專利名稱：一種具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置技術方案的制作方法
技術領域：
本發明公開ー種可以陣列布局、具有匯流聚能和泄洪減壓功能的、利用河道流動水體推動水車輪葉片做功的具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置的技術方案；該水力驅動裝置主要驅動對象為各型發電機和水泵，分別構成具有匯流泄洪功能的水力發電裝置和水力自動抽水裝置。它適用于大小河流自然水力發電、抽水，屬于高效利用清潔環保、可再生水力能源的裝置。當具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置工作于河道較窄或水淺且較穩定環境時，可以將本發明涉及的水力驅動裝置安裝在河道兩岸適當位置或固定的支架上進行發電和抽水；當工作在河道較寬且深水或水的深度會發生變化的環境時，則需將本發明涉及的水力驅動裝置安裝在配套的、特定形態的漂浮體上進行發電和抽水，構成漂浮式具有匯流泄洪功能的水力發電裝置和水力自動抽水裝置，并用牽引繩將其固定在河道的某個區域。
背景技術：
目前，已公開了多種漂浮式水力發電機裝置和水力能自動抽水裝置，它們當中均為簡單、直接利用河道流動水體推動水車輪葉片做功的水力發電和抽水裝置，包括古老的水車，主要不足是對水力能的利用效率較低，僅限適用河道水流速度較快情況；其次，即使河道水流速度較快，當要密集、陣列式布局實現若干漂浮式水力發電裝置組合發電時，后排的漂浮式水力發電裝置的發電效果相對變差；其次，已公開的漂浮式水力發電裝置，當河道水流速度變化吋，不能有效控制水車輪保持較穩定的轉速，以匹配額定轉速的發電機。目前，我國乃至世界各國，都十分重視清潔環保、可再生能源的開發應用，除水能夕卜，還包括風能和太陽能。但風能和太陽能相對水能較為分散，能量密度低，尤其是太陽能，受晝夜時間和天氣變化影響很大，屬于一種間斷性的可再生能源；其次，風能和太陽能發電設備和建設投資較大，一般達到2000元/千瓦以上，尤其太陽能發電設備使用壽命較短，太陽能電池板的使用壽 命僅有4 5年時間，且平均每天工作時間小于10小時，按年工作300日、毎日工作8小時計算，太陽能發電平均成本約為0. 21元/千瓦 小吋。而河道中水力能量密度相對較集中，且持續穩定，尤其水流速度較大的地段，流動水體能量密度可以是風能和太陽能的能量密度的十倍或幾十倍以上。開發河道中水力發電項目，直接投資成本一般為1800 2500元/千瓦，使用壽命10年以上，且每天可連續24小時工作。按年工作330日計算，漂浮水力發電平均成本小于0. 032元/千瓦 小時，僅為太陽能發電成本的15%;并又對當地生態環境沒有任何負面影響，投資少，エ期短，對環境要求低，比攔河筑壩建水電站更具優越性。
發明內容
本發明技術——具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置，利用了固定壓カ條件下，水體流速隨水流通道橫截面積減少而不斷變快和河道泄洪ロ水流加速等原理，在水力驅動裝置中水輪車前端増加ー個上下方向由闊變窄的平置四棱臺形水流通道(段)，主要起到匯流和能量聚集的作用，簡稱為匯流聚能水流通道(段)；緊接是位于水車輪下部ー個水平或稍向后傾斜的、與水車輪葉片運動的部分區域基本重合的水流通道(段)，此通道的作用是將水力能轉換為水車輪的轉動能，固而稱為能量轉換通道(段);在能量轉換通道(段)的后端為ー個上下方向迅速由窄變闊的水流通道，該通道長度很短，主要起到泄洪減壓和能量釋放的作用，稱為泄洪ロ。在具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置的整個工作過程中，水力能量密度先是由疏變密，然后再由密變疏，而水體推動水車輪工作的地方恰為水力能量最密集區，從而實現水力能高效轉換成水車輪轉動能的目的，這種適用河道工作、同時具有匯流聚能及泄洪減壓技術的特點就是本發明技術的核心所在。匯流聚能水流通道可以是ー個半開放狀態的水流通道(段)，它主要由兩側垂直的擋流導流面板和下部一個向前傾斜的擋流導流面板組成；當頂面亦使用面板封堵時，則該水流通道為四面相對封閉的水流通道(段)。由于該水流通道下部擋流導流面板向前傾斜，以使由前至后，匯流聚能水流通道的橫截面積由大變小，水流速度則隨橫截面積減少而不斷加快，使水力能更加密集，表明下部向前傾斜的擋流導流面板的作用最為重要，是本發明涉及的水力驅動裝置中不可或缺的關鍵性部件。能量轉換通道也可以是ー個半開放狀態的水流通道(段)，主要由兩側垂直的擋流導流面板和ー個非常靠近水車輪底部外緣的水平面板，或非常靠近水車輪底部、至前小于60°弧段(一般取45° ±)的向后傾斜面板組成，其中后者將使能量轉換過程中有較長的水流通道，因而高密度水力能對水車輪的作用時間較長，且可使水體重力做功，因而能量轉換效果更好。當水車輪葉片內緣處設置ー個圓筒時，則該圓筒即可起到能量轉換通道上部轉動的導流面板的作用，約束能量轉換通道盡可能與水車輪葉片運動區域有更好的重疊性。由于匯流聚能水流通道(段)中的下部為向前傾斜的擋流導流面板，在該面板的下面和后面，自然形成了一個負壓工作區，因而，能量轉換通道(段)后面的泄洪ロ本身就自然存在，但為使流經能量轉換通道后的水體流動更順暢和更有利于泄洪，可以在能量轉換通道(段)下部水平面板或向后傾斜面板的后端處增加一塊傾角較大的向后傾斜面板。匯流聚能水流通道(段)下部向前傾斜的擋流導流面板的安裝方式可以是固定方式，或半固定方式，也可以是活動方式。所謂固定方式是指該整個傾斜面板是被焊接或被螺栓固定的，屬于不可調模式；而半固定方式和活動方式的傾斜擋流導流面板，是指該面板的后端固定在靠近水車輪下的一條轉軸上，而整個面板可以圍繞轉軸可以上下轉動的，如果傾斜面板前端采用螺栓直接固定，則屬于半固定方式的傾斜面板；如果傾斜面板傾斜角度是利用額外調控部件可以實現手動或自動方式調節的，則屬于活動方式的傾斜面板。調節傾斜擋流導流面板的傾斜角度，可以有效控制水車輪基本保持與發電機相匹配的轉速，因而它更能適應在不同流速的河道中平穩高效發電目的。一般，傾斜擋流導流面板的傾斜角度在45°左右時，匯流聚能水流通道的匯流聚能的綜合效果較為理想。水輪車的葉片可以是直面型，也可以是由似半圓弧形曲面面板構成的水斗式葉片，后者更能高效將水力能轉化為水車輪的轉動能；其次，當水車輪寬度較大時，為保持整個裝置具有對稱平衡和穩定性，可以將水車輪葉片分為兩段或多段，以便從水車輪中間部位獲取轉動能，這樣的水車輪稱為同軸同心分段式水車輪。當具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置工作在河道較寬且深水或水的深度會發生變化的環境時，則要將具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置安裝在配套的、特定形態的漂浮體上進行工作，并利用牽引繩將其固定在河道的某個區域。適用本發明涉及的水力驅動裝置配套的特定形態的漂浮體主要由兩類漂浮體部分組成。一是該漂浮體中支承水車輪兩側的、分別為內側面垂直的長條形、似墻體狀的漂浮體(部分)，它在起到漂浮作用的同時，其兩內側面也起到水流通道兩側的擋流導流面板作用；當兩側長條形漂浮體的內側面不能完全起到匯流聚能水流通道(段)兩側擋流導流作用，即高度不夠時，則要在其內側面下部再補充焊接固定擋流導流板，以共同起到匯流聚能水流通道的側面擋流導流作用；其中，采用梯形和三角形擋流導流面板，不僅可以節省材料，更主要是在負壓作用下，亦可以使水力驅動裝置的兩側流動水體與底部水體同時被壓向匯流聚能水流通道(段)下部向前傾斜的擋流導流面板的下面，達到高效利用水力驅動裝置旁側和底部水力能的目的。ニ是為有效平衡水體對匯流聚能水流通道(段)下部傾斜面板產生向下的壓力，要求在水車輪的前后，尤其是水車輪之前，設置ー個與兩側長條形漂浮體(部分)固定在一起的橫向寬面漂浮體(部分)，橫向寬面漂浮(部分)的底面板同時充當水輪車前端匯流聚能水流通道(段)頂部的導流面板作用，共同構成四面相對封閉的匯流聚能水流通道(段)。當具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置工作于淺水河道或河道較窄且水的深度經常保持穩定的情況時，可以將本發明涉及的水力驅動裝置安裝河道兩岸合適的位置或安裝在固定配套的支架上進行工作。這時，需要在水流通道中兩側及匯流聚能水流通道(段)頂部設置專門的擋流導流面板，以形成有效功能的水流通道。綜上所述，ー個具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置単元主要由ー個水車輪和ー個同時包含匯流聚能水流通道(段)、能量轉換水流通道(段)和泄洪ロ的水流通道構成。其中，匯流聚能水流通道(段)下部固定或活動的向前傾斜的擋流導流面板是本發明涉及的水力驅動裝置區別其它已公開的漂浮式水力驅動裝置的最重要、最關鍵部件之一，是不可或缺的部件。當具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置工作在河道較寬且深水或水的深度會發生變化的環境時，還應有ー個與之相適應配套的、特定形態的漂浮體和緊固件等；否則，具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置可以安裝河道兩岸合適的位置或安裝在配套固定的支架上。實際應用中，可以由多個單元的具匯流泄洪功能的水力驅動裝置進行橫向和縱向組合，形成ー個多元水力發電或抽水方陣或隊列；陣列中的水車輪與發電機或水泵間可以采用I對I的工作模式，也可以采用n對I或n對m的工作模式；對于n對I或n對m的工作模式，則要求橫向或縱向各相鄰兩臺或多臺水車輪要用聯動裝置來實現聯動，并在實現聯動前，首先要調整各水車輪前匯流聚能水流通道(段)中的下部傾斜擋流導流面板的傾角，以使各水車輪的轉速基本相同。
說明書附圖是一個ニ元漂浮式具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置的右側面透視簡圖。為方便說明本發明涉及的水力驅動裝置工作特點和比較不同設計模型的工作效果，附圖所示，特用前后兩個存在差異的具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置単元，以分別掲示和比較匯流聚能水流通道(段)中的下部傾斜面板傾角兩種不同的調節控制方式和兩種不同的能量轉換水流通道樣式的特點。(I)水車輪部件附圖中前、后兩水車輪均為水斗式葉片的水車輪。其中(1-1)為水車輪軸；(1-2)為水車輪軸承座；(1-3)為水車輪兩端的支撐部件；(1-4)水車輪中水斗式葉片，包括兩端的封板；(1-5)為水車輪中水斗式葉片兩端的支撐桿(件)；(1-6)為水車輪中水斗式葉片內緣處圓筒(管);(1-7)為水車輪水斗式葉片外緣處附加緊固圈(件)，主要安裝固定在水車輪水斗式葉片的兩端，如果水車輪較寬，則水車輪水斗式葉片的中部也需均勻安裝固定一至多個緊固圈(件)。以上部件中，除水車輪軸承座(1-2)タト，其余部件均可焊接在一起成為ー個整體，也可以利用螺栓固緊在一起使用。如果為水車輪中水斗式葉片內緣處的圓筒(管)(1-6)的管壁較厚，則可以充當轉軸使用。(2)漂浮體部件(2-1)為前后ニ水車輪公共的兩側面長條形墻體狀漂浮體(部分)，其垂直的內側面同時起到水流通道側面的擋流導流作用；(2-2)為兩側長條形漂浮體內側面下部“鋸齒”形、屬于匯流聚能水流通道(段)側面的擋流導流面板；(2-3)為適應向后傾斜式能量轉換水流通道(段)的橫向寬面漂浮體(部分)，(2-3')為適應水平式能量轉換水流通道的橫向寬面漂浮體(部分)。橫向寬面漂浮體(部分)的主要作用是起到基本維持和穩定漂浮式具匯流泄洪的水力驅動裝置的吃水深度，并且其底部板同時起到水車輪前匯流聚能水流通道(段)的頂部導流面板的作用，在靜水環境不工作的情況下，要求各橫向寬面漂浮體的底面與靜水表面
基本一致。
橫向寬面漂浮體(部分)與兩側的條形漂浮體(部分)固定在一起形成ー個適合本發明涉及的水力驅動裝置使用配套的、特殊形態的漂浮整體。在設計制造過程中，可以按照整體方案將橫向寬面漂浮體與兩側的條形漂浮體制成一個完整件，也可以按照模塊化設計制造，然后固定在一起使用。(3)匯流聚能水流通道部件及其傾斜面板傾角控制方式附圖所示，匯流聚能水流通道(段)主要由下部傾斜面板(3-1)、水車輪兩側長條形漂浮體(2-1)的內側面及其下部垂直的“鋸齒”形擋流導流面板(2-2)，以及橫向寬面漂浮體(2-3)或(2-3')的底面共同構成。附圖中，前后兩個匯流聚能水流通道(段)的下部傾斜面板的傾角控制方式不同。前ー個匯流聚能水流通道(段)中的下部傾斜面板為可調節的活動式傾斜面板，除傾斜面板(3-1)、傾斜面板后端固定位置的轉軸(3-2)、前端定位軸(邊)(3-3)和固定在匯流聚能水流通道(段)兩側擋流導流面板上的導槽或導軌(3-4)外，還增加了一些調控部件，如附圖所示(3-5)為傾斜面板前端定位軸(邊)(3-3)兩端及中部的調節控制的推拉螺桿(件)，(3-6)為對應的螺母型調節控件，(3-7)為限制控件(3-6)活動空間的限位件，(3-8)為在橫向寬面漂浮體(部分)(2-3)中相應的通心管件。在實際調節過程中，應對連接傾斜面板(3-1)前端的各推拉螺桿(件)(3-5)實行同步調節，以免造成傾斜面板(3-1)變形受損。后ー個匯流聚能水流通道(段)中的下部傾斜面板為半固定式的傾斜面板，主要部件包括傾斜面板(3-1)、傾斜面板后端固定位置的轉軸(3-2)、前端定位軸(邊)(3-3)和固定在匯流聚能水流通道(段)兩側擋流導流面板上的導槽或導軌(3-4)，一般采用螺栓固定方式將前端定位軸(邊)(3-3)固定在導槽或導軌(3-4)的適當位置。說明，可調節的活動式傾斜面板傾角的調節控制方式不是唯一的，附圖所示僅列出其中較簡單的ー種。( 4 )能量轉換水流通道和泄洪ロ部件附圖所示，前后兩個能量轉換水流通道(段)樣式不同，前一個為向后傾斜式能量轉換水流通道(段)，由下部約45°弧段的向后傾斜面板(4-1)和水車輪兩側長條形漂浮體的垂直內側面、水車輪水斗式葉片內緣處圓筒構成；后ー個為水平式能量轉換水流通道(段)，由下部水平面板(4-1')和水車輪兩側長條形漂浮體的內側面、水車輪水斗式葉片內緣處圓筒構成。對于向后傾斜式能量轉換水流通道(段)情況，要求相應的匯流聚能水流通道(段)的尾部要適當向上翹，進而要求橫向寬面漂浮體(部分)的底面尾部也要適當向上翹，如附圖中橫向寬面漂浮體(部分)(2-3)。在能量轉換過程中，前面的向后傾斜式能量轉換水流通道(段)，不僅能量轉換水流通道路程長、水力作用時間長，且水體重力勢能也可轉換為水車輪的轉動能，因而比后面的水平式能量轉換水流通道更具優越性。附圖所示，前后兩個泄洪ロ均分別設置了一塊傾角較大的向后傾斜面板(4-2)和(4-2')。(5)緊固部件附圖所示，(5-1)為水下兩側擋流導流板間腳底處的水平懸梁結構件、(5-2)是位于水車輪后面連接兩長條形浮體的懸梁結構板件，除起兩側長條形漂浮體(部分)尾部間的固定作用外，同時也可以作為對本發明涉及的水力驅動裝置進行維護和管理的工作平臺。(6)水面位置和水體流向附圖所示，(6-1)表示在靜水條件下整個裝置(包含配套的變速器、發電機或水泵等)所處的水面位置情況；(6-2)表示水流方向，附圖中，水體為自左向右流動。
具體實施方案根據本發明技術——具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置工作特點，在具體實施時，除要嚴格滿足本發明技術特點和要求外，還應考慮以下幾方面因素。(I)除水車輪葉片外，其它凡與流動水體接觸的面應具有流線形特點，以便盡可能減少不必要的水體流動阻力。(2)在本發明涉及的水力驅動裝置實際應用過程中，不僅要考慮水力驅動裝置本身重量及其對稱平衡和穩定性特點，亦要考慮當安裝配套的能量傳遞、變速裝置和發電機或水泵后所構成的工作整體在水面上仍能保持平衡和穩定，必要時可將水車輪制成同軸同心分段式水車輪，以便從水車輪中間部位獲取水車輪的轉動能。實例1:河道漂浮式具有匯 流泄洪功能的水力發電機陣列(機組)。(I)選擇附圖所示前ー個水力驅動裝置単元工作模式，包括水流通道模式和傾斜擋流導流面板傾角調節控制方式，將ニ個単元水力驅動裝置集成為ー個基本體。(2)在設計安裝漂浮式水力發電機陣列的正前方建設ー個牢固的樁基礎或描，將牽引繩的一端固定在樁或描上，而將牽引繩的另一端與ー個“V”形可攔阻水上漂浮物的漂浮體的尖嘴固定好；按照I拖3、3拖5、5拖7……法則，先將“V”形區域內安裝固定滿水力驅動裝置基本體，要求每縱橫相鄰兩水力驅動裝置基本體間及邊部水力驅動裝置基本體與“V”形漂浮體間均用螺栓固牢；在“V”形漂浮體后，則按照每橫排相同數量的水力驅動裝置基本體固緊多排，形成ー個“子弾”形集合體。(3)基本體安裝及發電調試采取基本體中兩個水車輪聯合驅動一臺發電機工作模式，將離合器、聯動裝置和變速裝置分別安裝在兩水車輪間的兩側長條形漂浮體內，而將被驅動的發電機安放在兩水車輪間的橫向寬面漂浮體中央，調節好兩水車輪前匯流聚能水流通道(段)中的下部傾斜面板的傾角，以使前后兩個水車輪轉速基本相同，合上離合器，兩水車輪同步轉動，經變速器后，使發電機發電輸出電力。(4)各發電機并網輸出電カ(略)。實例2 淺水河道具匯流泄洪的水力自動抽水機。(I)選擇附圖所示后ー個水力驅動裝置水流通道模式和傾斜面板傾角控制方式制成單水車輪式的具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置。此時，該裝置水流通道的兩側及匯流聚能水流通道(段)頂部安裝專門的擋流導流面板，以形成有效功能的匯流聚能水流通道(段)和能量轉換水流通道(段)。(2)設計制造與單水車輪式水力驅動裝置相配套的固定支架，并將水力驅動裝置安裝和固緊在該配套的支架上。(3)將合適功率的水泵固定在水車輪的一側或后面的同一支架上，并用螺栓固紫。(4)安裝好配套的離合器、變速器，檢查無誤后，合上離合器，即可利用自然水力實現自動抽水作業。
權利要求
1.本發明涉及一種可以陣列布局、具有匯流泄洪功能的、利用河道流動水體推動水車輪葉片做功的水力驅動裝置技術方案；一個具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置單元主要由一個水車輪和一個同時包含匯流聚能水流通道(段)和能量轉換水流通道(段)及泄洪口的水流通道構成，主要驅動對象為各型發電機和水泵，適用河道水力發電或水力自動抽水等領域，適用的發電機和水泵類型不限。
2.權項I所述具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置當用于河道較寬而且深水或水的深度會發生變化的環境時，還應有一個與之相配套的、特定形態的漂浮體，共同構成一個漂浮式具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置。
3.權項I所述具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置當用于河道較窄或水淺且水的深度保持穩定的環境時，本發明涉及的水力驅動裝置或安裝河道兩岸適當的位置，或安裝在固定支架上進行工作，這時，需要在水流通道中兩側及頂部安裝專門的擋流導流面板，以形成具有匯流聚能和能量轉換功能的水流通道，成為一個相對固定的具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置。
4.權項I所述匯流聚能的水流通道(段)是指一個上下方向由闊變窄的平置四棱臺形水流通道(段)，主要由兩側垂直的擋流導流面板、一個底部向前傾斜的、其傾斜角度是固定或活動可調的、起關鍵性作用的、不可或缺的擋流導流面板，以及一個頂部的面板(可選件) 組成。
5.權項I所述能量轉換水流通道(段)是指一個位于水車輪下部與水車輪葉片運動的部分區域基本重合的水流通道(段)，主要由兩側垂直的擋流導流面板、一個非常靠近水車輪底部外緣的水平面板或向后傾斜面板，以及水車輪葉片內緣處轉動的圓筒(管)面(可選件)組成。
6.權項I所述泄洪口是指位于能量轉換通道(段)后面具泄洪功能的地方，由于匯流聚能水流通道(段)中下部向前傾斜的擋流導流面板的作用，本發明涉及的水力驅動裝置的泄洪口本身就自然存在，但為使流經能量轉換通道(段)后的水體流動更順暢和更有利于泄洪，可以在能量轉換通道(段)下部水平面板或圓弧形面板的后端部增加一塊傾角較大的向后傾斜面板而構成一個性能更佳的泄洪口。
7.權項2所述配套的特定形態的漂浮體，主要由位于水車輪兩側起支承作用的、內側面垂直的長條形、似墻體狀的漂浮體(部分)，以及一個能有效平衡水體對匯流聚能水流通道(段)下部傾斜面板產生向下的壓力、位于水車輪前后、與兩側長條形漂浮體(部分)固定在一起的橫向寬面漂浮體(部分)組成，并可兼作漂浮式具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置中水流通道的側面和匯流聚能水流通道(段)頂部擋流導流面板使用。
8.權項I所述具匯流泄洪的水力驅動裝置的水車輪葉片可以是直面型，也可以是由似半圓筒形曲面構成的水斗式葉片；當水車輪寬度較大且需從水車輪中間部位獲取轉動能時，可以將水車輪葉片分為兩段或多段，制成同軸同心分段式水車輪。
9.權項I所述本發明涉及的水力驅動裝置可陣列布局，是指多個單一的具匯流泄洪功能的水力驅動裝置可以進行橫向或縱向排列及并行工作；水車輪與發電機或水泵間可以采用I對I工作模式，也可以將橫向或縱向各相鄰的二臺水車輪實現聯動，共同驅動一臺或多臺發電機或水泵工作，即η對I或η對m工作模式。
全文摘要
本發明涉及一種可以陣列布局、具有匯流聚能和泄洪減壓功能、利用河道流動水體推動水車輪葉片做功的具有匯流泄洪功能的水力驅動裝置技術方案，主要由水車輪和一個同時包含匯流聚能水流通道(段)和能量轉換水流通道(段)及泄洪口的水流通道構成。該裝置主要驅動對象為發電機和水泵，分別構成具有匯流泄洪功能的水力發電裝置和水力自動抽水裝置。它適用于大小河流中利用自然水力發電、抽水，屬于高效利用清潔環保、可再生水力能源的裝置。當用于河道較寬且深水區或水的深度會發生變化的環境時，則需將本發明水力驅動裝置安裝在配套的、特定形態的漂浮體上進行發電和抽水，并用牽引繩將其固定在河道的某個區域工作；否則，可以將本本發明水力驅動裝置安裝在河道兩岸適當位置或配套固定的支架上進行發電和抽水。
文檔編號F03B1/00GK103031826SQ201210551190
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月19日 優先權日2012年12月19日
發明者周耀瑜 申請人:周耀瑜