CN106869093B - 溢流坝上的机械杠杆式压力发电系统 - Google Patents

Abstract

溢流坝上的机械杠杆式压力发电系统，一级台阶（3）、一级集水发电井（4）、一级发电廊道（8）、排水管（16）依次相连；三级台阶（7）、三级集水发电井（8）、三级发电廊道（10）、排水管（16）依次相连；排水管（16）、冲於口（17）依次相连；一级发电廊道（6）包括有大水斗、小水斗、混凝土重力支墩（20）、混凝土支墩座（23）、轴承（21）、铰链二连杆（30）、组合式齿轮单向加速装置（25）、发电机（36）；混凝土重力支墩（20）通过轴承（21）、铰链二连杆（30）分别与混凝土支墩座（23）、单向加速装置（24）相连，水斗分布为：中间的单向加速装置（24）连接大水斗，两边分别连接小水斗。

Description

溢流坝上的机械杠杆式压力发电系统

技术领域

本发明涉及水力发电技术， 尤其涉及溢流坝上的机械杠杆式压力发电技术。

背景技术

当今社会，生态环境受到严重威胁，随着人类环保意识的日益增强，排放标准越来越严格，如何开发新能源，已成为当今社会普遍关注的问题。现实生活中压力能普遍存在，但是将压力能转化为电能的技术并不多见。对水利工程建筑物来说，高水头泄水建筑物下泄的水流具有巨大的能量，常可达几千万kw，而溢流坝一般只是单纯的将高速下泄水流导向大坝下游进行消能，功能单一，造成了巨大水能的浪费，且对坝体本身有一定的危害，而且这些水荷载的利用还没有得到相关研究，而且，对于坝面的设计，以光滑式为主，而将光滑式与台阶式得到有效结合，能充分利用台阶式泄水消能及防冲击优势的少之甚少。

本发明是在专利号为CN201510838268.7，公开号为CN105297675A的发明专利的基础上，进一步研究，发现问题，解决问题，所做出的改进和技术更新。原系统存在如下不足之处：（1）系统的整体发电效率不高，依然存在部分能源未充分利用的现象；（2）系统发电不稳定，利用较为困难。

专利号为CN201520293016.6，公开号为CN204610147U的实用新型专利申请公开了一种“住宅区风能、压力能联合发电装置”。该装置中的压力能发电装置，设有齿轮机械装置，其齿轮机械装置设有棘轮、弹簧、变速齿轮和齿条，齿条固定在压力采集板上，齿条与变速齿轮齿接，变速齿轮与棘轮齿接；弹簧设于压力采集板下面。这种系统的工作原理基本和本发明的发电系统的相同，但其压力板复位方式采用弹簧复位，发电存在的不可靠性及弹簧寿命短，从而带来经济效益不佳的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种溢流坝上的机械杠杆式压力发电系统。

溢流坝上的机械杠杆式压力发电系统，包括一级台阶3、一级集水发电井4、一级发电廊道6、二级台阶5、三级台阶7、三级集水发电井8、三级发电廊道10、四级台阶9、五级台阶12、五级集水发电井13、五级发电廊道15、六级台阶14、冲於口17，经排水管16连接组成，其特征在于一级台阶3、一级集水发电井4、一级发电廊道8、排水管16依次相连；三级台阶7、三级集水发电井8、三级发电廊道10、排水管16依次相连；五级台阶12、五级集水发电井13、五级发电廊道15、排水管16依次相连；排水管16、冲於口17依次相连；一级发电廊道6包括有大水斗18、小水斗19、混凝土重力支墩20、混凝土支墩座23、轴承21、铰链二连杆30、组合式齿轮单向加速装置25、发电机36；大水斗18、小水斗19分别固定于混凝土重力支墩20上，混凝土重力支墩20通过轴承21、铰链二连杆30分别与混凝土支墩座23、单向加速装置24相连，水斗18泄水产生的压力能使混凝土重力支墩15承重端绕轴承14下降，驱动组合式齿轮单向加速装置25进而带动发电机36运转、发电；一级发电廊道8、二级发电廊道10与三级发电廊道12的内部组成相同。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：

（1）利用杠杆原理、力矩平衡原理、惯性和铰链二连杆的特性连续发电，可使整个发电系统只在受一种外力的作用下，能够连续自动发电，该设计克服了传统压力能发电技术中借助弹簧外力发电存在的不可靠性及弹簧寿命短的问题；

（2）通过安装内置棘轮，防止铰链二连杆恢复原状态时带动齿轮使发电机倒转对发电机系统造成破坏和发电机轴的扭矩破坏，有效的避免了发电机倒转问题，提高了发电机的寿命和稳定性；

（3）利用大小水斗集水、泄水时存在时间差的特性，克服了压力发电不连续、稳定的问题，从而提高了整个系统的发电效率及电流稳定性。

（4）设计了坝内分级集水结构，将坝面连续水荷载改变为间断荷载，使之与该新型发电系统巧妙融合，并且排出的尾水有助于冲刷大坝下游淤泥，促进河流通畅，从而有助于提高坝体稳定性。

附图说明

图1是本发明的溢流坝总体构造剖面图，图2是发电廊道基本构造示意图，图3是图2中A-A方向的剖面图，图4是发电廊道配置新型机械杠杆式压力发电系统后的整体示意图，图5是发电系统单向加速装置的放大图，图6是组合式齿轮单向加速装置俯视图，图7是副齿轮、棘轮、棘爪的局部放大图，图8及图9是水斗不同观测方向的三维示意图，图10是发电系统的局部受力分析示意图，图11是溢流坝的整体配筋图，图12是图11中C-C方向的俯视配筋图，图13是图12中D-D方向的部分配筋图。附图标记及对应名称为：闸墩1，坝体2，一级台阶3、一级发电集水井4、二级台阶5、一级发电廊道6、三级台阶7、二级发电集水井8、四级台阶9、二级发电廊道10、排水管11、五级台阶12、三级发电集水井13、六级台阶14、三级发电廊道15、排水管16、冲於口 17、大水斗18、小水斗19、混凝土重力支墩20、轴承21、主齿轮轴承22、混凝土支墩座23、单向加速装置24、组合式齿轮单向加速装置25、内置棘轮26、传动轴27、副齿轮28、棘爪29、铰链二连杆30、主齿轮31、轴承座32、轴承33、主齿轮支撑座34、齿轮变速箱35、发电机36。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4、图6、图7所示，本发明是溢流坝上的机械杠杆式压力发电系统，包括一级台阶3、一级集水发电井4、一级发电廊道6、二级台阶5、三级台阶7、三级集水发电井8、三级发电廊道10、四级台阶9、五级台阶12、五级集水发电井13、五级发电廊道15、六级台阶14、冲於口17，经排水管16连接组成，其特征在于一级台阶3、一级集水发电井4、一级发电廊道8、排水管16依次相连；三级台阶7、三级集水发电井8、三级发电廊道10、排水管16依次相连；五级台阶12、五级集水发电井13、五级发电廊道15、排水管16依次相连；排水管16、冲於口17依次相连；一级发电廊道6包括有大水斗18、小水斗19、混凝土重力支墩20、混凝土支墩座23、轴承21、铰链二连杆30、组合式齿轮单向加速装置25、发电机36；大水斗18、小水斗19分别固定于混凝土重力支墩20上，混凝土重力支墩20通过轴承21、铰链二连杆30分别与混凝土支墩座23、单向加速装置24相连，水斗分布为：中间的单向加速装置24连接大水斗18，两边分别连接小水斗19。由于大小水斗蓄水、泄水存在时间差，两边的小水斗19先蓄满、先泄水，中间的大水斗18后蓄满、后泄水，通过计算控制大小水斗的体积，进而控制需水量便可驱动发电机36高效平稳的运行。一级发电廊道6、二级发电廊道10与三级发电廊道15的内部组成相同。

如图1所示，一级台阶3为直角台阶，且台阶上均匀且集中的布设6个集水发电井，每3个为一组，以供两个发电廊道内的发电系统发电；一级台阶7、二级台阶9、与三级台阶11的结构相同。

如图1所示，二级台阶（5）为直角台阶，其是为达到更好的消能目的、更好地使溢流坝该系统融合而增设的台阶，其为空白台阶，表面无布置集水井；所述二级台阶（5）、四级台阶（9）与六级台阶（14）的结构相同。

如图1、图2、图3、图4所示，一级集水发电井4的井道截面由方形渐变为圆形，直接通向一级发电廊道6顶部，井口安装防污栅栏，所述的一级集水发电井4、二级集水发电井8与三级集水发电井13的结构相同，且与各级发电廊道的连接形式相同。

如图4、图5、图6、图7所示，所述的单向加速装置24包括有主齿轮31、副齿轮28、内置棘轮26、传动轴27、棘爪29，运转时主齿轮31带动副齿轮28，副齿轮28与内置棘轮26相连，内置棘轮26搭挂棘爪29，进而带动传动轴27、齿轮变速箱35、发电机36运转。

如图4、图5、图6、图7所示，单向加速装置24的内置棘轮26、棘爪29为单向带动性运转机构。

如图4、图5、图6、图7所示，所述的组合式齿轮单向加速装置25由3组单向加速装置24组成。

如图4、图5、图6、图7所示，组合式齿轮单向加速装置25，其3组单向加速装置24上均通过铰链二连杆30连接有水斗，其水斗分布为：中间的单向加速装置24连接大水斗18，两边分别连接小水斗19。由于大小水斗蓄水、泄水存在时间差，小水斗19先蓄满、先泄水，大水斗18后蓄满、后泄水，通过计算控制大小水斗的体积，进而控制需水量便可驱动发电机36高效平稳的运行。

如图4、图5、图6所示，组合式齿轮单向加速装置25，其特征在于通过计算控制大水斗18、小水斗19的体积，进而控制大小水斗的需水量，便可连续驱动发电机36，使其可高效、平稳的运行。

如图1~13所示：所述的溢流坝上的新型机械杠杆式压力发电系统，其一级台阶3、一级集水发电井4、一级发电廊道6、二级台阶5、三级台阶7、三级集水发电井8、三级发电廊道10、四级台阶9、五级台阶12、五级集水发电井13、五级发电廊道15、六级台阶14、冲於口17，，经排水管16连接组成，其特征在于一级台阶3、一级集水发电井4、一级发电廊道8、排水管16依次相连；三级台阶7、三级集水发电井8、三级发电廊道10、排水管16依次相连；五级台阶12、五级集水发电井13、五级发电廊道15、排水管16依次相连；排水管16、冲於口17依次相连；当溢流坝泄水时，水流经由各级台阶的发电集水井进入发电廊道，驱使发电廊道内的发电系统发电，利用后的水流汇集于排水管16中，最终经由冲於口17排出。

如图1所示，一级发电集水井4、二级发电集水井8、三级发电集水井13，其构造相同，以一级发电集水井4为例，该井道截面由方形渐变为圆形，直接通向一级发电廊道6顶部，井口安装防污栅栏。

如图5、图6、图7所示，所述的内置棘轮26、棘爪29为单向带动性运转装置，仅当大水斗18、小水斗19泄水时可带动发电机36运转，而当泄水完毕，混凝土重力支墩20带动大水斗18、小水斗19复位时，无法完成上述过程。

本发明的工作过程为：当溢流坝泄水时，水流将依次通过一级台阶3、二级台阶5、三级台阶7、四级台阶9、五级台阶12、六级台阶14，当水流流经各级台阶时，发生紊动，致使部分水流经台阶与坝面相交处的各级发电集水井（一级发电集水井4、二级发电集水井8、三级发电集水井13）下泄到大水斗18、小水斗19内，含有较大动能的水流冲刷水斗，产生冲击力，该冲击力符合力矩限制条件，以使混凝土重力支墩20及组合式齿轮单向加速装置25不会发生转动，当两侧的小水斗19内的水达到临界水位时，即达到下泄所需临界力矩时，在发电集水井中水流的继续冲击下，由于惯性，小水斗19突然下倾，开始泄水，由此带动铰链二连杆30向下移动，主齿轮31转动，继而带动副齿轮28转动，副齿轮28与内置棘轮26相连，内置棘轮26搭挂棘爪29，进而带动传动轴27、齿轮变速箱35、发电机 36运转；此时小水斗19泄水完毕，待将要回程时，大水斗18内的水达到临界水位，进而发生上述小水斗19泄水时的一系列过程。

水斗中的水泄完后，冲击力又恢复到力矩限制条件范围内，小水斗19在混凝土重力支墩20作用下会突然恢复至原来位置，恢复过程中，铰链二连杆30又将会带动齿轮组转动，但内置棘轮26、棘爪29为单向带动性运转装置，发电机转轴不会发生反向转动，从而保护了发电输电系统和发电机转轴，由于大小水斗泄水存在时间差，小水斗19先蓄满、先泄水，大水斗18后蓄满、后泄水，通过计算控制大小水斗的体积，进而控制需水量便可驱动发电机36高效平稳的运行。

由此，整个水压发电装置将会在泄水过程中往复上述过程，直至泄水结束。

本发明中的光滑式、台阶式相结合的溢流坝，保留了传统的泄水消能及防冲击的特点，其消能方式不仅有别于挑流、底流和面流三种基本消能方式，而且也不同于一般渠道上的多级跌水消能，它是由于坝体本身下游坝面台阶的存在，使下泄水流在台阶之间形成水平轴旋滚，并与坝面主流发生强烈的掺混作用，使水流紊动加剧、掺气增强，消散部分能量，改善坝趾处的水力条件，使坝下游的消能设施得以简化，从而节省工程投资。

利用溢流坝上高速下泄的水流设计的坝上分级集水发电的结构，水电站可利用此发电系统发出的电满足水电站本身基础设施和周边用户的用电需求。经估算，利用此新型发电系统，溢流坝泄水一次发电量可达300MW·h以上，产生直接经济效益18万元以上，若一年内溢流坝泄水10次，将带来180多万元经济效益。并且排出的尾水更有助于冲刷大坝下游淤泥，促进河流通畅。

Claims (5)

1.溢流坝上的机械杠杆式压力发电系统，包括一级台阶（3）、一级集水发电井（4）、一级发电廊道（6）、二级台阶（5）、三级台阶（7）、二级集水发电井（8）、二级发电廊道（10）、四级台阶（9）、五级台阶（12）、三级集水发电井（13）、三级发电廊道（15）、六级台阶（14）、冲於口（17），经排水管（16）连接组成，其特征在于一级台阶（3）、一级集水发电井（4）、一级发电廊道（6）、排水管（16）依次相连；三级台阶（7）、二级集水发电井（8）、二级发电廊道（10）、排水管（16）依次相连；五级台阶（12）、三级集水发电井（13）、三级发电廊道（15）、排水管（16）依次相连；排水管（16）、冲於口（17）依次相连；一级发电廊道（6）包括有大水斗（18）、小水斗（19）、混凝土重力支墩（20）、混凝土支墩座（23）、轴承（21）、铰链二连杆（30）、组合式齿轮单向加速装置（25）、发电机（36），大水斗（18）、小水斗（19）分别固定于混凝土重力支墩（20）上，组合式齿轮单向加速装置（25）由3组单向加速装置（24）组成，混凝土重力支墩（20）通过轴承（21）、铰链二连杆（30）分别与混凝土支墩座（23）、单向加速装置（24）相连，水斗泄水产生的压力能使混凝土重力支墩（15）承重端绕轴承下降，驱动组合式齿轮单向加速装置（25）进而带动发电机（36）运转、发电；一级发电廊道（6）、二级发电廊道（10）与三级发电廊道（15）的内部组成相同。

2.根据权利要求1所述的溢流坝上的机械杠杆式压力发电系统，其特征在于一级台阶（3）为直角台阶，且台阶上均匀且集中的布设6个集水发电井，每3个为一组，以供两个发电廊道内的发电系统发电；所述一级台阶（3）、三级台阶（7）与五级台阶（12）的结构相同；一级集水发电井（4）的井道截面由方形渐变为圆形，直接通向一级发电廊道（6）顶部，井口安装防污栅栏；所述的一级集水发电井（4）、二级集水发电井（8）与三级集水发电井（13）的结构相同，且与各级发电廊道连接形式相同。

3.根据权利要求1所述的溢流坝上的机械杠杆式压力发电系统，其特征在于二级台阶（5）为直角台阶，其是为达到更好的消能目的、更好地使溢流坝该系统融合而增设的台阶，其为空白台阶，表面无布置集水井；所述二级台阶（5）、四级台阶（9）与六级台阶（14）的结构相同。

4.根据权利要求1所述的溢流坝上的机械杠杆式压力发电系统，其特征在于所述的单向加速装置（24）包括有主齿轮（31）、副齿轮（28）、内置棘轮（26）、传动轴（27）、棘爪（29），运转时主齿轮（31）带动副齿轮（28），副齿轮（28）与内置棘轮（26）相连，内置棘轮（26）搭挂棘爪（29），进而带动传动轴（27）、齿轮变速箱（35）、发电机（36）运转；内置棘轮（26）、棘爪（29）为单向带动性运转机构。

5.根据权利要求1所述的溢流坝上的机械杠杆式压力发电系统，其特征在于所述的组合式齿轮单向加速装置（25）由3组单向加速装置（24）组成；3组单向加速装置（24）上均通过铰链二连杆（30）连接有水斗，其水斗分布为：中部单向加速装置（24）连接大水斗（18），两边单向加速装置（24）分别连接小水斗（19）；由于大小水斗蓄水、泄水存在时间差，小水斗（19）先蓄满、先泄水，大水斗（18）后蓄满、后泄水，通过计算控制大小水斗的体积，进而控制需水量便可驱动发电机（36）高效平稳的运行。

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