CN103967685A - 一种水流能量转换装置 - Google Patents

Abstract

一种水流能量转换装置，包括上端盖、下端盖和将上端盖和下端盖连接起来的弧状蜗壳和蜗壳前挡板，所述上端盖和下端盖上设有轴孔，所述轴孔中安装有水轮轴，所述水轮轴中部固定连接有叶片圆盘，所述叶片圆盘的上部和下部连接有叶片杆，所述叶片杆上活动连接有可绕叶片杆转动的叶片，所述蜗壳设有进水口和出水口，所述进水口与出水口之间设置有阻止水流通过的阻水板，所述阻水板设置在蜗壳前挡板、上端盖或下端盖上，所述阻水板之间或阻水板与上端盖和下端盖之间设置有供叶片、叶片杆及叶片圆盘通过的间隔，水流从进水口到出水口推动水轮轴转动。本发明结构简单、制作成本低，能充分利用自然水流能量，达到高效利用水流发电的目的。

Description

一种水流能量转换装置

技术领域

本发明涉及一种水流能量转换装置，具体涉及一种可大规模并高效利用江河、海洋的水流能量的水流能量转换装置。

背景技术

当今世界的水力发电技术都要依赖修筑拦水坝才能利用江河的水能资源，而一条河流适易修水坝的地方并不多，因此，我们只能放任大部份江河的水能资源白白流走，极丰富的海洋水能资源更因无法修水坝，让我们只能望洋兴叹。主要的原因是目前的水轮机要依靠水坝控制水流来推动水轮机旋转以达到水能转换的目的，而对于自然条件下的江河，海洋，则束手无策。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种能在自然条件下高效利用江河和海洋水流能量的水流能量转换装置，它结构简单，转换效率高，成本低。

为达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明提供了一种水流能量转换装置，包括上端盖、下端盖、将上端盖和下端盖连接起来的弧状蜗壳和蜗壳前挡板、与蜗壳末端连接的控水板；所述上端盖和下端盖上设有轴孔，所述轴孔中安装有水轮轴，所述水轮轴中部连接有一叶片圆盘，所述叶片圆盘的上表面固定连接有至少二根上叶片杆，所述上叶片杆在叶片圆盘上部沿圆周和半径方向排列安装，所述叶片圆盘下表面固定连接有至少二根下叶片杆，所述下叶片杆在所述叶片圆盘下部沿圆周和半径方向排列安装，所述上叶片杆与上叶片活动连接，所述下叶片杆与下叶片活动连接；所述蜗壳设有进水口和出水口，所述进水口与出水口之间设置有阻止水流通过的阻水板，所述阻水板包括设置在上端盖上的上阻水板和设置在下端盖上的下阻水板，所述阻水板之间和阻水板与蜗壳前挡板之间设置有供叶片、叶片杆以及叶片圆盘通过的间隔；所述出水口处设置有排水管，所述蜗壳、控水板、阻水板和排水管形成控制水流沿水轮轴转动方向流动的S形水流通道。水轮轴位于S形水流通道中，S形水流通道控制水流沿水轮轴转动方向流动，并且S形通道为密封的，可以使水流更为集中，使进入进水口的水流全部作用在叶片上，提高了本装置的效率。

所述上阻水板上装有引导叶片转动以通过所述间隔的上叶片导轨，所述下阻水板上装有引导叶片转动以通过所述间隔的下叶片导轨，所述的阻水板设置有调节通过阻水板水流流量的水流调节门。水流调节门通过调节水流通过阻水板的多少达到控制水轮轴获得水力的多少。关闭水流调节门，水流无法从阻水板处通过，水轮轴获得水力最大。打开水流调节门，水轮轴获得水力最少。

所述叶片和叶片杆活动连接，其形状均为弧形，并具有与叶片杆所在圆周相同的弧度。所述叶片全部打开时和叶片杆排列在一起形成一个整圆，所述叶片杆呈网格状分布，可让水流从叶片杆网格中通过，叶片杆网格与阻水板间隔之间互相配合，采用此结构，使得叶片杆和叶片可在阻水板间隔内转动，并可以将间隔挡住，阻止水流从阻水板间隔处通过，提高阻水板的阻水性能。

所述叶片、水轮轴及叶片圆盘内部设置为密封中空或内部填充轻质材料制成。这样使叶片及水轮轴的比重接近水的比重。叶片及水轮轴在水中的重力减小，可以减小合页和轴承的摩擦力。提高本装置的效率。

所述进水口连接有进水管，所述进水管设有第一进水门和第二进水门，所述第一进水门和第二进水门均为单向水流门，所述第一进水门设置在进水管的末端，其进水方向与进水口的进水方向相反，第二进水门设置在进水管与进水口相对的一侧，进水方向与进水口进水方向相同。采用此种结构，当水流的力量打开第二进水门时关闭第一进水门、水流从第二进水门进入，或者水流的力量打开第一进水门时关闭第二进水门，水流从第一进水门进入。这样本装置不仅可以应用于江河等单向水流中，而且可以利用海洋潮汐的双向水流，应用范围更广。

所述出水口连接有排水管，所述排水管两端设有第一排水门和第二排水门，所述第一排水门和第二排水门为单向门，所述第一排水门水流方向与进水口水流方向相同，所述第二排水门进水方向与进水口水流方向相反。采用此种结构，当装置外水流的力量使得第二排水门关闭时打开第一排水门，水流从第一排水门排出，或者水流的力量使得第二排水门打开时关闭第一排水门，水流从第二排水门排出。

所述控水板为与叶片杆弧度相配合的圆弧形，所述控水板为二分之一圆周以上的弧长。使控水板能阻止或减少水流从控水板与叶片杆之间的间隔中通过，控水板的作用在于改变水流的方向和以及集中封锁住水流，使进入蜗壳的水流全部作用在叶片上，使本装置的转换效率更高。

本发明的另一种技术方案的水流能量转换装置，包括上端盖、下端盖、将上端盖和下端盖连接起来的弧状蜗壳和蜗壳前挡板、与蜗壳末端连接的控水板，所述上端盖和下端盖上设有轴孔，所述轴孔中安装有水轮轴，所述水轮轴上部连接有一个叶片杆圆盘，所述叶片杆圆盘设置有至少两根叶片杆，所述叶片杆上活动连接有可绕叶片杆转动的叶片，所述水轮轴下部连接一个叶片挡杆圆盘，所述叶片挡杆圆盘对应上部叶片杆设置有可挡住叶片下端的二根叶片挡杆，所述蜗壳设有进水口和出水口，所述进水口与出水口之间设置有阻止水流通过的阻水板，所述阻水板固定在蜗壳前挡板上，所述阻水板与上端盖之间留有供叶片和叶片杆圆盘通过的上间隔，所述阻水板与下端盖之间留有供叶片档杆圆盘通过的下间隔，所述出水口处设置有排水管，所述蜗壳、控水板、阻水板和排水管形成控制水流沿水轮轴转动方向流动的S形水流通道。

所述叶片包括至少1片以上的叶片单体，所述叶片单体为长方体叶片或带止口的长方体叶片。采用此结构，当多片叶片单体通过间隔落下时会有一定的时间差，这样每片叶片落下时对水轮轴的冲力就会减少，而不会影响水轮轴的稳定运转。

所述上端盖与下端盖之间设有可使叶片下端向上翻起成水平以通过上间隔的导条。导条对叶片的翻转起到引导作用，能使叶片顺利地翻转。

所述进水口连接有进水管，所述进水管设有第一进水门和第二进水门，所述第一进水门设置在进水管的末端，其进水方向与进水口的进水方向相反，第二进水门设置在进水管与进水口相对的一侧，进水方向与进水口进水方向相同。采用此种结构，当水流的力量打开第二进水门时关闭第一进水门、水流从第二进水门进入，或者水流的力量打开第一进水门时关闭第二进水门，水流从第一进水门进入。

所述排水管两端设有第一排水门和第二排水门，所述第一排水门和第二排水门为单向门，所述第一排水门水流方向与进水口水流方向相同，所述第二排水门进水方向与进水口水流方向相反。采用此种结构，当装置外水流的力量使得第二排水门关闭时打开第一排水门，水流从第一排水门排出，或者水流的力量使得第二排水门打开时关闭第一排水门，水流从第二排水门排出。

进水管和排水管的设置是使本装置可以利用海洋潮汐的双向水流，应用范围更广。在单向水流的河流中使用时，不需要设置进水管，排水管也可以不设置。

所述叶片为密封中空或由内部填充轻质材料制成。这样叶片的比重接近水的比重。叶片在水中的重力减少，可以减小合页的摩擦力。

所述蜗壳末端连接有控水板，所述控水板为圆弧形，并与叶片杆的弧度互相配合，使控水板能阻止或减少水流从控水板与叶片杆之间的间隔中通过。所述控水板为二分之一圆周以上的弧长。控水板的作用在于改变水流的方向和集中以及封锁住水流，使进入蜗壳的水流全部作用在叶片上，使本装置的转换效率更高。

本发明的两种技术方案均采用了S形水流通道。水轮机在直线运动的自然水流环境如河流中运动时，水流推动处在迎水面的叶片使水轮轴转动的同时必须要克服处在背水面的叶片所受到的水流阻力，因背水面的叶片与迎水面的叶片的运动方向相反，两种力的强弱便决定水轮轴获得水力的多少。本发明的S形通道将水流的直线运动改变为水流的旋转运动，充分利用水流的能量，从而获得更大的转换效率。

采用以上技术，本发明所产生的技术效果是：

1、将本发明投放在水中通过链锚方式或棚架、柱等固定方式固定，水流通过本装置时由于阻水板的阻隔，水流只能顺着S形水流通道流动，由于控水板的锁水作用，使进入S形通道的水流全部作用在水轮轴的叶片上，并且由于S形水流通道将水流的方向改变为与水轮轴旋转的方向相同，使本发明的水能转换的效率更高。

2、并且由于在进水口连接了一条进水方向与进水口进水方向相反的进水管，通过在进水管的两端设置单向进水门和在排水管的两端设置单向排水门，本发明所述的水流能量转换装置还能利用双向水流，例如：海洋的潮汐能量，应用更加广泛。

附图说明

图1为实施例1的俯视图；

图2为实施例1的水轮轴结构示意图（叶片杆沿一个圆周分布）；

图3为实施例1水轮轴示意图（叶片杆沿两个圆周分布）；

图4为实施例2的水轮轴结构示意图；

图5为图2所示对应的阻水板的结构示意图；

图6为图3所示对应的阻水板的结构示意图；

图7为图4所示对应的阻水板的结构示意图；

图8为实施例2的叶片结构示意图。

发明内容

下面结合附图及较佳实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，但本发明并不仅限于以下的实施例。

实施例1

如图1所示，本发明所述的水流能量转换装置包括上端盖1、下端盖2和将上端盖1和下端盖2连接起来的蜗壳3、位于蜗壳前方的蜗壳前挡板4和控水板9。

蜗壳3为圆弧状，设有进水口7和出水口8，进水口7和出水口8均位于蜗壳3前方，进水口7和出水口8之间还设有阻水板，出水口8与蜗壳3之间设有控水板9，控水板9设在出水口8上方，与蜗壳3连接，控水板9为弧形板，控水板9的弧长为二分之一圆周以上的弧长。控水板9的作用在于改变水流的方向并集中封锁住水流，使进入蜗壳的水流全部作用在叶片上，使本装置的转换效率更高。蜗壳3外还设有进水方向与进水口7进水方向相反的进水管10，进水管10与进水口7相通，进水管10上设有第一进水门101和第二进水门102，第一进水门101设置在进水管10的末端，第二进水门102设置在进水管10上与进水口7正对的一侧，采用进水管10可以实现双向进水，第一进水门101和第二进水门102均为单向门，只能使水流进入，而不能使水流流出。

蜗壳靠近出水口8的一端还设置有排水管11，排水管11位于蜗壳一侧，排水管11上设置有第一排水门111和第二排水门112，第一排水门111和第二排水门112设置在排水管的两端，第一排水门111和第二排水门112均为单向门，只能使水流排出，而不能使水流进入，第一排水门111的出水方向与进水口7水流方向一致，第二排水门112的出水方向与进水口7进水方向相反，第二排水门112位于出水口同一侧，当装置外水流的力量使得第二排水门112关闭时打开第一排水门111，水流从第一排水门111排出，或者水流的力量使得第二排水门112打开时关闭第一排水门，水流从第二排水门112排出。采用进水管和排水管之间互相联动，可以使本装置在往复水流如海洋潮汐中工作。

所述蜗壳3、阻水板、控水板9和排水管11形成S形水流通道，使水流方向与水轮轴5转动方向一致，并且使进入S形水流通道的水流全部作用在叶片上，提高了本装置的转换效率。

上端盖1和下端盖2使蜗壳3内部密封，使水流更集中，更有效地推动水轮轴5转动，上端盖1和下端盖2上设有轴孔，所述轴孔中安装有水轮轴5，水轮轴5与所述轴孔之间安装有轴承6，所述叶片131、141及水轮轴5设置为密封中空或由内部填充轻质材料制成。这样使叶片及水轮轴的比重接近水的比重。可以减小合页和轴承的摩擦力，提高本装置的效率。水轮轴5的一端可通过增速箱与发电机或水泵连接。

如图2和图3所示，图2为叶片杆沿一个圆周分布的水轮轴结构示意图，此时相应的阻水板结构如图5所示；图3为叶片杆沿两个圆周分布的水轮轴示意图，此时相应的阻水板结构如图6所示。

如图2所示，所述水轮轴5中部固定连接有叶片圆盘12，叶片圆盘12与水轮轴5垂直连接，叶片圆盘12上设置有叶片杆，所述叶片杆包括上叶片杆13和下叶片杆14，上叶片杆13与上叶片131通过合页连接，下叶片杆14与下叶片141通过合页连接，上叶片131和下叶片141形状均为弧形，所述叶片杆呈网格状分布，形状为弧形，可让水流从叶片杆网格中通过，叶片杆网格的尺寸与阻水板间隔的尺寸互相配合，使阻水板间隔可让叶片杆及叶片通过，并能阻止或减少水流从阻水板间隔处通过。本实施例的上叶片杆13在叶片圆盘12的上表面沿圆周方向和径向方向排列，沿径向设置两层上叶片杆，位于两个圆周上，每个圆周设置2根叶片杆13；下叶片杆14在叶片圆盘12的下表面沿圆周方向和径向方向排列，沿径向设置两层下叶片杆14，位于两个圆周上，每个圆周设置2根下叶片杆14，上叶片杆13和下叶片杆14所在的圆周分别重合，上叶片杆13和下叶片杆14可以在圆周方向上间错设置，这样可以使叶片从阻水板间隔通过后能先后压在叶片杆上，防止叶片对水轮轴产生太大的冲力而影响水轮轴的稳定运转。

进一步的，可以沿叶片圆盘的圆周方向上设置大于两个上叶片杆或设置大于两个下叶片杆，并且可以将叶片杆设置在大于两个圆周上，这样使得叶片的面积相应减少，可以提高叶片的强度。

如图6所示，所述阻水板设置在水轮轴5与蜗壳前挡板4之间，包括上阻水板15和下阻水板16，上阻水板15固定安装在上端盖1上，下阻水板16固定安装在下端盖2上，所述的阻水板设置有调节通过阻水板水流流量的水流调节门152。所述水流调节门152可以安装在任意一块阻水板上。水流调节门的作用，通过调节水流通过阻水板的多少达到控制水轮轴获得水力的多少。关闭水流调节门，水流无法从阻水板处通过，水轮轴获得水力最大。打开水流调节门，水轮轴获得水力最少。

所述阻水板之间以及阻水板与蜗壳前挡板4之间留有供叶片、叶片杆和叶片圆盘通过的间隔，所述间隔包括上阻水板15之间以及上阻水板15与蜗壳前挡板4之间设置的供上叶片131和上叶片杆13通过的上叶片通道17、下阻水板16之间以及下阻水板16与蜗壳前挡板4之间设置的供下叶片141通过的下叶片通道18、上阻水板15与下阻水板16之间设置的供叶片圆盘通过的叶片圆盘通道19。所述上阻水板15和下阻水板16与水轮轴5之间适度配合，使水轮轴5可灵活转动，并阻止或减少水流从阻水板与水轮轴之间的间隙处通过。所述上阻水板15还装有引导上叶片131转动以通过上叶片通道17的上叶片导轨151，所述下阻水板16上还装有引导下叶片141转动以通过下叶片通道18的下叶片导轨161；所述上叶片导轨151和下叶片导轨161均为弧形管。

水流沿着进水管10从进水口7进入，由于阻水板的阻挡而在蜗壳内顺时针流动，水流推动上叶片131和下叶片141使水轮轴5顺时针转动，当叶片到达阻水板的位置时，所述上叶片131顺着上叶片导轨151逐渐打开并通过上叶片通道17，所述下叶片141顺着下叶片导轨161逐渐打开并通过下叶片通道18，叶片圆盘12则从叶片圆盘通道19通过，由于上叶片杆13和下叶片杆14间错安装在叶片圆盘的圆周上，因此，上叶片131和下叶片141在通过阻水板后会先后压住叶片杆或水轮轴5，防止叶片杆或水轮轴同时受力而出现跳动。

实施例2

如图4和图7所示，为本发明水流能量转换装置的实施例2，实施例2采用了与实施例1相同的S形水流通道和进水管，S形水流通道和进水管的结构在实施例1中已经阐明。

在实施例2中，水轮轴5的上部连接有一叶片杆圆盘27，叶片杆圆盘27设置有2根叶片杆20，均匀对称分布在叶片杆圆盘27上，所述叶片杆20连接有叶片21，叶片21通过合页与叶片杆20连接，叶片21可沿水平方向转动，所述水轮轴下部连接一叶片挡杆圆盘28，叶片挡杆圆盘28设置有2根叶片档杆22，所述叶片档杆22与所述叶片21轴向对应设置，用于限制叶片21只能向下运动到叶片档杆22处。

所述阻水板23固定在蜗壳前挡板4上，阻水板23与上端盖1之间留有供叶片21和叶片杆圆盘27通过的上间隔24，阻水板23与下端盖2之间设有供叶片档杆圆盘28通过的下间隔26。阻水板23上还设置有水流调节门231，水流调节门通过调节水流通过阻水板的水流量达到控制水轮轴获得水力的多少。关闭水流调节门，水流无法从阻水板处通过，水轮轴获得水力最大。打开水流调节门，水轮轴获得水力最少。

所述阻水板23与水轮轴5之间适度配合，使水轮轴5能灵活转动，并阻止或减少水流从阻水板与水轮轴之间的间隙处通过。

图8是本发明实施例2的叶片21的结构图，所述叶片21包括至少一片叶片单体211，叶片单体211为长方体叶片或带止口的长方体叶片。所述叶片21与叶片杆20之间通过合页连接。采用此结构，可调节叶片单体211组合成多片叶片同时向上翻起通过上间隔，并可使每片叶片通过上间隔后落下时有一定的时间差。这样每片叶片落下时对叶片挡杆的冲力就会减小，而不会影响水轮轴的稳定运转。

如图7所示，上端盖1和下端盖2之间设有可使叶片21下端翻起成水平以通过上间隔24的上升导条25，上升导条25的下端与下端盖2之间还留有可通过叶片挡杆圆盘28的间隔。当水轮轴5转动时，转动至上升导条25的叶片21下端与上升导条25接触，在上升导条25的作用下，叶片21下端向上翻起呈水平，即可通过上间隔24。

进一步的，叶片21及水轮轴5的内部设置为密封中空或内部填充轻质材料制成，这样叶片及水轮轴在水中的重力会减小，从而减小活页和轴承的摩擦阻力，提高本装置的效率。

本发明的两种技术方案都采用封闭的S形水流通道，S形水流通道将直线运动的水流改变为旋转运动的水流，并且水轮轴中的叶片都工作在方向相同的水流中，使水轮轴的水能转换的效率达到最大，做功后的水流经出水口、排水管排出。

本发明的两种技术方案实施时，根据江面河道或者海洋的自然环境条件及水流情况，将单台或多台本发明先串联组合成超过河流水深的高度，将本装置相连接构成为三角形或一字型将其投放在水中并固定。水流在阻水板的阻隔下，水流只能沿阻力小的方向流动，在水流推动下，外层的叶片压住内层的叶片杆，内层的叶片压住水轮轴，驱动水轮轴转动。当叶片运行至导轨时，叶片打开通过间隔后又能压住水轮轴的叶片杆及水轮轴，以此循环旋转从而达到水能转换的目的。

Claims (10)

1.一种水流能量转换装置，其特征在于：

包括上端盖、下端盖、将上端盖和下端盖连接起来的弧状蜗壳和蜗壳前挡板、与蜗壳末端连接的控水板；

所述上端盖和下端盖上设有轴孔，所述轴孔中安装有水轮轴，所述水轮轴中部连接有一叶片圆盘，所述叶片圆盘的上表面固定连接有至少二根上叶片杆，所述上叶片杆在叶片圆盘上部沿圆周和半径方向排列安装，所述叶片圆盘下表面固定连接有至少二根下叶片杆，所述下叶片杆在所述叶片圆盘下部沿圆周和半径方向排列安装，所述上叶片杆与上叶片活动连接，所述下叶片杆与下叶片活动连接；

所述蜗壳设有进水口和出水口，所述进水口与出水口之间设置有阻止水流通过的阻水板，所述阻水板包括设置在上端盖上的上阻水板和设置在下端盖上的下阻水板，所述阻水板之间和阻水板与蜗壳前挡板之间设置有供叶片、叶片杆以及叶片圆盘通过的间隔；所述出水口处设置有排水管，所述蜗壳、控水板、阻水板和排水管形成控制水流沿水轮轴转动方向流动的S形水流通道。

2.根据权利要求1所述的水流能量转换装置，其特征在于：所述上阻水板上装有引导叶片转动以通过所述间隔的上叶片导轨，所述下阻水板上装有引导叶片转动以通过所述间隔的下叶片导轨，所述阻水板设置有调节通过阻水板水流流量的水流调节门。

3.根据权利要求1所述的水流能量转换装置，其特征在于：所述叶片和叶片杆活动连接，其形状均为弧形，并具有与叶片杆所在圆周相同的弧度。

4.根据权利要求1所述的水流能量转换装置，其特征在于：所述叶片、水轮轴及叶片圆盘设置为密封中空或由内部填充轻质材料制成。

5.根据权利要求1所述的水流能量转换装置，其特征在于：所述进水口连接有进水管，所述进水管设有第一进水门和第二进水门，所述第一进水门和第二进水门均为单向水流门，所述第一进水门设置在进水管的末端，其进水方向与进水口的进水方向相反，第二进水门设置在进水管与进水口相对的一侧，进水方向与进水口进水方向相同。

6.根据权利要求1所述的水流能量转换装置，其特征在于：所述出水口连接有排水管，所述排水管两端设有第一排水门和第二排水门，所述第一排水门和第二排水门为单向门，所述第一排水门水流方向与进水口水流方向相同，所述第二排水门进水方向与进水口水流方向相反。

7.根据权利要求1所述的水流能量转换装置，其特征在于：所述控水板为与叶片杆弧度相配合的圆弧形，所述控水板为二分之一圆周以上的弧长。

8.一种水流能量转换装置，其特征在于：

包括上端盖、下端盖、将上端盖和下端盖连接起来的弧状蜗壳和蜗壳前挡板、与蜗壳末端连接的控水板；

所述上端盖和下端盖上设有轴孔，所述轴孔中安装有水轮轴，所述水轮轴上部连接有一叶片杆圆盘，所述叶片杆圆盘设置有至少二根叶片杆，所述叶片杆上活动连接有可绕叶片杆转动的叶片，所述水轮轴下部连接有一叶片挡杆圆盘，所述叶片挡杆圆盘设置有与叶片杆对应的可挡住所述叶片下端的叶片挡杆；

所述蜗壳设有进水口和出水口，所述进水口与出水口之间设置有阻止水流通过的阻水板，所述阻水板固定在蜗壳前挡板上，所述阻水板与上端盖之间留有供叶片和叶片杆圆盘通过的上间隔，所述阻水板与下端盖之间留有供叶片档杆圆盘通过的下间隔；

所述出水口处设置有排水管，所述蜗壳、控水板、阻水板和排水管形成控制水流沿水轮轴转动方向流动的S形水流通道。

9.根据权利要求8所述的水流能量转换装置，其特征在于：所述叶片包括至少1片以上的叶片单体，所述叶片单体为长方体叶片或带止口的长方体叶片。

10.根据权利要求8所述的水流能量转换装置，其特征在于：所述上端盖与下端盖之间设有可使叶片下端向上翻起成水平以通过上间隔的导条。