管道水力發(fā)電系統(tǒng)說明書

號ShenyanginstituteofAeronauticalEngineering目錄TOC\o"1-5"\h\z引言 1作品介紹 2一、 作品效果圖 2二、 基本工作原理 2三、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 5葉輪機 5增速裝置 6發(fā)電機和整流器 7蓄電器 7逆變器 8四、 作品創(chuàng)新點 8五、 參考文獻 8引言在城市和農(nóng)村的各個角落里我們都可以看到熟悉的管道，如生活用水管道，污水排放管道，工業(yè)用水管道，河流的水泥輸水管道等。當(dāng)水從這些管道中流出時都具有很大的動能，而這些能量都白白的浪費了，為了有效利用這些浪費的水能我們設(shè)計了管道水力發(fā)電系統(tǒng)。自來水一般靠一定的壓力輸送，在中轉(zhuǎn)站通過減壓閥降低水壓后，儲存在水塔里，然后用水泵輸送給各個用戶。新型管道內(nèi)發(fā)電機有可能取代減壓閥，并可用于向水泵提供動力，從而有效地利用水資源并降低電力消耗。在水資源豐富的地區(qū)小型水力發(fā)電機是家庭首選電源，我們所設(shè)計的發(fā)電系統(tǒng)是一種管道葉輪發(fā)電機，該發(fā)電機成本低，電壓穩(wěn)定，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、安裝使用方便等特點，最適合于具有零星微小水力資源的山區(qū)農(nóng)戶解決照明，電視機等用電的發(fā)電設(shè)備。該葉片式水輪機耗能小，能向發(fā)電機提供較大轉(zhuǎn)矩。水輪通過增速輪系連接發(fā)電機轉(zhuǎn)軸，本管道多級葉輪發(fā)電機能夠有效地利用水資源，以小水力的有限力量帶動發(fā)電機發(fā)電，解決在水資源匱乏地區(qū)用戶不能利用較小水力發(fā)電的難題，在大城市更能有效地利用水力資源，具有能耗低、效率高的鮮明優(yōu)勢。我們設(shè)計的發(fā)電機安裝、使用方便，適合用戶自購、自建、自管、自用。用戶只需較少的投資就能供給你的家庭增添幸福和歡樂。在我國人口基數(shù)這么大的國家若都能用上我們的發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)在水力資源豐富的山區(qū)和管道繁多的城市都有很廣的應(yīng)用前景，若發(fā)電機可供給一個照明燈正常照明，那么一個發(fā)電機就可以節(jié)省一個照明燈所用的電費，可想我們的發(fā)電系統(tǒng)也會為我國的家庭省下來很大一筆費用。作品介紹一、作品效果圖二、基本工作原理該發(fā)電機利用水的動能帶動葉輪轉(zhuǎn)動，水輪通過增速輪系鏈接發(fā)電機轉(zhuǎn)軸使發(fā)電機高速轉(zhuǎn)動，再用整流器把發(fā)電機輸出的交流電轉(zhuǎn)化成直流電輸入在蓄電池中，最后，逆變器把蓄電池的電轉(zhuǎn)化成交流電傳輸給用電器。其裝置框圖如圖(2.1)葉輪機TI—T增速裝置發(fā)電機葉輪機TI—T增速裝置發(fā)電機整流器I用電器| 逆變器| 蓄電器圖（2.1）該管道葉輪發(fā)電系統(tǒng)的主要部分是葉輪機，在葉輪機的外部是我們自己設(shè)計好的管道，先把流水管道接在葉輪機的管道口上就能按照我們設(shè)計的葉輪機向發(fā)電機輸入一定的功率，使水能的利用系數(shù)最高能達到0.593。具體計算如下：現(xiàn)研究理想水輪在流動的水中的情況。并規(guī)定：vi：距離水力機一定距離的上游水速;V:通過水輪時的實際水速;v:離水輪遠處的下游水速。圖（2.2圖（2.2）設(shè)通過水輪的水流其上游截面為Si下截面為S2。由于水輪的機械能量僅由水的動能降低所致，因而v?必然低于v「所以通過水輪的水流截面積從上游至下游是增加的，即S2大于S1。如果假定水是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得:S1v1=Sv=S2v2水作用在水輪上的力為:F=pSv(v1-v2)故水輪吸收的功率為：P=Fv=pSv2(v-v)此功率是由動能轉(zhuǎn)換而來的。從上游至下游的的動能變化為：一1一△E=—pSv(v1i-v22)令式(1-4)與(1-5)相等，得到v+vTOC\o"1-5"\h\zV= 22作用在水輪上的力和提供的功率可寫為「 1n/ 、F=—pSv(v2+v2)n1P=_pSv(v1-v2)(v+v)4 12 12對于給定的上游速度v「可寫出以v2為函數(shù)的功率變化關(guān)系，將式(1-8)微分得-=—Sv(v2-2vv-3v2)dv2 4 1 12 2dP——=0有兩個解：①v=-v,沒有物理意義；②v=v/3，對應(yīng)于最大功率。dv 2 1 212以v=v1代入P的表達式，得到最大功率為23八8oPnax=27pSv3將上式除以水流通過掃掠面S時所具有的動能，可能得水力機的理論最大效率(或稱理論水能利用系數(shù))n=二="M3=舊.0.593max1 1 272pv：S —SpV3 27它說明，水力從自然水中所能索取的能量是有限的，其功率損失部分可以解釋為留在尾流中的旋轉(zhuǎn)動能。能量的轉(zhuǎn)換將導(dǎo)致功率的下降，它隨所采用的水力機和發(fā)電機的型式而異，『09$7%威芋」4號Tt。…二LShenyanginstituteofAeronauticalEngineering因此，水力機的實際水能利用系數(shù)Cp<0.593.三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（1）葉輪機：圖（3.1）是由水流的沖擊及通過收斂工作葉片通道的加速的反作用驅(qū)動的葉輪。圖（3.1）水流對葉輪的做功情形：水流過葉輪葉片通道的過程中，既然水流相對速度的大小和方向都發(fā)生了變化，水流必然受到了葉輪葉片所施加的作用力，與此同時，葉輪葉片也必然受到水流的反作用力。如圖（3.2）所示。水流以相對速度W沖擊葉輪，假設(shè)相對速度大小不變而僅速度方向轉(zhuǎn)折時水流對葉片的作用力用F表示；假設(shè)相對速度方向不變，而僅1速度大小增加時水流對葉片的作用力用弓表示；兩力的合力就是水流對葉輪葉片的反作用力R，再將此力沿圓周切向和軸向分解得到切向分力R和軸向分力R，其中軸向分力R受到約束，通過發(fā)動機軸承平衡，切向分力R^推動葉輪高速旋轉(zhuǎn)。圖（3.2）效果圖（3.2）效果圖（3.3）我們可以根據(jù)水流的實際大小而采用單級葉輪機或多級葉輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。當(dāng)水流比較大時，我們一般選用多級葉輪機，我們目前設(shè)計的葉輪機是二圖中所級葉輪機：|整流層一|工作層一|整流層一］工作層畫的只是單級葉輪機，而水流比較微小時我們選用單級葉輪機。圖中所（2）增速裝置：圖（3.4）、（3.5）是發(fā)電系統(tǒng)的增速裝置，增速裝置是為了提高發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，具體參數(shù)和傳動比如下:圖（3.4）速，具體參數(shù)和傳動比如下:圖（3.4）圖（3.5）齒輪的主要參數(shù)：m=2Z1=68Z2=17Z,=46Z3=17齒輪系的傳動比:._zz_17x17_289齒輪系的傳動比:〉-ZZ^—68x46—3128（3）發(fā)電機和整流器:圖（3.7）圖（3.6圖（3.7）圖（3.6）是我們所畫的發(fā)電機效果圖，圖（3.7）是發(fā)電機整流原理圖。從圖看出，和電刷A接觸的導(dǎo)體永遠位于N極下，同樣，和電刷B接觸的導(dǎo)體永遠位于S極下。因此，電刷A始終有正極性，電刷B始終有負極性，所以電刷端能引出方向不變的但大小變化的脈振電動勢。如果電樞上線圈數(shù)增多，并按照一定的規(guī)律把它們連接起來，可使脈振程度減小，就可獲得直流電動勢。、（4）蓄電器：圖-(38)蓄電器的作用是把發(fā)電機所發(fā)的電能儲存起來，再通過逆變器把直流電轉(zhuǎn)化成交流電以便用戶使用。如圖圖-(38)（5）逆變器:圖（3.7）是逆變器，電能以直流電的形式畜存在蓄電器中，而我們的生活用電一般是交流電，所以我們必須用逆變器把蓄電器中的電能以交流電的形式輸送給用電器。圖（3.7）四、 作品創(chuàng)新點（1） 我們設(shè)計的管道發(fā)電系統(tǒng)不管是水平的還是豎直的都能適用。（2） 發(fā)電系統(tǒng)的葉輪機可以是單級葉輪機也可以是多級葉輪機，根據(jù)水流的大小而定，能適用于不同大小水流的管道，能夠更有效的利用水能。（3） 我們發(fā)電機利用水的動能帶動葉輪轉(zhuǎn)動，水輪通過增速輪系鏈接發(fā)電機轉(zhuǎn)軸使發(fā)電機高速轉(zhuǎn)動，再用整流器把發(fā)電機輸出的交流電轉(zhuǎn)化成直流電輸入在蓄電池中，最后，逆變器把蓄電池的電轉(zhuǎn)化成交流電傳輸給用電器。該管道葉輪發(fā)電系統(tǒng)的主要部分是葉輪機，在葉輪機的外部是我們自己設(shè)計好的管道，先把流水管道接在葉輪機的管道口上就能按照我們設(shè)計的葉輪機向發(fā)電機輸入一定的功率，使水能的利用系數(shù)最高能達到0.59