CN103031826A - 一种具有汇流泄洪功能的水力驱动装置技术方案 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可以阵列布局、具有汇流聚能和泄洪减压功能、利用河道流动水体推动水车轮叶片做功的具有汇流泄洪功能的水力驱动装置技术方案，主要由水车轮和一个同时包含汇流聚能水流通道（段）和能量转换水流通道（段）及泄洪口的水流通道构成。该装置主要驱动对象为发电机和水泵，分别构成具有汇流泄洪功能的水力发电装置和水力自动抽水装置。它适用于大小河流中利用自然水力发电、抽水，属于高效利用清洁环保、可再生水力能源的装置。当用于河道较宽且深水区或水的深度会发生变化的环境时，则需将本发明水力驱动装置安装在配套的、特定形态的漂浮体上进行发电和抽水，并用牵引绳将其固定在河道的某个区域工作；否则，可以将本本发明水力驱动装置安装在河道两岸适当位置或配套固定的支架上进行发电和抽水。

Description

一种具有汇流泄洪功能的水力驱动装置技术方案

技术领域

本发明公开一种可以阵列布局、具有汇流聚能和泄洪减压功能的、利用河道流动水体推动水车轮叶片做功的具有汇流泄洪功能的水力驱动装置的技术方案；该水力驱动装置主要驱动对象为各型发电机和水泵，分别构成具有汇流泄洪功能的水力发电装置和水力自动抽水装置。它适用于大小河流自然水力发电、抽水，属于高效利用清洁环保、可再生水力能源的装置。

当具有汇流泄洪功能的水力驱动装置工作于河道较窄或水浅且较稳定环境时，可以将本发明涉及的水力驱动装置安装在河道两岸适当位置或固定的支架上进行发电和抽水；当工作在河道较宽且深水或水的深度会发生变化的环境时，则需将本发明涉及的水力驱动装置安装在配套的、特定形态的漂浮体上进行发电和抽水，构成漂浮式具有汇流泄洪功能的水力发电装置和水力自动抽水装置，并用牵引绳将其固定在河道的某个区域。

背景技术

目前，已公开了多种漂浮式水力发电机装置和水力能自动抽水装置，它们当中均为简单、直接利用河道流动水体推动水车轮叶片做功的水力发电和抽水装置，包括古老的水车，主要不足是对水力能的利用效率较低，仅限适用河道水流速度较快情况；其次，即使河道水流速度较快，当要密集、阵列式布局实现若干漂浮式水力发电装置组合发电时，后排的漂浮式水力发电装置的发电效果相对变差；其次，已公开的漂浮式水力发电装置，当河道水流速度变化时，不能有效控制水车轮保持较稳定的转速，以匹配额定转速的发电机。

目前，我国乃至世界各国，都十分重视清洁环保、可再生能源的开发应用，除水能外，还包括风能和太阳能。但风能和太阳能相对水能较为分散，能量密度低，尤其是太阳能，受昼夜时间和天气变化影响很大，属于一种间断性的可再生能源；其次，风能和太阳能发电设备和建设投资较大，一般达到2000元／千瓦以上，尤其太阳能发电设备使用寿命较短，太阳能电池板的使用寿命仅有4～5年时间，且平均每天工作时间小于10小时，按年工作300日、每日工作8小时计算，太阳能发电平均成本约为0.21元／千瓦·小时。

而河道中水力能量密度相对较集中，且持续稳定，尤其水流速度较大的地段，流动水体能量密度可以是风能和太阳能的能量密度的十倍或几十倍以上。开发河道中水力发电项目，直接投资成本一般为1800～2500元／千瓦，使用寿命10年以上，且每天可连续24小时工作。按年工作330日计算，漂浮水力发电平均成本小于0.032元／千瓦·小时，仅为太阳能发电成本的15%；并又对当地生态环境没有任何负面影响，投资少，工期短，对环境要求低，比拦河筑坝建水电站更具优越性。

发明内容

本发明技术——具有汇流泄洪功能的水力驱动装置，利用了固定压力条件下，水体流速随水流通道横截面积减少而不断变快和河道泄洪口水流加速等原理，在水力驱动装置中水轮车前端增加一个上下方向由阔变窄的平置四棱台形水流通道（段），主要起到汇流和能量聚集的作用，简称为汇流聚能水流通道（段）；紧接是位于水车轮下部一个水平或稍向后倾斜的、与水车轮叶片运动的部分区域基本重合的水流通道（段），此通道的作用是将水力能转换为水车轮的转动能，固而称为能量转换通道（段）；在能量转换通道（段）的后端为一个上下方向迅速由窄变阔的水流通道，该通道长度很短，主要起到泄洪减压和能量释放的作用，称为泄洪口。

在具有汇流泄洪功能的水力驱动装置的整个工作过程中，水力能量密度先是由疏变密，然后再由密变疏，而水体推动水车轮工作的地方恰为水力能量最密集区，从而实现水力能高效转换成水车轮转动能的目的，这种适用河道工作、同时具有汇流聚能及泄洪减压技术的特点就是本发明技术的核心所在。

汇流聚能水流通道可以是一个半开放状态的水流通道（段），它主要由两侧垂直的挡流导流面板和下部一个向前倾斜的挡流导流面板组成；当顶面亦使用面板封堵时，则该水流通道为四面相对封闭的水流通道（段）。由于该水流通道下部挡流导流面板向前倾斜，以使由前至后，汇流聚能水流通道的横截面积由大变小，水流速度则随横截面积减少而不断加快，使水力能更加密集，表明下部向前倾斜的挡流导流面板的作用最为重要，是本发明涉及的水力驱动装置中不可或缺的关键性部件。

能量转换通道也可以是一个半开放状态的水流通道（段），主要由两侧垂直的挡流导流面板和一个非常靠近水车轮底部外缘的水平面板，或非常靠近水车轮底部、至前小于60°弧段（一般取45°±）的向后倾斜面板组成，其中后者将使能量转换过程中有较长的水流通道，因而高密度水力能对水车轮的作用时间较长，且可使水体重力做功，因而能量转换效果更好。当水车轮叶片内缘处设置一个圆筒时，则该圆筒即可起到能量转换通道上部转动的导流面板的作用，约束能量转换通道尽可能与水车轮叶片运动区域有更好的重叠性。

由于汇流聚能水流通道（段）中的下部为向前倾斜的挡流导流面板，在该面板的下面和后面，自然形成了一个负压工作区，因而，能量转换通道（段）后面的泄洪口本身就自然存在，但为使流经能量转换通道后的水体流动更顺畅和更有利于泄洪，可以在能量转换通道（段）下部水平面板或向后倾斜面板的后端处增加一块倾角较大的向后倾斜面板。

汇流聚能水流通道（段）下部向前倾斜的挡流导流面板的安装方式可以是固定方式，或半固定方式，也可以是活动方式。

所谓固定方式是指该整个倾斜面板是被焊接或被螺栓固定的，属于不可调模式；而半固定方式和活动方式的倾斜挡流导流面板，是指该面板的后端固定在靠近水车轮下的一条转轴上，而整个面板可以围绕转轴可以上下转动的，如果倾斜面板前端采用螺栓直接固定，则属于半固定方式的倾斜面板；如果倾斜面板倾斜角度是利用额外调控部件可以实现手动或自动方式调节的，则属于活动方式的倾斜面板。

调节倾斜挡流导流面板的倾斜角度，可以有效控制水车轮基本保持与发电机相匹配的转速，因而它更能适应在不同流速的河道中平稳高效发电目的。一般，倾斜挡流导流面板的倾斜角度在45°左右时，汇流聚能水流通道的汇流聚能的综合效果较为理想。

水轮车的叶片可以是直面型，也可以是由似半圆弧形曲面面板构成的水斗式叶片，后者更能高效将水力能转化为水车轮的转动能；其次，当水车轮宽度较大时，为保持整个装置具有对称平衡和稳定性，可以将水车轮叶片分为两段或多段，以便从水车轮中间部位获取转动能，这样的水车轮称为同轴同心分段式水车轮。

当具有汇流泄洪功能的水力驱动装置工作在河道较宽且深水或水的深度会发生变化的环境时，则要将具有汇流泄洪功能的水力驱动装置安装在配套的、特定形态的漂浮体上进行工作，并利用牵引绳将其固定在河道的某个区域。适用本发明涉及的水力驱动装置配套的特定形态的漂浮体主要由两类漂浮体部分组成。

一是该漂浮体中支承水车轮两侧的、分别为内侧面垂直的长条形、似墙体状的漂浮体（部分），它在起到漂浮作用的同时，其两内侧面也起到水流通道两侧的挡流导流面板作用；当两侧长条形漂浮体的内侧面不能完全起到汇流聚能水流通道（段）两侧挡流导流作用，即高度不够时，则要在其内侧面下部再补充焊接固定挡流导流板，以共同起到汇流聚能水流通道的侧面挡流导流作用；其中，采用梯形和三角形挡流导流面板，不仅可以节省材料，更主要是在负压作用下，亦可以使水力驱动装置的两侧流动水体与底部水体同时被压向汇流聚能水流通道（段）下部向前倾斜的挡流导流面板的下面，达到高效利用水力驱动装置旁侧和底部水力能的目的。

二是为有效平衡水体对汇流聚能水流通道（段）下部倾斜面板产生向下的压力，要求在水车轮的前后，尤其是水车轮之前，设置一个与两侧长条形漂浮体（部分）固定在一起的横向宽面漂浮体（部分），横向宽面漂浮（部分）的底面板同时充当水轮车前端汇流聚能水流通道（段）顶部的导流面板作用，共同构成四面相对封闭的汇流聚能水流通道（段）。

当具有汇流泄洪功能的水力驱动装置工作于浅水河道或河道较窄且水的深度经常保持稳定的情况时，可以将本发明涉及的水力驱动装置安装河道两岸合适的位置或安装在固定配套的支架上进行工作。这时，需要在水流通道中两侧及汇流聚能水流通道（段）顶部设置专门的挡流导流面板，以形成有效功能的水流通道。

综上所述，一个具有汇流泄洪功能的水力驱动装置单元主要由一个水车轮和一个同时包含汇流聚能水流通道（段）、能量转换水流通道（段）和泄洪口的水流通道构成。其中，汇流聚能水流通道（段）下部固定或活动的向前倾斜的挡流导流面板是本发明涉及的水力驱动装置区别其它已公开的漂浮式水力驱动装置的最重要、最关键部件之一，是不可或缺的部件。

当具有汇流泄洪功能的水力驱动装置工作在河道较宽且深水或水的深度会发生变化的环境时，还应有一个与之相适应配套的、特定形态的漂浮体和紧固件等；否则，具有汇流泄洪功能的水力驱动装置可以安装河道两岸合适的位置或安装在配套固定的支架上。

实际应用中，可以由多个单元的具汇流泄洪功能的水力驱动装置进行横向和纵向组合，形成一个多元水力发电或抽水方阵或队列；阵列中的水车轮与发电机或水泵间可以采用1对1的工作模式，也可以采用n对1或n对m的工作模式；对于n对1或n对m的工作模式，则要求横向或纵向各相邻两台或多台水车轮要用联动装置来实现联动，并在实现联动前，首先要调整各水车轮前汇流聚能水流通道（段）中的下部倾斜挡流导流面板的倾角，以使各水车轮的转速基本相同。

附图说明

说明书附图是一个二元漂浮式具有汇流泄洪功能的水力驱动装置的右侧面透视简图。为方便说明本发明涉及的水力驱动装置工作特点和比较不同设计模型的工作效果，附图所示，特用前后两个存在差异的具有汇流泄洪功能的水力驱动装置单元，以分别揭示和比较汇流聚能水流通道（段）中的下部倾斜面板倾角两种不同的调节控制方式和两种不同的能量转换水流通道样式的特点。

（1）水车轮部件：附图中前、后两水车轮均为水斗式叶片的水车轮。其中：（1-1）为水车轮轴；（1-2）为水车轮轴承座；（1-3）为水车轮两端的支撑部件；（1-4）水车轮中水斗式叶片，包括两端的封板；（1-5）为水车轮中水斗式叶片两端的支撑杆（件）；（1-6）为水车轮中水斗式叶片内缘处圆筒（管）；（1-7）为水车轮水斗式叶片外缘处附加紧固圈（件），主要安装固定在水车轮水斗式叶片的两端，如果水车轮较宽，则水车轮水斗式叶片的中部也需均匀安装固定一至多个紧固圈（件）。

以上部件中，除水车轮轴承座（1-2）外，其余部件均可焊接在一起成为一个整体，也可以利用螺栓固紧在一起使用。如果为水车轮中水斗式叶片内缘处的圆筒（管）（1-6）的管壁较厚，则可以充当转轴使用。

（2）漂浮体部件：（2-1）为前后二水车轮公共的两侧面长条形墙体状漂浮体（部分），其垂直的内侧面同时起到水流通道侧面的挡流导流作用；（2-2）为两侧长条形漂浮体内侧面下部“锯齿” 形、属于汇流聚能水流通道（段）侧面的挡流导流面板；（2-3）为适应向后倾斜式能量转换水流通道（段）的横向宽面漂浮体（部分），（2-3′）为适应水平式能量转换水流通道的横向宽面漂浮体（部分）。

横向宽面漂浮体（部分）的主要作用是起到基本维持和稳定漂浮式具汇流泄洪的水力驱动装置的吃水深度，并且其底部板同时起到水车轮前汇流聚能水流通道（段）的顶部导流面板的作用，在静水环境不工作的情况下，要求各横向宽面漂浮体的底面与静水表面基本一致。

横向宽面漂浮体（部分）与两侧的条形漂浮体（部分）固定在一起形成一个适合本发明涉及的水力驱动装置使用配套的、特殊形态的漂浮整体。在设计制造过程中，可以按照整体方案将横向宽面漂浮体与两侧的条形漂浮体制成一个完整件，也可以按照模块化设计制造，然后固定在一起使用。

（3）汇流聚能水流通道部件及其倾斜面板倾角控制方式：附图所示，汇流聚能水流通道（段）主要由下部倾斜面板（3-1）、水车轮两侧长条形漂浮体（2-1）的内侧面及其下部垂直的“锯齿” 形挡流导流面板（2-2），以及横向宽面漂浮体（2-3）或（2-3′）的底面共同构成。

附图中，前后两个汇流聚能水流通道（段）的下部倾斜面板的倾角控制方式不同。

前一个汇流聚能水流通道（段）中的下部倾斜面板为可调节的活动式倾斜面板，除倾斜面板（3-1）、倾斜面板后端固定位置的转轴（3-2）、前端定位轴（边）（3-3）和固定在汇流聚能水流通道（段）两侧挡流导流面板上的导槽或导轨（3-4）外，还增加了一些调控部件，如附图所示：（3-5）为倾斜面板前端定位轴（边）（3-3）两端及中部的调节控制的推拉螺杆（件），（3-6）为对应的螺母型调节控件，（3-7）为限制控件（3-6）活动空间的限位件，（3-8）为在横向宽面漂浮体（部分）（2-3）中相应的通心管件。在实际调节过程中，应对连接倾斜面板（3-1）前端的各推拉螺杆（件）（3-5）实行同步调节，以免造成倾斜面板（3-1）变形受损。

后一个汇流聚能水流通道（段）中的下部倾斜面板为半固定式的倾斜面板，主要部件包括倾斜面板（3-1）、倾斜面板后端固定位置的转轴（3-2）、前端定位轴（边）（3-3）和固定在汇流聚能水流通道（段）两侧挡流导流面板上的导槽或导轨（3-4），一般采用螺栓固定方式将前端定位轴（边）（3-3）固定在导槽或导轨（3-4）的适当位置。

说明，可调节的活动式倾斜面板倾角的调节控制方式不是唯一的，附图所示仅列出其中较简单的一种。

（4）能量转换水流通道和泄洪口部件：附图所示，前后两个能量转换水流通道（段）样式不同，前一个为向后倾斜式能量转换水流通道（段），由下部约45°弧段的向后倾斜面板（4-1）和水车轮两侧长条形漂浮体的垂直内侧面、水车轮水斗式叶片内缘处圆筒构成；后一个为水平式能量转换水流通道（段），由下部水平面板（4-1′）和水车轮两侧长条形漂浮体的内侧面、水车轮水斗式叶片内缘处圆筒构成。

对于向后倾斜式能量转换水流通道（段）情况，要求相应的汇流聚能水流通道（段）的尾部要适当向上翘，进而要求横向宽面漂浮体（部分）的底面尾部也要适当向上翘，如附图中横向宽面漂浮体（部分）（2-3）。

在能量转换过程中，前面的向后倾斜式能量转换水流通道（段），不仅能量转换水流通道路程长、水力作用时间长，且水体重力势能也可转换为水车轮的转动能，因而比后面的水平式能量转换水流通道更具优越性。

附图所示，前后两个泄洪口均分别设置了一块倾角较大的向后倾斜面板（4-2）和（4-2′）。

（5）紧固部件：附图所示，（5-1）为水下两侧挡流导流板间脚底处的水平悬梁结构件、（5-2）是位于水车轮后面连接两长条形浮体的悬梁结构板件，除起两侧长条形漂浮体（部分）尾部间的固定作用外，同时也可以作为对本发明涉及的水力驱动装置进行维护和管理的工作平台。

（6）水面位置和水体流向：附图所示，（6-1）表示在静水条件下整个装置（包含配套的变速器、发电机或水泵等）所处的水面位置情况；（6-2）表示水流方向，附图中，水体为自左向右流动。

具体实施方案

根据本发明技术——具有汇流泄洪功能的水力驱动装置工作特点，在具体实施时，除要严格满足本发明技术特点和要求外，还应考虑以下几方面因素。

（1）除水车轮叶片外，其它凡与流动水体接触的面应具有流线形特点，以便尽可能减少不必要的水体流动阻力。

（2）在本发明涉及的水力驱动装置实际应用过程中，不仅要考虑水力驱动装置本身重量及其对称平衡和稳定性特点，亦要考虑当安装配套的能量传递、变速装置和发电机或水泵后所构成的工作整体在水面上仍能保持平衡和稳定，必要时可将水车轮制成同轴同心分段式水车轮，以便从水车轮中间部位获取水车轮的转动能。

实例1：河道漂浮式具有汇流泄洪功能的水力发电机阵列（机组）。

（1）选择附图所示前一个水力驱动装置单元工作模式，包括水流通道模式和倾斜挡流导流面板倾角调节控制方式，将二个单元水力驱动装置集成为一个基本体。

（2）在设计安装漂浮式水力发电机阵列的正前方建设一个牢固的桩基础或描，将牵引绳的一端固定在桩或描上，而将牵引绳的另一端与一个“V”形可拦阻水上漂浮物的漂浮体的尖嘴固定好；按照1拖3、3拖5、5拖7……法则，先将“V”形区域内安装固定满水力驱动装置基本体，要求每纵横相邻两水力驱动装置基本体间及边部水力驱动装置基本体与“V”形漂浮体间均用螺栓固牢；在“V”形漂浮体后，则按照每横排相同数量的水力驱动装置基本体固紧多排，形成一个“子弹”形集合体。

（3）基本体安装及发电调试：采取基本体中两个水车轮联合驱动一台发电机工作模式，将离合器、联动装置和变速装置分别安装在两水车轮间的两侧长条形漂浮体内，而将被驱动的发电机安放在两水车轮间的横向宽面漂浮体中央，调节好两水车轮前汇流聚能水流通道（段）中的下部倾斜面板的倾角，以使前后两个水车轮转速基本相同，合上离合器，两水车轮同步转动，经变速器后，使发电机发电输出电力。

（4）各发电机并网输出电力（略）。

实例2：浅水河道具汇流泄洪的水力自动抽水机。

（1）选择附图所示后一个水力驱动装置水流通道模式和倾斜面板倾角控制方式制成单水车轮式的具有汇流泄洪功能的水力驱动装置。此时，该装置水流通道的两侧及汇流聚能水流通道（段）顶部安装专门的挡流导流面板，以形成有效功能的汇流聚能水流通道（段）和能量转换水流通道（段）。

（2）设计制造与单水车轮式水力驱动装置相配套的固定支架，并将水力驱动装置安装和固紧在该配套的支架上。

（3）将合适功率的水泵固定在水车轮的一侧或后面的同一支架上，并用螺栓固紧。

（4）安装好配套的离合器、变速器，检查无误后，合上离合器，即可利用自然水力实现自动抽水作业。 

Claims (9)

1.本发明涉及一种可以阵列布局、具有汇流泄洪功能的、利用河道流动水体推动水车轮叶片做功的水力驱动装置技术方案；一个具有汇流泄洪功能的水力驱动装置单元主要由一个水车轮和一个同时包含汇流聚能水流通道（段）和能量转换水流通道（段）及泄洪口的水流通道构成，主要驱动对象为各型发电机和水泵，适用河道水力发电或水力自动抽水等领域，适用的发电机和水泵类型不限。

2.权项1所述具有汇流泄洪功能的水力驱动装置当用于河道较宽而且深水或水的深度会发生变化的环境时，还应有一个与之相配套的、特定形态的漂浮体，共同构成一个漂浮式具有汇流泄洪功能的水力驱动装置。

3.权项1所述具有汇流泄洪功能的水力驱动装置当用于河道较窄或水浅且水的深度保持稳定的环境时，本发明涉及的水力驱动装置或安装河道两岸适当的位置，或安装在固定支架上进行工作，这时，需要在水流通道中两侧及顶部安装专门的挡流导流面板，以形成具有汇流聚能和能量转换功能的水流通道，成为一个相对固定的具有汇流泄洪功能的水力驱动装置。

4.权项1所述汇流聚能的水流通道（段）是指一个上下方向由阔变窄的平置四棱台形水流通道（段），主要由两侧垂直的挡流导流面板、一个底部向前倾斜的、其倾斜角度是固定或活动可调的、起关键性作用的、不可或缺的挡流导流面板，以及一个顶部的面板（可选件）组成。

5.权项1所述能量转换水流通道（段）是指一个位于水车轮下部与水车轮叶片运动的部分区域基本重合的水流通道（段），主要由两侧垂直的挡流导流面板、一个非常靠近水车轮底部外缘的水平面板或向后倾斜面板，以及水车轮叶片内缘处转动的圆筒（管）面（可选件）组成。

6.权项1所述泄洪口是指位于能量转换通道（段）后面具泄洪功能的地方，由于汇流聚能水流通道（段）中下部向前倾斜的挡流导流面板的作用，本发明涉及的水力驱动装置的泄洪口本身就自然存在，但为使流经能量转换通道（段）后的水体流动更顺畅和更有利于泄洪，可以在能量转换通道（段）下部水平面板或圆弧形面板的后端部增加一块倾角较大的向后倾斜面板而构成一个性能更佳的泄洪口。

7.权项2所述配套的特定形态的漂浮体，主要由位于水车轮两侧起支承作用的、内侧面垂直的长条形、似墙体状的漂浮体（部分），以及一个能有效平衡水体对汇流聚能水流通道（段）下部倾斜面板产生向下的压力、位于水车轮前后、与两侧长条形漂浮体（部分）固定在一起的横向宽面漂浮体（部分）组成，并可兼作漂浮式具有汇流泄洪功能的水力驱动装置中水流通道的侧面和汇流聚能水流通道（段）顶部挡流导流面板使用。

8.权项1所述具汇流泄洪的水力驱动装置的水车轮叶片可以是直面型，也可以是由似半圆筒形曲面构成的水斗式叶片；当水车轮宽度较大且需从水车轮中间部位获取转动能时，可以将水车轮叶片分为两段或多段，制成同轴同心分段式水车轮。

9.权项1所述本发明涉及的水力驱动装置可阵列布局，是指多个单一的具汇流泄洪功能的水力驱动装置可以进行横向或纵向排列及并行工作；水车轮与发电机或水泵间可以采用1对1工作模式，也可以将横向或纵向各相邻的二台水车轮实现联动，共同驱动一台或多台发电机或水泵工作，即n对1或n对m工作模式。

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