CN104632509A - 水平面流增速型发电站、动力站、水源站及其海上浮城 - Google Patents

水平面流增速型发电站、动力站、水源站及其海上浮城 Download PDF

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Abstract

本发明属水力机械领域，是利用运动转换定律和贝努利(Bernoulli)方程由设置在专用船舶或海上浮城上的水平面增速型水洞3将自然水流速度V1≤1m/sec增至V2≥200m/sec的高速水源推动透平2，并带动发电机1形成的发电站；由透平2带动各种负荷机械形成的动力站；及由增速型水洞3的出口6连接扬程管26形成的水源站，该站不需要其他动力装置及水泵可将渤海之水提升向西灌向新疆塔克拉玛干沙漠，或将大西洋之水提升向东灌向北非沙哈拉沙漠，以彻底改善全球气候条件。故本发明可以代替为数不多的高位水坝，使广泛的江河海洋的平面水流动力转化为取之不尽的廉价、清洁且可持续的能源，是第三次工业革命的重大主题项目。

Description

水平面流增速型发电站、动力站、水源站及其海上浮城
 本发明属水利机械领域，是利用运动转换定律和贝努利(Bernoulli)方程由设置在专用船舶或海上浮城上的水平面增速型水洞3将自然水流速度V1≤1m/sec增至V2≥200m/sec的高速水源推动透平2，并带动发电机1形成的发电站；由透平2带动各种负荷机械形成的动力站；及由增速型水洞3的出口6(或经环形进水总管22)与扬程管26相连接形成的水源站，该站不需要其他动力装置及水泵可将渤海之水提升向西灌向新疆塔克拉玛干沙漠，或将大西洋之水提升向东灌向北非沙哈拉沙漠，以彻底改善全球气候条件。故本发明可以代替为数不多的高位水坝，使广泛的江河海洋的平面水流动力转化为取之不尽的廉价、清洁且可持续的能源，是第三次工业革命的重大主题项目。
 一种水力发电站，特别是一种江、河、海、洋动压水力发电站，其特征为：一种单台机组功率在＜1000KW至＞1000000KW的水洞增速型水力发电站的基本元件带有发电机1、水力透平2的水源进口处设置一个或数个使江、河、海、洋平面流水的自然流速V1≤1m/sec增至V2≥200m/sec的增速型水洞3的出口6，增速型水洞3的横向断面壳体具有周向密闭性其进口5始终处于水面以下，其截面积F1＞＞F2——出口6并具有使发电机恒速运动的径向或周向局部开口调整装至，增速型水洞3的出口6它的位置可以在进口5相同平面也可是其上方或下方位置。增速型水洞3的横断面壳体可以是圆形、方型、椭圆形，水力透平2的安置基座15是海上浮城或专用船舶4上的一个平台，每个增速型水洞3的进口5及出口6都有各自的开闭且可调节的门16和17。增速型水洞3的纵向轴线可以是直线型、相同平面螺旋型、等角或不等角螺线型，不同平面具有轴向导角型，为使海上浮城或专用船舶4左、右两方的水冲压力相平衡以双台机组为佳，当海上浮城或专用船舶4与水下桩塔9以固结方式相联接时，每个水力透平2的径向设置1个及1个以上的信流方向的增速型水洞3。当海上浮城或专用船舶4可以回绕水下桩塔9的轴线旋转以迎合水流方向时，则每台水力透平2设施一个增速型水洞3，这时海上浮城或专用船舶4底部的重心部位与水下桩塔9的顶部以巨型且有可轴向移动的球绞轴承10相联接，以及为平衡海浪冲击增加对船舶左右弦的倾翻的稳定性在左右两弦设置一定吃水深度附体的专用船舶4，其特大者面积可达若干平方公里，可供大量人口居住且含有交通及农、工、商业设施的海上浮城4，本发明可供立式、卧式水力透平，它的水流动压增速型水洞3的出口水流速度分别可达60～120m/sec的别通(pelton)透平(含单喷口和多喷口透平)，水流速度在20～117m/sec间的弗伦西斯(Franeis)透平和达纳尔(Diagonal)透平，和水流速度达(5～32m/sec的怖尔勃(Bulb)透平和标准s型透平，当作为发电站时由透平轴带动发电机、当作为动力站时由透平轴带动各类负荷机械、当作为水源站时可将增速型水洞3的出口6(或经环形进水总管22)与扬程管26相接将水扬注入引水河床27。如将渤海之水提升向西灌向新疆塔克拉玛干沙漠
作为浮游式海上浮城或专用船舶设置的它驱式船舶螺旋推进器及其动力传动装置，与锚链21相联接的水底地面地桩群19，供与海底输配电缆相联接的灯塔式活动供电枢纽。
当采用海上浮城特别多台枢纽发电机组时，各透平发电机组的中心呈圆形布置，其径向以进流管24与环形进流总管22相联接，其外侧通过增速型水洞出口6与增速型水洞3相联接，各个水力透平2的出水由各自的卸流管(槽)25卸向环形流管(槽)23或各自卸向自由水面，及具有上述诸设施的海上浮城。
 作为海上浮城的枢纽发电站其水力透平2、发电机1的数量可以是数台或数十台及其电站所属供蓄变电系统。
 增速型水洞3的材料含：钢结构型、复合或单层钢板型、工程塑料、铝合金。
 海上浮城或专用船舶4的周向的制动装置的传动方式可由独立电源之动力源的原动机(柴油机或独立电源之电动机)驱动具有自锁性能的减速机(如蜗轮付)其慢速轴带动滚筒上的钢丝绳11的两端以多箍的方式缠绕于水下桩塔9的外缘，周向制动装置接受水流方向讯号将海上浮城或专用船舶4定位于某个方向。
 巨型径向轴承10由内圈12的内径固结于桩塔9的外缘，其外径与中圈13的内径间具有间隙，并可以上下移动，中圈13的外径是一种凸形的球形体，它与具有凹形球形体的外圈14的内圈12相配合，外圈14的外径固结在安置基座15上。
 海上浮城或专用船舶4的左右弦之平台与船体之联结可以是焊接整体，也可以是群铰链联体，其与桩塔9的联结可以是球形径向的轴承10相联结，也可以是固结模式，桩塔9的数量及位置因地适宜地设施。
 作为浮游式海上浮城或专用船舶设置的它驱式船舶螺旋推进器及其动力传动装置，与锚链21相联接的水底地面地桩群19，供与海底输配电缆相联接的灯塔式活动供电枢纽。
 背景技术：
我国的水轮机的发明及利用已经有几千年的历史，它们大都是一种径向流的水力动力机，用于农业加工及灌溉如今在有水源的山区有一定数量存在，它是我国古代文明的一种象征和骄傲。
世界水轮发电机具有悠久的历史，据报导：一位法国工程师勃诺突福尼龙(Benoit Foumey-ron)在1830年设计了一台功率约50KW的水轮发电机，其转速为2300r.p.m效率超过80％。
美国工程师卓米.皮.弗伦西斯(James B Francis)首次设计了径向流水轮发电机，得到广泛的利用，其水力压头在10～100m。别通透平(Peloton turbine)是以美国发明者莱斯突.A.别尔通名命的，它是一种多叶片径向流的装置，喷口可以使单个或多个，其水力压头可高达2000m。
 在现今技术中，水轮机的水源都是以高位水的静压作为动力源的。如<Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbo machinery>一书P.307所述别通透平(Peloton)的水压头为200～2000m，弗伦西斯(Francis)透平的压头为50～700m；达纳尔(Diagonal)透平的水压头为5～50m，本发明将其转化为相应的水流速度m/sec。
 本发明原理：
本发明的原理之一是利用流体力学的贝努利(Bernoulli)方程和运动转换定律<详见E.M.ФATEEB著BETPOдBИΓATEлИиBETPOyCTAHOBkИp19中的运动转换定律(3akoH oбpaЩeHиядBИжeHИяF1V1＝F2V2＝const)>将平流状态的水的自然流速V1≤lm/sec提升到现今技术中各类透平的水位静压压头相应水平，即V2＝10～200m/sec，此定律的最终表达式为F1V1＝F2V2＝常数，式中：F1V1是增速型水洞(1)的进口(5)的截面积和水的流速，F2V2为增速型水洞(1)的出口(6)的截面积和水的流速，上式表明增速型水洞3的各个断面上水流质量m相等，而动能则各不相同。
水的动压流速V与静压高度的转换式是众所周知的h-为静压高度m，g-为落体加速度9.81m/sec2，由上式可知，如我国三峡水电站水库水面高176m，若其净落差为120m，则其速度为48m/sec。
水电和风电一样，均属于流体力学的运用范畴，故他们激动盘的单位面积功率都是与速度V3成正比，所不同的是两者密度ρ值不同，水之密度ρ＝1000kg/m3，空气为1.25kg/m3，故水的单位重量是空气的倍。而地球表面积上大部是海洋，而月亮姐姐时时刻刻在摆弄海洋潮汐流动，相对而言江河的高位水库的储量是有限的，故开发海洋潮汐发电更是在绿色能源开发的一个大项，也应该是第三次工业革命的主流项。
 这种江、河、湖、海洋动压水力发电站的特征为：运用运动转换定律在其基本元件带有发电机1、水力透平2的水源进口处设置一个或数个使江、河、湖、海洋平向流水的自然流速V1≤1m/sec增至V2≥200m/sec的增速型水洞3，其出/进口动能的增值为，如上数I＝2002＝40000倍，它可以广泛代替为数甚少的高位水坝，使广泛的海洋江河的潮汐平流成为取之不尽的能源，既廉价、清洁，而且是可持续，是第三次工业革命的主题项目。
 本发明优点：
本发明属绿色能源，分布最广储能源最多的可持续发展项目，只要河流在流淌、月球还在绕地运动，这种能量即生生不息，取之不尽，用之不竭，而当地球陆地人口密度过大时，向海洋上具有本发明装置的海上浮城移居应该是一个很好的选项，而即使是一种本发明的专用装置的专业船舶，它可以通过海底电缆向陆地供电。
 本发明与依赖高水位、大落差、拦河坝式发电站相比，就增速型水洞(3)的结构而言其投资费用是很小的，而若一个本发明的专用船舶上装有2台700MW的发电机，假设其排水量为4万吨，以1万元/吨计则其整体费用仅为4亿元人民币，而供水站因不需透平和泵，更为经济。
 本发明不须设置高矗的拦河坝，其主要部件如大功率水力透平及其发电机均可沿用现有技术的装备，如能得到广泛实施不是很可能避免能源争夺之战吗？本发明人今年82岁，从事机械设计研究工作整整60年，此刻我即兴而歌曰：“如果大海能够按照此法安排，就让能源之战渐渐走远...”呼吁！世界各国政要与同仁共勉之！
长江只有一条，只能提供一个三峡发电站，而我国的海疆里可以提供无限个的三峡容量的发电站，何况现在所知世界明智国家已对核电持放弃势态！
 例：设在专用船舶(4)上并列安设2台200MW垂直轴式弗伦西斯(Francis)透平，其旋转直径为5m，净水压头为110m总装机容量为400MW。如安设24个700MW机组则总装机容量可达三峡大坝总容量，本发明的海上浮城多台枢纽发电机组可以满足以上要求。
 下面结合附图详细说明本发明的实施方案：图1是双机座水力发电站对称机组直线水洞增速型专用船舶或海上浮城。
 图2单机座水力发电站螺旋型等角螺线或不等角螺线增速型水洞专用船舶或海上浮城。
 图3是单机座水力发电站多方位直线水洞增速型专用船舶或海上浮城。
 图4是专用船舶4与水下桩塔9水底地面的地桩群19、锚铸21局部剖面图。
 图5是水力透平2及发电机1的剖面安装剖面图。
 图6是海上浮城特别多台水力枢纽发电机组的海上浮城局部平面布置图。
 图7是专用船舶或海上浮城的水源站
 1是发电机
 2是水轮机
 3是增速型水洞
 4是专用船舶或海上浮城
 5是增速型水洞入口
 6是增速型水洞出口
 7是发电机剖面图
 8是水力透平剖面图
 9是水下桩塔
 10是巨型径向轴承
 11是周向制动装置之钢绳
 12是内圈
 13是中圈
 14是外圈
 15是水力透平的安置基座
 16是增速型水洞3的进口调节、开闭门
 17是增速型水洞3额出口调节、开闭门
 18是尾舵
 19是水底地面的地桩群
 20是水底陆地
 21是船用专制锚链
 22是环形进流总管
 23是环形泄流管(槽)
 24是进流管
 25是泄流管(槽)
 26是扬程管
 27是引水河床
 H是提水扬程
实施本发明的最佳方案是利用现有技术中的成熟的就目前而言单机容量可达700MW各类水力透平及发电机作基本动力部，并以海洋船舶设计制造业为基础，供配电行业相配合，以第三次工业革命的使命为动力，理应收到世界各国政府的有力支持，凡世界有爱心于子孙后代的同仁们的共同努力并不难办成此事且得到普及运用！！本发明人当不遗余力参与其有关设计及研制工作。

Claims (7)

1.一种水力机械站，特别是一种江、河、海、洋水平面流水洞增速型发电站、动力站、水源站及其海上浮城，其特征为：作为发电站是一种单台机组功率在＜1000KW至＞1000000KW的水洞增速型水力发电站的基本元件带有发电机(1)、水力透平(2)的水源进口处设置一个或数个使江、河、海、洋平面流水的自然流速V1≤1m/sec增至V2≥200m/sec的增速型水洞(3)的出口(6)，增速型水洞(3)的横向断面壳体具有周向密闭性其进口(5)始终处于水面以下，其截面积F1＞＞F2——出口(6)并具有使发电机恒速运动的径向或周向局部开口调整装置，增速型水洞(3)的出口(6)它的位置可以在进口(5)相同平面也可是其上方或下方位置。增速型水洞(3)的横断面壳体可以是圆形、方型、椭圆形，水力透平(2)的安置基座(15)是海上浮城或专用船舶(4)上的一个平台，每个增速型水洞(3)的进口(5)及出口(6)都有各自的开闭且可调节的门(16)和(17)。增速型水洞(3)的纵向轴线可以是直线型、相同平面螺旋型、等角或不等角螺线型，不同平面具有轴向导角型，为使海上浮城或专用船舶(4)左、右两方的水冲压力相平衡以双台机组为佳，当海上浮城或专用船舶(4)与水下桩塔(9)以固结方式相联接时，每个水力透平(2)的径向设置1个及1个以上的信流方向的增速型水洞(3)。当海上浮城或专用船舶(4)可以回绕水下桩塔(9)的轴线旋转以迎合水流方向时，则每台水力透平(2)设施一个增速型水洞(3)，这时海上浮城或专用船舶(4)底部的重心部位与水下桩塔(9)的顶部以巨型且有可轴向移动的球绞轴承(10)相联接，以及为平衡海浪冲击增加对船舶左右弦的倾翻的稳定性在左右两弦设置一定吃水深度附体的专用船舶(4)，其特大者可供人居住及农、工、商业设施的海上浮城(4)，本发明可供立式、卧式水力透平，它的水流动压增速水洞(3)的出口水流速度分别可达60～120m/sec的别通(pelton)透平(含单喷口和多喷口透平)，水流速度在20～117m/sec间的弗伦西斯(Francis)透平和达纳尔(Diagonal)透平，和水流速度达(05～32m/sec的怖尔勃(Bulb)透平和标准s型透平，当作为发电站时由透平轴带动发电机、当作为动力站时由透平轴带动各类负荷机械、当作为水源站时可将增速型水洞(3)的出口(6)(或经环形进水总管(22))与扬程管(26)相接将水扬注入引水河床(27)。
当采用海上浮城特别多台枢纽发电机组时，各透平发电机组的中心呈圆形布置，其径向以进流管(24)与环形进流总管(22)相联接，其外侧通过增速型水洞(3)出口(6)与增速型水洞(3)相联接，各个水力透平(2)的出水由各自的卸流管(槽)(25)卸向环形流管(槽)(23)或各自卸向自由水面及具有上述诸设施的海上浮城。
2.根据权利要求1所述结构其特征为：作为多台的枢纽发电站其水力透平(2)、发电机(1)的数量可以是数台或数十台及其电站所属供蓄变电系统。
3.根据权利要求1所述结构其特征为：增速型水洞(3)的材料含：钢结构型、复合或单层钢板型、工程塑料、铝合金。
4.根据权利要求1所述结构其特征为：海上浮城或专用船舶(4)的周向的制动装置的传动方式可由独立电源之动力源的原动机(柴油机或独立电源之电动机)驱动具有自锁性能的减速机(如涡轮付)其慢速轴带动钢丝绳滚筒(11)的两端以多箍的方式缠绕于水下桩塔(9)的外缘，周向制动装置接受水流方向讯号将海上浮城或专用船舶(4)定位于某个方向。
5.根据权利要求1所述结构其特征为：巨型径向轴承(10)由内圈(12)的内径固结于桩塔(9)的外缘，其外径与中圈(13)的内径间具有间隙，并可以上下移动，中圈(13)的外径是一种凸形的球形体，它与具有凹形球形体的外圈(14)的内圈(12)相配合，外圈(14)的外径固结在安置基座(15)上。
6.根据权利要求1所述结构海上浮城或专用船舶的左右弦之平台与船体之联结可以是焊接整体，也可以是群铰链联体，其与桩塔(9)的联结可以是球形径向的轴承(10)相联结，也可以是固结模式，桩塔(9)的数量及位置因地适宜地设施。
7.作为浮游式海上浮城或专用船舶设置的它驱式船舶螺旋推进器及其动力传动装置，与锚链(21)相联接的水底地面地桩群(19)，供与海底输配电缆相联接的灯塔式活动供电枢纽。
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