CN110094291B - 水力循环发电系统及其高压泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水力循环发电系统，包括高压泵和多级水轮机组；所述高压泵包括盛水箱、压水室、水塔筒和提水动力辅助装置；所述所述水轮机组包括二组水轮机；每组水轮机包括至少二个水轮机，该二个水轮机同一垂直线上下排列设置。采用本发明的结构，由于设有新型高压泵和多级水轮动力装置，高压泵将水力发电余水动能再转化为势能，多级水轮动力装置再将水的势能转化为动能用于发电，如此循环利用，效率高。

Description

水力循环发电系统及其高压泵

技术领域

本发明涉及一种水力发电系统，尤其涉及一种能利用较少的定量水或液体流通过高压泵来实现的水力循环发电系统，还涉及一种用于该系统的高压泵。

背景技术

传统水力发电是利用高位储水冲击水轮机带动发动机发电，将水的势能转化为动能再转化为电能。水力发电是一种绿色能源。

但是，水力发电高位储水设施的投资很大，占地面积也大，还受到自然地形条件限制。

水力发电需要水轮机作为动力装置。目前的水轮机都是与发电机一一对应设置，通过皮带轮连接，即一个水轮机对应连接一台发电机；而且水轮机轴是垂直于地面设置的。水力发电过程中，冲击水轮机发电后流出的余水还有很大的流速，即余水还有很大的动能，这些余水的动能是可以再利用的。而现在的水力发电余水一般都是通过沟渠直接流到了河里，没有再被利用，即还有很大的余水动能被浪费了。由于一个水轮机并没有充分利用全部水的动能，水能利用效率不高；而且，这种设置占地面积大，浪费资源，投资成本大。

如果能够通过一个装置将水力发电余水这部分动能利用起来，再用来发电，循环利用，将极大节约大自然的水能和土地资源，提高水能的利用效率，提高经济效益。

为了实现水力循环发电，本申请的发明人曾进行过长期的研究，反复试验过不同的技术方案，并曾就其中的技术方案提出过水力发电系统的专利申请（专利号2018206794840），在该专利中，利用设置于储水箱内的电动机轴上的三星轮带动活塞运动将储水箱内的水压入水塔从而再用来发电。该系统一定程度实现了水力循环发电，但是，由于水的提升是依靠设置于储水箱内的电动机轴上的三星轮带动活塞运动实现的，工作效率还不是最理想的；另外，安装维修还不太方便。同时，其水轮动力装置的水轮机与发电机及水轮机相互之间是通过皮带轮传动的，还不能完全实现同步，也一定程度影响了工作效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种效率更高的水力循环发电系统及用于该系统的高压泵，以将水力发电余水动能再转化为势能继续用来发电，而且不过分依赖地形条件。

为了解决上述技术问题，本发明的水力循环发电系统，包括高压泵和多级水轮机组；

所述高压泵包括盛水箱、压水室、水塔筒和提水动力辅助装置；

所述盛水箱位于泵底部；所述盛水箱侧壁设有进水口用于流进水力发电余水；所述盛水箱顶部设有出水口；

所述压水室为密封设置，位于盛水箱上方；所述压水室设置二个；所述压水室顶部设有出水阀，所述出水阀进水口与压水室连通；所述压水室底部设有活塞室，活塞室内设有活塞；所述活塞室底部开口且通过盛水箱顶部出水口与盛水箱连通，上方开口且与压水室内腔连通；所述压水室还设有顶杆；所述活塞固定于顶杆下端；所述活塞上设有进水阀，所述进水阀进水口与盛水箱连通、出水口与压水室连通；

所述水塔筒设置二个，分别对应二个压水室设置；所述水塔筒底部连接于压水室顶部，压水室顶部出水阀的出水口与水塔筒内腔连通；所述顶杆向上伸出压水室伸至水塔筒内腔、与压水室顶部和水塔筒底部密封连接；所述水塔筒顶部设有排水口；所述水塔筒内腔设有空心浮筒，空心浮筒底部连接所述顶杆上端，空心浮筒顶部连接有上顶杆；所述上顶杆伸出水塔筒顶部；所述二个水塔筒的上顶杆通过一个连杆活动连接；所述连杆中部固定有连杆轴，所述连杆轴通过轴承活动连接于水塔筒顶部；

所述提水动力辅助装置包括电动机、摇臂、滑座；所述摇臂一端与连杆轴固定连接，另一端与滑座固定连接；所述滑座中心设有圆形通孔；所述摇臂中心线分别与滑座圆形通孔中心线和连杆轴中心线垂直相交；所述滑座一端表面上沿圆形通孔径向均匀分布有四条滑槽，其中靠近摇臂的二条滑槽的中心线与摇臂中心线投影成45度；电动机轴穿过滑座圆形通孔且二者中心线重合；所述电动机轴端垂直固定连接有二个滑臂，该二个滑臂端头设有轴承，该二个滑臂位于同一平面并分别置于滑座端面相邻二条滑槽内且能在滑槽内滑动；所述电动机与盛水箱固定连接；

所述多级水轮机组包括二组水轮机；所述水轮机的传动轴与地面平行并相互平行；每组水轮机包括至少二个水轮机，该二个水轮机同一垂直线上下排列设置，水轮机的轴端固定有齿轮，相邻二个水轮机的轴端齿轮通过一个中间齿轮传动连接；所述二组水轮机的水轮置于一个密闭的水室内；所述水室顶部设有进水口，还设有进水管，该进水管与地面垂直从进水口伸入水室、其出水端位于水轮机的上方；所述进水管底部设有二个出水分管，该二个出水分管分别向二组水轮机位于上部的水轮机的水轮倾斜设置以使水流射向二组水轮机位于上部的水轮机的水轮；所述进水管的进水端连接所述水塔筒顶部的排水口；所述水室底部设有出水口；所述二组水轮机位于最下部的水轮机的轴端齿轮通过一个中间齿轮传动连接，该中间齿轮与发电机轴固定连接。

在所述多级水轮机组上方设有储水箱，所述储水箱顶部设有进水口通过水管连接所述水塔筒顶部的排水口，所述储水箱底部设有出水口连接所述水室的进水管。

所述二组水轮机中的每个水轮机上方都设有出水分管。

所述活塞室内活塞上各均匀分布有36个进水阀。

所述二个压水室各设置36个出水阀。

所述空心浮筒用轻质材料制成。

所述空心浮筒与顶杆、上顶杆分别固定连接。

所述二组水轮机中，一组的水轮机与另外一组的水轮机相互对应同一水平并列设置。

所述每组水轮机包括三个水轮机。

本发明用于水力循环发电系统的高压泵，包括盛水箱、压水室、水塔筒和提水动力辅助装置；

所述盛水箱位于泵底部；所述盛水箱侧壁设有进水口用于流进水力发电余水；所述盛水箱顶部设有出水口；

所述压水室为密封设置，位于盛水箱上方；所述压水室设置二个；所述压水室顶部设有出水阀，所述出水阀进水口与压水室连通；所述压水室底部设有活塞室，活塞室内设有活塞；所述活塞室底部开口且通过盛水箱顶部出水口与盛水箱连通，上方开口且与压水室内腔连通；所述压水室还设有顶杆；所述活塞固定于顶杆下端；所述活塞上设有进水阀，所述进水阀进水口与盛水箱连通、出水口与压水室连通；

所述水塔筒设置二个，分别对应二个压水室设置；所述水塔筒底部连接于压水室顶部，压水室顶部出水阀的出水口与水塔筒内腔连通；所述顶杆向上伸出压水室伸至水塔筒内腔、与压水室顶部和水塔筒底部密封连接；所述水塔筒顶部设有排水口；所述水塔筒内腔设有空心浮筒，空心浮筒底部连接所述顶杆上端，空心浮筒顶部连接有上顶杆；所述上顶杆伸出水塔筒顶部；所述二个水塔筒的上顶杆通过一个连杆活动连接；所述连杆中部固定有连杆轴，所述连杆轴通过轴承活动连接于水塔筒顶部；

所述提水动力辅助装置包括电动机、摇臂、滑座；所述摇臂一端与连杆轴固定连接，另一端与滑座固定连接；所述滑座中心设有圆形通孔；所述摇臂中心线分别与滑座圆形通孔中心线和连杆轴中心线垂直相交；所述滑座一端表面上沿圆形通孔径向均匀分布有四条滑槽，其中靠近摇臂的二条滑槽的中心线与摇臂中心线投影成45度；电动机轴穿过滑座圆形通孔且二者中心线重合；所述电动机轴端垂直固定连接有二个滑臂，该二个滑臂位于同一平面并分别置于滑座端面相邻二条滑槽内且能在滑槽内滑动；所述电动机与盛水箱固定连接；所述空心浮筒与顶杆、上顶杆分别固定连接。

采用本发明的结构，由于设有新型高压泵和多级水轮机组，高压泵将水力发电余水动能再转化为势能，多级水轮机组再将水的势能转化为动能用于发电和带动高压泵，如此循环利用，效率高。

由于高压泵包括盛水箱、二个压水室、二个水塔筒和提水动力辅助装置，这样，能通过多种途径如管道或沟渠等将水力发电余水引入盛水箱，引入盛水箱的水本身有很大的动能，在提水动力辅助装置作用下二根顶杆与通过连杆连接的二个塔筒的上顶杆上下联动，带动活塞运动从而使进水阀和出水阀交替工作，水不断进入压水室，再进入水塔筒，最后从水塔筒顶部排水口排出，通过排水管送入水轮机继续发电，从而实现了将水力发电余水动能再转化为势能继续用来发电的发明目的。将进水阀设于活塞上，既便于制造、安装，又能够提高效率。

提水动力辅助装置包括电动机、摇臂、滑座，电动机轴端二个滑臂分别置于滑座端面相邻二条滑槽内且能在滑槽内滑动，电动机轴的旋转带动摇臂摇摆，摇臂的摇摆通过连杆带动二根上顶杆上下联动从而带动活塞工作，从而实现二个水塔筒交替进水，这样既可以保持机构工作平衡稳定，又可以充分利用水力发电余水的动能以降低电动机的动力能耗。滑座结构能够进一步节省提水动力辅助装置的能耗。通过试验反复比较，采用该滑座结构的提水动力辅助装置的结构，比其他动力方式可以减少能耗50%左右，而且制作安装维修更加方便、成本降低。

二个压水室各设置36个进水阀和36个出水阀，可以极大提高工作效率，能够充分利用余水动能。

水塔筒内腔设置空心浮筒，能够利用水的浮力，可以进一步减少传动轴的动力能耗。而且空心浮筒用轻质材料制成，能够更大程度地减少传动轴的动力能耗。

由于设有二组水轮机，每组水轮机包括至少二个水轮机，二组水轮机的水轮置于一个密闭的水室内，水室顶部设有进水口，进水管与地面垂直从进水口伸入水室、位于水轮机的上方，进水管底部设有二个出水分管，该二个出水分管分别向二组水轮机位于上部的水轮机的水轮倾斜设置以使水流射向二组水轮机位于上部的水轮机的水轮，这样，水从上冲下，经上部的水轮机后再冲击下部的水轮机，能够带动多个水轮机联动工作，充分利用了水的动能，从而增加了动力，提高了效率。水轮机与发电机及水轮机相互之间通过齿轮传动，完全实现同步，进一步增加了动力、提高了工作效率。

由于二组水轮机是自上而下垂直设置，结构紧凑，占地面积小，能够极大节约土地资源，降低投资成本。

本发明的泵结构新颖而简单，制造方便，可以小型化，也可以大型设置，可以通过多种途径如管道或沟渠等将水力发电余水引入盛水箱能将水力发电余水这部分动能利用起来，再用来发电，循环利用，而且不需要过分依赖地形条件，又不会影响驱动水轮机所需要的水位落差，极大节约了大自然的水能和土地资源，提高了水能的利用效率，工作效率更高。

本发明的系统可以单独使用，也可以连接于现有水力发电设施以对现有水力发电余水再利用。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图；

图2是本发明高压泵结构示意图；

图3是本发明高压泵提水动力辅助装置结构示意图；

图4是本发明高压泵提水动力辅助装置滑座结构示意图；

图5是本发明水轮机组结构示意图；

图6是本发明水轮机组齿轮传动连接结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述：

如图1所示，本发明的水力循环发电系统，包括高压泵1和多级水轮机组3。

如图2、图3、图4所示，高压泵包括盛水箱17、压水室16、水塔筒13和提水动力辅助装置。

盛水箱位于泵底部。盛水箱侧壁设有进水口用于流进水力发电余水，水力发电后的余水通过管道或沟渠引进盛水箱。盛水箱顶部设有出水口。

压水室为密封设置，位于盛水箱上方。压水室设置二个。压水室顶部设有出水阀112。出水阀进水口与压水室连通。压水室底部设有活塞室111。活塞室内设有活塞。活塞室底部开口且通过盛水箱顶部出水口与盛水箱连通，上方开口且与压水室内腔连通。压水室还设有顶杆。活塞固定于顶杆下端。活塞上设有进水阀110。进水阀进水口与盛水箱连通、出水口与压水室连通。出水阀和进水阀的结构都是现有技术，如单向阀门等。

水塔筒设置二个，分别对应二个压水室设置。水塔筒底部连接于压水室顶部，压水室顶部出水阀的出水口与水塔筒内腔连通。顶杆向上伸出压水室伸至水塔筒内腔、与压水室顶部和水塔筒底部密封连接。水塔筒顶部设有排水口。水塔筒内腔设有空心浮筒14，空心浮筒底部连接所述顶杆上端，空心浮筒顶部连接有上顶杆12。上顶杆伸出水塔筒顶部。二个水塔筒的上顶杆通过一个连杆11活动连接。连杆中部固定有连杆轴10。连杆轴通过轴承活动连接于水塔筒顶部。

提水动力辅助装置包括电动机、摇臂18、滑座19。摇臂一端与连杆轴固定连接，另一端与滑座固定连接。滑座中心设有圆形通孔。摇臂中心线分别与滑座圆形通孔中心线和连杆轴中心线垂直相交。滑座一端表面上沿圆形通孔径向均匀分布有四条滑槽121，其中靠近摇臂的二条滑槽的中心线与摇臂中心线投影成45度。电动机轴20穿过滑座圆形通孔且二者中心线重合。电动机轴端垂直固定连接有二个滑臂122，该二个滑臂端头设有轴承，该二个滑臂位于同一平面并分别置于滑座端面相邻二条滑槽内且能在滑槽内滑动。电动机与盛水箱固定连接。

如图5、图6所示，多级水轮机组包括二组水轮机。水轮机的传动轴与地面平行并相互平行。每组水轮机包括至少二个水轮机23。该二个水轮机同一垂直线上下排列设置。水轮机的轴端固定有齿轮。相邻二个水轮机的轴端齿轮通过一个中间齿轮传动连接。二组水轮机的水轮置于一个密闭的水室24内。水室顶部设有进水口，还设有进水管21。该进水管21与地面垂直从进水口伸入水室、其出水端位于水轮机的上方。进水管底部设有二个出水分管22。该二个出水分管分别向二组水轮机位于上部的水轮机的水轮倾斜设置以使水流射向二组水轮机位于上部的水轮机的水轮。进水管的进水端连接所述水塔筒顶部的排水口。水室底部设有出水口。二组水轮机位于最下部的水轮机的轴端齿轮通过一个中间齿轮25传动连接，该中间齿轮与发电机轴26固定连接。

为了增加储水量，提高动能，作为进一步改进，在多级水轮机组上方设有储水箱2。储水箱顶部设有进水口通过水管连接所述塔筒顶部的排水口，储水箱底部设有出水口连接所述水轮动力装置的进水管。

为了进一步提高效率，二组水轮机中的每个水轮机上方都设有出水分管。

为了提高效率，活塞室内活塞上各均匀分布有36个进水阀。二个压水室各设置36个出水阀。

空心浮筒用轻质材料制成，如铝合金，或塑料等。这样可以减少阻力，节约动力。

空心浮筒与顶杆、上顶杆分别固定连接。这样，能更好地同步联动。

作为优选，二组水轮机中，一组的水轮机与另外一组的水轮机相互对应同一水平并列设置。

作为优选，每组水轮机包括三个水轮机。这样效果最好，超过三个水轮机，制造不方便、成本会增加，而动力增加不大。

本发明系统的工作原理：

水力发电后的余水通过管道或沟渠引进高压泵的盛水箱。进入高压泵盛水箱的余水有一些动能，提水动力辅助装置辅助增加动能。高压泵提水动力辅助装置电动机轴旋转通过滑座带动摇臂摇摆，摇臂的摇摆通过连杆带动二根上顶杆上下联动从而带动活塞工作，从而实现二个水塔筒交替进水：顶杆向下移动时，压水室里的活塞向下移动，进水阀打开，盛水箱里的水进入压水室；顶杆向上移动时，压水室里的活塞向上移动，进水阀关闭、出水阀打开，压水室里的水进入塔筒；水从水塔筒顶部的排水口排出，而且，塔筒里的空心浮筒与上顶杆也向上移动。与此同时，另外一个顶杆、另外一个压水室里的活塞等做相反的运动；二个水塔筒的上顶杆通过一根连杆连接相互做相反的运动，这样，实现二个水塔筒交替进水。

如此循环，将进入盛水箱里的水送至高处，再从水塔筒顶部的排水口排出用于发电。

水从水塔筒顶部的排水口排出后进入多级水轮机组，水从上往下同时冲击二组水轮机。每组水轮机通过齿轮连接，增加动力和转速。二组水轮机的最后一个水轮机通过齿轮连接带动发动机发电。

本发明的循环式水力发电系统实际生产成本约每个千瓦仅为2600元，每年工作时间为8600小时，每发一度成本为5分钱以内。本发明的循环式水力发电系统不需要太多的水量，与传统水力发电装置比较，不仅投资少，收益高，见效快，而且安全可靠，节能环保，效率高。

Claims (8)

1.一种水力循环发电系统，其特征在于：包括高压泵（1）和多级水轮机组（3）；

所述高压泵包括盛水箱（17）、压水室（16）、水塔筒（13）和提水动力辅助装置；

所述盛水箱位于泵底部；所述盛水箱侧壁设有进水口用于流进水力发电余水；所述盛水箱顶部设有出水口；

所述压水室为密封设置，位于盛水箱上方；所述压水室设置二个；所述压水室顶部设有出水阀（112），所述出水阀进水口与压水室连通；所述压水室底部设有活塞室（111），活塞室内设有活塞；所述活塞室底部开口且通过盛水箱顶部出水口与盛水箱连通，上方开口且与压水室内腔连通；所述压水室还设有顶杆；所述活塞固定于顶杆下端；所述活塞上设有进水阀（110），所述进水阀进水口与盛水箱连通、出水口与压水室连通；

所述水塔筒设置二个，分别对应二个压水室设置；所述水塔筒底部连接于压水室顶部，压水室顶部出水阀的出水口与水塔筒内腔连通；所述顶杆向上伸出压水室伸至水塔筒内腔、与压水室顶部和水塔筒底部密封连接；所述水塔筒顶部设有排水口；所述水塔筒内腔设有空心浮筒（14），空心浮筒底部连接所述顶杆上端，空心浮筒顶部连接有上顶杆（12）；所述上顶杆伸出水塔筒顶部；所述二个水塔筒的上顶杆通过一个连杆（11）活动连接；所述连杆中部固定有连杆轴（10），所述连杆轴通过轴承活动连接于水塔筒顶部；

所述提水动力辅助装置包括电动机、摇臂（18）、滑座（19）；所述摇臂一端与连杆轴固定连接，另一端与滑座固定连接；所述滑座中心设有圆形通孔；所述摇臂中心线分别与滑座圆形通孔中心线和连杆轴中心线垂直相交；所述滑座一端表面上沿圆形通孔径向均匀分布有四条滑槽（121），其中靠近摇臂的二条滑槽的中心线与摇臂中心线投影成45度；电动机轴（20）穿过滑座圆形通孔且二者中心线重合；所述电动机轴端垂直固定连接有二个滑臂（122），该二个滑臂端头设有轴承，该二个滑臂位于同一平面并分别置于滑座端面相邻二条滑槽内且能在滑槽内滑动；所述电动机与盛水箱固定连接；

所述多级水轮机组包括二组水轮机；所述水轮机的传动轴与地面平行并相互平行；每组水轮机包括至少二个水轮机（23），该二个水轮机同一垂直线上下排列设置，水轮机的轴端固定有齿轮，相邻二个水轮机的轴端齿轮通过一个中间齿轮传动连接；所述二组水轮机的水轮置于一个密闭的水室（24）内；所述水室顶部设有进水口，还设有进水管（21），该进水管与地面垂直从进水口伸入水室、其出水端位于水轮机的上方；所述进水管底部设有二个出水分管（22），该二个出水分管分别向二组水轮机位于上部的水轮机的水轮倾斜设置以使水流射向二组水轮机位于上部的水轮机的水轮；所述进水管的进水端连接所述水塔筒顶部的排水口；所述水室底部设有出水口；所述二组水轮机位于最下部的水轮机的轴端齿轮通过一个中间齿轮（25）传动连接，该中间齿轮与发电机轴（26）固定连接；

在所述多级水轮机组上方设有储水箱（2），所述储水箱顶部设有进水口通过水管连接所述水塔筒顶部的排水口，所述储水箱底部设有出水口连接所述水室的进水管（21）；

所述二组水轮机中的每个水轮机上方都设有出水分管。

2.根据权利要求1所述发电系统，其特征在于：所述活塞室内活塞上各均匀分布有36个进水阀。

3.根据权利要求1所述发电系统，其特征在于：所述二个压水室各设置36个出水阀。

4.根据权利要求1所述发电系统，其特征在于：所述空心浮筒用轻质材料制成。

5.根据权利要求1所述发电系统，其特征在于：所述空心浮筒与顶杆、上顶杆分别固定连接。

6.根据权利要求1所述发电系统，其特征在于：所述二组水轮机中，一组的水轮机与另外一组的水轮机相互对应同一水平并列设置。

7.根据权利要求1所述发电系统，其特征在于：所述每组水轮机包括三个水轮机。

8.一种用于水力循环发电系统的高压泵，其特征在于：包括盛水箱、压水室、水塔筒和提水动力辅助装置；

所述盛水箱位于泵底部；所述盛水箱侧壁设有进水口用于流进水力发电余水；所述盛水箱顶部设有出水口；

所述压水室为密封设置，位于盛水箱上方；所述压水室设置二个；所述压水室顶部设有出水阀，所述出水阀进水口与压水室连通；所述压水室底部设有活塞室，活塞室内设有活塞；所述活塞室底部开口且通过盛水箱顶部出水口与盛水箱连通，上方开口且与压水室内腔连通；所述压水室还设有顶杆；所述活塞固定于顶杆下端；所述活塞上设有进水阀，所述进水阀进水口与盛水箱连通、出水口与压水室连通；

所述水塔筒设置二个，分别对应二个压水室设置；所述水塔筒底部连接于压水室顶部，压水室顶部出水阀的出水口与水塔筒内腔连通；所述顶杆向上伸出压水室伸至水塔筒内腔、与压水室顶部和水塔筒底部密封连接；所述水塔筒顶部设有排水口；所述水塔筒内腔设有空心浮筒，空心浮筒底部连接所述顶杆上端，空心浮筒顶部连接有上顶杆；所述上顶杆伸出水塔筒顶部；所述二个水塔筒的上顶杆通过一个连杆活动连接；所述连杆中部固定有连杆轴，所述连杆轴通过轴承活动连接于水塔筒顶部；

所述提水动力辅助装置包括电动机、摇臂、滑座；所述摇臂一端与连杆轴固定连接，另一端与滑座固定连接；所述滑座中心设有圆形通孔；所述摇臂中心线分别与滑座圆形通孔中心线和连杆轴中心线垂直相交；所述滑座一端表面上沿圆形通孔径向均匀分布有四条滑槽，其中靠近摇臂的二条滑槽的中心线与摇臂中心线投影成45度；电动机轴穿过滑座圆形通孔且二者中心线重合；所述电动机轴端垂直固定连接有二个滑臂，该二个滑臂位于同一平面并分别置于滑座端面相邻二条滑槽内切能在滑槽内滑动；所述电动机与盛水箱固定连接；

所述空心浮筒与顶杆、上顶杆分别固定连接。