阅读说明：本技术 一种双叶轮水轮机 (Double-impeller water turbine ) 是由 王孝义 于晓峰 薛康 刘聪 张玉华 邱支振 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种双叶轮水轮机,属于流体机械技术领域。该水轮机包括框架、上横板、主传动机构、上对流臂、上轴承座、输出轴、第一叶轮机构、第二叶轮机构、下横板、下对流臂以及下轴承座；第一叶轮机构和第二叶轮机构安装在上、下横板之间,两叶轮在流体作用下可各自绕转轴旋转,但旋转方向相反,通过主传动机构将两叶轮转轴的反向转矩同向输出到输出轴；上、下对流臂分别与上、下横板固连,通过上、下轴承座将叶轮及主传动机构安装在框架上,以实现水轮机的偏航。本发明所提供的双叶轮水轮机有机融合了叶片的升阻特性,具有自启性能优、转化效率高、布放灵活、环境友好、选址要求低和应用范围广等优点,本发明可应用于大多数海域和内陆河流,在水资源开发中具有广阔的应用前景。(The invention discloses a double-impeller water turbine, and belongs to the technical field of fluid machinery. The water turbine comprises a frame, an upper transverse plate, a main transmission mechanism, an upper convection arm, an upper bearing seat, an output shaft, a first impeller mechanism, a second impeller mechanism, a lower transverse plate, a lower convection arm and a lower bearing seat; the first impeller mechanism and the second impeller mechanism are arranged between the upper transverse plate and the lower transverse plate, the two impellers can respectively rotate around the rotating shafts under the action of fluid, but the rotating directions are opposite, and the reverse torques of the rotating shafts of the two impellers are output to the output shaft in the same direction through the main transmission mechanism; the upper convection arm and the lower convection arm are fixedly connected with the upper transverse plate and the lower transverse plate respectively, and the impeller and the main transmission mechanism are installed on the frame through the upper bearing seat and the lower bearing seat so as to realize the yawing of the water turbine. The double-impeller water turbine organically integrates the lift-drag characteristics of the blades, has the advantages of excellent self-starting performance, high conversion efficiency, flexible arrangement, environmental friendliness, low site selection requirement, wide application range and the like, can be applied to most of sea areas and inland rivers, and has wide application prospects in water resource development.)

一种双叶轮水轮机

技术领域：

本发明属于流体机械技术领域，具体涉及一种双叶轮水轮机。

背景技术：

水资源作为一种储量丰富、能流密度大和可预测性强的绿色可再生能源，其开发利用一直备受关注。目前水资源的开发主要面向两个方面，一是内陆河流、湖泊拦水筑坝，提高水头，通过水轮机将水的位能转化为机械能，再进一步转化成可利用的电能。但工程量大、成本高、对环境破坏性较大。二是海洋能源的综合开发利用，主要包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能和盐度差能等，其中潮汐能和海流能以水轮机作为主要开发装备，发展迅速。但目前用于潮流能发电的水轮机仍存在一些技术难题，如启动流速一般超过0.7m/s，额定功率流速一般超过2m/s，多放置在潮流能资源丰富区的海峡、水道、湾口等区域，局限性较大，不适合向潮流流速较低的普通海域推广，无法大限度的开发潮流能资源，造成了能源的大量浪费。

发明内容

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本发明针对现有水轮机存在的技术问题，提供了一种双叶轮水轮机。该双叶轮水轮机具有结构简单紧凑、成本低易维护、流速适应范围广和运行可靠效率高的特点。

本发明所提供的一种双叶轮水轮机包括框架1、对流机构2、主传动机构3、第一叶轮机构4及第二叶轮机构5；所述框架1包括上横梁1.1、下横梁1.2和立柱1.3，所述上横梁1.1上设有上轴承座2.1的安装孔及输出轴2.2的伸出孔，所述下横梁1.2上设有下轴承座2.7的安装孔，所述上横梁1.1及所述下横梁1.2水平放置，所述立柱1.3竖直放置。

所述对流机构2包括所述上轴承座2.1、所述下轴承座2.7、所述输出轴2.2、上对流臂2.3、下对流臂2.6、上横板2.4及下横板2.5，所述上轴承座2.1与所述上横梁1.1紧密接触并固定连接，所述输出轴2.2安装在所述上轴承座2.1中，输出轴2.2与上轴承座2.1通过输出轴2.2的轴肩进行轴向定位；所述上对流臂2.3水平放置并位于所述上轴承座2.1的下方，所述上对流臂2.3的一端与所述输出轴2.2通过轴承连接，所述上对流臂2.3的另一端与水平放置的所述上横板2.4垂直并固连，所述上对流臂2.3位于所述上横板2.4的上方；所述下横板2.5与所述上横板2.4平行，所述下横板2.5位于所述上横板2.4的正下方；所述下对流臂2.6位于所述下横板2.5的下方，所述下对流臂2.6的一端与所述下横板2.5垂直并固连，所述下对流臂2.6的另一端伸出一短轴，所述短轴安装在所述下轴承座2.7中；所述下轴承座2.7与所述下横梁1.2紧密接触并固连，所述下轴承座2.7和所述上轴承座2.1的轴线均与所述输出轴2.2的轴线重合。

所述主传动机构3包括第一带传动机构3.1、第二带传动机构3.2、第三带传动机构3.3及传动轴3.4；所述第一带轮机构3.1包括第一大带轮3.1a、第一小带轮3.1b及第一同步带3.1c；所述第二带传动机构3.2包括第一带轮3.2a、第一小带轮3.1b、第二带轮3.2b及第二同步带3.2c；所述第三带传动机构3.3包括第二大带轮3.3a、第二小带轮3.3b及第三同步带3.3c；所述第一带传动机构3.1的两个带轮与第二带传动机构3.2的三个带轮的轴心共面；所述第一带传动机构3.1和所述第二带传动机构3.2均安装在上横板2.4的正上方；所述第一大带轮3.1a与所述第一叶轮机构4的第一转轴4.1固连，所述第一带轮3.2a与所述第二叶轮机构5的第二转轴5.1固连；所述第一大带轮3.1a与所述第一带轮3.2a的转动方向相反，所述第一大带轮3.1a带动第一小带轮3.1b转动，所述第一带轮3.2a带动第二带轮3.2b转动，第二带轮3.2b经过同步带带动第一小带轮3.1b反向转动，从而实现转动方向相反的第一大带轮3.1a与第一带轮3.2a转化为所述第一小带轮3.1b的转动；所述第三带传动机构3.3位于所述上横板2.4的下方，所述第三带传动机构3.3中的第二大带轮3.3a与所述传动轴3.4固连，所述第一小带轮3.1b与所述传动轴3.4固连，所述第二小带轮3.3b与所述输出轴2.2固连。

所述第一叶轮机构4与第二叶轮机构5组成结构相同，所述第一叶轮机构4包括第一转轴4.1、叶轮传动机构4.2、叶轮上转臂4.3、叶片轴4.4、叶片4.5、叶轮下转臂4.6及叶轮下转臂转轴4.7；所述第一转轴4.1通过轴承与叶轮传动机构4.2中的定轮4.2a连接，所述定轮4.2a与上横板2.4通过螺栓组固连，定轮4.2a位于上横板2.4的下部；所述叶轮传动机构4.2沿第一转轴4.1的轴线对称布置，所述叶轮传动机构4.2中定轮4.2a到齿轮4.2c的传动比为2；所述叶轮传动机构4.2安装在叶轮上转臂4.3上方，所述叶轮传动机构4.2随叶轮上转臂4.3一起绕第一转轴4.1轴线旋转；所述叶片轴4.4的上、下两端通过轴承分别与所述叶轮上转臂4.3与叶轮下转臂4.6连接；所述叶轮上转臂4.3和叶轮下转臂4.6均水平放置，叶轮上转臂4.3与叶轮下转臂4.6的对称中心线在同一竖直平面内；所述叶片4.5纵向几何对称中心线与叶片轴4.4轴线重合，所述叶片4.5与叶片轴4.4固连后，构成水轮机的获能部件；所述叶轮下转臂4.6与所述叶轮下转臂转轴4.7固连，所述叶轮下转臂转轴4.7的轴线与转轴4.1的轴线重合，叶轮下转臂转轴4.7通过轴承与下横板2.5连接；所述第一叶轮机构4与第二叶轮机构5关于上对流臂2.3对称，第一叶轮机构4与第二叶轮机构5的回转轴线平行且回转轴线与水平放置的所述上横板2.4的下表面垂直。

所述对流机构2的上对流臂2.3和下对流臂2.6分别与所述的上横板2.4与下横板2.5固定垂直连接，其作用为当来流方向发生变化时，能够使对流臂与横板一起转动实现叶轮垂直来流方向。

所述第一带传动机构3.1的第一同步带3.1c与第三带传动机构3.3的第三同步带3.3c采用单面齿形带；所述第二带传动机构3.2的第二同步带3.2c采用双面齿形带；所述第一带传动机构3.1的第一小带轮3.1b有两个轮槽，第一带传动机构3.1的第一同步带3.1c安装于上部轮槽，第二带传动机构3.2的第二同步带3.2c安装于下部轮槽；所述第一带传动机构3.1与第二带传动机构3.2在竖直方向上具有一定的间距。

所述第一叶轮机构4与所述第二叶轮机构5关于上对流臂2.3对称布置，当叶轮转动时，所述第一叶轮机构4的第一转轴4.1与第二叶轮机构5的第二转轴5.1转动方向相反，通过第一带传动机构3.1和第二带传动机构3.2将两个转轴的转动转化为传动轴3.4的转动；后通过所述第三带传动机构3.3将传动轴3.4的转动传到输出轴2.2。

所述对流机构2通过上轴承座2.1与上横梁1.1通过螺栓固连，下轴承座2.7与下横梁1.2通过螺栓固连。所述主传动机构3的带轮通过轴与轴承安装在对流机构2的上横板2.4上方；所述第一叶轮机构4与第二叶轮机构5放置在对流机构2的上、下横板之间；所述第一叶轮机构4的第一转轴4.1安装在第一传动机构3.1的第一大带轮3.1a中，并与第一大带轮3.1a通过键连接；所述第一叶轮机构4的叶轮下对流臂4.6通过轴与轴承安装在对流机构2的下横板2.5中。所述第二叶轮机构5的第二转轴5.1安装在第二传动机构3.2的第一带轮3.2a中，并与第一带轮3.2a通过键连接；所述第一叶轮机构5的叶轮下对流臂通过轴与轴承安装在对流机构2的下横板2.5中。

本发明具有以下技术特点：

1、所设计的水轮机有机融合了叶片的升阻特性，是一种新型升阻复合垂直轴水轮机，同时两叶轮间的聚流效应可有效减小叶轮的阻力矩；因此，所设计的水轮机具有自启性能优、转化效率高的优点。

2、所设计水轮机叶尖速比小，运转时噪音小，不会对水中生物造成有害影响；可根据实际需要进行单机布置或集群式布置。

3、结构简单紧凑、易于加工制造、维护方便成本低。

4、环境友好、布放灵活、选址要求低和应用范围广，可应用于大多数海域和内陆河流。

图1是本发明双叶轮水轮机的结构示意图；

图2是本发明双叶轮水轮机中对流机构的结构示意图；

图3是本发明双叶轮水轮机中主传动机构的主视结构示意图；

图4是本发明双叶轮水轮机中主传动机构的俯视结构示意图；

图5是本发明双叶轮水轮机中第一叶轮结构的结构示意图。

图中：1：框架；1.1：上横梁；1.2：下横梁；1.3：立柱；2：对流机构；2.1：上轴承座；2.2：输出轴；2.3：上对流臂；2.4：上横板；2.5：下横板；2.6：下对流臂；2.7：下轴承座；3：主传动机构；3.1：第一带传动机构；3.2：第二带传动机构；3.3：第三带传动机构；3.4：传动轴；3.5：第二带轮轴；3.1a：第一大带轮；3.1b：第一小带轮；3.1c：第一同步带；3.2a：第一带轮；3.2b：第二带轮；3.2c：第二同步带；3.3a：第二大带轮；3.3b：第二小带轮；3.3c：第三同步带；4：第一叶轮机构；4.1：第一转轴；4.2：叶轮传动机构；4.2a：定轮；4.2b：惰轮；4.2c：齿轮；4.3：叶轮上转臂；4.4：叶片轴；4.5：叶片；4.6：叶轮下转臂；4.7：叶轮下转臂转轴；4.8：惰轮轴；5：第二叶轮机构；5.1：第二转轴。

具体实施方式

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以下结合附图和具体实施方式详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。

本发明提供一种双叶轮水轮机，该水轮机包括框架1、对流装置2、主传动机构3、第一叶轮机构4及第二叶轮机构5。

图2是本发明双叶轮水轮机中对流机构的结构示意图。框架1的上横梁1.1上设有上轴承座2.1的安装孔及输出轴2.2的伸出孔，上轴承座2.1通过螺栓组与上横梁1.1固连，输出轴2.2安装于上轴承座2.1中，进行中心定位，再通过轴肩进行轴向定位；上对流臂2.3一端与输出轴通过轴承连接，上对流臂2.3另一端与上横板2.4垂直并通过螺栓组固连；上横板2.4通过轴承与传动轴3.4相连；第三带传动机构3.3的第二小带轮3.3b安装在输出轴2.2下部，两者采用过盈配合，第三带传动机构3.3的第二小带轮3.3b通过输出轴2.2的轴肩以及螺母进行轴向固定。框架1的下横梁1.2设有下轴承座2.7的安装孔，下轴承座2.7通过螺栓组与下横梁1.2固连，下对流臂2.6一端与下横板2.5垂直并通过螺栓组固连，另一端伸出一短轴，短轴安装在下轴承座2.7中并通过锁紧螺钉紧固。输出轴2.2的轴线与下对流臂2.6的短轴的轴线重合，传动轴3.4的轴线垂直于下横板2.5上表面并通过上表面的几何对称中心。

上横板2.4与下横板2.5间安装第一叶轮机构4和第二叶轮机构5，当来流方向改变时，上对流臂2.3和下对流臂2.6受到叶轮产生的力矩，上对流臂2.3和下对流臂2.6会带动叶轮一起绕输出轴2.2的轴线转动，实现水轮机的偏航功能，保证水轮机的高效运转。

图3与图4是本发明双叶轮水轮机主传动机构结构示意图。第一叶轮机构4的第一转轴4.1通过轴承与上横板2.4连接，第一转轴4.1与第一带传动机构3.1的第一大带轮3.1a采用过盈配合，再通过轴套与螺母进行紧固；第二叶轮机构5的第二转轴5.1通过轴承与上横板2.4连接，第二转轴5.1与第二带传动机构3.2的第一带轮3.2a采用过盈配合，再通过轴套与螺母进行紧固。第二带传动机构3.2的第二带轮轴3.5通过轴承与上横板2.4连接，第二带传动机构3.2的第二带轮3.2b与带轮轴3.5通过轴肩定位，第二带传动机构3.2的第二带轮3.2b与带轮轴3.5通过螺母和轴套进行轴向固定，再用锁紧螺钉将第二带传动机构3.2的第二带轮3.2b周向固定。

上对流臂2.3的纵向对称中心线垂直并通过上横板2.4横向对称中心线的中点，上对流臂2.3位于上横板2.4上方并用螺钉组进行连接。第一带轮机构3.1及第二带轮机构3.2共用的第一小带轮3.1b位于上对流臂2.3的上方，第一小带轮3.1b与传动轴3.4之间采用过盈配合，第三带传动机构3.3的第二大带轮3.3a位于下横板2.4下方，第二大带轮3.3a与传动轴3.4之间采用过盈配合，通过螺母和轴套对传动轴进行轴向固定。

第一叶轮机构4的第一转轴4.1和第二叶轮机构5的第二转轴5.1分别将第一叶轮机构4和第二叶轮机构5的转矩传递到第一带传动机构3.1的第一大带轮3.1a和第二带传动机构3.2的第一带轮3.2a，再分别通过第一带传动机构3.1和第二带传动机构3.2将转矩传递到传动轴3.4；其中第一带传动机构3.1的第一大带轮3.1a与第二带传动机构3.2的第一带轮3.2a的尺寸相同，第一带传动机构3.1的第一小带轮3.1b有两个轮槽，第一带传动机构3.1的第一同步带3.1c安装于上部轮槽，第二带传动机构3.2的第二同步带3.2c安装于下部轮槽。此外，因第一叶轮机构4的第一转轴4.1与第二叶轮机构5的第二转轴5.1的转向相反，第一带传动机构3.1的第一同步带3.1c采用单面齿形带，第二带传动机构3.2的第二同步带3.2c采用双面齿形带，以保证第一叶轮机构4的第一转轴4.1和第二叶轮机构5的第二转轴5.1的转矩同向输出到传动轴3.4，最后通过第三带传动机构3.3将传动轴3.4的转矩传递到输出轴2.2。

图4为双叶轮水轮机的第一叶轮结构示意图，第一叶轮机构4与第二叶轮机构5的组成结构相同。第一叶轮机构4的两个结构相同的叶片4.5相互垂直，叶轮传动机构4.2、叶轮上转臂4.3和叶轮下转臂4.6沿第一叶轮机构4的第一转轴4.1的轴线对称。叶片轴4.4与叶片4.5通过螺钉固定连接，组成叶轮的获能部件。叶片轴4.4的上下两端通过轴承分别与叶轮上转臂4.3与叶轮下转臂4.6连接，进行中心定位以及轴向定位，叶片轴4.4可绕自身轴线自由转动。叶轮传动机构4.2的齿轮4.2c位于叶轮上转臂4.3上方并与叶片轴4.4过盈配合，再通过螺母进行紧固。惰轮轴4.8通过轴承与叶轮上转臂4.3连接，惰轮4.2b与惰轮轴4.8过盈配合，惰轮轴4.8通过惰轮轴4.8的轴肩以及螺母进行轴向固定。第一转轴4.1与叶轮上转臂4.3过盈配合，定轮4.2a位于叶轮上转臂4.3上方，定轮4.2a通过轴承安装在第一转轴4.1上，上横板2.4位于定轮4.2a的上部，上横板2.4与定轮4.2a紧密接触并通过螺钉组固连，上横板2.4通过轴承与第一转轴4.1连接，最后转轴通过螺母、第一带传动机构3.1的第一大带轮3.1a和轴套进行轴向固定。

叶片轴4.4、惰轮轴4.8和第一转轴4.1的轴线相互平行，位于中间的惰轮4.2b分别与定轮4.2a和齿轮4.2c相啮合，其中齿轮4.2c的分度圆直径是定轮4.2a直径的两倍，定轮4.2a、惰轮4.2b和齿轮4.3c组成传动比为2的齿轮传动。因第一叶轮机构的主体结构对称，第一转轴4.1的右侧结构与以上所介绍左侧的结构相同。叶轮下转臂4.6与叶轮下转臂转轴4.7通过轴肩定位并过盈配合，再通过螺母进行紧固。叶轮下转臂转轴4.7与位于叶轮下转臂4.6下方的下横板2.5通过轴承进行连接。

若将上横板2.4和下横板2.5固定，则在流体的作用下第一叶轮机构会绕第一转轴4.1的轴线旋转，在叶轮传动机构4.2的作用下使得叶片4.5以角速度ω绕第一转轴4.1轴线做周转运动，同时又以ω/2绕叶片轴4.4轴线自转。由于叶轮上转臂4.3与第一转轴4.1固连，则第一转轴4.1随叶轮一起绕自身轴线转动，并将叶轮的转矩传递到与之固连的第一带传动机构3.1的第一大带轮3.1a上，再通过主传动机构3将转矩传递到输出轴2.2上。通过以上过程将流体的动能转化为叶轮运转的机械能。