双轮反转水力发电机设计
2018-03-30卢凯
卢凯
摘 要：水流能源资源广阔，便于收集，但利用率始终不能达到理想状态，根据此情况，机械创新实验6组开发了一种增加水流利用效率，转动效率高，便于安装的双轮反转水力发电机，并对其主要工作部件的结构和受力分析以及工作原理进行了介绍，科学计算各种参数，设计结构，正式我们作品的可行性与实用性。此产品两叶轮为 7：12，可实现最大转动效率。
关键词：效率；发电；方便
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.093
1 研究背景
我国水能资源丰富，不论是水能资源蕴藏量，还是可能开发的水能资源，在世界各国中均居第一位。但是目前我国水能的利用率仅为13%，水力发电前景广阔。目前所投入生产使用的水力发电机主要靠单轴单轮运转，部分双轮发电机也是两轮同转向或单独作用发电，没有最大程度地开发流入发电机内水流的能量。在这样的大背景下，机械创新实验6组在阿奎麦斯特-劳马同轴回旋式正反转传动机构开发了一种效率高，用途广，价格低的高效率发电机。其同轴反转转动方式，减小了损耗，提高了效率。以下对其主要工作部件的结构，工作原理进行介绍。
2 结构分析与受力分析
2.1 原理简介
该机构于1987年第一次作为螺旋桨安装在载重1235t的英国货轮“永久”号上，输出功率较普通货轮明显提高。 这是因为后面的桨能够利用前桨的水流旋转速度，回收水流中一部分能量损失，其次，由于载荷分在两个桨上，所以效率提高，一般比常规桨提高10%-15%。英国卡米瓦公司对一艘长度为232m的集装箱船进行了正反转螺旋桨和常规单桨的推进、操纵的比较试验。该船的正反转螺旋桨吸收的总功率保持与常规单桨的功率相同。前桨、后桨的功率分配为前桨占75%，后桨占25%。前桨直径与常规单桨直径相同。转速的选择使前桨、后桨的效率最佳。在设计航速20km时，正反转螺旋桨的推进功率较常规单桨低10%。该船正反转螺旋桨和常规螺旋桨的特征如下表：
2.2 局部零件
2.2.1 引流外壳
外形呈喇叭狀，小径轮在大口处，大径轮在细口处，大径轮接口处还接有一引流管，外壳起到收集水流的作用，并且根据流体力学原理，大小口比例为7：12，大径轮细口处增加了水流的流速，起到增加大轮转速的目的。
根据流体的运动微分方程、量纲公式、雷诺准则设计、弗劳德准则设计，结合叶轮大小，我们计算得出，外壳的前后开口径之比为4：3时，水流被放大到最大。
2.2.2 锥齿轮组
锥齿轮属于相交轴传动，锥形齿轮的寿命长，有着高负荷承载力且耐化学和腐蚀性强，有着降噪和减震的功能。锥形齿轮重量轻，成本低，，易于成型，润滑性好，我们的产品使用三个锥形齿轮，一个连在主转动轴上，其余两个起到改变大径轮方向的作用，实现双轮反转。
2.2.3 轴的设计
为保证两叶轮反转，中心轴的设计采用了空心双轴承方法，轴的外壁与前小径轮和主推锥齿轮为一体结构轴的后侧与大径轮为一体结构。另外，轴壳和轴之间用两个规格相同的轴承固定连接。
2.2.4 发电机
在市场中，根据配置和应用程序可用发电机被分成了很多种类，一般情况在水力发电机的应用中，感应电机用于电力生产，具有高输出功率地空间应用。根据尺寸，设计模型产生的最大功率是30kw。通过水电站主要工作参数可以对水电站工作原理进一步了解。水电站主要工作参数包括流量、水头、出力等。
水电站的实际出力要小于理论出力。在由水能转化为电能过程中，会产生能量损失，主要有水头损失与能量转化损失。水流经输水道后会损失一部分能量，称为水头损失 Ah，它与流道长度、截面形状和尺寸、构造材料、铺设方式等等因素有关，须在电站总体布置完成后才可做出较精确的计算。初步计算时，可估计 Ah=（1%～10%）Ho，输水道长、流速大的取大值，输水道短、流速小的取小值。
除此外在能量转化过程中还将损失一些能量，水轮机的效率约 90%至95%、发电机的效率约 90%至 98%、传动设备也会有能量损失。
2.2.5 设计预览
3 自身不足
（1）为进行实验验证，有些细节还是太过理想化。
（2）无法分别水流中的石块，水草等对机器具有破坏性物质。
（3）实际使用过程中，水流的冲击及浸泡会对机器有多多少少的腐蚀以及水温差对螺旋桨的影响。
4 前景展望
经研究创新后的发电机大大提升了发电效率，最后所发的电可以并入国家电网，为国民使用，所以前景广阔。再进一步的研发中，可让机器型号具备大、中、小型，不仅大型工厂，国家电网能使用，出门旅行，意外停电等等情况都可适用。产品名字材料轻巧，效率高效，使用便捷，为这款产品提供了很大的市场需求。如果材料允许，还可使海洋能量资源也为人们所用，前景广阔。
参考文献：
[1]周雄.几种新型正反转螺旋桨系统[J].2006.
[2]陆晓.双重反转螺旋桨技术发展综述[J].2011.
[3]林正伟.双体对转驱动机的转矩平衡仿真研究[J].2012.
