CN1062585A - 低水头水力抽水方法及微型水力抽水机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用低水头(低能级)水能源抽 水的方法，以及应用上述方法设计了的微型水力抽水 机。本发明以水轮机为动力机，以容积泵为工作机。 适用于江河，沟渠的截流，利用水的低水头(势能)，动 能来抽水。本发明只要有十厘米以上的水头就可抽 水，基本上不需要基建投资。本发明对于开发低能级 水能资源，解决农业的机械化灌溉问题，开辟了一条 新的途径，填补了在现有技术中小于等于1米的低水 头水能不能用于抽水的空白。

Description

本发明涉及一种利用低水头（低能级）水能源抽水的方法。本发明又涉及一种在上述方法下而设计的微型水力抽水机。

《机械工程手册》第14卷，第77篇第10章（P77-109）、机械工业出版社1982年8月出版一书中的水能泵，是以水轮机为动力机，以动力泵为工作机。因动力泵需要高的转速才能正常工作，即需要高的水头，属较高能级的水能源的利用范围。水轮泵工作的最低水头大于1m，最低过水量大于0.1m/s。但由此而带来的拦河筑坝、修建水轮泵室和水的进出口通道等大型基建投资和花费大量的人力物力。其基建投资费用倍倍于水轮泵，加之因受地形要有较高的落差的影响，导致使用面小，使社会效益下降，同时还存在着小于等于1m水头的低能级水能资源，至今仍未用于抽水而造福于人类的问题。

根据水轮机的设计理论公式（参看长春水利电力学校编的《水轮机》一书，第6章，第5节，P99，中国工业出版社1965年7月出版）：

$n=\frac{H^{\frac{4}{5}}\·n_s}{1.17\sqrt{N}}$

式中H-水轮机的水头。ns-水轮机的比转速。N-水轮机的功率。

可知，为了提高水轮机的转速n（动力泵所需的转速），比转速ns采用高比速（取大值）。则n与水头H的 4/5 次方成正比，与功率N的平方根成反比。因为功率N从实际出发，不可能做得太小。而H为低水头，即H值很小。所以在低水头条件下，水轮机的转速n很低。如果采用升速机构提高转速n，在低水头的情况下，会造成结构复杂，加工要求高，成本大大增高，效率下降而无实用价值。由于这个原因，给动力泵带来了两个问题：

1、不能达到使用中需要的扬程。动力泵设计理论可知，动力泵的速度图相似情况下，泵的杨程是与叶轮的圆周速度的平方成正比，也就是与nD乘积的平方成正比。因此，在低水头下必须要成倍地提高动力泵的转速n，或成倍地增大叶轮的直径D，才能达到需要的扬程。由上式可知，n在低水头下不能提高。而增大D，会使泵的结构尺寸宠大，成本大大提高而没有实用价值。

2、流量太小，效率太低，甚至流量为零。在扬程不变时，动力泵的转速n和流量Q的关系曲线和图1所示。（参看《叶片泵与透平压缩机》一书，第十一章，第84节，P471，机械工业出版社1983年10月出版[西德]C.普弗莱德黄尔著）图中，OC是一条渐近线。n与Q的关系是一条双曲线，有一条水平切线，它的切点就是临界点，nk表示临界点的转速。在低于这个临界点所属的转速时，动力泵就会断流。由于低水头下水轮机的转速n很低，必然会导致在这个临界点附近工作。

综上所述，正因为动力泵的这两个问题的存在，导致了现有水轮泵只能用于较高的水头。

本发明方法的任务是根据现有技术中，小于等于1m的低水头水能源不能用于抽水的问题，而提供了一种低水头水力抽水的方法，属低能水能源的利用范围。

本发明方法是采用下述方案实现的：以水轮机为动力机，以容积泵为工作机。参见附图2。适用于江河、沟渠的截流，利用水的低水头（势能）、动能推动水轮机，带动容积泵抽水。本发明只要有十厘米以上的水头，就可抽水。基本上不需要基建投资。输水采用输水胶管。我国水力资源居世界之首，江河、沟渠纵横，蕴藏着巨大的低水头水能。本发明对于开发低能级水能资源，解决农业的机械化灌溉问题，开辟了一条新的途径。并且，其能流密度大，是太阳能、风能的几十倍至数十倍，具有很大的开发价值。

由容积泵的设计理论可知：泵的扬程几乎是不受限制的（在泵的零部件强度满足的条件下），而转速n与流量Q的关系曲线和图4所示。由图4可知，n与Q的关系是线性关系，即Q正比于n，没有临界点nk。所以，容积泵在任何转速范围内，都会有流量输出。

本发明所述的容积泵，安装在水轮机的前面，形成微型水力抽水机，该机可采用绳索固定在水流中，也可将该机的挡水板固定在两岸的墩上，如图3所示。

本发明的又一个任务是根据这种低水头水力抽水方法设计了一种微型水力抽水机。

本微型水力抽水机是采用下述设计方案实现的：该机由水轮机和容积泵用轴联接而成。

水轮机采用贯流式水轮机为动力机，容积泵采用摆叶式叶片泵为工作机，两机同轴联接构成本抽水机的一种结构方式。

所述容积泵的叶片的一端铰接在转子圆周上并均匀分布，转子与轴固接，当轴沿顺时针方向转动时，叶片既可随转子一起转动，又可绕上述转子铰接处摆动，且叶片在离心力作用下紧靠在定子的圆柱形内表面上。其具体结构是所述容积泵的6个叶片装在转子圆周上均匀分布的圆柱形槽中，即铰接;转子通过转子套与轴固接，定子通过前、后端盖用螺钉固接，后端盖又与水轮机用螺钉固接，叶片的一端设有橡胶凸条C，转子设有绕圆周均匀分布的凸缘B，以B和C的交替作用实现转子与定子接触处的密封。

附图1为现有水能泵中的动力泵转速n和流量Q之间的关系图;

附图2为本发明方法的低水头水力抽水方法示意图，图中一、容积泵  二、水轮机;

附图3为实现本发明方法的一个实施例，图中：15、挡水板16、墩;

附图4为容积泵的转速n和流量Q之间的关系图;

附图5为本发明的微型水力抽水机的结构图;

附图6为附图5中的A-A剖视图。

附图5和附图6是本微型水力抽水机的一个实施例。其中，1、叶片;2、转子;3、轴;4、前端盖;5、转子套;6、定子;7、后端盖;8、钢丝网;9、外壳;10、引水座;11、导水叶片;12、叶轮;13、轴承;14、防砂套;B、凸缘;C、橡胶凸条;D、叶片摆动中心。

现对于这一实施例的结构进一步加以说明。如图5、图6所示，上游的水通过钢丝网8，进入水轮机的外壳9中，再通过圆周均匀分布的导水叶片11进入带有进出水通道的导水座10中，推动水轮机的叶轮12转动。叶轮12转动的动力通过被导水座10中的两个轴承13支承的轴3、带动前面的容积泵工作。两个轴承13的两端分别设有防砂套14。所述容积泵的结构是：容积泵是一种前所未有的摆叶式叶片泵（本发明也可用其它容积泵）。摆叶式叶片泵由转子2（橡胶），定子6，叶片1（橡胶嵌金属件）和前端盖4（配水盘），后端盖7等组成。定子6具有圆柱形内表面，和转子2之间有偏心距e，形成了图的下部为吸水腔，上部为压水腔。所谓摆叶式叶片泵，其特征是：叶片1装在转子2的圆周均匀分布的轴内圆柱形槽中，即铰接，既可随转子2一起转动，又可绕D点作摆动，一改现有叶片泵中叶片在转子矩形槽中移动之态。它能满足在泥砂、各种杂质存在的水中的恶劣条件下正常工作。当轴3顺时针回转时，通过转子5带动转子2转动。由于离心力的作用，使叶片1绕D点摆动，并紧靠在定子6的内壁。这样在定子6、转子2、叶片1和前端盖（配水盘）4、后端盖7之间，就形成若干个密封的工作空间。水通过进水口、吸水腔、压水腔、出水口输出。在图6中的右边，定子6与转子2的接触处，吸水腔和压水腔的密封，是通过转子2的凸缘B和叶片1一端的弹性橡胶凸条C的交替作用来实现的。

本微型水力抽水机的使用。对于江河、沟渠可以用四根绳子或金属丝的一端拉住抽水机的四个角（四角处设有通孔），另一端系在岸边的树杆或埋桩上;沟渠也可按图4所示，在沟渠的两边用砖、石条或混泥土筑两个墩16，微型水力抽水机的两个挡水板15靠在上游边的墩侧即可。如果需要更大的流量，可在微型水力抽水机的上部增放挡水板（木板或其它板材），以便提高水头。

本发明的优点：

1、与水轮泵相比，基本上不需要拦河筑坝，修建水轮机室和水的进出口通道等基建投资，不受地形要求有较高落差的影响，造价极低、与农村中使用的微型电动泵相比，同功率条件下具有造价低、效率高、不用电（节能）、不用输电线路，使用费低并且为无电地区抽水提供了条件。具有显著的社会效益和经济效益。

2、扬程高度几乎不受限制，而水轮泵的扬程≤20m（太低），对于丘陵和山区的提水灌溉有着特别意义，且效率高。

3、本微型水力抽水机小巧、轻便、使用简单、灵活、便于携带。与水轮泵相比，具有不需定点安装使用，不需基建，可要用便安，不用带走，不受地形限制，使用面广的特点。特别适合于农村家庭的抽水灌溉。

4、与微型电动泵相比，具有不用电，不需在田野里牵电线，抽水安全、方便、省时。

5、微型水力抽水机中的摆叶式叶片泵，具有象动力泵一样，在水中含有泥砂、杂质的恶劣条件下工作，又有象现有叶片泵一样，在低转速下具有高效率和大的每转容积，且较现有叶片泵结构简单、精度要求低、造价低的特点。

Claims (6)

1、一种低水头水力抽水方法，其特征是以水轮机为动力机，以容积泵为工作机。

2、根据权利要求1所述的抽水方法，其特征在于所述水轮机采用贯流式水轮机;所述容积泵采用摆叶式叶片泵，且安装在贯流式水轮机的前面，形成微型水力抽水机;该机可采用绳索固定在水流中，也可将该机的挡水板固定在两岸的墩上。

3、实施权利要求1所述方法的一种微型水力抽水机，其特征在于水轮机和容积泵用轴联接构成本抽水机。

4、根据权利要求3所述的抽水机，其特征在于所述水轮机采用贯流式水轮机为动力机，所述容积泵采用摆叶式叶片泵为工作机，两机同轴联接构成本抽水机。

5、根据权利要求3或4所述的抽水机，其特征在于所述容积泵的叶片的一端铰接在转子圆周上并均匀分布，转子与轴固接，当轴沿顺时针方向转动时，叶片即可随转子一起转动，又可绕上述转子铰接处摆动，且叶片在离心力作用下紧靠在定子的圆柱内表面上。

6、根据权利要求3、4或5所述的抽水机，其特征在于所述容积泵的6个叶片装在转子圆周上均匀分布的圆柱形槽中，即铰接，转子通过转子套与轴固接，定子通过前、后端盖用螺钉固接，后端盖又与水轮机用螺钉固接，叶片的一端设有橡胶条C，转子设有绕圆周均匀分布的凸缘B，以B和C的交替作用实现转子与定子接触处的密封。

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