一种环形混联式聚能全流程液力发电站

技术领域

本发明主要涉及液力发电站相关技术领域，具体是一种环形混联式聚能全流程液力发电站。

背景技术

现有技术中的液力发电站是通过蓄能或储能的方式将水存储在一定高度，通过水头落差冲击水轮机带动发电机运行，现有技术中，利用谷电抽水蓄能发电的使用场景有限，需要流动的介质以及特定的地理位置。常规的水力发电站建设成本高，需要耗费巨大的财力修建。

传统的液力发电站采用一体式结构，无法进行模块化组合发电单元，不能形成标准化设计、占地空间大、不易维护。常规的水力发电站液力的提升基本都是依靠于泵实现，然而在大流量、长管道内，受限于液力泵本身的性能以及扬程等缺陷，可能需要设置多组液力泵接力输送，能耗大、成本高，而采用活塞式输送结构，则需要将驱动活塞的相关机械结构一并设置在管道内，需要复杂的机械结构、能耗高、维护不便且不利于管道的布置。

发明内容

为解决目前技术的不足，本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供环形混联式聚能全流程液力发电站，其具有可模块化组合、对地理环境要求低、占地空间小的优势。

本发明的技术方案如下：

一种环形混联式聚能全流程液力发电站，包括多组发电单元、涡轮耦合器、主发电机、副发电机，每组发电单元包括由左竖管道、右竖管道、上横管道以及下横管道形成的封闭式液力循环管道，在所述左竖管道上部设置磁力提升系统，在所述右竖管道上部设置磁流体加速器，下部设置主涡轮机；

在所述右竖管道上设置有分支管道，分支管道汇总于下横管道，在每个分支管道上设置一个副涡轮机，每个副涡轮机对应连接一个副发电机；

多组发电单元之间呈环形阵列设置，多组发电单元的右竖管道朝内、外竖管道朝外，所述涡轮耦合器设置于多组发电单元中间下方，各发电单元的主涡轮机分别连接于涡轮耦合器输入轴，涡轮耦合器输出轴连接主发电机。

进一步，每组发电单元或其中若干组发电单元的右竖管道上设置所述分支管道，右竖管道上的分支管道为一个或多个，所述的主涡轮机与副涡轮机的功率相同或不同，副涡轮机与对应的副发电机之间通过磁力联轴器连接。

进一步，所述涡轮耦合器包括多个输入轴以及一个输出轴，多个输入轴与输出轴之间通过齿轮传动，多个输入轴共同驱动输出轴转动，多个输入轴呈环形设置，多个输入轴的外端分别通过磁力联轴器连接于主涡轮机的转子。

进一步，所述涡轮机与发电机设置于地坑中，在每个涡轮机的出口设置压力补液管，在各液力循环单元顶部中心设置补液箱。

进一步，所述磁力提升系统包括进口总管道、出口总管道、第一提升机构、第二提升机构；

所述第一提升机构、第二提升机构并联设置，第一提升机构、第二提升机构在进口端共同连接于进口总管道，在出口端共同连接于出口总管道；

所述第一提升机构以及第二提升机构均至少包括一组提升装置，所述提升装置包括液力管道、活塞、耦合导向架以及驱动轴，所述液力管道两端分别连通进口总管道以及出口总管道，所述活塞设置于液力管道内且与液力管道滑动配合，活塞中间设置单向阀，活塞向下运动时单向阀打开使液力介质进入活塞上部的液力管道内，活塞向上运动时单向阀封闭使活塞上部液力管道内的液力介质向上提升，所述耦合导向架、驱动轴用于驱动活塞往复升降运动；

所述第一提升机构以及第二提升机构对应提升装置中的活塞呈交替往复作业状态。

进一步，所述耦合导向架套设于液力管道外部，耦合导向架能够在驱动轴作用下沿液力管道长度方向往复升降运动，在活塞上设置第一永磁体，在耦合导向架上设置第二永磁体，耦合导向架升降运动时通过第一永磁体以及第二永磁体之间的磁力驱动活塞同步运动。

进一步，所述第一永磁体为多个，沿活塞外圈周向均匀布置，所述第二永磁体为多个，沿耦合导向架周向均匀布置；第一永磁体与第二永磁体之间的磁力为吸力。

进一步，所述驱动轴两侧分别设置一组磁力推动件，每组磁力推动件均包括多个沿驱动轴轴向设置的斜置永磁体，所述耦合导向架上还设置有第三永磁体，所述磁力推动件的斜置永磁体能够对耦合导向架的第三永磁体施加升降的斥力，且两侧的磁力推动件施加的斥力方向相反；

所述驱动轴连接有换向驱动件，所述换向驱动件用于使驱动轴换向进而使两组磁力推动件交替作用于第三永磁体实现耦合导向架的升降控制。

进一步，所述主涡轮机以及副涡轮机包括涡轮机壳体、涡轮机转子，涡轮机壳体连接于右竖管道内，涡轮机转子顶部设置分流锥，涡轮机转子上部以及下部均设置轴流叶片，涡轮机转子周向设置螺旋叶片。

进一步，所述磁流体加速器包括加速管道，所述加速管道整体呈矩形结构，在加速管道内设置有多个矩形的加速通道，每个加速通道的两个相对长边之间施加有穿透的直流电力线，两个相对短边之间施加有穿透的磁力线，电力线与磁力线垂直，导电介质由加速管道一端进入加速通道后由加速管道另一端射出实现加速；

所述加速管道内的多个加速通道依次间隔阵列布置，在加速通道的两个相对长边上均设置电极板，一侧的电极板连接直流电源正极，另一侧的电极板连接直流电源负极，在加速通道的两个相对短边上设置磁钢，两侧的磁钢内侧分别为N极以及S极，通过电极板施加所述直流电力线，通过磁钢施加所述磁力线。

本发明的有益效果：

1、本发明可用于100-1000MW功率的发电站结构，通过多组环形阵列布置的发电单元的涡轮机共同驱动发电机运行，相比于传统的水力发电站，整体无需构建传统水电庞大的基础设置，同时通过管道分支设置的涡轮机单独连接副发电机，使多个副发电机与主发电机之间实现耦合，即便是在主发单机部分出现故障时，仍然能够保证发电站的运行，且能够更好的匹配和利用水力以及涡轮机，同时用封闭管道即可实现液力介质垂直持续循环，从而保证发电机的持续运行，整体采用了模块化组合设计的理念，使得发电站搭建方便、维护方便、运行稳定、占用空间小。

2、本发明将液力介质进行循环利用，液力介质消耗少，避免了液力介质的浪费，通过环形阵列排配合管道分支组合的方式，受地理环境影响小，组合方便，各单元独立工作，便于维护。

3、本发明提升系统整体采用往复活塞式提升方式，通过设置单向阀的活塞往复运动实现液力介质的提升输送，通过设置的两组提升机构进行交替往复作业，能够实现液力介质的持续提升输送，效率高，提升结构摒弃了传统的采用液力泵实现液力介质在管道内提升输送的方式，采用全新的机械式输送结构，在耦合导向架运动时通过磁力耦合带动管道内部的活塞运动实现液力介质的提升输送，相比于采用泵输送的方式，不受扬程限制，输送距离长，相比于传统机械方式，管道内部的活塞不直接与其他机械结构连接，因此驱动部分可全部设置在液力管道的外部，便于维护和拆装。

4、本发明主要的提升能量通过永磁体实现，仅需要较小的外部输入能量使驱动轴转向即可实现管道内部活塞的升降控制，结构稳定，能耗小。

5、本发明的涡轮机采用轴流、螺旋复合式结构，可以适应多速度流场动力输出。

6、本发明所涉及的加速器通过设置的相互垂直的磁力线以及直流电力线，在导电液力介质通过通道内的磁场以及电场时，能够被大幅度增速，从而实现导电液力介质在封闭管道内的高效加速，加速后的液力介质具有较高的可利用动能，整体结构简单、使用场景广泛。

附图说明

附图1为本发明的总体结构示意图。

附图2为本发明的部分结构示意图一。

附图3为本发明的部分结构示意图二。

附图4为本发明的部分结构示意图三。

附图5为本发明的单组发电单元结构示意图。

附图6为本发明的磁力提升系统结构示意图。

附图7为本发明的磁力提升系统爆炸结构示意图。

附图8为本发明的磁力提升系统活塞结构示意图。

附图9为本发明的磁力提升系统耦合导向架结构示意图。

附图10为本发明的涡轮机内部结构示意图。

附图11为本发明的磁流体加速器的加速管道外部结构示意图。

附图12为本发明的磁流体加速器的电场及磁场布置方式示意图。

具体实施方式

结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

本发明实施例提供一种环形混联式聚能全流程液力发电站，可用于100-1000MW功率的发电。

实施例1

参考图1-图4所示，本实施例所提供的环形混联式聚能全流程液力发电站，主要包括多组发电单元10、涡轮耦合器41、主发电机4。其中每组发电单元10包括由左竖管道6、右竖管道7、上横管道8以及下横管道9形成的封闭式液力循环管道，在所述左竖管道6上部设置磁力提升系统1，在所述右竖管道7上部设置磁流体加速器2，在所述右竖管道7下部设置主涡轮机3，各个主涡轮机3通过涡轮耦合器41共同驱动主发电机4。在本实施例中，液力循环介质在循环管道内，可通过左竖管道6上的磁力提升系统1将液力介质自下而上提升并使其具有第一速度，在第一速度作用下，液力介质由右竖管道7进入到上横管道8内，在上横管道8末端进入到右竖管道7内，在右竖管道7内，通过液力介质的重力以及磁流体加速器2进行加速，在右竖管道7末端进入到主涡轮机3，使主涡轮机3运行，驱动主涡轮机3运行后的液力介质通过下横管道9循环进入左竖管道6内，实现持续循环运行。

本实施例中的，多组发电单元10之间呈环形阵列设置，多组发电单元10的右竖管道7朝内、外竖管道朝外，涡轮耦合器41设置于多组发电单元10中间下方，各发电单元10的主涡轮机3分别连接于涡轮耦合器41输入轴42，涡轮耦合器41输出轴43连接主发电机4。本实施例中，采用多组发电单元10耦合的方式实现大功率发电作业，具体的，多组发电单元10之间呈环形阵列设置，能够降低占地面积，使发电机的结构更加紧凑，图示中为八组发电单元10，发电单元10在环形阵列过程中，其右竖管道7朝内、外竖管道朝外，因每个发电单元10具备一个独立的涡轮机，因此各涡轮机将通过底部的涡轮耦合器41连接到发电机，共同驱动大功率发电机进行运行。在本实施例中，以模块化组合的方式实现发电站的建设，方便快捷，成本低，便于各零部件的标准化设计和生产。

在本实施例中，对于全部或部分的发电单元10，在其右竖管道7上设置有分支管道40，分支管道40底端汇总连接到下横管道9，在每个分支管道40上设置一个副涡轮机36，每个副涡轮机36对应连接一个副发电机44，各个副发电机44相互独立，右竖管道7上的分支管道40可以是一个或多个，在多个的情况下，每个分支管道40连接一个副涡轮机36，主涡轮机3与副涡轮机36的功率可以相同或不同，副涡轮机36与对应的副发电机44之间通过磁力联轴器5连接。通过在主管道上设置分支管道40，能够对液力介质做到最大程度的利用，且主发电机4与副发电机44进行耦合，能够增大发电量，同时，因采用环形结构的布置形式，分支管道40以及副涡轮机36可以设置在环形空间的内部，做到空间的最大化利用，使得发电站结构更为紧凑，占地面积更小，且主发电机4与副发电机44之间相互独立工作，便于维护。

在本实施例中，还提供有一种涡轮耦合器41的具体结构。该涡轮耦合器41主要是用于多个主涡轮机3与主发电机4之间的连接。具体的，涡轮耦合器41设置在多组发电单元10中心下方，涡轮耦合器41包括多个输入轴42以及一个输出轴43，多个输入轴42与输出轴43之间通过齿轮传动，多个输入轴42通过齿轮同步驱动输出轴43，输入轴42与输出轴43方向垂直，多个输入轴42呈环形设置，多个输入轴42的外端设置磁力联轴器5连接到对应的涡轮机转子32，涡轮耦合器41的输出轴43连接到的发电机的转子。通过该结构的涡轮耦合器41能够将各涡轮机的动力传递到发电机，且涡轮耦合器41采用磁力联轴器5的结构，无过载和介质泄漏，运行平稳、噪音低。

在本实施例中，沿发电站的高度方向，围拢多个发电单元10外部设置相应的检修平台，且将各个涡轮机与发电机设置于地坑中，维护方便，在每个涡轮机的出口设置压力补液管20，在各液力循环单元顶部中心设置补液箱30，避免管道内作业介质形成段塞流。

实施例2

本实施例提供一种可用于实施例1的磁力提升系统1结构，主要包括进口总管道112、出口总管道113、第一提升机构114、第二提升机构115。

其中，第一提升机构114、第二提升机构115并联设置，第一提升机构114、第二提升机构115在进口端共同连接于进口总管道112，在出口端共同连接于出口总管道113。本系统主要布置在左竖管道6中，且呈竖直的方式布置，进口总管道112以及出口总管道113分别用于连接左竖管道6，主要用于使管道内的液力介质从进口总管道112快速向上提升到出口总管道113。

在本实施例中，第一提升机构114以及第二提升机构115均至少包括一组提升装置18，提升装置18采用活塞12式提升结构，在活塞12向上运动时对提升装置18液力管道11内的液力介质向上提升，因采用单个提升机构仅能通过活塞12实现间歇式提升，故而本实施例设置两组提升机构，即第一提升机构114以及第二提升机构115。当第一提升机构114的活塞12向下运动时，第二提升机构115的活塞12向上运动，此时第二提升机构115进行液力介质的提升，当第一提升机构114的活塞12向上运动时，第二提升机构115的活塞12向下运动，此时第一提升机构114进行液力介质的提升，通过两组提升机构交替往复作业，能够实现液力介质的持续提升。

作为本实施例的优选方案，为了保证单次能够实现大流量液力介质的提升，第一提升机构114以及第二提升机构115均包括四组提升装置18，第一提升机构114的四组提升装置18并联设置同步运动，第二提升机构115的四组提升装置18并联设置同步运动。每组提升装置18均包括单独的液力管道11以及活塞12，各组提升装置18的液力管道11两端分别连接于进口总管道112，出口总管道113。同时，为了使提升机构结构布置合理紧凑，本实施例中，第一提升机构114的四组提升装置18呈矩形阵列布置，第二提升机构115的四组提升装置18呈矩形阵列布置，且第一提升机构114的四组提升装置18以及第二提升机构115的四组提升装置18并列设置。此时，进口总管道112上部设置八个分支管道40分别连接到对应的液力管道11，出口总管道113下部设置八个分支管道40分别连接到对应的液力管道11。

本实施例还提供一种用于上述提升系统的提升装置18。

本实施例的单组提升装置18主要包括液力管道11、活塞12、耦合导向架13、驱动轴14等。其中，液力管道11在液力输送系统中呈垂直设置的方式，在液力管道11两端分别设置第一连接件、第二连接件，通过第一连接件、第二连接件使本段液力管道11与进口总管道112、出口总管道113对接形成封闭循环式液力输送系统。本实施例的提升装置18主要是用于使液力介质在该垂直设置的液力管道11内自下而上提升加速。

在本实施例中，采用活塞12实现对液力管道11内液力介质的提升。具体的是，活塞12在液力管道11内能够上下移动，活塞12采用橡胶材质，外圈与液力管道11内壁贴合保证密封性能，活塞12中间设置单向阀15，活塞12能够沿液力管道11上下滑动，在活塞12向下运动时，在液力管道11内液体压力作用下单向阀15自动打开，此时活塞12向下运动，下方液力管道11内的液力截止通过单向阀15进入到上方的液力管道11内，在活塞12向上运动时，单向阀15呈封闭状态，因此活塞12上升时，能够推动上部的液力介质沿液力管道11向上提升、加速，如此活塞12循环往复运动，实现液力介质的垂直提升。

本实施例中，活塞12的升降运动主要通过耦合导向架13以及驱动轴14进行控制。为了保证液力管道11内的液力介质不被污染以及后期维护的方便性，将耦合导向架13以及驱动轴14均设置在液力管道11的外部。具体的连接关系为：耦合导向架13套设在液力管道11外部，耦合导向架13连接驱动轴14，能够在驱动轴14作用下沿液力管道11长度方向往复升降运动，而耦合导向架13与活塞12之间通过磁力耦合的方式同步运动。在活塞12上外部周向设置环形安装槽，环形安装槽内沿周向均匀间隔布置有多个第一永磁体16，在耦合导向架13周向均匀间隔布置有多个第二永磁体17，第一永磁体16与第二永磁体17之间形成相吸的作用力。在该结构下，活塞12以及耦合导向架13分别设置在液力管道11内、外不直接连接，通过磁力传递力。此时，当外部的耦合导向架13在驱动轴14作用下向上运动时，耦合导向架13通过与活塞12相吸的磁力同步带动活塞12向上运动，耦合导向架13在驱动轴14作用下向下运动时，带动活塞12向下运动，如此实现活塞12的升降控制。

作为本实施例的一种优选方案，为了保证耦合导向架13能够平稳的升降运动，在垂直方向上对其设置有相应的导向结构，导向结构通过四根导向柱实现。四根导向柱均匀的布置在耦合导向架13四周，导向柱两端分别通过液力管道11两端的第一连接件以及第二连接件固定，在耦合导向架13上对应导向柱设置相应的通孔，使得耦合导向架13能够沿导向柱升降运动，以保证耦合导向架13的运动导向以及稳定支撑。

在本实施例中，是通过驱动轴14带动耦合导向架13进行升降运动，为了保证运动的平稳定，采用两套驱动轴14，对称设置在耦合导向架13两侧。两套驱动轴14同步运动带动耦合导向架13升降运动。

作为本实施例的一种优选方案，耦合导向架13与驱动轴14之间采用磁力配合的结构。具体的是驱动轴14两端通过轴承支撑，安装在液力管道11的第一连接件、第二连接件之间，在驱动轴14两侧分别设置一组磁力推动件19，每组磁力推动件19均包括多个沿驱动轴14轴向设置的斜置永磁体，耦合导向架13一侧设置第三永磁体安装座，第三永磁体安装座内设置有第三永磁体110，磁力推动件19的斜置永磁体与耦合导向架13的第三永磁体110之间产生斥力，该斥力为斜力，且两侧的磁力推动件19施加的斥力相反。通过上述结构，当驱动轴14的其中一组磁力推动件19朝向第三永磁体110位置时，其斜置永磁体对第三永磁体110产生一个斜向上的斥力，通过该作用力能够推动耦合导向架13向上运动。当驱动轴14转动180°后，另一侧的磁力推动件19朝向第三永磁体110位置施力，此时施加的斥力为斜向下的斥力，通过该作用力能够推动耦合导向架13向下运动。如此，仅通过控制驱动轴14实现180°的持续换向即可实现磁力耦合架的往复式直线运动。在本实施例提供的一种具体实施方式中，用于使驱动轴14实现180°持续转动的换向驱动件111结构采用电机控制，电机设置在驱动轴14的上端，通过电机的转动带动驱动轴14的转动换向。

作为本实施例的一种优选结构，第一提升机构114的四组提升装置18中的四个耦合导向架13连接于一体，四个耦合导向架13共用两个驱动轴14，第二提升机构115的四组提升装置18中的四个耦合导向架13连接于一体，四个耦合导向架13共用两个驱动轴14，即每组的提升机构可以采用两个驱动轴14同步驱动四个耦合导向架13运动。

实施例3

本实施例提供一种涡轮机的具体结构。涡轮机主要包括涡轮机壳体31、涡轮机转子32，涡轮机壳体31连接于右竖管道7内，涡轮机转子32顶部设置分流锥33，涡轮机转子32上部以及下部均设置轴流叶片34，涡轮机转子32周向设置螺旋叶片35。涡轮机壳体31两端分别对接连接到右竖管道7中，液力介质由涡轮机壳体31顶部进入到壳体内，通过分流锥33的分流向下产生高速射流冲击轴流叶片34以及螺旋叶片35，使涡轮机转子32高速转动，涡轮机转子32进而通过涡轮机耦合器驱动发电机运行。在本实施例中，涡轮机采用的是轴流、螺旋复合型结构，可以适应多速度流场动力输出，输出效率高。

实施例4

本实施例提供的一种用于液力介质在管道中加速的磁流体加速器2结构。本实施例的加速器主要用于对封闭管道内的导电液力介质进行加速使用，本实施例的加速器两端对接到右竖管道7中，液力介质在通过本加速器的平行电场、平行磁场时能够被加速，射流而出。

本实施例的导电液力介质加速器主要包括加速管道21，其中加速管道21外形为矩形结构，在加速管道21内设置有多个矩形的加速通道22，加速通道22是具有两个长边以及两个短边的矩形结构，加速通道22的数量可根据实际介质流量确定。各个加速通道22用于对导电液力介质进行加速。具体的，在每个加速通道22的两个相对长边之间施加有穿透的直流电力线，两个相对短边之间施加有穿透的磁力线，直流电力线与磁力线均平行设置，且直流电力线与磁力线呈90°，此时，在导电液力介质由加速管道21一端进入加速通道22后，受加速通道22内的电场以及磁场作用，根据洛伦兹力原理可以被加速，加速后的导电液力介质由加速管道21另一端射流而出产生可利用的动能。

在本实施例提供的一种具体布置方式中，加速管道21内的多个加速通道22依次间隔阵列布置，加速管道21采用不导电的尼龙材质加工制作，在加速通道22的两个相对长边上均设置电极板23，一侧的电极板23连接直流电源正极，另一侧的电极板23连接直流电源负极，电极板23可以采用钢板，通过镶嵌或贴附的方式设置在加速通道22的内侧壁上，电极板23与导电液力介质直接接触，同时电极板23沿加速通道22的长度方向布满整个内壁，在加速通道22的两个相对短边上设置磁钢24，两侧的磁钢24内侧分别为N极以及S极，两侧的磁钢24通过镶嵌或贴附的方式设置在加速通道22的外壁上不与导电液力介质直接接触，且磁钢24沿加速通道22的长度方向布满整个外壁。

在本实施例的上述结构中，由电极板23提供电场，由磁钢24提供磁钢24，两者结合形成的电场和磁场能够对穿过的导电液力介质进行加速。