CN105863931A - 一种节水增效装置和水利发电机组 - Google Patents

Abstract

一种节水增效装置和水利发电机组，涉及水力发电领域。适于安装于贮水池，贮水池具有输水口，节水增效装置包括空气压缩机、压力泵和管道系统，空气压缩机安装于所述贮水池的外部，压力泵安装于所述贮水池的内部，管道系统包括输气管道、混合输送管道和用于连通发电机组的输水管道，输水管道与输水口连通，压力泵与混合输送管道连通，混合输送管道穿过输水口伸入输水管道内，输气管道的两端分别与空气压缩机和混合输送管道连通。水利发电机组包括水轮机、发电机、联轴器和上述节水增效装置。水轮机通过联轴器与发电机连接，节水增效装置的输水管与水轮机连通。具有能够提高水的动能和压能的效果，提高水的动能和压能向电能转化的效率。

Description

一种节水增效装置和水利发电机组

技术领域

本发明涉及水力发电领域，具体而言，涉及一种节水增效装置和水利发电机组。

背景技术

水力发电(Hydroelectric power)系利用河流、湖泊等位于高处具有势能的水流至低处，将其中所含势能转换成水轮机之动能，再借水轮机为原动力，推动发电机产生电能。利用水力(具有水头)推动水力机械(水轮机)转动，将水能转变为机械能，如果在水轮机上接上另一种机械(发电机)随着水轮机转动便可发出电来，这时机械能又转变为电能。水力发电在某种意义上讲是水的位能转变成机械能，再转变成电能的过程。

现有的水利发电过程中，受到地域、气候、地形等因数影响比较大，且水利发电前期的成本极高。为了提高发电量：一方面，只能通过简单的抬高水位，形成巨大的落差方式，来增加水的势能，从而增加水的势能向电能转化的效率。另一方面，现有的技术改进主要是针对水轮机的改进，单方面对水轮机进行改进以此来提高对水的动能、压能和势能的利用率会产生较高的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种节水增效装置，其能够既节水又提高水利发电的效果。

本发明的另一目的在于提供一种水力发电机组，其能够与上述节水增效装置配合使用。

本发明的实施例是这样实现的：

一种节水增效装置，适于安装于贮水池，贮水池具有输水口。节水增效装置包括空气压缩机、压力泵和管道系统。空气压缩机安装于贮水池的外部，压力泵安装于贮水池的内部。管道系统包括输气管道、混合输送管道和用于连通发电机组的输水管道。输水管道与输水口连通，压力泵与混合输送管道连通。混合输送管道穿过输水口伸入输水管道内部。输气管道的两端分别与空气压缩机和混合输送管道连通。本发明通过混合输送管道输送的气水以及输水管道输送的水两股流体共同冲击水轮机的转轮，增加水的动能和压能，提高水的动能和压能向电能转化的效率。

一种水利发电机组，其包括水轮机、发电机、联轴器和上述节水增效装置，水轮机通过联轴器与发电机连接，节水增效装置的输水管与水轮机连通。

本发明实施例的有益效果是：本节水增效装置安装在水力发电机组的进水方向，能够增加通过水轮机进水口进入水轮机内部水的动能和压能，通过混合输送管道输送的气水以及输水管道输送的水两股流体共同冲击水轮机的转轮，提高水的动能和压能向电能转化的效率，既减少了水的用量，又提高水利发电的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的水力发电机组的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的节水增效装置的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的输水口的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的固定装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的输水管道的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的水闸的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的水闸的主视图。

图中：

节水增效装置100；空气压缩机110；压力泵120；进水口121；出水口122；管道系统130；输气管道131；输水管道132；第一支柱1321；第二支柱1322；凹槽1323；紧固装置1324；混合输送管道133；输水口134；弧形壁1341；底壁1342；连接轴孔1343；连接端1344；水闸140；闸叶141；第一闸叶1411；第二闸叶1412；轴孔1413；第一部分1414；第二部分1415；闸叶开口1416；缆绳142；第一缆绳1421；第二缆绳1422；绞车143；水力发电机组200；水轮机210；水轮机进水口211；水轮机出水口212；针型阀213；发电机220；联轴器230。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”、“贴合”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1，图1中示出了本实施例提供的水利发电机组200的结构示意图，水利发电机组200包括节水增效装置100、水轮机210、发电机220和联轴器230。其中，水轮机210包括水轮机进水口211、转轮(图未绘示)、水轮机出水口212和针型阀213。水轮机进水口211位于水轮机210的与水轮机210内部转轮相对的位置。水轮机进水口211处安装有针型阀213，针型阀213用于整体控制通过水轮机进水口211进入水轮机210内水的流速和流量，水轮机出水口212位于水轮机210的下方，水轮机210的转轮通过联轴器230与发电机220连接。

请进一步参照图2，图2中示出了本实施例提供的节水增效装置100的结构示意图，节水增效装置100包括空气压缩机110、压力泵120和管道系统130。其中，空气压缩机100安装于贮水池的外部，压力泵120安装于贮水池的内部。管道系统130包括输气管道131、输水管道132和混合输送管道133。

请参照图2和图3，本实施例的贮水池的内侧壁具有输水口134，且输水口134靠近贮水池的底部。输水口134由弧形壁1341和底壁1342围成，弧形壁1341位于输水口134的上端，底壁1342位于输水口134的下端。弧形壁1341与底壁1342间的距离从靠近贮水池的一侧向远离贮水池的一侧逐渐减小。弧形壁1341和底壁1342远离贮水池的端部具有与输水管132尺寸匹配的连接端1344，弧形壁1341和底壁1342通过连接端1344与输水管道132连接。具体地，弧形壁1341从靠近贮水池的一侧到与输水管道132连通的一侧孔型逐渐缩小，贮水池内的水通过输水口134进入输水管132内。根据连续性方程，贮水池内的水通过环形设置的、孔径逐渐缩小的弧形壁1341进入输水管132，水的流速逐渐增加；同时根据总能量衡算方程和机械能衡算方程，贮水池内的水通过环形设置的、孔径逐渐缩小的弧形壁1341能够减少摩擦从而减少能量损失，在水的流速增加的情况下能够有效地减少水的动能的损失。底壁1342优选为平面结构，能够稳定地放置通过输水口134的混合输送管道133。

在本实施例中优选地，压力泵120安装于贮水池底部。压力泵120包括进水口121和出水口122，其中，出水口122的开口方向正对于输水口134的开口方向。出水口122与混合输送管道133连通。压力泵120通过进水口121吸进贮水池内的水，经压力泵120加压后通过出水口122排出进入混合输送管道133内。为了避免压力泵120吸水对贮水池内的水通过输水口134进入输水管道132产生影响，压力泵120在贮水池内的安装位置与输水口134间预留有间隙。

在本实施例中优选地，空气压缩机110可以安装于挡水建筑物，只要能够保证空气压缩机110吸收足够的空气输送于混合输送管道133即可，例如贮水池的堤坝。输气管道131的一端与空气压缩机110连通，输气管道131的另一端与位于压力泵120与输水口134之间部分的混合输送管道133连通。空气压缩机110吸入的空气经空气压缩机110压缩，经输气管道131进入混合输送管道133。通过这样设置，一方面，通过空气压缩机110泵入混合输送管道133内的气体与混合输送管道133内部的水混合并在水压的作用下与水一起向水利发电机组200的方向流动；另一方面，能够防止通过空气压缩机110泵入混合输送管道133内的空气倒吸进入压力泵120内，防止发生气蚀或压力泵120无法吸水等现象。

节水增效装置100在使用时，先开启压力泵120，再开启空气压缩机110，并保证压力泵120排出水的压力高于空气压缩机110排出空气的压力。空气与压力泵120泵入混合输送管道133内的水混合，空气压缩机110将空气压缩后泵入混合输送管道133，水和空气经过加压后混合而成的气水具备较高的动能和压能；同时，相比于传统的不使用节水增效装置100的情况，混合后的气水占用一定的空间，在同等发电量下，减少了原有的水用量，从而达到节水和增效的效果。请参照图1，输水管道132一端与输水口134连通，另一端与水轮机进水口211连通，混合输送管道133穿过输水口134伸入输水管道132内。输水管道132内部设有用于固定混合输送管道133的固定装置。

请参照图4，固定装置包括座体(图中未标注)和紧固装置1324，座体通过例如焊接或螺栓固定于输水管道132内壁。座体的两端部具有相对设置的第一支柱1321和第二支柱1322，第一支柱1321和第二支柱1322间形成凹槽1323，混合输送管道133卡合于凹槽1323，并通过紧固装置1324进一步固定于座体。紧固装置1324优选选用例如U型螺栓、抱箍等，防止混合输送管道133从座体内掉落。由于混合输送管道133内气水的流速和流量与输水管132内水的流速和流量不同，混合输送管道133的尾部在输水管132内形成两股流体，混合输送管道133在两股流速和流量均不同的流体作用下在输水管132内发生振动或摇摆。通过将混合输送管道133固定于座体，避免了因混合输送管道133在输水管道132内发生振动或摇摆而造成的混合输送管道133自身的损坏以及对输水管132的损坏。

在本实施例中优选地，混合输送管道133在输水管133内延伸至水轮机进水口211处。混合输送管道132内气水的流速和流量与输水管道132内水的流速和流量不同从而产生两股流体，气水和水两股流体共同冲击水轮机210的转轮。一方面，经过加压和混合而成的气水具备较高的动能和压能，能够直接冲击水轮机210的转轮，减少了能连的损失；另一方面，防止排出混合输送管道133输送的气水与输水管132内部的水混合而成一股流体，减少对水轮机210转轮的冲击，导致水力发电机组200的发电效果降低。

承上述，输水管道132输送的水进入水轮机210，待水力发电机组200正常运行后，在依次开启压力泵120和空气压缩机110，形成混合输送管道133输送的气水和输水管道132输送的水两股流体共同冲击水轮机210的转轮现象，进一步增加进入水轮机内部流体的动能，从而提高了水利发电效果。

请参照图2和图5，节水增效装置还包括用于控制输水口134的开口大小的水闸140。水闸140包括闸叶141、缆绳142和绞车143。闸叶141可活动安装于输水口134并控制输水口134的开口大小；绞车143安装于挡水建筑物，例如贮水池堤坝，绞车143优选安装于输水口134上方的贮水池堤坝；缆绳142的一端与闸叶141连接，另一端与绞车143连接。闸叶141通过自身的重力封闭输水口134，通过绞车143收放缆绳142控制闸叶141在输水口134的打开和封闭，同时控制输水口134开口的大小。

请参照图5和图7，在本实施例中优选地，闸叶141包括第一闸叶1411和第二闸叶1412。缆绳142包括第一缆绳1421和第二缆绳1422。第一闸叶1411和第二闸叶1412对称设置，第一闸叶1411和第二闸叶1412均包括第一部分1414和第二部分1415，第一部分1414和第二部分1415一体成型，第一部分1414贴合于贮水池的内壁，第二部分1415伸入输水口134内。请结合图6和图7，输水口管壁134设有连接轴孔1343，且该连接轴孔1343位于输水口134上方的贮水池内壁。第一闸叶1411靠近贮水池的端部和第二闸叶1412靠近贮水池的端部均设有轴孔1413，且轴孔1413位于第一闸叶1411的上端和第二闸叶1412的上端。连接轴孔1343与轴孔1413通过枢轴(图未绘示)同轴连接。第一缆绳1421的一端与绞车143连接，另一端与第一闸叶1411的靠近底壁1342的端部连接。第二缆绳1422的一端与绞车143连接，另一端与第二闸叶1412的靠近底壁1342的端部连接。通过绞车143收放第一缆绳1421和第二缆绳1422，第一闸叶1411和第二闸叶1412能够在输水口134内运动，从而控制输水口134的打开和封闭，同时控制输水口134开口的大小。

请参照图5和图6，当闸叶141处于封闭输水口134的状态时，此时第一闸叶1411和第二闸叶1412的第一部分1414的贴合于输水口134周部的贮水池内壁，实现在输水口134的外部对其封闭；第一闸叶1411和第二闸叶1412的第二部分1415的远离贮水池的端部形成用于混合输送管道133通过的闸叶开口1416，此时闸叶开口1416贴合于混合输送管道133，实现在输水口134的内部对其封闭。第一闸叶1411和第二闸叶1412通过自身重力封闭输水口134，使贮水池内部的水无法进入输水管道132。

请参照图6和图7，当闸叶141处于打开输水口134的状态时，通过绞车143收放第一缆绳1421和第二缆绳1422，实现第一闸叶1411和第二闸叶1412在输水口134内运动，控制输水口134的大小。第一闸叶1411和第二闸叶1412连接组成的形状与弧形壁1341的形状匹配。第一部分1414靠近贮水池的端部至第二部分1415远离贮水池的端部与底壁1342间的距离逐渐减小。根据连续性方程，贮水池内的水流经环形设置的、孔径逐渐缩小的闸叶141并通过闸叶开口1416进入输水管132，水的流速逐渐增加；同时根据总能量衡算方程和机械能衡算方程，贮水池内的水流经环形设置的、孔径逐渐缩小的闸叶141并通过闸叶开口1416能够减少与输水口134内壁的碰撞从而减少能量损失，在水的流速增加的情况下能够有效地减少水的动能的损失。第二部分1415的形状与弧形壁的形状相同，这样当第一闸叶1411与第二闸叶1412在输水口134张开至最大时，第二部分1415能与弧形壁1341完全贴合。并且，在第一闸叶1411与第二闸叶1412在输水口134微张、半张或大时，也能保证第一闸叶1411和第二闸叶1412的第二部分1415间围成与弧形壁1341相同的环形设置并且孔径逐渐缩小的水流通道，由此均能起到减少水流动能损失的技术效果。通过水闸140能够控制输水管道132内部的水与混合输送管道133内部的气水比例，以优选出最佳的节水增效的方案。

承上述，通过在输水口134设置与其形状匹配的闸叶141，一方面，能够控制贮水池内部的水向输水管132流入的流速和流量，方便调节输水管132内部的水与混合输送管道133内部的气水比例。另一方面，相对于传统的输水口，贮水池内的水流经第一闸叶1411和第二闸叶1412并通过闸叶开口1416进入输水管道132时，能够减少水的动能的损失。

闸叶141在使用时，通过绞车143收起缆绳142，缆绳142带动闸叶141向上运动，第一闸叶1411和第二闸叶1412的伸入到输水口134内部的第二部分1415均朝向弧形壁1341运动，并形成闸叶开口1416，从而打开输水口134，贮水池内部的水通过输水管132进入水轮机210。再依次开启压力泵120和空气压缩机110，压力泵120将贮水池内的水泵入混合输送管道133，空气压缩机110将空气泵入混合输送管道133并，经过加压后的水和空气在输送管道133混合成气水并与输水管道132输送的水共同冲击水轮机210的转轮，水轮机210通过联轴器230带动发电机220转动，从而实现水的动能、压能和势能向电能转化，实现水力发电。

综上所述，本节水增效装置100安装在水力发电机组200的进水方向，能够增加通过水轮机进水口211进入水轮机210内部水的动能和压能，通过混合输送管道133输送的气水以及输水管道132输送的水两股流体共同冲击水轮机210的转轮，提高水的动能和压能向电能转化的效率，既减少了水的用量，又提高水利发电的效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种节水增效装置，适于安装于贮水池，所述贮水池具有输水口，其特征在于，所述节水增效装置包括空气压缩机、压力泵和管道系统，所述空气压缩机安装于所述贮水池外部，所述压力泵安装于所述贮水池内部，所述管道系统包括输气管道、混合输送管道和用于连通发电机组的输水管道，所述输水管道与所述输水口连通，所述压力泵与所述混合输送管道连通，所述混合输送管道穿过所述输水口伸入所述输水管道内，所述输气管道的两端分别与所述空气压缩机和所述混合输送管道连通。

2.根据权利要求1所述的节水增效装置，其特征在于，所述节水增效装置还包括用于控制所述输水口的开口大小的水闸，所述水闸设置于所述输水口的靠近所述贮水池内壁的一侧。

3.根据权利要求2所述的节水增效装置，其特征在于，所述输水口由弧形壁和底壁围成，所述弧形壁与所述底壁间的距离从靠近所述贮水池一侧向远离所述贮水池一侧逐渐减小。

4.根据权利要求3所述的节水增效装置，其特征在于，所述水闸包括第一闸叶、第二闸叶、第一缆绳、第二缆绳和绞车，所述绞车安装于所述贮水池，所述第一闸叶的上端和所述第二闸叶的上端均铰接于所述贮水池内壁，所述第一缆绳的两端分别与所述第一闸叶的远离铰接点的一端以及所述绞车连接，所述第二缆绳的两端分别与所述第二闸叶的远离铰接点的一端以及所述绞车连接，所述第一闸叶与所述第二闸叶间形成用于供所述混合输送管道穿过的闸叶开口。

5.根据权利要求4所述的节水增效装置，其特征在于，所述输水口上端设有连接轴孔，所述第一闸叶和所述第二闸叶均设有轴孔，所述连接轴孔和所述轴孔通过枢轴同轴连接。

6.根据权利要求4所述的节水增效装置，其特征在于，所述第一闸叶和所述第二闸叶对称设置，所述第一闸叶和所述第二闸叶均包括第一部分和第二部分，所述第一部分贴合于所述贮水池的内壁，所述第二部分伸入所述输水口内，当所述第一闸叶与所述第二闸叶张开至最大时，所述第二部分与所述弧形壁贴合。

7.根据权利要求1所述的节水增效装置，其特征在于，所述输水管道内部设有用于固定所述混合输送管道的固定装置。

8.根据权利要求7所述的节水增效装置，其特征在于，所述固定装置为座体，所述座体与所述输水管道内壁连接，所述座体的两端部包括相对设置的第一支柱和第二支柱，所述第一支柱和所述第二支柱间形成凹槽，所述混合输送管道卡合于所述凹槽。

9.一种水利发电机组，包括水轮机、发电机和联轴器，所述水轮机通过所述联轴器与所述发电机连接，其特征在于，还包括如权利要求1～8任一项所述的节水增效装置，所述节水增效装置的所述输水管的远离所述输水口的一端与所述水轮机连通。

10.根据权利要求9所述的水利发电机组，其特征在于，所述水轮机设有水轮机进水口，所述水轮机进水口与所述输水管道连通，所述混合输送管道延伸至所述水轮机进水口处。