CN104895738B - 一种水力自浮式高效动力转换输出装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水力自浮式高效动力转换输出装置，本发明公开了一种水力自浮式高效动力转换输出装置，包括基座、集水仓、中控平台、泵体装置、泵芯装置、阀控装置、锁控装置和动力转换装置，所述的泵体装置包括动力汲水仓、动力供水仓和泵阀装置所述的泵芯装置包括缓冲水仓、平衡水仓和汲排水仓，三者自下而上依次联接；所述的汲排水仓上部设置高位汲水阀，汲排水仓下部设置排水阀；阀控装置包括承接水管、排水阀驱动装置及与之联接的综合液压站，排水阀驱动装置与排水阀驱动配合；所述的排水阀连接蓄能装置，蓄能装置连接水力动力转换装置。本发明实现大容量高扬程水提升并用于发电。本发明减少内部能耗，有利于将静水资源转换为动力对外输出。

Description

一种水力自浮式高效动力转换输出装置

技术领域

本发明属于液体泵送设备技术领域，具体涉及一种结构简便，能够以泵送介质之浮力能为动力的水力自浮式高效动力转换输出装置。

背景技术

水不仅是人们赖以生存的基础，水力能更是一种可再生的能源，为人类的生产、生活提供了极大的便利。传统的水力能利用方式通常是利用江河之自然落差形成的势能，即通过水力势能向动能的转换，冲击低位的水轮机进行发电。当然，还有利用海洋潮汐能来发电的水力能利用方式。但是，这些利用方式，都依赖于自然地理条件，客观上这些资源都是非常有限的。为了进一步开发水力能并使之应用于更广大缺乏能够形成水力自然落差资源的地区，本申请人曾开发了将静水提升到高处形成高位势能，进而转换为动能并通过机械方式为发电机提供能量，进而达到利用静水进行动力输出与发电的目的。这种技术的关键是需要大容量，低能耗的高扬程水泵送装置。为此，本申请人开发了一种垂直重力强压式大容量水高效泵送装置（CN103982393），该装置能够高效地将大容量水（或水）高扬程泵送到高位，以满足静水水力发电势能的需要。但是，该装置尚需要一定量的电力消耗，如何降低系统内的能量消耗，以及如何提高提升装置之活塞仓以及配重仓的浮升效率，是提高泵送效率，节省能耗的关键，也导致动力转换效率降低。进一步研制开发一种基于利用系统内介质自生浮力提高浮升效率，且能有效降低系统运行动力消耗的高效动力转换输出装置是非常必要的，且具有巨大的应用潜力。

发明内容

本发明目的在于提供一种结构简单，工作简便，能够以泵送介质之浮力能为动力的水力自浮式高效动力转换输出装置，适用于利用静水资源高效转换为外输动力。

本发明目的是这样实现的，包括基座、集水仓、中控平台、泵体装置、泵芯装置、阀控装置、锁控装置和水力动力转换装置，所述的基座底部设置集水仓，所述的集水仓中设置泵体装置，并与其中设置的泵芯装置动配合；所述的泵体装置包括动力汲水仓和设置于其上方的动力供水仓，两者之间设置泵阀装置，所述泵阀装置与泵芯装置动态密封配合，所述的动力汲水仓底部设置汲水阀；所述的泵芯装置包括缓冲水仓、平衡水仓和汲排水仓，三者自下而上依次联接；所述的汲排水仓上部设置高位汲水阀，所述的高位汲水阀与设置于动力供水仓内壁上的进水阀触控装置动配合；汲排水仓下部设置排水阀，所述的排水阀与设置于动力供水仓内壁中部的密封承接套动态承接配合，动力供水仓外部对应的中控平台上设置阀控装置和低位蓄能装置，阀控装置包括承接水管、排水阀驱动装置及与之联接的综合液压站，排水阀驱动装置通过承接水管密封承接套与排水阀驱动配合，所述的低位蓄能装置包括蓄能水管、势能水管和蓄能水仓，所述的蓄能水管分别与承接水管和排水阀驱动装置连接配合；所述的泵体装置顶部设置锁控装置，锁控装置与泵芯装置之导管顶部设置的进水定位锁头动配合；所述的泵芯装置设置联通平衡水仓的平衡调整管，所述的势能水管连接水力动力转换装置。

本发明基于泵体装置内的泵芯装置满荷沉降-占容挤排水至高位——泵芯装置低位排水-卸载浮升至高位——接水满载再次沉降-占容排水的原理，赋予泵芯装置双重功能，通过泵芯装置“排水减重与注水配重”实现其浮沉并大容量提升水的目的。通过外部阀控装置、锁控装置简化系统内部结构，有助于减少内部运行阻力，减少内部能耗，从而更有效地将大容量水输送到水力动力转换装置中用于发电并对外输出。本发明结构简单，工作稳定可靠，耗电小、提升及泵水速度快，而且泵水量大，可用于大容量水的垂直大高度提供用于高地供水以及无自然落差水资源地方的水力发电，可建造大型静水电站，是一种高效节能之泵水设备及动力转换输出设备。

附图说明

图1为本发明整体结构半剖示意图，且泵芯装置处于浮升之高位状态；

图2为本发明之泵芯装置处于沉降之低位状态；

图3为图1之AA向视图；

图4为图1之BB向视图；

图5为图1之CC向视图；

图6为图1之DD向视图；

图7为图1之EE向视图；

图8为图1之FF向视图；

图中：1-基座，2-集水仓，201-水仓门，3-中控平台，4-泵体装置，401-汲水阀，402-汲水管，403-动力汲水仓，404-动力供水仓，405-泵阀装置，4051-隔板，4052-密封环，4053-动态垂闸阀，4054平闸阀，4055-平闸阀驱动装置，406-密封承接套，407-排水锁定装置，408-泵体连接法兰；5-泵芯装置，501-缓冲水仓，502-平衡水仓，503-汲排水仓，504-导管，505-底阀控制缆，506-排水阀，507-高位汲水阀，508-进水阀触头，509-进水阀触控装置，510-动态底水阀，511-平衡调整管，512-进水定位锁头；6-阀控装置，601-承接水管，602-综合液压站，603-排水阀驱动装置，604-垂闸阀驱动装置，605-汲水阀控装置，606-导杆，607-杠杆，608-连杆；7-低位蓄能装置，701-蓄能法兰，702-蓄能水管，703-势能水管，704-蓄能水仓，8-锁控装置，801-定位锁控装置，802-驱动装置，803-导轨，9-水力动力转换装置，901-水轮式发电机，902-水轮机进水管，10-高位泄流阀，11-机架，12-操作柜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，依据本发明的教导所作的任何变更或替换，均属于本发明的保护范围。

如图1~图8所示，本发明所述的水力自浮式高效动力转换输出装置，包括基座1、集水仓2、中控平台3、泵体装置4、泵芯装置5、阀控装置6、锁控装置8和水力动力转换装置9，所述的基座1底部设置集水仓2，所述的集水仓2中设置泵体装置4，并与其中设置的泵芯装置5动配合；所述的泵体装置4包括动力汲水仓403和设置于其上方的动力供水仓404，两者之间设置泵阀装置405，所述泵阀装置405与泵芯装置5动态密封配合，所述的动力汲水仓403底部设置汲水阀401；其特征是：所述的泵芯装置5包括缓冲水仓501、平衡水仓502和汲排水仓503，三者自下而上依次联接；所述的汲排水仓503上部设置高位汲水阀507，所述的高位汲水阀507与设置于动力供水仓404内壁上的进水阀触控装置509动配合；汲排水仓503下部设置排水阀506，所述的排水阀506与设置于动力供水仓404内壁中部的密封承接套406动态承接配合，动力供水仓404外部对应的中控平台3上设置阀控装置6和低位蓄能装置7，所述的阀控装置6包括承接水管601、排水阀驱动装置603及与之联接的综合液压站602，排水阀驱动装置603通过承接水管601、密封承接套406与排水阀506驱动配合，所述的低位蓄能装置7包括蓄能水管702、势能水管703和蓄能水仓704，所述的蓄能水管702分别与承接水管601和排水阀驱动装置603连接配合；所述的泵体装置4顶部设置锁控装置8，锁控装置8与泵芯装置5之导管504顶部设置的进水定位锁头512动配合；所述的泵芯装置5设置联通平衡水仓502的平衡调整管511，所述的势能水管703连接水力动力转换装置9。

所述的泵体装置4顶部设置高位泄流阀10，所述的高位泄流阀10联接水力动力转换装置9。

所述的水力动力转换装置9为水轮式发电机901，其通过水轮机进水管902连接势能水管703或高位泄流阀10。

所述的泵阀装置405为舱式结构，通过隔板4051分为上下两部分，分别连接动力汲水仓403和动力供水仓404，所述隔板4051上设置密封环4052，所述的密封环4052之上设置平闸阀4054，平闸阀4054之上设置动态垂闸阀4053，所述的平闸阀4054内环缘与泵芯装置5之平衡水仓502动态密封配合；所述的平闸阀4054上下面分别与动态垂闸阀4053、密封环4052动态密封配合；所述的动态垂闸阀4053与垂闸阀驱动装置604驱动配合。

所述的泵阀装置405之隔板4051为环式结构，其内环缘设置与平闸阀密封配合的密封环4052，密封环4052内环与泵芯装置5之平衡水仓502外壁之间设置过水环；所述的密封环4052之上面与平闸阀底面密封配合；所述的平闸阀4054之闸板设置垂向过水孔，所述的平闸阀4054为对开分体式结构，两外侧设置所述的平闸阀4054上面与动态垂闸阀4053之底面密封配合联接。

所述的汲排水仓503上部沿圆周均布高位汲水阀507，所述的高位汲水阀507为朝向汲排水仓503内部开启的单向阀，设置进水阀触头508，所述的进水阀触头508与设置于动力供水仓404上部的进水阀触控装置509动态配合；所述的缓冲水仓501与平衡水仓502之间互不联通，缓冲水仓501底部设置动态底水阀510，动态底水阀510之底阀控制缆505通过导管504连接控制装置；所述的平衡水仓502与汲排水仓503分隔设置，平衡水仓502通过平衡调整管511联通至汲排水仓503之顶外部；所述的导管504延伸之汲排水仓503之顶外部且设置进水定位锁头512。

所述的动力汲水仓403下部沿圆周均布汲水管402且分别设置汲水阀401，所述的汲水阀401为朝向动力汲水仓403内部开启的单向阀，所述单向阀设置单向触控头与汲水阀控装置605联接，两者动态配合。

所述的汲水阀401沿泵体轴向叠加式设置，上下汲水阀401之单向触控头依次通过导杆606、杠杆607、连杆608与汲水阀控装置605同步联接，动态配合。

所述的泵体装置4外部设置中控平台3，其上设置综合液压站602，所述的综合液压站602分别液压联接排水阀驱动装置603、锁控装置8和排水锁定装置407；所述的排水阀驱动装置603通过密封承接套406与排水阀506触控配合；所述的锁控装置8包括定位锁控装置801、驱动装置802和导轨803，所述的定位锁控装置801通过导轨803固定于泵体装置4顶部平台上，驱动装置802对称设置于导轨803之间，且与进水定位锁头512卡锁式配合；所述的排水锁定装置407设置于泵体装置4之内壁上部，且其伸缩端与泵芯装置5顶部压接配合。

所述的承接水管601之进口侧连接密封承接套406、排水阀506，其出口侧联接低位蓄能装置7，所述的低位蓄能装置7包括蓄能水管702、势能水管703和蓄能水仓704，蓄能水管702通过蓄能法兰701连接承接水管601；所述的蓄能水管702与排水阀驱动装置603密封配合，排水阀驱动装置603之活塞通过蓄能水管702之平直段，并经过承接水管触控排水阀506。

所述的泵体装置4顶部设置包围于高位出水阀10外围的高位缓冲水槽11，高位缓冲水槽11设置高位泄流阀12。

所述的动态底水阀510为液压工作阀，所述的底阀控制缆505为液压管，连接综合液压站602；所述的动态底水阀510为电磁工作阀，所述的底阀控制缆505为控制电缆，连接电控制系统。

所述的提升装置设置总控系统，控制各阀控及动态部件的工作。

所述的势能水管703垂直或倾斜0~45°设置；所述的势能水管702之上部进口管口径大于出口口径0~30%。

本发明的工作原理与工作过程：

本发明基于泵体装置内的泵芯装置满荷沉降-占容挤排水至高位——泵芯装置低位排水-卸载浮升至高位——接水满载再次沉降-占容排水的原理，赋予泵芯装置双重功能，通过泵芯装置“排水减重与注水配重”实现其浮沉并大容量提升水的目的。通过外部阀控装置、锁控装置简化系统内部结构，有助于减少内部运行阻力，减少内部能耗，从而更有效地将大容量水输送到水力动力转换装置用于发电并对外输出。即不论是蓄能水仓中的水还是高位缓冲水槽中的水因其高度而具有不同的势能，通过管道导入水轮式发电机，即可将势能转为动能，动能通过水轮驱动发电机转换成电能，对外输出。

工作前准备，先关闭泵芯装置之动态底水阀，解除锁控装置之锁定状态，将泵体之泵阀装置打开，将泵体内注满水，空仓的泵芯装置自然浮升至高位，然后通过平衡调整管向平衡水仓内注水，直至泵芯装置刚刚开始下沉位置即为泵芯装置之初始状态。

正常工作运行时，其工作程序就是系统各部件协同工作，泵芯装置5循环完成“浮升”与“下沉”两个动作，实现泵芯下沉提水至高位，同时卸载泵芯水；上浮汲水进泵体，继而高位泵芯注水满仓再下沉，如此循环往复，实现连续提水之目的。即泵芯装置之汲排水仓503低位排水减重后在浮力的作用下上升至高位，与此同时泵体装置之汲水阀401在阀控装置驱动下自动打开，将泵体外部水吸入动力汲水仓403内，升至高位的泵芯装置被顶部的锁控装置8锁定，同时高位汲水阀507之触控头触及进水阀触控装置509后自动打开，泵体装置之动力供水仓404的高位水自动进入泵芯装置的汲排水仓503内，水灌满后，锁控装置8自动解锁，泵芯装置5在重力作用下自动下沉至低位，此时，汲排水仓503之排水阀506与密封承接套406联接，且在阀控装置6的液压作用下自动打开，同时，综合液压站控制排水锁定装置407工作，将泵芯装置压制锁定于低位，使汲排水仓503内的水完全排出，流入蓄能水仓704中待用，并使泵芯装置恢复到初始状态；随着泵芯装置的下沉，泵体装置之动力汲水仓403内的水被挤压通过泵阀装置405进入动力供水仓404，当汲排水仓503的水排空后，综合液压站602解除排水锁定装置407的工作状态，“释放”泵芯装置，以备为泵芯装置开始下一工作循环，即浮升至高位为其汲排水仓供水。蓄能水仓的水导入水轮发动机即可将水力能量转换电能输出。

泵体装置之动力汲水仓403内设置的汲水阀401为组联式结构，且沿圆周均布，上下叠置的汲水阀之触控头通过导杆联接，并利用设置于支架上的杠杆联接汲水阀控装置的连杆，实现动态驱动配合。汲水时，汲水阀打开，汲水仓注满后，汲水阀自动关闭。

泵体装置之泵阀装置为组合式动态阀结构，密封环与平闸阀底面密封，当泵芯装置处于上行，汲水阀401打开，外部水进入泵体内，此时，缓冲水仓501底部的动态底水阀510打开，平衡缓冲水仓501内外的压力（其中的水与进入泵体内的水“接应-占位”，一是使得内外压力平衡，防止泵芯装置“吸着-粘滞”增大泵芯装置运行的阻力；二是“占位”防止已经提升到泵体高位的水“滑卸”；三是保证进入汲水仓的水也同时进入缓冲水仓，为下一工作循环做储备。当泵芯装置上升到高位被锁定的同时，汲水阀401和动态底水阀510关闭，高位汲水阀507打开，动力供水仓404内的水进入汲排水仓503中，水注满后，泵芯装置被解除锁定，自动下行至低位，此时，排水阀506通过密封承接套40、承接水管601与蓄能水管702联接，排水阀驱动装置603在液压作用下，驱动排水阀506打开，水经过承接水管、蓄能水管进入蓄能水仓。水从泵外进入汲水仓，泵芯装置上行前，动态垂闸阀4053在控制装置驱动下下行，使之与平闸阀板密封配合，“封闭”平闸阀板上的矩阵式进水孔，与此同时，平闸阀4054在其控制装置驱动下解除对泵芯装置的锁定，确保泵芯装置上行运动自如，此时，泵体内水进入动态供水仓的通路被封闭，水只进入汲水仓，并通过打开的动态底水阀510与缓冲水仓501中联通，完成系统汲水过程，泵芯装置行至高位后，平闸阀密封锁定泵芯装置，等待汲排水仓注水。泵芯装置注水配重后，下行前，动态垂闸阀4053在控制装置驱动下上行，解除与平闸阀的密封配合，“释放”平闸阀板上的矩阵式进水孔，与此同时，平闸阀4054在其控制装置驱动下解除对泵芯装置的密封锁定，水的上行通路被打开，随着泵芯装置的下行，汲水仓内的水顺着泵阀通路上行至动态供水仓404；当泵芯装置下行至低位时，平闸阀锁定密封泵芯装置，同时动态垂闸阀4053下行与平闸阀的密封配合，“封闭”平闸阀板上的进水孔，汲排水仓503的水按上述方式排至蓄能水仓；泵芯装置减重，准备上浮，进入下一工作循环。

锁控装置位于系统的顶部，其作用在于通过与泵芯装置顶部的进水定位锁头的配合动态锁控泵芯装置，即定位锁头上升到高位时，综合液压站控制锁控装置之驱动装置，带动定位锁头两侧的定位锁控装置沿导轨开启或闭合运动，即时锁定或解除对定位锁头，控制泵芯装置在高位“暂停”，以便系统向汲排水仓注水，并保证注满后方能解除锁定，“释放”泵芯装置，并等待下一工作循环的到来。

Claims (9)

1.一种水力自浮式高效动力转换输出装置，包括基座（1）、集水仓（2）、中控平台（3）、泵体装置（4）、泵芯装置（5）、阀控装置（6）、锁控装置（8）和水力动力转换装置（9），所述的基座（1）底部设置集水仓（2），所述的集水仓（2）中设置泵体装置（4），并与其中设置的泵芯装置（5）动配合；所述的泵体装置（4）包括动力汲水仓（403）和设置于其上方的动力供水仓（404），两者之间设置泵阀装置（405），所述泵阀装置（405）与泵芯装置（5）动态密封配合，所述的动力汲水仓（403）底部设置汲水阀（401）；其特征是：所述的泵芯装置（5）包括缓冲水仓（501）、平衡水仓（502）和汲排水仓（503），三者自下而上依次联接；所述的汲排水仓（503）上部设置高位汲水阀（507），所述的高位汲水阀（507）与设置于动力供水仓（404）内壁上的进水阀触控装置（509）动配合；汲排水仓（503）下部设置排水阀（506），所述的排水阀（506）与设置于动力供水仓（404）内壁中部的密封承接套（406）动态承接配合，动力供水仓（404）外部对应的中控平台（3）上设置阀控装置（6）和低位蓄能装置（7），阀控装置（6）包括承接水管（601）、排水阀驱动装置（603）及与之联接的综合液压站（602），排水阀驱动装置（603）通过承接水管（601）密封承接套（406）与排水阀（506）驱动配合，所述的低位蓄能装置（7）包括蓄能水管（702）、势能水管（703）和蓄能水仓（704），所述的蓄能水管（702）分别与承接水管（601）和排水阀驱动装置（603）连接配合；所述的泵体装置（4）顶部设置锁控装置（8），锁控装置（8）与泵芯装置（5）之导管（504）顶部设置的进水定位锁头（512）动配合；所述的泵芯装置（5）设置联通平衡水仓（502）的平衡调整管（511），所述的势能水管（703）连接水力动力转换装置（9）。

2.根据权利要求1所述的水力自浮式高效动力转换输出装置，其特征是：所述的泵体装置（4）顶部设置高位泄流阀（10），所述的高位泄流阀（10）联接水力动力转换装置（9）。

3.根据权利要求1或2所述的水力自浮式高效动力转换输出装置，其特征是：所述的水力动力转换装置（9）为水轮式发电机（901），其通过水轮机进水管（902）连接势能水管（703）或高位泄流阀（10）。

4.根据权利要求1所述的水力自浮式高效动力转换输出装置，其特征是：所述的泵阀装置（405）为舱式结构，通过隔板（4051）分为上下两部分，分别连接动力汲水仓（403）和动力供水仓（404），所述隔板（4051）上设置密封环（4052），所述的密封环（4052）之上设置平闸阀（4054），平闸阀（4054）之上设置动态垂闸阀（4503），所述的平闸阀（4054）内环缘与泵芯装置（5）之平衡水仓（502）动态密封配合；所述的平闸阀（4054）上下面分别与动态垂闸阀（4053）、密封环（4052）动态密封配合；所述的动态垂闸阀（4053）与垂闸阀驱动装置（604）驱动配合。

5.根据权利要求1或4所述的水力自浮式高效动力转换输出装置，其特征是：所述的泵阀装置（405）之隔板（4051）为环式结构，其内环缘设置与平闸阀密封配合的密封环（4052），密封环（4052）内环与泵芯装置（5）之平衡水仓（502）外壁之间设置过水环；所述的密封环（4052）之上面与平闸阀底面密封配合；所述的平闸阀（4054）之闸板设置垂向过水孔，所述的平闸阀（4054）为对开分体式结构，两外侧设置所述的平闸阀（4054）上面与动态垂闸阀（4053）之底面密封配合联接。

6.根据权利要求1所述的水力自浮式高效动力转换输出装置，其特征是：所述的汲排水仓（503）上部沿圆周均布高位汲水阀（507），所述的高位汲水阀（507）为朝向汲排水仓（503）内部开启的单向阀，设置进水阀触头（508），所述的进水阀触头（508）与设置于动力供水仓（404）上部的进水阀触控装置（509）动态配合；所述的缓冲水仓（501）与平衡水仓（502）之间互不联通，缓冲水仓（501）底部设置动态底水阀（510），动态底水阀（510）之底阀控制缆（505）通过导管（504）连接控制装置；所述的平衡水仓（502）与汲排水仓（503）分隔设置，平衡水仓（502）通过平衡调整管（511）联通至汲排水仓（503）之顶外部；所述的导管（504）延伸之汲排水仓（503）之顶外部且设置进水定位锁头（512）。

7.根据权利要求1或6所述的水力自浮式高效动力转换输出装置，其特征是：所述的动力汲水仓（403）下部沿圆周均布汲水管（402）且分别设置汲水阀（401），所述的汲水阀（401）为朝向动力汲水仓（403）内部开启的单向阀，所述单向阀设置单向触控头与汲水阀控装置（605）联接，两者动态配合。

8.根据权利要求1所述的水力自浮式高效动力转换输出装置，其特征是：所述的泵体装置（4）外部设置中控平台（3），其上设置综合液压站（602），所述的综合液压站（602）分别液压联接排水阀驱动装置（603）、锁控装置（8）和排水锁定装置（407）；所述的排水阀驱动装置（603）通过密封承接套（406）与排水阀（506）触控配合；所述的锁控装置（8）包括定位锁控装置（801）、驱动装置（802）和导轨（803），所述的定位锁控装置（801）通过导轨（803）固定于泵体装置（4）顶部平台上，驱动装置（802）对称设置于导轨（803）之间，且与进水定位锁头（512）卡锁式配合；所述的排水锁定装置（407）设置于泵体装置（4）之内壁上部，且其伸缩端与泵芯装置（5）顶部压接配合。

9.根据权利要求1所述的水力自浮式高效动力转换输出装置，其特征是：所述的承接水管（601）之进口侧连接密封承接套（406）、排水阀（506），其出口侧联接低位蓄能装置（7），所述的低位蓄能装置（7）包括蓄能水管（702）、势能水管（703）和蓄能水仓（704），蓄能水管（702）通过蓄能法兰（701）连接承接水管（601）；所述的蓄能水管（702）与排水阀驱动装置（603）密封配合，排水阀驱动装置（603）之活塞通过蓄能水管（702）之平直段，并经过承接水管触控排水阀（506）。