CN1014739B - 江河自然流力和海浪波能发电的方法及其合叶式水轮机 - Google Patents

Abstract

一种江河自然流力和海浪波能发电的方法及其合叶式水轮机。包括在河道上或大陆架浅海处建立多排混凝土桩，用长轴串联成的合叶式水轮机组安装在该土桩上，形成覆盖大面积水域的水轮机组群。

Description

本发明涉及一种江河自然流力和海浪波能发电的方法及其合叶式水轮机。

目前，人们利用水力能源发电的方法主要是利用人工流水落差，而人工流水落差式发电的实现需要首先在江河峡口截流筑坝，在一些航运江河上同时还要修建船闸。该传统的老方法建设周期长，施工难度大，投资成本高，收回投资慢，要求地理位置，地质条件严格，致使绝大多数江河自然流水长年累月地白白流逝，无法利用。美国专利说明书US4436480公开了一种利用江河自然流力发电的水轮机和方法。该发明人把水轮机单只卧轴安装在渠道口，试图以此种方法为人类提供电力。应当指出美国专利说明书US4436480公开的水轮机安装方法的缺陷是：一只水轮机堵塞了整个江河，河道流水不畅，拒绝船只通行;该水轮机没有串联组合，不可能形成复盖大面积水域的水轮机组群。只是单独安装在渠道口，人们不可能依据该发明来大规模利用江河自然流力能发电。

利用海浪发电的方法，现有技术是依靠海浪起伏的能量压缩空气，使空气透平转动，从而带动电机发电，因为种种原因，这项技术没有在我国得到广泛应用。与此同时人们正在寻求一种大规模的直接将波能转换为机械能的水轮机。美国专利说明书US3973864公开了一种潮汐发电用的合叶式水轮机，该水轮机的合叶片径向内端是铰接在合页框上的，该框上有多片合叶。这种设计在合叶框转至逆流侧仍然形成较大阻力，同时会 产生涡流，严重影响其功率输出。该水轮机在组合使用时，发明人让其中一轮顺转另一轮逆转，动力从夹在两轮之间的伞齿轮轴端输出。这种结构据说目的是用来输出不同流向的水力能源。该水轮机的不足之处是使用了合叶框这个多余的结构，致使合叶框设置了多片合叶;组合使用的缺陷是水轮机之间间隙过大，转向不同。遇流向相同时导致一部分水流从两轮间隙处白白跑掉了。另一部分水流则因水轮转向不同而不起作用。上述美国的水轮机要用来大规模地开发海洋波浪能，看来还是存在一定的困难。

本发明的目的是要提供一种利用江河自然流力发电的方法，它把单轮使用改为多台水轮机用长轴串联起来使用，把河道中单一的发电效用改为利用江河下层流水发电，利用江河上层流水行船的综合效用。

本发明的另一个目的是提供一种利用海浪波能发电的方法，它用长轴把多台水轮机串联起来，取消了水轮之间所留的空间，其动力直接由长轴端头输出。

本发明的再一个目的是为利用江河自然流力和海浪波能发电而提供的一种合叶式水轮机，它取消了合叶框这个多余的结构，把框上的多片合叶改为两片合叶。通过长轴串联后，顺流侧叶片受力面积增大，产生较大驱动力矩，逆流侧合叶关闭尽量减小阻力。

本发明的江河自然流力发电的方法是这样实现的：在水流湍急的江河区段两岩建立堤墙，该堤墙对江河束水导流，使其水流平均深度达到设计要求。在堤墙内沿垂直河水流动方向建立多排流线型钢筋混凝土 桩，将多组用长轴串联的水轮机安装在多排钢筋混凝土桩上所设联结水轮机组的密封箱上。形成大面积复盖堤墙内河道水域的水轮机组群。每一排垂直于流向的若干组水轮机组为一个力的输出单元。从该单元轴端输出的动力，通过一系列传动装置传至设在两岸堤墙上面的发电机。该方法利用江河下层流水发电，利用江河上层流水行船。

本发明的海浪波能发电的方法是这样实现的：选择相对直线海岸，在海水一定深处，平行于海岸的直线上建立多排流线型钢筋混凝土桩，由长轴串联的多组水轮机组分别安装在钢筋混凝土桩顶端的联结水轮机组的密封箱上。每一行联接的水轮机组为一个力的输出单元，从其轴端输出的力，通过传动装置传至设在发电站台上的发电机。该方法所构成的每一组呈“一”字形的水轮机组与海浪浪道平行，浸入海水中的水轮机组与波浪形成直冲状态，从而把巨大的海浪波能直接转换成可供发电用的动能。这种多排水轮机组可以达到重复利用海浪波能的目的。

本发明的合叶式水轮机以及机组是这样实现的：合叶式水轮机是合式水轮机组的组成单位。每台合式水轮机由两个边轮和一个中心轮，轴皮，叶片，罩网构成。边轮为片状轮，其中的轮辋，轮辐，轮毂厚度相同，中心轮同两边轮的直径相同。每一边轮和中心轮都具有等间距布置的多条轮辐，边轮轮辐与中轮轮辐位于通过转子中心线的轴截面内。两边轮位于中心轮的两边，通过轴皮联结，轴皮和边轮的轮毂圆心点上设有直径相同的固定转轴的通孔。合叶片铰接在中心轮的轮辐上，各对合叶首尾相互咬合，咬合点位于中心轮轮辐上。当合叶转至顺流侧，两片合叶张开阻止水流通过，每一叶片的自由端紧靠在边轮的轮辐上，形成驱动水轮转子旋转的驱动力矩;当合叶转至逆流侧，两片合叶闭合，允许水流通过，以减小阻止转子旋转的阻力矩。多台合叶式水轮机通过长 轴串联成水轮机组，该水轮机组外包罩网，以防水中杂物进入。

本发明的江河自然流力和海浪波能发电的方法及其合叶式水轮机构成简单，容易实现，便于维修，造价低廉。本发明不破坏自然平衡和生态平衡，有较高的经济效益。由于本发明能大规模地开发水力资源，大幅度地降低投资成本，大数量的节约其他能源，因此，易于推广应用。

下面结合附图对本发明作详细说明，其中：

图1是本发明的江河自然流力发电的方法示意图;

图2是图1的剖视图;

图3是本发明的海浪波能发电的方法示意图;

图4是合叶式水轮机的主视图（上图）和俯视图（下图）;

图5是合叶式叶片的主视图和俯视图;

图6是合叶式水轮机（不带罩网）的轴测图;

图7是合叶式水轮机组联结密封箱的轴测图;

下面结合图1图2详细说明依据本发明提出的利用江河自然流力发电方法的细节。

该方法是：先在江河水流湍急区段的两岸建成A堤墙，使此段江河形成狭长整流道用以对江河束水导流，并使其平均深度达到设计要求。然后在其河床底部间隔浇注多排流线型钢筋混凝土桩（2），桩上安有合叶式水轮机组联结密封箱;把由长轴串联起来的合叶式水轮机组（3）卧轴安装在联结密封箱上;合叶式水轮机组（3）的轴端头输出的力通过有级变速传动装置（4）传至建立在岸上的发电机（5）该方法利用江河下层流水发电，利用江河上层流水行船。

该方法是依据积能原理实现的。一台合叶式水轮机吸收自然流力能是不大的，多台合叶式水轮机串联在一起，多组这样的水轮机组联结在 一起最大限度地从自然流水中吸收能量，其总量是十分可观的。通过有级变速传动装置来调变转速以适应江河四季水位流速变化。

下面结合图3详细说明依据本发明提出的利用海浪波能发电方法的细节。

该方法是在相对直线海岸处的浅海中建立发电站台（1）;在发电站台（1）左右两旁的直线上间隔浇注若干流线型钢筋混凝土桩（2），把串联的合叶式水轮机组（3）浸入海水中卧轴安装在钢筋混凝土桩（2）上的联结密封箱上;从水轮机组轴端输出的力通过有级变速传动装置（4）传至建立在发电站台（1）的发电机（5）。在一条直线上的发电站以及联结的水轮机组，与海岸（6）平行，因此，呈“一”字形的水轮机组必然与海浪浪道平行。

该方法除依据积能原理外，还依据合叶式水轮机本身的特殊性能实现的。该水轮机无论是在顺流或逆流的境况下均可定向转动。因此，退浪不仅不影响水轮机的转向，而且，还可以作为它的辅助动力。与海浪浪道平行的水轮机组，受到海浪传播力的冲击后立即转动。

下面结合图4、图5、图6详细说明依据本发明提出的合叶式水轮机以及机组的细节及工作情况。

该水轮机由两个边轮（1）一个中心轮（2），若干个合叶式叶片（3）罩网（4）组合而成，水轮机组由多台合叶式水轮机通过长轴串联而成，合叶式水轮机以及组由钢铁制成。

水轮机的边轮（1）为片状轮，轮辋、轮辐、轮毂厚度相同，边轮（1）的轮辋的直径等于中心轮（2）的轮辋的直径;边轮（1）的轮毂直径等于中心轮（2）的轮轴皮的直径;边轮（1）的轮辐数以及轮辐间距等于中心轮（2）的轮辐数及其间距;边轮（1）的轮辐同时起阻挡合叶式叶片 自由端的作用。边轮（1）的轮毂上的两个螺钉孔和穿轴孔与中心轮（2）的轮轴皮的螺钉孔和穿轴孔重合。

中心轮（2）轮轴皮的长度等于合叶式叶片（3）展开长度与2倍的边轮厚度之差。中心轮（2）的轮辐以等分圆周设置。中心轮（2）的轴皮上设置固定转轴的沉头螺钉孔A、B。中心轮（2）的轴皮两端分别设有固定两边轮（1）与中心轮（2）的螺钉孔C、D。

合叶式叶片（3）为两片等面积长方形或正方形钢片铰接而成，安装在中心轮（2）的轮辐上，使其在180度内自由开合。其叶片数目与轮辐数相等。若干合叶片均以中心对称图形设置。合叶片（3）的两个面（正面和背面）分别贴置与叶片等面积的凹凸型橡胶皮和平面橡胶皮，正面用以加大水流与叶片的摩擦;反面用以防止长期开合叶片与边轮（1）的轮辐碰撞磨损。每对合叶片在闭合状态下均夹住前一个合叶的铰接处，这样合叶被水流冲开后不致发生合叶一边倒的现象。

水轮机安装时用钢条将三者（边轮、中心轮、边轮）分别从轮辋与相对轮辐间焊接，在轮外圈罩以铁丝罩网（4），用以防止杂物进入。

多台合叶式水轮机一个紧靠一个穿入长轴（5）用沉头螺钉固定后，构成一个合叶式水轮机组。机组的长轴两端分别安装梯形滑动轴承吊钩销和花健连接的主动齿轮柱各一个。

在江河海浪中，水轮机组一旦入水立即转动，水流中开水轮机的上部或下部合叶，冲闭下部或上部合叶，使每只水轮机的上下生产极限不平衡状态（驱动力矩极限大，阻力矩极限极小）。

下面结合图7详细说明依据本发明提出的合叶式水轮机组联结密封箱细节及工作情况。

合叶式水轮机组在流水中的联结是依靠密封箱去实现的，该密封箱包 括长方体钢铸箱（1）和箱内的一个滑动轴承支持的惰轮（2）以及箱底邦部设置的一个弹簧顶珠密封咀G。钢铸箱（1）的两宽边分别开一个带销槽的梯形缺口E、F，分别将两组水轮机组的一端安装的梯形滑动轴承吊钩销（3）嵌入梯形缺口E、F，其端头安装的花键连接的主动齿轮柱（4）啮合于惰轮（2）。安装好后加盖密封，从G咀抽出水，加进等量机油，用以润滑。

Claims (5)

1、一种利用江河自然流力发电的方法，包括在河道上建立堤墙以对河水导流，在所述堤墙内沿垂直河水流动方向设置卧式水轮机，通过传动装置将从水轮机轴端输出的动力传至设至岸上的发电机，其特征在于所述水轮机是用长轴将多台合叶式水轮机串联成的合叶式水轮机组，该水轮机组安装在深置于河床底部的多排钢筋混凝土桩上，从而形成复盖大面积水域的合叶式水轮机组群。

2、一种利用海浪波能发电的方法，包括在大陆架浅海处建立平行于海岸的多排钢筋混凝土桩，由长轴串联的合叶式水轮机组安装在其顶端，通过传动装置将从水轮机轴端输出的动力传至设在发电站台上的电机，其特征在于每排水轮机组均与海浪浪道平行，该水轮组安装在浸入海水中的多排钢筋混凝土桩上，利用海浪的传播能量使水轮机转动，从而形成大面积重复接受波浪直冲的合叶式水轮机组群。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于每排水轮机构成一个动力输出单元，各动力输出单元用联轴器串联成长合叶式水轮机组群。

4、一种利用江河自然流力和海浪波能发电的合叶式水轮机组，其中每一水轮机转子轮毂设有固定转轴的通孔，转子轮毂至外缘间沿圆周方向等距离地设有多组径向布置的合叶，当合叶转至顺流侧，合叶阻止水流通过，形成驱动转子旋转的驱动力矩，当合叶转至逆流侧，合叶允许水流通过，以减小阻止转子旋转的阻力矩，其特征在于：所述水轮机转子由两个边轮和一个中心轮构成，每一边轮和中心轮都具有等间距布置的多条轮辐，边轮轮辐与中心轮轮辐位于通过转子中心线的轴截面内，每一中心轮的轮辐上铰结两片合叶，当合叶转至顺流倒，两片合叶张开，其自由端紧靠在边轮的轮辐上，当合叶转至逆流侧，两片合叶闭合，各对合叶首尾相互咬合。

5、根据权利要求4所述的合叶式水轮机组，其特征是将多台合叶式水轮机用长轴串联成“一”字形机组，每台所串联的水轮机之间不留间隙，机组相对的每行叶片被水冲开后形成机组整体在一个平面上的受力面，该受力面的形状为横向排列的较长的长方形。

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