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本發(fā)明涉及水利發(fā)電設(shè)備，具體為一種用于軸流泵雙向工況調(diào)節(jié)的行星齒輪系統(tǒng)及設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
1、在抽水蓄能電站兩種工況中，兩種工況的最高效率點并不發(fā)生在同一轉(zhuǎn)速下。所以，在機(jī)組選型或機(jī)械設(shè)計中，如果使用單一轉(zhuǎn)速的電機(jī)，則不可能同時滿足兩種工況的轉(zhuǎn)速。發(fā)電工況時，葉輪出口的速度環(huán)量會導(dǎo)致低速區(qū)和旋轉(zhuǎn)渦核產(chǎn)生，流體的軸向速度促使渦核沿尾水管中心軸線向下運(yùn)動，從而導(dǎo)致螺旋形渦帶產(chǎn)生。現(xiàn)有的軸流式可逆式水輪機(jī)導(dǎo)葉技術(shù)主要研究葉型的優(yōu)化設(shè)計和角度調(diào)節(jié)，以減少水泵工況下的渦流，但缺少適用兩種工況的優(yōu)化技術(shù)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的是為了克服上述問題或者至少部分地解決上述問題，而提出的一種用于軸流泵雙向工況調(diào)節(jié)的行星齒輪系統(tǒng)及設(shè)計方法。
2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種用于軸流泵雙向工況調(diào)節(jié)的行星齒輪系統(tǒng)，包括有：
3、主葉輪，所述主葉輪內(nèi)貫穿設(shè)置有主葉輪主軸；
4、導(dǎo)流錐，能夠轉(zhuǎn)動的設(shè)置于主葉輪的一側(cè)，所述主葉輪主軸向下延伸至導(dǎo)流錐的頂部，所述導(dǎo)流錐的外壁設(shè)置有能夠伸縮的導(dǎo)流葉片，所述導(dǎo)流錐的底部設(shè)置有導(dǎo)流錐末端軸承；
5、行星齒輪組，包括有太陽輪、行星輪、固定齒和行星架，所述太陽輪固定在主葉輪主軸的延伸端，所述行星架能夠轉(zhuǎn)動的設(shè)置在導(dǎo)流錐中，所述固定齒分布設(shè)置在導(dǎo)流錐的內(nèi)壁頂部圓周形成內(nèi)齒圈，所述行星輪設(shè)置在行星架的頂部，并與太陽輪和固定齒相嚙合；
6、候補(bǔ)齒系統(tǒng)，包括有候補(bǔ)齒，用于在行星架旋轉(zhuǎn)時推動候補(bǔ)齒移動進(jìn)入相鄰的兩個固定齒之間形成配合后，與行星輪嚙合；
7、導(dǎo)流葉片驅(qū)動組件，連接于候補(bǔ)齒系統(tǒng)與導(dǎo)流葉片組，用于候補(bǔ)齒系統(tǒng)移動過程中拉動導(dǎo)流葉片伸縮；
8、所述行星架的底部設(shè)置有行星架軸承，所述行星架軸承內(nèi)設(shè)置有能夠沿行星架垂直移動的限制滑塊，所述限制滑塊處于行星架軸承內(nèi)時能夠限制行星架軸承無法轉(zhuǎn)動，所述限制滑塊向上移動后，所述行星架軸承解除限制能夠正常轉(zhuǎn)動，所述導(dǎo)流錐末端軸承的外環(huán)固定，其內(nèi)環(huán)與導(dǎo)流錐相連，且行星架軸承的外環(huán)與導(dǎo)流錐末端軸承的內(nèi)環(huán)相連。
9、在一個優(yōu)選實施例中，所述候補(bǔ)齒系統(tǒng)還包括有滑塊和候補(bǔ)齒連桿，所述滑塊套設(shè)在行星架的中部外壁，所述滑塊的外壁圓周均勻設(shè)置有候補(bǔ)齒連桿，所述候補(bǔ)齒連桿的另一端設(shè)置有候補(bǔ)齒，所述滑塊與行星架之間還設(shè)置有棘輪傳動組件，用于將行星架的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為滑塊的軸向移動。
10、在一個優(yōu)選實施例中，所述導(dǎo)流錐的內(nèi)壁頂部位于相鄰的兩個固定齒開設(shè)有候補(bǔ)齒軌道，且候補(bǔ)齒滑動設(shè)置在候補(bǔ)齒軌道中。
11、在一個優(yōu)選實施例中，所述棘輪傳動組件包括有開設(shè)在行星架外壁的螺紋槽、螺接在螺紋槽上軸套、設(shè)置在滑塊內(nèi)壁的棘輪、活動設(shè)置在軸套外壁的棘爪以及為棘爪提供彈力的彈簧，所述棘爪扣合在棘輪上。
12、在一個優(yōu)選實施例中，所述導(dǎo)流葉片驅(qū)動組件包括有設(shè)置在滑塊底端的曲柄連桿，所述曲柄連桿的底部設(shè)置有曲柄，所述曲柄的底部螺接有多頭螺紋連桿，所述多頭螺紋連桿的兩端與導(dǎo)流葉片組連接在一起。
13、在一個優(yōu)選實施例中，所述導(dǎo)流錐末端軸承的底部設(shè)置有十字架，所述十字架與外部固定設(shè)置。
14、在一個優(yōu)選實施例中，所述限制滑塊與行星架之間設(shè)置有與滑塊內(nèi)相同的棘輪傳動組件，所述限制滑塊與行星架軸承之間通過凸臺和凹槽配合鎖緊。
15、在一個優(yōu)選實施例中，在所述導(dǎo)流錐外壁頂部與主葉輪對接處設(shè)置有呈唇形的密封圈。
16、在一個優(yōu)選實施例中，在發(fā)電工況下，所述限制滑塊在行星架軸承中，行星架固定，所述導(dǎo)流錐與主葉輪同速反向旋轉(zhuǎn)，所述棘輪僅做圓周運(yùn)動；在水泵工況下，所述行星架初始固定，所述棘輪沿螺紋槽直線運(yùn)動帶動候補(bǔ)齒進(jìn)入內(nèi)齒圈，同時限制滑塊移動解除行星架軸承限制，所述行星架脫離限制并隨主葉輪主軸旋轉(zhuǎn)，使所述導(dǎo)流錐轉(zhuǎn)速提升，實現(xiàn)雙向工況的高效調(diào)節(jié)。
17、本發(fā)明還提供了一種用于軸流泵雙向工況調(diào)節(jié)的行星齒輪的設(shè)計方法，包括以下步驟：
18、s1、根據(jù)應(yīng)用場景需求設(shè)定工況參數(shù)，包括水輪機(jī)的流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)輪直徑、水利損失及轉(zhuǎn)速參數(shù)；
19、s2、配置導(dǎo)流葉片的數(shù)量和安裝角、主葉輪葉片的安裝角，同時所有螺紋滿足以下公式：
20、
21、其中，l為候補(bǔ)齒軌道長度；n為多頭螺紋頭數(shù)；p為螺紋螺距；l′為橢圓形的曲柄半長軸；
22、s3、設(shè)計齒輪參數(shù)，固定齒的齒數(shù)滿足以下公式：
23、
24、其中，z1為固定齒齒數(shù)；z2為太陽輪齒數(shù)；z3為行星輪齒數(shù)，固定齒的排布以z2/360°等距分布；
25、在水泵工況下，候補(bǔ)齒滿足以下公式：
26、
27、其中，np為水泵工況主葉輪轉(zhuǎn)速；nt為發(fā)電工況主葉輪轉(zhuǎn)速；k為有限葉片修正系數(shù)；θht為發(fā)電工況水力效率；θhp為水泵工況水力效率；z′1為加入候補(bǔ)齒后內(nèi)齒圈齒數(shù)；z2為太陽輪齒數(shù)，導(dǎo)流錐轉(zhuǎn)速是主葉輪轉(zhuǎn)速的[m]倍，即水泵工況下轉(zhuǎn)速是發(fā)電工況下轉(zhuǎn)速的[m]倍。
28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過行星齒輪系統(tǒng)與候補(bǔ)齒機(jī)構(gòu)的協(xié)同作用，實現(xiàn)了軸流泵雙向工況的高效調(diào)節(jié)，具有以下有益效果：在發(fā)電工況下，行星架固定使導(dǎo)流錐與主葉輪反向等速旋轉(zhuǎn)，有效消除葉輪出口渦流，顯著提升水力效率；在水泵工況下，候補(bǔ)齒系統(tǒng)動態(tài)補(bǔ)齒并解鎖行星架，使導(dǎo)流錐轉(zhuǎn)速提升至主葉輪的3倍，匹配更高揚(yáng)程需求，同時導(dǎo)流葉片自動回收減少流動損失；通過棘輪傳動與限位滑塊的聯(lián)動設(shè)計，實現(xiàn)了工況切換的自動觸發(fā)與機(jī)械自鎖，確保運(yùn)行穩(wěn)定性；整體結(jié)構(gòu)緊湊且無需額外動力源，在單一電機(jī)驅(qū)動下即可滿足雙工況最優(yōu)轉(zhuǎn)速需求，大幅提升抽水蓄能機(jī)組的綜合能效與運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。
1.一種用于軸流泵雙向工況調(diào)節(jié)的行星齒輪系統(tǒng)，其特征在于，包括有：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于軸流泵雙向工況調(diào)節(jié)的行星齒輪系統(tǒng)，其特征在于：所述候補(bǔ)齒系統(tǒng)還包括有滑塊(208)和候補(bǔ)齒連桿(207)，所述滑塊(208)套設(shè)在行星架(205)的中部外壁，所述滑塊(208)的外壁圓周均勻設(shè)置有候補(bǔ)齒連桿(207)，所述候補(bǔ)齒連桿(207)的另一端設(shè)置有候補(bǔ)齒(204)，所述滑塊(208)與行星架(205)之間還設(shè)置有棘輪傳動組件，用于將行星架(205)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為滑塊(208)的軸向移動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于軸流泵雙向工況調(diào)節(jié)的行星齒輪系統(tǒng)，其特征在于：所述導(dǎo)流錐(103)的內(nèi)壁頂部位于相鄰的兩個固定齒(203)開設(shè)有候補(bǔ)齒軌道(206)，且候補(bǔ)齒(204)滑動設(shè)置在候補(bǔ)齒軌道(206)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于軸流泵雙向工況調(diào)節(jié)的行星齒輪系統(tǒng)，其特征在于：所述棘輪傳動組件包括有開設(shè)在行星架(205)外壁的螺紋槽(404)、螺接在螺紋槽(404)上軸套(406)、設(shè)置在滑塊(208)內(nèi)壁的棘輪(401)、活動設(shè)置在軸套(406)外壁的棘爪(402)以及為棘爪(402)提供彈力的彈簧(403)，所述棘爪(402)扣合在棘輪(401)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于軸流泵雙向工況調(diào)節(jié)的行星齒輪系統(tǒng)，其特征在于：所述導(dǎo)流葉片驅(qū)動組件包括有設(shè)置在滑塊(208)底端的曲柄連桿(303)，所述曲柄連桿(303)的底部設(shè)置有曲柄(302)，所述曲柄(302)的底部螺接有多頭螺紋連桿(304)，所述多頭螺紋連桿(304)的兩端與導(dǎo)流葉片組(104)連接在一起。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于軸流泵雙向工況調(diào)節(jié)的行星齒輪系統(tǒng)，其特征在于：所述導(dǎo)流錐末端軸承(106)的外環(huán)底部設(shè)置有十字架(105)，所述十字架(105)與外部固定設(shè)置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于軸流泵雙向工況調(diào)節(jié)的行星齒輪系統(tǒng)，其特征在于：所述限制滑塊(501)與行星架(205)之間設(shè)置有與滑塊(208)內(nèi)相同的棘輪傳動組件，所述限制滑塊(501)與行星架軸承(502)之間通過凸臺和凹槽配合鎖緊。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種用于軸流泵雙向工況調(diào)節(jié)的行星齒輪系統(tǒng)，其特征在于：在所述導(dǎo)流錐(103)外壁頂部與主葉輪(101)對接處設(shè)置有呈唇形的密封圈(102)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種用于軸流泵雙向工況調(diào)節(jié)的行星齒輪系統(tǒng)，其特征在于：在發(fā)電工況下，所述限制滑塊(501)在行星架軸承(502)中，所述行星架(205)固定，所述導(dǎo)流錐(103)與主葉輪(101)同速反向旋轉(zhuǎn)，所述棘輪(401)僅做圓周運(yùn)動；在水泵工況下，所述行星架(205)初始固定，所述棘輪(401)沿螺紋槽(404)直線運(yùn)動帶動候補(bǔ)齒(204)進(jìn)入內(nèi)齒圈，同時限制滑塊(501)移動解除行星架軸承(502)限制，所述行星架(205)脫離限制并隨主葉輪主軸(301)旋轉(zhuǎn)，使所述導(dǎo)流錐(103)轉(zhuǎn)速提升，實現(xiàn)雙向工況的高效調(diào)節(jié)。
10.一種用于軸流泵雙向工況調(diào)節(jié)的行星齒輪的設(shè)計方法，所述設(shè)計方法應(yīng)用于權(quán)利要求1-9任意一項所述的一種用于軸流泵雙向工況調(diào)節(jié)的行星齒輪系統(tǒng)，其特征在于：包括以下步驟：