曲曲面。轉(zhuǎn)輪葉片空間造型通過五個封閉翼型曲線而得到，翼型曲線l1、l2、l3、l4、l5的分布如圖，每個翼型曲線等距離劃分，相鄰翼型曲線間距為1/6d，其中，d為轉(zhuǎn)輪室直徑的一半，即d＝1/2d1，對于每個翼型曲線采用流線法設(shè)計，將工作面型線與加厚面的型線首尾相接形成封閉曲線，并按一定方法轉(zhuǎn)換為空間曲線。

如圖7所示為單個轉(zhuǎn)輪葉片的俯視圖，(a)為單個轉(zhuǎn)輪葉片三維空間圖，(b)單個轉(zhuǎn)輪葉片由五個封閉翼型曲線空間布置俯視圖，l1、l2、l3、l4、l5分別表示上述五個空間翼型曲線。

本發(fā)明的主要尺寸的選型、制造、安裝、發(fā)電時，按以下要求進行：

(1)根據(jù)山區(qū)溪流的寬度深度及流量，確定所應(yīng)用轉(zhuǎn)輪直徑d1；

(2)根據(jù)所確定的轉(zhuǎn)輪尺寸，依據(jù)本申請所提供的進口流道長度a1，轉(zhuǎn)輪室長度a2，出口流道長度a3與轉(zhuǎn)輪直徑d1的比值關(guān)系，以及輪轂直徑dg與轉(zhuǎn)輪直徑d1的比值關(guān)系，確定流道長度a1，轉(zhuǎn)輪室長度a2，出口流道長度a3和輪轂直徑dg；

(3)對于轉(zhuǎn)輪葉片主要翼型，根據(jù)本發(fā)明提供的特征點如表進行整體擬合，也可以根據(jù)幾個特征曲線進行從線到面的擬合。

(4)將整體轉(zhuǎn)輪的模型三維建模后即可以進行工廠鑄造生產(chǎn)，對于轉(zhuǎn)輪的最后成品還需要進行表面打磨，表面的平整、光滑程度對轉(zhuǎn)輪的運行效率也有重要的影響。

(5)將裝置的主要組成部分進口流道、轉(zhuǎn)輪室、出口流道、轉(zhuǎn)輪葉片、輪轂、支撐柱、發(fā)電機室，進行整體組裝。

(6)該微型水力發(fā)電裝置安裝到現(xiàn)場溪流中，可以簡單處理山區(qū)溪流地基，安置好溪流發(fā)電裝置即可發(fā)電，進水流道對著來流方法即可。

本申請可以根據(jù)不同的溪流渠道的尺寸和流量，對該轉(zhuǎn)輪進行幾何形狀上的縮放。本專利轉(zhuǎn)輪具有較高的寬效率曲，在額定流量能保證70％的效率。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。