CN110985265A - 基于换向阀的水锤发动机 - Google Patents
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Abstract
基于换向阀的水锤发动机,包括换向阀、发动机、传动机构、管路组件及水锤组件;换向阀包括外壳及阀芯;当换向阀在进水状态下,外壳上仅有进水口A和出水口A之间通过阀芯的透水通道连通;当换向阀在排水状态下,外壳上仅有出水口B和回水口之间通过阀芯的透水通道连通;发动机包括缸体、曲轴、连杆及活塞;传动机构设在曲轴与阀芯之间,以将曲轴的动力传递至阀芯;水锤组件包括储能罐、单向阀及输出管。本发明可将水的动能转化为机械能和重力势能,通过曲轴输出的机械能可带动发电机发电,通过输出管输出的水被提升至高位,其中蕴含的重力势能可用于落差发电或灌溉,实现高效的水能利用。
Description
技术领域
本发明涉及水能动力机械领域,特别是一种基于换向阀的水锤发动机。
背景技术
水能作为清洁能源已被广泛利用,水力发电是最为常见的水能利用方式,水力发电的基本原理是利用水位落差,配合水轮发电机产生电力,也就是利用水的位能转变为水轮的机械能,再以机械能驱动发电机动作而得到电力。
可见将水能转化成机械能的核心部件为水轮,即通过水推动水轮旋转,旋转的水轮再带动发电机动作,以实现水能的利用。然而在使用水轮将水的位能转化成机械能时,其能量利用率较低,而且水轮尺寸较大,实际应用时需要很大的场地放置,对于水力发电的大面积推广使用带来了一定的阻力。
现有的水锤泵包括水源总管、泄水阀、扬水阀和缓冲罐,泄水阀和扬水阀下端的进水端分别与水源总管的两个接口连接,扬水阀的上端与缓冲罐的下端连接。上述水锤泵的扬程比较有限,难以满足山地灌溉需要更高扬水的需求。另外,现有泄水阀的开关板与开关座之间的工作噪音很大,不仅污染工作环境,还降低了使用寿命。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足,而提供一种基于换向阀的水锤发动机,它可输出动力用于发电并将低位水提升至高位,实现了一机两用。它解决了现有的水能发电装置占地地面积大,水能利用率较低的问题。
本发明的技术方案是:基于换向阀的水锤发动机,包括换向阀、发动机、传动机构、管路组件及水锤组件;
换向阀包括外壳及阀芯;外壳上设有进水口A、出水口A、出水口B及回水口;阀芯上设有透水通道,其活动安装在外壳内部并可在外壳内部旋转,其通过旋转使换向阀在进、排水状态之间切换;当换向阀在进水状态下,外壳上仅有进水口A和出水口A之间通过阀芯的透水通道连通;当换向阀在排水状态下,外壳上仅有出水口B和回水口之间通过阀芯的透水通道连通;
发动机包括缸体、曲轴、连杆及活塞;缸体内设有储液腔,缸体上设有连通至储水腔的入水口;曲轴活动安装在缸体上;连杆一端活动连接在活塞上,另一端活动连接在曲轴上;活塞活动安装在缸体的储液腔中,活塞往复移动时,一方面使储液腔规律扩大和缩小,另一方面通过连杆带动曲轴转动;
传动机构设在曲轴与阀芯之间,以将曲轴的动力传递至阀芯;
管路组件包括进水管、排水管及联通管;进水管连接在外壳的进水口A上,其管体上设有出水口C;排水管连接在外壳的出水口B上;联通管一端与外壳的出水口A及回水口连通,另一端与缸体的入水口连通;
水锤组件包括储能罐、单向阀及输出管;储能罐下端设有进水口B,侧壁上设有出水口D,储能罐通过其下端的进水口B与进水管上的出水口C连通;单向阀设置在储能罐的进水口B与进水管的出水口C之间,以防止储能罐内的水回流至进水管中,输出管下端与储能罐的出水口D连通,上端与外部蓄水容器连通。
本发明进一步的技术方案是:外壳上的进水口A、出水口A、出水口B及回水口的数量分别为两个,两个进水口A的位置相互正对,两个出水口A的位置相互正对,两个出水口B的位置相互正对,两个回水口的位置相互正对。
本发明进一步的技术方案是:传动机构包括链条、主动链轮、从动链轮及惯性轮;主动链轮和惯性轮分别固定安装在曲轴两端,从动链轮固定安装在阀芯端部,链条绕设在主动链轮与从动链轮之间;传动组件的传动比为2:1。
本发明再进一步的技术方案是:换向阀的数量为一个;相应的,缸体内的储液腔数量为一个,活塞的数量为一个,连杆的数量为两根,一个活塞分别安装在一个储液腔中,两根连杆的一端分别连接在一个活塞上,另一端均连接在曲轴上;相应的,传动组件的数量为一组。
本发明再进一步的技术方案是:换向阀的数量为两个;相应的,缸体内的储液腔数量为两个,活塞的数量为两个,连杆的数量为两根,两个活塞分别安装在两个储液腔中,两根连杆的一端分别连接在两个活塞上,另一端均连接在曲轴上;相应的,传动组件的数量为两组,两组传动组件分别设在曲轴与第一个阀芯、曲轴与第二个阀芯之间。
本发明再进一步的技术方案是:换向阀的数量为三个;相应的,缸体内的储液腔数量为三个,活塞的数量为三个,连杆的数量为三根,三个活塞分别安装在三个储液腔中,三根连杆的一端分别连接在三个活塞上,另一端均连接在曲轴上;相应的,传动组件的数量为三组,三组传动组件分别设在曲轴与第一个阀芯之间、曲轴与第二个阀芯之间、曲轴与第三个阀芯之间。
本发明与现有技术相比具有如下优点:
1、本发明提供了一种将水的动能转化为机械能和重力势能的装置,通过曲轴输出的机械能可带动发电机发电,通过输出管输出的水被提升至高位,其中蕴含的重力势能可用于落差发电或灌溉,实现高效的水能利用;
一方面,管路中的水流随着换向阀状态的变化而周期性的冲击活塞,使活塞往复运动,活塞通过连杆带动曲轴持续转动输出动力,实现将水的动能转化为机械能;
另一方面,进水管中的水流随着换向阀状态的变化而周期性的流动和停止,水流在停止的瞬间水压骤然增大,借助水锤效应将进水管中的部分水流挤入储能罐中,储能罐中的水在压力作用下再通过输出管输出,进入位于高位的外部储水容器,实现将水的动能转化为重力势能。
2、换向阀无需人力操作,可自动切换状态,运行平稳,噪音小。
以下结合图和实施例对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图;
图2为实施例1在另一视角下的结构示意图;
图3为实施例3的结构示意图;
图4为实施例3在另一视角下的结构示意图;
图5为换向阀的结构示意图;
图6为阀芯的结构示意图;
图7为图6的A-A剖视图;
图8为实施例1中的发动机的结构示意图;
图9为实施例2中的发动机的结构示意图。
具体实施方式
实施例1:
如图1、2、5、6、7、8所示,基于换向阀的水锤发动机,包括换向阀、发动机、传动机构、管路组件及水锤组件;
换向阀包括外壳11及阀芯12。外壳11上设有进水口A111、出水口A112、出水口B113及回水口114。阀芯12上设有透水通道121,阀芯12活动安装在外壳11内部并可在外壳11内部旋转,其一端或两端从外壳11内部伸出,阀芯12通过旋转使换向阀在进、排水状态之间切换。当换向阀在进水状态下,外壳11上仅有进水口A111和出水口A112之间通过阀芯12的透水通道121连通。当换向阀在排水状态下,外壳11上仅有出水口B113和回水口114之间通过阀芯12的透水通道121连通。
发动机包括缸体21、曲轴24、连杆23及活塞22。缸体21内设有储液腔211,缸体21上设有连通至储水腔211的入水口212。曲轴24活动安装在缸体21上,其一端或两端从缸体21内腔中伸出。连杆23一端活动连接在活塞22上,另一端活动连接在曲轴24上。活塞22活动安装在缸体21的储液腔211中并可做往复直线移动,活塞22往复移动时,一方面使储液腔211规律扩大和缩小,另一方面通过连杆23带动曲轴24转动。
传动机构设在曲轴24与阀芯12之间,以将曲轴24的动力传递至阀芯12。传动机构包括链条31、主动链轮、从动链轮33及惯性轮34。主动链轮和惯性轮34分别固定安装在曲轴24两端,从动链轮33固定安装在阀芯12端部,链条31绕设在主动链轮与从动链轮33之间。传动组件的传动比为2:1。
管路组件包括进水管41、排水管42及联通管43。进水管41连接在外壳11的进水口A111上,其管体上设有出水口C411。排水管42连接在外壳11的出水口B113上。联通管43一端(通过多个分叉的端头)与外壳11的出水口A111及回水口114连通,另一端与缸体21的入水口212连通。
水锤组件包括储能罐51、单向阀及输出管52。储能罐51下端设有进水口B511,侧壁上设有出水口D512,储能罐51通过其下端的进水口B511与进水管41上的出水口C411连通。单向阀设置在储能罐51的进水口B511与进水管41的出水口C411之间,以防止储能罐51内的水回流至进水管41中,输出管52下端与储能罐51的出水口D512连通,上端与外部蓄水容器(图中未示出)连通。
优选,进水管41的管体上设有阀门412,通过调节阀门412可实现进水流量的调节,进而达到控制曲轴24输出转速的目的。
优选,进水管41上设有压力表(图中未示出),可用于监测进水水压。
优选,进水管41上设有排渣分管A413,排渣分管A413上设有处于常闭状态的排渣阀A4131,排渣阀A4131用于在整个装置停止运行后排出管网内的余水及杂质。
优选,排水管42的出水口高于进水管41的进水口,防止排水时管路内进入空气。
优选,联通管43上设有排气阀431,排气阀431用于通水时排出整个管网内的空气。
优选,联通管43上设有排渣分管B432,排渣分管B432上设有处于常闭状态的排渣阀B4321,排渣阀B4321用于在整个装置停止运行后排出管网内的余水及杂质。
优选,外壳11上的进水口A111、出水口A112、出水口B113及回水口114的数量分别为两个,两个进水口A111的位置相互正对,两个出水口A112的位置相互正对,两个出水口B113的位置相互正对,两个回水口114的位置相互正对,这使得在进水时,来自两个相反方向的进水冲击力可相互抵消,即使进水的水压和流量增大,水流也不会对阀芯产生压迫力,不会对传动组件驱动阀芯转动增加负荷。
本实施例中,换向阀的数量为一个;相应的,缸体21内的储液腔211数量为一个,活塞22的数量为一个,连杆23的数量为两根,一个活塞22分别安装在一个储液腔211中,两根连杆23的一端分别连接在一个活塞22上,另一端均连接在曲轴24上;相应的,传动组件的数量为一组。
实施例2:
如图9所示,本实施例与实施例1相比,区别仅在于:换向阀的数量为两个;相应的,缸体21内的储液腔211数量为两个,活塞22的数量为两个,连杆23的数量为两根,两个活塞22分别安装在两个储液腔211中,两根连杆23的一端分别连接在两个活塞22上,另一端均连接在曲轴24上;相应的,传动组件的数量为两组,两组传动组件分别设在曲轴24与第一个阀芯12、曲轴24与第二个阀芯12之间。
本实施例中,两个活塞22始终相差一个行程,当其中一个活塞运动至将其相对应的储液腔211扩至最大时,另一个活塞运动至将其对应的储液腔211压缩至最小。
实施例3:
如图3、4、5、6、7所示,本实施例与实施例1相比,区别仅在于:换向阀的数量为三个;相应的,缸体21内的储液腔211数量为三个,活塞22的数量为三个,连杆23的数量为三根,三个活塞22分别安装在三个储液腔211中,三根连杆23的一端分别连接在三个活塞22上,另一端均连接在曲轴24上;相应的,传动组件的数量为三组,三组传动组件分别设在曲轴24与第一个阀芯12之间、曲轴24与第二个阀芯12之间、曲轴24与第三个阀芯12之间。
本实施例中,三个活塞22始终相差1/2个行程,当其中一个活塞运动至将其相对应的储液腔211扩至最大时,第二个活塞运动至将其对应的储液腔211压缩至中间区域,第三个活塞运动至将其对应的储液腔211压缩至最小。
简述本发明的工作原理:本发明使用范围较广泛,进水管41可连接具有稳定水压的水源,或放置在河流中,使水流自然冲入进水管41中。
换向阀有进水和排水两种状态,在进水状态下,进水管41、进水口A111、阀芯12透水通道121、出水口A112、联通管43、缸体21储液腔211依次连通,此状态下,活塞22在水的冲击下运动,以扩大缸体21储液腔211,为做功冲程。在排水状态下,排水管42、出水口B113、阀芯12透水通道121、回水口114、联通管43、缸体21储液腔211依次连通,此状态下,活塞22在惯性轮34、曲轴24、连杆23的带动下运动,以缩小缸体21储液腔211,为排水冲程。
本发明通过进水水压(或称进水水流冲击力)推动活塞22运动,活塞22带动曲轴24做圆周转动,曲轴24再通过传动机构将动力传递至阀芯12,使换向阀在进水和排水状态之间周期性的变化。
当活塞22向着扩大缸体21储液腔211容积的方向运动的过程中,换向阀均处在进水状态;当活塞22向着压缩缸体21储液腔211容积的方向运动的过程中,换向阀均处在排水状态;此时,排水管42向外排水,同时,进水管41中的水流被挤入储能罐51。
一方面,管路中的水流随着换向阀状态的变化而周期性的冲击活塞22,使活塞往复运动,活塞22通过连杆23带动曲轴24持续转动,通过曲轴24输出动力,实现将水的动能转化为机械能。
另一方面,进水管41中的水流随着换向阀状态的变化而周期性的流动和停止,换向阀的状态由进水切换到排水时,水流骤然停止,水压骤然增大,借助水锤效应,进水管41中的部分水流被挤入储能罐51中,储能罐51中的水在压力作用下再通过输出管52输出,进入位于高位的外部储水容器,实现将水的动能转化为重力势能。
Claims (6)
1.基于换向阀的水锤发动机,其特征是:包括换向阀、发动机、传动机构、管路组件及水锤组件;
换向阀包括外壳及阀芯;外壳上设有进水口A、出水口A、出水口B及回水口;阀芯上设有透水通道,其活动安装在外壳内部并可在外壳内部旋转,其通过旋转使换向阀在进、排水状态之间切换;当换向阀在进水状态下,外壳上仅有进水口A和出水口A之间通过阀芯的透水通道连通;当换向阀在排水状态下,外壳上仅有出水口B和回水口之间通过阀芯的透水通道连通;
发动机包括缸体、曲轴、连杆及活塞;缸体内设有储液腔,缸体上设有连通至储水腔的入水口;曲轴活动安装在缸体上;连杆一端活动连接在活塞上,另一端活动连接在曲轴上;活塞活动安装在缸体的储液腔中,活塞往复移动时,一方面使储液腔规律扩大和缩小,另一方面通过连杆带动曲轴转动;
传动机构设在曲轴与阀芯之间,以将曲轴的动力传递至阀芯;
管路组件包括进水管、排水管及联通管;进水管连接在外壳的进水口A上,其管体上设有出水口C;排水管连接在外壳的出水口B上;联通管一端与外壳的出水口A及回水口连通,另一端与缸体的入水口连通;
水锤组件包括储能罐、单向阀及输出管;储能罐下端设有进水口B,侧壁上设有出水口D,储能罐通过其下端的进水口B与进水管上的出水口C连通;单向阀设置在储能罐的进水口B与进水管的出水口C之间,以防止储能罐内的水回流至进水管中,输出管下端与储能罐的出水口D连通,上端与外部蓄水容器连通。
2.如权利要求1所述的基于换向阀的水锤发动机,其特征是:外壳上的进水口A、出水口A、出水口B及回水口的数量分别为两个,两个进水口A的位置相互正对,两个出水口A的位置相互正对,两个出水口B的位置相互正对,两个回水口的位置相互正对。
3.如权利要求2所述的基于换向阀的水锤发动机,其特征是:传动机构包括链条、主动链轮、从动链轮及惯性轮;主动链轮和惯性轮分别固定安装在曲轴两端,从动链轮固定安装在阀芯端部,链条绕设在主动链轮与从动链轮之间;传动组件的传动比为2:1。
4.如权利要求1~3中任一项所述的基于换向阀的水锤发动机,其特征是:换向阀的数量为一个;相应的,缸体内的储液腔数量为一个,活塞的数量为一个,连杆的数量为两根,一个活塞分别安装在一个储液腔中,两根连杆的一端分别连接在一个活塞上,另一端均连接在曲轴上;相应的,传动组件的数量为一组。
5.如权利要求1~3中任一项所述的基于换向阀的水锤发动机,其特征是:换向阀的数量为两个;相应的,缸体内的储液腔数量为两个,活塞的数量为两个,连杆的数量为两根,两个活塞分别安装在两个储液腔中,两根连杆的一端分别连接在两个活塞上,另一端均连接在曲轴上;相应的,传动组件的数量为两组,两组传动组件分别设在曲轴与第一个阀芯、曲轴与第二个阀芯之间。
6.如权利要求1~3中任一项所述的基于换向阀的水锤发动机,其特征是:换向阀的数量为三个;相应的,缸体内的储液腔数量为三个,活塞的数量为三个,连杆的数量为三根,三个活塞分别安装在三个储液腔中,三根连杆的一端分别连接在三个活塞上,另一端均连接在曲轴上;相应的,传动组件的数量为三组,三组传动组件分别设在曲轴与第一个阀芯之间、曲轴与第二个阀芯之间、曲轴与第三个阀芯之间。
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