雙輪反轉(zhuǎn)水力發(fā)電機(jī)設(shè)計

盧凱

摘 要：水流能源資源廣闊，便于收集，但利用率始終不能達(dá)到理想狀態(tài)，根據(jù)此情況，機(jī)械創(chuàng)新實(shí)驗6組開發(fā)了一種增加水流利用效率，轉(zhuǎn)動效率高，便于安裝的雙輪反轉(zhuǎn)水力發(fā)電機(jī)，并對其主要工作部件的結(jié)構(gòu)和受力分析以及工作原理進(jìn)行了介紹，科學(xué)計算各種參數(shù)，設(shè)計結(jié)構(gòu)，正式我們作品的可行性與實(shí)用性。此產(chǎn)品兩葉輪為 7：12，可實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)動效率。

關(guān)鍵詞：效率；發(fā)電；方便

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.093

1 研究背景

我國水能資源豐富，不論是水能資源蘊(yùn)藏量，還是可能開發(fā)的水能資源，在世界各國中均居第一位。但是目前我國水能的利用率僅為13%，水力發(fā)電前景廣闊。目前所投入生產(chǎn)使用的水力發(fā)電機(jī)主要靠單軸單輪運(yùn)轉(zhuǎn)，部分雙輪發(fā)電機(jī)也是兩輪同轉(zhuǎn)向或單獨(dú)作用發(fā)電，沒有最大程度地開發(fā)流入發(fā)電機(jī)內(nèi)水流的能量。在這樣的大背景下，機(jī)械創(chuàng)新實(shí)驗6組在阿奎麥斯特-勞馬同軸回旋式正反轉(zhuǎn)傳動機(jī)構(gòu)開發(fā)了一種效率高，用途廣，價格低的高效率發(fā)電機(jī)。其同軸反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動方式，減小了損耗，提高了效率。以下對其主要工作部件的結(jié)構(gòu)，工作原理進(jìn)行介紹。

2 結(jié)構(gòu)分析與受力分析

2.1 原理簡介

該機(jī)構(gòu)于1987年第一次作為螺旋槳安裝在載重1235t的英國貨輪“永久”號上，輸出功率較普通貨輪明顯提高。 這是因為后面的槳能夠利用前槳的水流旋轉(zhuǎn)速度，回收水流中一部分能量損失，其次，由于載荷分在兩個槳上，所以效率提高，一般比常規(guī)槳提高10%-15%。英國卡米瓦公司對一艘長度為232m的集裝箱船進(jìn)行了正反轉(zhuǎn)螺旋槳和常規(guī)單槳的推進(jìn)、操縱的比較試驗。該船的正反轉(zhuǎn)螺旋槳吸收的總功率保持與常規(guī)單槳的功率相同。前槳、后槳的功率分配為前槳占75%，后槳占25%。前槳直徑與常規(guī)單槳直徑相同。轉(zhuǎn)速的選擇使前槳、后槳的效率最佳。在設(shè)計航速20km時，正反轉(zhuǎn)螺旋槳的推進(jìn)功率較常規(guī)單槳低10%。該船正反轉(zhuǎn)螺旋槳和常規(guī)螺旋槳的特征如下表：

2.2 局部零件

2.2.1 引流外殼

外形呈喇叭狀，小徑輪在大口處，大徑輪在細(xì)口處，大徑輪接口處還接有一引流管，外殼起到收集水流的作用，并且根據(jù)流體力學(xué)原理，大小口比例為7：12，大徑輪細(xì)口處增加了水流的流速，起到增加大輪轉(zhuǎn)速的目的。

根據(jù)流體的運(yùn)動微分方程、量綱公式、雷諾準(zhǔn)則設(shè)計、弗勞德準(zhǔn)則設(shè)計，結(jié)合葉輪大小，我們計算得出，外殼的前后開口徑之比為4：3時，水流被放大到最大。

2.2.2 錐齒輪組

錐齒輪屬于相交軸傳動，錐形齒輪的壽命長，有著高負(fù)荷承載力且耐化學(xué)和腐蝕性強(qiáng)，有著降噪和減震的功能。錐形齒輪重量輕，成本低，，易于成型，潤滑性好，我們的產(chǎn)品使用三個錐形齒輪，一個連在主轉(zhuǎn)動軸上，其余兩個起到改變大徑輪方向的作用，實(shí)現(xiàn)雙輪反轉(zhuǎn)。

2.2.3 軸的設(shè)計

為保證兩葉輪反轉(zhuǎn)，中心軸的設(shè)計采用了空心雙軸承方法，軸的外壁與前小徑輪和主推錐齒輪為一體結(jié)構(gòu)軸的后側(cè)與大徑輪為一體結(jié)構(gòu)。另外，軸殼和軸之間用兩個規(guī)格相同的軸承固定連接。

2.2.4 發(fā)電機(jī)

在市場中，根據(jù)配置和應(yīng)用程序可用發(fā)電機(jī)被分成了很多種類，一般情況在水力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用中，感應(yīng)電機(jī)用于電力生產(chǎn)，具有高輸出功率地空間應(yīng)用。根據(jù)尺寸，設(shè)計模型產(chǎn)生的最大功率是30kw。通過水電站主要工作參數(shù)可以對水電站工作原理進(jìn)一步了解。水電站主要工作參數(shù)包括流量、水頭、出力等。

水電站的實(shí)際出力要小于理論出力。在由水能轉(zhuǎn)化為電能過程中，會產(chǎn)生能量損失，主要有水頭損失與能量轉(zhuǎn)化損失。水流經(jīng)輸水道后會損失一部分能量，稱為水頭損失 Ah，它與流道長度、截面形狀和尺寸、構(gòu)造材料、鋪設(shè)方式等等因素有關(guān)，須在電站總體布置完成后才可做出較精確的計算。初步計算時，可估計 Ah=（1%～10%）Ho，輸水道長、流速大的取大值，輸水道短、流速小的取小值。

除此外在能量轉(zhuǎn)化過程中還將損失一些能量，水輪機(jī)的效率約 90%至95%、發(fā)電機(jī)的效率約 90%至 98%、傳動設(shè)備也會有能量損失。

2.2.5 設(shè)計預(yù)覽

3 自身不足

（1）為進(jìn)行實(shí)驗驗證，有些細(xì)節(jié)還是太過理想化。

（2）無法分別水流中的石塊，水草等對機(jī)器具有破壞性物質(zhì)。

（3）實(shí)際使用過程中，水流的沖擊及浸泡會對機(jī)器有多多少少的腐蝕以及水溫差對螺旋槳的影響。

4 前景展望

經(jīng)研究創(chuàng)新后的發(fā)電機(jī)大大提升了發(fā)電效率，最后所發(fā)的電可以并入國家電網(wǎng)，為國民使用，所以前景廣闊。再進(jìn)一步的研發(fā)中，可讓機(jī)器型號具備大、中、小型，不僅大型工廠，國家電網(wǎng)能使用，出門旅行，意外停電等等情況都可適用。產(chǎn)品名字材料輕巧，效率高效，使用便捷，為這款產(chǎn)品提供了很大的市場需求。如果材料允許，還可使海洋能量資源也為人們所用，前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

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